城市化水文效應研究進展：機理、方法與應對措施

徐宗學，李 鵬

(1.北京師范大學水科學研究院，北京 100875； 2.城市水循環與海綿城市技術北京市重點實驗室，北京 100875)

城市地區人類活動最為活躍，近年來全球城市化正處在快速發展期，《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%，隨著城鄉一體化戰略的實施，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，城市地區面臨著前所未有的威脅與挑戰[4-6]。

快速城市化給城市帶來一系列水文效應，對城市水循環以及水安全造成了深刻的影響，尤其在城市暴雨內澇、生態環境、水資源供需矛盾等方面給城市居民造成了巨大困擾與災害，嚴重影響了經濟社會的可持續發展。隨著城市化進程的不斷加快，城市區域人類活動更為頻繁，城市化水文效應愈演愈烈，已引起全世界范圍的廣泛關注[7-8]。國內外相關研究主要集中在城市化對各個水循環過程的影響、對城市水生態環境的影響以及應對城市化水文效應的理論與技術體系等方面，如城市化區域不透水地表快速擴張，導致城區產匯流速度加快，洪峰流量增大，洪峰時間提前，降水頻率與強度提高，城市暴雨內澇風險增大[9]；高強度的人類活動導致生活污水與工業廢水排放量增加，導致水質與水生態環境惡化[10]，使城市水循環呈現“自然-社會”二元特征[11]；人們為了應對城市化水文效應，積極探討并制定實施諸如低影響開發、海綿城市建設等城市水管理措施[12]。我國深受城市化水文效應負面影響的困擾，是世界上遭受城市暴雨內澇災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，城市化水文效應的研究以及相應的應對措施顯得尤為重要。基于此，本文對快速城市化引發的水文效應進行較為系統的總結，梳理該研究所運用的技術方法，簡述國內外應對城市化水文效應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研究及應對的重點方向，以期為城市可持續發展提供參考。

1 城市化水文效應

水循環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，城市地區的快速擴張，導致不透水面積迅速增加[14]，局地小氣候發生改變，加之大量基礎設施的建設(如立交橋、地鐵等)，極大地影響了城市水循環過程[15-16]。城市化的水文效應涉及多個方面，本文主要關注以下幾個方面：城市化對水循環過程的影響，包括降水、蒸散發及產匯流等對城市化的響應特征；城市化對暴雨內澇的影響；城市化對水體環境的影響，包括城市化對地表及地下水體的水質、水體非點源污染等的影響。

1.1 城市化對水循環過程的影響

水循環過程涉及多個環節，本文聚焦于城區的降水、蒸散發、產匯流過程變化的相關研究。城市區域突顯的局地小氣候，使得降水、蒸散發過程發生改變，同時城市化建設改變了原有的下墊面條件，產匯流過程變得復雜。在城市化對降水影響的研究方面，城市熱島效應與城市雨島效應已被諸多研究人員提出與證實，其研究結果主要表現為：城郊的降水量差距較大，城市區域的降水量明顯高于郊區[17-18]；城區的降水強度、降水日數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、城市地形以及地理位置等有密切關系，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容：城市人口、建筑、車輛密集，使城區上空熱氣流聚集形成熱島效應，城區大氣環流弱，容易導致對流性降水的發生；城區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；城區汽車尾氣排放等人類活動使空氣中凝結核增多，促進了降水的產生。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關系，或抑制降水產生，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象的機理出發，而非從結果出發去尋找對應的原因，這需要后續持續深入的研究。

在城市化對蒸散發的影響方面，研究人員從多角度分析了城市化的蒸散發效應，一方面認為，城市化對蒸散發具有削弱效應，主要表現為：城區原有植被被不透水地表取代，植被冠層蒸發量降低；城區水體覆蓋度較小，且大面積不透水地表阻隔了地下水分蒸發的通道[24]；城市化區域的日照時數有減少趨勢，導致獲取的太陽輻射能量降低，抑制蒸散發過程[25]。敬書珍[26]基于改進SEBAL模型，發現北京市日蒸散發存在明顯城郊差異，蒸散發量與NDVI、不透水率及主要地形要素等關系密切。楊凱等[27]分析了上海市蒸發變化及城郊差異，結果顯示城市化導致上海地區城郊的蒸發存在明顯差異，且與下墊面狀況直接相關。也有人認為城市化增強了蒸散發效應。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城市化地區蒸散發特征，結果顯示人為熱或社會側的耗水會增加蒸散發，且建成區的增幅更大。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的影響，發現城區蒸散量相比自然下墊面條件較高，可能與考慮人為熱、建筑物內部蒸散及滲漏因素有關。可以看出，復雜的城市下墊面以及多種形式的用水活動，使得城市化蒸散發效應的研究難度加大，考慮因素不同可能會產生相悖的結論。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效應，并探索影響蒸散發的敏感性因素，如城市用水活動強弱、植被地貌等。

城市化對產匯流過程影響的研究內容較為豐富，研究人員普遍認同城市化導致下墊面洼地減少、透水性減弱，產流量增加，同時，下墊面糙率降低，導致匯流時間縮短，復雜的下墊面條件使得城市地表匯流過程變得復雜[30-32]。在影響產流過程方面，主要體現在城市化導致地表的不透水率提高，原來具備透水性能的植被區、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，因此表現出城市化后徑流系數顯著增大(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，發現城市化后豐、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，結果顯示隨著濟南市城市化發展，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，城市的排水管網老化的現象會造成水體泄漏，增加了入滲量，但需要進一步驗證。在影響匯流過程方面，則主要表現為以下特征(圖1中，T前、T后分別為城市化前后的峰現時間，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時間差值和洪峰流量差值)：城市化區域地表糙率減小，匯流速度加快，加之城市排水管網的存在，峰現時間明顯提前，導致城市化后的洪水過程線變得“尖瘦”；城市極為復雜的下墊面導致其匯流路徑發生了巨大變化，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]，透水區與不透水區的復雜連通關系影響了地表匯流過程[36]；城市化改變了原有河網水系的形態與結構，支流逐漸消失[37]；城市的水利工程建設，如橡膠壩、泵站等，也在一定程度上影響了城區的匯流過程。Miller等[38]利用監測的連續降雨、徑流和蒸發數據，分析得出研究區不透水率從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) 城市化前后產匯流比例變化 (c) 城市化前后產匯流過程變化圖1 城市化對產匯流影響示意圖Fig.1 The schematic diagram for the impact of urbanization on runoff generation and confluence

綜上所述，城市化對水循環過程的影響極為復雜，涉及多個方面，正反饋與負反饋效應同時存在，因此，其影響機理仍不明晰，存在諸多研究難點。后續的研究需多從影響機理出發，深入探索城市化對各個水循環過程的影響機理，結合理論計算與試驗觀測等方式，深入剖析水循環過程對城市化的響應機理。

1.2 城市化對暴雨內澇的影響

城市化對暴雨內澇的影響，主要體現在暴雨內澇風險的增加以及內澇發生頻率上升兩方面[39-40]。對于暴雨內澇造成的風險而言，城市化的影響主要表現為：下墊面條件硬化改變了城區產匯流機理，影響了天然的水文情勢，產流量增多，匯流速度加快，城區應對暴雨的調蓄能力降低；城市化地區的人口與經濟較為集中，暴雨內澇事件增加了承災體(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，生命財產損失相應增加[41-42]。如王雪[43]基于不同時期土地利用數據，采用SCS模型及等體積法分析了上海市江橋鎮暴雨內澇災害對城市化的響應，結果顯示城市化程度越高，研究區建筑物暴露性及總損失量越大，其空間分布趨于成片化。

在對內澇發生頻率的影響方面，主要在于城市化的雨島效應提高了城區短歷時強降雨發生的頻率[44]，城市的快速發展導致排水管網系統建設嚴重滯后，排水管網設計標準相對較低[45]，導致城市內澇事件頻發。同時，區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，設計的排水系統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據，分析了城市化對北京市短歷時降水特征的影響，結果表明市中心短歷時暴雨的發生概率和強度顯著增加。陳其幸等[48]發現，廣州市城區不同強度的短歷時暴雨均有不同程度的增大趨勢。因此，城市暴雨內澇模擬、風險分析及內澇防治等成為目前城市水文學領域的重點研究方向。

1.3 城市化對水體環境的影響

城市化的發展對城市水體環境產生了很大影響，水體污染事件頻發[49-50]，主要體現在城市活動造成生活污水與工業廢水排放猛增，城市水體環境惡化；排放的污染尾氣使降水酸化，進一步惡化了地表水質；污水管網與合流制管網的泄漏，造成地下水污染，滋生微生物群[51]；城市發展擠占了原有河道、濕地，生物群落的生存空間減少，嚴重影響了生物多樣性。城市化進程導致用水量急劇增加，地下水質量受到巨大影響[52]，用水量占徑流量的比例越高對水環境的影響越嚴重。許多學者探討了城市化與水質之間的關系，如Paul等[53]認為，城市化對水質影響有兩個原因，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為城市下墊面的透水性。Razali等[54]調查發現城市化及土地利用變化影響了河流水質。Ren等[55]基于回歸模型，分析了上海市水質與城市化及土地利用變化格局的關系，發現城市化與水質惡化呈顯著正相關。Lokhande等[56]基于長時間序列資料發現地下水的電導率、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致河流水質惡化。

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，造成水體環境污染[57]。城市化對非點源污染的影響最為顯著，主要表現為城市化改變了非點源污染的“源、過程、匯”。城區小河流逐漸消失，削減了天然河道對水體的蓄滯和自凈能力，人工基礎設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，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，商業區的有機污染物濃度較高。Vaze等[59]基于36 d樣本數據，發現墨爾本城市道路的污染物濃度與清掃機有關，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種源頭控制技術對污染物的削減效果。此外，部分學者從影響因素、研究方法、模型機理、管理和控制手段等方面總結了國內外城市非點源污染的研究現狀[61-62]。

2 城市化水文效應研究方法

城市化水文效應的研究涉及過程復雜、情景變量多、模型參數不確定性等問題，一直是水文科學領域中的難點問題。在許多研究學者數十年的研究過程中，逐步發展了眾多有效的理論支撐與技術方法，研究方法可概括為4類：試驗對比觀測法、特征參數序列法、場地試驗法和數值模擬法。

2.1 試驗對比觀測法

早期有關城市化水文效應的研究大多采用試驗對比觀測法，根據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對比城市化前后的水文要素改變情況，分析城市化的水文效應。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、中等城市化地區和未開發區，結果顯示，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，對數據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，試驗流域產生的不確定性以及測量產生的誤差會對結果產生較大影響，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適用性較弱，同時，該類方法只能得到一些經驗性公式，對水文效應機理的刻畫不足，缺乏一定的普適性。

2.2 特征參數序列法

特征參數序列法是針對研究區域，選擇研究水文變化的特征參數，如徑流系數、徑流總量、徑流過程線、年內分配不均勻系數、年徑流變差系數等水文特征值，基于其長時間序列的變化情況來反映該區域城市化的水文效應。徑流系數與徑流過程線是最常用的特征參數，前者指任意時段內徑流深與降水量的比值，體現土地利用變化對降雨-徑流關系的影響，而后者指不同時段(多年、月、日、場次降水)的徑流過程，可直觀反映區域城市化對產匯流特征的影響。如Ress等[64]研究了洛基流域排水系統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密度集水區的暴雨水文響應，結果顯示高不透水比例的集水區徑流量顯著增加，平均徑流系數達0.446，而排水管網密度高的集水區，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生的影響，發現土地利用變化會改變各水文要素的空間和年際分布特征。

特征參數法在表征城市化引起的水文效應時，剔除了其他因素的影響，計算操作相對簡單，從這些特征參數的變化趨勢上體現城市化水文效應，物理含義明確，適用性較好。但該方法是簡單的數理統計，缺乏對水文過程復雜機制的物理表達，忽略復雜的影響因素而單從特征參數的趨勢判斷水文效應，容易對判斷結果產生較大的影響。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域，無法反映氣候變化對水文效應的影響，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場地試驗與野外場地試驗，是探究城市化對產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匯流過程試驗與地表水動力過程試驗[66]。前者主要關注不同降雨條件、不同下墊面條件等對產匯流過程的影響，定量分析徑流過程等水文特征參數對表征不同城市化程度試驗條件的響應關系。如華亞等[67]采用人工降雨-徑流觀測系統，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匯流特性，研究發現，雨強增大會使產流時間提前，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]開展了城市路面產匯流試驗研究，發現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注城市化后微地形的改變如何影響二維地表匯流過程，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]研究發現城市微景觀格局對降雨產流過程有顯著影響，并建議規劃時考慮在地勢較低區域增加植被面積；Velickovic等[70]利用方塊來表示建筑物構建試驗平臺，研究了道路寬度和坡度對二維地表水流演進特征的影響，發現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。

2.4 數值模擬法

隨著計算機技術的發展、3S技術(RS、GIS、GPS)的成熟，數值模擬方法得到了空前發展，采用數值模擬模型來評估城市化的水文效應受到了研究人員的廣泛關注。通過改變表征蒸散發、下滲、匯流等過程的參數以及表征下墊面物理特征的參數，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多種水文水動力學模型，總結了各模型的優缺點。徐宗學等[72]總結了分布式水文模型在解決實際問題時面臨的困難與應用現狀，探討了水文模型的發展趨勢。Bronstert等[73]通過應用多尺度模型研究了不同土地利用類型的產匯流過程，發現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匯流的影響，結果顯示城市化后徑流系數明顯增大，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化水文效應，結果表明城鎮化使徑流量增加、蒸發量減小，子流域上表現為建設用地面積與徑流深之間呈顯著正相關關系。另外，生態水文模型是水文模型的重要分支，是研究生態、環境和水資源等的重要技術手段[76]。例如，劉江等[77]通過耦合MIKE對流擴散模型和Ecolab生態模型，模擬分析了鴨子蕩水庫DO、COD、氨氮濃度時空分布規律，結果顯示水庫對高濃度污染物入流具備凈化能力。可見，數值模擬技術因其靈活的應用條件、情景設置的多樣性、模擬成本較低以及適用性較為廣泛等優勢，在城市化水文效應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模型和水動力學模型。國外將不同計算方法集成在一起，并開發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模型，如SWMM、InfoWorks ICM、MIKE系列模型等；國內集成開發的模型由于受到計算穩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，國內在模型自主研發領域的研究需將重點放在計算穩定性、前后處理功能便捷性以及界面易操作性等方面。

3 應對城市化水文效應的舉措

3.1 先進的城市水管理理念

由于快速城市化導致了水文循環規律發生劇烈改變，原有城市水資源供需平衡被破壞，城市水資源供需矛盾、水環境惡化以及城市暴雨內澇問題日益突出，先進的城市水管理理念受到各個國家的廣泛關注。國外在20世紀70年代便開始了相關研究，用以解決城市地區的水安全問題，經過數十年的發展，逐漸形成了諸如低影響開發(low impact development, LID)、可持續排水系統(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險、緩解城市水資源短缺、改善水環境等優勢[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，取得了大量成功經驗。本文針對研究領域最活躍的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以維持自然狀態下的水文機制為目標，通過增加入滲、蒸發、滯留、過濾等措施，減少城市建設對天然水循環特征的改變[81]。與傳統的水管理措施相比，LID主張在規劃階段進行更加詳細的場地設計，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域生態系統及環境的影響，并達到降低城市雨水徑流污染、減少城區徑流系數及洪峰流量、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設施優化、建模、監控等方面綜述了LID措施的性能與應用現狀，LID已被廣泛應用并在控制城市化水文效應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LID措施的徑流控制及洪峰削減效果，結果表明LID措施對徑流控制率提升顯著，隨著降雨重現期增大徑流控制率先增大后減小，LID設施飽和狀態在遭遇大暴雨時會對下游管網造成較大壓力。

b.海綿城市。海綿城市指城市能像海綿一樣，在應對城市化水文效應方面表現出良好的“韌性”，實現自然積存、自然滲透、自然凈化，從而達到徑流量控制、峰值流量控制、水環境污染控制和雨水資源化利用的目標[84]。2013年，在我國生態文明建設的背景下，習近平總書記首次提出海綿城市建設理念。2014年，住房和城鄉建設部頒布了《海綿城市建設技術指南》，標志著我國海綿城市建設步入快速發展階段。近些年，諸多研究人員從不同角度開展了海綿城市建設相關研究，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澇管控效果，結果發現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，目前海綿城市建設還處在起步階段，在理論、技術與實踐方面還存在諸多不足，尚需基本理論和技術框架的支撐[86]。另外，海綿城市建設需要“一城一議”，在明晰研究區排水特征的基礎上，采取合適的海綿城市措施[87]。

3.2 整合綠色與灰色基礎設施

灰色基礎設施包括水庫、河堤、雨/污水管網、排澇泵站、防洪閘等，對城市的防洪排澇起到了關鍵作用。LID以及海綿城市的發展極大地豐富了城市綠色基礎設施的建設，在應對暴雨內澇以及發揮自然對污染物降解作用方面具有一定成效，然而應對稀遇極端暴雨的能力較弱，必須結合傳統的灰色雨洪基礎設施來應對稀遇極端暴雨[88]。Dong等[89]比較了綠色和灰色基礎設施對城市排水系統韌性的成本效益，結果表明，預算較少時，灰色基礎設施的性價比更高，預算充足時，采用灰色與綠色基礎設施的組合方式既經濟又有效。王虹等[90]從多種尺度入手，結合具體案例探討了海綿城市建設中綠色基礎設施與傳統灰色雨洪基礎設施相結合的重要與必要性，為城市可持續發展建設提供了依據。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，只有兩者的有效結合，才能發揮最大效益，形成灰綠結合、局部與整體、集水區與流域統一協調的可持續水管理基礎設施，實現與自然流域系統的融合。

4 面臨的關鍵問題及挑戰

縱觀國內外對城市化水文效應的研究，無論從理論方法還是技術創新，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：城市化水文效應的機理尚不深入與系統，缺乏對復雜產匯流機理以及“自然-社會”二元水循環機理的深入研究；在城市監測系統以及智慧水務建設方面還缺乏科學的理論與技術支持；在應急管理機制方面，還需制定應急響應及時、損失率最小的應急管理制度。針對以上問題與挑戰，未來關于城市化水文效應的研究則主要依據圖2的邏輯框架展開，深入貫徹產學研體系，緩解變化環境與城市化背景下水文效應帶來的不利影響。

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

a.城市化水文效應的機理解析。諸多研究表明，城市化對水循環的影響表現出區域特性，如“雨島效應”與“干島效應”，如何將這些區域特性歸納總結為具有一定規律性的結論是目前面臨的關鍵問題之一。在產匯流機理方面，產流過程還需關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流過程的影響機理；匯流過程需關注城市復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，對關鍵淹沒位置進行監測與模擬，重點解析復雜立交橋等微地形的匯流特征以及城市道路行洪現象的影響機制。另外，在“自然-社會”二元水循環視角下，還需深入解析社會側人類涉水活動對城市產匯流過程的影響機理[91]。

b.城市水文監測系統與智慧水務建設。城市水文循環規律的研究離不開水文資料的支撐，城市水文監測系統構建可為城市化水文效應的研究提供必要數據資料。未來需要從多方位構建城市水文監測系統，為智慧水務建設提供完備的數據庫基礎，如利用雨滴譜儀、氣象雷達等技術設備監測城市氣象條件；借助雷達、超聲波等在城市地表布設完備的水深、流速監測點，采用先進的傳感器設備在地下排水管網系統布設流量、水質監測網絡等。智慧水務是智慧城市的重要分支，其理念是基于城市水文監測系統自動收集雨量、水位、流量等水情信息，實時傳輸至模型平臺，基于大數據、云計算以及空間技術高效率完成數據運算，給出分析與決策結果，并將結果實時動態發布，實現城市“智慧水管理”并提高預警預報能力。

c.建立健全應急管理機制。城市暴雨內澇事件突發性強、預見期短，作為突發自然災害事件，其應急管理預案體系機制應受到相關部門的重視，鄭州“7·20”特大暴雨給相關決策者敲響了警鐘。城市暴雨內澇的應急管理涉及多個部門，各部門間統一協調顯得尤為重要。目前暴雨內澇災害應急管理實踐中，暴露出應急管理意識較弱、應急處置協調機構不統一、應急預案不充分、部門間聯動體系不完善等問題，城市暴雨內澇應急預警機制與聯動管理水平亟待提高。未來應重點完善城市防洪排澇法律法規，建立健全防洪排澇應急管理體制機制，強化城市暴雨內澇預警監測能力建設，開展暴雨內澇應急管理知識培訓以提高人們防洪防澇意識，努力將暴雨內澇災害損失控制到最低程度。

5 結 語

快速城市化對水循環規律產生了劇烈影響，使城市水管理面臨著更為嚴峻的挑戰，城市化水文效應以及科學的應對措施成為水文科學領域的熱點問題。在氣候變化及復雜的城市人類活動背景下，如何科學解析城市化對水文效應的影響機理是目前水文科學研究的重點與難點。本文以城市化引發的水文效應為主線，梳理了國內外對于城市化水文效應研究的現狀及水文效應特征，整理了開展城市化水文效應研究的方法。另外，總結了應對城市化水文效應的措施，包括先進的城市水管理理念以及整合綠色、灰色基礎設施。今后研究中，需在研究方法方面整合3S技術、無人機遙感技術，將模型與試驗有機結合，在學科基礎方面需融合水文學、水動力學、氣象學、環境科學、土壤學、生態學等。針對目前研究暴露的一些問題，從城市化水文效應的機理解析、城市水文監測系統與智慧水務建設、建立健全應急管理機制3個方面展望了未來需重點關注的方向，為緩解快速城市化帶來的負面水文效應，建設生態文明城市，保障城市水安全等提供一定的理論基礎。