城市水文學(xué)研究論文
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1.1城市化的水文效應(yīng)研究
綜合已有研究,將城市化過(guò)程中對(duì)區(qū)域水循環(huán)和水文過(guò)程產(chǎn)生的影響以及由此引發(fā)的水文現(xiàn)象稱(chēng)為城市化水文效應(yīng).從水文過(guò)程的本身來(lái)看,城市化帶來(lái)的水文過(guò)程效應(yīng)主要包括:城市降雨過(guò)程特征突變、城市耗散強(qiáng)度增大以及城市產(chǎn)匯流過(guò)程畸變等.對(duì)于城市降雨過(guò)程,眾多研究表明,城市市區(qū)內(nèi)的降水量顯著高于郊區(qū)降水量,城市周?chē)邓畷r(shí)空趨勢(shì)性分布十分明顯.其主要原因是城市化對(duì)水分和能量收支的影響,這些影響被稱(chēng)之為城市“熱島效應(yīng)”、“雨島效應(yīng)”、城市“干/濕島效應(yīng)”等.其中,城市“雨島效益”和“干/濕島效應(yīng)”與城市“熱島效應(yīng)”密切相關(guān).在城市“熱島效應(yīng)”方面,Gedzelman等人、Champollion等人、Bottyan和Unger、Nadir基于城區(qū)和郊區(qū)的氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)分別研究了美國(guó)紐約、法國(guó)巴黎、匈牙利塞巨(Szged)、蘇丹喀土穆等城市的熱島效應(yīng),發(fā)現(xiàn)紐約城市熱島效應(yīng)最強(qiáng),城區(qū)和郊區(qū)的氣溫差最高可達(dá)8℃.張景哲等人、周淑貞對(duì)北京、上海的“熱島效應(yīng)”做了系統(tǒng)研究.在“熱島效應(yīng)”定量模擬方面,日本學(xué)者Kimura和Takahashi,Toshiaki和Kazuhiro建立了人工熱排放(包括汽車(chē)尾氣、工業(yè)廢熱、人工取暖等)的精細(xì)模擬模型,繪制了較為詳細(xì)的逐日和年際人工熱排放變化圖.香港城市大學(xué)Chan教授建立了考慮熱島效應(yīng)的城區(qū)溫度變化修正曲線.在“雨島效應(yīng)”方面,黃國(guó)如和何泓杰,王棟成等人在濟(jì)南的研究表明:“雨島效應(yīng)”導(dǎo)致城市增雨率約為10%;曹琨等人選取1959~2007年上海市龍華站降水、氣溫資料及青浦、嘉定降水資料,運(yùn)用累積曲線、距平統(tǒng)計(jì)和相對(duì)偏差對(duì)比等方法對(duì)上海地區(qū)降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)“雨島效應(yīng)”主要集中于汛期5~10月,市區(qū)降水平均年增長(zhǎng)率為郊區(qū)的1.6倍;目前,在國(guó)際上關(guān)于“雨島效應(yīng)”具有2個(gè)基本觀點(diǎn):一是城市化導(dǎo)致城區(qū)高強(qiáng)度降水增加;二是城市化及其工業(yè)污染產(chǎn)生的氣溶膠導(dǎo)致城區(qū)降水減少.第一種觀點(diǎn)的代表性研究在墨西哥城,Jauregui和Romales通過(guò)1941~1985年的數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)夏季城區(qū)“>20mm/h”的高強(qiáng)度降水明顯增加,而同時(shí)期郊區(qū)雨量站的降水沒(méi)有顯著變化.第二種觀點(diǎn)的代表性人物是Daniel,他基于NOAAAVHRR數(shù)據(jù)和歷史降水?dāng)?shù)據(jù)分析得出“城市化和工業(yè)污染導(dǎo)致區(qū)域降水量減少”.這兩派觀點(diǎn)看似矛盾,實(shí)際具有科學(xué)上的內(nèi)在一致性,城區(qū)點(diǎn)上極端(高強(qiáng)度)降水增加,是以面上其他區(qū)域降水的減少為代價(jià)的,因?yàn)閰^(qū)域水汽通量條件并沒(méi)有發(fā)生大的變化,“點(diǎn)”上多必然導(dǎo)致“面”上少.在“干/濕島效應(yīng)”方面,目前的研究主要集中在對(duì)長(zhǎng)時(shí)期、大范圍氣象觀測(cè)資料的對(duì)比分析上,Katharine等人基于全球1973~2003年系列5°5°分辨率的逐月地表濕度分布數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),城市化及其他人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致地表水汽含量(絕對(duì)濕度)明顯增加.Brown和Degaetano基于美國(guó)145個(gè)氣象站的逐小時(shí)濕度數(shù)據(jù)分析了美國(guó)1930~2010年的地表濕度演變趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)絕對(duì)濕度普遍增加,相對(duì)濕度在城市和郊區(qū)表現(xiàn)不一樣,東部、中部和西部表現(xiàn)也不一樣,大體是東部城市呈現(xiàn)“干島”,西部城市呈現(xiàn)“濕島”.顧麗華等人利用4個(gè)氣象站1961~2005年水汽壓、相對(duì)濕度的資料,對(duì)南京市的城市干島和濕島效應(yīng)進(jìn)行了全面、細(xì)致的研究,發(fā)現(xiàn)南京在平均相對(duì)濕度和水汽壓上表現(xiàn)為明顯的干島效應(yīng),隨著城市規(guī)模的發(fā)展,南京城市干島效應(yīng)總體為增強(qiáng)的趨勢(shì);在浙江麗水和福建廈門(mén),潘婭英等人和張少麗等人的研究也得到了“城市干島”的結(jié)論.在城市蒸散發(fā)研究方面,已有研究認(rèn)為,由于城市化進(jìn)程使植被、土壤等下墊面條件被不透水硬地面替代,持水下墊面的減少會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)量的減少.倪廣恒和敬書(shū)珍基于遙感技術(shù)研究了城市蒸散發(fā)過(guò)程與土地利用/覆蓋的響應(yīng)關(guān)系;吳炳方和邵建華基于遙感影響建立了區(qū)域蒸騰蒸發(fā)量的時(shí)空推演方法,該方法在流域大尺度范圍內(nèi)應(yīng)用較好,但其空間分辨率較低,對(duì)城市區(qū)的模擬精度受到限制,而且也沒(méi)有考慮城市人工取用水的蒸發(fā)耗散.Qin等人將下墊面分為5類(lèi)(耕地、城鄉(xiāng)居工地、陸生植被區(qū)、水生植被區(qū)、未利用土地),分別提出了各項(xiàng)ET的理論與計(jì)算方法,在城市耗水計(jì)算中綜合運(yùn)用了用水定額、耗水系數(shù)和水量平衡法.在耗水率計(jì)算方面,李彥東認(rèn)為“工業(yè)和生活用水的蒸發(fā)耗水率不超過(guò)10%”.孟凡貴在博文“制度性干旱”的附文中(www.people.com.cn/GB/32306/33232/7789334.html)測(cè)算北京市區(qū)工業(yè)和生活蒸發(fā)耗水僅為133mm,由此推斷城市單位面積水耗遠(yuǎn)比農(nóng)田小,對(duì)水源的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)比農(nóng)田大,這一計(jì)算忽略了城市中水回用及復(fù)雜的循環(huán)轉(zhuǎn)化消耗過(guò)程,結(jié)果偏小.“制度性干旱”的觀點(diǎn)一度引起學(xué)術(shù)界的爭(zhēng)論.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所張佳寶研究員(news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2009/2/215913.html)在接受《科學(xué)時(shí)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō):“(孟凡貴)之所以能得出一些令人觸目驚心的結(jié)論,是因?yàn)樵撐脑谟?jì)算各項(xiàng)水資源消耗量時(shí)有一些問(wèn)題”.以上爭(zhēng)論從一個(gè)側(cè)面反映了學(xué)術(shù)界和社會(huì)公眾對(duì)蒸發(fā)耗水的關(guān)注.總體來(lái)看,目前城市蒸散發(fā)對(duì)自然側(cè)、大尺度的研究較多,對(duì)考慮城市耗用水過(guò)程的綜合蒸散發(fā)過(guò)程的研究還比較少.
1.2城市化伴生的水環(huán)境及水生態(tài)效應(yīng)
從歷史的發(fā)展來(lái)看,城市化和工業(yè)化往往導(dǎo)致城市環(huán)境惡化,生態(tài)受到較大破壞.中國(guó)目前處于工業(yè)化中后期和快速城市化時(shí)期,城市環(huán)境和生態(tài)質(zhì)量逐漸成為制約社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素.其中,水環(huán)境和水生態(tài)是城市生態(tài)環(huán)境體系的重要組成部分.2007年,經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)的“中國(guó)環(huán)境報(bào)告”指出,中國(guó)在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的同時(shí),環(huán)境質(zhì)量水平大幅度下滑,“與世界上最貧窮的國(guó)家近似”.根據(jù)中國(guó)人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部《2013中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》,中國(guó)已有超過(guò)30%的主要河流、70%的湖泊和20%的沿海水域遭到嚴(yán)重污染,尤其是河流流經(jīng)城市段的污染最為嚴(yán)重.同時(shí),城市區(qū)域地下水污染問(wèn)題不容忽視,地下水水質(zhì)優(yōu)良的比例僅占37.3%.水環(huán)境和水生態(tài)惡化不僅對(duì)居民飲用水安全構(gòu)成威脅,也是城市實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長(zhǎng)的絆腳石.因此,近些年來(lái),城市化、工業(yè)化伴生的水環(huán)境與水生態(tài)效應(yīng)相關(guān)研究成為城市水文學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一.在城市水環(huán)境方面,以水環(huán)境承載力研究為著眼點(diǎn),Zacharof等人,Schütze等人在此基礎(chǔ)上提出了水環(huán)境納污能力計(jì)算、水環(huán)境過(guò)程演變模擬等模型和污水處理系統(tǒng)的實(shí)施監(jiān)控方案.水環(huán)境納污計(jì)算模型可以定量求解水環(huán)境承載力,對(duì)城市建設(shè)決策,可持續(xù)發(fā)展提供有力依據(jù).郭懷成和唐劍武以山東臨淄為例,建立了該區(qū)水環(huán)境系統(tǒng)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與決策模型,由模型獲得定量化水環(huán)境承載力,以研究城市水環(huán)境與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)綜合協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略及對(duì)各協(xié)調(diào)策略進(jìn)行評(píng)價(jià).崔鳳軍采用系統(tǒng)研究方法,利用城市水環(huán)境承載力指數(shù)分析城市水環(huán)境,對(duì)策略變量做出預(yù)測(cè)、優(yōu)化,并利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬手段進(jìn)行了實(shí)證研究.左其亭等人提出了計(jì)算城市水環(huán)境承載能力的“控制目標(biāo)反推模型”(COIM模型),同時(shí)以鄭州市為應(yīng)用范例,介紹城市水環(huán)境承載能力計(jì)算模型應(yīng)用及水環(huán)境調(diào)控對(duì)策制定.水環(huán)境和水質(zhì)過(guò)程演變研究主要從污染物性質(zhì),污染事件的過(guò)程與方式等方面認(rèn)識(shí)環(huán)境惡化與水質(zhì)劣變過(guò)程的演化機(jī)理,同時(shí)提出相關(guān)防治對(duì)策.張學(xué)勤和曹光杰就城市水質(zhì)問(wèn)題提出了節(jié)約用水、控制點(diǎn)源和面源污染、加強(qiáng)城市綠地建設(shè)、生態(tài)修復(fù)城市水體等改善城市水環(huán)境質(zhì)量的具體措施.任玉芬等人通過(guò)對(duì)不同城市下墊面的分析,研究了屋面和路面等不透水面以及綠地3類(lèi)城市主要下墊面形式的降雨徑流污染.Zheng等人通過(guò)動(dòng)態(tài)建模方法,研究城市雨水徑流多環(huán)芳香烴(PAH)的污染評(píng)估.Gnecco等人研究了在城市表面的降雨污染,分別調(diào)查了屋頂和路面污染情況.結(jié)果顯示在路面徑流中最顯著的污染物為溶解形式的Cu,Pb和Zn的重金屬;關(guān)于屋頂徑流,鋅濃度是非常高的.Vizintin等人使用結(jié)合過(guò)程的模型,測(cè)定考慮城市水循環(huán)的城市沖積含水層地下水污染.在城市水生態(tài)方面,相關(guān)研究結(jié)合城市生態(tài)建設(shè)管理實(shí)踐,通過(guò)水與其他生態(tài)要素的統(tǒng)一分析,為城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)與科學(xué)建議.早期的城市生態(tài)建設(shè)規(guī)劃主要考慮城市結(jié)構(gòu)、形態(tài)設(shè)計(jì)等,忽視了能源的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù),直到20世紀(jì)90年代初,城市水問(wèn)題、水環(huán)境和水生態(tài)的研究才逐漸受到重視.Kattel等人認(rèn)為,城市生態(tài)是一個(gè)聯(lián)合的整體,是建筑、土地利用、城市綠地、道路、濕地、棲息地及島嶼等不同的組合聚集在一起形成的,維持城市生態(tài),保障城市可持續(xù)發(fā)展十分重要.Gbel等人提出了擬自然的城市水文生態(tài)管理方法,并評(píng)估了這種管理模式下城市地下水的響應(yīng)規(guī)律.王沛芳等人提出了水安全、水環(huán)境、水景觀、水文化和水經(jīng)濟(jì)五位一體的城市水生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)模式.Wang等人研究了青島嶗山區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境的綜合管理,對(duì)于城市居民區(qū)的廢水排放,為預(yù)防水體富營(yíng)養(yǎng)化和藻類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)匯集,人工濕地和沿岸水生植物形成了緩沖地帶.周文華等人以北京市為例,探討了城市水生態(tài)足跡的內(nèi)涵和4種典型城市水生態(tài)足跡的發(fā)展軌跡,提出了基于城市生態(tài)需水量的水生態(tài)足跡的核算方法.劉武藝等人定義了基于城市水生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)承載力,提出了“基于城市水生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)承載力-壓力量化模型”,并根據(jù)理論模型設(shè)計(jì)了計(jì)算模型.綜上所述,城市水環(huán)境與水生態(tài)效應(yīng)研究不單單局限于水資源本身,需要結(jié)合城市整體建設(shè)規(guī)劃,考慮經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素.在水環(huán)境治理方面,水環(huán)境承載力具備了一定的研究基礎(chǔ),今后主要的研究方向應(yīng)該側(cè)重于污染物的運(yùn)移轉(zhuǎn)化,以及污染事件和水質(zhì)劣變過(guò)程機(jī)理的認(rèn)識(shí)和模擬等方面.水生態(tài)研究作為城市生態(tài)建設(shè)的重要部分,則緊密結(jié)合了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各類(lèi)因素.城市生態(tài)需水量、城市生態(tài)承載力等研究都已開(kāi)展.在城市生態(tài)建設(shè)日益得到重視的情況下,水生態(tài)學(xué)的研究將以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo),為統(tǒng)籌規(guī)劃、綜合管理提供理論依據(jù).
1.3城市化水文過(guò)程機(jī)理研究
城市化水文過(guò)程機(jī)理研究是城市水文研究的另一重要分支,這部分研究可劃分為“自然”和“社會(huì)”2個(gè)方面.“自然”方面重點(diǎn)研究天然降水在城市復(fù)雜下墊面上的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化和消耗過(guò)程;“社會(huì)”方面則集中于城市供用水方式和排水過(guò)程特征等領(lǐng)域.“自然”方面早期主要關(guān)注城市暴雨洪水及市政排水設(shè)計(jì)等工程問(wèn)題,中國(guó)部分高校為此開(kāi)設(shè)了“城市水利工程”專(zhuān)業(yè).近期關(guān)注城市水文內(nèi)在機(jī)理與模擬預(yù)測(cè)等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題,包括不同城市下墊面的降雨-徑流關(guān)系、城市產(chǎn)匯流集成模擬、城市暴雨洪水的源頭控制(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.研究結(jié)果表明,城市化對(duì)天然水循環(huán)的影響作用主要集中在以下幾個(gè)方面:
(1)城市化進(jìn)程改變了天然的下墊面條件,隔斷了地表、土壤與地下的水文聯(lián)系,在一定程度上改變了區(qū)域的產(chǎn)匯流特性;
(2)城市化進(jìn)程破壞了已有的水文格局,改變了原有的水生態(tài)系統(tǒng)平衡,對(duì)城市生態(tài)環(huán)境造成一定程度的影響;
(3)城市化進(jìn)程從整體上改變了城市水文系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力,增大了城市洪水內(nèi)澇的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn).“社會(huì)”方面,已有研究重點(diǎn)關(guān)注城市供水安全,研究不同城市單元的用水量及其影響因素以及城市水體水質(zhì)劣變與驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究等.Mercedes等人對(duì)巴塞羅那居住區(qū)游泳池的用水量進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)城市游泳池的用水約占了總用水量的10%,富人區(qū)游泳池相對(duì)較多,人均用水量也更高一些.Rachelle等人通過(guò)澳大利亞金海岸城132個(gè)家庭的用水觀測(cè)和行為分析,研究了有無(wú)節(jié)水意識(shí)對(duì)最終生活用水量的影響.Peter和Denny對(duì)澳大利亞布里斯班城市資源消耗(水資源、能源、住房)的決定因素的半定量分析表明,用水量的決定因素主要取決于收入水平,個(gè)人節(jié)水意識(shí)對(duì)片區(qū)用水量的影響較小.Angela和Thomas研究了西班牙馬洛卡旅游度假區(qū)的用水量,指出高端旅游度假區(qū)人均用水量最高,其原因之一就是其私家花園的用水量占到了夏天總用水量的70%,大眾旅游度假區(qū)的花園用水量占30%,城市居住區(qū)約占20%.劉家宏等人、左其亭剖析了中國(guó)城市生活用水指標(biāo)的演變機(jī)理,建立了考慮氣候、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素的城市生活用水指標(biāo)計(jì)算模型.城市水質(zhì)劣變和污染負(fù)荷驅(qū)動(dòng)機(jī)制是“社會(huì)”側(cè)的新的研究熱點(diǎn).Chebbo和Gromaire通過(guò)法國(guó)巴黎一個(gè)名叫“LeMarais”的城市試驗(yàn)小區(qū)的綜合觀測(cè),定量分析了下水道系統(tǒng)的污染負(fù)荷,分別估計(jì)了徑流,廢污水和下水道的沉積物對(duì)總污染負(fù)荷的貢獻(xiàn).Campisano等人利用數(shù)學(xué)建模和實(shí)驗(yàn)觀測(cè),研究了下水道的沖洗脈沖波對(duì)管道沉積物的沖刷效應(yīng).李家科等人從機(jī)理模型、統(tǒng)計(jì)模型和概念模型3個(gè)方面進(jìn)行了歸類(lèi)整理,梳理總結(jié)了城市面源污染估算的主要方法和模型,系統(tǒng)地闡述了城市地表徑流污染的過(guò)程機(jī)理與描述方案.
1.4城市水文過(guò)程模擬模型
城市水文過(guò)程模擬模型研究主要集中在城市產(chǎn)匯流與暴雨內(nèi)澇過(guò)程方面,已有研究認(rèn)為城市化導(dǎo)致城市產(chǎn)匯流機(jī)制和產(chǎn)匯流特性均發(fā)生改變.Urbonas等人繪制了城市暴雨徑流系數(shù)與城市不透水面積比例的相關(guān)關(guān)系圖,表明隨著城市下墊面不透水特性的增強(qiáng)城市產(chǎn)流系數(shù)迅速增大.Brun和Band研究表明,城市不透水面增加0.1~1倍,產(chǎn)生的地表徑流將增加2~5倍.Seth等人在美國(guó)對(duì)高度城市化流域和自然流域進(jìn)行對(duì)比研究后發(fā)現(xiàn),城市化區(qū)域降雨徑流峰值要比自然流域高出30%以上,同時(shí),城市化區(qū)域徑流衰退系數(shù)要比自然流域低40%左右.Mark等人和Schmitt等人解析了暴雨洪水時(shí)城市表面流和下水管道流量之間的相互作用.我國(guó)學(xué)者在城市產(chǎn)匯流和洪澇研究領(lǐng)域主要集中在對(duì)城市降雨和徑流的預(yù)報(bào)上.許有鵬等人以我國(guó)南方城市地區(qū)為例,借助“3S”技術(shù)平臺(tái),對(duì)區(qū)域徑流過(guò)程進(jìn)行了模擬,結(jié)論表明快速城市化導(dǎo)致區(qū)域不透水率增加,河網(wǎng)滯蓄能力下降,區(qū)域徑流深度和徑流系數(shù)增大.由于水文過(guò)程的復(fù)雜性和不確定性,原型觀測(cè)的難度較大.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)模擬技術(shù)的發(fā)展,借助區(qū)域或者流域水文模型對(duì)城市化過(guò)程中的水文過(guò)程進(jìn)行模擬越來(lái)越受到研究者的重視.Lhomme等人建立了基于GIS的城市地表產(chǎn)匯流模型.Vieux和Bedient用數(shù)值方法分析了人口稠密的城市化地區(qū)洪水預(yù)報(bào)的不確定性.Valeo和Ho分析了目前融雪模型的一些問(wèn)題,建立了以野外實(shí)驗(yàn)得到的城市融雪參數(shù)為基礎(chǔ)的融雪模型,解決了城市地區(qū)的融雪問(wèn)題.Berthier等人用二維數(shù)值模型來(lái)確定土壤在城市集水區(qū)徑流的形成中的作用,發(fā)現(xiàn)土壤出流的貢獻(xiàn)可以占到徑流總量的14%.城市水文過(guò)程模擬模型基本上可以分為以下幾類(lèi):
(1)概念性水文模型;
(2)物理性水文模型;
(3)水動(dòng)力模型.其中,水文模型將城市水循環(huán)系統(tǒng)看做一個(gè)“黑箱”或者“灰箱”系統(tǒng),借助輸入-輸出響應(yīng)關(guān)系或者具有一定物理機(jī)理關(guān)系的方程來(lái)描述系統(tǒng)的水文過(guò)程和水循環(huán)行為.此類(lèi)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)的要求不高,便于普及應(yīng)用,缺點(diǎn)在于模擬精度受到一定的限制,模擬過(guò)程的時(shí)空尺度不宜太小.水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)城市水文過(guò)程進(jìn)行了顯式刻畫(huà),利用地表水動(dòng)力學(xué)方程,管道流體運(yùn)動(dòng)方程等對(duì)城市水循環(huán)過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算,大大地提高了模擬精度,并且可以顯著降低模擬的時(shí)間尺度.但是由于建模過(guò)程需要大量復(fù)雜的輸入數(shù)據(jù)和參數(shù),限制了模型的廣泛應(yīng)用.當(dāng)前,城市水文和水動(dòng)力模型層出不窮,但每一種模型都具有其獨(dú)特的適用范圍.這些模型在特定區(qū)域和特定工況條件下取得了較好的研究成果.總結(jié)來(lái)看,SWMM模型、InfoWorks模型和MIKE模型是應(yīng)用成功的典型.SWMM模型的全稱(chēng)是城市暴雨雨水管理模型(StormWaterManagementModel),是由美國(guó)環(huán)保局于20世紀(jì)70年代初開(kāi)發(fā)的.該模型可以模擬城市區(qū)域次降雨徑流過(guò)程,包括城市地面暴雨徑流的過(guò)程響應(yīng)以及在城市排水系統(tǒng)的水力運(yùn)動(dòng)過(guò)程等.模型問(wèn)世以來(lái),被廣泛地應(yīng)用于世界各地的城市規(guī)劃和管理中,在城市暴雨徑流預(yù)報(bào)模擬、污水排放的環(huán)境效應(yīng)分析以及城市雨水污水排水設(shè)計(jì)等領(lǐng)域均有應(yīng)用.我國(guó)學(xué)者針對(duì)SWMM模型開(kāi)展了廣泛的應(yīng)用研究,劉俊和徐向陽(yáng)利用SWMM模型對(duì)天津主城區(qū)外環(huán)河以內(nèi)的主要河道進(jìn)行了建模計(jì)算,得到了研究區(qū)重要河道斷面的流量過(guò)程.陳鑫等人對(duì)鄭州市主城區(qū)的暴雨徑流過(guò)程進(jìn)行了模擬,并對(duì)研究區(qū)設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)和排水重現(xiàn)期進(jìn)行了分析.InfoWorks模型由英國(guó)Wallingford集團(tuán)負(fù)責(zé)研發(fā).該模型的最大特點(diǎn)是可以仿真模擬城市水循環(huán)過(guò)程,對(duì)城市管網(wǎng)的水流過(guò)程模擬能力比較強(qiáng)大.我國(guó)學(xué)者近些年來(lái)也積極引進(jìn)該模型.姚宇建立了城市工業(yè)園區(qū)排水網(wǎng)絡(luò)模擬模型,仿真模擬城市排水管網(wǎng)的運(yùn)行性能.張偉分析了城市排水管網(wǎng)的水力特性,并模擬管網(wǎng)水流的沉積規(guī)律,為城市管網(wǎng)防淤塞管理提供有力工具.MIKE模型是丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)的產(chǎn)品.DHI是非政府的國(guó)際化組織,基金會(huì)組織結(jié)構(gòu)形式,主要致力于水資源及水環(huán)境方面的研究,擁有世界上最完善的軟件、領(lǐng)先的技術(shù).MIKE模型家族中有一款專(zhuān)為城市水系統(tǒng)量身定做的模擬工具-MIKEURBAN模型,其前身為MIKEMOUSE模(blog.sina.com.cn/s/blog_4b20b70d01019l3x.html).MIKEURBAN是模擬城市排水,污水系統(tǒng)的水文,水力學(xué)和水質(zhì)等集成工程軟件,它集成了城市下水系統(tǒng)中的地表流,明渠流,管道流,水質(zhì)以及泥沙傳輸?shù)扔?jì)算模型,具有強(qiáng)大的城市水循環(huán)及伴生過(guò)程模擬能力.文獻(xiàn)檢索顯示,MIKE系列模型目前在國(guó)內(nèi)已有廣泛的應(yīng)用,但是MIKEURBAN模型的應(yīng)用還不是很多.隨著我國(guó)城市化的迅速推進(jìn),基于城市水循環(huán)調(diào)控與城市水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)的需要,MIKE-URBAN模型會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景和提升空間.
2城市水文學(xué)發(fā)展趨勢(shì)
城市水文研究是通過(guò)分析城市化對(duì)于降水、城市下墊面產(chǎn)匯流規(guī)律、城市暴雨洪水以及供需水、水資源保障、水環(huán)境、水生態(tài)等方面的影響機(jī)制,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市氣候成因分析、洪水預(yù)測(cè)計(jì)算、污染事件防控、景觀生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)、雨洪資源化利用等目的.通過(guò)以上國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)檢索可以發(fā)現(xiàn),城市水文學(xué)興起于20世紀(jì)80年代,主要開(kāi)展城市化的水文效應(yīng)、城市水文機(jī)理與模擬等方面的研究.目前學(xué)術(shù)界對(duì)城市熱島效應(yīng)的研究結(jié)論基本一致,對(duì)產(chǎn)生“熱島效應(yīng)”的機(jī)理認(rèn)識(shí)也比較清楚.研究手段已從數(shù)據(jù)對(duì)比法(包括城/郊觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比、城區(qū)長(zhǎng)系列歷史數(shù)據(jù)對(duì)比)上升到模型模擬和實(shí)驗(yàn)室模擬階段,建立了一系列能夠反演城市“熱島效應(yīng)”的統(tǒng)計(jì)模型、能量平衡模型、數(shù)值模型、解析模型和物理模型.目前對(duì)城市夏季“雨島效應(yīng)”的研究結(jié)論基本一致,對(duì)“雨島效應(yīng)”的產(chǎn)生機(jī)理認(rèn)識(shí)也比較統(tǒng)一.但對(duì)城市干/濕島效應(yīng)的研究結(jié)論在不同地區(qū)并不一致,這與城市水循環(huán)的復(fù)雜性、城市所在區(qū)域氣候背景的差異性,以及水分相變過(guò)程與能量平衡(顯熱/潛熱轉(zhuǎn)化)過(guò)程的高度契合性密切相關(guān).城市干/濕島效應(yīng)與城市蒸散發(fā)密切相關(guān),欲從機(jī)理上闡釋干/濕島形成的原因,必先弄清城市蒸散發(fā)的機(jī)制及其各項(xiàng)水分來(lái)源.城市水文機(jī)理與模擬方面,“自然側(cè)”的降水-產(chǎn)匯流研究比較系統(tǒng),已建立了包括城市屋面、硬化地面、城市綠地等復(fù)雜城市下墊面的降水-蒸發(fā)-徑流定量模擬模型.“社會(huì)側(cè)”的用水規(guī)律和需求預(yù)測(cè)研究也比較多,剖析了收入水平、節(jié)水意識(shí)、生活習(xí)慣等因素對(duì)城市用水量的影響,建立了考慮氣候、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素的城市生活用水指標(biāo)計(jì)算模型.對(duì)城市人工取用水的耗水機(jī)理研究較少,在城市綜合耗水強(qiáng)度“是高還是低”的定性認(rèn)識(shí)上還存在激烈爭(zhēng)論.目前對(duì)工業(yè)、生活及城市景觀生態(tài)用水消耗的定量計(jì)算做了一些探索,定量方法主要是經(jīng)驗(yàn)性的耗水系數(shù)法,尚沒(méi)有建立具有物理機(jī)制的城市用水蒸發(fā)耗散模型.從城市化的發(fā)展趨勢(shì)、水資源消耗的空間分布,以及城市化對(duì)水分收支影響等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題來(lái)看,城市綜合耗水的內(nèi)在機(jī)理研究將是現(xiàn)代城市水文學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn),該方面研究獲得的城市蒸發(fā)耗水的定量計(jì)算成果,可以建立水分相變過(guò)程(蒸發(fā))的能量吸收(潛熱)與氣溫(顯熱)的關(guān)系模型,從而架起城市蒸發(fā)耗水與能量收支之間的橋梁,為解釋不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同濕度條件下城市熱島效應(yīng)的強(qiáng)弱奠定科學(xué)基礎(chǔ).理論上,蒸發(fā)耗散強(qiáng)度大(相對(duì)于郊區(qū))的城市,其熱島效應(yīng)弱,反之則強(qiáng),因?yàn)檎舭l(fā)吸收顯熱,對(duì)溫度升高具有抑制作用.在應(yīng)用方面,隨著城市內(nèi)澇問(wèn)題的日益凸顯,城市建成區(qū)短歷時(shí)暴雨洪水的精細(xì)模擬預(yù)測(cè)、城市水文極值事件的定量描述、“海綿型”社區(qū)建設(shè)(低影響社區(qū))模式及其水文響應(yīng)規(guī)律等也是城市水文研究重要方向.城市水文學(xué)理論的發(fā)展過(guò)程中還存在很多問(wèn)題需要解決,目前國(guó)內(nèi)在機(jī)理和模型上的研究還要朝以下幾個(gè)方面努力:首先,要重視水文效應(yīng)機(jī)理研究.之前諸多研究結(jié)果表明:城市水文效應(yīng)存在明顯的區(qū)域性,不同地區(qū)存在不同的水文現(xiàn)象.把握城市水文效應(yīng)的規(guī)律性并開(kāi)發(fā)定量模擬模型是今后工作的重點(diǎn).如城市暴雨產(chǎn)流過(guò)程的時(shí)空精細(xì)化模擬,重點(diǎn)要探究城市“雨島效應(yīng)”、“干濕島效應(yīng)”對(duì)城市局部氣候的定量化影響,提高降雨預(yù)報(bào)精度和預(yù)見(jiàn)期.其次,要發(fā)展多學(xué)科交叉及應(yīng)用研究.做好城市水文學(xué)研究必須涉及多個(gè)領(lǐng)域、學(xué)科的交叉合作,城市水文研究不僅與大氣科學(xué)密切相關(guān),還與環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)及社會(huì)科學(xué)、城市規(guī)劃等學(xué)科領(lǐng)域相互關(guān)聯(lián),只有協(xié)調(diào)好學(xué)科間的相互關(guān)系,領(lǐng)域之間互相合作,才能更好地認(rèn)識(shí)和理解城市水文效應(yīng)機(jī)制.最后,要把握好氣候變化對(duì)城市水文過(guò)程的響應(yīng).全球變暖已經(jīng)成為科學(xué)界不爭(zhēng)的事實(shí),諸多學(xué)者認(rèn)為全球變暖現(xiàn)象對(duì)于城市水文過(guò)程及水生態(tài)系統(tǒng)存在一定的影響,相對(duì)于其他系統(tǒng)而言,城市系統(tǒng)對(duì)于氣候變化的影響更加脆弱,因此分析氣候變化對(duì)于城市水文過(guò)程的影響十分必要.
3結(jié)論與展望
城市水文學(xué)是水文學(xué)的一個(gè)重要分支,20世紀(jì)80年代正式獨(dú)立成為一門(mén)學(xué)科,早期重點(diǎn)關(guān)注城市排水工程設(shè)計(jì)等水文計(jì)算問(wèn)題.21世紀(jì)以來(lái),隨著城市化進(jìn)程的加快,城市水文學(xué)面臨的問(wèn)題更趨復(fù)雜,學(xué)科研究領(lǐng)域逐漸拓寬,囊括了城市化伴生的水環(huán)境與水生態(tài)效應(yīng)、城市水文過(guò)程機(jī)理解析和過(guò)程模擬等內(nèi)容.近30年來(lái),城市水文學(xué)在城市水文與伴生過(guò)程模擬、城市水資源配置與高效利用、城市防洪減災(zāi)等方面取得了豐碩成果,基本形成了一套完整的機(jī)理、模型和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方法.但是,目前城市水文學(xué)還有諸多問(wèn)題存在爭(zhēng)議.隨著氣候變化和城市化進(jìn)程的推進(jìn),這些問(wèn)題逐漸受到廣泛關(guān)注.
(1)城市區(qū)域局部氣候變化與極端天氣事件頻發(fā)問(wèn)題.目前,城市區(qū)域的“熱島效應(yīng)”、“干島效應(yīng)”和“濕島效應(yīng)”受到學(xué)界廣泛認(rèn)可,但上述效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理以及定量表征方法研究還很不充分.
(2)受到氣候變化和強(qiáng)人類(lèi)活動(dòng)干擾影響,城市水文要素和自然流域相比發(fā)生了深刻變化.其中,城市區(qū)域的綜合耗水強(qiáng)度和蒸散發(fā)量顯著升高.認(rèn)識(shí)城市高耗水過(guò)程機(jī)理,實(shí)施ET耗水管理,控制城市高耗水對(duì)促進(jìn)區(qū)域真實(shí)節(jié)水具有重要作用.
(3)和天然水循環(huán)過(guò)程相比,城市區(qū)域人工取用水強(qiáng)度很大,成為城市水循環(huán)運(yùn)動(dòng)的主要過(guò)程.合理預(yù)測(cè)和控制城市社會(huì)取用水量,促進(jìn)城市水循環(huán)、水生態(tài)和水環(huán)境可持續(xù)健康發(fā)展,是城市水文學(xué)的又一個(gè)重要任務(wù).總的來(lái)看,隨著城市極端天氣事件和內(nèi)澇問(wèn)題的日益凸顯,城市水文和天氣極值事件的模擬、預(yù)測(cè)與應(yīng)用是城市水文研究的重要方向.城市區(qū)域高耗水過(guò)程機(jī)理與城市水循環(huán)需要加強(qiáng)對(duì)城市人工取用水過(guò)程的機(jī)理認(rèn)識(shí),對(duì)耗水過(guò)程中的水分相變帶來(lái)的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行深入研究.此外,城市發(fā)展已逐漸由點(diǎn)狀分布演變?yōu)榧悍植?未來(lái)城市群疊加水文效應(yīng)的定量評(píng)估和預(yù)測(cè)將是城市水文新的發(fā)展方向.
作者：?jiǎn)挝唬簞⒓液?邵薇薇 王建華 陳似藍(lán) 高學(xué)睿 王浩 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水利部水資源與水生態(tài)工程技術(shù)研究中心
