城市化过程中的下垫面变化对水文循环的影响

郑小乐

（济南市水文中心，济南 250014）

1 下垫面变化对降水的影响

1.1 城市热岛效应对局地降水模式的改变

城市化指的是人口从农村到城市的迁移， 伴随着城市规模的扩大和非农经济活动的增加，通常与工业化、现代化和经济发展相伴随， 标志着国家或地区从以农业为主的生产模式转向以工业和服务业为主的生产模式。 城市化的速度反映了在特定时间内城市人口或城市土地面积增加的幅度， 使用城市人口增长率或城市化率的年均增长来衡量； 城市化的广度则涉及城市化发展的地理范围， 包括城市的数量、 大小和分布。 城市化与下垫面变化的关联涉及地表特性与人类活动之间的复杂相互作用。 下垫面的变化，特别是城市化进程中的地表硬化和结构化， 对局地的气候和降水模式产生了明显的影响。 其中，城市热岛效应是这一系列影响中的核心机制。

城市热岛效应是指城市与其周边乡村地区的温差。 由于城市内大量的人工结构和低反射率的材料， 以及热量的累积与排放，导致城市中心区域的气温高于其周边地区，使得大气的不稳定性增强。 具体来说，由于城市区域的加热，地面上的热空气开始上升，形成局地的上升气流，温暖、湿润的空气上升到更冷的高层大气时会冷却并凝结，增强降水概率[1]。 此外，城市的高建筑物也可能作为物理障碍， 强化上升气流进一步促进云的发展。 由于热动力机制的存在，城市地区往往会经历更强烈和更频繁的降水事件， 夏季当大气条件适于对流云的形成时，城市热岛效应可能导致更强的风暴和更大的降水量。然而，由于城市结构和城市热岛效应的复杂性，某些城市部分可能会经历更多的降水，而其他部分则相对较少。 此外，城市的大小、形状、地理位置和周边的大气条件也都会影响局地降水模式的改变。

1.2 下垫面变化导致的蒸发和蒸腾变化

下垫面作为地表和大气间的交界面， 直接决定了水分和能量的交换方式。 随着城市化的推进，原本的自然地表，如土地、森林和湿地，逐渐被硬化结构，如建筑物、道路和其他人工结构替代，削弱了地表的透水性，导致地表积水增多。 然而，由于城市中植被覆盖的显著减少，蒸腾过程受到了限制，导致水分循环在此过程中的损失减少。 此外，城市中的建筑物和其他人工结构的热属性与自然下垫面存在差异。 例如，城市中常见的混凝土和沥青等材料在太阳照射下可以迅速加热， 并在夜间缓慢放热，延长了蒸发过程的时间和强度。

2 下垫面变化对径流的影响

2.1 减少的渗透面积，增加的地表径流

随着城市化的进展，大量的自然地表被硬化结构替代，如建筑物、道路和停车场等，显著降低了下垫面的渗透能力。 在自然环境中，土壤、植被和其他地表特性使得大部分降水渗透进土壤中，进而成为地下水或通过植被再次蒸腾到大气中。 但在城市地区，硬化的地表大大限制了这种渗透过程。 降水后，大部分水分无法渗透，而是迅速形成地表径流，增加了洪水风险，而且加速了水分从地表流入河流和海洋的速度。 由于径流过程中的土壤过滤作用被绕过或减少， 也可能导致更多的污染物进入河流和湖泊。 另外，由于渗透过程的减少，城市地区的地下水补给也受到了影响，长期下来导致地下水位下降，加剧城市地区的水资源短缺问题。

2.2 城市化引起的排水系统变化和对径流动态的影响

随着城市化的发展，对有效的排水系统的需求日益增长，以适应由于下垫面硬化带来的快速径流。 城市化不仅导致了自然渗透面积的减少， 而且伴随着复杂的人工排水系统的建设，如暴雨排放系统、雨水沟和管道等。 人工排水系统旨在迅速地从城市地表收集并排放雨水， 以减少洪水和地面积水的风险。 快速的径流收集和排放导致了水流在城市内的速度和方向与自然环境相比发生了显著变化[2]。

3 下垫面变化对蒸发与蒸腾的影响

3.1 城市区域植被的减少及其对蒸腾作用的影响

蒸腾是水从土壤和植被表面进入大气的过程， 是陆地水循环中的主要组成部分。 植被减少导致了蒸腾潜势的降低，植被通过其叶片的气孔进行蒸腾作用， 是水分进入大气的主要途径，当植被被清除或减少，蒸腾作用相应地减弱，导致大气中的水分补给减少。 植被可以通过根系吸取土壤中的水分，再通过蒸腾释放到大气中，没有植被的土壤可能会更快地干燥，因为没有植物吸取并释放水分，而仅仅依赖于直接蒸发，会限制蒸腾的发生。 此外，由于植被覆盖的减少，城市地区的反照率可能会发生变化，进一步影响地表温度和局地气候[3]。 更高的地表温度可以增加蒸发速率，但由于蒸腾的显著减少，总大气水分补给可能减少。

3.2 城市热岛效应增加的蒸发量

随着城市温度的上升，地表的蒸发速率自然增加。 蒸发是与温度密切相关的物理过程，当地表温度增加时，从水体或湿润表面到大气中的水蒸气转移速度加快，因此，在热岛效应的影响下，城市中的水体、水库和人造湖泊可能会经历更高的蒸发速率。 由于城市结构和硬化表面在日间吸收大量太阳辐射，并在夜间缓慢释放这些热量， 城市地区的蒸发过程可能在整个24 h 周期内都更加活跃，与乡村地区相比，其夜间蒸发可能尤为显著。

4 城市地下水的变化

城市排水系统，包括雨水沟、下水道和其他相关的地下排水结构，旨在快速收集和排放地表雨水，以保持城市地表的干燥，并减少积水和洪水的风险。 当排水系统有效地从城市地表收集雨水并迅速导向河流、湖泊或其他出口时，这部分水分被隔离，不再为地下水系统提供补给。 自然情况下，降水会渗透土壤，补给地下水并维持地下水位的稳定，然而，由于城市排水系统的干预，大部分雨水被直接排放，导致地下水的自然补给途径受到限制，地下水位下降。 此外，某些城市采用了地下排水系统，如地下隧道或储存设施，以收集和暂时存储雨水。这些深层结构可能与地下水层相互作用， 导致地下水位的局部变动。 例如，如果隧道建在高水位的区域，可能导致周围地下水流向隧道，降低周边的水位。 反之，如果隧道充当暂时的储水设施，在雨季释放水分时可能暂时提高周边的地下水位。

5 城市化对水质的影响

5.1 表面径流中的污染物输送

城市地区表面径流中的污染物输送影响水质的主要原因之一。 表面径流是指雨水或融化的雪水在土壤表面流动，并可能汇集成河流、 湖泊或其他水体。 当雨水通过城市地表流动时，会携带各种来自道路、屋顶、停车场和其他地表的污染物，包括油脂、重金属、农药、养分（如氮和磷）、病原微生物和悬浮固体等。 由于城市地区的高密度交通和工业活动，污染物的浓度通常会超过乡村地区。 由于缺乏植被和土壤的过滤作用，城市地区径流中的污染物更容易直接进入水体， 而不是被吸收或降解。 表面径流中的污染物输送对接收水体产生了显著的负面影响，除直接影响水质外，还可能导致藻类过度生长、氧含量下降和生态系统失衡。

5.2 地下渗透过程中的污染物扩散

在城市地区，由于人为活动和环境变化，地表的污染物种类和浓度都有所增加。 当污染物与雨水结合并渗透到地下时，可能被带入土壤层，甚至达到地下水层。 由于城市建设和交通活动，污染物经常出现在地表，污染物中的化学物质与降雨相结合并渗入地下时，通过吸附、解吸、离子交换和其他化学过程与土壤互动，可能会在土壤中聚积或向更深的层次移动。 城市地区某些区域，如绿地、花园或未铺设的地块，仍存在较高的渗透潜力，污染物有更大的机会进入土壤和地下水系统。 地下渗透过程中的污染物扩散对地下水质构成威胁， 而地下水是许多城市的重要饮用水来源， 其水质受到污染可能会直接影响公众健康。 随着污染物在地下的迁移和扩散，可能影响到更广泛的地下水域，增加净化和处理的难度。 不同的污染物在地下的迁移和扩散速率是不同的，这取决于化学性质、土壤的特性以及地下水流动性。 例如，重金属可能会更容易被土壤吸附，而有机化合物可能更容易迁移并进入地下水。

6 缓解下垫面变化对水文循环影响的应对策略与建议

6.1 绿色基础设施和生态友好的城市设计

生态友好的城市设计强调保持和恢复自然地貌和生态系统。 在城市规划和发展中，优先考虑维护现有的湿地、河流、森林等重要生态区域，并在可能的地方恢复或重建生态系统，为城市提供必要的生态服务，如空气净化、温度调节和生物多样性，有助于维持正常的水文循环。 生态友好的城市设计注重使用透水材料和结构，如渗透性铺装、绿色屋顶和雨水花园，都是设计中常用的工具，模拟自然的水文循环，以增加雨水的渗透和减少地表径流。 此外， 生态设计还强调城市的多功能空间，例如，公共广场可以设计成在普通时期为居民提供休闲空间，而在大雨期间则作为雨水存储和滞留区域，以减轻周边地区的洪涝压力。 生态友好的城市设计还考虑到整体城市的能源和气候策略，通过绿色屋顶、城市绿化和其他策略来减小城市热岛效应，改善城市气候，减少由于过度蒸发而导致的水分损失。

6.2 有效的雨水管理和收集策略

生态化雨水管理策略， 如生物保持、 渗透铺装和雨水花园，旨在模仿自然水文循环，通过促进雨水在地表的滞留和渗透，以减少直接径流，不仅有助于补给地下水，还可以减少城市内部洪水的风险。 渗透铺装是特殊设计的铺装材料，允许雨水渗透其下，直接进入土壤，而不是成为表面径流。 雨水花园是凹入地面的植被区域， 设计用于收集、 滞留并处理径流雨水，增加其在地表的渗透。 雨水收集策略，如屋顶雨水收集和存储系统，可以直接捕获降雨，并将其存储供后续使用，以减少城市供水的压力， 降低雨水被快速排放到城市排水系统的数量，进一步减少了洪涝风险。 收集的雨水可以用于冲厕、灌溉、清洗和其他非饮用目的，减少对城市供水系统的依赖。 为此，城市需要进行综合的水文和土壤研究，确保雨水管理和收集措施与当地的自然条件相匹配。

7 结语

城市化对下垫面带来的深刻改变已经对水文循环系统产生了明显影响，不仅关乎资源的有效管理，更涉及生态环境的健康和持续性。 随着更多地区进入城市化进程，必须更加重视这些影响，并采取切实有效的措施来减轻和适应这些变化。 只有通过深入理解、综合规划和科学管理，才能确保水资源的可持续利用，为城市的繁荣和生态健康提供坚实的保障。