城市化对唐山市水环境的影响研究

张月明

(河北省唐山市陡河河道管理处，河北 唐山 063000)

1 城市化对水循环系统的影响

1.1 河流形态、功能变化

唐山市内陡河河道受陡河水库、引滦入唐工程、企业生活排水等影响，过水流量明显增加。唐山市区向陡河年平均排水量(工业、生活等)7241万m3，陡河水库通过陡河年平均向下游进行农业输水量6000万m3，区域内陡河年平均降水径流量(75%保证率)1448万m3，陡河年平均总过水量14689万m3，远大于陡河水库控制流域多年平均径流量8200万m3，陡河由季节性河流变为常态河流。

唐山市区向青龙河年平均排水量(工业、生活等)3106万m3，随着城市北部人工河、湖的建设及运行，客水量进一步增加，青龙河年平均过水量远大于年平均降水径流量，青龙河由季节性河流变为常态河流。

1.2 区域地貌、排水方式改变

城市化从根本上改变了土地利用方式，改变了自然地形、地貌条件,造成城市道路、建筑物等不透水面积增大,城市中心区硬化面积占城市总面积的57.5%(2009年统计)。城市扩张和城市下垫面的改变，对降水产流形式、排水方式影响较大，传统的自然产流、自然排放向“快速”产流、人工管网系统排放转变。

1.3 城市水文变化

唐山市区下垫面改变、不透水面积的增加，以及城市对土地、河沟、坑塘、湿地等侵占的共同作用，导致地面对降水径流的蓄滞空间、能力减小，降水蒸发、渗透量减少，径流流速快，径流系数变大，径流量增加。城市化以后，变差系数、偏差系数发生变化，但二者相关密切度变化极小，耦合度较好。

8年监测、试验显示，唐山市中心区年径流系数由0.12增加到0.22，增加了83.3%，次降水径流系数达到0.476。75%的降水保证率生产径流量增加了157.6%，并呈现保证率愈高径流量增加百分比例愈大的正态变化。

1.4 浅层地下水补给量减少、地下水位下降

浅层地下水位的变化与降水量、开采量、不透水面积、越流补给量有关。

利用Pearson乘积矩阵计算结果显示，浅层地下水位与浅层地下水开采量的相关系数为0.77(最大值)，证明浅层地下水位与开采量关系最为密切。城市工程建设与管理中，凿井取水、供水，或者在施工中进行的大量井点排水，是造成区域地下水位下降或形成漏斗的主要原因。浅层地下水位与降水量的相关系数为0.13(最小值)，证明降水量对浅层地下水位的影响较小，原因是不透水面积增大导致降水入渗减少。

降水入渗补给系数试验与计算结果显示，城市化后降水入渗补给系数呈减少趋势，减少区间为0.02～0.03，减少比例为11%～16.7%。

研究显示，城市与农村连接的缓冲带(郊区区域)受浅层地下水水位下降影响，河流输水、大气降水被土壤袭夺严重，灌溉水利用系数下降，地表径流产生时间长、流量小。

1.5 区域小气候影响

城市化增加了建筑物及人群活动，增加了大气中污染物、粉尘排放量,改变了区域温度、湿度，诱发了城市小气候改变。

唐山市50年气象、水文资料分析显示：城市年平均温度高于郊区年平均温度,且市内外年平均温度均呈增加趋势；市内年平均风力低于郊区年平均风力；市内年平均湿度低于郊区年平均湿度；年降水量呈下降趋势，但日平均降水量呈明显增加趋势，时空分布不均匀性增强，降水强度加大。

城市化影响城市小气候，城市小气候又影响降雨分布及区域气候变化。热岛效应、城市内涝逐渐显现。

2 城市化对水质的影响

2.1 降水水质

用试验器皿直接采集市区空中降水(未与地面接触)化验,水质接近蒸馏水。主要变化指标为pH值(6

2.2 地表径流水质

受城市污染物的影响，降水至地表的水质呈动态变化，主要污染为NH3-N、COD、pH值(8

降水地表径流水质监测显示：受区域降水的分布影响，路面、房屋、绿地等介面的污染物种类、浓度不同，径流路径不同，污染物指标一般在降水10mm左右明显降低：NH3-N浓度由3.00mg/L降低到2.67mg/L，下降了11.0%；COD浓度由227mg/L降低到114mg/L，下降了49.8%。部分区域降水5mm左右污染物浓度明显降低，降水强度越大，水质改变越明显。一般区域降水30mm后、行车密集的缸窑路、南新道等区域降水40 mm后，地表径流汇入陡河、青龙河水体水质优于地表水Ⅴ类水质标准。

水质监测证明了城市雨洪资源利用宜采取分散式利用为主的方式。根据市区降水特性、降水水质特点，对于不同的下垫面条件的区域，采取不同的雨洪资源化模式，为社会发展服务。

2.3 城市工业、生活排水水质

根据陡河1985——2016年共32年水质监测资料，绘制了主要污染物NH3-N、COD年际变化曲线，对焦化厂断面、唐山站断面、胜利桥断面污染物变化定性、定量和综合分析，得出如下结论：

a. NH3-N极值浓度50.6mg/L(1998年4月)，发生于焦化厂断面。1985——2008年NH3-N浓度总体呈明显上升趋势，波峰区域1995——2008年，2009——2016年NH3-N浓度呈下降趋势。受河流流量丰枯变化影响，年度内NH3-N浓度变化明显，一般峰谷交替。

b. 1985——2008年COD浓度总体呈缓慢上升趋势，波峰区域1995——2001年，2002——2008年相对稳定，2009——2016年COD浓度呈下降趋势，年度内COD浓度变化明显，一般峰谷交替。

3 城市化对河流生态环境的影响

受城市化建设的影响，城市河流已经从自然河流转向景观河流、人工河流，河道治理从城市美学角度上取得进步，其形态、功能都发生明显改变。对城市热岛效应、城市内涝、水生动物群落(水蛇、青蛙、鲌鱼、龟、河蟹等)、水生植物群落等产生重大影响，见表1。

表1 城市河道陡河、青龙河治理前后情况比较

4 改善区域水生态环境的措施

4.1 选择水生植物

实验水质：陡河、青龙河，CODcr浓度40～100mg/L，BOD5浓度5～50mg/L，N浓度1～40mg/L，P浓度0.5～5mg/L，pH值6～9，3～7d去除效果见表2。

植物选择：根据植物的生长特性、耐污能力、污染物去除速度和景观、经济价值等方面选择适宜的水生植物，同时必须考虑生物安全性、不同植物搭配等，以尽可能选用本土物种为主，防止发生植物入侵。在陡河、青龙河内宜选择种植芦苇、蒲草(菖蒲)、藕莲等。

实验显示：树木根系对水质有很强的净化作用，宜选择根系发达的柳树、杨树为种植树种，对N、P、CODcr、BOD5去除作用较强。树木根系区域水体和底质污染物浓度呈不均匀变化。

4.2 工程调度运用衰减COD物质

根据河道主要超标物为COD的特点，经过多年的实验、研究，采用兼性氧化塘法去除COD，效果显著。

底质实验：采集河道淤泥、南湖湖泥作样本。取样地点：陡河、青龙河、南湖。全部样本均在自然环境下实验，结果显示：3d COD平均去除率27.5%，7d COD平均去除率53.2%。

调度方法：汛期通过水闸、橡胶坝低水位运行，变兼性氧化塘(尤其是厌氧塘)为好氧塘，加速水和底质中COD浓度(尤其是小分子有机物)的降解和反应；或闸坝排空，COD物质直接在空气(O2)、光、风作用下发生化学反应(CO2)。降解时间控制在3～7d为宜，反应深度一般在100mm以内，0～50mm底质层反应最好，与底质的孔隙率成正比关系。每月调度两次，即完成一次反应后充水10～15d，再进行下一次反应。每一循环过程后，COD浓度呈大幅衰减之势，COD浓度越高，去除效果越好。同时水闸、橡胶坝的运用与蚊虫繁殖周期相结合，打乱蚊虫等害虫的繁殖周期，可以有效地减少虫害。

4.3 区域水生动物群落补救方法

针对混凝土或浆砌石直墙河道段水蛇、龟、青蛙、河蟹等两栖动物已经绝迹，受溶解氧低的影响，鲌鱼(要求水质DO≥2mg/L)也几乎绝迹，部分水鸟的栖息地也在河流整治中遭到破坏等现状，需采取补救措施，恢复生物种群多样性。

河道底部抛石或干砌石、卵石床、合成纤维网等为微生物提供附着载体，青龙河区域多年绝迹的摇蚊，治理后再生。摇蚊幼虫是淡水水域中底栖动物的主要类群之一，以水底有机碎屑为食。河道内每隔一段距离设置土质小岛，植芦苇等水草，为两栖动物、水鸟提供繁衍、栖息场所。根据陡河、青龙河鱼类对溶解氧低耐受性强的特点，科学放养贝类、鳙鱼、鲫鱼、草鱼等，吸食重金属、微生物等，净化水质、底质。拒绝放养巴西龟、鲶鱼等凶猛物种，抵制有害物种入侵。

4.4 合理配置水资源，净化水质，美化环境

南湖引用陡河、青龙河雨水资源时，计算雨水量纳污能力，陡河流量达到25m3/s、青龙河达到13m3/s时，水质满足湖水水质要求，可通过外环线橡胶坝引水入南湖，青龙河水直入南湖。

从陡河水库调用生态水补充南湖用水时，宜在10月至次年4月实施，主要污染物为NH3-N，调水流量为18～25m3/s，满足湖水水质要求。

利用陡河水库向下游灌区农业输水置换河、湖水，既净化了河湖，置换用水又能满足灌区用水水质(主要是NH3-N指标)。

5 结 语

城市化带来人类文明的同时，也对城市小气候、水文、水环境产生新的变化与影响。通过研究相关因子、元素之间的关系，加强区域水质监测，采取工程、生物等措施，满足区域水环境的水质水量需求，最大限度地实现雨、洪等资源化、生态化。