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  • CN 62-1091/P
  • ISSN 1001-8166
  • 月刊 创刊于1986年
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地球科学进展, 2019, 34(6): 640-649 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.06.0640

发展战略论坛

21世纪中国的城市化特点及其生态环境挑战

邱国玉,1, 张晓楠,1,2

1. 北京大学环境与能源学院,广东 深圳 518055

2. 环境保护部环境规划院,北京 100012

China's Urbanization and Its Ecological Environment Challenges in the 21st Century

Qiu Guoyu,1, Zhang Xiaonan,1,2

1. School of Environment and Energy, Peking University, Shenzhen 518055, China

2. Chinese Academy of Environmental Planning, Beijing 100012, China

通讯作者: 张晓楠(1981-),女,河南南阳人,助理研究员,主要从事水环境规划研究. E-mail:xnzhang99@163.com

收稿日期: 2019-01-04   修回日期: 2019-03-21   网络出版日期: 2019-07-01

基金资助: 中国科学院学部学科发展战略研究项目“中国生态水文学学科发展战略”.  2017DXA
深圳市基础研究项目“飞行智能环境监测机器人研究”.  JCYJ20180504165440088

Corresponding authors: Zhang Xiaonan (1981-), female, Nanyang City, He'nan Province, Assistant researcher. Research areas include water environmental planning. E-mail: xnzhang99@163.com

Received: 2019-01-04   Revised: 2019-03-21   Online: 2019-07-01

作者简介 About authors

邱国玉(1963-),男,内蒙古阿拉善人,教授,主要从事环境与能源信息、城市水文水资源、生态水文方面的研究.E-mail:qiugy@pkusz.edu.cn , E-mail:qiugy@pkusz.edu.cn

摘要

城市化是世界范围的历史进程。中国的城市化虽然起步较晚,但是由于速度快、规模大、资源能源消耗高,从而带来一系列水环境和热环境问题。系统梳理了在全球气候变化和城市化的双重压力下,中国城市面临的水资源短缺与水污染、日益严重的城市热岛和生态水文灾害等生态环境挑战,提出要以城市生态水文学的理论和手段,解决城市生态环境问题,提升中国的城市化质量,实现宜居城市。

关键词: 城市生态 ; 城市热岛 ; 城市生态水文 ; 宜居城市

Abstract

Urbanization is a worldwide historical process. Although China's urbanization started late, it is fast, large in scale, high in resource and energy consumption, and leads to a series of water and thermal environment problems. This paper systematically sorted out the ecological environment challenges faced by Chinese cities under the dual pressures of global climate change and urbanization, such as water shortages and water pollution, increasingly serious urban heat island issues and ecological hydrological disasters. It proposed to solve the problem of urban ecological environment with the theory and means of urban ecohydrology, improve the quality of urbanization in China, and realize livable cities.

Keywords: Urban ecology ; Urban Heat Island (UHI) ; Urban Ecohydrology ; Livable city.

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本文引用格式

邱国玉, 张晓楠. 21世纪中国的城市化特点及其生态环境挑战. 地球科学进展[J], 2019, 34(6): 640-649 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.06.0640

Qiu Guoyu. China's Urbanization and Its Ecological Environment Challenges in the 21st Century. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(6): 640-649 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.06.0640

城市化是指人口向城市聚集,并由此引起一系列社会变化的过程。这一过程中,城市人口比例升高,城市规模扩大,城镇数量增加,人们的生活方式逐渐增加城市生活的特征。城市化是世界范围的历史进程。近几十年来,中国的城市化以前所未有的速度进行。伴随着城市化进程的推进,出现了一系列的水环境问题和热环境问题。其中,尤以城市水资源短缺、水污染和城市热岛为代表。在全球气候变化的大背景下,快速城市化还造成频繁出现的洪涝和高温热浪等生态灾害。使得城市人居环境以及城市可持续发展遭到严重威胁,极大地影响到社会的和谐发展和城市生活的宜居性,成为当前中国城市化发展过程中面临的巨大生态环境挑战。

1 中国的城市化特点

目前,世界55%的人口生活在城市,预计到2050年这个比例将增加到68%,包括中国在内的3个国家将贡献其中35%的人口增长[1]。这一趋势对全球生态环境都会产生深远的影响。与世界其他发达国家的城市化过程相比,中国的城市化起步较晚,但是具有鲜明的中国特色,可以概括为速度快、规模大和资源能源消耗高。

1.1 速度快

在改革开放的第一年(1978年),中国的城市化率仅为17.9%,到2011年城镇人口占总人口比重达到51.3%,城市人口首次超过了农村人口。至2017年底,城镇常住人口约8.1亿人,占总人口比重(城镇化率)达到58.52%,比2016年提高1.17个百分点[2]。纵观过去40年中国城市化的发展历程,城市化的速度约为每年增加1%。预计2020年中国的城市化率将超过60%。如果按照现在的趋势发展,中国城市人口超过10亿只是时间问题[3]

中国的城市化发展依靠的主要是城区面积的扩张和人口规模的扩大[4]。1981年全国城市建成区面积仅有0.74×104 km2,至2016年末,建成区面积已达到5.43×104 km2,城市建成区面积以超过20%的年均速度扩展,35年间城市建成区面积增长了7.3倍,城区人口比改革开放第一年增加了6.2倍(图1)。

图1

图1   19782016年城市建成区面积和城区人口[5]

Fig.1   Area of built-up urban areas and urban population in 1978-2016[5]


1.2 规模大

中国是世界上拥有超大城市数量最多的国家。截至2016年,中国已有20个城市人口规模超过500万人(表1),人口规模超过1 000万的超大城市(Megacities)有7个,其中重庆、上海和北京3个城市的人口规模已超过2 000万[5]

表1   2016年中国500万以上人口城市排名

Table 1  Cities of population more than 5 million in 2016 China

城市排名城市名称城市人口/万建成区面积/km2
1重庆2 907.381 350.66
2上海2 419.70998.75
3北京2 172.901 419.66
4广州1 759.491 249.11
5天津1 360.431 007.91
6深圳1 190.84923.25
7武汉1 121.62585.61
8成都940.54837.27
9杭州899.96541.38
10郑州748.27422.35
11南京703.05773.79
12佛山654.26158.91
13沈阳649.73588.26
14西安629.24517.74
15东莞628.65958.86
16哈尔滨620.17435.28
17汕头582.00257.66
18南宁539.78310.47
19青岛525.75599.32
20厦门520.08334.64

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1.3 资源能源消耗高

伴随着城市化进程,个人生活水平提高,人均资源消费、能源消费和碳排放也随之提高。靠城市化效率的提升很难抵消这些资源、能源和碳排放的增加量[3],从而整体上提高了社会总体的资源、能源消耗量。中国发展最快的30个城市占用了几乎3/4的水源[6]。中国城市居民人均日生活用水量一度高达220 L,远高于发达国家,相比之下,法国和英国人均日生活用水量为161 L,德国仅为144 L[7]。同时,较为粗放的用水习惯与方式以及较低的节水器具普及率,使得中国城市用水效率相对低下[8]。中国城市的能源消费占全国能源消费的75%,城市人均一次能源需求与区域平均水平的比值为1.82,而美国、欧盟和澳大利亚包括新西兰分别为0.99,0.94和0.88[9]

2 水资源与水环境问题

城市在多个方面影响本地和区域的水文循环和水环境质量。例如:提取大量的地表水和地下水;大量集中取水导致径流减少、地下水位下降;不透水地面扩大导致的下渗减少会加剧洪水风险;排放未经处理或处理不达标的污水从而污染水体等。由于大部分的城市供水通常来自城区之外,其产生的污染也趋向于向下游排放,因此城市对水资源和水环境的影响远远超出其地域界限。另外,城市消耗着大量来自城市外的粮食、消费品及能源,而在其生产、运输和销售中需要大量的水资源。城市对这种虚拟水的需求量远远大于其直接用水量[10]。随着城市化的发展,城市水资源与水环境问题从单纯的水量供给和水质保障逐渐转化为涉及社会、经济、生态以及气候变化等多领域的综合问题。研究关注的焦点也从城市化与水资源水环境的关系、城市需水预测、水资源配置、城市水资源价值和价格等传统领域,逐渐向以水资源可持续利用为目标的城市水资源综合管理、考虑新兴污染物及饮用水直接回用影响的城市水安全以及气候变化对城市水文的影响等方面。

2.1 水资源短缺与水环境污染

城市水资源短缺和水污染是中国城市最重要的环境问题之一。中国2/3的城市面临着资源性缺水的问题。全国600多个城市中,缺水城市有400多个,其中严重缺水城市114个,即便在水资源丰富的长江流域也有缺水城市59个、缺水县城155个,在32个百万人口以上的特大城市中,有30个长期受缺水困扰[11]

水污染进一步加剧了水资源短缺,在原本不缺水的城市,也因为水质污染而出现水质性缺水。Zhang等[12]研究表明,1970年代,中国90%的工业废水和生活污水未经处理就直接排放,城市河道逐渐沦为工业废水和生活污水的排污通道。1980年代,许多水库和湖泊还处于贫营养状态,到2000年,中国几乎所有的湖泊和水库均为中营养以上状况,2009年以后,已有超过65%的湖泊达到富营养化。国外发达国家的发展规律显示,城镇化率达到50%之后是水污染事件高发期[7],中国目前城镇化率已经达到50%,今后一段时期城市水污染危机将更加严峻。

近年来城市黑臭水体已成为中国城市普遍存在的问题。虽然国家相继出台了多种方案措施推进城市黑臭水体治理工作,然而随着城市点源污染的逐渐有效控制,面源污染对城市流域水体水质恶化的影响日益突显。常规的城市污水收纳处理系统在面对当前中国城市水体污染的治理时显得力不从心。

2.2 地下水危机

城市化引起的土地利用方式改变,破坏了自然的水循环过程,减少了含水层的垂向补给和蒸发量,同时城市给排水管网渗漏也增加了地下水补给量。城市建设地下水开采会产生诸如地面沉降、地下裂缝等地质灾害,而地下水位回升也会影响下降时期已经建成的城市设施[13]。沿海地区地下水位下降还会造成海水倒灌。

中国城市目前地下水超采严重。全国地下水超采面积超过30×104 km2。其中,华北平原地下水超采高达每年60×108~80×108 t,80%以上是难以恢复的深层地下水,超采面积超过7×104 km2,已成全世界最大的漏斗区。目前全国已有50多个城市发生地面沉降和地裂缝灾害,沉降面积高达9.4万km2。环渤海地区海水倒灌面积高达2 457 km2,比1980年代末增加了62%[14]

城市地下水污染严重。2016年全国225个城市地下水(包括浅层地下水和中深层地下水共6 124个监测点)水质监测评价结果显示,达到饮用标准的仅为39.9%图2)。除去可能由于水文地质化学背景值偏高造成的总硬度、溶解性总固体、锰、铁和氟化物超标外,“三氮”(亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和氨氮)是地下水的主要超标指标,部分监测点还存在重金属和有毒有机物污染。由于缺乏成熟的地下水污染治理技术与方法,对于城市地下水污染,目前还只能以预防为主。

图2

图2   中国城市地下水水质状况[15]

Fig.2   Urban groundwater quality in China[15]


地下水超采与污染加剧了城市水源的地表水单一化。目前中国城市全部供水量的78%由地表水提供,656个城市中有249个只利用地表水供水,占城市总数的38%[5]。与欧美等发达国家相比,中国依靠单一地表水源的比例偏高,而单一地表水源,不能有效抵御气候干旱和突发性污染,如2005年松花江污染、2007年太湖蓝藻、2009—2010年西南地区持续干旱等,都不同程度地停止了城市供水,给居民生活造成巨大不便[16]

2.3 再生水安全

为缓解城市水资源短缺,再生水的开发利用比例不断增加,新兴污染物对城市水安全的影响日益严峻。新兴污染物(Emerging Pollutants,EPs),即新近被认知的污染物。新兴污染物通常包括种类繁多的药物及个人护理用品(Pharmaceutical and Personal Care Products, PPCPs)、内分泌干扰物(Endocrine Disrupting Chemicals,EDCs)和消毒副产物(Disinfection By-Products,DBPs)等合成的或自然发生的化学物质。这类物质是个非常庞大的化合物体系,可能已经排放到环境中很长时间,但在新的检测方法被开发之前尚未被确认[17,18]

国外在消除新兴污染物及影响方面,针对水回用尤其是可饮用水回用开展了大量研究,如欧盟的海神计划(POSEIDON project)。美国和欧洲一些国家都有饮用水间接回用的实践经验[19],纳米比亚的首都温得和克市开展了“闭合城市水循环”的水再利用综合措施[20],并取得了较好的效果。然而,国内有关新兴污染物对城市水环境安全的影响仍然主要围绕新兴污染物自身开展研究。缺乏新兴污染物在城市水循环和水环境中的系统监测和评估,也没有将新兴污染物控制纳入城市供水安全的日常管理。值得注意的是,国内许多研究文献仍然使用“新型污染物”这一不够严谨的说法。

由于新兴污染物种类庞大、数量繁多、浓度非常低等特点,目前缺乏便捷又低成本的检测方法,许多物质在检测识别之前并不为人们认知,因此通过现有的监测手段很难完全消除回用水的潜在风险。加上新兴污染物的持久性、生物累积性等特点,许多人体健康影响、环境生物的不良反应可能需要更长的时间甚至数代人才能够表现。随着中国城市化的发展,城市水循环路径愈来愈短,甚至出现“闭合城市水循环”,水资源再利用的迫切需求与水处理技术发展滞后的矛盾将严重威胁城市水安全。

2.4 洪涝灾害

在城市地区,水是气候变化产生影响的主要媒介[21]。全球升温造成日和季节尺度上出现极端高温天气与极端低温天气,以及暴雨、干旱和洪涝等灾害。在持续气候变化的背景下,这些不利的天气事件在频率、严重性和持续时间上都会大幅增加[22]。1990年代以来,全世界洪涝灾害数量迅速增长。中国是世界上洪涝灾害最严重的国家之一,大约2/3的国土面积有着不同类型和不同程度的洪涝灾害[23]。近30年来,洪涝事件的频次和强度总体呈增加态势。珠江、淮河等流域强降水频发、旱涝并重、突发洪涝、旱涝急转等现象日益突出[24]

在全球升温的背景下,快速城市化导致了中国城市内涝灾害尤其突出。住房和城市建设部对351个城市的调研发现,在2008—2010年的3年间62%的城市都曾发生过内涝事件,内涝发生3次以上的城市有137个。逢大雨必涝,已成为很多大城市的通病[25]。2012—2014年分别有184个、234个和125个城市发生内涝,每年受到外洪内涝威胁的城市有100多个[26]

3 城市热岛问题

城市化带来土地利用和覆盖的剧烈变化,大面积的不透水人工表面(水泥、沥青等)取代了原本被植被覆盖的自然透水地表,导致城市地表蒸散发持续时间与强度远弱于原有自然植被和土壤,直接影响了水文循环的全过程。同时,城市的生产生活使人工热源排放增加,造成城市热环境进一步恶化。从而导致了以城市热岛(Urban Heat Island,UHI)为代表的热环境问题,即城市的温度显著高于郊区和周围乡村温度的现象。这种现象几乎出现在每个城市地区[27]

3.1 威胁城市人类居住

城市热岛改变了城市热环境,影响城市水文、能量循环,导致城市水质和空气质量下降[28],极大影响到城市生活的宜居性[29]。热岛效应使城市地区形成有别于郊区的局部气候特征,增加城市的能源消耗。与1960 年代相比,21世纪初的前7 年,华东地区的年均采暖度日减少了7.1%,制冷度日增加了16.7%[30]。夏季降温能耗的增加导致人为热排放增大,进一步恶化城市热环境。热岛效应使城市与郊区之间形成闭合环流圈,造成城郊之间污染物的恶性循环。持续的高温会加速某些特定的大气化学循环,提高地面的臭氧浓度[31],危害城市居民的身体健康。同时,高水温会导致城市水体藻类繁殖增多,溶解氧过度消耗,造成水质下降,加重城市黑臭水体现象。

热岛效应最直接的负面后果与城市地区温度升高有关,特别是热浪的更高风险及其影响,包括城市居民死亡率和发病率的增加[32]。城市环境温度上升会直接影响城市人居环境生活的舒适度以及居民的身体健康,严重的会造成人体不舒适感,甚至使死亡率增加[33]。热浪增加了热胁迫,特别是对敏感人群,如儿童、老年人、有社会或身体障碍的人或负担不起缓解措施(如空调)的人[34,35]。许多研究表明,热胁迫影响人类健康,表现为各种症状,例如注意力不集中、精疲力竭、脱水、循环紊乱和潜在死亡等[35,36,37,38,39]。对中国31个城市热浪与死亡率的最新研究还表明[40],PM2.5浓度越高的城市在热浪期间的死亡率风险越高。这充分说明当前中国的城市热岛与空气污染已形成协同效应,严重威胁城市居住安全。

虽然近100年来中国的增温主要发生在冬季和春季,夏季有微弱变凉趋势[41],但未来由于气候变化,城市气候可能受到额外的夏季热负荷的影响,从而伴随而来强度更高和持续时间更长的热浪的增加[42]。同时,城市热岛问题的日益突出会使城市热浪发生的频率继续增加[43,44]。近年来,全球范围的城市均受到热浪袭击,造成城市人群死亡率显著上升,如2003年的欧洲热浪估计在夏季造成将近70 000人死亡[45];2010年6~8月,莫斯科和俄罗斯西部经历了史无前例的热浪,造成将近55 000人死亡[46]

3.2 热岛现象愈加强烈

随着城市化的快速进行,城市热岛强度显著增强(表2),热岛效应发生的面积也迅速扩大。例如,1984年杭州市城市热岛总面积仅2 747.52 hm2,到2010年增加到26 529.16 hm2,26年间杭州市的城市热岛面积增加了8.66倍。其中,1995—2000年杭州城市热岛面积的年增长幅度高达24.9%[54]。2004—2015 年武汉市热岛面积平均年增长23.72 km2,其中江夏区10年间增长了73.62 km2,增长速率达 6. 69 km2/a[55]。南京市自1985年以来热岛效应面积共增加了107.88 km2,高强度热岛中心1985年为2个,到2000年已增加到3个[56]

表2   中国各城市热岛强度

Table 2  Urban heat island intensity in China

城市时间年均热岛强度/上升率/(℃/10a)参考文献
北京:六环区域内1991—2011年5.73 ~ 9.271.35[47]
上海1961—2013年1.10 ~ 1.330.15 ~ 0.17[48]
重庆2004—2013年1.80 ~ 3.11[49]
重庆1961—2016年0.07[50]
成都2004—2013年3.30 ~ 4.32[49]
郑州2007—2016年0.76 ~ 1.590.50[51]
兰州1960s至2000s0.28[52]
铁岭1980—2009年1.55 ~ 2.15[53]
丹东1980—2009年1.00 ~ 1.45[53]
鞍山1980—2009年0.87 ~ 1.670.18[53]
锦州1980—2009年0.80 ~ 1.65[53]
朝阳1980—2009年0.72 ~ 1.480.18[53]
大连1980—2009年0.57 ~ 1.030.02[53]

注:—表示无数据

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城市化是近年来城市热岛效应增强的重要因素。如林学椿等[57]研究北京城市发展指数与城市热岛效应之间的关系时发现,北京市房屋竣工面积每增加1×106 m2,热岛强度将增加0.043 ℃。兰州、济南、青岛、上海和广州等多个城市的研究均表明,随着城市化进程的加快,城市建成区面积的增加,城市热岛效应也随之加强[48,52,58,59,60]。周雅清等[61]对华北地区255个气象台站1961—2000年的观测数据分析表明,在年平均气温和年平均最低气温上升趋势中,城市化造成的增温分别为0.11 ℃/10a和0.20 ℃/10a,对全部增温的贡献率分别达到39.3%和52.6%。近40年华北地区国家基本、基准站年平均和秋季、冬季平均气温日较差明显下降均由城市化影响造成。戴一枫等[62]对中国东部三大城市群区,即京津唐、长江三角洲和珠江三角洲城市群区的研究表明,1960—2008年,中国东部地区由于城市化造成的气温增暖为0.03 ℃/10a。而改革开放后城市化迅速推进的1979—2008年,由于城市化造成的气温增暖为0.66 ℃/10a。

此外,城市群的形成使得热岛效应问题更加严峻。如京津冀城市群中2个超大城市——北京和天津强热岛区之间的最短空间距离从1994年的94 km逐步缩减到2014年的52 km,面临形成“京津区域热岛群”的可能[63]。长三角地区自2001年以来,夏季热岛区面积不断增长,导致该区域热状况过渡区面积大幅减小。其中苏锡常城市群热岛快速增大,与上海热岛已连成一体成为了大城市群热岛区,并有沿海岸线向杭州湾发展连成更大城市群热岛区的趋势[64]。随着中国城市化的进一步推进,热岛区必然会大面积形成,恶化区域热环境。

3.3 调控措施的局限性

由于城市热环境(温度环境)对居民生存健康和生活舒适性有重大影响,人类开展有关城市热岛问题的研究已经持续了200年,形成了较为成熟的热岛现象观测方法,对热岛现象的特征、成因及其主要影响因素等研究得较多。然而,如何减缓和调节城市热岛现象,尤其是在全球升温的背景下,仍存在挑战。目前减缓热岛效应的方法和措施主要包括:反照着色、城市绿化、城市蓝化(增加景观水体)和城市规划。本质上,这些方法都是基于增加反射率或蒸散量来达到调控效果的[32],然而都存在一定的局限性。

用浅色的建筑和铺装材料,包括浅色屋顶、墙面和路面,增加城市反射率,把太阳的辐射能量反射回去,以减少城市整体的能量收入,达到降温的目的。这种方法在小范围试验场地或单体建筑的应用上降温效果很好,但是在城市整体或较大范围的应用目前还鲜有报道。世界上通过增加城市反射率调节城市热岛效应的应用实例还很少。限制这种技术广泛应用的主要原因有:城市地面和建筑形态的多样性和复杂性,反射的太阳能不一定能回到空间,很大部分被反射到城市的其他建筑物或地方,削弱了效果;很多北方城市冬天增加反射率也许会增加供暖能量的需求。

相比之下,通过增加城市绿地面积来增加蒸散发量的潜热被认为是最经济、最有效的调节城市热岛效应的方式。关于城市绿地的降温效果,世界各地开展了广泛的研究。结果表明,城市公园绿地可以有效降低环境温度,其中白天的降温效果平均可达0.94 ℃[65,66,67,68]。深圳市的研究表明,城市绿地可平均缓解城市热岛强度达到1.57 ℃。由于城市绿地的扩散面积较大,绿地的降温效果通常优于城市景观水[69,70]。绿地率每增加10%,就可降温0.5 ℃,且绿地率越高,气温的波动越弱[71]

树木和森林在改善与调控城市温度环境中发挥着巨大作用,无论是单株树木还是树丛,均有明显的降温效果。但其具体降温效果受树种及其种植方式的影响[72,73,74,75,76]。地表或屋顶低矮植被对热岛调节效应的研究相对乔木较少。有研究表明,草地的表面温度和近地面气温一般低于混凝土或沥青地表[77,78,79]

对绿色屋顶的降温能力与效果的认识并不一致。绝大多数研究表明,绿色屋顶可有效降温,减弱附近区域的热岛效应[80,81]。但亦有一些研究发现,绿色屋顶的降温效果受诸多因素影响,有时反而呈增温效应[82,83]

城市的合理规划、旧城改造或新老城区迁移,能从根本上缓解和改善城市热岛效应。例如:武汉市自2007年后,老城区热岛面积持续减少,而新城区热岛面积则持续增加,呈现出以老城区为中心向新城区扩张的趋势[55]。2000—2008年广州市制定了科学合理的城市规划方案,改造旧城区、完善城区绿地系统、外迁重工业,使得2008年广州城市热岛效应得到明显缓解:建成区内特高温区逐渐消失,高温区大幅减少,二者所占面积比例比2000年下降了近25%[59]。然而对于绝大多数已建成城市,城区改造非一朝一夕可以实现,目前有关热岛调节措施的量化研究还不足以支持城市新建或改造的热环境规划设计。

4 讨 论

当前,中国的城市化正以高消耗的方式快速推进着。快速城市化带来剧烈的生态环境变化,尤其是破坏了自然的水文循环,造成下渗减少、蒸散发减少、径流调蓄空间减少、径流洪峰加大并提前,加剧了生态退化。同时,城市化后密集的人类生产生活活动进一步改变了城市区域的物质循环和能量循环,使城市区域的水量平衡和地表热量平衡受到影响。在全球气候变化的大背景下,上述变化导致一系列水环境问题和热环境问题,其中以城市水资源短缺、水污染和城市热岛为代表,并发生频繁的洪涝和高温热浪等生态灾害。

中国城市目前面临着严重的水量超采、地表和地下水污染等问题。伴随城市化的加速推进,城市缺水问题短期内难以缓解,再生水利用的需求将愈加迫切,然而新兴污染物对城市水安全的影响仍然缺乏足够应对。在气候变化的背景下,快速城市化导致近年来我国城市洪涝灾害频发。城市热岛效应虽然被广泛深入的研究,但是目前的理解水平并不令人满意[84,85]。关于热浪在城市地区的空间分布以及特定的城市结构如何在超区域尺度上影响城市热岛的大小,人们还知之甚少[86]。虽然城市绿地对城市热岛效应有明显的缓解和调节作用已经得到学术界和社会的广泛认可,但是,目前的认识仍然多停留在定性的水平上。大家都知道增加城市植被可以缓解城市热岛效应,但是增加多少植被、如何配置、能达到什么程度的降温效果,还无法定量回答。由于不同城市绿地潜热的量化估算极为困难[87,88],相关研究进展缓慢,如何量化城市植被或水体对城市热岛效应的调节作用仍然是一个挑战。而城市的具体规划设计、建设实施,都需要量化指标才能落实。面对全球升温和城市化带来的叠加效应,上述问题都需要学术界和政府部门的进一步关注。

人类离开乡村进入城市是为了实现更加美好的生活。中国的城市化是人民群众在满足温饱与基本生存需求后对幸福生活的集体追求。然而,中国城市化进程中面临的水环境与热环境恶化、高温热浪和洪涝等城市生态水文灾害频发,都直接威胁到城市人类生存和健康。按照马斯洛的需求层次理论,如果城市中人类的基本需求还存在挑战,实现幸福生活的更高需求就缺乏源动力。因此,生态环境的挑战直接关乎到中国城市化、现代化和可持续发展。

另一方面我们也看到,众多人口涌入城市引起的巨大变化虽然带来种种挑战,也提供了很多机会。因为城市化会提高资源的利用效率、土地利用效率。人口离开农村的土地进入城市,也为广大农村地区的环境恢复和生物多样性的保护提供了机会。城市也提供更可持续化用水的机会,如:通过将污水处理到再次使用的标准,减少对水资源的需求、减轻环境负荷,城市中居住紧凑的人口降低提供供水与卫生等服务的成本等[89]

城市化与气候变化、城市水系统与城市生态系统之间相互作用,关系复杂,传统的水工调控手段已难以解决其中的环境问题。在这种形势下,城市生态水文学逐渐成为解决城市生态环境问题的新的理论支撑。它融合了水文学、生态学、环境科学和城市规划等传统学科的界限,以认识和掌握城市生态水文系统各个组成部分之间的相互作用机理为前提,深入研究城市生态水文系统的功能、过程、格局与反馈特征,量化和调控城市生态系统的结构,开发解决城市生态环境问题的技术和方法。虽然城市生态水文学的研究还刚刚起步,却已迅速成为实现宜居城市环境的桥梁和手段。面对当前中国的生态环境挑战,我们必须遵循水文循环和生态系统的演变规律,认清气候变化背景和城市环境下水文过程和生态过程的相互作用机制,运用城市生态水文学这一新学科的理论支持,才能解决日益严峻的水资源、水环境、热环境和灾害问题,从而提升中国城市化的质量,实现宜居城市。

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