（水利水电工程专业论文）沈阳市城市适宜水面率研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：x 通 导师签名 关于论文知识产权和使用授权的说明 本论文的知识产权为沈阳农业大学所有。本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使 用学位论文的规定。即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可 以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。 学位论文中的所有内容不经沈阳农业大学授权不得以任何方式擅自对外发表。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议l 研究生签名：j l 迥 时间： 夕1 詹多月，日 导师签 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 城市水环境是城市的生命之源、活力之源，是城市生态系统的绿色生命线，而营造 良好的城市水环境离不开城市水系( 水面) 的支撑。水面率在当前国内外城市规划建设 中备受重视，充足的水量和良好完善的水生态环境不仅为城市居民提供了优美、和谐的 生活环境，而且已作为城市居住适宜度评价和生态城市建设的重要控制性指标。 随着社会经济的发展和城市化进程的加快，沈阳市要延续和完善“山水城林、和谐 共生”的生态格局，建设“城林相依、水绿相映”的可持续发展的生态城市，就必须要 加强城市水系( 水面) 的建设。经过几年的建设，沈阳三环以内从2 0 0 2 年水面面积 1 1 4 7 7 k m 2 、水面率2 5 2 ，增加到2 0 0 5 年水面面积2 1 3 0 6 k i n 2 、水面率4 6 8 ，但城 市适宜水面率如何选择，是一个受众多因素影响的问题，它与城市的经济、社会、自然 条件及水土资源可供量等有着密切的关系，又有诸多与水环境等相关因素的综合影响； 同时，城市雨水及污水资源化、中水的再利用、城市防洪排涝、地下水补给等都与水面 的大小密切相关。因此，如何确定适宜的城市水面面积，充分发挥水面的多种生态功能 和经济价值，促进人水和谐相处，已成为当前亟待研究的重要课题。 本文在系统总结国内外水面率研究现状、存在问题及发展趋势的基础上，对城市适 宜水面率的内涵及其影响因素( 可供水量、土地资源可供量、水体水质、增加可拦蓄水 量( 雨洪) 、水面对地下水的补给、区域土地综合价值等) 进行了分析，并按水面影响 因素的重要程度对其分类；在理论分析的基础上，综合考虑水面的经济、生态和社会效 益，把可供水量、土地资源可供量、水体水质、城市排涝要求等作为约束，建立城市适 宜水面率多目标优化模型，以层次分析法确定目标函数的权重系数，采用m a t i a b 软 件对优化模型进行求解；以沈阳市三环以内城区水系为研究对象，对城市适宜水面率优 化模型进行了实例研究，通过分析表明该模型具有一定实用性：同时，也可为我国北方 地区城市水资源的合理开发利用，生态城市建设中的水系规划提供参考。 关键词：城市适宜水面率多目标优化模型沈阳市 a b s t r a d a b s e r a c t u r b a l lw a t e re n v i r o n m e n ti st h es o u r c eo fg r e e nl i f c l i n et ou r b a ne c o s y s t e m b u tg o o d w a t e re n v i r o n m e n tc a nn o tl e a v et h es t r u to fc i t yw a t e rs y s t e m ( w a t e rs u r f a c e ) i n p r e s e n t ，w a t e rs u r f a c er a t i oi s t a k e ni nu r b a np l a n n i n ga n dc o n s t r u c t i o ni nd o m e s t i ca n d f o r e i g n t h es u f f i c i e n tw a t e rv o l u m ea n dg o o dw a t e re c o l o g i c a le n v i r o n m e n tn o to n l y p r o v i d e d b e a u t i f u l ，h a r m o n i o u sl i v i n gc o n d i t i o n sf o ru r b a np e o p l e s ，b u th a sb e e nt h ei m p o r t a n ta p p r a i s a l t a r g e tt ot h ec i t ys u i t a b l eh o u s i n g w i t he c o s o c i e t yf a s t d e v e l o p i n ga n du r b a n i z a t i o ns p e e d i n gu p ，i t m u s th a v et o s t r e n g t h e n w a t e rs y s t e m ( w a t e r s u r f a c e ) c o n s t r u c t i o nf o r c o n t i n u i n gs c e n e r y a n d c o n s u m m a t i n g f o r e s t c i t y ，t h e h a r m o n i o u s e c o l o g i c a lp a r e m ，c o n s t r u c t i n g s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to fe c o - c i t yi ns h e n y a n gc i t y s e v e r a ly e a r sl a t e r , u r b a nw a t e rs u r f a c er a t i oh a s b e e ni n c r e a s e d , w a t e rs u r f a c ea r e ai sf r o m11 4 7 7 k m 2i n2 0 0 2t o2 1 3 0 6 k m 2i n2 0 0 5 ，w a t e r s u r f a c er a t i oi sf r o m2 5 2 i n2 0 0 2t o4 6 8 i n2 0 0 5 b u th o wt oc h o o s es u i t a b l eu r b a nw a t e r s u r f a c er a t i oi saq u e s t i o nw h i c hi si n f l u e n c e db ym u l t i t u d i n o u sf a c t o r s ，i n c l u d i n gc o n o m y ， s o c i e t y ，n a t u r a lc o n d i t i o n s ，w a t e ra n ds o i lr e s o u r c e ss u p p l y ，w a t e re n v i r o n m e n tf a c t o r se t e i ti s e s p e c i a l l yi m p o r t a n th o wt o d e t e r m i n es u i t a b l eu r b a nw a t e rs u r f a c er a t i o ，w h i c hc o r r e l a t e r a i n w a t e ra n dp o l l u t e dw a t e rr e s o u r c e s , t r a n s f e rf l o o d i n ga n dd r a i n a g ea n dg r o u n d w a t e rs u p p l y e l c t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fw a t e rs u r f a c er a t i oi nd o m e s t i c a n df o r e i g n ，e x i s t i n gp r o b l e m sa n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c y s u i t a b l eu r b a nw a t e rs u r f a c er a t i o c o n n o t a t i o na n di t si n f l u e n c a lf a c t o r s ( w a t e rs u p p l yq u a n t i t y ，s o i ls u p p l yq u a n t i t y ，w a t e rq u a l i t y o fw a t e rs u r f a c e ，s l u i c eq u a n t i t y ，r e p l e n i s h m e n to fw a t e rs u r f a c eo tg r o u n dw a t e r , u r b a n c o m p r e h e n s i y ev a l u e ，e t c ) a r e a n a l y z e d a c c o r d i n g t o i m p o r t a n c eo fw a t e rs u r f a c e ，i t s i n f l u e n c a lf a c t o r sa r e c l a s s i f i e d b a s e do no r e t i c a la n a l y s i s ，c o n s i d e r i n ge v e r yi n f l u e n c a l f a c t o r s ( w a t e rs u p p l yq u a n t i t y ，s o i ls u p p l yq u a n t i t y ，w a t e rq u a l i t yo fw a t e rs u r f a c ea n du r b a n t r a n s f e rf l o o d i n ga n dd r a i n a g er e q u i r e m e n te t c ，e s t a b l i s h i n gt h eo p t i m i z a t i o nm o d e lo fs u i t a b l e u r b a nw a t e rs u r f a c er a t i o ，a p p l y i n ga h pt oc o n f i r mw e i g h ti n d e xo fg o a lf u n c t i o n ，s o l v i n gt h e m o d e lw i t hm a t l a bs o f t w a r e t a k i n gt h r e el i n k si nu r b a na se x a m p l e 。t h eo p t i m i z a t i o n m o d e li sv a l i d a t e d ，a n dt h er e s u l ti sa n a l y z e d ，w h i c hf u l l yi n d i c a t e dc e r t a i nu s a b i f i t yo f m o d e l a tt h es a m et i m e ，i tw i l lp r o v i d er e f e r e n c e st ow a t e rr e s o u r c e sr e a s o n a b l ee x p l o i t a t i o n a n du t i l i z a t i o ni nn o r t h e r nc h i n aa n dw a t e rs y s t e mp l a n n i n go fc c o - c i t yc o n s t r u c t i 衄 k e yw o r d s ：s u i t a b l eu r b a nw a t e rs u r f a c e 豫t i o ，m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e l ，s h e n g y a n g c i t y 2 沈阳农业大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 城市是一个区域的政治、经济、物流、文化和信息中心，在社会经济生产和生活中 发挥着重要的作用，同时也是人类活动对环境干扰最集中、最强烈、最频繁的区域。随 着经济的发展、产业结构的调整以及城市化( u r b a n i z a t i o n ) 进程的加快，人口、资源、 环境之间的矛盾也越来越复杂，导致了一系列城市水问题。 ( 1 ) 城市水资源短缺。全国6 6 1 个建制市中缺水城市占2 3 以上，其中1 0 0 多个城 市严重缺水，主要表现为供水紧张、地下水超采和水环境恶化。在缺水的同时，用水浪 费严重，生活用水器具跑冒滴漏非常普遍，供水管网漏失严重，市政公共用水浪费惊人。 水资源利用效率和效益不高，进一步加剧了水资源紧张形势，城市缺水已成为制约区域 社会经济可持续发展的重要因素。 ( 2 ) 城市水污染问题日益突出。由于城市排污相对集中，污水处理率较低，大量 污水未经处理直排水体，加之城市污水处理水平普遍不尚，全国已有9 0 的城市地表水 域受到不同程度的污染。珠江三角洲、长江三角洲等经济发达地区水质型缺水日益突出， 河湖水体污染严重，无法满足城市水景观的要求，使得水环境建设和水资源保护任务更 加繁重。 ( 3 ) 城市防洪形势依然严峻。在6 3 9 个有防洪任务的城市中，达到国家防洪标准 的只有2 3 6 个，还有6 3 的城市没有达标，仅2 0 0 4 年就有1 4 3 个城市受到洪涝灾害的 影响。由于水面率的减少、水系的破坏、河湖调蓄能力的降低，削弱了城市行洪和排涝 的减灾与抗灾能力( 胡四一，2 0 0 6 ) 。 进入2 1 世纪，在人口快速增长、城市化和工业化快速发展的阶段，城市水问题已 成为世界各国关注的焦点。各界专家和学者致力于各种理论和实践研究，以缓解水危机 和改善水环境，而城市适宜水面率研究与上述问题息息相关。因此，如何确定适宜的城 市水面率，充分发挥水面的多种功能和经济价值，提高水域生态系统的多样性，促进入 水和谐相处，已成为当前亟待研究的重要课题。 1 2 研究目的及意义 生态城市( e c o c i t y ) 是2 0 世纪8 0 年代以来，随着全球化、信息化、城市化进程 的加快和人口、资源、环境问题的加剧而提出来的一种城市发展的新理念( 黄光宇， 2 0 0 4 ) 。近年来，生态城市建设已成为我国许多城市未来发展的目标，北京、上海、武 汉、绍兴、宁波等许多城市在实旌城市水利管理过程中，以人为本，导入水文化理念， 注重城市水生态、水环境建设与城市水文化、水景观建设的有机结合，把水面率作为城 3 第一章绪论 市规划的重要控制性指标，使城市形象和品位得以丰富和提升，以适应人们不断增长的 精神需求和建设宜居、宜游和生态城市的需要。 城市水环境是城市的生命之源、活力之源，是城市系统的绿色生命线，而营造良好 的城市水环境离不开城市水系( 水面) 的支撑。随着城市化进程的加快和人们对水域功 能认识及水景观质量要求的提高，沈阳市要延续和完善“山水城林、和谐共生”的生态 格局，建设“城林相依、水绿相映”的可持续发展的生态城市，必须要加强城市水系( 水 面) 的建设。经过几年的建设，沈阳市三环以内从2 0 0 2 年水面面积1 1 4 7 7 k m 2 、水面率 2 5 2 ，增加到2 0 0 5 年水面面积2 1 3 0 6 k i n 2 、水面率4 6 8 ，但城市适宜水面率如何选 择，才适合城市的发展要求和水面综合功能的发挥，是一个值得深入研究的问题。 城市水面的大小取决于多种因素，它与城市的经济、杜会、自然条件及水土资源可 供量等有着密切关系。水面面积大有利于改善城市景观环境、提高人居舒适度、提升城 市品味，但面积过大不仅严重占据城市宝贵的土地资源，而且需要大量的水资源，这对 水资源短缺的城市来说是十分困难的：反之，水面面积小虽能有效提高城市的居住率、 增大经济效益，但面积过小不仅严重影响城市防洪排涝安全，而且影响城市的人居环境、 降低城市品味，直接影响到招商引资和城市的可持续发展。同时，城市雨水及污水资源 化、中水的再利用、城市防洪排涝、地下水补给等都与水面的大小密切相关，因此，协 调好城市水生态环境与生态城市建设的关系，促进城市水环境改善，生态城市建设稳定 发展，城市适宜水面率的研究具有十分重要的现实意义和长远意义。 本文以沈阳市为例，从定性和定量角度来研究城市适宜水面率，对未来把沈阳市建 设成为人与自然和谐共生的生态型宜居城市起到积极的推动作用，同时，也将为我国北 方地区城市水资源的可持续开发利用和生态城市建设中的水系规划提供借鉴。 1 3 国内外水面率研究进展 国内外对于水面率的研究和探索主要集中在防洪排涝、生态环境改善和涉水旅游景 观等方面。 1 3 1 防洪排涝方面 在防洪排涝方面，郭元裕等( 1 9 8 2 ) 应用增量动态规划法求解总体最优目标下的圩 ( 湖) 区最优水面率问题，1 9 8 3 年又开展了采用线性规划模型及其求解方法来研究南方 平原湖区最优水面率的研究；易波琳等( 2 0 0 0 ) 在研究洞庭湖面积、容积与水位及调蓄 能力评估时，通过大量遥感成果的分析总结，建立了洞庭湖湖泊面积、容积与水位关系 及蓄洪调节评估数学摸型；胡尧文等( 2 0 0 1 ) 针对浙江人多地少，城市开发中大量侵占 河道，使得河道过水能力减弱，提出在城市防洪排涝治理时，应对城区维持或增加的水 面率进行充分论证，合理选用城区调蓄水面的调蓄能力；詹红丽等( 2 0 0 3 ) 以江西省赣 东大堤封闭圩区为研究对象，建立了封闭圩区水环境治理规划数学模型，采用逐次逼近 法( m a p 法) 将非线性问题线性化，求解得出了圩区的最优水面率、滞蓄水深、最优外排 4 沈阳农业大学硕士学位论文 装机容量、内排装机容量以及大堤的最优封闭率；赵明明等( 2 0 0 4 ) 应用系统工程方法 对余姚市西部地区水面率进行了优化研究，给出了不同水稻种植面积下的鱼塘水产养殖 面积、经济作物种植面积和排涝装机容量的优化方案，为农田水利建设规划提供参考； 杨凯等( 2 0 0 4 ) 在研究感潮河网地区水系结构特征及城市化响应时，提出在河网水系保 护和结构恢复过程中应高度重视水面率、分枝比以及河网结构自然度等指标，应将水面 率控制的要求全面纳入到各层次的城市发展规划，在城市化过程中逐步构建体现水面率 控制要求的河道长效管理机制；高俊峰等( 2 0 0 4 ) 考虑到防洪、水资源、水环境的影响， 从圩区面积、圩内水面率和圩堤线长度几个方面对太湖流域边界圩区进行了研究；袁雯 等( 2 0 0 5 ) 研究了城市化对上海河网结构和功能的发育影响；周建康等( 2 0 0 4 ) 应用水 文学方法，以设计流量过程调蓄计算方法确定设计排涝流量，并以朱家角镇圩区为研究 对象，分析圩区设计排涝流量与水面率，得出两者之间的非线性关系；王淑英等( 2 0 0 5 ) 针对水面率研究的重要性，首次提出应用多目标多层次模糊评价模型确定合理水面率的 思路；王士武等( 2 0 0 6 ) 根据区域行洪除涝标准，在协调区域内部水域的滞洪涝能力和 水利工程的排洪涝能力基础上，对行洪除涝的合理水面率进行了研究：张礼兵等( 2 0 0 6 ) 采用试验遗传算法求解平原圩区除涝排水系统最优规划问题；张学技等( 2 0 0 6 ) 以常州 市荚蓉大圩为研究对象，建立了考虑生态需水、蓝线控制、泵站建设等约束的圩区城镇 最优水面率非线性规划模型，为城市化进展迅速的圩区城镇水系规划提供依据。 1 。3 。2 生态环境改善方面 2 0 世纪7 0 年代，一些城市化程度很高的发达国家，如欧美、日本等国家开始重视对 城市河流湿地的保护，并着手对部分已经被破坏的城市河流湿地进行恢复，在确保防洪 安全的基础上，努力创造出具有丰富自然的水边环境，恢复城市河流湿地的自然生态和 环境功能。 7 0 年代中期，德国进行了关于自然的保护与创造的尝试，努力将河流恢复到接近自 然的状况，将令人烦恼的垃圾处理场和采石场等变成了自然恢复用地，这一作法被称之 为“重新自然化”，该法很快就波及到周边诸国，如瑞士、奥地利等。 8 0 年代中期，日本开始认识到“生态体系保护、恢复和创造”，以及“环境净化” 的重要性，特别在水环境领域，对于河流整治引进了一些新的理念，即考虑河流固有 的适宜生物生育的良好的环境，同时，要保护和创造出优美的自然景观”，大力推进“多 自然型河流建设”。推进实现与公园等城市建设为一体的开放的水边；与背后的建筑物 和市貌保持良好协调形态的水边；与堤防斜坡相联的生物生存生育环境的水边等治理工 程。 加拿大人p a u la z a n d b e r g e n 选择不透水面积、污染负荷、水质、生物以及公众健 康等指标，探讨城市化对河流水体的生态风险影响，认为不透水面积、水质指标等是影 响河流水体生态功能的主要因素，并绘制了不透水面积比例与流域水系生态健康之间的 关系曲线。日本的n o b u y an i s h i m t l r a ( 1 9 9 8 ) 研究了城市人工水体对空气温度和湿度的 、 s 第一章绪论 影响程度和范围，从宏观( 城市区域) 、中观( 建筑物周围开敞空间) 和微观( 室内环境) 层面探讨了城市水体对创造舒适局部小气候，减轻城市热岛效应的作用和方式；澳大利 亚vnh o a i 等( 1 9 9 8 ) 在l a k em a c q u a r i c 城市的案例研究表明：城市工业区域的人工湿 地水体对铅以及悬浮物具有一定的环境吸附效应。 近年来，d a n i e lc l u i s 等也研究了水面对气候的影响。湖泊、水库及流动的河流等 水域通过蒸发影响着周边的生态系统和气候特征，特别是干旱、半干旱地区增加水面面 积能有效地改善气候环境，为人们提供休憩、娱乐的舒适空间。此外，1 9 7 2 年，y o u n g 等还对水的娱乐功能进行了研究，并对其价值进行了评价研究，之后w i i s o n 等对美国 1 9 7 1 1 9 9 7 年的淡水生态系统服务经济价值评估研究做了总结回顾，其中大多数研究涉 及河流生态系统的娱乐功能评估。欧阳震华等专门对水面的生态功能进行了分类，包括 提供产品、调节功能、文化功能和生命支持功能4 大类，并运用系统工程的方法对各项 功能进行了评估。王超等( 2 0 0 4 ) 从城市水生态系统建设与管理角度，对城市水生态系 统中的适宜水面面积、最佳水面组合形式及城市水生态系统景观、文化、经济建设等方 面进行了比较系统的研究。 1 3 3 涉水旅游景观方面 世界上几乎所有的历史名城都傍水而建，因水而发展或衰亡。如世界十大著名水都 威尼斯、阿姆斯特丹、曼谷、苏州、杭州、上海、香港、悉尼、斯德哥尔摩及赫尔辛基， 这些城市都十分重视利用城市水面来改善水生态及景观环境，提升城市品味。近年来， 我国许多城市建设都把“水”作为“亮点”，十分注重“水”这一造园要素，专家学者 和水领域的工作者对水景观的生态功能进行了深入研究和实践，城市水景观正在得到逐 步的改善，许多新的水景观建设融入了先进的理念。如北京奥林匹克森林公园主湖区“奥 运湖”和景观河道为“龙”形水系，同时在温榆河的改造中提出把河道两岸建成绿色生 态走廊的规划：上海市水务规划专家认为上海的发展最重要的方法是严格控制城市化地 区的水面率，并提出2 0 0 5 年、2 0 1 0 年和2 0 2 0 年理想化的水面率和增加水面率的相应措 施：2 0 0 3 年浙江省水利厅对浙江水域进行调查，针对水域的占用，提出“严格控制，有 偿使用，等效替代，占补平衡”的原则；天津市提出构筑“生态天津”，聊城市提出构 建“江北水城”，南京市提出“江在城中，山在城中”的城市建设框架；广州市政协委 员会成立调研组，开展湿地保护与建设情况的调研，指出广州应抓紧湿地保护规划的编 制工作，突出“湿地生态城市”的理念。( 刘培斌，2 0 0 6 ；耿明杰，2 0 0 6 ；王淑英，2 0 0 5 ) 国外早在2 0 世纪7 0 年代就开始重视水环境对城市景观的作用，但系统分析水面率 对旅游景观影响的研究还比较少；目前对保持景观河流流量和水上娱乐功能所需的水面 面积及流量等需水，定量计算方法的研究还不充分，没有统一的计算方法和标准。在美国 等一些国家主要通过立法，将部分河流划定为自然风景类河流，供人们休闲娱乐和观光 旅游( 成换换，2 0 0 6 ) 。在我国，部分城市进行规划时，常采用人均水面面积指标来衡量 和确定维持景观、娱乐的水面面积和河流流量。如海河流域水生态恢复研究( 初步报 6 沈1 5 日农业大学硕士学位论文 告) 中的海河流域生态环境用水量计算方法与标准，对城市河湖用水量采用了水面生 态效益法和人均生态水量法进行计算。王超等( 2 0 0 4 ) 分析了“城市水面适宜度”的内 涵，并对其三种评价方法“直接叠加法”、“因子加权评分法”、“生态因子组合法”进行 了对比分析，对于保证恰当的利用土地、水资源的经济社会价值和生态景观效应具有重 要的意义。此外，在平原河网地区一定的水面率和维持定的湿地生态系统结构和功能 密切相关，对于维持一定的湿地生态系统结构和功能所需要的水面率，国内外还缺乏相 关的研究。 近年来，从景观生态管理的角度研究土地利用和景观空间格局等对河流水污染的影 响开始受到重视，如李俊然等、陈利顶等( 2 0 0 2 ) 从土地利用结构和景观异质性等方面 研究于桥水库非点源污染的时空变化；s l i v aa n dw i l l i a m s 在流域水平上研究景观特征 与水质之间的定量关系；李俊祥等( 2 0 0 4 ) 在g i s 支持下，对上海市的河道及其水质污 染的空间格局进行了分析，探讨了河道景观结构与河道污染的关系。 1 3 4 存在的问题与展望 ( 1 ) 存在的问题 a 目前，国内对适宜水面率的理论研究较少，大多数只是从灌区、经济作物范围或 水产养殖等小尺度进行尝试性研究，选择的指标比较单一，且只注重水域占据后所带来 的局部影响，忽略了区域内的河流、湖泊、湿地及经济社会整体生态效应，缺乏系统性。 如何从区( 流) 域尺度乃至整个生态系统进行研究，选择较为合理的多个重要评价指标， 进行分析优选确定较为适宜的水面率，在我国还是空白，没有形成专门的理论体系。 b 与水面率相关的模型研究仅局限于防洪排涝方面( 主要侧重于平原圩( 湖) 区， 多为单目标线性或非线性规划模型) ，对于从水面整体功能角度考虑的多目标定量化模 型较少。 c 水面率研究多集中在我国南方地区，而北方地区城市水面率研究则相对较少，本 文结合北方地区城市水资源短缺特点，进行城市适宜水面率研究，对于城市水资源的可 持续开发利用，城市污水资源化和雨洪资源合理利用，城市水生态环境的改善等具有重 要的意义。 ( 2 ) 展望 由于城市水面率影响因素众多，同时水面的大小与城市防洪排涝、城市雨洪及污水 资源化、中水的再利用、地下水补给等密切相关。因此，目前迫切需要开展的研究包括： a 水面率的内涵及理论体系( 包括水面率的影响因素分析和提高水面率的有效途径 等) 有待于进一步研究； b 城市适宜水面率评价体系的研究，包括评价指标体系的选取、建立表征城市适宜 水面率的定量化数学模型等； c 城市水土资源合理配置及水面合理形式与生态城市建设的关系等研究； d 水面率的研究属于典型的交叉学科，包括城市生态学、景观生态学、城市规划、 7 第一章绪论 城市水利等许多学科，迫切需要解决学科间的交叉融合问题。 1 4 研究内容及论文总体结构 1 4 1 主要研究内容 本文从城市三大水问题入手，提出了城市适宜水面率研究的目的和意义，并系统总 结了国内外水面率研究现状、存在问题及发展趋势；阐述了城市适宜水面率的内涵( 包 括水面、水面率及城市适宜水面率的内涵) 及其影响因素；在此基础上，建立了城市适 宜水面率优化模型并采用m a t l a b 软件对模型进行求解：以沈阳市三环以内城区水系 为研究对象，进行城市适宜水面率的实例研究，通过收集的数据及资料，对模型进行验 证和结果分析；最后对论文研究的成果进行分析和总结，给出建议以及对未来的展望。 1 4 2 解决的关键问题 本文解决的关键问题包括： a 城市适宜水面率内涵及其影晌因素； b 城市适宜水面率优化模型的建立。 8 沈阳农业大学硕士学位论文 1 4 3 论文的总体结构 圈卜1 城市适宜水面率研究总体框架 f i g 1 - 1t h e f r a m e w o r k o l j i t a b l e u r b a n w a t e r s u r u c e r a t i o r e 3 e a r c h 9 第二章城市适宜水面率及其影响因素 第二章城市适宜水面率及其影响因素 2 1 水面率及城市适宜水面率内涵 2 1 1 水面及水面的综合功能 水面通常指由河( 渠) 道、湖泊( 天然或人工湖泊) 、湿地( 天然或人工湿地) 及 坑塘等形成的水体表面。水面是城市中最活跃、最富有生命力的部分。它在水域生态系 统和陆地生态系统的交接处，具有两栖性的特点，并受到两种生态系统的共同影响，呈 现出生态的多样性，与城市整体生态系统息息相关。 在人类聚居的城市生态系统中，水面( 水系) 具有蓄洪排涝、消纳污染物、美化景 观、增补地下水资源、生物多样性等其它生态系统不可替代的多种生态服务功能和经济 价值( 见图2 1 ) 。 城市水面综合功能 蓄 洪 排 涝 功 能 环 境 容 量 功 能 地 下 水 补 给 功 能 景 观 娱 乐 功 能 水 面 的 文 化 功 能 水 面 的 生 态 功 能 水 面 的 经 济 价 值 圈2 1 城市水面综台功能示意图 f i g , 2 1t h e s k e t c h d ，u r b a n w a t e r s u 咖c c o m p r e h e n s i v e f u n c t i o n ( 1 ) 水面的蓄洪排涝功能 在城市规划建设中，水面面积的多少直接影响城市的防洪排涝标准。暴雨径流首先 由地面向附近的洼地或城市排水系统汇集，再排放到城市河湖之中。如果城市水面面积 较少，洪水调节能力较小，将造成河道断面防洪压力增大。如果城市水面面积较大，在 遭遇雨洪时可起到滞蓄部分洪水的作用，调节洪水的流量过程线，降低洪峰峰值，为城 市洪水的下泄提供一定的安全时间，缓解河道排洪压力。城市水面调查表明：城市水面 面积在防洪排涝中具有重要作用，我国城市防洪压力越来越大的主要原因之一就是水面 面积不断减少造成的，而这些功能决不是目前城市中广泛采用的管道排水或防洪工程所 能替代的。 ( 2 ) 水面的环境容量功能 城市水面是廉价的、有效的、长期起作用的消解净化城市污染物和污废水的天然场 沈阳农业大学硕士学位论文 所。城市水面通过自然稀释、扩散氧化等一系列物理和生物化学反应来净化由径流带入 河流的污染物，水面的自净功能保证了各种物质在河流生态系统中的循环利用，有效地 防止物质过分积累所形成的污染，使河流水环境得到净化和改良( 倪晋仁，2 0 0 2 ) 在城 市水生态系统中，水域的大小决定水环境容量。在有效水深一定的条件下，水面面积越 大，水体越多，水环境容量就越大，同样排放污染物的条件下，水环境质量就越好。开 阔的湖、塘还可以沉淀水体中部分颗粒物质以及吸附于其上难降解的污染物质，而且按 照生态的方式使水面与岸边的生态系统相连接，就可以将水系改造为“城市之肾”，大 大增强对污水的自然降解能力；同时，将这种人工湿地式的城市水面与污水处理厂的尾 水回用再处理系统相连接，就可以对初步处理后的中水进行再净化处理，提高中水的利 用率( 仇保兴，2 0 0 5 ) 。 ( 3 ) 水面对地下水的补给 “城市化”使得城市不透水地表面积增加，严重削弱了地表蓄洪、植物拦截和土壤 下渗的功能，造成地下水补给日益不足，地表径流量逐年提高。大量雨水径流流入附近 河道、湖泊等低洼地区，城市水面( 水系) 成为地下水的主要补给来源，使地下水达到 采补平衡，防止地下漏斗的产生，改善地下水环境质量。 ( 4 ) 水面的景观娱乐功能 随着人们对水域空间功能认识和水景观质量要求的不断提高，改善水域空间的景 观，为居民提供安全、舒适的休闲娱乐空间已成为现代水利建设应当追求的目标。水面 的景观娱乐功能是河流系统功能的重要组成部分，主要表现亲水功能和空间功能，系指 水面、河岸绿化带以及滨河建筑物等给人们带来的视觉上的美感，通常由河道、河滩和 河岸植被三部分组成( j u n g w i r t hm e t c ，2 0 0 2 ) 。对城市居民而言，蜿蜒流动的城市河 流提供了清新、动感的水体环境，在幽静中隐含着灵秀；广阔的湖面池塘为人们带来开 阔的视野，在烦嚣的城市氛围中体验到恬淡、安然的休闲意境；对水生生物而言，变化 的水面形式为不同的生物提供了各种富于变化的生境，提高了城市生物多样性的发展空 间。城市中的水体以其活跃性和穿透力而成为景观组织中最富有生气的元素，与城市灿 烂的历史文化精粹相结合，形成了动人的空间景观。 ( 5 ) 城市水面的文化功能 文化功能是指生态系统提供非物质效用与收益的功能，包括精神与宗教方面、娱乐 与生态旅游、美学方面、激励功能、教育功能、故土情、文化继承等功能。城市水面的 景观，是人类的生活理想和创造能力在自然水环境中的凝结化和形态化，是人与水的结 合点，是人类在自然风物中倾入情感的结晶( 陈杰，2 0 0 3 ) 。在人类活动的作用下，城 市水面不仅是单纯的物质景观，更是城市中的文化景观。人们除了维持生命需要水之外， 还有观水、近水、亲水、傍水而居的天性。因此，城市水面不仅作为物质资料的功利对 象，而且作为文化灵魂的载体存在于城市之中，它集中体现了城市深厚的文化积蕴和丰 富的物质文明。 u 第二章城市适宜水面率及其影响因素 ( 6 ) 水面的生态功能 城市水面( 水系) 为各种动植物提供了其生存所必须的淡水和栖息环境。水面生态 功能包括对生物生存繁衍的支持和对各种栖息环境的支持等方面，是维持水生态系统生 物群落和栖息环境动态稳定的功能。水面对生物生存的支持功能最典型的体现在鱼类， 水面对栖息环境的支持功能则主要体现在由水面形态的多样性所产生的生境多样性上。 湿地、河岸缓冲带等都是构成水生态系统的重要生境和子系统( 栾建国等，2 0 0 4 ) 。城 市水面作为均质人工城市中的异质斑块，一旦与城市绿地系统相互连接，使野生动物可 以通过廊道在斑块间进行迁徙，就可以提高城市生态系统整体抗风险的能力( 仇保兴， 2 0 0 5 ) 。城市水面的引入，改善了城市内部不透水下垫面的单一形式，增加了城市内的 蒸散量、水分的储存量，可在一定程度上缓解城市热岛现象( 彭少麟等，2 0 0 5 ) 。因此， 水作为城市的命脉，水域维护着城市生命的延续，不仅承载着水体循环、水土保持、蓄 水调洪、水质涵养、维护大气成分稳定的运作功能，而且能调节温湿度、净化空气、吸 尘减噪、改善城市小气候。有效调节城市的生态环境，增加自然环境容重，促进城市持 续健康地发展。 ( 7 ) 水面的经济价值 不同的水面形式在城市生态环境系统中起着不同的作用。在“以人为本”的现代城 市规划建设理念中，水面决定了城市规划布局和经济社会发展的趋势。一般城市中较大 水域( 河、湖等) 附近适宜设置高品位的住宅区，如休闲养身区、豪华别墅区、生态园 区等：普通市民居住区一般靠近河道或远离河道水体；高科技工业园区一般临近较大河 道，以利于取水和排放废水：城市商业贸易区一般不考虑亲水条件，主要分布在城市中 人口、交通发达的地域。另外，城市水体的总量以及水面形式的组合方式影响着城市的 产业结构和布局。工农业、居民生活和服务业等对水量、水环境质量的要求不同，在制 定一个城市的产业结构时，要统筹考虑城市的水资源承载力、水资源的优化配置，确定 合理的产业比例和相应的规模，满足各行业对水资源和水生态的不同要求。 城市滨水岸的景观资源包括自然资源和人文资源。无论是风土人情、城市文脉，还 是宜人的自然风光、丰富的娱乐和运动项目，对人们都有着巨大的吸引力，是发展观光 旅游的有利条件，如：三亚、夏威夷、地中海等每年吸引着全世界许多的游人。由 于环境优美、空间开阔以及在城市发展中所处的位置，城市滨水岸往往被规划成集商业 办公、文化娱乐、居住、休闲旅游为一体的多功能社区，故城市滨水区都是开发商关注 的焦点，通过合理开发能促进城市经济的发展和环境的整治。( 王超等，2 0 0 4 ) 2 1 2 城市水面组合形式 在“以人为本”的现代城市规划建设理念中，水面形式决定城市规划布局和经济社 会发展趋势，城市水生态系统中最佳水面组合形式必须根据城市的地形地貌、水系的分 布格局、城市发展总体规划、供排水系统、城市土地利用方案、历史文化传统等具体情 况，合理地选择水面组合形式，为城市生态系统建设提供基础资源条件和水安全保障。 沈阳农业大学硕士学位论文 ( 1 ) 城市水面的一般形式 水面的主要形式包括河( 渠) 道、湖泊、湿地、水塘、水池等。城市是在人口密集 的地域上，不断扩张逐渐增大，所以在自然资源保留较好的城市中，水体形式也多种多 样。一般城市内水面形式以沟、渠、溪、坑为主，一些城市还有少量的自然湖泊、人工 湖泊、水塘、水池和湿地等形式。南方城市由于水量较丰富，河网比较密集，水面形式 也相对多样，如南京市的内、外秦淮河、金川河、玄武湖、莫愁湖等，构成了多样的城 市水生态系统；苏州市内外城河交错，与太湖相通，是典型的江南水乡城市，自古就有 。天堂”的美称；但在我国北方城市，由于雨量较少，水面形式单一，城市水面一般以 河( 渠) 道、湖泊( 天然或人工) 、湿地( 天然或人工) 为主。 ( 2 ) 城市水面组合形式选择 一般城市中水面形式以河道类为主，以河道的大小、形成、作用的不同分为沟、渠、 坑、溪等。这些河道在城市水生态系统中起着联结本系统与城市中其他系统及联结水生 态系统内部各成分的重要作用。河道因为其流动的特性，使得它不仅具有携带和消纳沿 岸排入的污染物能力，而且担负着城市防洪排涝的重要作用。 ， 湖泊、坑塘等大面积水域一方面由于具有较大的水体容量，在城市遭遇雨洪时可起 到储蓄部分洪水，降低洪峰峰值，为城市洪水的下泄提供一定的安全时间；另一方面， 这些大面积水体还可以完善丰富城市景观，并通过水汽平衡改善城市周围局地气候，提 高居民安逸舒适的感觉。 湿地在城市生态系统中是比较难能可贵的水面形式，是水生态系统与陆地生态系统 的过渡带。湿地中生长和生存着的大量动植物不仅丰富了生物多样性，而且对城市下泄 污染物有良好的净化效果。根据不同水面形式各自的特点和功能，考虑各城市的具体情 况，发挥各种形式水面的主要功能。对于平原河网地区城市来说，选择河流、湖泊、湿 地、水塘等水面组合形式比较理想，河道作为行洪、排涝和输水等，湖泊作为供水、蓄 洪等，湿地可以净化城市达标尾水，水塘可作为蓄洪、景观等；对于山丘区城市来说， 选择水库、河道、人工湖、湿地等水面组合形式较好，水库位于城市上游，具有调蓄流 域雨水、供城市用水和发电等作用，河道作为行洪、输水等，人工湖作为城市蓄洪的补 充和改善景观环境的作用，湿地同样布置在城市下游，作为净化城市达标尾水等作用； 对于干旱、半干旱地区的城市，由于水资源短缺，城市水面组合形式般以河道和人工 湖为主，应采取措施保持水量，减少下渗。选择确定适合不同城市的水面组合形式十分 重要，应根据城市具体情况而定。 2 1 3 水面率及城市适宜水面率的内涵 水面率是反映水域的一种直观形式，是保障社会经济可持续发展的一个重要参数 ( 王淑英等，2 0 0 5 ) 。目前，水面率的定义并没有统一的标准，单俊生等( 2 0 0 4 ) 定义 水面率为水面积和行政区域面积之比，水面积是指所有河道及结合公园绿化进行布局的 河道、湖泊等的河口面积的总和；张志飞等( 2 0 0 6 ) 定义水面率为承载水域功能的区域 第二章城市适宜水面率及其影响因素 面积占区域总面积的比率，所谓水域功能是指水域的直接提供可利用的水源、调蓄区域 水资源、降解污染物和吸纳营养物质、保护生物多样性、休闲旅游、航运、调节气候等 功能：从排涝角度出发，水面率是指排水区内用以滞蓄涝水的湖泊和河网水面积与排水 区总面积比值的百分数。 广义上，水面率是指水面面积和区域总面积之比。由于地理空间的差异，不同区域 的水面率也不相同( 见表2 - 1 ) ，而且随着社会经济发展、城市化进程加快和人们生活 水平提高，城市水面率也会发生变化。 城市适宜水面率是指在某一时期，在综合分析城市自然条件、水土资源可供量、社 会发展趋势和经济发展水平等基础上，实现城市水土资源综合效益最大化所对应的水面 率。 表2 - 1 我国部分城市水面率调查裹 弦b 2 1t h es u r v e yo t lw a t e rs u r f a c er a 曲i nt h e p a r fc i t yo c h i n a 地区 典型城市 南方地区 嚣霎兰翟j 暴亨主篙姜霎：；三：嘉? 磊鬈警港n 6 3 5 蚴杭州n 1 2 北方地区北京( 2 1 ) 、哈尔滨( 6 2 ) 、长春( 1 6 ) 、郑州( 0 6 8 ) 、烟台( o 5 ) 注：引自城市水生态