城市水文学研究论文

1城市水文学研究现状

1.1城市化的水文效应研究

综合已有研究,将城市化过程中对区域水循环和水文过程产生的影响以及由此引发的水文现象称为城市化水文效应.从水文过程的本身来看,城市化带来的水文过程效应主要包括:城市降雨过程特征突变、城市耗散强度增大以及城市产汇流过程畸变等.对于城市降雨过程,众多研究表明,城市市区内的降水量显著高于郊区降水量,城市周围降水时空趋势性分布十分明显.其主要原因是城市化对水分和能量收支的影响,这些影响被称之为城市“热岛效应”、“雨岛效应”、城市“干/湿岛效应”等.其中,城市“雨岛效益”和“干/湿岛效应”与城市“热岛效应”密切相关.在城市“热岛效应”方面,Gedzelman等人、Champollion等人、Bottyan和Unger、Nadir基于城区和郊区的气温观测数据分别研究了美国纽约、法国巴黎、匈牙利塞巨(Szged)、苏丹喀土穆等城市的热岛效应,发现纽约城市热岛效应最强,城区和郊区的气温差最高可达8℃.张景哲等人、周淑贞对北京、上海的“热岛效应”做了系统研究.在“热岛效应”定量模拟方面,日本学者Kimura和Takahashi,Toshiaki和Kazuhiro建立了人工热排放(包括汽车尾气、工业废热、人工取暖等)的精细模拟模型,绘制了较为详细的逐日和年际人工热排放变化图.香港城市大学Chan教授建立了考虑热岛效应的城区温度变化修正曲线.在“雨岛效应”方面,黄国如和何泓杰,王栋成等人在济南的研究表明:“雨岛效应”导致城市增雨率约为10%;曹琨等人选取1959~2007年上海市龙华站降水、气温资料及青浦、嘉定降水资料,运用累积曲线、距平统计和相对偏差对比等方法对上海地区降水量进行统计分析,发现“雨岛效应”主要集中于汛期5~10月,市区降水平均年增长率为郊区的1.6倍;目前,在国际上关于“雨岛效应”具有2个基本观点:一是城市化导致城区高强度降水增加;二是城市化及其工业污染产生的气溶胶导致城区降水减少.第一种观点的代表性研究在墨西哥城,Jauregui和Romales通过1941~1985年的数据分析,发现夏季城区“>20mm/h”的高强度降水明显增加,而同时期郊区雨量站的降水没有显著变化.第二种观点的代表性人物是Daniel,他基于NOAAAVHRR数据和历史降水数据分析得出“城市化和工业污染导致区域降水量减少”.这两派观点看似矛盾,实际具有科学上的内在一致性,城区点上极端(高强度)降水增加,是以面上其他区域降水的减少为代价的,因为区域水汽通量条件并没有发生大的变化,“点”上多必然导致“面”上少.在“干/湿岛效应”方面,目前的研究主要集中在对长时期、大范围气象观测资料的对比分析上,Katharine等人基于全球1973~2003年系列5°5°分辨率的逐月地表湿度分布数据分析发现,城市化及其他人类活动导致地表水汽含量(绝对湿度)明显增加.Brown和Degaetano基于美国145个气象站的逐小时湿度数据分析了美国1930~2010年的地表湿度演变趋势,发现绝对湿度普遍增加,相对湿度在城市和郊区表现不一样,东部、中部和西部表现也不一样,大体是东部城市呈现“干岛”,西部城市呈现“湿岛”.顾丽华等人利用4个气象站1961~2005年水汽压、相对湿度的资料,对南京市的城市干岛和湿岛效应进行了全面、细致的研究,发现南京在平均相对湿度和水汽压上表现为明显的干岛效应,随着城市规模的发展,南京城市干岛效应总体为增强的趋势;在浙江丽水和福建厦门,潘娅英等人和张少丽等人的研究也得到了“城市干岛”的结论.在城市蒸散发研究方面,已有研究认为,由于城市化进程使植被、土壤等下垫面条件被不透水硬地面替代,持水下垫面的减少会导致蒸发量的减少.倪广恒和敬书珍基于遥感技术研究了城市蒸散发过程与土地利用/覆盖的响应关系;吴炳方和邵建华基于遥感影响建立了区域蒸腾蒸发量的时空推演方法,该方法在流域大尺度范围内应用较好,但其空间分辨率较低,对城市区的模拟精度受到限制,而且也没有考虑城市人工取用水的蒸发耗散.Qin等人将下垫面分为5类(耕地、城乡居工地、陆生植被区、水生植被区、未利用土地),分别提出了各项ET的理论与计算方法,在城市耗水计算中综合运用了用水定额、耗水系数和水量平衡法.在耗水率计算方面,李彦东认为“工业和生活用水的蒸发耗水率不超过10%”.孟凡贵在博文“制度性干旱”的附文中)测算北京市区工业和生活蒸发耗水仅为133mm,由此推断城市单位面积水耗远比农田小,对水源的贡献远比农田大,这一计算忽略了城市中水回用及复杂的循环转化消耗过程,结果偏小.“制度性干旱”的观点一度引起学术界的争论.中国科学院南京土壤研究所张佳宝研究员)在接受《科学时报》采访时说:“(孟凡贵)之所以能得出一些令人触目惊心的结论,是因为该文在计算各项水资源消耗量时有一些问题”.以上争论从一个侧面反映了学术界和社会公众对蒸发耗水的关注.总体来看,目前城市蒸散发对自然侧、大尺度的研究较多,对考虑城市耗用水过程的综合蒸散发过程的研究还比较少.

1.2城市化伴生的水环境及水生态效应

从历史的发展来看,城市化和工业化往往导致城市环境恶化,生态受到较大破坏.中国目前处于工业化中后期和快速城市化时期,城市环境和生态质量逐渐成为制约社会可持续发展的重要因素.其中,水环境和水生态是城市生态环境体系的重要组成部分.2007年,经济合作与发展组织(OECD)发布的“中国环境报告”指出,中国在经济迅速发展的同时,环境质量水平大幅度下滑,“与世界上最贫穷的国家近似”.根据中国人民共和国环境保护部《2013中国环境状况公报》,中国已有超过30%的主要河流、70%的湖泊和20%的沿海水域遭到严重污染,尤其是河流流经城市段的污染最为严重.同时,城市区域地下水污染问题不容忽视,地下水水质优良的比例仅占37.3%.水环境和水生态恶化不仅对居民饮用水安全构成威胁,也是城市实现可持续发展,经济稳定增长的绊脚石.因此,近些年来,城市化、工业化伴生的水环境与水生态效应相关研究成为城市水文学领域的热点之一.在城市水环境方面,以水环境承载力研究为着眼点,Zacharof等人,Schütze等人在此基础上提出了水环境纳污能力计算、水环境过程演变模拟等模型和污水处理系统的实施监控方案.水环境纳污计算模型可以定量求解水环境承载力,对城市建设决策,可持续发展提供有力依据.郭怀成和唐剑武以山东临淄为例,建立了该区水环境系统动态预测与决策模型,由模型获得定量化水环境承载力,以研究城市水环境与社会、经济综合协调发展战略及对各协调策略进行评价.崔凤军采用系统研究方法,利用城市水环境承载力指数分析城市水环境,对策略变量做出预测、优化,并利用系统动力学模拟手段进行了实证研究.左其亭等人提出了计算城市水环境承载能力的“控制目标反推模型”(COIM模型),同时以郑州市为应用范例,介绍城市水环境承载能力计算模型应用及水环境调控对策制定.水环境和水质过程演变研究主要从污染物性质,污染事件的过程与方式等方面认识环境恶化与水质劣变过程的演化机理,同时提出相关防治对策.张学勤和曹光杰就城市水质问题提出了节约用水、控制点源和面源污染、加强城市绿地建设、生态修复城市水体等改善城市水环境质量的具体措施.任玉芬等人通过对不同城市下垫面的分析,研究了屋面和路面等不透水面以及绿地3类城市主要下垫面形式的降雨径流污染.Zheng等人通过动态建模方法,研究城市雨水径流多环芳香烃(PAH)的污染评估.Gnecco等人研究了在城市表面的降雨污染,分别调查了屋顶和路面污染情况.结果显示在路面径流中最显著的污染物为溶解形式的Cu,Pb和Zn的重金属;关于屋顶径流,锌浓度是非常高的.Vizintin等人使用结合过程的模型,测定考虑城市水循环的城市冲积含水层地下水污染.在城市水生态方面,相关研究结合城市生态建设管理实践,通过水与其他生态要素的统一分析,为城市生态可持续发展提供决策依据与科学建议.早期的城市生态建设规划主要考虑城市结构、形态设计等,忽视了能源的节约和环境的保护,直到20世纪90年代初,城市水问题、水环境和水生态的研究才逐渐受到重视.Kattel等人认为,城市生态是一个联合的整体,是建筑、土地利用、城市绿地、道路、湿地、栖息地及岛屿等不同的组合聚集在一起形成的,维持城市生态,保障城市可持续发展十分重要.Gbel等人提出了拟自然的城市水文生态管理方法,并评估了这种管理模式下城市地下水的响应规律.王沛芳等人提出了水安全、水环境、水景观、水文化和水经济五位一体的城市水生态系统建设模式.Wang等人研究了青岛崂山区水资源和生态环境的综合管理,对于城市居民区的废水排放,为预防水体富营养化和藻类的营养物质汇集,人工湿地和沿岸水生植物形成了缓冲地带.周文华等人以北京市为例,探讨了城市水生态足迹的内涵和4种典型城市水生态足迹的发展轨迹,提出了基于城市生态需水量的水生态足迹的核算方法.刘武艺等人定义了基于城市水生态系统健康的生态承载力,提出了“基于城市水生态系统健康的生态承载力-压力量化模型”,并根据理论模型设计了计算模型.综上所述,城市水环境与水生态效应研究不单单局限于水资源本身,需要结合城市整体建设规划,考虑经济和社会因素.在水环境治理方面,水环境承载力具备了一定的研究基础,今后主要的研究方向应该侧重于污染物的运移转化,以及污染事件和水质劣变过程机理的认识和模拟等方面.水生态研究作为城市生态建设的重要部分,则紧密结合了经济、社会等各类因素.城市生态需水量、城市生态承载力等研究都已开展.在城市生态建设日益得到重视的情况下,水生态学的研究将以可持续发展为目标,为统筹规划、综合管理提供理论依据.

1.3城市化水文过程机理研究

城市化水文过程机理研究是城市水文研究的另一重要分支,这部分研究可划分为“自然”和“社会”2个方面.“自然”方面重点研究天然降水在城市复杂下垫面上的运动转化和消耗过程;“社会”方面则集中于城市供用水方式和排水过程特征等领域.“自然”方面早期主要关注城市暴雨洪水及市政排水设计等工程问题,中国部分高校为此开设了“城市水利工程”专业.近期关注城市水文内在机理与模拟预测等基础科学问题,包括不同城市下垫面的降雨-径流关系、城市产汇流集成模拟、城市暴雨洪水的源头控制(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.研究结果表明,城市化对天然水循环的影响作用主要集中在以下几个方面:

(1)城市化进程改变了天然的下垫面条件,隔断了地表、土壤与地下的水文联系,在一定程度上改变了区域的产汇流特性;

(2)城市化进程破坏了已有的水文格局,改变了原有的水生态系统平衡,对城市生态环境造成一定程度的影响;

(3)城市化进程从整体上改变了城市水文系统的调节能力,增大了城市洪水内涝的发生风险.“社会”方面,已有研究重点关注城市供水安全,研究不同城市单元的用水量及其影响因素以及城市水体水质劣变与驱动机制研究等.Mercedes等人对巴塞罗那居住区游泳池的用水量进行了分析,发现城市游泳池的用水约占了总用水量的10%,富人区游泳池相对较多,人均用水量也更高一些.Rachelle等人通过澳大利亚金海岸城132个家庭的用水观测和行为分析,研究了有无节水意识对最终生活用水量的影响.Peter和Denny对澳大利亚布里斯班城市资源消耗(水资源、能源、住房)的决定因素的半定量分析表明,用水量的决定因素主要取决于收入水平,个人节水意识对片区用水量的影响较小.Angela和Thomas研究了西班牙马洛卡旅游度假区的用水量,指出高端旅游度假区人均用水量最高,其原因之一就是其私家花园的用水量占到了夏天总用水量的70%,大众旅游度假区的花园用水量占30%,城市居住区约占20%.刘家宏等人、左其亭剖析了中国城市生活用水指标的演变机理,建立了考虑气候、经济发展水平等因素的城市生活用水指标计算模型.城市水质劣变和污染负荷驱动机制是“社会”侧的新的研究热点.Chebbo和Gromaire通过法国巴黎一个名叫“LeMarais”的城市试验小区的综合观测,定量分析了下水道系统的污染负荷,分别估计了径流,废污水和下水道的沉积物对总污染负荷的贡献.Campisano等人利用数学建模和实验观测,研究了下水道的冲洗脉冲波对管道沉积物的冲刷效应.李家科等人从机理模型、统计模型和概念模型3个方面进行了归类整理,梳理总结了城市面源污染估算的主要方法和模型,系统地阐述了城市地表径流污染的过程机理与描述方案.

1.4城市水文过程模拟模型

城市水文过程模拟模型研究主要集中在城市产汇流与暴雨内涝过程方面,已有研究认为城市化导致城市产汇流机制和产汇流特性均发生改变.Urbonas等人绘制了城市暴雨径流系数与城市不透水面积比例的相关关系图,表明随着城市下垫面不透水特性的增强城市产流系数迅速增大.Brun和Band研究表明,城市不透水面增加0.1~1倍,产生的地表径流将增加2~5倍.Seth等人在美国对高度城市化流域和自然流域进行对比研究后发现,城市化区域降雨径流峰值要比自然流域高出30%以上,同时,城市化区域径流衰退系数要比自然流域低40%左右.Mark等人和Schmitt等人解析了暴雨洪水时城市表面流和下水管道流量之间的相互作用.我国学者在城市产汇流和洪涝研究领域主要集中在对城市降雨和径流的预报上.许有鹏等人以我国南方城市地区为例,借助“3S”技术平台,对区域径流过程进行了模拟,结论表明快速城市化导致区域不透水率增加,河网滞蓄能力下降,区域径流深度和径流系数增大.由于水文过程的复杂性和不确定性,原型观测的难度较大.随着计算机技术和数学模拟技术的发展,借助区域或者流域水文模型对城市化过程中的水文过程进行模拟越来越受到研究者的重视.Lhomme等人建立了基于GIS的城市地表产汇流模型.Vieux和Bedient用数值方法分析了人口稠密的城市化地区洪水预报的不确定性.Valeo和Ho分析了目前融雪模型的一些问题,建立了以野外实验得到的城市融雪参数为基础的融雪模型,解决了城市地区的融雪问题.Berthier等人用二维数值模型来确定土壤在城市集水区径流的形成中的作用,发现土壤出流的贡献可以占到径流总量的14%.城市水文过程模拟模型基本上可以分为以下几类:

(1)概念性水文模型;

(2)物理性水文模型;

(3)水动力模型.其中,水文模型将城市水循环系统看做一个“黑箱”或者“灰箱”系统,借助输入-输出响应关系或者具有一定物理机理关系的方程来描述系统的水文过程和水循环行为.此类模型结构简单,对输入数据和参数的要求不高,便于普及应用,缺点在于模拟精度受到一定的限制,模拟过程的时空尺度不宜太小.水动力学模型对城市水文过程进行了显式刻画,利用地表水动力学方程,管道流体运动方程等对城市水循环过程进行模拟计算,大大地提高了模拟精度,并且可以显著降低模拟的时间尺度.但是由于建模过程需要大量复杂的输入数据和参数,限制了模型的广泛应用.当前,城市水文和水动力模型层出不穷,但每一种模型都具有其独特的适用范围.这些模型在特定区域和特定工况条件下取得了较好的研究成果.总结来看,SWMM模型、InfoWorks模型和MIKE模型是应用成功的典型.SWMM模型的全称是城市暴雨雨水管理模型(StormWaterManagementModel),是由美国环保局于20世纪70年代初开发的.该模型可以模拟城市区域次降雨径流过程,包括城市地面暴雨径流的过程响应以及在城市排水系统的水力运动过程等.模型问世以来,被广泛地应用于世界各地的城市规划和管理中,在城市暴雨径流预报模拟、污水排放的环境效应分析以及城市雨水污水排水设计等领域均有应用.我国学者针对SWMM模型开展了广泛的应用研究,刘俊和徐向阳利用SWMM模型对天津主城区外环河以内的主要河道进行了建模计算,得到了研究区重要河道断面的流量过程.陈鑫等人对郑州市主城区的暴雨径流过程进行了模拟,并对研究区设计排涝标准和排水重现期进行了分析.InfoWorks模型由英国Wallingford集团负责研发.该模型的最大特点是可以仿真模拟城市水循环过程,对城市管网的水流过程模拟能力比较强大.我国学者近些年来也积极引进该模型.姚宇建立了城市工业园区排水网络模拟模型,仿真模拟城市排水管网的运行性能.张伟分析了城市排水管网的水力特性,并模拟管网水流的沉积规律,为城市管网防淤塞管理提供有力工具.MIKE模型是丹麦水资源及水环境研究所(DHI)的产品.DHI是非政府的国际化组织,基金会组织结构形式,主要致力于水资源及水环境方面的研究,拥有世界上最完善的软件、领先的技术.MIKE模型家族中有一款专为城市水系统量身定做的模拟工具-MIKEURBAN模型,其前身为MIKEMOUSE模是模拟城市排水,污水系统的水文,水力学和水质等集成工程软件,它集成了城市下水系统中的地表流,明渠流,管道流,水质以及泥沙传输等计算模型,具有强大的城市水循环及伴生过程模拟能力.文献检索显示,MIKE系列模型目前在国内已有广泛的应用,但是MIKEURBAN模型的应用还不是很多.随着我国城市化的迅速推进,基于城市水循环调控与城市水生态系统保护修复的需要,MIKE-URBAN模型会有更广阔的应用前景和提升空间.

2城市水文学发展趋势

城市水文研究是通过分析城市化对于降水、城市下垫面产汇流规律、城市暴雨洪水以及供需水、水资源保障、水环境、水生态等方面的影响机制,来实现对城市气候成因分析、洪水预测计算、污染事件防控、景观生态系统建设、雨洪资源化利用等目的.通过以上国内外文献检索可以发现,城市水文学兴起于20世纪80年代,主要开展城市化的水文效应、城市水文机理与模拟等方面的研究.目前学术界对城市热岛效应的研究结论基本一致,对产生“热岛效应”的机理认识也比较清楚.研究手段已从数据对比法(包括城/郊观测数据对比、城区长系列历史数据对比)上升到模型模拟和实验室模拟阶段,建立了一系列能够反演城市“热岛效应”的统计模型、能量平衡模型、数值模型、解析模型和物理模型.目前对城市夏季“雨岛效应”的研究结论基本一致,对“雨岛效应”的产生机理认识也比较统一.但对城市干/湿岛效应的研究结论在不同地区并不一致,这与城市水循环的复杂性、城市所在区域气候背景的差异性,以及水分相变过程与能量平衡(显热/潜热转化)过程的高度契合性密切相关.城市干/湿岛效应与城市蒸散发密切相关,欲从机理上阐释干/湿岛形成的原因,必先弄清城市蒸散发的机制及其各项水分来源.城市水文机理与模拟方面,“自然侧”的降水-产汇流研究比较系统,已建立了包括城市屋面、硬化地面、城市绿地等复杂城市下垫面的降水-蒸发-径流定量模拟模型.“社会侧”的用水规律和需求预测研究也比较多,剖析了收入水平、节水意识、生活习惯等因素对城市用水量的影响,建立了考虑气候、经济发展水平等因素的城市生活用水指标计算模型.对城市人工取用水的耗水机理研究较少,在城市综合耗水强度“是高还是低”的定性认识上还存在激烈争论.目前对工业、生活及城市景观生态用水消耗的定量计算做了一些探索,定量方法主要是经验性的耗水系数法,尚没有建立具有物理机制的城市用水蒸发耗散模型.从城市化的发展趋势、水资源消耗的空间分布,以及城市化对水分收支影响等关键科学问题来看,城市综合耗水的内在机理研究将是现代城市水文学研究的前沿和热点,该方面研究获得的城市蒸发耗水的定量计算成果,可以建立水分相变过程(蒸发)的能量吸收(潜热)与气温(显热)的关系模型,从而架起城市蒸发耗水与能量收支之间的桥梁,为解释不同地区、不同季节、不同湿度条件下城市热岛效应的强弱奠定科学基础.理论上,蒸发耗散强度大(相对于郊区)的城市,其热岛效应弱,反之则强,因为蒸发吸收显热,对温度升高具有抑制作用.在应用方面,随着城市内涝问题的日益凸显,城市建成区短历时暴雨洪水的精细模拟预测、城市水文极值事件的定量描述、“海绵型”社区建设(低影响社区)模式及其水文响应规律等也是城市水文研究重要方向.城市水文学理论的发展过程中还存在很多问题需要解决,目前国内在机理和模型上的研究还要朝以下几个方面努力:首先,要重视水文效应机理研究.之前诸多研究结果表明:城市水文效应存在明显的区域性,不同地区存在不同的水文现象.把握城市水文效应的规律性并开发定量模拟模型是今后工作的重点.如城市暴雨产流过程的时空精细化模拟,重点要探究城市“雨岛效应”、“干湿岛效应”对城市局部气候的定量化影响,提高降雨预报精度和预见期.其次,要发展多学科交叉及应用研究.做好城市水文学研究必须涉及多个领域、学科的交叉合作,城市水文研究不仅与大气科学密切相关,还与环境科学、生态学及社会科学、城市规划等学科领域相互关联,只有协调好学科间的相互关系,领域之间互相合作,才能更好地认识和理解城市水文效应机制.最后,要把握好气候变化对城市水文过程的响应.全球变暖已经成为科学界不争的事实,诸多学者认为全球变暖现象对于城市水文过程及水生态系统存在一定的影响,相对于其他系统而言,城市系统对于气候变化的影响更加脆弱,因此分析气候变化对于城市水文过程的影响十分必要.

3结论与展望

城市水文学是水文学的一个重要分支,20世纪80年代正式独立成为一门学科,早期重点关注城市排水工程设计等水文计算问题.21世纪以来,随着城市化进程的加快,城市水文学面临的问题更趋复杂,学科研究领域逐渐拓宽,囊括了城市化伴生的水环境与水生态效应、城市水文过程机理解析和过程模拟等内容.近30年来,城市水文学在城市水文与伴生过程模拟、城市水资源配置与高效利用、城市防洪减灾等方面取得了丰硕成果,基本形成了一套完整的机理、模型和实验观测方法.但是,目前城市水文学还有诸多问题存在争议.随着气候变化和城市化进程的推进,这些问题逐渐受到广泛关注.

(1)城市区域局部气候变化与极端天气事件频发问题.目前,城市区域的“热岛效应”、“干岛效应”和“湿岛效应”受到学界广泛认可,但上述效应的产生机理以及定量表征方法研究还很不充分.

(2)受到气候变化和强人类活动干扰影响,城市水文要素和自然流域相比发生了深刻变化.其中,城市区域的综合耗水强度和蒸散发量显著升高.认识城市高耗水过程机理,实施ET耗水管理,控制城市高耗水对促进区域真实节水具有重要作用.

(3)和天然水循环过程相比,城市区域人工取用水强度很大,成为城市水循环运动的主要过程.合理预测和控制城市社会取用水量,促进城市水循环、水生态和水环境可持续健康发展,是城市水文学的又一个重要任务.总的来看,随着城市极端天气事件和内涝问题的日益凸显,城市水文和天气极值事件的模拟、预测与应用是城市水文研究的重要方向.城市区域高耗水过程机理与城市水循环需要加强对城市人工取用水过程的机理认识,对耗水过程中的水分相变带来的能量转换进行深入研究.此外,城市发展已逐渐由点状分布演变为集群分布,未来城市群叠加水文效应的定量评估和预测将是城市水文新的发展方向.

作者：单位：刘家宏 邵薇薇 王建华 陈似蓝 高学睿 王浩 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室 水利部水资源与水生态工程技术研究中心