城市化對唐山市水環境的影響研究

張月明

(河北省唐山市陡河河道管理處，河北 唐山 063000)

1 城市化對水循環系統的影響

1.1 河流形態、功能變化

唐山市內陡河河道受陡河水庫、引灤入唐工程、企業生活排水等影響，過水流量明顯增加。唐山市區向陡河年平均排水量(工業、生活等)7241萬m3，陡河水庫通過陡河年平均向下游進行農業輸水量6000萬m3，區域內陡河年平均降水徑流量(75%保證率)1448萬m3，陡河年平均總過水量14689萬m3，遠大于陡河水庫控制流域多年平均徑流量8200萬m3，陡河由季節性河流變為常態河流。

唐山市區向青龍河年平均排水量(工業、生活等)3106萬m3，隨著城市北部人工河、湖的建設及運行，客水量進一步增加，青龍河年平均過水量遠大于年平均降水徑流量，青龍河由季節性河流變為常態河流。

1.2 區域地貌、排水方式改變

城市化從根本上改變了土地利用方式，改變了自然地形、地貌條件,造成城市道路、建筑物等不透水面積增大,城市中心區硬化面積占城市總面積的57.5%(2009年統計)。城市擴張和城市下墊面的改變，對降水產流形式、排水方式影響較大，傳統的自然產流、自然排放向“快速”產流、人工管網系統排放轉變。

1.3 城市水文變化

唐山市區下墊面改變、不透水面積的增加，以及城市對土地、河溝、坑塘、濕地等侵占的共同作用，導致地面對降水徑流的蓄滯空間、能力減小，降水蒸發、滲透量減少，徑流流速快，徑流系數變大，徑流量增加。城市化以后，變差系數、偏差系數發生變化，但二者相關密切度變化極小，耦合度較好。

8年監測、試驗顯示，唐山市中心區年徑流系數由0.12增加到0.22，增加了83.3%，次降水徑流系數達到0.476。75%的降水保證率生產徑流量增加了157.6%，并呈現保證率愈高徑流量增加百分比例愈大的正態變化。

1.4 淺層地下水補給量減少、地下水位下降

淺層地下水位的變化與降水量、開采量、不透水面積、越流補給量有關。

利用Pearson乘積矩陣計算結果顯示，淺層地下水位與淺層地下水開采量的相關系數為0.77(最大值)，證明淺層地下水位與開采量關系最為密切。城市工程建設與管理中，鑿井取水、供水，或者在施工中進行的大量井點排水，是造成區域地下水位下降或形成漏斗的主要原因。淺層地下水位與降水量的相關系數為0.13(最小值)，證明降水量對淺層地下水位的影響較小，原因是不透水面積增大導致降水入滲減少。

降水入滲補給系數試驗與計算結果顯示，城市化后降水入滲補給系數呈減少趨勢，減少區間為0.02～0.03，減少比例為11%～16.7%。

研究顯示，城市與農村連接的緩沖帶(郊區區域)受淺層地下水水位下降影響，河流輸水、大氣降水被土壤襲奪嚴重，灌溉水利用系數下降，地表徑流產生時間長、流量小。

1.5 區域小氣候影響

城市化增加了建筑物及人群活動，增加了大氣中污染物、粉塵排放量,改變了區域溫度、濕度，誘發了城市小氣候改變。

唐山市50年氣象、水文資料分析顯示：城市年平均溫度高于郊區年平均溫度,且市內外年平均溫度均呈增加趨勢；市內年平均風力低于郊區年平均風力；市內年平均濕度低于郊區年平均濕度；年降水量呈下降趨勢，但日平均降水量呈明顯增加趨勢，時空分布不均勻性增強，降水強度加大。

城市化影響城市小氣候，城市小氣候又影響降雨分布及區域氣候變化。熱島效應、城市內澇逐漸顯現。

2 城市化對水質的影響

2.1 降水水質

用試驗器皿直接采集市區空中降水(未與地面接觸)化驗,水質接近蒸餾水。主要變化指標為pH值(6

2.2 地表徑流水質

受城市污染物的影響，降水至地表的水質呈動態變化，主要污染為NH3-N、COD、pH值(8

降水地表徑流水質監測顯示：受區域降水的分布影響，路面、房屋、綠地等介面的污染物種類、濃度不同，徑流路徑不同，污染物指標一般在降水10mm左右明顯降低：NH3-N濃度由3.00mg/L降低到2.67mg/L，下降了11.0%；COD濃度由227mg/L降低到114mg/L，下降了49.8%。部分區域降水5mm左右污染物濃度明顯降低，降水強度越大，水質改變越明顯。一般區域降水30mm后、行車密集的缸窯路、南新道等區域降水40 mm后，地表徑流匯入陡河、青龍河水體水質優于地表水Ⅴ類水質標準。

水質監測證明了城市雨洪資源利用宜采取分散式利用為主的方式。根據市區降水特性、降水水質特點，對于不同的下墊面條件的區域，采取不同的雨洪資源化模式，為社會發展服務。

2.3 城市工業、生活排水水質

根據陡河1985——2016年共32年水質監測資料，繪制了主要污染物NH3-N、COD年際變化曲線，對焦化廠斷面、唐山站斷面、勝利橋斷面污染物變化定性、定量和綜合分析，得出如下結論：

a. NH3-N極值濃度50.6mg/L(1998年4月)，發生于焦化廠斷面。1985——2008年NH3-N濃度總體呈明顯上升趨勢，波峰區域1995——2008年，2009——2016年NH3-N濃度呈下降趨勢。受河流流量豐枯變化影響，年度內NH3-N濃度變化明顯，一般峰谷交替。

b. 1985——2008年COD濃度總體呈緩慢上升趨勢，波峰區域1995——2001年，2002——2008年相對穩定，2009——2016年COD濃度呈下降趨勢，年度內COD濃度變化明顯，一般峰谷交替。

3 城市化對河流生態環境的影響

受城市化建設的影響，城市河流已經從自然河流轉向景觀河流、人工河流，河道治理從城市美學角度上取得進步，其形態、功能都發生明顯改變。對城市熱島效應、城市內澇、水生動物群落(水蛇、青蛙、鲌魚、龜、河蟹等)、水生植物群落等產生重大影響，見表1。

表1 城市河道陡河、青龍河治理前后情況比較

4 改善區域水生態環境的措施

4.1 選擇水生植物

實驗水質：陡河、青龍河，CODcr濃度40～100mg/L，BOD5濃度5～50mg/L，N濃度1～40mg/L，P濃度0.5～5mg/L，pH值6～9，3～7d去除效果見表2。

植物選擇：根據植物的生長特性、耐污能力、污染物去除速度和景觀、經濟價值等方面選擇適宜的水生植物，同時必須考慮生物安全性、不同植物搭配等，以盡可能選用本土物種為主，防止發生植物入侵。在陡河、青龍河內宜選擇種植蘆葦、蒲草(菖蒲)、藕蓮等。

實驗顯示：樹木根系對水質有很強的凈化作用，宜選擇根系發達的柳樹、楊樹為種植樹種，對N、P、CODcr、BOD5去除作用較強。樹木根系區域水體和底質污染物濃度呈不均勻變化。

4.2 工程調度運用衰減COD物質

根據河道主要超標物為COD的特點，經過多年的實驗、研究，采用兼性氧化塘法去除COD，效果顯著。

底質實驗：采集河道淤泥、南湖湖泥作樣本。取樣地點：陡河、青龍河、南湖。全部樣本均在自然環境下實驗，結果顯示：3d COD平均去除率27.5%，7d COD平均去除率53.2%。

調度方法：汛期通過水閘、橡膠壩低水位運行，變兼性氧化塘(尤其是厭氧塘)為好氧塘，加速水和底質中COD濃度(尤其是小分子有機物)的降解和反應；或閘壩排空，COD物質直接在空氣(O2)、光、風作用下發生化學反應(CO2)。降解時間控制在3～7d為宜，反應深度一般在100mm以內，0～50mm底質層反應最好，與底質的孔隙率成正比關系。每月調度兩次，即完成一次反應后充水10～15d，再進行下一次反應。每一循環過程后，COD濃度呈大幅衰減之勢，COD濃度越高，去除效果越好。同時水閘、橡膠壩的運用與蚊蟲繁殖周期相結合，打亂蚊蟲等害蟲的繁殖周期，可以有效地減少蟲害。

4.3 區域水生動物群落補救方法

針對混凝土或漿砌石直墻河道段水蛇、龜、青蛙、河蟹等兩棲動物已經絕跡，受溶解氧低的影響，鲌魚(要求水質DO≥2mg/L)也幾乎絕跡，部分水鳥的棲息地也在河流整治中遭到破壞等現狀，需采取補救措施，恢復生物種群多樣性。

河道底部拋石或干砌石、卵石床、合成纖維網等為微生物提供附著載體，青龍河區域多年絕跡的搖蚊，治理后再生。搖蚊幼蟲是淡水水域中底棲動物的主要類群之一，以水底有機碎屑為食。河道內每隔一段距離設置土質小島，植蘆葦等水草，為兩棲動物、水鳥提供繁衍、棲息場所。根據陡河、青龍河魚類對溶解氧低耐受性強的特點，科學放養貝類、鳙魚、鯽魚、草魚等，吸食重金屬、微生物等，凈化水質、底質。拒絕放養巴西龜、鯰魚等兇猛物種，抵制有害物種入侵。

4.4 合理配置水資源，凈化水質，美化環境

南湖引用陡河、青龍河雨水資源時，計算雨水量納污能力，陡河流量達到25m3/s、青龍河達到13m3/s時，水質滿足湖水水質要求，可通過外環線橡膠壩引水入南湖，青龍河水直入南湖。

從陡河水庫調用生態水補充南湖用水時，宜在10月至次年4月實施，主要污染物為NH3-N，調水流量為18～25m3/s，滿足湖水水質要求。

利用陡河水庫向下游灌區農業輸水置換河、湖水，既凈化了河湖，置換用水又能滿足灌區用水水質(主要是NH3-N指標)。

5 結 語

城市化帶來人類文明的同時，也對城市小氣候、水文、水環境產生新的變化與影響。通過研究相關因子、元素之間的關系，加強區域水質監測，采取工程、生物等措施，滿足區域水環境的水質水量需求，最大限度地實現雨、洪等資源化、生態化。