1.2　研究进展

1.2.1　城市化研究进展

城市化是一种复杂的、动态的且具有多元性的经济和社会现象。目前，关于城市化的定义仍然是一个颇具争议的概念。《中国大百科全书》的定义为：“城市化通常是指人口向城市地域集中和乡村地域转化为城市地域的过程”。国内外学术界对其概念尚无统一定论，社会学、经济学、人口学、地理学等学科学者均根据自身研究的需要，从不同学科角度赋予不同含义，城市化也呈现出多学科性，主要则可归结为“社会城市化”“产业城市化”“人口城市化”和“地域城市化”四个方面。

根据苏卫东对我国省会城市在城镇化、工业化和服务化发展进程中的相关数据分析，结果表明：城镇化、工业化对服务化发展进程呈正相关影响。王桂新开展了城市化基本理论与中国城市化的问题及对策研究，认为中国城市化发展中的诸多问题，与社会对城市化本义和城市化规律认识及实践的偏差等密切相关，并对如何根据城市化规律、推进中国城市化健康发展提出建议。宁越敏团队开展了政府行为视角下的中国城市化动力机制研究，认为中国城市化健康发展从政策体制机制上进行改革，破除阻碍城市化发展的体制性障碍。陈明星开展城市化领域的研究进展和科学问题研究，对未来城市化发展方向提出了独到见解。王少剑、方创琳、王洋开展了京津冀地区城市化与生态环境交互耦合关系定量测度研究，认为人口城市化和生态压力分别对城市化子系统与生态环境子系统的贡献份额明显高于其他因素；万庆、吴传清、曾菊新等根据2003—2011年中国22个城市群城市化“投入”与“产出”数据开展中国城市群城市化效率及影响因素研究，认为忽略污染排放的城市化效率测度往往会高估城市化的真实效率水平；中国城市群城市化全要素生产率不断增长主要是由于技术进步而非效率改善的推动。

1.2.2　城市化对水系水文水资源影响研究进展

20世纪60年代发达国家快速城市化给城市水系带来了一系列复杂的水生态问题，城市下垫面改变对城市小气候、降水、产汇流、雨洪过程及其分布、水土流失以及对水系水质等产生影响。针对这些水生态问题，联合国教科文组织在1971年推出了著名的“MAB”计划，提出加强开展城市水系生态研究；1971—1975年，美国在圣路易斯市做了大量的城市气象观测实验和研究，发现城市化进程对降水量的分布有影响，城市区域夏季降雨次数、总雨量、大暴雨的平均雨强和雷雨发生次数都明显增加；Atkinson、Parry和Harnack等对伦敦、雷丁、华盛顿等城市的研究表明城市热环境是增加城市降水的重要因素；70年代中后期，美国等发达国家就对城市规模、经济增长、人口变化等因素对生态和环境造成的影响进行研究和评价；到90年代，人类活动对城市水生态和环境的胁迫效应和自然生态系统的响应机制成为现代国际城市水文生态领域研究的主要内容，产生了许多新学科和方法论。加拿大环境部对城市化前后降水、径流、入渗和蒸发进行研究，认为城市化前天然流域的蒸发量占降水量的40%，入渗地下水量占降水量的50%；城市化后流域降水量增多，但渗入地下部分减少，入渗量只占降水量的32%，填洼量减少，蒸发量占降水量减少为25%，而产生的地面径流增大，同时地表径流有43%通过地下水道迅速排走。美国水土保持局考虑采用土壤的下渗特性、土壤的前期含水量和土地利用方式这3种土壤因素与降水因素来确定径流总量，提出降水径流计算方法用来计算径流系数（SCS法），该方法被广泛应用。贺宝根等专家利用多个城市的实测暴雨径流资料对SCS法进行修正，得出了更适用的城市径流系数求解方法。Lepold的研究表明当城市有20%的面积由下水道排水和不透水盖层时，溢岸洪水的发生频率将增加一倍，汇流量将增加0.6倍。罗伯特和克林格曼采用流域模型论证了城市硬化面积分别为0%，50%，100%时对单位线的作用和城市洪水过程的影响。Z.Tang，B.A.Engel等预测了城市化模式对流域径流的影响，模拟得出如果采用非蔓延扩散的城市增长方式，城市土地利用面积比例从4.0%增加到8.0%会导致径流量增加5%；如果采用蔓延扩散增长方式，城市用地比例增加到11.5%，径流量就会增加12%。20世纪90年代初，美国国家环境保护局（EPA）将城市地表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源，城市产汇流产生的非点源污染达主导污染源的18%以上。

国内，杨士弘团队对北京市郊区和城市大雨的径流系数进行研究，发现郊区径流系数在0.2以下，而城区径流系数一般为0.4～0.52；陈云浩、吴林祖等对多个城市降雨径流进行研究，发现南方城市城市化前后地表径流系数明显改变，城市洪灾概率大幅度升高。文立道等对北京市城市化研究，发现在通惠河乐家花园站以上流域内，径流系数已超过0.50，洪峰流速由20世纪50年代的0.40m/s左右增至90年代的0.65m/s左右。高俊峰等研究发现城市化前后在相同降雨类型条件下，1996年流域下垫面的产水量比1986年多1.018亿m3。吴林祖、洪亚华开展了杭州市市区暴雨径流初探，得出城区不仅降水量增加，而且降水日数也逐渐增加的结论。刘俊经过分析1952—1998年城市降水资料，得出在同一纬度上城区较周边县区多年平均降水量偏多9.58%的结论。杨凯等利用上海市中心气象站和周边9个郊区气象站1970—2000年蒸发资料进行研究，认为经过城市化，90年代以后上海市区蒸发量总体明显下降与郊县蒸发量变化趋势相背离，城郊蒸发的差异及变化与区域下垫面状况关系密切。张学真对西安市城市大气污染成分的变化对城市降雨酸性值产生的影响进行研究，得出西安市春冬季节酸雨出现频率大，夏秋季节酸雨出现频率小。李立青、尹澄清结合武汉市汉阳城区2003—2006年不同尺度降雨径流、市政污水的监测结果，开展了雨、污合流制城区降雨径流污染的迁移转化过程与来源研究，结果表明，雨、污合流制城区地表径流汇入排水系统，经排水系统传输后污染程度显著增加；生活污水中污染物对降雨径流污染的贡献是通过在合流管道中形成沉积发生的，雨、污合流管道在降雨径流污染形成过程中发挥了转化器和加重径流污染的作用；减少合流管道中沉积物的形成是削减径流污染负荷的途径之一。丹利、杨富强、吴涧等用1960—2009年北京地区20个气象台站的观测资料，分析了北京城区和郊区蒸发皿蒸发量变化趋势和特点，得出近50年北京地区蒸发量有明显减小趋势，城区值-88.1mm/10a，郊区值-76.0mm/10a，受城市化影响，相对湿度、日照时数、最低气温、气温日较差和平均风速的变化对城区蒸发量的变化有显著影响。欧阳威、王玮、郝芳华等对北京城区不同下垫面降雨径流产污进行了特征分析，认为相对于沥青路面与硬质屋顶，草地屋顶对除磷外的其他径流污染物浓度有明显削减作用，污染物质与前期晴天数、降雨历时呈现正相关关系，与降雨量、降雨强度呈现负相关关系，通过控制初期径流污染、加强清扫及屋顶绿化可以从源头减少城市降雨径流污染。尤学一团队开展了城市绿地对降雨径流及其污染物削减研究，得出绿地径流量的主要影响因子中，影响强弱顺序依次为：降雨强度＞草地类型＞降雨历时＞植被覆盖度的结论，同时得出在土壤容量范围内，城市绿地对径流污染物CODcr的削减率与其浓度无关的结论。

近年，随着城市化地区快速发展伴生的一系列问题，有关城市化与水文水资源的伴生问题研究深度和广度均有显著进展并取得系列成果。

1.2.3　城市化对水系形态结构、规模和功能影响研究进展

水系形态结构特征包括河流（沟渠）、湖泊（塘库）和湿地等水系数目、河流长度、水系分支、河流分级、河网密度等形态结构要素；水系规模参数主要是水面率；水系功能则随着人类文明不断调整，涉及生活、生产供水、水产品、调蓄洪水、净化环境、提供生境、水资源蓄积、娱乐休闲等，大致可分为社会经济功能和生态环境功能两大类。城市化对城市水系特征的影响主要体现在城市化进程中的开发建设活动对水系径流泥沙沉积机制的改变，而后引起一系列结构形态调整，如取水、排水、连通和防洪等工程改变水网结构，围水造陆、人工湖和沟渠等改变水域空间大小等。这些人为活动改变城市水系与水景观的整体性与延续性，甚至是时空上的断裂，造成城市水网形态变异和结构变化，功能改变。

国外对河流水系特征研究以Horton提出的Horton定律和Strahle提出的Strahler河流分级方法为标志，可追溯到20世纪40—50年代。Schumm和Morisawa分别在1956年、1964年以Strahler水系分级系统为基础，研究流域面积、河道纵比降随河道级别的几何级数变化关系，把Horton定律推进一步，成为国外在水系标度定律研究取得新进展的标志。1967年，美国数学家B.Mandelbrot的分形理论提出为水系分形特征和分维数提供理论支持。1989年，La Barbera等探讨了水系分维的计算方法，认为水系分维值应在1～2之间，平均值为1.6～1.7。1996年，Claps等通过研究认为水系分维平均值在1.7左右。2000年Wilchelm等采用GIS手段对波兰Plock城市境内Vistula河谷洪泛原及洪水位以上的陆域地质结构进行研究。2003年，Arnaud-Fassetta研究了法国Rhone河流一个世纪间城市化人为活动导致河道被侵占和河流平面、横断面及纵剖面形态的显著变化，以及这些变化增加洪水风险及危害程度；同年，Rhonda等通过地图解译和GIS图层叠加的方法，研究美国田纳西州Wolf河洪泛区面积近50年演变过程，发现城市化使得洪泛区面积逐年减小，导致洪水潜在风险增加。

20世纪80年代后，中国快速城市化已经引起太湖、珠江三角洲和长江三角洲地区城市河网水系发生剧烈变化，如末端河流消失，池塘湮没，河渠硬化，河网形态变化、调蓄能力下降等，这些变化不仅增加了城市雨洪灾害，而且易引发城市水系水环境问题。我国水文和生态方面专家学者对此极为关注，并积极投入这些问题的研究和解决之中，如：2002年，陈晓宏研究指出珠江三角洲河网区围垦、桥梁、码头建设以及水闸的不合理调度等城市化人类活动造成研究区水文与地貌特征变异，使得水量集中，蓄滞洪能力减小，河道流量增加，城市洪涝威胁加剧；2002年，陈德超研究指出上海市河流消亡与城市化进程显著相关；杨凯和袁雯课题组研究得出上海市城市化改变水系形态结构，降低河流自身发育能力并削弱河网的调蓄和行洪排涝能力的结论；2006年，周洪建对北京永定河流域进行研究，发现城市化使得京津段水系结构明显简单化，水系调蓄能力降低，水灾危险性上升，同时指出平原段潜在中度危险区的空间分布格局与河网消失区的空间分布相似；2007年，陈云霞等对宁波等平原城市化地区进行研究，认为快速城市化造成河网密度和水面率明显降低，水质下降，洪水和干旱威胁加重；2008年，黄奕龙等通过研究得出城市化使得河道的分支比和蓄洪能力有所弱化，河流具有简单化的趋势，其多元化特征削弱的结论。

城市化对城市水系规模和功能影响的主要参数是水面率、河网密度和河网复杂度，三者相辅相成共同表征城市水系规模和功能。韩昌来等研究发现环太湖流域的河道由20世纪初的300余条减少至1993年的125条。2004年，杨凯通过上海水资源普查的长期数据研究，得出高度城市化地区河网结构趋于简单，非主干河道不断减少，河网有单一化和主干化的趋势。1990年上海徐汇区区内河道有108条，1993年减少为84条，1998年减少为59条，8年时间内，徐汇区共损失河流40余条，城市化发展使水面被侵蚀或填埋，导致水面率不断减少。2008年，周洪建等在深圳河网变化分析研究中得出近30年深圳市河网总长度减少355.4km，总条数减少378条，河网密度减少29%，他还发现城市化水平低于30%时，城镇用地扩展与河网支流的萎缩存在显著相关。随着城市化进程和人们生活水平提高，城市水面率也发生变化。吴迪认为水面率应该是多年平均值，城市适宜水面率是指在某一时期，通过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，满足人类、生态环境和城市可持续发展要求的水面面积比率。20世纪80年代初，郭元裕等用增量动态规划法求解总体最优目标下的圩（湖）区防洪最优水面率，用线性规划模型求解南方平原湖区最优水面率。2000年，易波琳等建立洞庭湖湖泊面积、容积与水位关系及蓄洪调节评价模型。针对浙江城市开发中大量侵占河道问题；2001年，胡尧文等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。2003年，詹红丽等采用逐次逼近法（MAP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、最优外排装机容量等问题。2004年，赵明明等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。同年，高俊峰和周建康等也对城市设计排涝流量与水面率进行深入研究。近年来，国内学者在水面率合理求解方面研究成果丰硕，水面率控制被提高到城市生态水系管理高度。杨凯等提出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，在城市化进程中逐步构建体现水面率控制要求的河道长效管理机制。王超等从城市水生态系统建设与管理角度，对城市水生态系统的适宜水面面积、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系统的研究，为水利部发布《城市水系规划导则》奠定基础。针对水面率研究的重要性，2005年，王淑英等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。王士武等在2006年根据区域行洪排涝标准，考虑内部水域的蓄滞洪涝能力和水利工程的排洪涝能力，对行洪排涝的合理水面率进行了研究。同年张礼兵和张学技等对圩区城镇最优水面率模型计算机求解算法进行研究，为城市化进展迅速的圩区城镇水系规划提供依据。2007年，吴迪以沈阳市为研究对象，阐述了水面率及城市适宜水面率的内涵，分析了影响城市水面率的主要因素，从水面的社会效益、经济效益和生态效益三个方面，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，针对沈阳市城市适宜水面率进行了研究。2010年，黄文慧运用GIS技术，对南宁城市水面适宜度进行评价，并以评价结果为基础对城市水生态建设功能区进行规划，指导南宁城市水面的建设和水资源的开发利用。

水系优化方面，为解决城市和地区水资源紧张状况，国内外都开展了调水工程尝试，大多分布在经济发达国家和地区或者降水不均匀地区，如美国加利福尼亚州北水南调工程、加拿大魁北克调水工程、伏尔加—莫斯科调水工程、巴基斯坦西水东调工程和澳大利亚雪山工程等。国内，从20世纪80年代起我国陆续修建了数十项给城市供水的大型跨流域调水工程，如引滦入津、引黄济青、南水北调、东深供水工程等。通过跨流域水系优化调度，有效提高缺水地区城市水资源承载力。

1.2.4　河流健康与水生态修复研究进展

20世纪60—70年代，国际上专家学者对非点源污染就已经开始关注并开展研究；20世纪80年代末，由于大量人类非理性活动和生存需求造成水环境和水生态问题，水生生物灭亡速度日趋严重，为了合理开发利用水资源保护水生态，河流健康的概念开始出现在各种文献资料及相关新闻报道之中，引起各国政府和学者的广泛关注；80～90年代，相关研究发展迅猛，包括非点源污染的特征、负荷、地域范围机理以及相关的影响因子等内容，同时，还涉及野外调查与监测、土地利用方式分析、数学模型、遥感与地理信息系统等研究技术手段；21世纪以后，研究趋向于城市非点源污染管理政策和控制方法的研究。可见，虽然河流健康有关概念、理论与方法的研究还处于发展初期，但是该领域已成为河流管理的新方向。

澳大利亚在1993年最早启动国家河流健康计划（NRHP），通过相关研究提出溪流状况指数法（ISC），构建了基于河流水文学、形态特征、河岸带状况、水质及水生生物五方面的指标体系，该法将河流状态的主要表征因子融合在一起，为河流科学管理提供指导，其不足是缺乏对单个指标相应变化的反映，参考河段的选择较为主观。同期，美国、新西兰、日本、英国、南非、加拿大等国也陆续开展了有关河流健康评价与恢复方面的研究。南非于1994年发起了“河流健康计划”（RHP），选用七大类河流生境状况作为河流健康的评价指标，提供了建立在等级基础上可以广泛应用于河流生物监测的框架。英国学者提出的河流生境调查法（RHS），通过调查背景信息和土地利用等六大类指标来评价河流生境的自然特征和质量，并判断河流生境现状与纯自然状态之间的差距，其不足在于部分用于评价的数据以定性为主，使得数理统计较为困难。其他学者如：Simpson等认为河流健康是指河流生态系统支持与维持主要生态过程，健康河流具有一定种类组成、多样性和功能组织的生物群落无限接近受扰前状态，建议把河流受扰前的原始状态当做健康状态；Karr以河流价值作为参考，认为只要其当前与未来的使用价值不退化且不影响其他与之相联系系统的功能，可认为此生态系统是健康的，与生态系统的完整性是否破坏无关；Fairweather认为河流健康生态系统不受损害的状态应包含公众对河流的环境期望，在定义河流健康时社会、经济和政治因素必不可少，持相似观点还有Norris等认为河流健康应考虑人类福利要求。Meyer综合了前面两派观点，在健康的概念中涵盖了生态完整性与人类福利，认为健康的河流生态系统不但要维持生态系统的结构与功能，且应包括其人类与社会价值。

我国严峻的水问题使得我国专家学者对河流健康领域更为关注。李国英指出黄河健康生命是在基本保障人类社会安全和经济发展的同时，其河川径流条件基本满足河流生态系统健康需要时的生命状态；孙治仁等认为健康的江河应具备良好的恢复能力和自我维持能力，同时能满足原生生态系统基本的水需求并具有不突变的相对稳定性等三个基本特征；文伏波认为河流在人类开发利用和自身对干扰所具有抵抗力和恢复力的共同作用下，能保持合理的自然结构状态，实现正常的水、物质及能量的循环及健全的功能，满足人类社会的可持续发展需求，最终形成人类对河流的开发与保护平衡的良性循环；刘昌明等认为河流健康反映的是人类对河流功能发挥的认可程度；高永胜认为河流生态健康是指人类干扰下河流生态系统不仅能保持化学、物理及生物完整性，还能维持其对人类社会提供的各种服务功能；庞治国等指出健康河流生态系统应该具有合理的组织结构和良好的运转功能，其内涵在不同时间尺度和不同空间尺度具有不同涵义；张可刚等从河流水文学、物理构造特征、河岸带状况、水体污染状况以及水生生物等五个方面，提出了河岸抗冲性、河岸人口密度、国民经济取水率、娱乐项目、航运等十四个河流健康评价指标，认为健康河流生态系统表现为河流生态系统的能量流动和物质循环没有受到损害，并对自然干扰的长期效应具有抵抗力和恢复能力，且具有较强的社会服务功能；董哲仁指出河流健康是一种河流管理的评价工具，其作用是建立相对基准点和评价准则体系，对于在自然力与人类活动双重作用下的河流生态系统状况进行动态监测与评价未来发展趋势，通过适当管理措施促进河流向良性发展；吴阿娜选择河流水文、河流形态、河岸带状况、理化指标、河流生物五类指标对上海市城市河流健康进行了评价研究；赵彦伟等针对黄河多泥沙问题，提出健康黄河要有一定的自我维持与更新能力，具有相对的生态完整性，关键生态组分，如河漫滩、生物栖息地得以保存；吴道喜开展了健康长江指标体系研究并就水生态保护构建了系列评价指标体系；王琳等基于河流水文学、形态特征、河岸带状况、水质及水生生物五个方面，建立了涵盖环境、水文、水利、生态、物理结构和社会功能等多方面的综合指标体系，尤其创新性增加了公众态度、河流管理、防洪安全等社会指标；吴春华等提出了面向河流生态系统健康的生态特征、水资源状况、河流基本状况、功能整合性、社会政治环境指标、社会经济等共计四十五个具体指标。

河流健康基准状态的选择，是河流健康作为管理工具的关键问题之一，它取决于社会所追求的最优价值。学术界的普遍观点是：自然系统优于人工系统，人类活动干扰前的自然状态优于干扰后的状况；刘晓燕认为河流健康的标准即是相应时期或河段的人类利益和其他生物利益的平衡或妥协，河流健康只能是相对意义上的健康，不同背景下的河流健康标准实际上是一种社会选择；张洪波等结合黄河生态水文特点，构建了可表征黄河河流生态水文情势的五十个指标，构建了黄河生态水文评估指标体系，并将该指标体系应用于黄河干流兰州断面的生态水文评估；赵彦伟等对城市河流生态系统健康提出了包含物理结构与河岸带等五大要素的指标体系及“很健康、健康、亚健康、不健康、病态”五级评价标准，明确各河流生态系统的健康状况及限制因子，为其保护与修复提供了决策依据。

综上，我国河流健康研究更注重人水关系的探讨，重点在平衡利益冲突、满足人类社会需求等方面。水环境恶化问题日益加剧，目前，对河流健康的评价主要是借助化学分析手段和少量生物监测评价的水质状况，较少从系统健康的角度来判断河流健康，缺乏对流域和水系案例研究且多是以研究单条河流或湖泊为主。河流健康评价理论研究成果丰硕，而作为有效手段用于指导并完善河流管理的研究仍处于探索阶段。因此，选择不同典型自然地理区域，具体情况具体分析，构建体现地域特色和管理要求的河流健康理论与方法，广泛开展健康评价实践，是我国河流管理研究的重要方向之一。

水生态修复方面，随着人们对河流健康不断重视，生态水系修复新策略和新技术不断涌现。瑞士、德国和日本等国于20世纪80年代末提出了全新的“亲近自然河流”概念和“自然型护岸”技术，这些科学理念及和谐生态修复技术被广泛应用于阿勒河、塞纳河、多瑙河、莱茵河等水系生态修复。国内，20世纪90年代，随着太湖流域水污染问题的持续加剧，为改善太湖湖水水质，太湖流域管理局先后2次开展了“引江济太”调度工程；20世纪末到21世纪初，为缓解三峡水库下游用水紧张，恢复长江和沿江湖泊的连通性，通过三峡水库在枯水期择机加大下泄流量，以及沿江天鹅洲长江故道、武汉涨渡湖、洪湖等阻隔湖泊试行了季节性的开闸通江等措施，调节区水生态修复成效显著。进入21世纪，河流健康理念深入人心，世界各国推行的河流保护战略，在重视污染源控制的同时重视河流整体结构和生态功能的恢复，水系生态修复工程更是如雨后春笋。我国生态水系治理是从城市河流生态环境修复建设开始的，成都市集防洪、排水、交通、绿化、生态、文化于一体完成了对府南河的整治；苏州市对城市水系进行了生态化治理，保持了“三纵三横+一环”的河网水系及小桥流水的水城特色；北京市、武汉市和桂林市等历时约10年时间以“水清、流畅、岸绿、通航”为目标建设现代城市水系，对城市水系进行了大规模的生态整治；郑州市按照“水通水清、健康安全、生态环保、人水和谐”的理念，以市区及周边地区范围内的河、库、湖湿地为对象，构建了“六纵六横河渠、七中五小水库、三湖泊两湿地”的生态水系格局。总体来看，城市化对城市水系的影响、水系生态修复和河流健康领域的研究成果丰富，为研究城市化影响下城市水系健康管理奠定了坚实基础。