城市水文學(xué)概述城市水文學(xué)是水文學(xué)的一門新興分支學(xué)科，它著重研究城市及周圍地區(qū)的水分循環(huán)，水的運(yùn)動變化規(guī)律以及水與城市人群的相互關(guān)系。城市化地區(qū)人口集中，工廠與建筑物林立，地面透水性能降低，廢水濃度和排放量增大，排水速度加快等因素勢必引起城市地區(qū)水體環(huán)境（水量和水質(zhì)）的變化，從而產(chǎn)生城市地區(qū)特有的水文問題。如城市地區(qū)的給水水源問題，城市及其下游的洪水排放問題，城市地面積水問題和城市水體的污染控制問題等，使水文變化規(guī)律和水資源的開發(fā)管理有著密切不可分割的關(guān)系。20世紀(jì)60年代起，城市水文和水資源的研究在英、美等發(fā)達(dá)國家有了很大的進(jìn)展。
我國徑流總量不算少，居世界第六位，但由于入口眾多、幅員遼闊，人均水資源量僅2500～2600m3／年，居世界各國之中后，加之人類活動對自然環(huán)境的破壞，大部分地表水和相當(dāng)一部分地下水遭受嚴(yán)重的次生污染，致使我國的水質(zhì)污染發(fā)展很快，很大程度上劇了水資源的不足。由于城市化使原來非常緩慢的自然進(jìn)程大大加速，使水資源不足和水質(zhì)惡化問題在城市地區(qū)顯得尤為突出。我國現(xiàn)有城市中，因水源不足或水質(zhì)惡化而缺水的城市近2／3，給城市生產(chǎn)、生活造成極大影響。為適應(yīng)21世紀(jì)我國城市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，我們必須以新的觀點(diǎn)來研討城市地區(qū)的水文問題。
1.1 城市水文學(xué)的特征及研究方法
城市水文學(xué)的主要特征有兩個：綜合性和動態(tài)性。
雖然水文現(xiàn)象都是關(guān)于水的物理—化學(xué)—生物系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果，然而由于城市地區(qū)空間和時間的尺度都很小，其水文要素的響應(yīng)過程十分敏感；另一方面，城市化使環(huán)境的改變十分顯著。這兩方面原因要求城市水文研究更精細(xì)，且須考慮過程中所涉及的各項(xiàng)影響因素及其相互之間的作用，這就需要建立具有物理基礎(chǔ)的、分布式的模擬模型來替代在流域水文學(xué)中常用的、經(jīng)驗(yàn)性的和集總式的模型。
在城市水文研究過程中，還得打破水文工作中一些傳統(tǒng)的分科界限，如水量與水質(zhì)，地表水文與地下水文，市區(qū)水文與流域水文等分科界限。城市水文工作往往是把這些內(nèi)容綜合在一起，很難劃分。城市水文觀測和實(shí)驗(yàn)的站網(wǎng)布設(shè)、測驗(yàn)手段、儀器設(shè)備、測驗(yàn)方法等，都必須充分考慮上述各個方面的需求，體現(xiàn)出城市水文的綜合性特征。
城市水文學(xué)的另一特征是“動態(tài)性”。由于城市地區(qū)人口和物質(zhì)高度集中，社會經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展，使水環(huán)境發(fā)生異常迅速的變化。一個自然流域的演變是緩慢的，一般是以地質(zhì)年代為尺度的，可將其水文過程作為“準(zhǔn)平穩(wěn)過程”來進(jìn)行研究。在解決各種實(shí)際問題時，都是針對某種穩(wěn)定的水平進(jìn)行研究，并認(rèn)為整個環(huán)境處在一種相對平衡的狀態(tài)。而城市化的過程是一個不斷發(fā)展的過程，水及其環(huán)境都處在“動態(tài)”中，分析研究城市地區(qū)的徑流量、水質(zhì)及雨洪過程都需要考慮這種動態(tài)性。具體來說，必須考慮在資料觀測期間內(nèi)城市環(huán)境已有的變化，及其對各種水文要素響應(yīng)過程的影響。因此，需要同時量測或調(diào)查與城市化有關(guān)的資料，并不斷更新，在這方面航空和衛(wèi)星攝像已得到廣泛應(yīng)用。另一方面，還得考慮城市化以后的發(fā)展趨勢，研究環(huán)境演變的規(guī)律，作為建立各種預(yù)測模型的基礎(chǔ)。
從城市地理學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，城市化過程體現(xiàn)在土地利用情況的變化上。城市水文研究常常調(diào)查土地利用變化對水質(zhì)和水量的影響。我們可應(yīng)用三種基本手段來檢驗(yàn)這些變化：
（1）上下游對比。上下游對比要求把城市地區(qū)河流的上游與同一條河流下游所收集的數(shù)據(jù)加以比較，這一方法必須注意上下游之間是否有支流匯入和地質(zhì)變化。應(yīng)用上下游對比方法，研究流域城市土地利用的變化，可以得出十分清楚和基本確切的論據(jù)。
（2）前后期對比；前后期對比方法是把城市區(qū)域土地利用變化的前后數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。這一方法所得成果的缺陷是研究者不能截然分開一個時期暴雨對另一時期暴雨的影響，拉扎羅1976年曾采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法以試圖消除降水的影響。
（3）流域?qū)Ρ取Ａ饔驅(qū)Ρ确椒ū仨殞蓚€或兩個以上流域的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。其中一個流域是城市，另一個流域是農(nóng)村。兩流域同期數(shù)據(jù)的每一個變化都可作為土地利用變化的指標(biāo)。如果應(yīng)用恰當(dāng)，流域?qū)Ρ确椒〞a(chǎn)生有益的結(jié)論。然而，相比較的流域氣候必須相似，地質(zhì)條件應(yīng)當(dāng)相同。而且，在整個研究期間，農(nóng)村土地利用必須穩(wěn)定、少變。
1.2 城市化對降雨的影響
1.2.1 城市化對降水量的影響
城市化對降水量的影響，不僅是城市水文學(xué)，而且也是城市氣候?qū)W中的一個重要課題。在城鄉(xiāng)降水觀測資料的基礎(chǔ)上，可通過對比分析的方法，研究城市化對城區(qū)降雨的影響。
（1）城市化前后對比。特拉維夫市附近有8個能長期觀測記錄的氣象站。因該市位于地中海氣候區(qū)，每年從11月份開始降水。11月份降水量占全年降水總量的12％。1901-1930年特拉維夫尚未城市化，而1931—1960年其城市化發(fā)展速度甚快。單就11月份降水量而論，后30年比前30年增加了16％。各站的年降水量，近30年來增加了5％一17%左右。
帕露波對意大利那布勒斯城的降水歷史資料進(jìn)行分析時指出，在1886—1945年這一長時期中，那布勒斯的降水量沒有明顯的變化，但是近30年即19461975年，隨著那布勒斯城市化的發(fā)展，降水量比前一時期增加了17％左右。
（2）同時期城市與郊區(qū)的平行對比。莫斯科、慕尼黑和美國的芝加哥、厄巴拉及圣路易斯等城市的降水量都比其附近郊區(qū)多。其年平均降水量的城鄉(xiāng)差別如表8—1所示。德國的不來梅市市中心與相距1．5km的港區(qū)相比，15年平均年降水量相差+16~，6，蘇聯(lián)莫斯科市1910—1962年與郊區(qū)庫茲巴斯站相比相差／11％。
引起城市降水量變化除有城市化因素外，還有地形和區(qū)域氣候的變化因素。因此，對歷史資料作對比時，必須濾去區(qū)域氣候變化這一因素的影響。
我國徑流總量不算少，居世界第六位，但由于入口眾多、幅員遼闊，人均水資源量僅2500～2600m3／年，居世界各國之中后，加之人類活動對自然環(huán)境的破壞，大部分地表水和相當(dāng)一部分地下水遭受嚴(yán)重的次生污染，致使我國的水質(zhì)污染發(fā)展很快，很大程度上劇了水資源的不足。由于城市化使原來非常緩慢的自然進(jìn)程大大加速，使水資源不足和水質(zhì)惡化問題在城市地區(qū)顯得尤為突出。我國現(xiàn)有城市中，因水源不足或水質(zhì)惡化而缺水的城市近2／3，給城市生產(chǎn)、生活造成極大影響。為適應(yīng)21世紀(jì)我國城市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，我們必須以新的觀點(diǎn)來研討城市地區(qū)的水文問題。
1.1 城市水文學(xué)的特征及研究方法
城市水文學(xué)的主要特征有兩個：綜合性和動態(tài)性。
雖然水文現(xiàn)象都是關(guān)于水的物理—化學(xué)—生物系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果，然而由于城市地區(qū)空間和時間的尺度都很小，其水文要素的響應(yīng)過程十分敏感；另一方面，城市化使環(huán)境的改變十分顯著。這兩方面原因要求城市水文研究更精細(xì)，且須考慮過程中所涉及的各項(xiàng)影響因素及其相互之間的作用，這就需要建立具有物理基礎(chǔ)的、分布式的模擬模型來替代在流域水文學(xué)中常用的、經(jīng)驗(yàn)性的和集總式的模型。
在城市水文研究過程中，還得打破水文工作中一些傳統(tǒng)的分科界限，如水量與水質(zhì)，地表水文與地下水文，市區(qū)水文與流域水文等分科界限。城市水文工作往往是把這些內(nèi)容綜合在一起，很難劃分。城市水文觀測和實(shí)驗(yàn)的站網(wǎng)布設(shè)、測驗(yàn)手段、儀器設(shè)備、測驗(yàn)方法等，都必須充分考慮上述各個方面的需求，體現(xiàn)出城市水文的綜合性特征。
城市水文學(xué)的另一特征是“動態(tài)性”。由于城市地區(qū)人口和物質(zhì)高度集中，社會經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展，使水環(huán)境發(fā)生異常迅速的變化。一個自然流域的演變是緩慢的，一般是以地質(zhì)年代為尺度的，可將其水文過程作為“準(zhǔn)平穩(wěn)過程”來進(jìn)行研究。在解決各種實(shí)際問題時，都是針對某種穩(wěn)定的水平進(jìn)行研究，并認(rèn)為整個環(huán)境處在一種相對平衡的狀態(tài)。而城市化的過程是一個不斷發(fā)展的過程，水及其環(huán)境都處在“動態(tài)”中，分析研究城市地區(qū)的徑流量、水質(zhì)及雨洪過程都需要考慮這種動態(tài)性。具體來說，必須考慮在資料觀測期間內(nèi)城市環(huán)境已有的變化，及其對各種水文要素響應(yīng)過程的影響。因此，需要同時量測或調(diào)查與城市化有關(guān)的資料，并不斷更新，在這方面航空和衛(wèi)星攝像已得到廣泛應(yīng)用。另一方面，還得考慮城市化以后的發(fā)展趨勢，研究環(huán)境演變的規(guī)律，作為建立各種預(yù)測模型的基礎(chǔ)。
從城市地理學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，城市化過程體現(xiàn)在土地利用情況的變化上。城市水文研究常常調(diào)查土地利用變化對水質(zhì)和水量的影響。我們可應(yīng)用三種基本手段來檢驗(yàn)這些變化：
（1）上下游對比。上下游對比要求把城市地區(qū)河流的上游與同一條河流下游所收集的數(shù)據(jù)加以比較，這一方法必須注意上下游之間是否有支流匯入和地質(zhì)變化。應(yīng)用上下游對比方法，研究流域城市土地利用的變化，可以得出十分清楚和基本確切的論據(jù)。
（2）前后期對比；前后期對比方法是把城市區(qū)域土地利用變化的前后數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。這一方法所得成果的缺陷是研究者不能截然分開一個時期暴雨對另一時期暴雨的影響，拉扎羅1976年曾采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法以試圖消除降水的影響。
（3）流域?qū)Ρ取Ａ饔驅(qū)Ρ确椒ū仨殞蓚€或兩個以上流域的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。其中一個流域是城市，另一個流域是農(nóng)村。兩流域同期數(shù)據(jù)的每一個變化都可作為土地利用變化的指標(biāo)。如果應(yīng)用恰當(dāng)，流域?qū)Ρ确椒〞a(chǎn)生有益的結(jié)論。然而，相比較的流域氣候必須相似，地質(zhì)條件應(yīng)當(dāng)相同。而且，在整個研究期間，農(nóng)村土地利用必須穩(wěn)定、少變。
1.2 城市化對降雨的影響
1.2.1 城市化對降水量的影響
城市化對降水量的影響，不僅是城市水文學(xué)，而且也是城市氣候?qū)W中的一個重要課題。在城鄉(xiāng)降水觀測資料的基礎(chǔ)上，可通過對比分析的方法，研究城市化對城區(qū)降雨的影響。
（1）城市化前后對比。特拉維夫市附近有8個能長期觀測記錄的氣象站。因該市位于地中海氣候區(qū)，每年從11月份開始降水。11月份降水量占全年降水總量的12％。1901-1930年特拉維夫尚未城市化，而1931—1960年其城市化發(fā)展速度甚快。單就11月份降水量而論，后30年比前30年增加了16％。各站的年降水量，近30年來增加了5％一17%左右。
帕露波對意大利那布勒斯城的降水歷史資料進(jìn)行分析時指出，在1886—1945年這一長時期中，那布勒斯的降水量沒有明顯的變化，但是近30年即19461975年，隨著那布勒斯城市化的發(fā)展，降水量比前一時期增加了17％左右。
（2）同時期城市與郊區(qū)的平行對比。莫斯科、慕尼黑和美國的芝加哥、厄巴拉及圣路易斯等城市的降水量都比其附近郊區(qū)多。其年平均降水量的城鄉(xiāng)差別如表8—1所示。德國的不來梅市市中心與相距1．5km的港區(qū)相比，15年平均年降水量相差+16~，6，蘇聯(lián)莫斯科市1910—1962年與郊區(qū)庫茲巴斯站相比相差／11％。
引起城市降水量變化除有城市化因素外，還有地形和區(qū)域氣候的變化因素。因此，對歷史資料作對比時，必須濾去區(qū)域氣候變化這一因素的影響。