城市生态水文学适应城市向智能化发展的重要举措

　　摘要：城市化进程中显露出诸多城市诟病, 城市的可持续发展开始逐渐被人们关注, 出现了“田园城市”、“智能城市”等概念。在我国, 生态水文学作为一门新兴交叉学科, 在基础理论、生态水文过程机理、区域生态环境和资源管理分配等方面均取得了一些研究成果。然而在研究对象和尺度方面多以典型地区和流域为主, 人类集中活动所在地——城市, 十分缺乏这方面的研究。以生态水文学理论为基础, 构建城市生态水文学的理论体系, 并将其应用到城市规划建设中, 能够为城市的可持续发展提供科学依据, 充分反映了以人为本的核心发展观。城市生态水文学的提出也是适应城市向智能化发展的重要举措, 更好地诠释了科学的人文精神。

　　关键词：城市生态水文学; 可持续发展; 田园城市; 智能城市;

　　The Application of City Eco-hydrology in Sustainable Development

　　Abstract：

　　Various shortcomings have come out in the urbanization processing, which takes city sustainable development into consideration. Thus, some new ideas were advanced, such as "garden city", "smart city" and so forth. As a new born cross subject in China, ecohydrology researches mainly aim at basic academics, eco-hydrological processing mechanism, areal eco-environment and resources sustainable utilization management. However, typical origins and watershed are predominant research objects and scales, while cities, the most concentration places of people, are not included. Consequently, establish city eco-hydrology theory system in order to support the city sustainable development by its scientific, which also reflects the people-based core developing opinion. On top of that, city eco-hydrology may play an important role in building intelligent cities as well as illustrating the humanity spirit of science.

　　Keyword：

　　City eco-hydrology; Sustainable development; Garden city; Smart city;

　　1 城市的可持续发展

　　根据联合国人口报告显示, 到2014年, 世界上有将近54%的人口生活在城市。城市在20世纪扩张了10倍以上, 居住人口占比增加了近一倍。联合国预测, 城市居民数量在未来几十年将继续增长。预计到2050年, 全世界总人口将超过90亿, 城市居民将超过60亿。接下来的30年里出生的人口中, 2/3将生活在城市。

　　随着城市人口的不断增长, 环境污染、交通拥堵等一系列问题逐渐凸显, 特别是在发展中国家的一些迅速崛起的城市中。当人们意识到环境、能源等资源的不可恢复性时, “可持续发展”的观念便开始被倡导并深入人心。城市的可持续发展也被政府提上议程。

　　早在19世纪末, 英国城市规划师霍华德 (E.Howard) 就提出了“田园城市 (garden city) ”的概念, 旨在让人们的生活环境得到改善, 把积极的城市生活优点与乡村生活环境的优点结合在一起, 创建生态城市模式[1]。这一概念的提出为城市的可持续发展奠定了良好的基础。20世纪60~80年代, 有关“边缘城市”的设想开始流行起来。人们意识到城市生活所带来的弊端, 尝试用全新的角度去审视城市的发展。为此, 他们构筑了各种理想城市的蓝图, 如“生态城市 (eco-city) ”[2], 并制定了诸如“绿色基础设施 (green infrastructure) ”、“理性保护与增长 (smart conservation) ”、“新型城市化 (new urbanism) ”、“方向化交通发展 (transit-oriented development) ”等计划, 致力于城市的可持续化和健康稳定的发展[3]。近年来, “智能城市 (smart city) ”的概念悄然兴起。中国政府在发展经济建设的过程中也开始注意到过快的城市化进程所引发的一系列问题。“智能城市”、“田园城市”等目标城市的打造, 充分说明了城市的可持续发展对于国家经济可持续发展的重要性[4]。“生态智能城市 (eco-smart city) ”的提出, 标志着智能城市向着多元化方向的发展。城市的智能化不仅仅体现在城市的基础设施、政府服务职能的数字化, 也应该在环境资源方面有所阐释, 即人与自然的和谐相处以及资源的可持续利用[5]。对城市进行绿色升级, 是今后城市发展的重要课题[6]。

　　2 生态水文学

　　2.1 生态水文学的概念

　　1992年, 生态水文学作为一种新方法在都柏林召开的水和环境国际会议上被提出, 用以解决环境问题。作为提高淡水资源质量的工具, 生态水文过程应用的目标之一是减少费用、增加保护和恢复的有效方式, 进一步提高系统的可持续性;另一目标就是建立科学家、政策制定者和决策者之间新的关系[7]。随后, Rodriguez[8]、Nuttle[9]、Hatton[10]等对生态水文学给出了定义;我国的武强[11]、王根绪[12]、夏军[13]等也对生态水文学的含义给出了解释。

　　2.2 我国生态水文学的研究现状

　　当前, 我国生态水文学的研究大概可分为四类:基础理论研究、机理研究、区域生态环境研究和资源管理分配研究。

　　2.2.1 理论研究

　　主要集中在对生态水文学概念、内涵和内容更加深入、准确的概括, 以及生态水文学同其他学科的交叉、耦合, 在总结前人研究成果的基础上探讨生态水文学的发展趋势。陈艺伟、王银堂[14]概括了分形理论在生态水文学中的应用, 并对其前景进行了展望。杨舒媛、严登华等[15]阐述了生态水文耦合的研究进展, 探讨了其存在的关键性问题, 并探寻了耦合模型的切入点。赵文智、程国栋[16]对生态水文学的内涵、研究现状、未来发展和应用前景进行了介绍, 重点探讨了在干旱和高寒地区开展生态水文学的必要性和迫切性。杨大文、丛振涛等[17]介绍了Eagleson教授的专著《Eco hydrology:Darwinian Expression of Vegetation Form and Function》一书的精髓, 为我国生态水文学研究提供了启示。高富[18]在介绍生态水文学的发展阶段和应用前景的前提下, 提出了生态水文学在中国的发展方向。孙宝刚、徐德增等[19]从生态水文学机理研究、不同时空尺度信息的转化研究、生态水文模型的建立和基于生态水文过程的生态需水研究等四个方面探讨了生态水文学的研究方向。王爱娟、张平仓等[20]从生态水文学的角度阐述了水保措施防洪减灾原理, 扩展了生态水文学的应用范围。

　　2.2.2 机理研究

　　集中在某些特定区域的生态水文过程机理探讨。李新荣、张志山等[21]分析了我国在干旱区生态水文学研究领域取得的成绩和进展, 重点讨论了沙地植被对土壤生态水文过程的响应以及植被对土壤环境和水循环的长期反馈作用和调控机理, 总结了植被发挥生态水文功能的相关研究, 归纳了干旱区生态恢复理论模式及其在实践中的应用。刘冰、赵文智等[22]对黑河流域荒漠区降水特征及其土壤水分对降水脉动响应进行了系统研究, 证明了荒漠区降水属于降水脉动事件。刘新平、张铜会等[23]对科尔沁沙地三种常见乔木根-土界面水分再分配进行了探究, 说明了这一机制的研究对干旱、半干旱区退化植被的恢复与重建具有重要意义。王刚、张鹏等[24]基于绿水理论对内陆河流域进行了生态水文过程的研究, 将水循环与生态学过程紧密联系起来, 并凸显了植物对水循环的作用。刘鹄、赵文智等[25]对祁连山浅山区草地的生态系统在点尺度上进行了土壤水分动态随机模拟, 并与蒙特卡洛方法分析求解得到的结果进行了对比, 定量地解释了植被对水分的斜坡响应、土壤养分循环的水文控制以及植物水分竞争机制。石辉、刘世荣[26]探讨了森林土壤大孔隙的生态水文学意义, 深化了森林涵养水源机理的认识, 并为退耕护岸林及天然林保护工程的植被恢复重建提供理论与决策依据。曹建军、刘永娟等[27]探讨了我国西北干旱半干旱地区生态需水研究的现状, 提出了存在的问题并提出应建立生态需水与生物多样性、生境多样性和生态系统健康状况相关联的指标体系。李小军、汪君等[28]通过研究腾格里沙漠植被格局对地表径流、侵蚀及其驱动下的资源再分配的影响, 认为生物土壤结皮斑块和植被斑块之间存在再分配的源-汇项关系, 从而证明了灌丛斑块能有效防止荒漠化的进一步发展。

　　2.2.3 区域生态环境研究

　　主要探究区域生态水文过程的变化, 提出生态水文学方法在研究环境变化中的作用和意义。王立明、朱晓春等[29]分析了白洋淀流域生态水文过程的演变, 剖析了其生态系统退化的特征及驱动机制, 从生态水文角度提出了保护湿地的措施和建议。旦木仁加甫[30]从巴州绿洲生态系统的动态演变定量分析了人类活动与平原水文过程、平原水文过程与相应绿洲生态环境、绿洲生态环境变迁与相应气候之间的内在关系, 从而提出研究干旱区生态水文学是必要的, 也是可行的。班璇、李大美[31], [32]研究了三峡工程的修建对中华鲟产卵场水文要素的影响, 为三峡工程的生态调度与运行提供了理论依据。王盛萍、张志强等[33]从恢复生态与生态水文学视角探讨了我国西北黄土高原地区防护林建设目标、防护林建设研究尺度、防护林建设理论等, 提出了今后黄土高原防护林建设的研究方向, 为该地区防护林体系建设提供指导依据。苏亮[34]探讨了张家口区域开展生态水文监测的必要性, 为该区域生态环境保护提供了新方法。

　　2.2.4 资源管理分配研究

　　主要致力于水资源管理配置以及生态需水量等一系列资源合理化、可持续化分配利用的问题。潘云、宫辉力等[35]以延庆盆地为例, 提出了一种基于生态水文学的地下水资源管理新方法, 为建立生态水文指标及其在地下水资源管理中的应用提供了新的研究思路。连煜、王新功等[36]建立了基于生态水文学的黄河口湿地生态需水及评价模型, 并对黄河口不同补水方案产生的生态效果进行了预测, 为黄河三角洲湿地恢复提供了决策依据。王让会、于谦龙等[37]探讨了新疆绿洲的生态用水规律与特征, 并提出基于生态水文学的生态用水量估算是具有理论和现实意义的。崔保山[38]、李英[39]从生态水文学原理出发, 对湖泊最小生态需水量进行了探讨, 为湖泊管理及退化湖泊生态系统的恢复与重建提供了科学基础。王衍祯、李天骄等[40]从生态环境需水量角度出发, 构建水景水量配置模型, 为园林水景水量设计的计算提供了模型参考。

　　2.3 生态水文学的发展趋势

　　生态水文学作为一门刚刚兴起的交叉学科, 目前主要服务于区域生态环境变化机理与水资源合理分配及管理。鉴于城市发展过程中出现的诸多问题, 我国政府也开始关注城市的可持续化发展。这其中包括对城市生态环境和水文情势的关注。2011年中央出台的一号文件《关于加快水利改革发展的决定》, 要求开展城市水文学和生态水文学等方面的研究。在大城市和重点中等城市规划和建设城市水文监测站网, 深入研究城市水文对城市防洪规划的服务方式和渠道。对生态水文学进行研究, 为建设资源节约型和环境友好型社会建设提供水文服务[41]。因此, 基于生态水文学的城市可持续发展研究将成为生态水文学的又一课题。

　　3 生态水文学在城市可持续发展中的应用

　　当前的生态水文学研究尺度一般是流域范围, 研究对象以河流、森林、湖泊等自然物为主。以城市可持续发展为研究目的的生态水文学研究还非常少。在此, 提出几点可能的发展方向和研究方法, 包括城市生态水文学理论的成熟、城市生态水文学模型的建立、城市未来生态环境预测分析和考虑生态水文学因素的城市规划。

　　3.1 城市生态水文学理论

　　城市生态水文学理论是进行诸如模型建立、生态环境预测和城市规划等后续工作的基础。针对不同流域的城市, 可以考虑借鉴其所在流域生态水文学的研究成果, 在考虑人类活动影响因素的前提下, 构建城市生态水文学理论框架。也可以尝试引入分形理论, 在相似规律下, 流域和城市的生态水文学规律只是分别拥有不同的分维数;在城市生态水文学中, 人类活动影响因子也是区别城市与流域生态水文学规律的一个重要因素。

　　3.2 城市生态水文学模型

　　构建城市生态水文模型, 可以为城市管理者提供决策依据。例如城市建筑占用湿地, 使湿地面积缩小, 可能影响局部甚至整个城市的生态环境。建立生态水文模型, 对湿地面积变化前后所带来的生态响应进行模拟, 利用得到的结果 (数据) 构建生态指标评价体系, 最终得出项目是否可行的结论。若可行, 则进一步定量分析其对环境可能造成的影响, 对可占用的湿地面积进行评估, 确保城市建设不会对环境产生破坏性的不可逆的影响, 从而使城市生态经济综合效益达到最大。实现上述这一切, 需要海量的数据库和强大的模型功能作为技术支持。

　　3.3 城市未来生态环境预测

　　生态水文学在城市可持续发展中的作用还远不止这些。对于城市环境变化进行预测, 可以催生更多改善城市环境的奇思妙想。例如屋顶集雨装置, 将收集的雨水用作建筑内的厕所冲洗水。屋顶花园也早已不是新鲜之谈。直接将植被种植到屋顶, 增加了城市的绿地面积以及初次雨水使用率。这些行为改变了原有雨水的循环路径, 使原本沿硬化路面流入下水道最终排入集中管网的这部分雨水被直接利用。这会使城市环境变得更好吗?城市生态系统对这样的变化会作何响应?这些都是城市生态水文学需要解决的问题。

　　3.4 城市规划

　　生态环境被破坏后, 再对其进行修复是非常困难的。好的结果是可以接近原有生态环境状况, 但一般情况下, 恢复的生态系统已无法与之前原有的生态系统相比拟, 无论从结构的优越性还是系统的稳定性。因此, 在进行城市规划时, 尽量避免对生态系统造成毁灭性破坏, 是城市生态水文学的一个重要任务。将城市建造在钢筋水泥的森林之中的粗狂型城市化建设, 已然不能适用于“可持续发展”思想盛行的当今社会发展。如果狭长而四通八达的小路对生态环境的破坏相对于宽直的大路要小得多[3], 那么规划者们应该知道如何去扩展我们的城市。只是这样一个结论该如何得出?也行生态水文学能够帮我们找到答案。

　　4 结论

　　在我国开展城市生态水文学工作可能并不容易。因为目前我国的生态水文学正处于起步阶段, 理论研究尚停留在对典型区域 (如干旱半干旱区、森林地区等) 生态水文学规律的探究, 尚未建立起以流域为研究对象的有效的生态水文模型。发展城市生态水文学, 其意义在于:

　　4.1城市化过程中, 环境质量的改善远比不上城市化速度 (这里的环境质量包括人们的居住环境、自然生态环境等) , 导致各种城市诟病越来越严重。同时, 城市的可持续发展对节能减排的要求也越来越高, 新的方法和措施有可能改变城市局部甚至大范围内的生态环境。城市生态水文学的构建, 对解决上述问题是有所启发的。

　　4.2城市生态水文学的建立, 是对城市智能化的补充和完善。刚刚发展起来的城市智能化主要体现了对经济、文化信息、传播等领域的关注, 旨在提升城市生产、管理、运行的现代化水平[42]。涉及到城市环境也仅限于对环境现象的描述以及个别突出问题的整治, 如环境质量监测、对垃圾分类处理等, 对于城市生态环境的可持续发展还缺乏深层次的思考。城市生态水文学恰恰能够弥补这一缺陷, 挖掘现象背后的本质。

　　4.3城市生态水文学体现出了人文关怀, 符合我国社会经济以人为本和可持续发展的战略要求, 是将科学研究成果付诸于提高人类生活质量的体现, 更好地实现了科学的人文价值。

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