徐宗學(xué)，程 濤

（1.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院，北京 100875；2.城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875）

1 研究背景

1.1 我國(guó)城市水問題現(xiàn)狀近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，城市化面貌日新月異。城市常住人口迅速增加，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)資料顯示，1981年中國(guó)常住人口城鎮(zhèn)化率僅為20.2%，而在2017年末達(dá)到58.5%［1］；同時(shí)，城市建成區(qū)面積也迅速擴(kuò)張，由1981年的7438 km2增加到2017年的5.43萬km2。在新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的進(jìn)一步推動(dòng)下，未來一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的城鎮(zhèn)化率將進(jìn)一步增加，預(yù)計(jì)到2050年，我國(guó)的城市常住人口將超過10億［2］。

然而，由于不甚合理的城市建設(shè)規(guī)劃，快速城市發(fā)展和建設(shè)對(duì)自然水循環(huán)系統(tǒng)造成了無序的干擾和破壞，引發(fā)了一系列城市水問題［3-4］。城市建設(shè)改變了自然排水格局，增加產(chǎn)流量并加快匯流速度，侵占河湖水系，降低了雨洪調(diào)蓄能力，造成洪澇災(zāi)害頻發(fā)；城市發(fā)展顯著增加了用水需求量，水資源供需關(guān)系日趨緊張，全國(guó)有400余座城市面臨缺水問題；城市生產(chǎn)、生活排污量持續(xù)增加，雨洪非點(diǎn)源污染負(fù)荷量增加，超過了河湖水系環(huán)境承載能力，引起水環(huán)境和水生態(tài)的惡化問題。上述水災(zāi)害問題成為威脅城市健康可持續(xù)發(fā)展的重要因素，城市水管理工作面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

1.2 城市水管理戰(zhàn)略——海綿城市快速城市化導(dǎo)致的自然水循環(huán)演變和城市水問題惡化引發(fā)了嚴(yán)重的城市病，人們開始關(guān)注城市生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的健康發(fā)展與合理規(guī)劃，國(guó)際上提出了“低影響開發(fā)（Low Impact Development，LID）”、“最佳管理措施（Best Management Practices，BMPs）”、“水敏感城市（Water Sensitive Urban Design，WSUD）”、“可持續(xù)排水系統(tǒng)（Sustainable Drainage System，SUDs）”等一系列措施，并針對(duì)城市雨洪管理和水問題治理開展了深入的科學(xué)研究［5-7］。在新型城鎮(zhèn)化背景下，基于水生態(tài)文明理念，我國(guó)提出了建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”，旨在為我國(guó)健康、高效、可持續(xù)的城市發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)［8］。在政府的支持和引導(dǎo)下，我國(guó)出臺(tái)了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建（試行）》，并于2015和2016年分兩批產(chǎn)生了濟(jì)南、北京等30座試點(diǎn)城市，許多城市進(jìn)行了一定的探索，結(jié)合城市自身特點(diǎn)開展海綿城市建設(shè)，取得了一些成功經(jīng)驗(yàn)。隨著城市發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境健康提出的高標(biāo)準(zhǔn)、高要求，海綿城市建設(shè)成為我國(guó)城市化進(jìn)程中的重要戰(zhàn)略舉措。

1.3 城市水管理對(duì)水文學(xué)基礎(chǔ)理論的重大需求海綿城市作為一項(xiàng)科學(xué)的城市水管理戰(zhàn)略舉措，其理念的形成經(jīng)過了嚴(yán)格的科學(xué)論證，也與國(guó)際上普遍采用的城市雨水管理理念相一致。然而，從目前全國(guó)海綿城市建設(shè)的情況來看，整體上仍然處于探索階段［3-4］，一些建設(shè)工作的開展仍然存在盲目性，缺乏針對(duì)性的技術(shù)參考和理論指導(dǎo)，導(dǎo)致有些建設(shè)工程考慮實(shí)際防洪排澇情況不足［9］。

關(guān)于海綿城市建設(shè)，劉昌明等［10］認(rèn)為應(yīng)以探明區(qū)域蓄排關(guān)系的基礎(chǔ)上，因地制宜的通過各種海綿設(shè)施手段處理雨水；左其亭［11］總結(jié)了水科學(xué)的10個(gè)方面及其在海綿城市建設(shè)和管理中的應(yīng)用，并指出了海綿城市建設(shè)中可能遇到的6大水科學(xué)難題；夏軍等［12］認(rèn)為海綿城市的理論支撐是考慮城市微氣象循環(huán)、下墊面及管網(wǎng)因素的城市水文學(xué)?？偠灾?，城市雨水管理和海綿城市建設(shè)應(yīng)以城市水文科學(xué)為基礎(chǔ)理論支撐，結(jié)合多學(xué)科相關(guān)理論，依托氣象水文和地理信息多源監(jiān)測(cè)技術(shù)，基于理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和模型模擬等方法，在全面研究城市水循環(huán)機(jī)理和排水特征的前提下，對(duì)城市水系統(tǒng)進(jìn)行全面地認(rèn)識(shí)和科學(xué)地管理［12］。

2 城市水文學(xué)研究進(jìn)展

城市水文學(xué)的研究始于城市排水設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)積累，人類最早的城市排水系統(tǒng)可追溯到上千年前。工業(yè)化發(fā)展使人口進(jìn)一步向城市聚集，城市規(guī)模進(jìn)一步增加，產(chǎn)生了水資源短缺、水質(zhì)污染、水生態(tài)環(huán)境惡化和洪澇災(zāi)害等一系列新的城市水問題，超出了常規(guī)水文學(xué)方法研究范疇，由此誕生了城市水文學(xué)，旨在研究“受城市化影響的城市環(huán)境內(nèi)外的水文過程”［13］。最初，人們通過開展小流域?qū)嶒?yàn)和分析歷史觀測(cè)資料研究城市化水文效應(yīng)，隨著對(duì)水文規(guī)律的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，城市水文學(xué)研究的內(nèi)容和方法不斷發(fā)展，人們對(duì)城市產(chǎn)匯流理論進(jìn)行了深入的研究，并陸續(xù)開發(fā)出一系列城市水文模型，對(duì)城市化水文過程進(jìn)行定量化模擬，提出并實(shí)施了一系列城市水問題應(yīng)對(duì)措施，服務(wù)于城市健康發(fā)展和合理規(guī)劃［14］。

2.1 城市化水文效應(yīng)在城市化水文效應(yīng)方面，主要是利用歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)、城市小流域水文氣象觀測(cè)實(shí)驗(yàn)以及分布式水文模型，針對(duì)城市化所引起的降雨、蒸散發(fā)、徑流等水文循環(huán)要素的變化、水環(huán)境惡化與水生態(tài)退化問題等方面進(jìn)行研究。

城市化通過改變下墊面條件和局部小氣候，引起水文循環(huán)過程的變化［12］。城市化對(duì)降雨的影響主要表現(xiàn)在：（1）降雨具有明顯的時(shí)空分布，受到下墊面類型和地形特征的影響，市區(qū)降水量大于郊區(qū)，且市區(qū)及其下風(fēng)向一定范圍內(nèi)的降雨強(qiáng)度大于郊區(qū)［15］；（2）不同量級(jí)的降雨均受到城市化的影響，其中對(duì)較高量級(jí)的降雨影響尤為顯著，且城市暴雨發(fā)生的頻率明顯增大；（3）城市化對(duì)降雨的影響具有季節(jié)性，冬季降雨受到的影響更為顯著，也有研究持相反觀點(diǎn)，認(rèn)為夏季降雨受到更為顯著的影響［16］，城市化對(duì)降雨的影響還表現(xiàn)出區(qū)域性特征。主要的影響因素包括熱島效應(yīng)、地形抬升與阻滯作用、氣溶膠效應(yīng)，而不同城市地形、地理位置、氣候類型下的城市化影響也有一定差異；也有一些研究認(rèn)為降雨特征變化與城市化并無直接聯(lián)系［17-19］，其響應(yīng)機(jī)制仍待進(jìn)一步研究［14］。

城市化對(duì)蒸發(fā)的影響主要在于下墊面的變化和局部小氣候的改變引起蒸散發(fā)的變化，一般而言，由于自然植被、土壤和水面被人工混凝土路面所替代，地表持水能力減弱導(dǎo)致蒸散發(fā)持續(xù)時(shí)間縮短，因此，一些研究認(rèn)為城市化的發(fā)展會(huì)顯著降低城市蒸散發(fā)［20-21］，但也有學(xué)者認(rèn)為城市尺度上的蒸散發(fā)并非傳統(tǒng)所認(rèn)為的十分微?。?2］，有研究表明，在全面考慮了人為熱、建筑物內(nèi)部蒸散以及滲漏對(duì)蒸散發(fā)的影響后，計(jì)算得到的城區(qū)蒸散量大于自然下墊面蒸散量［22］。因此，有必要從微觀尺度出發(fā)，在考慮不同下墊面蒸散發(fā)原理和城市自然-社會(huì)二元水循環(huán)的基礎(chǔ)上，全面核算城市蒸散發(fā)量，進(jìn)一步探究城市化對(duì)蒸散發(fā)過程變化的影響機(jī)制［14］。

城市化的徑流效應(yīng)方面，主要在于下墊面變化所引起的排水系統(tǒng)、地表下滲系數(shù)、地表糙率系數(shù)、匯流通路的變化，使得城市徑流過程發(fā)生較大變化。由于自然地表被大量硬化的混凝土路面替代，一方面使城市地表面入滲系數(shù)降低，徑流系數(shù)增大，另一方面城市地表糙率系數(shù)降低，排水系統(tǒng)渠（管）道化以及截彎取直等，降雨形成徑流后會(huì)迅速匯集，使暴雨期間洪水總量、洪峰流量增大，峰現(xiàn)時(shí)間提前，造成排水系統(tǒng)的嚴(yán)重超載，無法及時(shí)排除雨水，形成城市積澇［23-24］。也有研究認(rèn)為［25］，由于城市河道普遍設(shè)置小型攔水建筑物以形成景觀水體，一定程度上會(huì)降低河道匯流速度，抵消城市地表糙率降低帶來的匯流速度增加效應(yīng)，出口斷面峰現(xiàn)時(shí)間并無明顯提前。城市化也造成了地下徑流的變化，如不透水面增加會(huì)減少地下徑流補(bǔ)給，地下建筑物的大量修建會(huì)阻斷自然匯流通路，造成地下匯流時(shí)間延長(zhǎng)等；也有研究表明，由于地下排水管網(wǎng)的滲漏所造成的地下徑流補(bǔ)給量十分可觀，同時(shí)城市綠化、雨水利用設(shè)施和人工回灌等也在一定程度上增加了地下徑流［14，26-27］。

城市發(fā)展對(duì)水生態(tài)環(huán)境造成了劇烈的影響，主要在于城市生產(chǎn)、生活排污量激增帶來的水質(zhì)惡化，地面硬化、河湖衰退等引起的徑流變化和生態(tài)系統(tǒng)退化等。城市化過程中地面硬化面積增加，地面徑流流速增大，侵蝕沖刷作用明顯，植被覆蓋減少，對(duì)污染物的攔截和消減以及土壤的束縛作用降低，使水體泥沙沉淀物和污染物增加［14］；城市活動(dòng)導(dǎo)致污染物增多，生產(chǎn)、生活排污和降雨期間建筑垃圾、汽車尾氣、大氣沉降等各種污染源形成大量非點(diǎn)源污染，進(jìn)一步加重水質(zhì)惡化［28］；城市建設(shè)對(duì)河湖濕地的任意侵占導(dǎo)致河流豎窄縮短、湖泊濕地面積減少，導(dǎo)致城市河湖濕地等生物棲息地退化，物種數(shù)量減少，生態(tài)多樣性受到嚴(yán)重影響［29］。

2.2 城市產(chǎn)匯流理論城市化使得大面積的耕地、林地、草地和水面等天然下墊面被建筑物和道路等替代，自然流域土地利用類型和格局均發(fā)生改變，引起下墊面土壤結(jié)構(gòu)、地形地貌和水熱通量明顯變化，極大地影響了流域的產(chǎn)匯流規(guī)律。與自然流域的產(chǎn)匯流過程相比，城市流域的降雨時(shí)空變異性較大、下墊面構(gòu)成復(fù)雜且具有很大的空間異質(zhì)性，城市化水文效應(yīng)對(duì)產(chǎn)匯流過程的改變，使城市產(chǎn)匯流過程具有自然流域產(chǎn)匯流理論所不能描述的特征，其產(chǎn)匯流機(jī)理目前仍處于探索階段。

自然流域的地表產(chǎn)流機(jī)制一般分為蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流。蓄滿產(chǎn)流一般適用于濕潤(rùn)地區(qū)，土壤含水量高，蓄水容量有限，降雨首先滿足土壤蓄滲后才開始產(chǎn)流。超滲產(chǎn)流一般適用于干旱半干旱地區(qū)，其土壤含水量較低，降雨易使土壤結(jié)皮導(dǎo)致滲透系數(shù)減小，降雨強(qiáng)度超過土壤入滲能力形成徑流。在極端降雨條件下，對(duì)于任何區(qū)域的任何土壤類型，降雨強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過土壤滲透系數(shù)，均表現(xiàn)出超滲產(chǎn)流的特征。城市表面由于受到道路鋪設(shè)和土壤壓實(shí)等綜合作用的影響，地表土壤入滲率較低，具有超滲產(chǎn)流的基本特征［30］。然而，隨著城市規(guī)劃趨于科學(xué)化，大量的城市綠地景觀和海綿設(shè)施的建設(shè)也會(huì)形成較多高植被覆蓋率的濕潤(rùn)土壤，如綠色屋頂、植草溝、下凹式綠地以及各種人工濕地景觀等，其一定程度上具有蓄滿產(chǎn)流的特征。因此，城市產(chǎn)流計(jì)算中，應(yīng)根據(jù)詳細(xì)的土地利用和土壤屬性分布數(shù)據(jù)，考慮降雨特征的時(shí)空變異性，采用與下墊面特征匹配的產(chǎn)流理論［31］。

城市化蒸散發(fā)受下墊面特征和水熱通量變化的控制，人為的水資源利用和管理也會(huì)對(duì)城市蒸散發(fā)過程造成影響。從較長(zhǎng)時(shí)間尺度來看，城市熱島效應(yīng)會(huì)促進(jìn)蒸發(fā)，但城市地表粗糙度大使得表面橫向氣流運(yùn)動(dòng)減弱，從而抑制蒸散發(fā)；城市綠地灌溉、人工河湖景觀等增加土壤含水量和水面面積，很大程度上促進(jìn)了蒸散發(fā)，但也有人認(rèn)為城市綠地和河湖景觀改變局地微氣候，能夠緩解熱島效應(yīng)［32］，間接地削弱了蒸散發(fā)。因此，需要利用高時(shí)空分辨率的地面或遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映控制蒸散發(fā)的主要變量，對(duì)蒸散發(fā)過程進(jìn)行科學(xué)合理地描述。而城市更多地會(huì)受到短時(shí)強(qiáng)降雨的威脅，由于歷時(shí)較短，一般認(rèn)為蒸散發(fā)降雨期間變化不明顯，采用均一的蒸散發(fā)值，但在空間上受城市局地微氣候的影響，具有一定的空間變異性。如劉佳明［33］基于Landsat TM熱紅外數(shù)據(jù)反演日均地表溫度，進(jìn)一步計(jì)算城市地表蒸散發(fā)，進(jìn)行城市產(chǎn)匯流模擬。

城市雨水匯流可分為地表匯流和地下管網(wǎng)匯流，其中地表匯流又分為坡面匯流和河道匯流，一般不考慮入滲和管網(wǎng)滲漏雨水在土壤中的匯流。城市河道一般具有規(guī)則的渠道斷面，這與排水管道類似，相對(duì)于自然流域河道的不規(guī)則斷面而言較為簡(jiǎn)單，符合渠道/管道非恒定流的基本特征。坡面匯流方面，傳統(tǒng)的自然流域由于地形和下墊面條件較為均一，通常將具有相同或類似地形特征和下墊面特征的區(qū)域當(dāng)做統(tǒng)一的水文響應(yīng)單元，采用相同的理論和參數(shù)描述其產(chǎn)匯流過程。而城市各種建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)導(dǎo)致地形、下墊面結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，對(duì)雨水的運(yùn)移轉(zhuǎn)化狀態(tài)產(chǎn)生了較大影響，城市匯流過程非常復(fù)雜。

Verbeiren等［34］通過對(duì)比常規(guī)土地利用產(chǎn)品和基于柵格的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行水文模擬的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)后者所模擬的峰值流量要明顯大于前者，分析認(rèn)為常規(guī)土地利用產(chǎn)品不能有效識(shí)別不透水面，造成產(chǎn)流量較少。因此，需要區(qū)分具有不同產(chǎn)匯流特征的城市表面，而簡(jiǎn)單地將城市區(qū)域劃分為透水面和不透水面也與城市地表地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特征相悖，需要進(jìn)一步細(xì)化下墊面特征類型，如與流域水文響應(yīng)單元類似的城市水文單元［35］，將具有相同水文響應(yīng)特征的最小對(duì)象或單元作為產(chǎn)匯流的基礎(chǔ)計(jì)算單元。劉家宏等［36］將城市下墊面概化為不透水單元、透水單元、半透水單元、偽透水單元、強(qiáng)透水單元、水域單元等6類城市水文響應(yīng)單元，每種響應(yīng)單元對(duì)應(yīng)特定的水文響應(yīng)過程，如不透水單元中的建筑屋頂、路面等，透水單元中的公園綠地等，以及強(qiáng)透水單元中的雨水花園等海綿設(shè)施，采用對(duì)應(yīng)的理論和方法描述其產(chǎn)匯流過程。

雖然城市水文單元對(duì)城市下墊面產(chǎn)匯流特征描述的代表性已較為精細(xì)，但城市區(qū)域大量存在各種構(gòu)筑物、微地形以及各子匯水系統(tǒng)（地表、地下）之間的水量交換，使得城市下墊面破碎化，匯流過程具有很強(qiáng)的不均一性，局部地形的突變會(huì)導(dǎo)致水流狀態(tài)的劇烈變化，城市水文單元及相關(guān)理論不能對(duì)上述情況進(jìn)行描述，基于網(wǎng)格劃分的水動(dòng)力學(xué)匯流理論則能很好的描述上述匯流過程，反映匯流過程中水流的分布性特征，這方面已有較多的研究和應(yīng)用［35，37-39］。

2.3 城市雨洪模擬模型城市雨洪模擬是在海綿城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)關(guān)鍵性支撐技術(shù)，利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)城市水循環(huán)過程進(jìn)行模擬，可以得到城市雨洪過程中的關(guān)鍵狀態(tài)和特征要素，對(duì)雨洪管理和利用具有指導(dǎo)意義。城市雨洪模擬模型一般按照匯流計(jì)算方法，分為以水文學(xué)方法為主的模型、以水動(dòng)力學(xué)方法為主的模型和以地形分析技術(shù)為主的模型［40］。城市雨洪模型產(chǎn)流計(jì)算一般不按模型種類區(qū)分，所有產(chǎn)流計(jì)算方法均可用于各種雨洪模型。

關(guān)于城市雨洪模型產(chǎn)流部分的模擬，Elliott和Trowsdale［41］在總結(jié)了當(dāng)今流行的多個(gè)城市雨洪模型基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)對(duì)于不透水地表均采用降雨量扣除蒸發(fā)量、截留量、填洼量等損失來計(jì)算，對(duì)于透水地表各個(gè)模型采用的方法有所不同，主要有徑流系數(shù)法、SCS法、下滲曲線法、Ф指數(shù)法及概念性降雨徑流法等。

由于城市地表覆蓋分布不均，不透水面與透水面之間呈現(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜的空間分布，而當(dāng)前研究對(duì)城市復(fù)雜下墊面產(chǎn)流規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，城市水文氣象監(jiān)測(cè)資料短缺，導(dǎo)致城市雨洪的產(chǎn)流計(jì)算精度不高。當(dāng)前多數(shù)城市雨洪模型（如SWMM等）對(duì)于降雨蒸發(fā)和入滲的模擬較為簡(jiǎn)化，多采用一些簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)性公式或數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析擬合公式。如蒸發(fā)速率在模擬時(shí)段往往設(shè)定為恒定不變，沒有考慮不同下墊面和人類活動(dòng)條件下的蒸散發(fā)空間差異［36］。雖然入滲模擬區(qū)分了透水面與不透水面，但僅用兩種下墊面類型不能表征城市真實(shí)特點(diǎn)；所有透水面入滲計(jì)算均采用同一公式，忽略了不同透水性地面的差別和地下設(shè)施的影響；入滲計(jì)算模型如Horton模型、Green-Ampt模型及Philip模型等均較為簡(jiǎn)單，多為經(jīng)驗(yàn)公式或簡(jiǎn)化模型，不能真實(shí)描述城市透水面尤其是“海綿城市”建設(shè)后透水設(shè)施的入滲過程。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者［42-43］開展了試驗(yàn)和應(yīng)用研究探討城市下墊面類型的產(chǎn)流規(guī)律，但單點(diǎn)尺度或?qū)嶒?yàn)室尺度的研究與實(shí)際狀況仍存在較大差距，城市區(qū)域不透水表面的空間分布以及不透水表面的匯流連通性直接影響到城市的產(chǎn)流特征。

一些學(xué)者采用完全分布式的方法來模擬產(chǎn)流，并基于機(jī)理模型模擬雨水入滲過程。如羅鵬和宋星原［44］利用基于柵格的土地利用類型和土壤類型空間分布數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個(gè)基于柵格的分布式SCS產(chǎn)流模型，該模型能夠較好地考慮流域下墊面的空間分布及降雨空間分布的不均勻性。Pan等［45］對(duì)二維表面產(chǎn)流采用基于網(wǎng)格化單元的一維Richards方程模擬雨水下滲過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表產(chǎn)流過程更為真實(shí)的描述。劉佳明［33］采用分布式方法構(gòu)建城市區(qū)域產(chǎn)流模型，對(duì)每一個(gè)具有不同覆蓋類型的柵格建立物理概念模型推求凈雨，柵格產(chǎn)流考慮樹冠截留、蒸散發(fā)、土壤下滲等水文過程。

在匯流部分，以水文學(xué)方法為主的模型在坡面匯流階段采用水文學(xué)方法進(jìn)行模擬，在排水管網(wǎng)和河道模擬方面采用水文學(xué)方法或水動(dòng)力學(xué)方法，其中水動(dòng)力學(xué)方法中的動(dòng)力波法能夠處理城市管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)中各種流態(tài)共存、有壓流和無壓重力流交替發(fā)生以及管網(wǎng)辮狀、環(huán)狀分布的情況，計(jì)算技術(shù)的發(fā)展使得求解完整圣維南方程組成為可能［46-47］。動(dòng)力波方法較為成功的應(yīng)用是SWMM模型中的EXTRAN模塊，預(yù)示著城市雨水管網(wǎng)計(jì)算技術(shù)的成熟。任伯幟等［48］通過試驗(yàn)對(duì)比分析了幾種水文學(xué)方法和水動(dòng)力學(xué)方法，認(rèn)為馬斯京根法與動(dòng)力波、擴(kuò)散波計(jì)算結(jié)果比較接近，瞬時(shí)單位線的計(jì)算精度則相對(duì)較差。水文學(xué)方法采用集總式的概念，將每個(gè)下墊面特征均一的區(qū)域當(dāng)作子集水區(qū)進(jìn)行模擬，具有模擬精度高、資料需求少的特點(diǎn)，但一般不能反映地面實(shí)際洪澇過程。

為了模擬地面雨洪過程，有學(xué)者［49-51］基于地形分析技術(shù)，利用填洼算法，將降雨產(chǎn)流后的雨水或排水管網(wǎng)溢流根據(jù)地形高低進(jìn)行分配，得到區(qū)域的洪水淹沒范圍和深度。地形分析法主要包括有源淹沒和無源淹沒兩種方法，分別針對(duì)當(dāng)前城市主要的兩種雨洪過程：河流型和積雨型，即河流潰口或漫溢進(jìn)入城市形成的洪澇和暴雨期間積水形成的內(nèi)澇。Chen等［50］基于地形分析技術(shù)構(gòu)建城市洪澇模擬模型，模型采用Green Ampt方法計(jì)算產(chǎn)流，不考慮管網(wǎng)匯流而采用穩(wěn)定下滲率替代管網(wǎng)排水，采用平靜水面（flat-water）法計(jì)算最終洪水狀態(tài)。Jamali等［52］通過耦合一維管網(wǎng)排水模型和基于地形分析方法的RFIM模型，對(duì)城市洪澇進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與MIKE FLOOD等水動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果相當(dāng)。地形分析法演算速度快，所需數(shù)據(jù)資料也較少，但由于只能得到洪水淹沒的最終狀態(tài)，因此并不能滿足當(dāng)前精細(xì)化洪水模擬與管理的需求［49］。

以水動(dòng)力學(xué)方法為主的模型對(duì)坡面匯流采用基于物理機(jī)制的淺水方程或其簡(jiǎn)化形式進(jìn)行模擬，不需要預(yù)先劃分積水區(qū)邊界，根據(jù)地形特征和下墊面分布將城市劃分為一定大小的離散網(wǎng)格（包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和自適應(yīng)網(wǎng)格），能夠模擬洪水發(fā)生到結(jié)束的全程狀態(tài)，提供每個(gè)柵格點(diǎn)上的洪水水深和流速時(shí)間序列［40］。Schmitt等［53］利用基于三角網(wǎng)有限體積法離散求解淺水方程組，并與地下管網(wǎng)系統(tǒng)相耦合，成功模擬出暴雨條件下城市地表徑流二維非恒定流過程。在國(guó)內(nèi)，仇勁衛(wèi)等［54］、張新華等［55-56］分別基于不同的離散方法對(duì)城市地表二維非恒定流過程進(jìn)行模擬，耿艷芬［57］、喻海軍［47］、劉佳明［33］分別建立了耦合一維城市排水管網(wǎng)、一維河道匯流和二維地表匯流的城市洪澇模型，且耦合了城市表面的水文學(xué)過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市洪澇過程全面、精細(xì)地模擬。李娜等采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院自主研發(fā)的洪澇仿真模型［40］，對(duì)濟(jì)南市大明湖海綿試點(diǎn)區(qū)LID措施的內(nèi)澇削減效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明利用水文水力學(xué)模型進(jìn)行多種方案的模擬分析和比選，可以考慮措施類型、措施規(guī)模、地形、下墊面條件和措施布設(shè)位置等因素的影響，為合理設(shè)置LID措施提供了有效手段［58］。

3 城市水文學(xué)研究重點(diǎn)方向和關(guān)鍵技術(shù)

城市水文學(xué)嚴(yán)格來說是一門工程水文學(xué)學(xué)科，相關(guān)的理論和技術(shù)方法研究旨在促進(jìn)高效科學(xué)的城市水管理。當(dāng)前海綿城市建設(shè)作為我國(guó)城市水管理的重要舉措，需要強(qiáng)有力的理論支撐、技術(shù)支持和數(shù)據(jù)保障。因此，構(gòu)建完善的氣象水文監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、深入分析變化環(huán)境下的城市水文效應(yīng)和產(chǎn)匯流機(jī)理，尤其是海綿設(shè)施水文水力學(xué)響應(yīng)機(jī)理，并耦合多學(xué)科理論構(gòu)建適合城市復(fù)雜下墊面的城市水系統(tǒng)模型，將是未來的主要研究方向。

（1）城市水文監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)。完善的氣象水文觀測(cè)資料一直是人們認(rèn)識(shí)和研究水文學(xué)規(guī)律的重要條件，城市水文觀測(cè)和預(yù)報(bào)是進(jìn)行城市水文學(xué)研究的重要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)。需要依托最新科技成果，構(gòu)建科學(xué)完備的氣象和水文、地表和地下監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市降雨、排水系統(tǒng)、洪澇過程的全方位監(jiān)測(cè)；結(jié)合多源信息技術(shù)，耦合衛(wèi)星遙感、氣象雷達(dá)、手機(jī)蜂窩基站、城市視頻監(jiān)控和傳感器設(shè)備等，從多角度獲取城市雨洪過程重要信息；構(gòu)建多源數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，并聯(lián)合政府機(jī)構(gòu)、科研院校和網(wǎng)絡(luò)科技公司，構(gòu)建大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和共享系統(tǒng)；構(gòu)建基于多源信息數(shù)據(jù)的降雨鄰近預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提供未來短時(shí)暴雨過程高精度預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)信息，為城市雨洪模擬及洪澇預(yù)報(bào)和防洪減災(zāi)提供科技支撐。

（2）城市化水文效應(yīng)與產(chǎn)匯流機(jī)理。城市化水文效應(yīng)研究是辨析城市水問題、探索城市水循環(huán)規(guī)律并形成城市產(chǎn)匯流理論的基礎(chǔ)，城市產(chǎn)匯流機(jī)理則是構(gòu)建城市水文模型的理論基礎(chǔ)，也是海綿城市建設(shè)和評(píng)估的技術(shù)支撐，兩者是當(dāng)前城市水文學(xué)研究的重要研究方向和關(guān)鍵問題?；诔鞘袣庀笏挠^測(cè)數(shù)據(jù)，耦合多源信息，研究城市化對(duì)水文過程的影響機(jī)理，總結(jié)城市水循環(huán)規(guī)律；基于城市典型土壤入滲觀測(cè)、不同類型海綿設(shè)施與組合及不同尺度集水區(qū)產(chǎn)匯流觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，研究城市不同下墊面產(chǎn)匯流規(guī)律；結(jié)合衛(wèi)星、航空和低空無人機(jī)等多源遙感數(shù)據(jù)，探究城市不透水面空間分布特征對(duì)城市產(chǎn)匯流規(guī)律及其響應(yīng)機(jī)制的影響；結(jié)合遙感數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、城市河網(wǎng)水系和排水系統(tǒng)資料，分析城市排水系統(tǒng)和河湖水系演變規(guī)律，研究城市不透水面水力連通性和河湖連通性對(duì)城市產(chǎn)匯流過程的影響。

（3）城市綜合水系統(tǒng)模型。城市水文學(xué)的研究對(duì)象是城市水文循環(huán)過程及其中的各項(xiàng)水文要素，隨著城市化建設(shè)的推進(jìn)，城市水問題呈現(xiàn)出更加復(fù)雜和綜合性的特征。因此，應(yīng)基于城市產(chǎn)匯流理論和涉水多學(xué)科理論方法，針對(duì)復(fù)雜城市下墊面條件下的自然水循環(huán)和社會(huì)水循環(huán)過程，構(gòu)建城市綜合水系統(tǒng)模型，對(duì)水量過程、水質(zhì)變化、水生態(tài)演變和水資源安全及其相互之間的影響進(jìn)行模擬。在水文方面，重點(diǎn)研究城市及圍繞城市的自然流域的地表徑流形成、蒸發(fā)和下滲，地下水的變化、陸表沉積物污染物的產(chǎn)生和遷移過程，氣候、土壤、植被變化的水文響應(yīng)，構(gòu)建水文模型；在水動(dòng)力學(xué)方面，重點(diǎn)研究水在管道、渠道、道路、坑塘濕地、河流湖泊中的運(yùn)動(dòng)及洪澇過程，也包括水在土壤中的復(fù)雜動(dòng)態(tài)滲透過程，構(gòu)建水動(dòng)力學(xué)模型；在生態(tài)環(huán)境方面，重點(diǎn)研究水域中的沉積物和污染物擴(kuò)散沉積過程，水對(duì)陸地的侵蝕過程，水生物多樣性、生態(tài)棲息地完整性與水環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建城市生態(tài)/環(huán)境水文模型；在城市雨洪利用管理方面，重點(diǎn)研究雨水處理設(shè)施優(yōu)化布局、雨水收集與處理技術(shù)、雨水污染控制方法、雨水資源化利用效率、水景觀構(gòu)建與維護(hù)，構(gòu)建城市雨洪利用模型。

4 結(jié)語

現(xiàn)代城市水文學(xué)研究已近甲子之年，圍繞城市排水系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、城市化水文效應(yīng)、城市雨洪過程、雨污處理與利用等方面，基于城市流域氣象水文觀測(cè)、長(zhǎng)時(shí)間水文序列分析、水文模型模擬等研究方法，借助多源遙感、數(shù)據(jù)同化、高性能計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，開展了大量的研究，形成了較為完善的城市水文學(xué)基礎(chǔ)理論和研究方法。國(guó)外隨著雨洪利用設(shè)施的廣泛使用，構(gòu)建了一套先進(jìn)的城市雨洪管理與利用體系。我國(guó)開創(chuàng)海綿城市建設(shè)，力求構(gòu)建適合中國(guó)國(guó)情的雨洪管理利用體系，但當(dāng)前仍存在不足之處，如城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完備、水文氣象監(jiān)測(cè)較為薄弱、海綿城市建設(shè)的基礎(chǔ)水文學(xué)理論不成熟、城市水文模型開發(fā)與維護(hù)不系統(tǒng)等，我國(guó)城市水文學(xué)研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)，應(yīng)盡快借鑒和改進(jìn)國(guó)外技術(shù)與方法，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究和模型、數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)。此外，國(guó)內(nèi)外城市水文學(xué)研究也面臨一些問題，如氣候變化條件下水文一致性發(fā)生重大改變，城市區(qū)域水文過程面臨氣候變化與城市化雙重環(huán)境變化問題；由于城市系統(tǒng)與水系統(tǒng)復(fù)雜的相互作用，城市水問題呈現(xiàn)更加復(fù)雜的特征。在未來的城市水文學(xué)研究中，應(yīng)依托先進(jìn)理論和科學(xué)技術(shù)，進(jìn)一步加強(qiáng)氣象水文和多種要素觀測(cè)體系建設(shè)、加強(qiáng)多種來源數(shù)據(jù)同化和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、加強(qiáng)多學(xué)科理論交叉研究，構(gòu)建綜合性水系統(tǒng)研究方法，全面認(rèn)識(shí)城市水循環(huán)和生態(tài)、環(huán)境、水資源等涉水領(lǐng)域響應(yīng)過程，為構(gòu)建可持續(xù)城市生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)提供理論支持。