城市水管理与海绵城市建设之理论基础—城市水文学研究进展

徐宗学，程 涛

（1.北京师范大学 水科学研究院，北京 100875；2.城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京 100875）

1 研究背景

1.1 我国城市水问题现状近年来，随着我国经济社会的快速发展，城市化进程不断加快，城市化面貌日新月异。城市常住人口迅速增加，据国家统计局统计资料显示，1981年中国常住人口城镇化率仅为20.2%，而在2017年末达到58.5%［1］；同时，城市建成区面积也迅速扩张，由1981年的7438 km2增加到2017年的5.43万km2。在新型城镇化战略的进一步推动下，未来一段时间内，我国的城镇化率将进一步增加，预计到2050年，我国的城市常住人口将超过10亿［2］。

然而，由于不甚合理的城市建设规划，快速城市发展和建设对自然水循环系统造成了无序的干扰和破坏，引发了一系列城市水问题［3-4］。城市建设改变了自然排水格局，增加产流量并加快汇流速度，侵占河湖水系，降低了雨洪调蓄能力，造成洪涝灾害频发；城市发展显著增加了用水需求量，水资源供需关系日趋紧张，全国有400余座城市面临缺水问题；城市生产、生活排污量持续增加，雨洪非点源污染负荷量增加，超过了河湖水系环境承载能力，引起水环境和水生态的恶化问题。上述水灾害问题成为威胁城市健康可持续发展的重要因素，城市水管理工作面临着前所未有的挑战。

1.2 城市水管理战略——海绵城市快速城市化导致的自然水循环演变和城市水问题恶化引发了严重的城市病，人们开始关注城市生态环境系统的健康发展与合理规划，国际上提出了“低影响开发（Low Impact Development，LID）”、“最佳管理措施（Best Management Practices，BMPs）”、“水敏感城市（Water Sensitive Urban Design，WSUD）”、“可持续排水系统（Sustainable Drainage System，SUDs）”等一系列措施，并针对城市雨洪管理和水问题治理开展了深入的科学研究［5-7］。在新型城镇化背景下，基于水生态文明理念，我国提出了建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”，旨在为我国健康、高效、可持续的城市发展奠定良好的基础［8］。在政府的支持和引导下，我国出台了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》，并于2015和2016年分两批产生了济南、北京等30座试点城市，许多城市进行了一定的探索，结合城市自身特点开展海绵城市建设，取得了一些成功经验。随着城市发展对生态环境健康提出的高标准、高要求，海绵城市建设成为我国城市化进程中的重要战略举措。

1.3 城市水管理对水文学基础理论的重大需求海绵城市作为一项科学的城市水管理战略举措，其理念的形成经过了严格的科学论证，也与国际上普遍采用的城市雨水管理理念相一致。然而，从目前全国海绵城市建设的情况来看，整体上仍然处于探索阶段［3-4］，一些建设工作的开展仍然存在盲目性，缺乏针对性的技术参考和理论指导，导致有些建设工程考虑实际防洪排涝情况不足［9］。

关于海绵城市建设，刘昌明等［10］认为应以探明区域蓄排关系的基础上，因地制宜的通过各种海绵设施手段处理雨水；左其亭［11］总结了水科学的10个方面及其在海绵城市建设和管理中的应用，并指出了海绵城市建设中可能遇到的6大水科学难题；夏军等［12］认为海绵城市的理论支撑是考虑城市微气象循环、下垫面及管网因素的城市水文学。总而言之，城市雨水管理和海绵城市建设应以城市水文科学为基础理论支撑，结合多学科相关理论，依托气象水文和地理信息多源监测技术，基于理论分析、实验研究和模型模拟等方法，在全面研究城市水循环机理和排水特征的前提下，对城市水系统进行全面地认识和科学地管理［12］。

2 城市水文学研究进展

城市水文学的研究始于城市排水设计的工程实践和经验积累，人类最早的城市排水系统可追溯到上千年前。工业化发展使人口进一步向城市聚集，城市规模进一步增加，产生了水资源短缺、水质污染、水生态环境恶化和洪涝灾害等一系列新的城市水问题，超出了常规水文学方法研究范畴，由此诞生了城市水文学，旨在研究“受城市化影响的城市环境内外的水文过程”［13］。最初，人们通过开展小流域实验和分析历史观测资料研究城市化水文效应，随着对水文规律的进一步认识和科学技术的发展，城市水文学研究的内容和方法不断发展，人们对城市产汇流理论进行了深入的研究，并陆续开发出一系列城市水文模型，对城市化水文过程进行定量化模拟，提出并实施了一系列城市水问题应对措施，服务于城市健康发展和合理规划［14］。

2.1 城市化水文效应在城市化水文效应方面，主要是利用历史观测数据、城市小流域水文气象观测实验以及分布式水文模型，针对城市化所引起的降雨、蒸散发、径流等水文循环要素的变化、水环境恶化与水生态退化问题等方面进行研究。

城市化通过改变下垫面条件和局部小气候，引起水文循环过程的变化［12］。城市化对降雨的影响主要表现在：（1）降雨具有明显的时空分布，受到下垫面类型和地形特征的影响，市区降水量大于郊区，且市区及其下风向一定范围内的降雨强度大于郊区［15］；（2）不同量级的降雨均受到城市化的影响，其中对较高量级的降雨影响尤为显著，且城市暴雨发生的频率明显增大；（3）城市化对降雨的影响具有季节性，冬季降雨受到的影响更为显著，也有研究持相反观点，认为夏季降雨受到更为显著的影响［16］，城市化对降雨的影响还表现出区域性特征。主要的影响因素包括热岛效应、地形抬升与阻滞作用、气溶胶效应，而不同城市地形、地理位置、气候类型下的城市化影响也有一定差异；也有一些研究认为降雨特征变化与城市化并无直接联系［17-19］，其响应机制仍待进一步研究［14］。

城市化对蒸发的影响主要在于下垫面的变化和局部小气候的改变引起蒸散发的变化，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，地表持水能力减弱导致蒸散发持续时间缩短，因此，一些研究认为城市化的发展会显著降低城市蒸散发［20-21］，但也有学者认为城市尺度上的蒸散发并非传统所认为的十分微小［12］，有研究表明，在全面考虑了人为热、建筑物内部蒸散以及渗漏对蒸散发的影响后，计算得到的城区蒸散量大于自然下垫面蒸散量［22］。因此，有必要从微观尺度出发，在考虑不同下垫面蒸散发原理和城市自然-社会二元水循环的基础上，全面核算城市蒸散发量，进一步探究城市化对蒸散发过程变化的影响机制［14］。

城市化的径流效应方面，主要在于下垫面变化所引起的排水系统、地表下渗系数、地表糙率系数、汇流通路的变化，使得城市径流过程发生较大变化。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渗系数降低，径流系数增大，另一方面城市地表糙率系数降低，排水系统渠（管）道化以及截弯取直等，降雨形成径流后会迅速汇集，使暴雨期间洪水总量、洪峰流量增大，峰现时间提前，造成排水系统的严重超载，无法及时排除雨水，形成城市积涝［23-24］。也有研究认为［25］，由于城市河道普遍设置小型拦水建筑物以形成景观水体，一定程度上会降低河道汇流速度，抵消城市地表糙率降低带来的汇流速度增加效应，出口断面峰现时间并无明显提前。城市化也造成了地下径流的变化，如不透水面增加会减少地下径流补给，地下建筑物的大量修建会阻断自然汇流通路，造成地下汇流时间延长等；也有研究表明，由于地下排水管网的渗漏所造成的地下径流补给量十分可观，同时城市绿化、雨水利用设施和人工回灌等也在一定程度上增加了地下径流［14，26-27］。

城市发展对水生态环境造成了剧烈的影响，主要在于城市生产、生活排污量激增带来的水质恶化，地面硬化、河湖衰退等引起的径流变化和生态系统退化等。城市化过程中地面硬化面积增加，地面径流流速增大，侵蚀冲刷作用明显，植被覆盖减少，对污染物的拦截和消减以及土壤的束缚作用降低，使水体泥沙沉淀物和污染物增加［14］；城市活动导致污染物增多，生产、生活排污和降雨期间建筑垃圾、汽车尾气、大气沉降等各种污染源形成大量非点源污染，进一步加重水质恶化［28］；城市建设对河湖湿地的任意侵占导致河流竖窄缩短、湖泊湿地面积减少，导致城市河湖湿地等生物栖息地退化，物种数量减少，生态多样性受到严重影响［29］。

2.2 城市产汇流理论城市化使得大面积的耕地、林地、草地和水面等天然下垫面被建筑物和道路等替代，自然流域土地利用类型和格局均发生改变，引起下垫面土壤结构、地形地貌和水热通量明显变化，极大地影响了流域的产汇流规律。与自然流域的产汇流过程相比，城市流域的降雨时空变异性较大、下垫面构成复杂且具有很大的空间异质性，城市化水文效应对产汇流过程的改变，使城市产汇流过程具有自然流域产汇流理论所不能描述的特征，其产汇流机理目前仍处于探索阶段。

自然流域的地表产流机制一般分为蓄满产流和超渗产流。蓄满产流一般适用于湿润地区，土壤含水量高，蓄水容量有限，降雨首先满足土壤蓄渗后才开始产流。超渗产流一般适用于干旱半干旱地区，其土壤含水量较低，降雨易使土壤结皮导致渗透系数减小，降雨强度超过土壤入渗能力形成径流。在极端降雨条件下，对于任何区域的任何土壤类型，降雨强度远远超过土壤渗透系数，均表现出超渗产流的特征。城市表面由于受到道路铺设和土壤压实等综合作用的影响，地表土壤入渗率较低，具有超渗产流的基本特征［30］。然而，随着城市规划趋于科学化，大量的城市绿地景观和海绵设施的建设也会形成较多高植被覆盖率的湿润土壤，如绿色屋顶、植草沟、下凹式绿地以及各种人工湿地景观等，其一定程度上具有蓄满产流的特征。因此，城市产流计算中，应根据详细的土地利用和土壤属性分布数据，考虑降雨特征的时空变异性，采用与下垫面特征匹配的产流理论［31］。

城市化蒸散发受下垫面特征和水热通量变化的控制，人为的水资源利用和管理也会对城市蒸散发过程造成影响。从较长时间尺度来看，城市热岛效应会促进蒸发，但城市地表粗糙度大使得表面横向气流运动减弱，从而抑制蒸散发；城市绿地灌溉、人工河湖景观等增加土壤含水量和水面面积，很大程度上促进了蒸散发，但也有人认为城市绿地和河湖景观改变局地微气候，能够缓解热岛效应［32］，间接地削弱了蒸散发。因此，需要利用高时空分辨率的地面或遥感监测数据反映控制蒸散发的主要变量，对蒸散发过程进行科学合理地描述。而城市更多地会受到短时强降雨的威胁，由于历时较短，一般认为蒸散发降雨期间变化不明显，采用均一的蒸散发值，但在空间上受城市局地微气候的影响，具有一定的空间变异性。如刘佳明［33］基于Landsat TM热红外数据反演日均地表温度，进一步计算城市地表蒸散发，进行城市产汇流模拟。

城市雨水汇流可分为地表汇流和地下管网汇流，其中地表汇流又分为坡面汇流和河道汇流，一般不考虑入渗和管网渗漏雨水在土壤中的汇流。城市河道一般具有规则的渠道断面，这与排水管道类似，相对于自然流域河道的不规则断面而言较为简单，符合渠道/管道非恒定流的基本特征。坡面汇流方面，传统的自然流域由于地形和下垫面条件较为均一，通常将具有相同或类似地形特征和下垫面特征的区域当做统一的水文响应单元，采用相同的理论和参数描述其产汇流过程。而城市各种建筑物和基础设施的建设导致地形、下垫面结构发生显著变化，对雨水的运移转化状态产生了较大影响，城市汇流过程非常复杂。

Verbeiren等［34］通过对比常规土地利用产品和基于栅格的遥感数据产品进行水文模拟的结果，发现后者所模拟的峰值流量要明显大于前者，分析认为常规土地利用产品不能有效识别不透水面，造成产流量较少。因此，需要区分具有不同产汇流特征的城市表面，而简单地将城市区域划分为透水面和不透水面也与城市地表地下结构复杂的特征相悖，需要进一步细化下垫面特征类型，如与流域水文响应单元类似的城市水文单元［35］，将具有相同水文响应特征的最小对象或单元作为产汇流的基础计算单元。刘家宏等［36］将城市下垫面概化为不透水单元、透水单元、半透水单元、伪透水单元、强透水单元、水域单元等6类城市水文响应单元，每种响应单元对应特定的水文响应过程，如不透水单元中的建筑屋顶、路面等，透水单元中的公园绿地等，以及强透水单元中的雨水花园等海绵设施，采用对应的理论和方法描述其产汇流过程。

虽然城市水文单元对城市下垫面产汇流特征描述的代表性已较为精细，但城市区域大量存在各种构筑物、微地形以及各子汇水系统（地表、地下）之间的水量交换，使得城市下垫面破碎化，汇流过程具有很强的不均一性，局部地形的突变会导致水流状态的剧烈变化，城市水文单元及相关理论不能对上述情况进行描述，基于网格划分的水动力学汇流理论则能很好的描述上述汇流过程，反映汇流过程中水流的分布性特征，这方面已有较多的研究和应用［35，37-39］。

2.3 城市雨洪模拟模型城市雨洪模拟是在海绵城市规划和设计中的一项关键性支撑技术，利用数值模拟技术对城市水循环过程进行模拟，可以得到城市雨洪过程中的关键状态和特征要素，对雨洪管理和利用具有指导意义。城市雨洪模拟模型一般按照汇流计算方法，分为以水文学方法为主的模型、以水动力学方法为主的模型和以地形分析技术为主的模型［40］。城市雨洪模型产流计算一般不按模型种类区分，所有产流计算方法均可用于各种雨洪模型。

关于城市雨洪模型产流部分的模拟，Elliott和Trowsdale［41］在总结了当今流行的多个城市雨洪模型基础上，发现对于不透水地表均采用降雨量扣除蒸发量、截留量、填洼量等损失来计算，对于透水地表各个模型采用的方法有所不同，主要有径流系数法、SCS法、下渗曲线法、Ф指数法及概念性降雨径流法等。

由于城市地表覆盖分布不均，不透水面与透水面之间呈现错综复杂的空间分布，而当前研究对城市复杂下垫面产流规律认识不足，城市水文气象监测资料短缺，导致城市雨洪的产流计算精度不高。当前多数城市雨洪模型（如SWMM等）对于降雨蒸发和入渗的模拟较为简化，多采用一些简单的经验性公式或数据统计分析拟合公式。如蒸发速率在模拟时段往往设定为恒定不变，没有考虑不同下垫面和人类活动条件下的蒸散发空间差异［36］。虽然入渗模拟区分了透水面与不透水面，但仅用两种下垫面类型不能表征城市真实特点；所有透水面入渗计算均采用同一公式，忽略了不同透水性地面的差别和地下设施的影响；入渗计算模型如Horton模型、Green-Ampt模型及Philip模型等均较为简单，多为经验公式或简化模型，不能真实描述城市透水面尤其是“海绵城市”建设后透水设施的入渗过程。国内外一些学者［42-43］开展了试验和应用研究探讨城市下垫面类型的产流规律，但单点尺度或实验室尺度的研究与实际状况仍存在较大差距，城市区域不透水表面的空间分布以及不透水表面的汇流连通性直接影响到城市的产流特征。

一些学者采用完全分布式的方法来模拟产流，并基于机理模型模拟雨水入渗过程。如罗鹏和宋星原［44］利用基于栅格的土地利用类型和土壤类型空间分布数据，构建了一个基于栅格的分布式SCS产流模型，该模型能够较好地考虑流域下垫面的空间分布及降雨空间分布的不均匀性。Pan等［45］对二维表面产流采用基于网格化单元的一维Richards方程模拟雨水下渗过程，实现对地表产流过程更为真实的描述。刘佳明［33］采用分布式方法构建城市区域产流模型，对每一个具有不同覆盖类型的栅格建立物理概念模型推求净雨，栅格产流考虑树冠截留、蒸散发、土壤下渗等水文过程。

在汇流部分，以水文学方法为主的模型在坡面汇流阶段采用水文学方法进行模拟，在排水管网和河道模拟方面采用水文学方法或水动力学方法，其中水动力学方法中的动力波法能够处理城市管网水流运动中各种流态共存、有压流和无压重力流交替发生以及管网辫状、环状分布的情况，计算技术的发展使得求解完整圣维南方程组成为可能［46-47］。动力波方法较为成功的应用是SWMM模型中的EXTRAN模块，预示着城市雨水管网计算技术的成熟。任伯帜等［48］通过试验对比分析了几种水文学方法和水动力学方法，认为马斯京根法与动力波、扩散波计算结果比较接近，瞬时单位线的计算精度则相对较差。水文学方法采用集总式的概念，将每个下垫面特征均一的区域当作子集水区进行模拟，具有模拟精度高、资料需求少的特点，但一般不能反映地面实际洪涝过程。

为了模拟地面雨洪过程，有学者［49-51］基于地形分析技术，利用填洼算法，将降雨产流后的雨水或排水管网溢流根据地形高低进行分配，得到区域的洪水淹没范围和深度。地形分析法主要包括有源淹没和无源淹没两种方法，分别针对当前城市主要的两种雨洪过程：河流型和积雨型，即河流溃口或漫溢进入城市形成的洪涝和暴雨期间积水形成的内涝。Chen等［50］基于地形分析技术构建城市洪涝模拟模型，模型采用Green Ampt方法计算产流，不考虑管网汇流而采用稳定下渗率替代管网排水，采用平静水面（flat-water）法计算最终洪水状态。Jamali等［52］通过耦合一维管网排水模型和基于地形分析方法的RFIM模型，对城市洪涝进行模拟，模拟结果与MIKE FLOOD等水动力学模拟结果相当。地形分析法演算速度快，所需数据资料也较少，但由于只能得到洪水淹没的最终状态，因此并不能满足当前精细化洪水模拟与管理的需求［49］。

以水动力学方法为主的模型对坡面汇流采用基于物理机制的浅水方程或其简化形式进行模拟，不需要预先划分积水区边界，根据地形特征和下垫面分布将城市划分为一定大小的离散网格（包括结构化网格、非结构化网格和自适应网格），能够模拟洪水发生到结束的全程状态，提供每个栅格点上的洪水水深和流速时间序列［40］。Schmitt等［53］利用基于三角网有限体积法离散求解浅水方程组，并与地下管网系统相耦合，成功模拟出暴雨条件下城市地表径流二维非恒定流过程。在国内，仇劲卫等［54］、张新华等［55-56］分别基于不同的离散方法对城市地表二维非恒定流过程进行模拟，耿艳芬［57］、喻海军［47］、刘佳明［33］分别建立了耦合一维城市排水管网、一维河道汇流和二维地表汇流的城市洪涝模型，且耦合了城市表面的水文学过程，实现对城市洪涝过程全面、精细地模拟。李娜等采用中国水利水电科学研究院自主研发的洪涝仿真模型［40］，对济南市大明湖海绵试点区LID措施的内涝削减效果进行研究，结果表明利用水文水力学模型进行多种方案的模拟分析和比选，可以考虑措施类型、措施规模、地形、下垫面条件和措施布设位置等因素的影响，为合理设置LID措施提供了有效手段［58］。

3 城市水文学研究重点方向和关键技术

城市水文学严格来说是一门工程水文学学科，相关的理论和技术方法研究旨在促进高效科学的城市水管理。当前海绵城市建设作为我国城市水管理的重要举措，需要强有力的理论支撑、技术支持和数据保障。因此，构建完善的气象水文监测预报系统、深入分析变化环境下的城市水文效应和产汇流机理，尤其是海绵设施水文水力学响应机理，并耦合多学科理论构建适合城市复杂下垫面的城市水系统模型，将是未来的主要研究方向。

（1）城市水文监测与预报。完善的气象水文观测资料一直是人们认识和研究水文学规律的重要条件，城市水文观测和预报是进行城市水文学研究的重要内容和关键技术。需要依托最新科技成果，构建科学完备的气象和水文、地表和地下监测网络系统，实现对城市降雨、排水系统、洪涝过程的全方位监测；结合多源信息技术，耦合卫星遥感、气象雷达、手机蜂窝基站、城市视频监控和传感器设备等，从多角度获取城市雨洪过程重要信息；构建多源数据同化系统，构建标准化基础数据库，并联合政府机构、科研院校和网络科技公司，构建大数据存储和共享系统；构建基于多源信息数据的降雨邻近预报系统，提供未来短时暴雨过程高精度预测预报信息，为城市雨洪模拟及洪涝预报和防洪减灾提供科技支撑。

（2）城市化水文效应与产汇流机理。城市化水文效应研究是辨析城市水问题、探索城市水循环规律并形成城市产汇流理论的基础，城市产汇流机理则是构建城市水文模型的理论基础，也是海绵城市建设和评估的技术支撑，两者是当前城市水文学研究的重要研究方向和关键问题。基于城市气象水文观测数据，耦合多源信息，研究城市化对水文过程的影响机理，总结城市水循环规律；基于城市典型土壤入渗观测、不同类型海绵设施与组合及不同尺度集水区产汇流观测实验，研究城市不同下垫面产汇流规律；结合卫星、航空和低空无人机等多源遥感数据，探究城市不透水面空间分布特征对城市产汇流规律及其响应机制的影响；结合遥感数据、地形数据、城市河网水系和排水系统资料，分析城市排水系统和河湖水系演变规律，研究城市不透水面水力连通性和河湖连通性对城市产汇流过程的影响。

（3）城市综合水系统模型。城市水文学的研究对象是城市水文循环过程及其中的各项水文要素，随着城市化建设的推进，城市水问题呈现出更加复杂和综合性的特征。因此，应基于城市产汇流理论和涉水多学科理论方法，针对复杂城市下垫面条件下的自然水循环和社会水循环过程，构建城市综合水系统模型，对水量过程、水质变化、水生态演变和水资源安全及其相互之间的影响进行模拟。在水文方面，重点研究城市及围绕城市的自然流域的地表径流形成、蒸发和下渗，地下水的变化、陆表沉积物污染物的产生和迁移过程，气候、土壤、植被变化的水文响应，构建水文模型；在水动力学方面，重点研究水在管道、渠道、道路、坑塘湿地、河流湖泊中的运动及洪涝过程，也包括水在土壤中的复杂动态渗透过程，构建水动力学模型；在生态环境方面，重点研究水域中的沉积物和污染物扩散沉积过程，水对陆地的侵蚀过程，水生物多样性、生态栖息地完整性与水环境因子的响应关系，构建城市生态/环境水文模型；在城市雨洪利用管理方面，重点研究雨水处理设施优化布局、雨水收集与处理技术、雨水污染控制方法、雨水资源化利用效率、水景观构建与维护，构建城市雨洪利用模型。

4 结语

现代城市水文学研究已近甲子之年，围绕城市排水系统规划与设计、城市化水文效应、城市雨洪过程、雨污处理与利用等方面，基于城市流域气象水文观测、长时间水文序列分析、水文模型模拟等研究方法，借助多源遥感、数据同化、高性能计算和网络等技术，开展了大量的研究，形成了较为完善的城市水文学基础理论和研究方法。国外随着雨洪利用设施的广泛使用，构建了一套先进的城市雨洪管理与利用体系。我国开创海绵城市建设，力求构建适合中国国情的雨洪管理利用体系，但当前仍存在不足之处，如城市基础数据不完备、水文气象监测较为薄弱、海绵城市建设的基础水文学理论不成熟、城市水文模型开发与维护不系统等，我国城市水文学研究仍面临诸多挑战，应尽快借鉴和改进国外技术与方法，加强基础理论研究和模型、数据系统开发。此外，国内外城市水文学研究也面临一些问题，如气候变化条件下水文一致性发生重大改变，城市区域水文过程面临气候变化与城市化双重环境变化问题；由于城市系统与水系统复杂的相互作用，城市水问题呈现更加复杂的特征。在未来的城市水文学研究中，应依托先进理论和科学技术，进一步加强气象水文和多种要素观测体系建设、加强多种来源数据同化和数据挖掘技术、加强多学科理论交叉研究，构建综合性水系统研究方法，全面认识城市水循环和生态、环境、水资源等涉水领域响应过程，为构建可持续城市生态环境系统提供理论支持。