城市化水文效应研究进展，本文主要内容关键词为：研究进展论文,水文论文,效应论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
水文过程是气象与下垫面共同作用的结果。城市化引起的土地利用变化、不透水面增加正不断地改变气象与下垫面要素。目前城市化水文效应已涉及降水、河流水系、径流、暴雨洪水、生态环境效应等。城市化水文效应研究已成为流域水资源、水环境以及水安全研究的热点问题。本文基于近年来国内外研究成果，从降水、河流水系、径流、流域生态系统等方面综述了城市化下水文过程响应，并对研究内容和方法进行评述与展望。
1 城市化对降水的影响
目前城市热岛效应与雨岛效应已有较多研究。人口集中、建筑密集、地面不透水增加等特点使城市地区土壤热容量大，地温高于郊区，温度上升，与郊区温差增大，近地面风速递减，城区的绝对湿度和相对湿度逐渐减少。受城市气候的热岛效应、凝结核效应以及高层建筑物阻碍效应影响，城市“雨岛效应”明显[1]。Shepherd[2]研究美国西部、阿拉伯干旱地区降水发现，城市化后比城市化前降水量平均增多12％～14％。降水的增多与城市发展后引起的下垫面变化及其地形的相互作用有关。Mote等[3]、Rose等[4]也认为城市区域能激发或者增加降水。Shepherd等[5]提供了一个理想的范式：在离城市中心25～75km下风向、125°的扇形区域由于城市化作用，降水显著增加。国内对长江三角洲地区研究结果得出类似的结论，在相同气象条件、变化下垫面因素影响下，城市化发展迅速的城区降水增幅大于郊区[6]。李娜等[7]进一步研究认为城市化对年雨量、汛期雨量、最大日雨量和不同类型降雨发生次数都有不同程度的增加作用，其中对最大日雨量的影响最显著。
但是城市化对降水的影响程度仍然存在争议。Kaufmann等[8]认为珠江三角洲地区的降水减少是由于城市化引起的地表水文特征改变引起的，植被覆盖、粗糙度、反射率、能量流动和径流变化减少大气水分的供给。Trusilova等[9]对比欧洲非城市区域和城市化区域，城市化区域冬季降水增多，夏季降水减少。Rosenfeld[10]认为城市产生的气溶胶减小云滴凝结核，不利于降水的形成。郑思轶等[11]分析北京40a气候观测资料得出结果，北京城区年均降水量呈下降趋势，城区下降幅度比郊区明显，并且波动性增强。王喜全等[12]认为城市化的影响程度不可过分地高估。
由此可见城市化对降水影响存在地区差异和季节差异。其很大程度上受到全球气候背景的影响，如季风气候区雨季影响远高于城市化对降水的影响，降水变化与城市化无明显相关关系[8]。目前国内外研究大多是基于卫星、雷达遥感和地面水文、气象数据的统计分析，全球气候变化背景和城市化降水效应机理还有待深入探讨，如城市上空大云滴凝结核的增雨作用和小云滴的抑制作用，以及“蒸发悖论”等。
2 城市化对河流水系影响
2.1 河道结构
城市化对河流水系产生了较大影响，使河道结构趋于简单。城市化对河道结构的影响因河道的等级、社会属性不同而异，一般高等级主干河道因疏浚作用以及不透水面积增加引起的径流流速、洪峰流量和洪水总量增加而变宽，低等级河道则因为淤积以及城市建设“与水争地”而逐渐变窄甚至消失。Gregory等[13]研究英国中南部Monks河流域城市化的水文效应，河流的空间格局发生变化，主河道宽度增加约2.2倍、深度下降约0.4m、容量增加约2.2～2.5倍。Vanacker等[14]基于航片和野外调查研究南厄瓜多尔Deleg河河流系统LUCC的水文地貌响应，结果表明一般河道变窄超过45％，河床深切超过1m，河床沉积粒级从13.2cm下降到4.7cm。国内对太湖流域的研究发现河道淤积严重，数量减少[15]。可见城市化对河道结构的影响是复杂的，在研究河道敏感性和对阈值条件的响应时还要考虑到河道的自然变化过程以及水利工程影响，河道改变与河网改变之间的联系需要进一步研究。
2.2 河网形态
河网形态是河流网络中干流及支流的组合形式，主要的参数有水面率、河流长度、河流频度、河流比降、河网密度、河网复杂度、河网自然度、河网结构稳定度、河网槽蓄容量与可调蓄能力、Horton率、河流分维等。目前国内的研究主要集中在东部河网密集、快速城市化地区。研究表明河网密度、河流长度和面积、水面率、结构稳定度、河网调蓄能力均呈下降趋势[16]。陈云霞等[17]进一步研究浙东沿海地区，河网水面率减幅与城镇用地增幅呈正相关（R＝0.97）。Horton定律是当前对河网形态进行定量描述的重要理论之一，提出以后不断被修正并与河流分形分维理论结合应用于河网分布规律研究中。
Horton定律起源于天然河网分布的统计规律，有研究表明，人类活动强烈、河网受到人为干扰的城市化地区规律不明显[19]。高度城市化地区，河网结构趋于简单，非主干河道不断减少，河网水系分支比削弱，不同等级水系发育的自相似性受到破坏，以及小流域的土地利用变化对于河网发育的影响使Horton率产生改变。尽管如此，Horton比率、分形分维仍然是反映河流数量与长度发育、河网分布以及城市化对河网影响的重要定量指标。目前城市化对河网影响的研究主要问题有：平原河网地区河流等级划分；大量人工开挖形成的河流是否满足Horton率范围；不同比例尺地形图提取的河网分形结果之间的联系等。
3 城市化对径流的长期影响
城市化过程中森林、农田、湿地等不断转化成居住地、工业用地或商业用地，城市地区不透水面积增加。这种下垫面硬化过程使下渗量、截留量、蒸发量、基流和地下水位减少或降低，从而影响流域产流；另一方面与河流渠化、防洪堤坝等水利工程措施共同作用使河道结构、河网形态改变，从而影响河道汇流。产汇流的变化使城市化地区降水一径流过程不同于天然水系。
3.1 城市化对径流的影响
土地利用／覆被变化（LUCC）的径流过程响应是近年来水文研究的热点，但是LUCC与径流产生的机理之间的定量化联系仍没有很好地确立[20]。径流系数与降水量成正比，而降雨量存在年际波动。如何在影响径流变化的诸多因素中剔除降雨年际变化因素是研究的重要内容。一种方法是在较长的尺度范围内利用统计学方法，常用的方法有序列滑动平均法、有序聚类分析法、Mann-Kendall检验方法、主成分分析、累积滤波器[21]等。上述统计学分析方法成功剔除了气候因素影响，但缺点是需要较长的时间尺度。另一种方法是流域实验的方法，该方法产生于上世纪60—70年代，包括控制流域法、单独流域法、平行流域法和多数平均流域法[22]。Gilbert等[23]运用实验方法研究不同类型下垫面降水－径流的量质变化，结果表明沥青、渗透性混凝土和碎石平均渗透率分别为0、11.2和9.0cm／h，沥青路面污染物的浓度变化幅度显著小于其他两种路面。流域实验方法能较精确地模拟不同下垫面条件下的径流，缺点是需要较长的时间，通常在小流域进行，结果也不尽如人意，甚至得出相反的结果，研究结果难以推广。
近年来主要研究方法侧重于水文模型法。即建立降水－径流模型，将不同时期降水量代入模型中，研究同样降水条件下城市化引起的下垫面变化对径流的影响。使用较多的是美国土壤保持局1972年开发的SCS方法。方程为：
式中：
为径流，P为降水，S为潜在的最大滞留，CN（curve number）值通过实验的方法确立，不透水面与水体CN＝100，透水面CN＜100，CN值与前期土壤湿润状况、土壤类型和土地利用有关。该模型在国内外被广泛应用[24-25]。此后建立在SCS基础上的模型有Harbor于1994年开发的L-THIA模型，美国陆军工程师团开发的HES模型的子模型HEC-HMS模型。此外用于定量土地利用变化对径流影响的模型还有美国环保署（EPA）1971年开发的模拟动态降雨－径流的SWMM模型，以及Stanford模型（SWM）和以其为基础的HSPF模型等。模型由集总式向半分布式或分布式方向发展，水文模型仍然是研究城市化对径流影响的主要手段。国内许有鹏等[26]。应用L-THIA模型对西苕溪流域近30a的降雨－径流进行研究，结果表明径流深度增加13mm，年径流系数增加4％，枯水年的年径流深度对土地利用变化的响应较其他年份显著。模型方法具有一定的物理基础，缺点是特定区域建立的模型的推广和参数率定中的“异参同效”问题较难解决。近年来模型研究向具有物理概念的分布式模型，模型与GIS、RS集成，不同模型的耦合与对比等方向发展。
3.2 城市化对水质的影响
城市化过程中用水量持续增长，通常认为当径流量利用率超过20％时就会对水环境产生很大影响，超过50％时则会产生严重影响。同时因城镇用地面积扩张，众多小河流被填没淤堵而消失，减弱了河流天然的蓄水排涝和纳污自净能力，加上不透水面积增大，径流流速加快，排入河流的污染负荷逐渐加大，河网水质不断恶化。Ren等[27]通过回归分析认为接近94％的水质等级（I～V＋类水）变化是由工业用地面积比例变化所贡献，水质等级与居住地、工业用地面积比例呈正相关，与农业用地比例呈负相关。Tong等[28]用CIS结合BASINS模型法，Peters[29]用水文站点对比监测法分别对城市化与水质的关系进行了研究，认为土地利用类型和不透水面积是主要影响因素。国内2000年以来进行了较多的研究，许有鹏等[6]研究鄞东南平原区认为河流数量减少、非汛期水源不足、汛期河道冲刷削弱自净能力是河网水质退化的原因。周海丽等[30]研究深圳市认为，城市用地比例是河流综合污染指数变化的主要原因。
以上的研究结论基本一致，城市化地区的水质变化与径流利用率、水面率、河网密度、不透水面积、土地利用类型等有显著的相关性。为维持城市水环境健康，首先要确定水面率、不透水面积比例使水质退化的阈值，便于合理的流域规划，其次要改进一些参数计算方法，提高研究的准确性。以往的研究水文资料分析法较多，可加强遥感解译在水质分析中的应用，以及流域实验、水质模型等多种方法综合使用。
4 城市化对暴雨洪水的影响
Paul等[31]估计不透水表面增加10％～100％，径流将增加200％～500％，Brun等[32]认为不透水面积比率20％是径流迅速增加的阈值。Hollis[33]总结前人研究成果认为虽然城市化增加小洪水的次数，但对规模大、重现期较长洪水的影响不大。城市化对洪峰流量和洪水总量影响的主要途径有：一是城市发展侵占天然河道洪水滩地，减少了洪水滩地储洪容量和泄洪能力，使城市遭遇大洪水时，河道调蓄能力减弱；二是筑堤渠化会阻止河流宽度的增加，河流会下切河道，河流沉积物粒级变小，流速增加[14]；三是集水区域河道渠化会增加径流汇流流速，进而使洪峰过程线尖瘦和极端洪水的规模增加。由此可见城市化过程的地面结构变化改变了水文情势，影响流域的产汇流过程，增加进入河道中的水量，洪峰时间提前，洪峰流量增大，洪峰过程缩短，洪量趋于集中。
在城市地区，少数不可避免的大洪水将增加水灾的损失，一些城市地区因地面沉降给防洪带来压力，使洪灾损失加剧。一些山区中小河流，盲目开发行洪河滩，修建堤防进行城市建设，流域洪水自然调蓄功能与河道行洪能力下降，导致小流量高水位的现象更加频繁，河流洪水位将随着堤防的延长和加高而不断抬高，即“堤高水涨”。随着经济发展的速度加快，小洪灾造成的经济损失也逐渐加大，即所谓“小水大灾”现象。
5 城市化对流域生态系统的影响
城市化的土地利用方式改变流域生态系统的物理、化学与生物特性，影响有机物质降解过程；城市不透水面积使景观破碎减小了流域生态系统营养物质的移动；城市化的LUCC效应，使洪水和河流沿岸土壤湿润状况改变，而这些会影响生物种类多样性和分布，特别是本土物种；城市化地区河流沿岸单一的生境和较高的污染负荷使鱼类和一些无脊椎动物种类贫乏。综上所述，城市化引起的下垫面变化改变了流域生态系统原有的结构，使其功能退化。Miltner等[34]研究认为不透水面积超过13.8％时，生物完整性指数（Index of Biotic Integrity）显著下降。Woo[35]对比沿岸为泥沙砾石的“白河”与沿岸为植被的“绿河”，沿岸植被缓冲带减轻城市化对流域生态系统的影响。
河网水系生态系统的结构和功能是统一的，城市化过程对其的影响往往是使其结构单一化、功能退化。所以在考虑人类生产生活而充分利用水资源的同时，也应考虑到水环境结构的改变和流域生态系统对水的需求。水循环过程既要考虑大气水、地表水、土壤水和地下水，也应考虑植物需水。生物群落结构一旦遭到破坏，恢复原来的结构可能需要上百年的时间。在此背景下近年来国内兴起了生态用水、城市河流生态系统健康等相关研究。
6 问题与展望
城市化对水文过程的影响已成为水文学研究的前沿问题。综观近年来国内外的研究成果，得出的结论有一定的差异，甚至持有相反的观点，研究方法也在不断完善，许多问题仍需要进一步研究和探讨。笔者认为，今后的研究思路主要应涉及以下方面：
（1）城市化的水文效应具有明显的区域特点，不同地区有不同研究结果，如何将不同地区研究成果归纳总结出规律性的结论是今后研究的主要方向；水文效应是诸多因素综合作用的结果，如何将城市化因素从气象因素、水利工程因素中分离出来是研究的重要内容。
（2）向不同尺度方向发展，宏观上水文科学与大气科学交叉合作，研究区域“城市化－气候变化－水文过程”耦合系统的作用机理；微观上水文科学与环境学、生态学结合，研究河流健康与流域生态系统。
（3）河网水系、径流、暴雨洪水方面，平原河网地区数字流域的建立、水系分级、Horton率的修正或探讨，不同尺度水系分形分维之间的关系；综合流域实验方法的改进，城市化对径流影响的水文模型与GIS、RS集成进行模拟与预测研究；变化下垫面条件、变化社会经济条件下的水情，高度城市化地区防洪问题，城市雨水资源化，洪水资源利用。
（4）水环境、水生态效应方面，不同气候区内不同类型城市不透水面比率对水质产生突变影响的阈值，水文过程的量质演变、时空分布及特征值变化研究；定量化城市化地区生态环境需水最小量，结合水文与生态过程耦合作用机制研究河流健康，流域生态系统多样性的保护，受损生态系统的修复以及生态城市的建设。
城市化的水文过程响应研究具有重要的理论意义和实践价值，尤其对于像我国这样正在快速城市化的国家。在今后的研究中，研究方法的改善以及与相关学科的交叉是该领域的重要研究方向，如GIS、RS等现代技术与统计学方法、综合流域实验、分布式水文模型的结合，水文学与大气科学、地质学、环境学、生态学等学科的交又研究。研究重点在于定量化城市化对水文过程的影响，以及研究结果的可靠性和推广性，从而提高城市水文学的研究水平和成果，为城市化地区的水资源可持续利用、水环境和水安全提供理论指导。