梅 超,劉家宏,2,王 浩,2,王 佳,羅佳杭 ,汪芝辰

(1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038； 2.水利部水資源與水生態(tài)工程技術(shù)研究中心,北京 100044)

全球約60%的人口居住在城市,預(yù)計(jì)到2050年,該比率將達(dá)70%以上[1]。1978年以來的40余年,我國城市化率從約18%增加到約60%,未來一段時(shí)期將隨著新型城鎮(zhèn)化而快速上升[2]。城市化率提升通常意味著不透水面的增加,遙感監(jiān)測發(fā)現(xiàn),2010年全球城市不透水面面積約為45.26萬km2,占全球城市用地的60.01%[3]；模擬預(yù)測表明,未來一段時(shí)期,全球城市用地面積仍將大幅增長,大部分城市用地?cái)U(kuò)張發(fā)生在農(nóng)田(50%～63%)和森林(30%～44%)上,地球表面將持續(xù)“硬化”[4]。從地表形態(tài)的角度而言,城市化就是下墊面從“天然態(tài)”向“人工態(tài)”轉(zhuǎn)變的過程,在此過程中,不透水面急劇增加且空間分布變得“犬牙交錯(cuò)”,房屋和道路等建筑重塑了地表形態(tài)格局并形成大量微地形[5-6]。眾多研究表明,在快速城鎮(zhèn)化背景下,城市下墊面空間特征變得日益復(fù)雜,并對城市地表產(chǎn)匯流過程產(chǎn)生了重要影響[7-8]。

快速城市化帶來的城市水文效應(yīng)給城市水循環(huán)帶來了深刻影響,特別是在城市洪澇、微氣候與人居環(huán)境等方面的影響,已引起廣泛關(guān)注[9-10]。國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在不透水率變化對徑流的影響[11]、洪澇特性對快速城市化的響應(yīng)[12]、透水面與不透水面空間分布關(guān)系對徑流過程的影響[13]等方面。隨著城市化水文響應(yīng)機(jī)理研究的深入,研究主題從關(guān)注下墊面的“量”向關(guān)注“質(zhì)”轉(zhuǎn)變、從聚焦不透水率增長到深入不透水面的結(jié)構(gòu)性特征轉(zhuǎn)變[14-15]。在研究手段方面,相關(guān)研究從單一的歷史數(shù)據(jù)對比分析向情景模擬、數(shù)值實(shí)驗(yàn)以及與人工智能算法相結(jié)合等方面轉(zhuǎn)變[16-17]。文獻(xiàn)分析表明,城市下墊面空間特征對地表產(chǎn)匯流過程的影響機(jī)理解析,不僅是城市水文學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的重難點(diǎn),而且是變化環(huán)境下城市水管理關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

已有的大量研究為支撐城市下墊面復(fù)雜空間特征對地表產(chǎn)匯流過程的影響機(jī)理解析打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),為更深入地總結(jié)研究進(jìn)展,本文對相關(guān)研究進(jìn)行了梳理,以期為快速城市化下城市水文效應(yīng)解析和城市洪澇災(zāi)害應(yīng)對提供進(jìn)一步參考。需要說明的是,城市下墊面空間特征的復(fù)雜變化對區(qū)域水循環(huán)全過程都有一定影響,如降水、蒸發(fā)、下滲和坡面匯流等,涉及城市水循環(huán)的各環(huán)節(jié)[18],為進(jìn)一步聚焦研究主題,本文主要關(guān)注下墊面空間特征對城市洪澇徑流過程的影響,即短歷時(shí)城市地表產(chǎn)匯流過程。

1 城市下墊面空間特征及其表征方法

城市下墊面由人類活動(dòng)與自然本底復(fù)合作用形成,具有復(fù)雜的空間特征。隨著城市化水文效應(yīng)機(jī)理研究的深入,相關(guān)研究從聚焦不透水率增長向深入不透水面的水平和垂向結(jié)構(gòu)性特征轉(zhuǎn)變?？紤]空間特征的橫向和垂向2個(gè)方向,本文分別選取不透水面和微地形2個(gè)對地表產(chǎn)匯流過程影響最顯著的因素,對城市下墊面復(fù)雜空間特征進(jìn)行分析。

1.1 不透水面及其空間特征表征

不透水面主要由建設(shè)用地等城市用地類型構(gòu)成,由于城市建設(shè)用地包括房屋、道路和廣場等多種形式,且隨著城市的發(fā)展不斷擴(kuò)張,城市不透水面逐步演繹成多種空間分布形式[19]。研究不透水面空間分布對產(chǎn)匯流影響機(jī)理的重要基礎(chǔ)是對其進(jìn)行量化表征,隨著水文學(xué)與景觀設(shè)計(jì)、生態(tài)學(xué)等多學(xué)科交叉研究的深入,以及遙感、無人機(jī)等新技術(shù)的應(yīng)用,描述不透水面空間分布的理論方法愈加多樣,數(shù)據(jù)來源日益豐富。近年來，分形地貌學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)和河流幾何學(xué)等不同學(xué)科分析方法陸續(xù)被引入[20-21]。許多研究將景觀格局指數(shù)引入作為不透水面空間特征的表征參數(shù),常用的表征參數(shù)有離散度、聚集度、連通度、形狀指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)及香農(nóng)均度指數(shù)等[22-23]。在不透水面空間特征表征和評估過程中,根據(jù)不同研究目的,可以選取一種或多種不同類型的空間特征表征參數(shù)組合,實(shí)現(xiàn)對不透水面空間特征的量化表征與進(jìn)一步分析。

1.2 微地形及其空間特征表征

城市下墊面與自然下墊面最主要的區(qū)別是地表被大量人工建筑設(shè)施覆蓋,正是這些設(shè)施在水平方向上增加了不透水面面積,而在垂向上則造成復(fù)雜的高程起伏,形成了微地形[24]。對于微地形,目前在城市水文研究領(lǐng)域尚無明確統(tǒng)一定義,衛(wèi)偉等[25]分析表明,微地形是指人類根據(jù)科學(xué)研究或改造自然的實(shí)際需求,有目的對地表下墊面原有形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的二次改造和整理,從而形成大小不等、形狀各異的微地形和集水單元,能有效增加景觀異質(zhì)性、改變水文循環(huán)和物質(zhì)遷移路徑,其空間尺度一般在0～1 m范圍內(nèi)波動(dòng)。本文綜述前人的研究認(rèn)為,城市微地形是指在城市建設(shè)和改造過程中,由人工建造的城市基礎(chǔ)設(shè)施與原有自然地形地貌相互影響、共同構(gòu)成的地表高程光滑連續(xù)過程被切斷后形成的地形,主要在房屋、道路和廣場等城市地表建筑的影響下形成。構(gòu)成城市微地形的地表建筑主要包括房屋和道路,二者構(gòu)成了城市肌體的“骨架”。因此,城市微地形的空間特征主要包括房屋空間布局、路網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系、道路垂向特征等。表1在總結(jié)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[26],列舉了表征城市地表建筑微地形空間格局的主要參數(shù)。由于對城市微地形的定義,尚未取得統(tǒng)一認(rèn)知,在實(shí)際研究中,需要根據(jù)研究對象、目的和區(qū)域特點(diǎn)的不同,視具體情況選取適當(dāng)?shù)奈⒌匦慰臻g特征表征參數(shù)。

表1 城市微地形空間特征主要表征參數(shù)[26]Table 1 Main characterization parameters of spatial features of urban microtopography

2 不透水面對地表產(chǎn)匯流過程的影響

2.1 不透水率變化的影響

不透水率增加是城市化最直接的表現(xiàn)之一,與之緊密相關(guān)的土地利用和覆被變化被認(rèn)為是引起水循環(huán)變化的重要因素[27-28]。不透水面提取是不透水率計(jì)算和分析的基礎(chǔ),早期不透水面提取主要基于平面地圖估算,隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,基于遙感解譯的大規(guī)模、長序列不透水面數(shù)據(jù)獲取成為可能,近年來燈光遙感數(shù)據(jù)也被用于不透水面的提取,當(dāng)前相關(guān)研究主要集中在不透水面的高效提取算法、多源數(shù)據(jù)融合分析和提取算法的不確定性控制等方面[29]。定量的不透水率反演為分析不透水率變化及對徑流的影響提供了數(shù)據(jù)來源,孫占東和黃群[30]研究指出,城鎮(zhèn)化和不透水率增長是洪水風(fēng)險(xiǎn)提升的關(guān)鍵因素；Miller等[31]基于連續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn),不透水率從11%增長到44%,使得研究區(qū)峰值流量增加了400%。大量研究證實(shí)不透水率對城市地表產(chǎn)匯流過程存在顯著影響,其直接表現(xiàn)是徑流系數(shù)與不透水面呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,但徑流系數(shù)變化閾值與降雨強(qiáng)度存在一定關(guān)系,通常隨降雨強(qiáng)度而變化[32]。

城市化過程導(dǎo)致原有的天然下墊面(森林、草地、祼土、水域等)被破壞,進(jìn)而演變?yōu)槌鞘邢聣|面(房屋、道路、廣場等),不透水率顯著增加,使得城市水文過程發(fā)生顯著變化,主要包括:截留和下滲量顯著減少,凈雨量增加[33]；同時(shí),城市地表糙率變小,使得地表匯流速度加快、流量增加,洪峰加大、峰現(xiàn)時(shí)間提前[34-35],徑流過程線從“矮胖”變得“尖瘦”,其理論曲線對比示意圖如圖1所示。

圖1 城市和天然下墊面徑流過程理論曲線對比示意Fig.1 Comparison of theoretical curves of urban and natural underlying surface runoff process

具體到研究方法層面,不同尺度下不透水面對徑流過程的影響機(jī)理研究采用方法有所不同。流域和區(qū)域尺度,主要采用遙感分析、水文模擬和相關(guān)性分析等[36-37]；而在城市及以下尺度,實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法應(yīng)用較多,主要優(yōu)點(diǎn)是可以還原或模擬天然狀態(tài)下的水文要素本底值,為比較不同不透水率造成產(chǎn)匯流過程差異提供基礎(chǔ),并可以對變化幅度進(jìn)行量化[38]。

2.2 不透水面空間分布的影響

隨著不透水面對產(chǎn)匯流影響方面研究的深入,不透水面空間分布對地表產(chǎn)匯流過程的影響受到更多關(guān)注。李強(qiáng)等[39]以北京典型街區(qū)為例,研究了控制性詳細(xì)規(guī)劃約束下的城市不透水面空間分布,結(jié)果表明“點(diǎn)群式”城市布局模式不透水面面積率高于“行列式”,可能會對降雨徑流過程產(chǎn)生影響；Hamilton等[40]基于長系列衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)反演發(fā)現(xiàn),不透水面空間分布變化導(dǎo)致區(qū)域徑流過程和淹沒范圍發(fā)生顯著變化。研究發(fā)現(xiàn)城市透水面與不透水面的空間組合關(guān)系、不透水面與排水設(shè)施的連接關(guān)系不同,會導(dǎo)致不透水面有效性不同,可將不透水面分為總不透水面積、直接連接不透水面等。石樹蘭等[41]基于模擬發(fā)現(xiàn),考慮不透水面有效性后,2場降雨徑流模擬的驗(yàn)證期納什系數(shù)較傳統(tǒng)模式提升9.79%和18.58%,其情景模擬表明,有效不透水面積減少25%后,相應(yīng)的徑流深和洪峰流量分別削減74.6%和65.8%；Ferreira等[42]基于室內(nèi)降雨徑流實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不透水率增加對于徑流過程的影響可以通過不透水面與透水面空間分布關(guān)系調(diào)整得到有效緩解；要志鑫等[43]基于模擬研究不透水面與地表徑流的時(shí)空相關(guān)性發(fā)現(xiàn),不透水面空間格局與模擬地表徑流高度相關(guān),優(yōu)化不透水面空間格局可作為控制地表徑流的重要途徑。上述研究表明,不透水面空間分布不同,對不透水面的“有效性”具有一定影響,加強(qiáng)不透水面空間格局的管控是城市水文效應(yīng)調(diào)控的重要發(fā)展方向。

從地表匯流角度而言,城市不透水面增加改變了下墊面的連通性,在微觀上使城市局部區(qū)域匯流復(fù)雜度增加,但在宏觀上則使流域匯流復(fù)雜度降低,其綜合影響因降雨等級的不同而迥異[44]。Silva和Silva[45]基于數(shù)值模擬分析了不透水面與綠色空間的連通性對降雨徑流過程的影響,結(jié)果表明不透水面和綠色空間的連通性對下滲過程有重要影響；岑國平等[46]對各種城市地面及其多種組合的產(chǎn)流特性做了系統(tǒng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)不透水面的位置對產(chǎn)匯流特性有明顯影響。梳理相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),已有研究普遍認(rèn)為不透水面空間分布是影響城市地表產(chǎn)匯流過程的重要因素,當(dāng)前對于不透水面的空間分布研究多數(shù)集中在不透水率和不透水面相對位置關(guān)系上,而對于不透水面的結(jié)構(gòu)性特征,如復(fù)雜空間組合、外部輪廓、連通性等考慮較少,對于不透水面的復(fù)雜空間分布對產(chǎn)匯流過程不同環(huán)節(jié)、不同過程的影響機(jī)理尚缺乏統(tǒng)一認(rèn)識[47]。

3 微地形對地表產(chǎn)匯流過程的影響

微地形導(dǎo)致城市地表的水文連續(xù)性發(fā)生變化,對城市地表產(chǎn)匯流過程產(chǎn)生了重要影響[48-49]。對于以不透水地表為主的城市區(qū)域來說,復(fù)雜微地形還可能會加劇城市局部積水程度、增加城市洪澇的過水和致災(zāi)范圍。微地形對地表產(chǎn)匯流過程具有重要影響這一結(jié)論受到廣泛認(rèn)同,但是對于其影響機(jī)理尚缺乏系統(tǒng)研究[50-51]。在研究方法上,對于微地形及其空間格局對地表產(chǎn)匯流過程影響,主要方法有數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)兩大類,下面以兩類研究方法為主線梳理微地形對地表產(chǎn)匯流過程影響的研究進(jìn)展。

3.1 數(shù)值模擬方面

基于數(shù)值模擬的微地形對產(chǎn)匯流過程研究,通常對微地形和產(chǎn)匯流過程兩方面都進(jìn)行數(shù)值模擬,通過變換微地形的模擬情景,分析微地形要素對產(chǎn)匯流過程的影響?；诓煌某鞘械乇砜臻g布局、城市微地形模擬方法,現(xiàn)有研究主要是采用不同的表征參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對微地形進(jìn)行空間模擬,并結(jié)合水文、水動(dòng)力等地表產(chǎn)匯流過程模擬方法,從而探究地表產(chǎn)匯流過程在不同微地形空間格局下的變化規(guī)律。孟春雷[52]綜述了城市地表特征數(shù)值模擬研究進(jìn)展,指出城市地表特征具有破碎性、異質(zhì)性、多樣性、立體性和延展性等特點(diǎn),集成陸面模式是其模擬的發(fā)展趨勢；在微地形等城市地表空間特征模擬方面,城市規(guī)劃等領(lǐng)域具有許多實(shí)用的方法逐漸被運(yùn)用到城市洪澇模擬中,如CityEngine等城市三維模擬工具被用于城市區(qū)域產(chǎn)匯流模擬[53]；Bruwier等[26]結(jié)合城市形態(tài)模擬和洪澇值模擬,發(fā)現(xiàn)建筑物空間分布參數(shù)與積水量、積水面積等洪澇特征值呈顯著正相關(guān),且不同空間分布參數(shù)對洪澇結(jié)果的影響達(dá)10%以上,總體上城市地表微地形對暴雨情景下的城市積水深分布具有重要影響,但對徑流峰值影響不大；楊冬冬等[54]基于產(chǎn)匯流模擬對小區(qū)尺度路網(wǎng)布局進(jìn)行了優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)環(huán)盡型城市路網(wǎng)布局洪澇最嚴(yán)重,盡端型最低,說明城市路網(wǎng)空間布局對內(nèi)澇有較大影響。數(shù)值模擬以其運(yùn)用靈活、情景多樣、成本較低的優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于本領(lǐng)域研究,一些研究也同時(shí)將數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合,以期取得更加深入的研究成果。

3.2 物理實(shí)驗(yàn)方面

物理實(shí)驗(yàn)是微地形對城市產(chǎn)匯流影響研究中常用的一類方法,多為室內(nèi)實(shí)驗(yàn),通常采用物理裝置來反映微地形并進(jìn)行人工降雨徑流實(shí)驗(yàn),通過變換微地形的徑流特征參數(shù)來觀察微地形的變化[55]。郭雪蓮等[56]采用人工模擬降雨裝置,定量研究了城市典型下墊面空間構(gòu)型與降水蓄滲率的關(guān)系；劉慧娟等[57]對城市微景觀格局與配置對降雨產(chǎn)流的影響開展了實(shí)驗(yàn)分析,發(fā)現(xiàn)建筑微地形與產(chǎn)匯流特征值顯著相關(guān),可利用該規(guī)律優(yōu)化城市布局；Luo等[58]基于人工降雨和攝影測量等方法生成的數(shù)字高程模型,利用地理統(tǒng)計(jì)和多重分形理論對微地形進(jìn)行定量和水文分析,結(jié)果表明微地形的空間異質(zhì)性對于產(chǎn)匯流過程有重要影響；Ferreira等[42]基于降雨徑流實(shí)驗(yàn)對城市建筑布局形成的微山坡、微河道水文過程進(jìn)行了研究,結(jié)果表明合理的城市建筑布局可以有效減少城市積水程度，維持城市下墊面自然水文功能。實(shí)驗(yàn)研究的優(yōu)勢是過程可控,能一定程度上反映實(shí)際情況；但一定程度上存在尺度效應(yīng),即如何讓較小空間尺度上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠有效反映城市區(qū)域的實(shí)際情況。在尺度效應(yīng)的解析和應(yīng)對上,一方面需要開展水文相似和比尺實(shí)驗(yàn)等研究,另一方面,將物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合是值得探索的方向。

綜合分析可以發(fā)現(xiàn),在城市微地形對地表產(chǎn)匯流過程的影響研究中,微地形和城市建筑物空間布局對城市地表產(chǎn)匯流過程具有顯著影響的結(jié)論得到普遍證實(shí)。在方法層面,物理實(shí)驗(yàn)的方法普遍被采用,但由于實(shí)驗(yàn)可設(shè)置的微地形特征種類有限,且對于房屋空間分布、道路拓?fù)潢P(guān)系和道路垂向特征等具體的城市建筑物微地形空間格局難以更細(xì)致地重現(xiàn),因而存在一定局限性。在未來研究中,可結(jié)合數(shù)值模擬手段,更加細(xì)致地刻畫微地形內(nèi)部空間特征,利用數(shù)值模擬可無限次重復(fù)的優(yōu)勢,分析其對城市產(chǎn)匯流過程的影響機(jī)理,特別是對產(chǎn)匯流機(jī)制差異的影響。

4 研究展望

當(dāng)前在城市下墊面特征對地表產(chǎn)匯流過程的影響研究方面存在的主要不足是:對產(chǎn)匯流影響科學(xué)機(jī)理的解析尚未系統(tǒng)化,缺乏對特殊產(chǎn)匯流機(jī)理的研究；在具體影響參數(shù)方面定量化的研究較少；在相關(guān)機(jī)理適應(yīng)性利用方面,缺乏科學(xué)的理論和技術(shù)體系。未來一段時(shí)期,針對上述主要研究不足,城市下墊面空間特征對地表產(chǎn)匯流過程的影響研究,主要圍繞解析科學(xué)機(jī)理、識別關(guān)鍵參數(shù)、合理利用科學(xué)認(rèn)知等三方面展開(邏輯框架如圖2所示),主要回答“如何影響”、“影響程度”和“如何利用”等問題,以基礎(chǔ)研究帶動(dòng)實(shí)踐應(yīng)用,促進(jìn)城市空間科學(xué)布局和城市洪澇有效緩解。

圖2 城市下墊面空間特征對地表產(chǎn)匯流過程的影響研究發(fā)展邏輯框架Fig.2 Framework for development on the impacts of spatial features of urban underlying surfaces on the runoff process

4.1 城市下墊面空間特征對地表產(chǎn)匯流過程影響機(jī)理解析

(1)對產(chǎn)流和匯流過程影響機(jī)理解析。在產(chǎn)流方面,進(jìn)一步關(guān)注下墊面空間特征對產(chǎn)流過程關(guān)鍵參數(shù)的影響,解析不同空間位置處產(chǎn)流機(jī)制的差異,分析不同不透水面-透水面位置關(guān)系中的產(chǎn)流機(jī)理變化,探討上述差異和變化與下墊面空間特征的關(guān)系,解析下墊面空間特征對產(chǎn)流過程的影響機(jī)理；在匯流方面,重點(diǎn)關(guān)注下墊面空間特征對匯流過程關(guān)鍵參數(shù)的影響,分析引起匯流特征變化的坡面匯流水動(dòng)力學(xué)機(jī)制差異,探討上述差異與下墊面空間特征的關(guān)系,解析下墊面空間特征對匯流過程的影響機(jī)理。

(2)城市特殊產(chǎn)匯流現(xiàn)象分析。城市區(qū)域存在一些特殊的產(chǎn)匯流現(xiàn)象,如局部匯流量突然增加的“匯流激增效應(yīng)”[59],城市道路作為行洪通道的“道路行洪效應(yīng)”等。對城市匯流激增效應(yīng),可結(jié)合數(shù)值模擬和監(jiān)測等,對靠近匯流出口、地勢較低處的確定點(diǎn)位積水深進(jìn)行統(tǒng)計(jì),識別積水深發(fā)生“突變”激增的情況,分析產(chǎn)生“匯流激增效應(yīng)”效應(yīng)的原因,定量分析與微地形空間參數(shù)的關(guān)系；對于城市道路行洪效應(yīng),可對確定點(diǎn)位街道拐角、街道上下游等關(guān)鍵道路位置的水流流速和積水深等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分析道路行洪指標(biāo)變化與微地形空間特征參數(shù)的關(guān)系。

4.2 影響徑流過程的主控空間特征參數(shù)識別與敏感性分析

(1)產(chǎn)匯流與空間參數(shù)響應(yīng)關(guān)系構(gòu)建。不同城市地表空間特征參數(shù)對地表產(chǎn)匯流過程的影響程度和敏感性可能有較大差異,為進(jìn)一步識別不同城市地表空間特征參數(shù)對城市地表產(chǎn)匯流特征值(如徑流總量、徑流峰值、匯流時(shí)間等)的影響程度,可以通過數(shù)據(jù)量化分析,構(gòu)建“產(chǎn)匯流特征值—空間參數(shù)”響應(yīng)關(guān)系式,尋找控制性參數(shù),分析不同參數(shù)的敏感性,可為科學(xué)解析城市下墊面空間特征對地表產(chǎn)匯流過程的影響機(jī)理提供依據(jù)。

Ri=f(Cj,Dk) (i,j,k=1,2,…,n)

(1)

式中:Ri為城市地表產(chǎn)匯流特征值；Cj為不透水面空間分布參數(shù)；Dk為建筑微地形空間格局參數(shù)；i、j、k分別為特征值與參數(shù)的序號。

(2)主控參數(shù)識別和敏感性分析?；凇爱a(chǎn)匯流特征值—空間參數(shù)”響應(yīng)關(guān)系式,可采用主成分分析等數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)和分析方法識別影響地表產(chǎn)匯流過程的主控參數(shù),如影響徑流總量、徑流峰值和匯流時(shí)間等不同特征值的主控參數(shù),分析不同徑流特征值的主控參數(shù)是否一致；基于“產(chǎn)匯流特征值—空間參數(shù)”響應(yīng)關(guān)系式,還可采用在水文模型參數(shù)敏感性分析中廣泛應(yīng)用的Morris法和Sobol法等,進(jìn)一步識別主控下墊面空間參數(shù)的敏感性,提取重要且敏感的參數(shù),為解析城市下墊面復(fù)雜空間特征對地表產(chǎn)匯流過程的影響機(jī)理提供更多定量化的依據(jù)。

4.3 考慮下墊面空間特征約束的城市水文效應(yīng)適應(yīng)性應(yīng)對

(1)優(yōu)化城市不透水面空間布局。隨著相關(guān)研究的深入,人們將對不透水面導(dǎo)致城市水文效應(yīng)的機(jī)理有更深入系統(tǒng)的認(rèn)知,未來需要將相關(guān)科學(xué)認(rèn)知進(jìn)一步地應(yīng)用于指導(dǎo)不透水面空間布局,主動(dòng)適應(yīng)城市化建設(shè)不透水面增加可能引發(fā)的城市水文效應(yīng)。如“有效不透水面”概念可應(yīng)用于城市不透水面空間布局優(yōu)化中,考慮如何布局城市道路和房屋等構(gòu)成的不透水面,使城市建設(shè)對地表產(chǎn)匯流過程的影響最小,最大可能維持下墊面原有自然徑流特征。此外,在海綿城市建設(shè)中,科學(xué)布局不透水面與透水面的空間關(guān)系、不透水面與綠色基礎(chǔ)設(shè)施的空間連接關(guān)系、不透水面與排水設(shè)施的連接關(guān)系等,提升海綿城市的實(shí)施效果。通過主動(dòng)優(yōu)化城市不透水面空間布局,提升城市水文效應(yīng)應(yīng)對能力。

(2)因勢利導(dǎo)利用城市微地形。中國古代城市建設(shè)注重科學(xué)利用地勢和微地形對排水系統(tǒng)進(jìn)行合理布設(shè),贛州的“福壽溝”是其中一個(gè)典型案例[60]；近年來,有學(xué)者提出“龜背式排水”理念,改造局部地形使之呈“龜背狀”,將排水系統(tǒng)沿“龜背”四周微地形布設(shè)以利用重力排水[61]。未來應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合微地形對地表產(chǎn)匯流過程的影響機(jī)理,考慮城市下墊面空間特征并形成定量化工具,將優(yōu)化不透水面空間布局和因勢利導(dǎo)利用城市微地形的目標(biāo)落實(shí)到定量化設(shè)計(jì)中,通過科學(xué)的城市下墊面空間規(guī)劃設(shè)計(jì),加強(qiáng)城市水文效應(yīng)適應(yīng)性應(yīng)對；進(jìn)一步地,形成城市規(guī)劃設(shè)計(jì)和防洪排澇的原則性要求,納入各類城市空間規(guī)劃建設(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,使因勢利導(dǎo)利用城市微地形的思路得到落實(shí)。

5 結(jié) 語

全球范圍內(nèi)的快速城市化給城市水管理帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn),也給城市水文學(xué)基礎(chǔ)研究提出了新的研究主題。隨著不透水率的顯著增長,城市下墊面空間特征日益復(fù)雜,對城市地表產(chǎn)匯流過程產(chǎn)生了重要影響,如何科學(xué)解析其影響機(jī)理是城市水文學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文以城市下墊面空間特征對地表產(chǎn)匯流過程的影響機(jī)理為主線,初步梳理了城市下墊面空間特征及其表征方法,針對不透水面和微地形兩類重要下墊面空間特征,綜述了其對地表產(chǎn)匯流過程的影響,當(dāng)前城市下墊面對地表產(chǎn)匯流過程影響研究尚未形成較為完備的體系,特別是在不透水面空間分布對產(chǎn)匯流多過程和不同環(huán)節(jié)的影響、微地形的量化表征與影響機(jī)理定量解析等方面需要進(jìn)一步突破。針對尚需研究的問題,從城市下墊面空間特征對地表產(chǎn)匯流過程影響機(jī)理解析、主控空間參數(shù)識別與敏感性分析及城市水文效應(yīng)適應(yīng)性應(yīng)對三方面展望了未來研究重點(diǎn)與方向,以期為快速城市化下城市水文效應(yīng)解析和城市洪澇災(zāi)害防治提供一定參考。