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城市化的概念是西班牙工程师A.Serda在1867年最早提出的，至今已有100多年的历史。而近二十多年来，城市化更是成为国内最引人注意的社会发展主题之一。城市化是一种影响极为深广的社会经济地域变化过程。“城市化”是英文单词Urbanization的中文译法，其传统的认识是人口向城镇集中或非农业人口和非农业用地增加的过程。由于人口向城镇集中或迁移的过程包含了社会、人口、空间、经济多方面的内容，所以不同学科对这一现象和过程的理解和界定有着明显的差异。
人口学家研究城市化主要是观察城市（镇）人口数量的增加变化情况，城市（镇）人口在总人口中所占比例的提高，城市（镇）人口规模的分布及其变动等，并分析产生这种变化的经济、社会原因及后果。
人类学家则以社会规范为中心，认为城市化是人类生活方式的转变过程，即由乡村生活方式转为城市（镇）生活方式的过程。
经济学家通常从经济与城市（镇）的关系出发，强调城市化是从乡村经济向城市经济的转化。
地理学家认为，城市化是居民聚落和经济布局的空间区位的再分布，并呈现出日益集中化的过程。更具体地说，第二、三产业在具备特定地理条件的地域空间集聚，并在此基础上形成消费地域，其他经济、生活用地也相应建立，多种经济用地和生活用地集聚的过程就是城市化的过程。
社会学家以社群网（即人与人之间的关系网）的密度、深度和广度作为研究城市（镇）的对象，强调社会生活方式的主体从乡村向城市（镇）转化。
历史学家则认为城市化就是人类从区域文明向世界文明过渡中的社会经济现象，强调把城市放到整个社会历史进程中去研究，注重在社会各发展阶段促进城市发展的各种因素，以及城市在历史发展中所起到的作用。
生态学家认为，人类是一种高级生物群种，人类生态系统的形成、演化过程就是人类不断寻求最适宜生态位的过程，城市化过程就是城市生态位更加优化于乡村生态位的过程。
上述种种对城市化概念的理解，表明了城市化概念本身的多元性和多学科性。由于研究的角度、目的和领域不同，出现了不同的定义，这也是很正常很自然的事情，能帮助人们更加深层次和全面地理解和研究城市问题。但是，城市化现象反映在社会生产和生活的方方面面，需要把各个学科的认识综合起来，才能够较为全面准确地赋予这一专门术语以特定的内涵。而我国《城市规划基本术语标准》中把城市化定义为人类生产和生活方式由乡村型向城市型转化的历史过程，表现为乡村人口向城市人口转化以及城市不断发展和完善的过程。
城市化过程中城市水系河渠硬化、取直化、闸坝分割化、围水造陆等过度治理措施，使得水系形态和结构改变，水域空间减少，造成水系网络形态萎缩、结构变化和分布格局突变等。
杨凯 [2] 在将感潮地区分为不同水利分区的基础上，研究了城市化对河网水系结构的影响。袁雯 [3] 研究了上海水系结构变化和河网功能的发育受城市化的影响情况。陈云霞 [4] 通过城镇化过程中河网形态结构的变化，分析了觐东南地区河网水系的变化情况，研究表明与1990年相比，2003年中心区河网密度明显减少、河网结构趋于简单。袁雯 [5] 探讨了城市化影响下土地利用类型变化与河流形态、河流防洪功能等河网水系结构变化的关系。黄奕龙 [6] 定量分析了快速城市化对深圳市水系长度、分支比等水系结构指标的影响。赵军 [7] 分析了快速城市化对上海市近60年来河流曲度的影响。王柳艳 [8] 以武澄锡虞区为例，研究了城市化对河网密度、水面率等水系结构特征的影响。蔡娟 [9] 在对太湖流域腹部土地利用类型变化研究的基础上，对城镇化影响下的水系格局及河网调蓄能力变化进行了分析，以期为研究区河网调蓄功能的恢复提供依据。徐光来 [10] 综合应用多种方法对杭嘉湖平原河网区不同阶段水系结构、特征水位等水系特征变化进行了深入探讨。徐光来 [11] 采用河网数量、结构等指标，对杭嘉湖地区近50年水系时空变化进行了研究。杨明楠 [12] 从数量、结构、连通3个方面对杭州中心城区近50年来河网密度、河网稳定度、实际结合度等6个水系变化特征进行了分析。严春军选取河网水域面积等结构指标和连通性功能指标，研究了城镇化对河网水系的特征变化的影响规律。韩龙飞 [13] 在建立长江三角洲河网密度、水面率、盒维数等水系结构指标的基础上，探究了城镇化的快速发展与水系结构之间的响应关系。齐青青 [14] 以郑州市为例，采用变化度方法分析了城市化对河网结构的影响程度。江燕 [15] 在分析南四湖流域土地利用变化的基础上，探讨在近30年城市化影响下流域水系结构的时空变化特征。吴雷 [16] 在采用河网密度、分形维数等指标评价河网水系时空变化特征的基础上，定量分析了不同时期土地利用类型水平与河网密度变化之间的关系。周峰 [17] 研究了城镇化对盐城市区近30年以来对水系结构特征的影响。于丹丹 [18] 在从水系结构的数量、结构、特征方面定量分析了长江荆南三口的河网变化状况，并就其驱动因素进行了探讨。韩龙飞 [19] 以秦淮河中、下游为例，通过20世纪80年代和2009年不同时期的水系分级，探讨了城市化水系结构及其连通性的影响，结果表明河流长度减少了41%，河道主干化趋势明显，河流发育呈现由多元到单一、由复杂到简单的趋势。邓晓军 [20] 对嘉兴市河流水系的时空变化特征及其与城市化的关系进行研究，结果表明，近50年来嘉兴市的河流水系呈现出剧烈衰减的趋势。
河网水系连通是防洪调度、生态环境安全和水资源优化配置的重要基础。在城市化发展过程中，河网水系受人为控制、干扰程度加深，使得原有河网的水生态平衡发生了较大改变。 [21] Pringle [22] 认为河流水文连通具有重要生态功能。Cui [23] 基于图论法定量设计河网在高流量和低流量的两种情况。杨凯 [24] 探讨了城镇化快速发展对感潮河网地区水系结构特征的影响程度。袁雯 [25] 探讨了城市化影响下上海水系格局变化与河网调蓄功能之间的响应关系。杨凯 [26] 对城市化影响下的上海河网水系结构河流分级、水面率等特征展开了研究，预测河网水系的演变趋势，为河流调蓄提供科学依据。陈云霞 [27] 在分析浙东沿海鄞东南地区河网水系结构特征变化的基础上，探究城市化对河网水系格局的影响程度，并预测当前城市化水平下水系格局的变化趋势。赵进勇 [28] 利用图论法概化了河道-滩区系统中的一些因素，同时进行了连通程度的定量分析。徐光来 [29] 采用图论法将太湖流域嘉兴水系概化为图模型，对河网水系连通的定量分析得以实现。罗贤 [30] 通过建立树状河网连通性指数等指标，探究了闸坝等水利工程对水系连通性的影响程度。邵玉龙 [31] 运用图论和GIS研究了苏州市河流水系结构与连通性变化。韩龙飞 [32] 运用结构分析法，探讨了城市化对秦淮河水系结构及其连通性的影响。茹彪 [33] 提出了基于河道自然属性、社会属性的河网结构连通性评价方法。靳梦 [34] 在定性分析城市化对水系连通性影响的基础上，通过建立连通评价指标体系，对河网连通功能的受影响程度进行了定量分析。邵玉龙 [35] 对武澄锡虞区和阳澄淀泖区在城市化下水系结构特征、连通性、防洪能力变化规律及相互关系进行了探讨。王柳艳 [36] 运用图论、GIS技术等手段对武澄锡虞区和阳澄淀泖区的水系结构、连通性变化特征进行了探讨。余铭婧 [37] 在分析鄭奉平原土地利用类型、河网水系的格局、河网连通性及水文特征变化的基础上，研究了城市防洪受人类活动的影响。孟慧芳 [38] 采用水流阻力和水文过程等方法评价了鄞东南平原河网的连通性。孟祥永 [39] 从驱动因素和水力效果两方面构建了研究区范围内的城市河网连通性评价体系。李贤 [40] 通过定义上海浦东水系连通指数RCI，探究了河网水系连通对城市化的响应关系。邓晓军 [41] 以嘉兴市为例定量描述了城市化与河流水系的时空变化之间的关系。陈星 [42] 通过将常熟市燕泾圩河网水系概化为图模型，对比分析了水系规划前与规划后的连通性。金栋 [43] 在提出连通性内涵指标F的基础上，探讨了滇池流域内水利工程对河网结构及功能的影响。夏敏 [44] 在对河网连通性的计算方法、计算公式、主要评价指标进行改进的基础上，评价了巢湖环湖区水系连通性。傅春 [45] 以土地利用变化因素，分析了城市化对南昌市城区水系格局、连通性的影响。周峰 [46] 在分析城市化对河流水系特征的影响的基础上，探究了水系特征变化与河网连通性的响应关系。
河流水文过程直接控制着河流生态系统的形成与演化，是影响河流生态系统重要影响因子。20世纪90年代后期，河流水文过程对河流生态系统的决定性作用得到了越来越多的认识。河流水文过程被看做河流生态系统的重要驱动力，由水流大小、频率、历时、出现时间和变化率5个方面来定量表征，这5个方面决定并影响着河流生态系统的主要方面：河流的物资循环、能量过程、物理栖息地状况和生物的相互作用。城市化导致人口增加、建筑物增多、道路铺装、不透水面积增大、河道整治、排水管网建设等土地利用性质变化，直接改变了地表径流形成的条件，从而对河流的流动、循环、分布，水的物理化学性质以及水与环境的相互关系，产生了各种各样的影响（图1.1）。
图1.1 城市化对河流的影响
最早的城市水文效应研究开始于20世纪60年代，当时欧美发达国家城市迅速扩张，研究的内容主要集中在城市化对洪水峰值流动特征的改变、总径流的改变、水质的改变和水文设施的改变四个方面。目前城市水文效应的研究主要集中在土地利用/覆被变化对河流水文、水质以及河流生态环境等的影响方面。
随着城市化进程加快，社会经济活动强度增大对社会、经济、资源、生态与环境产生重大影响，使城市资源不足、影响工业生产和人民日常生活，产生生态问题，生态系统越来越脆弱，生态物种不断降低，生物物种多样性减少，食物链网状萎缩，结构关系简单化，水循环多元化，水系结构和水文过程不断被破坏，空间减少，地下漏斗地面沉降等。这些问题严重制约城市的发展，严重影响生活环境质量，严重威胁人的生命和财产安全。
水分的蒸发、凝结、降落（降雨）、输送（径流）循环往复的运动过程称为水分循环。天然流域地表具有良好的透水性，雨水降落时，一部分被植物截留蒸发，一部分降落地面填洼，一部分下渗到地下，补给地下水，一部分涵养在地下水位以上的土壤孔隙内，其余部分产生地表径流，汇入受纳水体。据北美洲安大略环境部资料，都市化前，天然流域的蒸发量占降水量的40%，入渗地下水量占50%。都市化后，由于人类活动的影响，天然流域被开发、植被受到破坏，土地利用状况改变，自然景观受到深刻的改造，混凝土建筑、柏油马路、工厂区、商业区、住宅区、运动场、停车场、街道等不透水地面大量增加，使城市水文循环状况发生了变化（图1.2）。降水量增多，但降水渗入地下的部分减少，只占降水量的32%，填洼量减少，蒸发减少为25%，而产生地面径流的部分增大，由地表排入地下水道的地表径流量为43%，这种变化随着城市化的发展、不透水面积率的增大而增大。下垫面不透水面积的百分比越大，其储存水量越小，地面径流越大。
图1.2 城市化地区水文循环过程
Ramachandra [47] 通过研究密苏里州、印第安纳州等地的降水量数据，发现与周边农村相比城市地区降水及与降水相关的活动发生变化。Huff [48] 对圣路易斯降水记录进行分析发现，城市的夏季平均降水量增加了6%～15%，结果表明，热效应是影响城市自然降水分布的最重要因素。Z.Tang [49] 预测了密歇根湖东岸的Muskegon河流域土地利用变化带来的径流改变的后果。王艳君 [50] 探讨了城市化影响下的土地利用变化对秦淮河流域水文情势的影响。秦莉俐 [51] 利用L-THIA模拟临安市苕溪以上流域35年的日雨量资料，得出在同一时期城市用地上所产生的径流深度要大于非城市用地。吴银明 [52] 定量分析了城镇化对径流的长期影响，研究结果表明，随着城市化水平的提高，土地利用性质发生了改变，不透水地面积的增加对径流的形成过程产生很大影响。刘珍环 [53] 以深圳市为研究区，采用遥感技术和L-THIA模型，改进模拟所需的地表覆被参数，模拟不透水表面扩展对城区径流量的影响。高晓薇 [54] 基于深圳1988—2006年长时间序列降水资料，通过SCS模型对该流域降水径流关系进行模拟，对河流受城市化的影响进行了研究。舒媛媛 [55] 以西安市为例，探讨了城市化对降水、径流的影响。李慧 [56] 在分析西安市1970—2015年土地利用类型、降水、径流变化特征的基础上，探讨了城市化对西安市降水及河流水文过程的影响。
城市化后生活、生产、交通运输以及其他服务行业产生对水体排放污染物加重。近年来，虽然通过污染治理减少了城市生产、生活排放物对水体的污染，许多河流水质有了明显的改善，但城市水质的污染问题远没有彻底解决，城市河流的各项污染指标仍远高于非城市河流。此外，城市化发展使得城区不透水面积增大，使城市地表径流的流速、洪峰流量出现频率增加，从而地表径流的侵蚀和搬运能力将相应增强。地表径流冲刷堆积于街道、建筑物上的大量堆积物，会引起新的水体非点源污染（图1.3）。
图1.3 城市化对水环境影响
随着城市化进程对河流水环境影响的显著增加，城市化与河流水环境之间关系的研究逐渐引起国内外学者的广泛关注。
城市在发展过程中会伴随着用水量不断增加，一般认为当径流量利用率超过20%时就会对水环境产生很大影响，超过50%时则会产生严重影响。城市地表径流包含许多污染物质，地表径流是河流水污染的一个重要来源，造成水生生态系统恶化等一系列问题。Rose等 [57] 研究发现，流域基流中溶解物质的浓度随着城市化水平的上升而提高。刘兰岚 [58] 将定性和定量相结合分析了城市化过程中下垫面类型的变化对地面产流能力的影响，及引发的相关环境问题。陈德超 [59] 在河网变迁、河流水质演化规律的基础上，探讨城市化影响下河网变迁与水质演化之间的相关关系。董雅洁 [60] 研究了城市化对广州河流水质的影响。周海丽 [61] 运用回归模型分析深圳城市化与水质之间的变化关系。官宝红 [62] 分析城市化影响下土地利用类型和景观格局与河流水质的关系及其变化对水质的影响。吴晶晶 [63] 以上海市奉贤区为例，对土地利用类型变化与区域河水质的相关性进行分析，发现城市类的用地与水质呈正相关、林草地等用地与水质呈负相关。焦树林 [64] 采用模糊数学方法对贵阳市南明河市区段的水质安全进行综合评价分析。吕志强 [65] 以重庆主城区6条次级河流为研究区域，分析监测断面汇水内不同尺度土地利用结构与水质指标间的相关关系，结果表明土地利用类型对水环境有一定影响。
根据北京市实施的中德合作“城区水资源可持续利用——雨洪控制与地下水回灌”项目中对北京市暴雨径流水质的实测分析，城区初期暴雨径流含有较多污染物，其中屋面径流雨水COD约为300～3000mg/L，SS约为100～2000mg/L，且雨水水质浑浊，色度大。路面雨水径流的水质常受到灰尘、汽车尾气、燃油和润滑油、路面材料及路面磨损的影响，城区路面雨水径流水质与路面在城区中所处的地理位置有关，据北京市水利科学研究所的实测，机动车道上的初期暴雨径流中COD Mn 为22.7mg/L，TP为1.02mg/L，NH 4 -N（以N计）为0.79 mg/L，雨水悬浮物为860mg/L。
城市化改变了河流的水文循环和泥沙的沉积机制，改变了营养物质和化学污染物质的运移机理，对河流生态系统的结构和功能造成重要的影响，这使得研究城市化对河流生态系统的影响更为重要。城市化引起的不透性的增加导致流域内径流形成条件的改变，从而改变流域水文过程，增加流域的暴雨径流，增加流域暴雨径流中的污染物质，破坏野生动物栖息地，改变河流形态和自然景观，甚至对气候变化产生影响。这些变化就会反映在河流生态系统的结构和功能上，进而引起径流的调节作用和维持生态系统生产力的作用发生退化，从而对区域环境产生不利影响。图1.4为城市化对河流生态影响的概念模型图。
图1.4 城市化对河流生态影响的概念模型
随着城市化进程对河流生态系统影响的显著增加，城市化与河流生态系统之间关系的研究逐渐引起国内外学者的广泛关注。国外对城市化与河流生态环境问题研究较早，针对城市化产生的河流水环境污染对河流藻类、大型植物、鱼类、无脊椎动物的影响，各国的学者也作了大量的研究。有关研究表明，河流湖泊的富营养化、泥沙淤积、水温改变、毒素聚集会引起无脊椎动物数量急剧减少，此外，也有研究指出当流域的不透性大于15%或者更小的时候，会对无脊椎动物造成毁灭性的危害。美国俄亥俄州环境保护局建立了一个长期的城市土地利用和河流鱼类数量关系数据库，研究表明：城市用地占流域面积的0～5%时，一些对环境敏感的鱼类消失；在城市用地占流域面积的5%～15%时，栖息地退化，更多鱼类物种消失；当城市用地大于流域面积的15%时，有毒物质的聚集和富营养化导致严重的鱼类灭绝。河流水生态系统的结构和功能是统一的，城市化过程对其的影响往往是使其结构单一化、功能退化，河流生物群落结构一旦遭到破坏，恢复原来的结构可能需要上百年的时间。因此，考虑人类生产生活而充分利用水资源的同时，也应考虑到水环境结构的改变和河流生态系统对水的需求，水循环过程既要考虑大气水、地表水、土壤水和地下水，也应考虑植物需水。
目前对于城市化水文效应的研究方法主要包括流域试验对比法、水文特征参数法和流域水文模拟法。在水文效应研究的早期，大多数研究者采用流域试验对比法对流域水文过程进行模拟。该方法主要是建立试验流域，将未经过城市化影响的与试验区条件相似或者相同的流域作为参考流域，同试验区同时间段的水文要素进行对比，两者输出的差值即为城市化所造成的水文效应。而特征参数法是针对一个流域，选择较长的时间段来反映城市化水文效用的特征参数，主要包括：径流系数、年径流变差系数、径流年内分配不均匀系数和洪水过程线等水文指标，剔除其他因素的影响，从特征参数的变化趋势上评估城市化进程中的水文效应。随着计算机技术的迅速发展，采用流域水文模型的方法来定量模拟、评估、预测城市化所造成的水文效应的影响越来越受到人们的关注。该方法满足流域水量平衡的原理，描述流域降雨径流形成的各种函数关系，构成一种物理结构或概念性结构。目前，科研单位、政府部门已经发展了大量的流域水文模型，目前常用的水文模型见表1.1。
表1.1 常用的水文模型
续表
综上所述，几种研究城市水文效应的方法都存在一定的缺陷，流域实验法适合于较小的流域；水文特征法适合于下垫面土地利用空间差异性较小、性质比较均一的流域；水文模型法需要对流域的水文变化的物理过程有深入的了解。为了克服单一方法的缺点，目前已经有研究开始采用水文模型法与传统的统计学方法相结合、多种水文模型进行耦合、多个水文模型对一个流域进行比对研究等综合方法对城市化的水文效应进行探索。
国外对于生态环境需水的关注始于20世纪40年代，美国渔业和野生动物保护组织为避免河流生态系统退化，规定需保持河流最小的生态需水量。20世纪70年代，关于生态需水的研究蓬蓬勃勃发展起来，许多定量化生态需水计算方法被提出，并为各国政府、联邦州及水管理机构所采纳，要求在进行河流规划、管理时作为明文法律加以遵照执行。90年代，美国在开展了水资源和生态环境相关性研究后，生态需水成为了全球关注的焦点之一。随着国际水文计划等大的项目推进，研究对象开始打破过去局限于所关心的物种或某一单一目标的情景，人们开始考虑维持河流系统完整性的生态需水的需求，以提高对河流生态系统保护的有效性。
在生态需水研究中，有将近50个国家开展了相关研究，有200多种研究方法，大致可归为四大类：水文学法、水力学法、栖息地模拟法和整体分析法。水文学方法，又称作标准设定法或快速评价法，是最简单，最具代表性的一类方法。该类方法主要以长系列的历史监测数据为基础，采用固定流量（年平均或日平均）百分数的形式给出环境流量推荐值，通过这些推荐值来表示维持河流不同生态环境功能的最小环境流量。该方法适合用于设定初级目标和国家性战略决策，至今仍然是应用最为广泛的方法。水力学法一般需要对河流的断面进行实地调查，才能确定有关的水力参数，使得该法操作比较困难，这也是20多年来，该方法一直发展比较缓慢的一个原因。但是，该方法可以为栖息地模拟法和整体法提供研究方法和手段，属于向栖息地模拟法和整体法过渡的方法，终将融合到这两种方法之中。栖息地模拟法强调水文、物理形态和生物信息的有机结合，并产生动态的水文和栖息地时间序列数据，能够用这些数据来验证不同的生态环境用水对目标生物生命周期和聚集习性的影响，最具科学性，但对数据要求较高。整体法从河流生态系统整体出发，根据专家意见综合研究流量、泥沙运输、河床形状与河岸带群落之间的关系，使推荐的河道流量能够同时满足生物保护、栖息地维持、泥沙沉积、污染控制和景观维护等功能。因此，该类方法需要组成包括生态学家、地理学家、水利学家、水文学家等在内的专家队伍。整体研究法的基本原则是保持河流流量的天然性、完整性、季节变化性。将水生生物生存繁衍、生物群落重新分布，河流生态结构破坏对应不同的流量。该类方法强调流域系统的整体性，符合流域综合管理的要求，是生态环境需水计算方法的巨大进步，但该法对数据的要求依然很高。根据对上述方法的评述可知，水文学法简单、方便，但考虑因素单一，准确性较差；水力学法虽然考虑了水力学因素，但所需参数需要实测，不易操作；生境模拟法将其重点放在一些河流生物物种的保护，而没有考虑诸如河流规划以及包括河流两岸在内的整个河流生态系统，由此计算出和推荐的流量范围值，并不符合整个河流的管理要求。表1.2为不同生态需水评价方法的比较。
表1.2 不同生态需水评价方法比较
经分析比较可知，国外尽管在生态环境需水研究方面开展得较早，特别是研制开发了不少实用的定量化方法。但是也缺乏一套系统的、成熟的理论。
国内对河流生态需水计算研究时间尚短，迄今也没有明确一致的意见和公认的计算方法。一般采用的方法有10年最枯月平均流量法，既采用近10年最枯月平均流量或90%保证率河流最枯月平均流量作为河流环境用水，最初用于水利工程建设的环境影响评价。一些水资源专家和学者对生态环境需水的理论和计算方法进行了探讨：刘昌明认为生态环境需水的计算研究应遵循4大平衡原则，既水热平衡、水盐平衡、水沙平衡、区域水量平衡和供需平衡。李丽娟分析河流系统生态需水量的组成和内涵，并针对海滦河流域按基本生态需水、输沙排盐和湖泊洼地生态需水3个部分计算了河流生态需水量；陈敏建等构建了多参数生态需水（最小生态需水、适宜生态需水、洪水期生态需水）体系并分析其内涵，组成了能反映河流生态系统健康的流量等级，并运用该计算方法计算了黄河流域中下游生态需水量。由北京师范大学环境科学研究所杨志峰、崔保山等承担的国家重点基础研究发展规划项目“北方地区最小生态环境需水量研究”，其成果总结于2003年3月出版了专著《生态环境需水量理论、方法与实践》。该书系统阐述了生态环境需水量的概念和特征，对不同生态系统（河道、湖泊、湿地、旱地植被等）的生态需水计算方法进行了研究和探索，并在此基础上对黄淮海地区生态环境需水量进行了研究。
由于社会经济的快速发展，使得社会经济对水资源的需求与日俱增，并且对水资源的索取与破坏也在增加，导致与生态用水的矛盾日渐突出，出现了河流断流、水环境恶化、湿地萎缩等诸多生态问题，我国制定了诸多生态环境需水相关导则或指南，见表1.3。
表1.3 我国生态环境需水相关导则或指南
随后，相关学者提出天然水文情势在维持河流生物多样性和生态系统完整性方面具有重要的作用。河流在不同的流量模式包括极端低流量、低流量、高脉冲流量、小洪水、大洪水等对于生态系统要素生物多样性、栖息地环境、河道洪泛区的形态具有不同的作用。尽管我国在河流生态需水研究中取得了很大的进步，但目前中国河流的环境水流研究仍存在以下一些问题，主要归纳为以下几个方面：
（1）加强交叉学科理论发展。河流生态环境涉及水文学、水力学、生态学以及景观学等众多学科，各学科之间的理论都与河流生态密不可分，但现阶段我国河流生态环境需水研究的发展还不足以支撑全面考虑满足多种因素生态需水的要求，因此迫切希望能够通过交叉学科之间的渗透，完善制定河流生态需水相关理论，实现河流生态环境需水的全面可持续发展。
（2）时空尺度协调问题。由于不同时空尺度下的生态环境需水规律可能存在差异，因此在生态环境需水实践管理中，如何科学合理地实现不同时空尺度之间的转换，制定适宜的水资源利用方案，并实现与水资源调度及规划之间的耦合，是一个亟待解决的关键科学问题。
（3）未考虑气候对水文过程的影响及生物自身的适应能力。生态环境流量不仅受到人类活动干扰的影响，同时也受到气候变化的影响，虽然现阶段的生态环境需水研究已经意识到气候变化对生态环境流量产生一定的影响，但研究还不够深入全面，一般认为自然水文情势自身的演变对生物有一定的正面意义，完全按照历史资料配水也不是保证河流生态系统健康完整的最佳解决方案，正确衡量气候及水文过程的自然演变及生物自身耐受程度的影响才是科学制定河湖生态环境需水的有效策略。
（4）生态资料数据库的建立。由于我国基础设施建设落后，缺乏必要的生态监测资料，生态基流的计算大多依托于水文数据，生态物种监测资料是确定生态目标的前提，也是科学合理计算生态基流的基础，因此创建生态资料数据共享库是摆脱生态需水方法限制的前提，也是推动国内生态需水研究发展关键的一步。
城市河流生态水文综合调控的最终目标是实现水资源和土地资源在河流生态系统和社会经济系统之间的合理和优化配置，最大限度地发挥水、土资源的生态环境效益和社会经济效益，提高水、土资源的利用效率，维系城市河流水安全和生态安全，最终实现区域经济社会的可持续发展。由于城市河流生态演替与流域水循环关系密切，且受到流域尺度上的人类活动的影响，因此，应该从流域尺度开展河流生态水文综合调控的研究。
在城市化进程中，人类用水挤占河流生态用水，城市建筑用地挤占河流生态用地，导致河流生态用水急剧减少，甚至断流，污染加剧，河道萎缩甚至消失，河流水生生物锐减甚至完全消失，由此可见，河流生态用水减少是导致河流生态系统退化主导因素。王永洁 [66] 通过对扎龙湿地影响芦苇生长因子的分析，得出缺水是芦苇退化的重要因素，并且开展了扎龙湿地生态补水研究。同时张立杰 [67] 在研究扎龙湿地现状的基础上，采用水量平衡方法确定了扎龙湿地生态需水量。刘越 [68] 在分析白洋淀湿地生态适宜水位的基础上，从补水量和补水时间两个方面确定了白洋淀湿地的补水方案。我国白洋淀湿地自1981年便开始实施生态补水工程，2000 年以后，补水规模逐渐增加，2001 年至2011年前后11次，累计补水9.189×108m 3 。此外，近年来我国曾先后实施了扎龙湿地、居延海、南四湖、台特玛湖、乌梁素海等多个湿地和湖泊的生态补水工程。郑州市在河流生态治理与修复过程中，通过从上游水库和黄河引水，补充城市河道生态用水，随着南水北调工程通水，河流补水规模逐渐增加，生态水系的“防洪除涝、环境保护、生态宜居、引黄灌溉”等四大主题功能逐步发挥效益。生态补水工程的实施，需要考虑供水水源情况、沿途水量损失、河流水文情势、水生生物对生境的需求等多种因素，是一个涉及水源、供水线路、河流系统复杂网络，如何建立区域生态安全和水安全预警系统和应急预案，进而从根本上解决河流生态安全调控目前存在的问题，实现水资源在社会经济系统和河流生态系统之间的优化配置，仍是需要进一步研究并加以解决的关键问题。
城市水资源调度是在可持续利用思想的指导下，遵循城市水文循环的自然规律与人工循环的经济规律，通过工程措施和非工程措施，借助于先进的决策理论和计算机技术，统一调配地表水、地下水、中水、外流域调水、收集到的雨水、微咸水水源，将不同的水源按照用水户对水质与水量的需求进行科学合理的分配。提高水资源的利用效率，实现城市水资源的可持续利用，促进城市区域的社会、经济、生态环境的协调发展。
国外对水资源调度研究始于20世纪60年代初期，70年代以来，随着数学规划方法的发展及其在水资源领域的应用，水资源调度研究成果逐渐增多，80年代后期，随着水资源研究中新技术的不断出现和水资源量与质统一管理理论研究的不断深入，其研究从单纯的水配置发展到水量、水质统一配置模型研究，从追求流域经济最优到追求流域总体效益最优为目标的合理配置研究，更加重视生态环境与社会经济的协调发展。尤其是决策支持技术、模拟优化技术等方法的应用，使得水资源量与质管理方法的研究产生了更大活力。为此，国外学者建立了一些管理模型，针对一些地区水资源量与质统一管理的特殊问题进行了研究。Carlos Percia等 [69] 以经济效益最大为目标，建立了以色列南部Eilat地区的污水、地表水、地下水等多种水源的管理模型，模型中考虑了不同用水部门对水质的不同要求。国内对水质性缺水及水量水质联合配置研究较少，在配置过程考虑水质影响主要体现在分质供水方面，以水质作为约束条件来进行水资源优化配置。王好芳 [70] 提出基于量与质的多目标配置模型，在水资源配置中嵌套了水质分析模型，为了使有限的水资源更为有效地发挥其使用价值，在其合理配置时应充分考虑水资源的水质，使不同水质的水资源尽量满足不同行业或用户的生产、生活需要。孙宗凤 [71] 建立了河网非稳态水质模型与河网水量模型耦合的水质水量调度模型，利用此模型评价了所设计的不同水量调度方案对于连云港市区河网水质改善的状况，从而为水资源有效调度提供了参考。刘静玲 [72] 等研究了北京北环水系水质水量联合调度技术和调度模型，并建立了优化调度决策支持系统和三维仿真系统。张守平 [73] 提出流域/区域水量水质联合配置理论，构建水量水质联合配置模型，改进“三次平衡”思想建立水量水质联合配置决策思路，并以渭河流域为例，给出了规划年涵盖点源和非点源污染综合治理的水量水质联合配置方案。基于可持续协调发展的水资源优化配置，应考虑水资源系统中供需双方“质”的供与需的特性，将水质量化，水质水量同时参与优化配置，充分实现水资源的高质高用、低质低用，分质供水。实现水质水量统一合理的配置，必将有利于水环境与生态的改善和保护，最终实现水资源开发利用的良性循环。
城市生态水系建设是在城市生态建设过程中提出并日益受到重视的一个生态问题，其建设研究贯穿于城市生态建设的全过程中。水生态系统在生态城市的规划建设中起着举足轻重的作用。近年来国内外非常重视城市生态建设，但其研究和实践一般仅将城市水生态系统中的“水”作为自然资源的一项因子参与总体分析，而未重视其对城市可持续发展的支撑和制约作用。
在城市生态水系建设方面，国外技术手段先进，其研究成果的理论性和科学性均达到了一定水平。目前，日、美、德、瑞士等西方发达国家现已进入了生态水利的高级阶段，其河流建设管理理念是：尊重河流系统的自然规律，进行河流回归自然的改造，注重河流自然生态和自然环境的恢复和保护。
美国在20世纪70年代以后经历了河流水资源管理模式的转换，与自然相协调的可持续的河流管理理念得以确立。目前，美国各州推行的流域保护战略，不仅重视污染源控制，而且重视河流整体生态功能的恢复，同时强调政府各部门之间的合作分工以及成果共享等。
日本在20世纪90年代提出了面向21世纪的河流治理方略，目标是建成一个具有健康富裕的、生活条件与美丽自然环境相协调的、富有活力的社会。1997年对《河川法》进行了大幅修改，在原来河流建设管理两大目标治水和利水基础上，增加了环境目标。在河道建设方面，对“多自然型河流治理法”进行了大量的研究，强调用生态工程方法治理河流环境、恢复水质、维护景观多样性和生物多样性；日本自20世纪90年代初就实施了“创造多自然型河川计划”，仅在1991年全国就有600多处试验工程兴建，开始推行多自然型河道建设方法。
欧洲的德、法、瑞士等国，出于对工业革命以来大肆破坏河流生态、污染河流水质的反省，十分重视对河流系统的生态恢复和保护。瑞士、德国等国家于20世纪80年代末提出了“亲近自然河流”概念和“自然型护岸”技术，如阿勒河、塞纳河、多瑙河、莱茵河等都采用了生态河道修复技术。
20世纪90年代以来，我国开始重视对城市生态环境整治建设。成都市府南河的整治，集防洪、排水、交通、绿化、生态、文化于一体，提供了具有借鉴价值的城市河流治理建设模式，是目前国内最大的生态环境治理工程，该工程分别获得“人居奖”“地方政府首创奖”“改善居住环境最佳范例奖”等。北京市1998年开始以建设“水清、流畅、岸绿、通航”的现代城市水系为目标，对城市水系如北护城河、转河、亮马河、清河以及清洋河等进行了大规模的综合整治，使城市水环境得到明显改善。桂林市从1996年到2005年，以市区的湖泊生态修复为主，花了大概10年时间，从2006年起又进行了全面生态修复的建设规划，准备用5年的时间进行全面的修复，目前整个桂林市城市湖泊和河流生态修复工作相互衔接，相互促成，整个四江四湖的连接工程已基本完成。武汉市从2002年提出了六湖连通，使水景观与城市交融，提升城市的品质与景观。其目标是要实现“江湖互济”，长江水和内湖的水连起来，将武汉市形成江湖港渠为主要组成部分的庞大水网。苏州市在城市建设中，保持了三纵三横加一环的河网水系及小桥流水的水城特色，保持了路河平行的基本格局和景观。我市2006年提出了郑州市生态水系规划，按照“水通水清、健康安全、生态环保、人水和谐”的理念，规划了郑州市周边6纵6横12条河渠、7中5小12座水库、3个湖泊、两块湿地，目前已经实现了水通水清目标的初步。这些城市通过对城市河道的整治，形成城市的生态轴，极大地改善了城市环境，产生了良好的生态效益和社会效益，同时这些成功治理经验为其他城市河流的治理建设模式提供了借鉴意义。
我国由于城市河流长期污染严重，在污染控制和供水水源保障方面较为重视。但在修建水利工程同时往往忽视了其对河流生态系统的负面作用，造成河流水土流动不畅，混凝土裸露，沿岸景观单调乏味，生态系统退化等。尽管我国在生态水系建设方面近些年来做了大量工作，包括理论方法探索和实践方面，然而与国外发达国家相比仍存在较大差距。
综上所述，目前国内外对城市水生态系统的研究还很不完善，主要问题包括：①未形成系统的城市水生态系统研究体系；②缺乏自然-人类-水体相协调的水生态系统建设模式；③对城市水生态系统建设的实质内容界定不清；④城市水生态建设理论基础缺乏，实施中盲目性较大，效果不理想；⑤普遍存在重建设、轻管理、重工程，轻视科学调度运用的问题；⑥尚未达到按质分水调度及多水源协调配置。随着人们对城市水生态系统作用的日益重视，我们需要更加全面、系统的理论体系，在完善理论研究基础上，以指导城市生态水系规划建设工作。
城市化对河流生态系统的结构和功能的影响不仅涉及水文过程，还涉及各类物理化学物质在区域或水体中的运移转化，研究涉及许多物理、化学和生物过程，而且城市化的生态环境效应具有明显的区域性，影响因素多样，相互作用机理亦较复杂。当前城市河流生态水文相互作用机制以及生态水文综合调控措施等方面的研究已取得诸多进展，但在以下几个方面尚有待进一步研究。
（1）基于景观尺度城市河流生态水文作用机制。尺度问题是河流生态水文作用机制识别研究中的重点和难点问题，河流生态系统在群落和景观尺度上的生态过程与河流水文过程的空间尺度匹配性较好，通过分析这一尺度下的河流生态水文过程及其耦合作用机制，有助于理解更大尺度上的生态水文过程及其相互作用，同时能够较好地满足日益迫切的河流保护和恢复的实践需求，因此，在景观尺度上识别河流生态水文耦合作用机制，是未来河流生态系统保护研究的重要发展方向之一。
（2）在流域尺度上研究河流生态保护和恢复问题。城市河流系统很大程度上受流域水循环的支配，对河流水文过程有重要影响，区域（流域）尺度上的生活、生产用水与河流生态用水存在竞争关系，而水又是控制河流演变的最重要因子，因此，需要从流域尺度开展河流的保护和恢复研究，这一点目前已经得到多数学者的认可。在河流生态保护和修复研究中，如何将流域水循环过程与河流水文过程有机结合起来，并在此基础上揭示城市化进程对河流演变的影响机制，最终实现河流生态保护和修复，仍是未来的发展方向之一。
（3）城市河流生态水文综合调控效果后评价。生态水文综合调控是实现城市河流生态保护和恢复目标的根本途径，通过采取生态补水以及水系优化调度等调控措施的实施对河流水文过程和生态过程均会产生影响，当前城市河流生态水文综合调控措施的研究过程多关注“量的调控”，较少关注“过程调控”，对调控方案实施后效果的评价研究的也比较少，此外，对河流系统生物以及人类健康影响方面缺乏长期的、系统的监测，造成了当前的研究还停留在对现象进行定性或者半定量化描述的阶段，并未从城市化产生的机理方面深入定量分析其对河流生态系统的影响，在未来的研究中这些方面都有待加强。
综上所述，选择城市化快速发展地区中原经济区典型城市郑州市为研究区域，以城市河流为研究对象，运用现代数值模拟方法和先进的水文气象、水生生物、卫星遥感等监测手段，开展城市化影响下的城市河流生态水文演变机理以及生态水文综合调控对策研究，对于城市河流生态保护和修复具有重要的科学意义和实践价值。