徐宗學(xué)，李 鵬

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875； 2.城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875)

城市地區(qū)人類活動(dòng)最為活躍，近年來(lái)全球城市化正處在快速發(fā)展期，《2020年世界城市報(bào)告》指出，目前56.2%的世界人口居住在城市，未來(lái)10年，世界將進(jìn)一步城市化，2030年世界城市化率將達(dá)到60.4%，預(yù)計(jì)到2050年，世界近70%的人口將居住在城市[1-3]。我國(guó)是城市化速率較快的國(guó)家之一，從2000年的36.1%上升至2020年的63.9%，隨著城鄉(xiāng)一體化戰(zhàn)略的實(shí)施，未來(lái)我國(guó)的城市化率將進(jìn)一步提升。眾多研究表明，在全球氣候變化背景下，伴隨著城市化的快速推進(jìn)，城市地區(qū)面臨著前所未有的威脅與挑戰(zhàn)[4-6]。

快速城市化給城市帶來(lái)一系列水文效應(yīng)，對(duì)城市水循環(huán)以及水安全造成了深刻的影響，尤其在城市暴雨內(nèi)澇、生態(tài)環(huán)境、水資源供需矛盾等方面給城市居民造成了巨大困擾與災(zāi)害，嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市區(qū)域人類活動(dòng)更為頻繁，城市化水文效應(yīng)愈演愈烈，已引起全世界范圍的廣泛關(guān)注[7-8]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在城市化對(duì)各個(gè)水循環(huán)過(guò)程的影響、對(duì)城市水生態(tài)環(huán)境的影響以及應(yīng)對(duì)城市化水文效應(yīng)的理論與技術(shù)體系等方面，如城市化區(qū)域不透水地表快速擴(kuò)張，導(dǎo)致城區(qū)產(chǎn)匯流速度加快，洪峰流量增大，洪峰時(shí)間提前，降水頻率與強(qiáng)度提高，城市暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)增大[9]；高強(qiáng)度的人類活動(dòng)導(dǎo)致生活污水與工業(yè)廢水排放量增加，導(dǎo)致水質(zhì)與水生態(tài)環(huán)境惡化[10]，使城市水循環(huán)呈現(xiàn)“自然-社會(huì)”二元特征[11]；人們?yōu)榱藨?yīng)對(duì)城市化水文效應(yīng)，積極探討并制定實(shí)施諸如低影響開(kāi)發(fā)、海綿城市建設(shè)等城市水管理措施[12]。我國(guó)深受城市化水文效應(yīng)負(fù)面影響的困擾，是世界上遭受城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，2021年鄭州“7·20”特大暴雨造成嚴(yán)重人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，成為全國(guó)人民心中揮之不去的痛，“逢雨必澇”正在成為我國(guó)眾多城市的“痼疾”[13]。

在城市化進(jìn)程不斷加劇的背景下，城市化水文效應(yīng)的研究以及相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施顯得尤為重要?；诖耍疚膶?duì)快速城市化引發(fā)的水文效應(yīng)進(jìn)行較為系統(tǒng)的總結(jié)，梳理該研究所運(yùn)用的技術(shù)方法，簡(jiǎn)述國(guó)內(nèi)外應(yīng)對(duì)城市化水文效應(yīng)的先進(jìn)水管理理念與措施，最后展望了未來(lái)城市化水文效應(yīng)研究及應(yīng)對(duì)的重點(diǎn)方向，以期為城市可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 城市化水文效應(yīng)

水循環(huán)過(guò)程受到氣象因素和下墊面因素的共同影響。在快速城市化背景下，城市地區(qū)的快速擴(kuò)張，導(dǎo)致不透水面積迅速增加[14]，局地小氣候發(fā)生改變，加之大量基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)(如立交橋、地鐵等)，極大地影響了城市水循環(huán)過(guò)程[15-16]。城市化的水文效應(yīng)涉及多個(gè)方面，本文主要關(guān)注以下幾個(gè)方面：城市化對(duì)水循環(huán)過(guò)程的影響，包括降水、蒸散發(fā)及產(chǎn)匯流等對(duì)城市化的響應(yīng)特征；城市化對(duì)暴雨內(nèi)澇的影響；城市化對(duì)水體環(huán)境的影響，包括城市化對(duì)地表及地下水體的水質(zhì)、水體非點(diǎn)源污染等的影響。

1.1 城市化對(duì)水循環(huán)過(guò)程的影響

水循環(huán)過(guò)程涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，本文聚焦于城區(qū)的降水、蒸散發(fā)、產(chǎn)匯流過(guò)程變化的相關(guān)研究。城市區(qū)域突顯的局地小氣候，使得降水、蒸散發(fā)過(guò)程發(fā)生改變，同時(shí)城市化建設(shè)改變了原有的下墊面條件，產(chǎn)匯流過(guò)程變得復(fù)雜。在城市化對(duì)降水影響的研究方面，城市熱島效應(yīng)與城市雨島效應(yīng)已被諸多研究人員提出與證實(shí)，其研究結(jié)果主要表現(xiàn)為：城郊的降水量差距較大，城市區(qū)域的降水量明顯高于郊區(qū)[17-18]；城區(qū)的降水強(qiáng)度、降水日數(shù)及降水頻率均較城市化前有所上升，極端降水事件也有明顯增多趨勢(shì)[19-20]；城市化對(duì)降水的影響與季節(jié)、城市地形以及地理位置等有密切關(guān)系，其影響程度不能一概而論[21]。大量觀測(cè)與理論分析表明，城市化對(duì)降水的影響機(jī)理可概括為以下內(nèi)容：城市人口、建筑、車輛密集，使城區(qū)上空熱氣流聚集形成熱島效應(yīng)，城區(qū)大氣環(huán)流弱，容易導(dǎo)致對(duì)流性降水的發(fā)生；城區(qū)大量建筑物有利于云的增加與抬升，高大密集建筑群的摩擦阻礙作用增加了云層停留時(shí)間；城區(qū)汽車尾氣排放等人類活動(dòng)使空氣中凝結(jié)核增多，促進(jìn)了降水的產(chǎn)生。部分研究人員[22-23]認(rèn)為，城市化與降水之間或無(wú)顯著的相關(guān)關(guān)系，或抑制降水產(chǎn)生，或影響程度被高估。因此，城市化對(duì)降水影響機(jī)理的研究一直是難點(diǎn)問(wèn)題，難點(diǎn)在于如何剔除分析的干擾因素，確保研究是從引起現(xiàn)象的機(jī)理出發(fā)，而非從結(jié)果出發(fā)去尋找對(duì)應(yīng)的原因，這需要后續(xù)持續(xù)深入的研究。

在城市化對(duì)蒸散發(fā)的影響方面，研究人員從多角度分析了城市化的蒸散發(fā)效應(yīng)，一方面認(rèn)為，城市化對(duì)蒸散發(fā)具有削弱效應(yīng)，主要表現(xiàn)為：城區(qū)原有植被被不透水地表取代，植被冠層蒸發(fā)量降低；城區(qū)水體覆蓋度較小，且大面積不透水地表阻隔了地下水分蒸發(fā)的通道[24]；城市化區(qū)域的日照時(shí)數(shù)有減少趨勢(shì)，導(dǎo)致獲取的太陽(yáng)輻射能量降低，抑制蒸散發(fā)過(guò)程[25]。敬書珍[26]基于改進(jìn)SEBAL模型，發(fā)現(xiàn)北京市日蒸散發(fā)存在明顯城郊差異，蒸散發(fā)量與NDVI、不透水率及主要地形要素等關(guān)系密切。楊凱等[27]分析了上海市蒸發(fā)變化及城郊差異，結(jié)果顯示城市化導(dǎo)致上海地區(qū)城郊的蒸發(fā)存在明顯差異，且與下墊面狀況直接相關(guān)。也有人認(rèn)為城市化增強(qiáng)了蒸散發(fā)效應(yīng)。曹潤(rùn)祥等[28]基于SEBS-Urban模型與城市耗水模型分析了天津平原區(qū)城市化地區(qū)蒸散發(fā)特征，結(jié)果顯示人為熱或社會(huì)側(cè)的耗水會(huì)增加蒸散發(fā)，且建成區(qū)的增幅更大。周琳[29]采用水量平衡法、基于能量平衡的遙感反演法和下墊面分類估算法分析了北京市城市化對(duì)蒸散發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)城區(qū)蒸散量相比自然下墊面條件較高，可能與考慮人為熱、建筑物內(nèi)部蒸散及滲漏因素有關(guān)。可以看出，復(fù)雜的城市下墊面以及多種形式的用水活動(dòng)，使得城市化蒸散發(fā)效應(yīng)的研究難度加大，考慮因素不同可能會(huì)產(chǎn)生相悖的結(jié)論。因此，需要針對(duì)不同城市的用水活動(dòng)特點(diǎn)，開(kāi)展深入的研究與分析，針對(duì)具有一定特征的城市評(píng)估其蒸散發(fā)效應(yīng)，并探索影響蒸散發(fā)的敏感性因素，如城市用水活動(dòng)強(qiáng)弱、植被地貌等。

城市化對(duì)產(chǎn)匯流過(guò)程影響的研究?jī)?nèi)容較為豐富，研究人員普遍認(rèn)同城市化導(dǎo)致下墊面洼地減少、透水性減弱，產(chǎn)流量增加，同時(shí)，下墊面糙率降低，導(dǎo)致匯流時(shí)間縮短，復(fù)雜的下墊面條件使得城市地表匯流過(guò)程變得復(fù)雜[30-32]。在影響產(chǎn)流過(guò)程方面，主要體現(xiàn)在城市化導(dǎo)致地表的不透水率提高，原來(lái)具備透水性能的植被區(qū)、洼地等被道路、廣場(chǎng)、建筑物等透水性能很弱或不具透水性的地表替代，極大地減弱了城區(qū)的入滲過(guò)程，同時(shí)，地表蓄滯能力的降低削弱了截留能力，因此表現(xiàn)出城市化后徑流系數(shù)顯著增大(圖1)。許有鵬等[33]分析了秦淮河流域不同城市化程度的年徑流量特征，發(fā)現(xiàn)城市化后豐、平、枯水文年的徑流量均有增加趨勢(shì)，枯水年增幅最大，豐水年增幅最小。馮雷[34]采用城市發(fā)展模型與分布式水文模型分析了城市化對(duì)濟(jì)南市水文要素的影響，結(jié)果顯示隨著濟(jì)南市城市化發(fā)展，其總徑流量和地表徑流量分別增加了8.6%和28.5%，地表徑流對(duì)土地利用變化最為敏感。也有研究人員指出，城市的排水管網(wǎng)老化的現(xiàn)象會(huì)造成水體泄漏，增加了入滲量，但需要進(jìn)一步驗(yàn)證。在影響匯流過(guò)程方面，則主要表現(xiàn)為以下特征(圖1中，T前、T后分別為城市化前后的峰現(xiàn)時(shí)間，Q前、Q后分別為城市化前后的洪峰流量，ΔT、ΔQ分別為城市化前后峰現(xiàn)時(shí)間差值和洪峰流量差值)：城市化區(qū)域地表糙率減小，匯流速度加快，加之城市排水管網(wǎng)的存在，峰現(xiàn)時(shí)間明顯提前，導(dǎo)致城市化后的洪水過(guò)程線變得“尖瘦”；城市極為復(fù)雜的下墊面導(dǎo)致其匯流路徑發(fā)生了巨大變化，地下空間(地下停車場(chǎng)、地下室、地鐵等)改變了淺層地下水或壤中流的匯流路徑[35]，透水區(qū)與不透水區(qū)的復(fù)雜連通關(guān)系影響了地表匯流過(guò)程[36]；城市化改變了原有河網(wǎng)水系的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，支流逐漸消失[37]；城市的水利工程建設(shè)，如橡膠壩、泵站等，也在一定程度上影響了城區(qū)的匯流過(guò)程。Miller等[38]利用監(jiān)測(cè)的連續(xù)降雨、徑流和蒸發(fā)數(shù)據(jù)，分析得出研究區(qū)不透水率從11%增長(zhǎng)到44%后，洪峰流量增加了4倍。

(a) 城市化前后下墊面變化 (b) 城市化前后產(chǎn)匯流比例變化 (c) 城市化前后產(chǎn)匯流過(guò)程變化圖1 城市化對(duì)產(chǎn)匯流影響示意圖Fig.1 The schematic diagram for the impact of urbanization on runoff generation and confluence

綜上所述，城市化對(duì)水循環(huán)過(guò)程的影響極為復(fù)雜，涉及多個(gè)方面，正反饋與負(fù)反饋效應(yīng)同時(shí)存在，因此，其影響機(jī)理仍不明晰，存在諸多研究難點(diǎn)。后續(xù)的研究需多從影響機(jī)理出發(fā)，深入探索城市化對(duì)各個(gè)水循環(huán)過(guò)程的影響機(jī)理，結(jié)合理論計(jì)算與試驗(yàn)觀測(cè)等方式，深入剖析水循環(huán)過(guò)程對(duì)城市化的響應(yīng)機(jī)理。

1.2 城市化對(duì)暴雨內(nèi)澇的影響

城市化對(duì)暴雨內(nèi)澇的影響，主要體現(xiàn)在暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的增加以及內(nèi)澇發(fā)生頻率上升兩方面[39-40]。對(duì)于暴雨內(nèi)澇造成的風(fēng)險(xiǎn)而言，城市化的影響主要表現(xiàn)為：下墊面條件硬化改變了城區(qū)產(chǎn)匯流機(jī)理，影響了天然的水文情勢(shì)，產(chǎn)流量增多，匯流速度加快，城區(qū)應(yīng)對(duì)暴雨的調(diào)蓄能力降低；城市化地區(qū)的人口與經(jīng)濟(jì)較為集中，暴雨內(nèi)澇事件增加了承災(zāi)體(人、車、建筑物等)的暴露度，地表淹沒(méi)水深及流速增大，加劇了人、車、建筑物等的脆弱性，生命財(cái)產(chǎn)損失相應(yīng)增加[41-42]。如王雪[43]基于不同時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)，采用SCS模型及等體積法分析了上海市江橋鎮(zhèn)暴雨內(nèi)澇災(zāi)害對(duì)城市化的響應(yīng)，結(jié)果顯示城市化程度越高，研究區(qū)建筑物暴露性及總損失量越大，其空間分布趨于成片化。

在對(duì)內(nèi)澇發(fā)生頻率的影響方面，主要在于城市化的雨島效應(yīng)提高了城區(qū)短歷時(shí)強(qiáng)降雨發(fā)生的頻率[44]，城市的快速發(fā)展導(dǎo)致排水管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)嚴(yán)重滯后，排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低[45]，導(dǎo)致城市內(nèi)澇事件頻發(fā)。同時(shí)，區(qū)域的暴雨強(qiáng)度公式得不到及時(shí)更新，嚴(yán)重低估了實(shí)際暴雨過(guò)程，設(shè)計(jì)的排水系統(tǒng)能力無(wú)法滿足實(shí)際暴雨徑流量排水需求[46]。如吳息等[47]基于北京城郊的小時(shí)降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了城市化對(duì)北京市短歷時(shí)降水特征的影響，結(jié)果表明市中心短歷時(shí)暴雨的發(fā)生概率和強(qiáng)度顯著增加。陳其幸等[48]發(fā)現(xiàn)，廣州市城區(qū)不同強(qiáng)度的短歷時(shí)暴雨均有不同程度的增大趨勢(shì)。因此，城市暴雨內(nèi)澇模擬、風(fēng)險(xiǎn)分析及內(nèi)澇防治等成為目前城市水文學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。

1.3 城市化對(duì)水體環(huán)境的影響

城市化的發(fā)展對(duì)城市水體環(huán)境產(chǎn)生了很大影響，水體污染事件頻發(fā)[49-50]，主要體現(xiàn)在城市活動(dòng)造成生活污水與工業(yè)廢水排放猛增，城市水體環(huán)境惡化；排放的污染尾氣使降水酸化，進(jìn)一步惡化了地表水質(zhì)；污水管網(wǎng)與合流制管網(wǎng)的泄漏，造成地下水污染，滋生微生物群[51]；城市發(fā)展擠占了原有河道、濕地，生物群落的生存空間減少，嚴(yán)重影響了生物多樣性。城市化進(jìn)程導(dǎo)致用水量急劇增加，地下水質(zhì)量受到巨大影響[52]，用水量占徑流量的比例越高對(duì)水環(huán)境的影響越嚴(yán)重。許多學(xué)者探討了城市化與水質(zhì)之間的關(guān)系，如Paul等[53]認(rèn)為，城市化對(duì)水質(zhì)影響有兩個(gè)原因，即污染物的增加與城市降解能力降低，城市降解能力主要體現(xiàn)為城市下墊面的透水性。Razali等[54]調(diào)查發(fā)現(xiàn)城市化及土地利用變化影響了河流水質(zhì)。Ren等[55]基于回歸模型，分析了上海市水質(zhì)與城市化及土地利用變化格局的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)城市化與水質(zhì)惡化呈顯著正相關(guān)。Lokhande等[56]基于長(zhǎng)時(shí)間序列資料發(fā)現(xiàn)地下水的電導(dǎo)率、硬度和鈉含量等具有增加趨勢(shì)，被利用后以生活污水方式排入河流導(dǎo)致河流水質(zhì)惡化。

可溶性或固體廢棄物等污染物在暴雨徑流沖刷的作用下，從非固定的地點(diǎn)進(jìn)入河流、湖泊、濕地、水庫(kù)等水體，造成水體環(huán)境污染[57]。城市化對(duì)非點(diǎn)源污染的影響最為顯著，主要表現(xiàn)為城市化改變了非點(diǎn)源污染的“源、過(guò)程、匯”。城區(qū)小河流逐漸消失，削減了天然河道對(duì)水體的蓄滯和自凈能力，人工基礎(chǔ)設(shè)施等建筑用地不斷增加使地表硬化，加強(qiáng)了地表徑流沖刷效應(yīng)，河流的污染負(fù)荷增大。Kou等[58]基于實(shí)測(cè)資料研究了3種城市路面對(duì)徑流污染物的削減特征，結(jié)果顯示透水瀝青混凝土路面具有更好的截留徑流污染物的能力，十字路口和人行橫道的懸浮物和重金屬濃度較高，商業(yè)區(qū)的有機(jī)污染物濃度較高。Vaze等[59]基于36 d樣本數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)墨爾本城市道路的污染物濃度與清掃機(jī)有關(guān)，普通暴雨對(duì)街道污染物的去除率較小。東陽(yáng)[60]基于SWMM模型分析了昆明市北部排水片區(qū)城市非點(diǎn)源污染逐日排放負(fù)荷特征，評(píng)價(jià)了3種源頭控制技術(shù)對(duì)污染物的削減效果。此外，部分學(xué)者從影響因素、研究方法、模型機(jī)理、管理和控制手段等方面總結(jié)了國(guó)內(nèi)外城市非點(diǎn)源污染的研究現(xiàn)狀[61-62]。

2 城市化水文效應(yīng)研究方法

城市化水文效應(yīng)的研究涉及過(guò)程復(fù)雜、情景變量多、模型參數(shù)不確定性等問(wèn)題，一直是水文科學(xué)領(lǐng)域中的難點(diǎn)問(wèn)題。在許多研究學(xué)者數(shù)十年的研究過(guò)程中，逐步發(fā)展了眾多有效的理論支撐與技術(shù)方法，研究方法可概括為4類：試驗(yàn)對(duì)比觀測(cè)法、特征參數(shù)序列法、場(chǎng)地試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法。

2.1 試驗(yàn)對(duì)比觀測(cè)法

早期有關(guān)城市化水文效應(yīng)的研究大多采用試驗(yàn)對(duì)比觀測(cè)法，根據(jù)觀測(cè)對(duì)象的不同可細(xì)分為控制對(duì)比法、單獨(dú)對(duì)比法、平行對(duì)比法等。該方法的主要思路是建立對(duì)比觀測(cè)的試驗(yàn)流域，通過(guò)對(duì)比水文條件相似但下墊面條件不同的流域水文要素變化，或針對(duì)同一試驗(yàn)流域?qū)Ρ瘸鞘谢昂蟮乃囊馗淖兦闆r，分析城市化的水文效應(yīng)。例如，Burns等[63]分析了美國(guó)紐約市Croton河附近3個(gè)試驗(yàn)流域的27場(chǎng)暴雨徑流資料，3個(gè)試驗(yàn)流域分別代表高度城市化地區(qū)、中等城市化地區(qū)和未開(kāi)發(fā)區(qū)，結(jié)果顯示，隨著城市化程度的提高，洪峰流量增加，退水時(shí)間減少。這類方法存在一定弊端，一方面，該方法所需的研究周期較長(zhǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)資料的完整性要求較高；另一方面，尋找氣象地理?xiàng)l件完全相同的對(duì)比流域十分困難，試驗(yàn)流域產(chǎn)生的不確定性以及測(cè)量產(chǎn)生的誤差會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，其精度存疑。因此，該類方法只能以小型流域?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)于大尺度流域的城市化水文效應(yīng)適用性較弱，同時(shí)，該類方法只能得到一些經(jīng)驗(yàn)性公式，對(duì)水文效應(yīng)機(jī)理的刻畫不足，缺乏一定的普適性。

2.2 特征參數(shù)序列法

特征參數(shù)序列法是針對(duì)研究區(qū)域，選擇研究水文變化的特征參數(shù)，如徑流系數(shù)、徑流總量、徑流過(guò)程線、年內(nèi)分配不均勻系數(shù)、年徑流變差系數(shù)等水文特征值，基于其長(zhǎng)時(shí)間序列的變化情況來(lái)反映該區(qū)域城市化的水文效應(yīng)。徑流系數(shù)與徑流過(guò)程線是最常用的特征參數(shù)，前者指任意時(shí)段內(nèi)徑流深與降水量的比值，體現(xiàn)土地利用變化對(duì)降雨-徑流關(guān)系的影響，而后者指不同時(shí)段(多年、月、日、場(chǎng)次降水)的徑流過(guò)程，可直觀反映區(qū)域城市化對(duì)產(chǎn)匯流特征的影響。如Ress等[64]研究了洛基流域排水系統(tǒng)對(duì)城市水文過(guò)程的影響，比較了兩個(gè)不同不透水比例和排水管網(wǎng)密度集水區(qū)的暴雨水文響應(yīng)，結(jié)果顯示高不透水比例的集水區(qū)徑流量顯著增加，平均徑流系數(shù)達(dá)0.446，而排水管網(wǎng)密度高的集水區(qū)，匯流過(guò)程明顯加快。鄭璟等[65]分析了快速城市化過(guò)程中土地利用變化對(duì)深圳市布吉河流域水文要素產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)土地利用變化會(huì)改變各水文要素的空間和年際分布特征。

特征參數(shù)法在表征城市化引起的水文效應(yīng)時(shí)，剔除了其他因素的影響，計(jì)算操作相對(duì)簡(jiǎn)單，從這些特征參數(shù)的變化趨勢(shì)上體現(xiàn)城市化水文效應(yīng)，物理含義明確，適用性較好。但該方法是簡(jiǎn)單的數(shù)理統(tǒng)計(jì)，缺乏對(duì)水文過(guò)程復(fù)雜機(jī)制的物理表達(dá)，忽略復(fù)雜的影響因素而單從特征參數(shù)的趨勢(shì)判斷水文效應(yīng)，容易對(duì)判斷結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。另外，該方法一般需要長(zhǎng)系列資料，對(duì)于城市化對(duì)水體環(huán)境的影響，資料的獲取存在一定難度。因此，該方法適用于氣象條件變化不大的區(qū)域，無(wú)法反映氣候變化對(duì)水文效應(yīng)的影響，具有一定的局限性。

2.3 場(chǎng)地試驗(yàn)法

場(chǎng)地試驗(yàn)一般分為室內(nèi)場(chǎng)地試驗(yàn)與野外場(chǎng)地試驗(yàn)，是探究城市化對(duì)產(chǎn)匯流影響機(jī)理研究中常用的一類方法，按研究對(duì)象一般分為地表產(chǎn)匯流過(guò)程試驗(yàn)與地表水動(dòng)力過(guò)程試驗(yàn)[66]。前者主要關(guān)注不同降雨條件、不同下墊面條件等對(duì)產(chǎn)匯流過(guò)程的影響，定量分析徑流過(guò)程等水文特征參數(shù)對(duì)表征不同城市化程度試驗(yàn)條件的響應(yīng)關(guān)系。如華亞等[67]采用人工降雨-徑流觀測(cè)系統(tǒng)，分析了雨強(qiáng)、坡度與降水動(dòng)能等因素在不同城市下墊面類型的產(chǎn)匯流特性，研究發(fā)現(xiàn)，雨強(qiáng)增大會(huì)使產(chǎn)流時(shí)間提前，匯流時(shí)間縮短，坡度影響匯流與退水過(guò)程的快慢，降水動(dòng)能影響下墊面污染物的沖刷特性；楊玉龍等[68]開(kāi)展了城市路面產(chǎn)匯流試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)路面降雨損耗來(lái)自路面的洼蓄，路面糙率對(duì)匯流的速度影響較大。另一方面，地表水動(dòng)力過(guò)程試驗(yàn)則主要關(guān)注城市化后微地形的改變?nèi)绾斡绊懚S地表匯流過(guò)程，這些微地形包括檢查井入口、立交橋、地下涵洞、街道、建筑物地下空間等。如劉慧娟等[69]研究發(fā)現(xiàn)城市微景觀格局對(duì)降雨產(chǎn)流過(guò)程有顯著影響，并建議規(guī)劃時(shí)考慮在地勢(shì)較低區(qū)域增加植被面積；Velickovic等[70]利用方塊來(lái)表示建筑物構(gòu)建試驗(yàn)平臺(tái)，研究了道路寬度和坡度對(duì)二維地表水流演進(jìn)特征的影響，發(fā)現(xiàn)道路流量受道路寬度和坡度的影響較大，與上游入流位置無(wú)關(guān)。

2.4 數(shù)值模擬法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、3S技術(shù)(RS、GIS、GPS)的成熟，數(shù)值模擬方法得到了空前發(fā)展，采用數(shù)值模擬模型來(lái)評(píng)估城市化的水文效應(yīng)受到了研究人員的廣泛關(guān)注。通過(guò)改變表征蒸散發(fā)、下滲、匯流等過(guò)程的參數(shù)以及表征下墊面物理特征的參數(shù)，模擬求解不同情景并分析各情景水文過(guò)程，探究影響機(jī)理。Singh等[71]綜述了70多種水文水動(dòng)力學(xué)模型，總結(jié)了各模型的優(yōu)缺點(diǎn)。徐宗學(xué)等[72]總結(jié)了分布式水文模型在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)面臨的困難與應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了水文模型的發(fā)展趨勢(shì)。Bronstert等[73]通過(guò)應(yīng)用多尺度模型研究了不同土地利用類型的產(chǎn)匯流過(guò)程，發(fā)現(xiàn)中尺度模型在城市化背景下的洪水增加了0～4%，對(duì)流暴雨使徑流量增加了 10%～30%。趙剛等[74]基于SWMM構(gòu)建了城市化前、后兩種情景模型，研究了北京涼水河流域快速城市化對(duì)產(chǎn)匯流的影響，結(jié)果顯示城市化后徑流系數(shù)明顯增大，下滲量明顯減少。陳瑩等[75]運(yùn)用SWAT模型分析了太湖上游的西苕溪流域未來(lái)城鎮(zhèn)化水文效應(yīng)，結(jié)果表明城鎮(zhèn)化使徑流量增加、蒸發(fā)量減小，子流域上表現(xiàn)為建設(shè)用地面積與徑流深之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系。另外，生態(tài)水文模型是水文模型的重要分支，是研究生態(tài)、環(huán)境和水資源等的重要技術(shù)手段[76]。例如，劉江等[77]通過(guò)耦合MIKE對(duì)流擴(kuò)散模型和Ecolab生態(tài)模型，模擬分析了鴨子蕩水庫(kù)DO、COD、氨氮濃度時(shí)空分布規(guī)律，結(jié)果顯示水庫(kù)對(duì)高濃度污染物入流具備凈化能力。可見(jiàn)，數(shù)值模擬技術(shù)因其靈活的應(yīng)用條件、情景設(shè)置的多樣性、模擬成本較低以及適用性較為廣泛等優(yōu)勢(shì)，在城市化水文效應(yīng)的研究中越來(lái)越受到研究人員的青睞。

按計(jì)算方法的不同，模型工具一般分為水文學(xué)模型和水動(dòng)力學(xué)模型。國(guó)外將不同計(jì)算方法集成在一起，并開(kāi)發(fā)出操作界面以及一些前后處理功能，形成了諸多開(kāi)源或者商業(yè)模型，如SWMM、InfoWorks ICM、MIKE系列模型等；國(guó)內(nèi)集成開(kāi)發(fā)的模型由于受到計(jì)算穩(wěn)定性較差以及前后處理功能不太完善等因素的限制，沒(méi)有得到廣泛的推廣。因此，國(guó)內(nèi)在模型自主研發(fā)領(lǐng)域的研究需將重點(diǎn)放在計(jì)算穩(wěn)定性、前后處理功能便捷性以及界面易操作性等方面。

3 應(yīng)對(duì)城市化水文效應(yīng)的舉措

3.1 先進(jìn)的城市水管理理念

由于快速城市化導(dǎo)致了水文循環(huán)規(guī)律發(fā)生劇烈改變，原有城市水資源供需平衡被破壞，城市水資源供需矛盾、水環(huán)境惡化以及城市暴雨內(nèi)澇問(wèn)題日益突出，先進(jìn)的城市水管理理念受到各個(gè)國(guó)家的廣泛關(guān)注。國(guó)外在20世紀(jì)70年代便開(kāi)始了相關(guān)研究，用以解決城市地區(qū)的水安全問(wèn)題，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，逐漸形成了諸如低影響開(kāi)發(fā)(low impact development, LID)、可持續(xù)排水系統(tǒng)(sustainable discharge system)、水敏感城市(water sensitive urban drainage, WSUD)等先進(jìn)的城市雨水資源化利用和管理體系[78]，并在實(shí)踐中證明了這些措施具有降低城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)、緩解城市水資源短缺、改善水環(huán)境等優(yōu)勢(shì)[79-80]。我國(guó)于1980年左右開(kāi)始探索城市水資源管理策略和方法。近年來(lái)，隨著城市防洪排澇與雨水資源化利用思想的轉(zhuǎn)變，我國(guó)提出了新一代城市雨洪管理概念——海綿城市(sponge city)，并先后在北京、濟(jì)南等30個(gè)試點(diǎn)城市開(kāi)展了海綿城市建設(shè)，取得了大量成功經(jīng)驗(yàn)。本文針對(duì)研究領(lǐng)域最活躍的LID和海綿城市兩種城市水管理措施，簡(jiǎn)單梳理其發(fā)展歷程。

a.LID。20世紀(jì)90年代，美國(guó)雨洪管理專家提出一種新型的源頭管理措施——LID。LID以維持自然狀態(tài)下的水文機(jī)制為目標(biāo)，通過(guò)增加入滲、蒸發(fā)、滯留、過(guò)濾等措施，減少城市建設(shè)對(duì)天然水循環(huán)特征的改變[81]。與傳統(tǒng)的水管理措施相比，LID主張?jiān)谝?guī)劃階段進(jìn)行更加詳細(xì)的場(chǎng)地設(shè)計(jì)，保護(hù)場(chǎng)地盡可能地不被城市化進(jìn)程所干擾，從而減少對(duì)城市化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)及環(huán)境的影響，并達(dá)到降低城市雨水徑流污染、減少城區(qū)徑流系數(shù)及洪峰流量、保護(hù)受納水體與河道安全、提高雨水資源利用效率的目的。Eckart等[82]從LID設(shè)施優(yōu)化、建模、監(jiān)控等方面綜述了LID措施的性能與應(yīng)用現(xiàn)狀，LID已被廣泛應(yīng)用并在控制城市化水文效應(yīng)方面具有很好的效果。侯精明等[83]基于SWMM模型分析了某建筑小區(qū)LID措施的徑流控制及洪峰削減效果，結(jié)果表明LID措施對(duì)徑流控制率提升顯著，隨著降雨重現(xiàn)期增大徑流控制率先增大后減小，LID設(shè)施飽和狀態(tài)在遭遇大暴雨時(shí)會(huì)對(duì)下游管網(wǎng)造成較大壓力。

b.海綿城市。海綿城市指城市能像海綿一樣，在應(yīng)對(duì)城市化水文效應(yīng)方面表現(xiàn)出良好的“韌性”，實(shí)現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化，從而達(dá)到徑流量控制、峰值流量控制、水環(huán)境污染控制和雨水資源化利用的目標(biāo)[84]。2013年，在我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的背景下，習(xí)近平總書記首次提出海綿城市建設(shè)理念。2014年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，標(biāo)志著我國(guó)海綿城市建設(shè)步入快速發(fā)展階段。近些年，諸多研究人員從不同角度開(kāi)展了海綿城市建設(shè)相關(guān)研究，取得了一些較好的研究成果，如房亞軍等[85]基于SWMM-CCHE2D單向耦合模型，探討了山地海綿措施的內(nèi)澇管控效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)海綿措施可明顯提高山地徑流削減率，生物滯留帶的徑流削減效果最明顯。然而，目前海綿城市建設(shè)還處在起步階段，在理論、技術(shù)與實(shí)踐方面還存在諸多不足，尚需基本理論和技術(shù)框架的支撐[86]。另外，海綿城市建設(shè)需要“一城一議”，在明晰研究區(qū)排水特征的基礎(chǔ)上，采取合適的海綿城市措施[87]。

3.2 整合綠色與灰色基礎(chǔ)設(shè)施

灰色基礎(chǔ)設(shè)施包括水庫(kù)、河堤、雨/污水管網(wǎng)、排澇泵站、防洪閘等，對(duì)城市的防洪排澇起到了關(guān)鍵作用。LID以及海綿城市的發(fā)展極大地豐富了城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，在應(yīng)對(duì)暴雨內(nèi)澇以及發(fā)揮自然對(duì)污染物降解作用方面具有一定成效，然而應(yīng)對(duì)稀遇極端暴雨的能力較弱，必須結(jié)合傳統(tǒng)的灰色雨洪基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)應(yīng)對(duì)稀遇極端暴雨[88]。Dong等[89]比較了綠色和灰色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)城市排水系統(tǒng)韌性的成本效益，結(jié)果表明，預(yù)算較少時(shí)，灰色基礎(chǔ)設(shè)施的性價(jià)比更高，預(yù)算充足時(shí)，采用灰色與綠色基礎(chǔ)設(shè)施的組合方式既經(jīng)濟(jì)又有效。王虹等[90]從多種尺度入手，結(jié)合具體案例探討了海綿城市建設(shè)中綠色基礎(chǔ)設(shè)施與傳統(tǒng)灰色雨洪基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合的重要與必要性，為城市可持續(xù)發(fā)展建設(shè)提供了依據(jù)。研究人員基本達(dá)成共識(shí)，城市雨洪管理并不是灰、綠措施的競(jìng)爭(zhēng)或替代，只有兩者的有效結(jié)合，才能發(fā)揮最大效益，形成灰綠結(jié)合、局部與整體、集水區(qū)與流域統(tǒng)一協(xié)調(diào)的可持續(xù)水管理基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)與自然流域系統(tǒng)的融合。

4 面臨的關(guān)鍵問(wèn)題及挑戰(zhàn)

縱觀國(guó)內(nèi)外對(duì)城市化水文效應(yīng)的研究，無(wú)論從理論方法還是技術(shù)創(chuàng)新，近年來(lái)都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，然而也暴露出許多問(wèn)題，需要進(jìn)一步深入研究與探討：城市化水文效應(yīng)的機(jī)理尚不深入與系統(tǒng)，缺乏對(duì)復(fù)雜產(chǎn)匯流機(jī)理以及“自然-社會(huì)”二元水循環(huán)機(jī)理的深入研究；在城市監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及智慧水務(wù)建設(shè)方面還缺乏科學(xué)的理論與技術(shù)支持；在應(yīng)急管理機(jī)制方面，還需制定應(yīng)急響應(yīng)及時(shí)、損失率最小的應(yīng)急管理制度。針對(duì)以上問(wèn)題與挑戰(zhàn)，未來(lái)關(guān)于城市化水文效應(yīng)的研究則主要依據(jù)圖2的邏輯框架展開(kāi)，深入貫徹產(chǎn)學(xué)研體系，緩解變化環(huán)境與城市化背景下水文效應(yīng)帶來(lái)的不利影響。

圖2 城市化水文效應(yīng)未來(lái)研究方向邏輯框架Fig.2 The framework diagram of the future researchfield in urbanization hydrological effects

a.城市化水文效應(yīng)的機(jī)理解析。諸多研究表明，城市化對(duì)水循環(huán)的影響表現(xiàn)出區(qū)域特性，如“雨島效應(yīng)”與“干島效應(yīng)”，如何將這些區(qū)域特性歸納總結(jié)為具有一定規(guī)律性的結(jié)論是目前面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一。在產(chǎn)匯流機(jī)理方面，產(chǎn)流過(guò)程還需關(guān)注有效不透水面與無(wú)效不透水面的識(shí)別問(wèn)題，以及探討其空間分布方式對(duì)產(chǎn)流過(guò)程的影響機(jī)理；匯流過(guò)程需關(guān)注城市復(fù)雜下墊面空間特征以及微地形對(duì)地表匯流過(guò)程的影響機(jī)理，對(duì)關(guān)鍵淹沒(méi)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)與模擬，重點(diǎn)解析復(fù)雜立交橋等微地形的匯流特征以及城市道路行洪現(xiàn)象的影響機(jī)制。另外，在“自然-社會(huì)”二元水循環(huán)視角下，還需深入解析社會(huì)側(cè)人類涉水活動(dòng)對(duì)城市產(chǎn)匯流過(guò)程的影響機(jī)理[91]。

b.城市水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與智慧水務(wù)建設(shè)。城市水文循環(huán)規(guī)律的研究離不開(kāi)水文資料的支撐，城市水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建可為城市化水文效應(yīng)的研究提供必要數(shù)據(jù)資料。未來(lái)需要從多方位構(gòu)建城市水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為智慧水務(wù)建設(shè)提供完備的數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)，如利用雨滴譜儀、氣象雷達(dá)等技術(shù)設(shè)備監(jiān)測(cè)城市氣象條件；借助雷達(dá)、超聲波等在城市地表布設(shè)完備的水深、流速監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用先進(jìn)的傳感器設(shè)備在地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)布設(shè)流量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)等。智慧水務(wù)是智慧城市的重要分支，其理念是基于城市水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)收集雨量、水位、流量等水情信息，實(shí)時(shí)傳輸至模型平臺(tái)，基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及空間技術(shù)高效率完成數(shù)據(jù)運(yùn)算，給出分析與決策結(jié)果，并將結(jié)果實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)城市“智慧水管理”并提高預(yù)警預(yù)報(bào)能力。

c.建立健全應(yīng)急管理機(jī)制。城市暴雨內(nèi)澇事件突發(fā)性強(qiáng)、預(yù)見(jiàn)期短，作為突發(fā)自然災(zāi)害事件，其應(yīng)急管理預(yù)案體系機(jī)制應(yīng)受到相關(guān)部門的重視，鄭州“7·20”特大暴雨給相關(guān)決策者敲響了警鐘。城市暴雨內(nèi)澇的應(yīng)急管理涉及多個(gè)部門，各部門間統(tǒng)一協(xié)調(diào)顯得尤為重要。目前暴雨內(nèi)澇災(zāi)害應(yīng)急管理實(shí)踐中，暴露出應(yīng)急管理意識(shí)較弱、應(yīng)急處置協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)不統(tǒng)一、應(yīng)急預(yù)案不充分、部門間聯(lián)動(dòng)體系不完善等問(wèn)題，城市暴雨內(nèi)澇應(yīng)急預(yù)警機(jī)制與聯(lián)動(dòng)管理水平亟待提高。未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)完善城市防洪排澇法律法規(guī)，建立健全防洪排澇應(yīng)急管理體制機(jī)制，強(qiáng)化城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警監(jiān)測(cè)能力建設(shè)，開(kāi)展暴雨內(nèi)澇應(yīng)急管理知識(shí)培訓(xùn)以提高人們防洪防澇意識(shí)，努力將暴雨內(nèi)澇災(zāi)害損失控制到最低程度。

5 結(jié) 語(yǔ)

快速城市化對(duì)水循環(huán)規(guī)律產(chǎn)生了劇烈影響，使城市水管理面臨著更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，城市化水文效應(yīng)以及科學(xué)的應(yīng)對(duì)措施成為水文科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。在氣候變化及復(fù)雜的城市人類活動(dòng)背景下，如何科學(xué)解析城市化對(duì)水文效應(yīng)的影響機(jī)理是目前水文科學(xué)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。本文以城市化引發(fā)的水文效應(yīng)為主線，梳理了國(guó)內(nèi)外對(duì)于城市化水文效應(yīng)研究的現(xiàn)狀及水文效應(yīng)特征，整理了開(kāi)展城市化水文效應(yīng)研究的方法。另外，總結(jié)了應(yīng)對(duì)城市化水文效應(yīng)的措施，包括先進(jìn)的城市水管理理念以及整合綠色、灰色基礎(chǔ)設(shè)施。今后研究中，需在研究方法方面整合3S技術(shù)、無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，將模型與試驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，在學(xué)科基礎(chǔ)方面需融合水文學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)、環(huán)境科學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)等。針對(duì)目前研究暴露的一些問(wèn)題，從城市化水文效應(yīng)的機(jī)理解析、城市水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與智慧水務(wù)建設(shè)、建立健全應(yīng)急管理機(jī)制3個(gè)方面展望了未來(lái)需重點(diǎn)關(guān)注的方向，為緩解快速城市化帶來(lái)的負(fù)面水文效應(yīng)，建設(shè)生態(tài)文明城市，保障城市水安全等提供一定的理論基礎(chǔ)。