城市水文學(xué)研究論文
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1.1城市化的水文效應(yīng)研究
綜合已有研究,將城市化過程中對區(qū)域水循環(huán)和水文過程產(chǎn)生的影響以及由此引發(fā)的水文現(xiàn)象稱為城市化水文效應(yīng).從水文過程的本身來看,城市化帶來的水文過程效應(yīng)主要包括:城市降雨過程特征突變、城市耗散強度增大以及城市產(chǎn)匯流過程畸變等.對于城市降雨過程,眾多研究表明,城市市區(qū)內(nèi)的降水量顯著高于郊區(qū)降水量,城市周圍降水時空趨勢性分布十分明顯.其主要原因是城市化對水分和能量收支的影響,這些影響被稱之為城市“熱島效應(yīng)”、“雨島效應(yīng)”、城市“干/濕島效應(yīng)”等.其中,城市“雨島效益”和“干/濕島效應(yīng)”與城市“熱島效應(yīng)”密切相關(guān).在城市“熱島效應(yīng)”方面,Gedzelman等人、Champollion等人、Bottyan和Unger、Nadir基于城區(qū)和郊區(qū)的氣溫觀測數(shù)據(jù)分別研究了美國紐約、法國巴黎、匈牙利塞巨(Szged)、蘇丹喀土穆等城市的熱島效應(yīng),發(fā)現(xiàn)紐約城市熱島效應(yīng)最強,城區(qū)和郊區(qū)的氣溫差最高可達8℃.張景哲等人、周淑貞對北京、上海的“熱島效應(yīng)”做了系統(tǒng)研究.在“熱島效應(yīng)”定量模擬方面,日本學(xué)者Kimura和Takahashi,Toshiaki和Kazuhiro建立了人工熱排放(包括汽車尾氣、工業(yè)廢熱、人工取暖等)的精細模擬模型,繪制了較為詳細的逐日和年際人工熱排放變化圖.香港城市大學(xué)Chan教授建立了考慮熱島效應(yīng)的城區(qū)溫度變化修正曲線.在“雨島效應(yīng)”方面,黃國如和何泓杰,王棟成等人在濟南的研究表明:“雨島效應(yīng)”導(dǎo)致城市增雨率約為10%;曹琨等人選取1959~2007年上海市龍華站降水、氣溫資料及青浦、嘉定降水資料,運用累積曲線、距平統(tǒng)計和相對偏差對比等方法對上海地區(qū)降水量進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)“雨島效應(yīng)”主要集中于汛期5~10月,市區(qū)降水平均年增長率為郊區(qū)的1.6倍;目前,在國際上關(guān)于“雨島效應(yīng)”具有2個基本觀點:一是城市化導(dǎo)致城區(qū)高強度降水增加;二是城市化及其工業(yè)污染產(chǎn)生的氣溶膠導(dǎo)致城區(qū)降水減少.第一種觀點的代表性研究在墨西哥城,Jauregui和Romales通過1941~1985年的數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)夏季城區(qū)“>20mm/h”的高強度降水明顯增加,而同時期郊區(qū)雨量站的降水沒有顯著變化.第二種觀點的代表性人物是Daniel,他基于NOAAAVHRR數(shù)據(jù)和歷史降水數(shù)據(jù)分析得出“城市化和工業(yè)污染導(dǎo)致區(qū)域降水量減少”.這兩派觀點看似矛盾,實際具有科學(xué)上的內(nèi)在一致性,城區(qū)點上極端(高強度)降水增加,是以面上其他區(qū)域降水的減少為代價的,因為區(qū)域水汽通量條件并沒有發(fā)生大的變化,“點”上多必然導(dǎo)致“面”上少.在“干/濕島效應(yīng)”方面,目前的研究主要集中在對長時期、大范圍氣象觀測資料的對比分析上,Katharine等人基于全球1973~2003年系列5°5°分辨率的逐月地表濕度分布數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),城市化及其他人類活動導(dǎo)致地表水汽含量(絕對濕度)明顯增加.Brown和Degaetano基于美國145個氣象站的逐小時濕度數(shù)據(jù)分析了美國1930~2010年的地表濕度演變趨勢,發(fā)現(xiàn)絕對濕度普遍增加,相對濕度在城市和郊區(qū)表現(xiàn)不一樣,東部、中部和西部表現(xiàn)也不一樣,大體是東部城市呈現(xiàn)“干島”,西部城市呈現(xiàn)“濕島”.顧麗華等人利用4個氣象站1961~2005年水汽壓、相對濕度的資料,對南京市的城市干島和濕島效應(yīng)進行了全面、細致的研究,發(fā)現(xiàn)南京在平均相對濕度和水汽壓上表現(xiàn)為明顯的干島效應(yīng),隨著城市規(guī)模的發(fā)展,南京城市干島效應(yīng)總體為增強的趨勢;在浙江麗水和福建廈門,潘婭英等人和張少麗等人的研究也得到了“城市干島”的結(jié)論.在城市蒸散發(fā)研究方面,已有研究認為,由于城市化進程使植被、土壤等下墊面條件被不透水硬地面替代,持水下墊面的減少會導(dǎo)致蒸發(fā)量的減少.倪廣恒和敬書珍基于遙感技術(shù)研究了城市蒸散發(fā)過程與土地利用/覆蓋的響應(yīng)關(guān)系;吳炳方和邵建華基于遙感影響建立了區(qū)域蒸騰蒸發(fā)量的時空推演方法,該方法在流域大尺度范圍內(nèi)應(yīng)用較好,但其空間分辨率較低,對城市區(qū)的模擬精度受到限制,而且也沒有考慮城市人工取用水的蒸發(fā)耗散.Qin等人將下墊面分為5類(耕地、城鄉(xiāng)居工地、陸生植被區(qū)、水生植被區(qū)、未利用土地),分別提出了各項ET的理論與計算方法,在城市耗水計算中綜合運用了用水定額、耗水系數(shù)和水量平衡法.在耗水率計算方面,李彥東認為“工業(yè)和生活用水的蒸發(fā)耗水率不超過10%”.孟凡貴在博文“制度性干旱”的附文中(www.people.com.cn/GB/32306/33232/7789334.html)測算北京市區(qū)工業(yè)和生活蒸發(fā)耗水僅為133mm,由此推斷城市單位面積水耗遠比農(nóng)田小,對水源的貢獻遠比農(nóng)田大,這一計算忽略了城市中水回用及復(fù)雜的循環(huán)轉(zhuǎn)化消耗過程,結(jié)果偏小.“制度性干旱”的觀點一度引起學(xué)術(shù)界的爭論.中國科學(xué)院南京土壤研究所張佳寶研究員(news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2009/2/215913.html)在接受《科學(xué)時報》采訪時說:“(孟凡貴)之所以能得出一些令人觸目驚心的結(jié)論,是因為該文在計算各項水資源消耗量時有一些問題”.以上爭論從一個側(cè)面反映了學(xué)術(shù)界和社會公眾對蒸發(fā)耗水的關(guān)注.總體來看,目前城市蒸散發(fā)對自然側(cè)、大尺度的研究較多,對考慮城市耗用水過程的綜合蒸散發(fā)過程的研究還比較少.
1.2城市化伴生的水環(huán)境及水生態(tài)效應(yīng)
從歷史的發(fā)展來看,城市化和工業(yè)化往往導(dǎo)致城市環(huán)境惡化,生態(tài)受到較大破壞.中國目前處于工業(yè)化中后期和快速城市化時期,城市環(huán)境和生態(tài)質(zhì)量逐漸成為制約社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素.其中,水環(huán)境和水生態(tài)是城市生態(tài)環(huán)境體系的重要組成部分.2007年,經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)的“中國環(huán)境報告”指出,中國在經(jīng)濟迅速發(fā)展的同時,環(huán)境質(zhì)量水平大幅度下滑,“與世界上最貧窮的國家近似”.根據(jù)中國人民共和國環(huán)境保護部《2013中國環(huán)境狀況公報》,中國已有超過30%的主要河流、70%的湖泊和20%的沿海水域遭到嚴重污染,尤其是河流流經(jīng)城市段的污染最為嚴重.同時,城市區(qū)域地下水污染問題不容忽視,地下水水質(zhì)優(yōu)良的比例僅占37.3%.水環(huán)境和水生態(tài)惡化不僅對居民飲用水安全構(gòu)成威脅,也是城市實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,經(jīng)濟穩(wěn)定增長的絆腳石.因此,近些年來,城市化、工業(yè)化伴生的水環(huán)境與水生態(tài)效應(yīng)相關(guān)研究成為城市水文學(xué)領(lǐng)域的熱點之一.在城市水環(huán)境方面,以水環(huán)境承載力研究為著眼點,Zacharof等人,Schütze等人在此基礎(chǔ)上提出了水環(huán)境納污能力計算、水環(huán)境過程演變模擬等模型和污水處理系統(tǒng)的實施監(jiān)控方案.水環(huán)境納污計算模型可以定量求解水環(huán)境承載力,對城市建設(shè)決策,可持續(xù)發(fā)展提供有力依據(jù).郭懷成和唐劍武以山東臨淄為例,建立了該區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)動態(tài)預(yù)測與決策模型,由模型獲得定量化水環(huán)境承載力,以研究城市水環(huán)境與社會、經(jīng)濟綜合協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略及對各協(xié)調(diào)策略進行評價.崔鳳軍采用系統(tǒng)研究方法,利用城市水環(huán)境承載力指數(shù)分析城市水環(huán)境,對策略變量做出預(yù)測、優(yōu)化,并利用系統(tǒng)動力學(xué)模擬手段進行了實證研究.左其亭等人提出了計算城市水環(huán)境承載能力的“控制目標反推模型”(COIM模型),同時以鄭州市為應(yīng)用范例,介紹城市水環(huán)境承載能力計算模型應(yīng)用及水環(huán)境調(diào)控對策制定.水環(huán)境和水質(zhì)過程演變研究主要從污染物性質(zhì),污染事件的過程與方式等方面認識環(huán)境惡化與水質(zhì)劣變過程的演化機理,同時提出相關(guān)防治對策.張學(xué)勤和曹光杰就城市水質(zhì)問題提出了節(jié)約用水、控制點源和面源污染、加強城市綠地建設(shè)、生態(tài)修復(fù)城市水體等改善城市水環(huán)境質(zhì)量的具體措施.任玉芬等人通過對不同城市下墊面的分析,研究了屋面和路面等不透水面以及綠地3類城市主要下墊面形式的降雨徑流污染.Zheng等人通過動態(tài)建模方法,研究城市雨水徑流多環(huán)芳香烴(PAH)的污染評估.Gnecco等人研究了在城市表面的降雨污染,分別調(diào)查了屋頂和路面污染情況.結(jié)果顯示在路面徑流中最顯著的污染物為溶解形式的Cu,Pb和Zn的重金屬;關(guān)于屋頂徑流,鋅濃度是非常高的.Vizintin等人使用結(jié)合過程的模型,測定考慮城市水循環(huán)的城市沖積含水層地下水污染.在城市水生態(tài)方面,相關(guān)研究結(jié)合城市生態(tài)建設(shè)管理實踐,通過水與其他生態(tài)要素的統(tǒng)一分析,為城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)與科學(xué)建議.早期的城市生態(tài)建設(shè)規(guī)劃主要考慮城市結(jié)構(gòu)、形態(tài)設(shè)計等,忽視了能源的節(jié)約和環(huán)境的保護,直到20世紀90年代初,城市水問題、水環(huán)境和水生態(tài)的研究才逐漸受到重視.Kattel等人認為,城市生態(tài)是一個聯(lián)合的整體,是建筑、土地利用、城市綠地、道路、濕地、棲息地及島嶼等不同的組合聚集在一起形成的,維持城市生態(tài),保障城市可持續(xù)發(fā)展十分重要.Gbel等人提出了擬自然的城市水文生態(tài)管理方法,并評估了這種管理模式下城市地下水的響應(yīng)規(guī)律.王沛芳等人提出了水安全、水環(huán)境、水景觀、水文化和水經(jīng)濟五位一體的城市水生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)模式.Wang等人研究了青島嶗山區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境的綜合管理,對于城市居民區(qū)的廢水排放,為預(yù)防水體富營養(yǎng)化和藻類的營養(yǎng)物質(zhì)匯集,人工濕地和沿岸水生植物形成了緩沖地帶.周文華等人以北京市為例,探討了城市水生態(tài)足跡的內(nèi)涵和4種典型城市水生態(tài)足跡的發(fā)展軌跡,提出了基于城市生態(tài)需水量的水生態(tài)足跡的核算方法.劉武藝等人定義了基于城市水生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)承載力,提出了“基于城市水生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)承載力-壓力量化模型”,并根據(jù)理論模型設(shè)計了計算模型.綜上所述,城市水環(huán)境與水生態(tài)效應(yīng)研究不單單局限于水資源本身,需要結(jié)合城市整體建設(shè)規(guī)劃,考慮經(jīng)濟和社會因素.在水環(huán)境治理方面,水環(huán)境承載力具備了一定的研究基礎(chǔ),今后主要的研究方向應(yīng)該側(cè)重于污染物的運移轉(zhuǎn)化,以及污染事件和水質(zhì)劣變過程機理的認識和模擬等方面.水生態(tài)研究作為城市生態(tài)建設(shè)的重要部分,則緊密結(jié)合了經(jīng)濟、社會等各類因素.城市生態(tài)需水量、城市生態(tài)承載力等研究都已開展.在城市生態(tài)建設(shè)日益得到重視的情況下,水生態(tài)學(xué)的研究將以可持續(xù)發(fā)展為目標,為統(tǒng)籌規(guī)劃、綜合管理提供理論依據(jù).
1.3城市化水文過程機理研究
城市化水文過程機理研究是城市水文研究的另一重要分支,這部分研究可劃分為“自然”和“社會”2個方面.“自然”方面重點研究天然降水在城市復(fù)雜下墊面上的運動轉(zhuǎn)化和消耗過程;“社會”方面則集中于城市供用水方式和排水過程特征等領(lǐng)域.“自然”方面早期主要關(guān)注城市暴雨洪水及市政排水設(shè)計等工程問題,中國部分高校為此開設(shè)了“城市水利工程”專業(yè).近期關(guān)注城市水文內(nèi)在機理與模擬預(yù)測等基礎(chǔ)科學(xué)問題,包括不同城市下墊面的降雨-徑流關(guān)系、城市產(chǎn)匯流集成模擬、城市暴雨洪水的源頭控制(Perrine等人),代表性成果包括Smith等人,Ragab等人,Amaguchi等人,Naftaly等人,Thomas等人,Yang等人,Ramier等人.研究結(jié)果表明,城市化對天然水循環(huán)的影響作用主要集中在以下幾個方面:
(1)城市化進程改變了天然的下墊面條件,隔斷了地表、土壤與地下的水文聯(lián)系,在一定程度上改變了區(qū)域的產(chǎn)匯流特性;
(2)城市化進程破壞了已有的水文格局,改變了原有的水生態(tài)系統(tǒng)平衡,對城市生態(tài)環(huán)境造成一定程度的影響;
(3)城市化進程從整體上改變了城市水文系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力,增大了城市洪水內(nèi)澇的發(fā)生風險.“社會”方面,已有研究重點關(guān)注城市供水安全,研究不同城市單元的用水量及其影響因素以及城市水體水質(zhì)劣變與驅(qū)動機制研究等.Mercedes等人對巴塞羅那居住區(qū)游泳池的用水量進行了分析,發(fā)現(xiàn)城市游泳池的用水約占了總用水量的10%,富人區(qū)游泳池相對較多,人均用水量也更高一些.Rachelle等人通過澳大利亞金海岸城132個家庭的用水觀測和行為分析,研究了有無節(jié)水意識對最終生活用水量的影響.Peter和Denny對澳大利亞布里斯班城市資源消耗(水資源、能源、住房)的決定因素的半定量分析表明,用水量的決定因素主要取決于收入水平,個人節(jié)水意識對片區(qū)用水量的影響較小.Angela和Thomas研究了西班牙馬洛卡旅游度假區(qū)的用水量,指出高端旅游度假區(qū)人均用水量最高,其原因之一就是其私家花園的用水量占到了夏天總用水量的70%,大眾旅游度假區(qū)的花園用水量占30%,城市居住區(qū)約占20%.劉家宏等人、左其亭剖析了中國城市生活用水指標的演變機理,建立了考慮氣候、經(jīng)濟發(fā)展水平等因素的城市生活用水指標計算模型.城市水質(zhì)劣變和污染負荷驅(qū)動機制是“社會”側(cè)的新的研究熱點.Chebbo和Gromaire通過法國巴黎一個名叫“LeMarais”的城市試驗小區(qū)的綜合觀測,定量分析了下水道系統(tǒng)的污染負荷,分別估計了徑流,廢污水和下水道的沉積物對總污染負荷的貢獻.Campisano等人利用數(shù)學(xué)建模和實驗觀測,研究了下水道的沖洗脈沖波對管道沉積物的沖刷效應(yīng).李家科等人從機理模型、統(tǒng)計模型和概念模型3個方面進行了歸類整理,梳理總結(jié)了城市面源污染估算的主要方法和模型,系統(tǒng)地闡述了城市地表徑流污染的過程機理與描述方案.
1.4城市水文過程模擬模型
城市水文過程模擬模型研究主要集中在城市產(chǎn)匯流與暴雨內(nèi)澇過程方面,已有研究認為城市化導(dǎo)致城市產(chǎn)匯流機制和產(chǎn)匯流特性均發(fā)生改變.Urbonas等人繪制了城市暴雨徑流系數(shù)與城市不透水面積比例的相關(guān)關(guān)系圖,表明隨著城市下墊面不透水特性的增強城市產(chǎn)流系數(shù)迅速增大.Brun和Band研究表明,城市不透水面增加0.1~1倍,產(chǎn)生的地表徑流將增加2~5倍.Seth等人在美國對高度城市化流域和自然流域進行對比研究后發(fā)現(xiàn),城市化區(qū)域降雨徑流峰值要比自然流域高出30%以上,同時,城市化區(qū)域徑流衰退系數(shù)要比自然流域低40%左右.Mark等人和Schmitt等人解析了暴雨洪水時城市表面流和下水管道流量之間的相互作用.我國學(xué)者在城市產(chǎn)匯流和洪澇研究領(lǐng)域主要集中在對城市降雨和徑流的預(yù)報上.許有鵬等人以我國南方城市地區(qū)為例,借助“3S”技術(shù)平臺,對區(qū)域徑流過程進行了模擬,結(jié)論表明快速城市化導(dǎo)致區(qū)域不透水率增加,河網(wǎng)滯蓄能力下降,區(qū)域徑流深度和徑流系數(shù)增大.由于水文過程的復(fù)雜性和不確定性,原型觀測的難度較大.隨著計算機技術(shù)和數(shù)學(xué)模擬技術(shù)的發(fā)展,借助區(qū)域或者流域水文模型對城市化過程中的水文過程進行模擬越來越受到研究者的重視.Lhomme等人建立了基于GIS的城市地表產(chǎn)匯流模型.Vieux和Bedient用數(shù)值方法分析了人口稠密的城市化地區(qū)洪水預(yù)報的不確定性.Valeo和Ho分析了目前融雪模型的一些問題,建立了以野外實驗得到的城市融雪參數(shù)為基礎(chǔ)的融雪模型,解決了城市地區(qū)的融雪問題.Berthier等人用二維數(shù)值模型來確定土壤在城市集水區(qū)徑流的形成中的作用,發(fā)現(xiàn)土壤出流的貢獻可以占到徑流總量的14%.城市水文過程模擬模型基本上可以分為以下幾類:
(1)概念性水文模型;
(2)物理性水文模型;
(3)水動力模型.其中,水文模型將城市水循環(huán)系統(tǒng)看做一個“黑箱”或者“灰箱”系統(tǒng),借助輸入-輸出響應(yīng)關(guān)系或者具有一定物理機理關(guān)系的方程來描述系統(tǒng)的水文過程和水循環(huán)行為.此類模型結(jié)構(gòu)簡單,對輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)的要求不高,便于普及應(yīng)用,缺點在于模擬精度受到一定的限制,模擬過程的時空尺度不宜太小.水動力學(xué)模型對城市水文過程進行了顯式刻畫,利用地表水動力學(xué)方程,管道流體運動方程等對城市水循環(huán)過程進行模擬計算,大大地提高了模擬精度,并且可以顯著降低模擬的時間尺度.但是由于建模過程需要大量復(fù)雜的輸入數(shù)據(jù)和參數(shù),限制了模型的廣泛應(yīng)用.當前,城市水文和水動力模型層出不窮,但每一種模型都具有其獨特的適用范圍.這些模型在特定區(qū)域和特定工況條件下取得了較好的研究成果.總結(jié)來看,SWMM模型、InfoWorks模型和MIKE模型是應(yīng)用成功的典型.SWMM模型的全稱是城市暴雨雨水管理模型(StormWaterManagementModel),是由美國環(huán)保局于20世紀70年代初開發(fā)的.該模型可以模擬城市區(qū)域次降雨徑流過程,包括城市地面暴雨徑流的過程響應(yīng)以及在城市排水系統(tǒng)的水力運動過程等.模型問世以來,被廣泛地應(yīng)用于世界各地的城市規(guī)劃和管理中,在城市暴雨徑流預(yù)報模擬、污水排放的環(huán)境效應(yīng)分析以及城市雨水污水排水設(shè)計等領(lǐng)域均有應(yīng)用.我國學(xué)者針對SWMM模型開展了廣泛的應(yīng)用研究,劉俊和徐向陽利用SWMM模型對天津主城區(qū)外環(huán)河以內(nèi)的主要河道進行了建模計算,得到了研究區(qū)重要河道斷面的流量過程.陳鑫等人對鄭州市主城區(qū)的暴雨徑流過程進行了模擬,并對研究區(qū)設(shè)計排澇標準和排水重現(xiàn)期進行了分析.InfoWorks模型由英國Wallingford集團負責研發(fā).該模型的最大特點是可以仿真模擬城市水循環(huán)過程,對城市管網(wǎng)的水流過程模擬能力比較強大.我國學(xué)者近些年來也積極引進該模型.姚宇建立了城市工業(yè)園區(qū)排水網(wǎng)絡(luò)模擬模型,仿真模擬城市排水管網(wǎng)的運行性能.張偉分析了城市排水管網(wǎng)的水力特性,并模擬管網(wǎng)水流的沉積規(guī)律,為城市管網(wǎng)防淤塞管理提供有力工具.MIKE模型是丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)的產(chǎn)品.DHI是非政府的國際化組織,基金會組織結(jié)構(gòu)形式,主要致力于水資源及水環(huán)境方面的研究,擁有世界上最完善的軟件、領(lǐng)先的技術(shù).MIKE模型家族中有一款專為城市水系統(tǒng)量身定做的模擬工具-MIKEURBAN模型,其前身為MIKEMOUSE模(blog.sina.com.cn/s/blog_4b20b70d01019l3x.html).MIKEURBAN是模擬城市排水,污水系統(tǒng)的水文,水力學(xué)和水質(zhì)等集成工程軟件,它集成了城市下水系統(tǒng)中的地表流,明渠流,管道流,水質(zhì)以及泥沙傳輸?shù)扔嬎隳Ｐ?具有強大的城市水循環(huán)及伴生過程模擬能力.文獻檢索顯示,MIKE系列模型目前在國內(nèi)已有廣泛的應(yīng)用,但是MIKEURBAN模型的應(yīng)用還不是很多.隨著我國城市化的迅速推進,基于城市水循環(huán)調(diào)控與城市水生態(tài)系統(tǒng)保護修復(fù)的需要,MIKE-URBAN模型會有更廣闊的應(yīng)用前景和提升空間.
2城市水文學(xué)發(fā)展趨勢
城市水文研究是通過分析城市化對于降水、城市下墊面產(chǎn)匯流規(guī)律、城市暴雨洪水以及供需水、水資源保障、水環(huán)境、水生態(tài)等方面的影響機制,來實現(xiàn)對城市氣候成因分析、洪水預(yù)測計算、污染事件防控、景觀生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)、雨洪資源化利用等目的.通過以上國內(nèi)外文獻檢索可以發(fā)現(xiàn),城市水文學(xué)興起于20世紀80年代,主要開展城市化的水文效應(yīng)、城市水文機理與模擬等方面的研究.目前學(xué)術(shù)界對城市熱島效應(yīng)的研究結(jié)論基本一致,對產(chǎn)生“熱島效應(yīng)”的機理認識也比較清楚.研究手段已從數(shù)據(jù)對比法(包括城/郊觀測數(shù)據(jù)對比、城區(qū)長系列歷史數(shù)據(jù)對比)上升到模型模擬和實驗室模擬階段,建立了一系列能夠反演城市“熱島效應(yīng)”的統(tǒng)計模型、能量平衡模型、數(shù)值模型、解析模型和物理模型.目前對城市夏季“雨島效應(yīng)”的研究結(jié)論基本一致,對“雨島效應(yīng)”的產(chǎn)生機理認識也比較統(tǒng)一.但對城市干/濕島效應(yīng)的研究結(jié)論在不同地區(qū)并不一致,這與城市水循環(huán)的復(fù)雜性、城市所在區(qū)域氣候背景的差異性,以及水分相變過程與能量平衡(顯熱/潛熱轉(zhuǎn)化)過程的高度契合性密切相關(guān).城市干/濕島效應(yīng)與城市蒸散發(fā)密切相關(guān),欲從機理上闡釋干/濕島形成的原因,必先弄清城市蒸散發(fā)的機制及其各項水分來源.城市水文機理與模擬方面,“自然側(cè)”的降水-產(chǎn)匯流研究比較系統(tǒng),已建立了包括城市屋面、硬化地面、城市綠地等復(fù)雜城市下墊面的降水-蒸發(fā)-徑流定量模擬模型.“社會側(cè)”的用水規(guī)律和需求預(yù)測研究也比較多,剖析了收入水平、節(jié)水意識、生活習慣等因素對城市用水量的影響,建立了考慮氣候、經(jīng)濟發(fā)展水平等因素的城市生活用水指標計算模型.對城市人工取用水的耗水機理研究較少,在城市綜合耗水強度“是高還是低”的定性認識上還存在激烈爭論.目前對工業(yè)、生活及城市景觀生態(tài)用水消耗的定量計算做了一些探索,定量方法主要是經(jīng)驗性的耗水系數(shù)法,尚沒有建立具有物理機制的城市用水蒸發(fā)耗散模型.從城市化的發(fā)展趨勢、水資源消耗的空間分布,以及城市化對水分收支影響等關(guān)鍵科學(xué)問題來看,城市綜合耗水的內(nèi)在機理研究將是現(xiàn)代城市水文學(xué)研究的前沿和熱點,該方面研究獲得的城市蒸發(fā)耗水的定量計算成果,可以建立水分相變過程(蒸發(fā))的能量吸收(潛熱)與氣溫(顯熱)的關(guān)系模型,從而架起城市蒸發(fā)耗水與能量收支之間的橋梁,為解釋不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同濕度條件下城市熱島效應(yīng)的強弱奠定科學(xué)基礎(chǔ).理論上,蒸發(fā)耗散強度大(相對于郊區(qū))的城市,其熱島效應(yīng)弱,反之則強,因為蒸發(fā)吸收顯熱,對溫度升高具有抑制作用.在應(yīng)用方面,隨著城市內(nèi)澇問題的日益凸顯,城市建成區(qū)短歷時暴雨洪水的精細模擬預(yù)測、城市水文極值事件的定量描述、“海綿型”社區(qū)建設(shè)(低影響社區(qū))模式及其水文響應(yīng)規(guī)律等也是城市水文研究重要方向.城市水文學(xué)理論的發(fā)展過程中還存在很多問題需要解決,目前國內(nèi)在機理和模型上的研究還要朝以下幾個方面努力:首先,要重視水文效應(yīng)機理研究.之前諸多研究結(jié)果表明:城市水文效應(yīng)存在明顯的區(qū)域性,不同地區(qū)存在不同的水文現(xiàn)象.把握城市水文效應(yīng)的規(guī)律性并開發(fā)定量模擬模型是今后工作的重點.如城市暴雨產(chǎn)流過程的時空精細化模擬,重點要探究城市“雨島效應(yīng)”、“干濕島效應(yīng)”對城市局部氣候的定量化影響,提高降雨預(yù)報精度和預(yù)見期.其次,要發(fā)展多學(xué)科交叉及應(yīng)用研究.做好城市水文學(xué)研究必須涉及多個領(lǐng)域、學(xué)科的交叉合作,城市水文研究不僅與大氣科學(xué)密切相關(guān),還與環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)及社會科學(xué)、城市規(guī)劃等學(xué)科領(lǐng)域相互關(guān)聯(lián),只有協(xié)調(diào)好學(xué)科間的相互關(guān)系,領(lǐng)域之間互相合作,才能更好地認識和理解城市水文效應(yīng)機制.最后,要把握好氣候變化對城市水文過程的響應(yīng).全球變暖已經(jīng)成為科學(xué)界不爭的事實,諸多學(xué)者認為全球變暖現(xiàn)象對于城市水文過程及水生態(tài)系統(tǒng)存在一定的影響,相對于其他系統(tǒng)而言,城市系統(tǒng)對于氣候變化的影響更加脆弱,因此分析氣候變化對于城市水文過程的影響十分必要.
3結(jié)論與展望
城市水文學(xué)是水文學(xué)的一個重要分支,20世紀80年代正式獨立成為一門學(xué)科,早期重點關(guān)注城市排水工程設(shè)計等水文計算問題.21世紀以來,隨著城市化進程的加快,城市水文學(xué)面臨的問題更趨復(fù)雜,學(xué)科研究領(lǐng)域逐漸拓寬,囊括了城市化伴生的水環(huán)境與水生態(tài)效應(yīng)、城市水文過程機理解析和過程模擬等內(nèi)容.近30年來,城市水文學(xué)在城市水文與伴生過程模擬、城市水資源配置與高效利用、城市防洪減災(zāi)等方面取得了豐碩成果,基本形成了一套完整的機理、模型和實驗觀測方法.但是,目前城市水文學(xué)還有諸多問題存在爭議.隨著氣候變化和城市化進程的推進,這些問題逐漸受到廣泛關(guān)注.
(1)城市區(qū)域局部氣候變化與極端天氣事件頻發(fā)問題.目前,城市區(qū)域的“熱島效應(yīng)”、“干島效應(yīng)”和“濕島效應(yīng)”受到學(xué)界廣泛認可,但上述效應(yīng)的產(chǎn)生機理以及定量表征方法研究還很不充分.
(2)受到氣候變化和強人類活動干擾影響,城市水文要素和自然流域相比發(fā)生了深刻變化.其中,城市區(qū)域的綜合耗水強度和蒸散發(fā)量顯著升高.認識城市高耗水過程機理,實施ET耗水管理,控制城市高耗水對促進區(qū)域真實節(jié)水具有重要作用.
(3)和天然水循環(huán)過程相比,城市區(qū)域人工取用水強度很大,成為城市水循環(huán)運動的主要過程.合理預(yù)測和控制城市社會取用水量,促進城市水循環(huán)、水生態(tài)和水環(huán)境可持續(xù)健康發(fā)展,是城市水文學(xué)的又一個重要任務(wù).總的來看,隨著城市極端天氣事件和內(nèi)澇問題的日益凸顯,城市水文和天氣極值事件的模擬、預(yù)測與應(yīng)用是城市水文研究的重要方向.城市區(qū)域高耗水過程機理與城市水循環(huán)需要加強對城市人工取用水過程的機理認識,對耗水過程中的水分相變帶來的能量轉(zhuǎn)換進行深入研究.此外,城市發(fā)展已逐漸由點狀分布演變?yōu)榧悍植?未來城市群疊加水文效應(yīng)的定量評估和預(yù)測將是城市水文新的發(fā)展方向.
作者：單位：劉家宏 邵薇薇 王建華 陳似藍 高學(xué)睿 王浩 中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室 水利部水資源與水生態(tài)工程技術(shù)研究中心
