The Public Water Supply Protection Value of Forests: A Watershed-Scale Ecosystem Services Analysis Based upon Total Organic Carbon

We developed a cost-based methodology to assess the value of forested watersheds to improve water quality in public water supplies. The developed methodology is applicable to other source watersheds to determine ecosystem services for water quality. We assess the value of forest land for source water mitigation of total organic carbon (TOC) through the use of linked watershed and reservoir simulation models and cost-based valuation economics. Watershed modeling results indicated that expected urbanization will increase TOC loads to Converse Reservoir (Mobile, AL). Reservoir model results indicated that future median TOC concentrations increased by 1.1 mg·L-1 between 1992 and 2020 at the source water intake. Depending upon dynamic reservoir TOC concentrations, additional drinking water treatment with powdered activated carbon (PAC) often is necessary between May and October to comply with Safe Drinking Water Act regulations. The cost for additional treatment was calculated using minimum and maximum volume treated with simulated TOC concentrations at the source water intake. Daily simulated TOC concentrations for the base scenario using 1992 land cover (3% urban) were compared with simulated TOC concentrations following forest to urban land conversion predicted in the watershed by 2020 (22% urban). The daily cost for additional drinking water treatment with PAC was calculated if simulated TOC concentrations exceeded 2.7 mg·L-1. The mean increase in daily treatment costs between base and future scenarios ranged from $91 to $95 per km2 per day for forest land water purification ecosystem services.

北京市主城区高分辨率的城市水碳通量模拟研究

城市化通过影响地表蒸散发(ET)过程改变了区域水热平衡等水文和生态过程,进而改变了陆地生态系统的结构与功能。为科学评估城市水碳过程,基于哨兵二号卫星数据的植被信息,估算了2016—2021年逐月北京市主城区10 m×10 m空间分辨率的植被指数,进一步结合PT-JPLim四源蒸散发模型、InVEST模型以及解析型生态系统水分利用效率(WUE)模型,模拟了2016—2021年北京市主城区10 m×10 m空间分辨率的蒸散发、蒸散发分量(植被蒸腾E t、土壤蒸发E b、截留蒸发E i和不透水面蒸发E u)、总初级生产力(GPP)、碳储量以及WUE的月值,并分析了其相关关系。植被指数较大值集中在西部山区,其次为北京市的公园区域,归一化植被指数NDVI最大值为0.65。主城区多年平均蒸散发量为497 mm,ET随着叶面积植被指数LAI和增强植被指数EVI的增加而增加。2016—2021年期间,NDVI、LAI和EVI分别以每年0.0048、0.016 m^(2)·m-2和0.0047的速度增加。区域平均E t为141.51 mm,E i为50.77 mm,E b为272 mm,不透水面上的E u ET为18.2%。碳储量较高的区域主要分布在西部山区,该区域海拔相对较高,植被覆盖率较高,总碳储量密度高值超过5 t hm^(2)。研究区GPP的平均值为2.7 g·m^(-2)·d^(-1),多年平均WUE为0.63 g·mm^(-1)。WUE和E t ET呈显著负相关(R=-0.44,p<0.001),WUE随GPP的增加呈现显著的上升趋势。精细化的城市水碳模拟能够为海绵城市的建设和评估提供理论基础,对“双碳”目标的实现具有重要意义。

海绵城市理念对城市生态系统的影响研究

随着城镇化进程的加速,城市生态系统面临前所未有的挑战。本文以海绵城市的理论框架为切入点,详细探讨了海绵城市建设的核心技术和方法,并深入研究海绵城市在住宅区的应用及其对城市生态系统的影响和可持续发展的促进作用。通过对案例的深入分析,揭示了海绵城市建设在优化城市水文循环、减少环境污染、提升生物多样性等方面的显著成效。研究结果显示,海绵城市建设能有效提升城市的排水和防洪能力,同时改善城市生态环境和居民的生活质量。

重污染滞留黑臭水体治理技术研究

目前城市黑臭水体问题日益严重,因此以改善水环境质量为核心实施黑臭河道、水体综合治理的科技需求明显。本研究以浣纱湖黑臭治理为例,探索了黑臭水体集成治理技术。结果表明,浣纱湖经过治理后水体COD、TP、氨氮、DO等主要指标达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)的Ⅲ类水质标准,水体的透明度达到1.2 m,水体的颜色恢复正常,黑臭消除,景观效果增强,达到黑臭水体长效治理的目的。

南宁市南湖水质改善与水生态修复策略研究

城市湖泊是生态系统的重要组成部分,由于受人类活动干扰及外源、内源污染物输入等影响,其水生态系统退化,水环境质量恶化。通过对典型城市湖泊——南宁市南湖进行溢流口强化处理与生态净化、污水口设施改造、补水口水质优化、底泥清淤疏浚及水生态系统构建等,使湖区水质提升至地表水Ⅳ类标准,水体透明度提高到1.80m以上。水生态系统构建是南湖水质改善与水生态修复的核心,通过湖底生境营造,沉水植物群落构建,浮游动物、底栖动物及鱼类投放等,使“藻型”浑水态湖泊生态系统转变为以沉水植物为主的“草型”清水态湖泊生态系统,恢复了水生态系统完整性,水体营养状态由中度富营养转变为中营养,这对国内其他城市湖泊水质改善与水生态修复具有重要借鉴意义。

城镇河道综合整治研究

随着城镇化建设步伐的加快,河道环境质量亟须改造升级,以提高城市美感与品质。文章调查了城镇河道内水系的现状,针对问题提出综合治理思路—政企联合推进河道治理、水系连通、生态驳岸、生态修复、水生动植物景观、运维管理等,旨在持续改善水环境条件,实现净化率高、自动循环调控的目标,为类似古镇河道水系治理提供借鉴。

基于城市水生态系统健康的生态承载力理论探讨和评价研究

城市水生态系统是城市生态系统的主要组成部分和关键因素。通过城市水生态系统与人体自身健康机制的类比分析,将基于城市水生态系统健康的生态承载力定义为在一定社会经济条件下,城市水生态系统维持其服务功能(供水、防洪、生物保护、景观娱乐等)及自身健康的潜在能力。提出了“基于城市水生态系统健康的生态承载力-压力量化模型”,并根据理论模型设计了计算模型。用承载力与压力所确定的城市水生态系统健康指数,描述了城市水生态系统的健康状态。以郑州市为例,分别计算了该市1995—2004年城市水生态系统承载力及其压力,并得出相应的城市水生态系统健康指数。结果表明,城市水生态系统承载力处于逐年上升趋势,但存在波动;健康指数亦逐步增加,对应健康状态为“病态—亚健康—健康”状态,特别是1998年后该地城市水生态系统健康状况有明显好转。

流域城市化对湿地生态系统的影响研究进展

城市化是人类社会发展的必然趋势和现代化的必经阶段,同时城市化也对区域湿地生态系统产生重要影响。从城市化的水文效应、城市化对水环境的影响和城市化产生的气候变化对湿地生态系统影响3方面综述了城市化对湿地生态系统结构和功能影响的研究进展。城市化引起流域内人口增加,通常伴随商业和工业活动的增加,这些活动需要更多的城市土地,从而导致流域内不透性增加,这给流域内湿地生态系统造成了重要的影响,表现为:①城市化所及地区的产汇流过程发生显著变化,导致湿地径流的调节作用和维持生态系统生产力的作用发生退化;②城市地表径流中含有大量的污染物质,致使对湿地水环境、水生生物、野生动物栖息地都产生了重要的影响,并污染城市饮用水水源,危及人类健康;③城市化导致流域气候变化,影响湿地水文、生物地球化学过程、植物群落及湿地生态功能等。最后,指出了国内外城市化对湿地生态系统影响研究的不足之处,对国内外的研究趋势进行展望,并对国内的研究提出了几点建议。

淮河流域蚌埠城市水生态系统服务价值评估

根据淮河流域城市水生态系统服务特点,将蚌埠城市水生态系统服务划分为直接使用价值和间接使用价值2大类11个小类,同时建立了一套价值评估指标体系,对2003年蚌埠城市水生态系统服务功能的经济价值进行了评估。结果表明,2003年蚌埠城市水生态系统服务功能的总价值为6.34亿元,占当年城市国内生产总值(109.5亿元)的5.79%,其中航运功能及水资源调蓄功能的价值较高,水质净化功能的价值仅占总价值的0.24%,但该部分价值对维持城市水生态系统健康和其它功能的正常发挥具有积极的支撑作用,对改善城市水环境具有重要意义。

城市生态系统水资源利用的系统动力学分析

建立了城市生态系统水资源利用的系统动力学模型,分析了城市生态系统水资源利用与城市经济发展、污染物排放等衡量指标之间的关系。以抚顺市为例,设计了城市生态系统水资源利用的4种模式,预测并分析了该市2011-2020年生态系统水资源的利用情况。研究结果表明:城市生态系统水资源由水资源、人口、经济和生态环境4个子系统组成;在4种模式中,综合发展模式能够较大幅度地提高抚顺市水资源利用率;在该模式下,抚顺市到2020年水资源平衡因子达到1.042 2,总人口为2 160 830人,二产GDP达到1.234 6×1011元,COD排放量达到31 308t。

变化环境下城市水文学的发展与挑战——I.城市水文效应

全球气候变化和快速城市化导致的城市水循环过程变化是当前城市水文学研究的热点问题。为综合理解城市水循环演变过程,结合城市水文学的发展历程,剖析水循环过程对快速城市化进程的响应机制。总结了国内外城市化水文效应的主要成果,包括城市化对水循环过程、洪涝灾害、水生态系统以及水资源的影响。系统归纳了城市化水文效应的评估方法和技术手段。针对现有研究中的不足,指出变化环境下城市化水文效应研究面临的主要挑战及关键技术难题,提出未来研究的重点方向,如城市化降水效应的机理、不透水面的分布及有效性评估、城市化与水生态系统的响应关系与综合城市水资源管理及需水预测等。

基于生态服务功能的城市公园水体景观营造方法探讨

城市公园水体景观作为城市绿色空间基础设施,具有游憩、观赏、亲水等实用功能;同时作为湿地的一种类型,亦具有重要的生态服务功能。通过分析水体景观在城市公园规划建设中存在的问题,提出以"自然为师",在力求景观健康的同时,应结合水体的景观协调功能、净水功能、生物保育功能、休闲娱乐及碳汇功能等生态系统服务功能,综合打造城市公园健康水体景观。

城市湖泊富营养化成因和特征

城市湖泊的功能主要体现在旅游、如愿、洪涝调蓄排水、调节气候以及改善城市生态环境等方面。根据湖泊所处地理位置和湖泊水质退化现象,阐述了城市湖泊水体从贫营养到富营养转变的主要原因;从水质的理化指标、底质污染物含量和水生态系统等方面初步时论了城市型浅水湖泊富营养化的特征。同非城市湖泊相比:大部分城市湖泊的水体透明度下降,污染严重的湖泊还会出现水体发黑或出现水华;水质和底质的氮磷及其它污染物含量较高,水生态系统急剧退化,水生植物以浮游植物为主,藻类大量繁殖,高等水生植物不断消亡。根据综合营养度指数对我国主要城市湖泊进行分级评价的结果表明,我国城市湖泊均达到了富营养化或严重富营养化程度。

基于水鸟栖息地保育的城市滨水生境网络构建与优化策略:以昆山市为例

城市生物多样性作为评判城市自然系统健康与否的重要指标之一,日益受到学界与业界的关注。从水鸟栖息地、滨水生境网络、生物多样性支持服务提升的角度切入,探讨城市自然系统整体规划的新思路与途径。以江苏省昆山市为例,通过文献爬梳与野外调研,归纳并识别建成环境中影响水鸟生存的关键因素,构建昆山市滨水水鸟栖息生境适宜性评价指标体系,运用ArcGIS软件对现状滨水生境进行适宜性分析的空间制图,构建昆山滨水生境网络并提出水鸟栖息地营造要点。研究提出以水鸟为指示物种的滨水生境网络构建的三大要点:1)识别生境源地,并加强对重要生境源地的保育;2)利用连通度高、水面率高的适宜空间构建滨水生境廊道;3)增加“踏脚石”战略点,完善中心城区水鸟栖息生境功能性连通。旨在为建成环境规划设计中的生物多样性保育工作提供理论依据、评价标准及技术支撑,以生境网络为依托构建辩证的人–水–鸟的健康关系。

基于水生态系统服务综合效能提升的城市河流生态修复研究

针对城市双修背景下河流生态修复工作存在的3大误区与困境,通过荟萃分析的文献定量研究,厘清了城市河流修复的生态效应,指出河流生态修复对水生态系统服务有着积极的提升作用,丰富物种多样性,增加物种数量与分布密度,对调节性生态系统服务有显著的正面影响。研究构建了城市河流生态修复方面,水生态系统服务综合效能提升的概念模型,包括以水质净化为基础、生境多样性为核心、文化性服务为关键的3个方面。

运用生态经济系统思想，开展城市水环境污染的综合整治

本文运用生态经济系统思想有计划、有步骤地解决水环境问题，针对当前城市水质受污染的状况和趋势，找出城市水污染的主要原因，并对城市水环境污染进行经济分析及采取的经济对策，根据城市污水总量污染趋势预测，提出了防治措施．同时，在解决水环境问题时，重视环境效益、经济效益和社会效益的统一。

城市生态系统承载理论探索与实证——以长江三角洲为例

为深入地探讨城市生态系统内部各要素的相互作用关系,将自然生态系统承载力理论扩展到城市生态系统,提出城市生态系统的承载机制概念。分别从微观作用与宏观表现两个角度提出承载机制模型,即承载递阶模型与水桶模型,初步构建了承载理论框架。在承载理论指导下,采用层次结构模型建立了承载机制评价指标体系,提出承载机制定量评估模型,由此可计算出城市生态系统承载指数,该指数是研究资源支持系统、环境约束系统与社会经济活动三者协调性以及城市生态环境对社会经济活动供容能力的重要判据。最后对长三角具有代表性的8个城市进行了实证研究。结果表明:长三角8个^城市的综合承载指数排序依次为:上海、南京、无锡、宁波、杭州、苏州、常州、扬州。

中国城镇化发育的淡水资源基础

城市化是一个人类社会活动及生产要素从农村地区向城市地区转移的过程。其结果,现代城市成为了人类社会的生活、生产、消费和污染集聚之地。淡水是城镇化发育的生命之源。根据生态系统法则的演绎,城镇发育的淡水资源消费或使用是通过直接、间接和诱发三种方式来实现的。更为重要的是,现代城镇发育的淡水资源消费或使用是按照直接<间接<诱发的格局排列,从而构成了与自然生态系统和农村生态系统完全相佐的倒"金字塔"型结构特征。在这种倒"金字塔"型消费或使用结构的作用下,现代城镇发育的淡水资源基础不仅在于城镇所在区域,而且也在于整个国家、乃至全球。

城市水系生态多尺度评估与调控方法

水系不断退化,水资源供给、水源涵养、雨洪调蓄等生态系统服务功能不断降低,制约了水资源高效利用、水环境质量改善以及水生态服务功能提升。维护好城市水生态健康,是我国生态环境保护与修复的重点任务,也是加快推进水生态文明建设、保障国家水安全和生态安全的重要支撑。从水系的雨洪调蓄功能角度切入,提出一种多尺度水生态评估与布局调控方法。在宏观层面,从时空尺度评估水系生态完整性及各水体的雨洪调蓄潜力,提出相应的布局调控策略。在微观层面,营建系统性海绵设施,提升水系雨洪调蓄容量,促进水环境、水生态、水安全效益提升。武汉市水系生态评估与调控验证了该方法的有效性和实用性。

城市景观水生态修复方法研究进展与发展趋势

城市景观水在维持城市的生态环境中占有重要地位。但由于经济利益的驱动,使人们赖以生存的水环境发生了恶化。随着人们生态意识的觉醒,针对水环境治理产生了许多修复方法。城市中景观水生态修复应具有降解污染、提高水环境质量、生态、环保、经济等特点。国内外景观水生态修复方法主要有物理法、化学法、生物/生态法。生物修复法是城市景观水建设与发展的目标。