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)北京市重點實驗室，北京 100875)

城市地區(qū)人類活動最為活躍，近年來全球城市化正處在快速發(fā)展期，《2020年世界城市報告》指出，目前56.2%的世界人口居住在城市，未來10年，世界將進一步城市化，2030年世界城市化率將達到60.4%，預(yù)計到2050年，世界近70%的人口將居住在城市[1-3]。我國是城市化速率較快的國家之一，從2000年的36.1%上升至2020年的63.9%，隨著城鄉(xiāng)一體化戰(zhàn)略的實施，未來我國的城市化率將進一步提升。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，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一系列水文效應(yīng)，對城市水循環(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，嚴重影響了經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。隨著城市化進程的不斷加快，城市區(qū)域人類活動更為頻繁，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]。國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在城市化對各個水循環(huán)過程的影響、對城市水生態(tài)環(huán)境的影響以及應(yīng)對城市化水文效應(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張，導(dǎo)致城區(qū)產(chǎn)匯流速度加快，洪峰流量增大，洪峰時間提前，降水頻率與強度提高，城市暴雨內(nèi)澇風(fēng)險增大[9]；高強度的人類活動導(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”二元特征[11]；人們?yōu)榱藨?yīng)對城市化水文效應(yīng)，積極探討并制定實施諸如低影響開發(fā)、海綿城市建設(shè)等城市水管理措施[12]。我國深受城市化水文效應(yīng)負面影響的困擾，是世界上遭受城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害最為嚴重的國家之一，2021年鄭州“7·20”特大暴雨造成嚴重人員傷亡與財產(chǎn)損失，成為全國人民心中揮之不去的痛，“逢雨必澇”正在成為我國眾多城市的“痼疾”[13]。

在城市化進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)對措施顯得尤為重要。基于此，本文對快速城市化引發(fā)的水文效應(yīng)進行較為系統(tǒng)的總結(jié)，梳理該研究所運用的技術(shù)方法，簡述國內(nèi)外應(yīng)對城市化水文效應(yīng)的先進水管理理念與措施，最后展望了未來城市化水文效應(yīng)研究及應(yīng)對的重點方向，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)過程[15-16]。城市化的水文效應(yīng)涉及多個方面，本文主要關(guān)注以下幾個方面：城市化對水循環(huán)過程的影響，包括降水、蒸散發(fā)及產(chǎn)匯流等對城市化的響應(yīng)特征；城市化對暴雨內(nèi)澇的影響；城市化對水體環(huán)境的影響，包括城市化對地表及地下水體的水質(zhì)、水體非點源污染等的影響。

1.1 城市化對水循環(huán)過程的影響

水循環(huán)過程涉及多個環(huán)節(jié)，本文聚焦于城區(qū)的降水、蒸散發(fā)、產(chǎn)匯流過程變化的相關(guān)研究。城市區(qū)域突顯的局地小氣候，使得降水、蒸散發(fā)過程發(fā)生改變，同時城市化建設(shè)改變了原有的下墊面條件，產(chǎn)匯流過程變得復(fù)雜。在城市化對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，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[19-20]；城市化對降水的影響與季節(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]。大量觀測與理論分析表明，城市化對降水的影響機理可概括為以下內(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間；城區(qū)汽車尾氣排放等人類活動使空氣中凝結(jié)核增多，促進了降水的產(chǎn)生。部分研究人員[22-23]認為，城市化與降水之間或無顯著的相關(guān)關(guān)系，或抑制降水產(chǎn)生，或影響程度被高估。因此，城市化對降水影響機理的研究一直是難點問題，難點在于如何剔除分析的干擾因素，確保研究是從引起現(xiàn)象的機理出發(fā)，而非從結(jié)果出發(fā)去尋找對應(yīng)的原因，這需要后續(xù)持續(xù)深入的研究。

在城市化對蒸散發(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)，一方面認為，城市化對蒸散發(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)域的日照時數(shù)有減少趨勢，導(dǎo)致獲取的太陽輻射能量降低，抑制蒸散發(fā)過程[25]。敬書珍[26]基于改進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)。也有人認為城市化增強了蒸散發(fā)效應(yīng)。曹潤祥等[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側(cè)的耗水會增加蒸散發(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)?？梢钥闯?，復(fù)雜的城市下墊面以及多種形式的用水活動，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產(chǎn)生相悖的結(jié)論。因此，需要針對不同城市的用水活動特點，開展深入的研究與分析，針對具有一定特征的城市評估其蒸散發(fā)效應(yīng)，并探索影響蒸散發(fā)的敏感性因素，如城市用水活動強弱、植被地貌等。

城市化對產(chǎn)匯流過程影響的研究內(nèi)容較為豐富，研究人員普遍認同城市化導(dǎo)致下墊面洼地減少、透水性減弱，產(chǎn)流量增加，同時，下墊面糙率降低，導(dǎo)致匯流時間縮短，復(fù)雜的下墊面條件使得城市地表匯流過程變得復(fù)雜[30-32]。在影響產(chǎn)流過程方面，主要體現(xiàn)在城市化導(dǎo)致地表的不透水率提高，原來具備透水性能的植被區(qū)、洼地等被道路、廣場、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)的入滲過程，同時，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，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濟南市水文要素的影響，結(jié)果顯示隨著濟南市城市化發(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)象會造成水體泄漏，增加了入滲量，但需要進一步驗證。在影響匯流過程方面，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)時間明顯提前，導(dǎo)致城市化后的洪水過程線變得“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、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)的匯流過程。Miller等[38]利用監(jiān)測的連續(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)匯流過程變化圖1 城市化對產(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，城市化對水循環(huán)過程的影響極為復(fù)雜，涉及多個方面，正反饋與負反饋效應(yīng)同時存在，因此，其影響機理仍不明晰，存在諸多研究難點。后續(xù)的研究需多從影響機理出發(fā)，深入探索城市化對各個水循環(huán)過程的影響機理，結(jié)合理論計算與試驗觀測等方式，深入剖析水循環(huán)過程對城市化的響應(yīng)機理。

1.2 城市化對暴雨內(nèi)澇的影響

城市化對暴雨內(nèi)澇的影響，主要體現(xiàn)在暴雨內(nèi)澇風(fēng)險的增加以及內(nèi)澇發(fā)生頻率上升兩方面[39-40]。對于暴雨內(nèi)澇造成的風(fēng)險而言，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)匯流機理，影響了天然的水文情勢，產(chǎn)流量增多，匯流速度加快，城區(qū)應(yīng)對暴雨的調(diào)蓄能力降低；城市化地區(qū)的人口與經(jīng)濟較為集中，暴雨內(nèi)澇事件增加了承災(zāi)體(人、車、建筑物等)的暴露度，地表淹沒水深及流速增大，加劇了人、車、建筑物等的脆弱性，生命財產(chǎn)損失相應(yīng)增加[41-42]。如王雪[43]基于不同時期土地利用數(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)短歷時強降雨發(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)嚴重滯后，排水管網(wǎng)設(shè)計標準相對較低[45]，導(dǎo)致城市內(nèi)澇事件頻發(fā)。同時，區(qū)域的暴雨強度公式得不到及時更新，嚴重低估了實際暴雨過程，設(shè)計的排水系統(tǒng)能力無法滿足實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降水觀測數(shù)據(jù)，分析了城市化對北京市短歷時降水特征的影響，結(jié)果表明市中心短歷時暴雨的發(fā)生概率和強度顯著增加。陳其幸等[48]發(fā)現(xiàn)，廣州市城區(qū)不同強度的短歷時暴雨均有不同程度的增大趨勢。因此，城市暴雨內(nèi)澇模擬、風(fēng)險分析及內(nèi)澇防治等成為目前城市水文學(xué)領(lǐng)域的重點研究方向。

1.3 城市化對水體環(huán)境的影響

城市化的發(fā)展對城市水體環(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，嚴重影響了生物多樣性。城市化進程導(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水環(huán)境的影響越嚴重。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]認為，城市化對水質(zhì)影響有兩個原因，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]基于長時間序列資料發(fā)現(xiàn)地下水的電導(dǎo)率、硬度和鈉含量等具有增加趨勢，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，從非固定的地點進入河流、湖泊、濕地、水庫等水體，造成水體環(huán)境污染[57]。城市化對非點源污染的影響最為顯著，主要表現(xiàn)為城市化改變了非點源污染的“源、過程、匯”。城區(qū)小河流逐漸消失，削減了天然河道對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，加強了地表徑流沖刷效應(yīng)，河流的污染負荷增大。Kou等[58]基于實測資料研究了3種城市路面對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有關(guān)，普通暴雨對街道污染物的去除率較小。東陽[60]基于SWMM模型分析了昆明市北部排水片區(qū)城市非點源污染逐日排放負荷特征，評價了3種源頭控制技術(shù)對污染物的削減效果。此外，部分學(xué)者從影響因素、研究方法、模型機理、管理和控制手段等方面總結(jié)了國內(nèi)外城市非點源污染的研究現(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)的研究涉及過程復(fù)雜、情景變量多、模型參數(shù)不確定性等問題，一直是水文科學(xué)領(lǐng)域中的難點問題。在許多研究學(xué)者數(shù)十年的研究過程中，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：試驗對比觀測法、特征參數(shù)序列法、場地試驗法和數(shù)值模擬法。

2.1 試驗對比觀測法

早期有關(guān)城市化水文效應(yīng)的研究大多采用試驗對比觀測法，根據(jù)觀測對象的不同可細分為控制對比法、單獨對比法、平行對比法等。該方法的主要思路是建立對比觀測的試驗流域，通過對比水文條件相似但下墊面條件不同的流域水文要素變化，或針對同一試驗流域?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]分析了美國紐約市Croton河附近3個試驗流域的27場暴雨徑流資料，3個試驗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，對數(shù)據(jù)資料的完整性要求較高；另一方面，尋找氣象地理條件完全相同的對比流域十分困難，試驗流域產(chǎn)生的不確定性以及測量產(chǎn)生的誤差會對結(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為研究對象，對于大尺度流域的城市化水文效應(yīng)適用性較弱，同時，該類方法只能得到一些經(jīng)驗性公式，對水文效應(yīng)機理的刻畫不足，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，基于其長時間序列的變化情況來反映該區(qū)域城市化的水文效應(yīng)。徑流系數(shù)與徑流過程線是最常用的特征參數(shù)，前者指任意時段內(nèi)徑流深與降水量的比值，體現(xiàn)土地利用變化對降雨-徑流關(guān)系的影響，而后者指不同時段(多年、月、日、場次降水)的徑流過程，可直觀反映區(qū)域城市化對產(chǎn)匯流特征的影響。如Ress等[64]研究了洛基流域排水系統(tǒng)對城市水文過程的影響，比較了兩個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0.446，而排水管網(wǎng)密度高的集水區(qū)，匯流過程明顯加快。鄭璟等[65]分析了快速城市化過程中土地利用變化對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，剔除了其他因素的影響，計算操作相對簡單，從這些特征參數(shù)的變化趨勢上體現(xiàn)城市化水文效應(yīng)，物理含義明確，適用性較好。但該方法是簡單的數(shù)理統(tǒng)計，缺乏對水文過程復(fù)雜機制的物理表達，忽略復(fù)雜的影響因素而單從特征參數(shù)的趨勢判斷水文效應(yīng)，容易對判斷結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。另外，該方法一般需要長系列資料，對于城市化對水體環(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，無法反映氣候變化對水文效應(yīng)的影響，具有一定的局限性。

2.3 場地試驗法

場地試驗一般分為室內(nèi)場地試驗與野外場地試驗，是探究城市化對產(chǎn)匯流影響機理研究中常用的一類方法，按研究對象一般分為地表產(chǎn)匯流過程試驗與地表水動力過程試驗[66]。前者主要關(guān)注不同降雨條件、不同下墊面條件等對產(chǎn)匯流過程的影響，定量分析徑流過程等水文特征參數(shù)對表征不同城市化程度試驗條件的響應(yīng)關(guān)系。如華亞等[67]采用人工降雨-徑流觀測系統(tǒng)，分析了雨強、坡度與降水動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)，雨強增大會使產(chǎn)流時間提前，匯流時間縮短，坡度影響匯流與退水過程的快慢，降水動能影響下墊面污染物的沖刷特性；楊玉龍等[68]開展了城市路面產(chǎn)匯流試驗研究，發(fā)現(xiàn)路面降雨損耗來自路面的洼蓄，路面糙率對匯流的速度影響較大。另一方面，地表水動力過程試驗則主要關(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)城市微景觀格局對降雨產(chǎn)流過程有顯著影響，并建議規(guī)劃時考慮在地勢較低區(qū)域增加植被面積；Velickovic等[70]利用方塊來表示建筑物構(gòu)建試驗平臺，研究了道路寬度和坡度對二維地表水流演進特征的影響，發(fā)現(xiàn)道路流量受道路寬度和坡度的影響較大，與上游入流位置無關(guān)。

2.4 數(shù)值模擬法

隨著計算機技術(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)值模擬模型來評估城市化的水文效應(yīng)受到了研究人員的廣泛關(guān)注。通過改變表征蒸散發(fā)、下滲、匯流等過程的參數(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程，探究影響機理。Singh等[71]綜述了70多種水文水動力學(xué)模型，總結(jié)了各模型的優(yōu)缺點。徐宗學(xué)等[72]總結(jié)了分布式水文模型在解決實際問題時面臨的困難與應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了水文模型的發(fā)展趨勢。Bronstert等[73]通過應(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]運用SWAT模型分析了太湖上游的西苕溪流域未來城鎮(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]通過耦合MIKE對流擴散模型和Ecolab生態(tài)模型，模擬分析了鴨子蕩水庫DO、COD、氨氮濃度時空分布規(guī)律，結(jié)果顯示水庫對高濃度污染物入流具備凈化能力?？梢?，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，在城市化水文效應(yīng)的研究中越來越受到研究人員的青睞。

按計算方法的不同，模型工具一般分為水文學(xué)模型和水動力學(xué)模型。國外將不同計算方法集成在一起，并開發(fā)出操作界面以及一些前后處理功能，形成了諸多開源或者商業(yè)模型，如SWMM、InfoWorks ICM、MIKE系列模型等；國內(nèi)集成開發(fā)的模型由于受到計算穩(wěn)定性較差以及前后處理功能不太完善等因素的限制，沒有得到廣泛的推廣。因此，國內(nèi)在模型自主研發(fā)領(lǐng)域的研究需將重點放在計算穩(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)對城市化水文效應(yīng)的舉措

3.1 先進的城市水管理理念

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)澇問題日益突出，先進的城市水管理理念受到各個國家的廣泛關(guān)注。國外在20世紀70年代便開始了相關(guān)研究，用以解決城市地區(qū)的水安全問題，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，逐漸形成了諸如低影響開發(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)等先進的城市雨水資源化利用和管理體系[78]，并在實踐中證明了這些措施具有降低城市洪澇風(fēng)險、緩解城市水資源短缺、改善水環(huán)境等優(yōu)勢[79-80]。我國于1980年左右開始探索城市水資源管理策略和方法。近年來，隨著城市防洪排澇與雨水資源化利用思想的轉(zhuǎn)變，我國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、濟南等30個試點城市開展了海綿城市建設(shè)，取得了大量成功經(jīng)驗。本文針對研究領(lǐng)域最活躍的LID和海綿城市兩種城市水管理措施，簡單梳理其發(fā)展歷程。

a.LID。20世紀90年代，美國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)下的水文機制為目標，通過增加入滲、蒸發(fā)、滯留、過濾等措施，減少城市建設(shè)對天然水循環(huán)特征的改變[81]。與傳統(tǒng)的水管理措施相比，LID主張在規(guī)劃階段進行更加詳細的場地設(shè)計，保護場地盡可能地不被城市化進程所干擾，從而減少對城市化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)及環(huán)境的影響，并達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)在遭遇大暴雨時會對下游管網(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)對城市化水文效應(yīng)方面表現(xiàn)出良好的“韌性”，實現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化，從而達到徑流量控制、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[84]。2013年，在我國生態(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》，標志著我國海綿城市建設(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、河堤、雨/污水管網(wǎng)、排澇泵站、防洪閘等，對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)對暴雨內(nèi)澇以及發(fā)揮自然對污染物降解作用方面具有一定成效，然而應(yīng)對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)施來應(yīng)對稀遇極端暴雨[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，灰色基礎(chǔ)設(shè)施的性價比更高，預(yù)算充足時，采用灰色與綠色基礎(chǔ)設(shè)施的組合方式既經(jīng)濟又有效。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)。研究人員基本達成共識，城市雨洪管理并不是灰、綠措施的競爭或替代，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，實現(xiàn)與自然流域系統(tǒng)的融合。

4 面臨的關(guān)鍵問題及挑戰(zhàn)

縱觀國內(nèi)外對城市化水文效應(yīng)的研究，無論從理論方法還是技術(shù)創(chuàng)新，近年來都取得了長足的進步，然而也暴露出許多問題，需要進一步深入研究與探討：城市化水文效應(yīng)的機理尚不深入與系統(tǒng)，缺乏對復(fù)雜產(chǎn)匯流機理以及“自然-社會”二元水循環(huán)機理的深入研究；在城市監(jiān)測系統(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)急管理機制方面，還需制定應(yīng)急響應(yīng)及時、損失率最小的應(yīng)急管理制度。針對以上問題與挑戰(zhàn)，未來關(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，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)帶來的不利影響。

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

a.城市化水文效應(yīng)的機理解析。諸多研究表明，城市化對水循環(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)鍵問題之一。在產(chǎn)匯流機理方面，產(chǎn)流過程還需關(guān)注有效不透水面與無效不透水面的識別問題，以及探討其空間分布方式對產(chǎn)流過程的影響機理；匯流過程需關(guān)注城市復(fù)雜下墊面空間特征以及微地形對地表匯流過程的影響機理，對關(guān)鍵淹沒位置進行監(jiān)測與模擬，重點解析復(fù)雜立交橋等微地形的匯流特征以及城市道路行洪現(xiàn)象的影響機制。另外，在“自然-社會”二元水循環(huán)視角下，還需深入解析社會側(cè)人類涉水活動對城市產(chǎn)匯流過程的影響機理[91]。

b.城市水文監(jiān)測系統(tǒng)與智慧水務(wù)建設(shè)。城市水文循環(huán)規(guī)律的研究離不開水文資料的支撐，城市水文監(jiān)測系統(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。未來需要從多方位構(gòu)建城市水文監(jiān)測系統(tǒng)，為智慧水務(wù)建設(shè)提供完備的數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)，如利用雨滴譜儀、氣象雷達等技術(shù)設(shè)備監(jiān)測城市氣象條件；借助雷達、超聲波等在城市地表布設(shè)完備的水深、流速監(jiān)測點，采用先進的傳感器設(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)測系統(tǒng)自動收集雨量、水位、流量等水情信息，實時傳輸至模型平臺，基于大數(shù)據(jù)、云計算以及空間技術(shù)高效率完成數(shù)據(jù)運算，給出分析與決策結(jié)果，并將結(jié)果實時動態(tài)發(fā)布，實現(xiàn)城市“智慧水管理”并提高預(yù)警預(yù)報能力。

c.建立健全應(yīng)急管理機制。城市暴雨內(nèi)澇事件突發(fā)性強、預(yù)見期短，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)急管理實踐中，暴露出應(yīng)急管理意識較弱、應(yīng)急處置協(xié)調(diào)機構(gòu)不統(tǒng)一、應(yīng)急預(yù)案不充分、部門間聯(lián)動體系不完善等問題，城市暴雨內(nèi)澇應(yīng)急預(yù)警機制與聯(lián)動管理水平亟待提高。未來應(yīng)重點完善城市防洪排澇法律法規(guī)，建立健全防洪排澇應(yīng)急管理體制機制，強化城市暴雨內(nèi)澇預(yù)警監(jiān)測能力建設(shè)，開展暴雨內(nèi)澇應(yīng)急管理知識培訓(xùn)以提高人們防洪防澇意識，努力將暴雨內(nèi)澇災(zāi)害損失控制到最低程度。

5 結(jié) 語

快速城市化對水循環(huán)規(guī)律產(chǎn)生了劇烈影響，使城市水管理面臨著更為嚴峻的挑戰(zhàn)，城市化水文效應(yīng)以及科學(xué)的應(yīng)對措施成為水文科學(xué)領(lǐng)域的熱點問題。在氣候變化及復(fù)雜的城市人類活動背景下，如何科學(xué)解析城市化對水文效應(yīng)的影響機理是目前水文科學(xué)研究的重點與難點。本文以城市化引發(fā)的水文效應(yīng)為主線，梳理了國內(nèi)外對于城市化水文效應(yīng)研究的現(xiàn)狀及水文效應(yīng)特征，整理了開展城市化水文效應(yīng)研究的方法。另外，總結(jié)了應(yīng)對城市化水文效應(yīng)的措施，包括先進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)、無人機遙感技術(shù)，將模型與試驗有機結(jié)合，在學(xué)科基礎(chǔ)方面需融合水文學(xué)、水動力學(xué)、氣象學(xué)、環(huán)境科學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)等。針對目前研究暴露的一些問題，從城市化水文效應(yīng)的機理解析、城市水文監(jiān)測系統(tǒng)與智慧水務(wù)建設(shè)、建立健全應(yīng)急管理機制3個方面展望了未來需重點關(guān)注的方向，為緩解快速城市化帶來的負面水文效應(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)。