刘明松

(辽宁省水资源管理集团有限责任公司， 沈阳110166)

随着科学技术发展，水文自动观测、遥感、地理信息系统等技术被应用到城市水文的研究中，同时计算机技术的快速发展促使水文模拟变得更加精确和可控。例如一些模拟产汇流的软件和流域水文状态的软件被开发运用[1-2]。除了研究城市化对降雨、径流的影响，国外很多学者还对城市化对河网水系、水资源量、水环境和水生态等方面的影响进行研究。我国对城市水文效应的研究起步较晚，最先开展了城市化对降雨的影响。20世纪60年代以来，国内很多学者对城市化对降雨的影响做了大量研究，研究主要集中城市化程度较高的地区，例如北京、广州、上海、济南等城市[3-6]。

1 城市概况与城市化进程评价

位于长江与汉江交汇处的武汉市因其特殊的地理位置，导致该城市河流纵横，水域面积较大，湖泊众多。目前，武汉市处于经济发展迅猛的阶段，因此它的城市化发展突飞猛进。在这一发展过程中突显了很多水文问题，例如，当雨季来临时，城市内涝非常严重；同时由于城市水质污染的问题导致无法提供足够的优质水资源，其供给前景较不乐观。因此，我们选取武汉市作为分析实例，它的典型化水文效应能够为其他地区的研究具有实际指导意义，武汉市水系湖泊分布图见图1。

图1 武汉市水系湖泊分布图

武汉作为湖北省的省会城市，它占据了优势的地理位置。武汉市总人口达一千万左右。武汉市夏季的气温非常高且降雨密集，冬季寒冷潮湿，四季分明。初夏梅雨降水集中，容易形成洪涝灾害。市域周长900多km，东西最大横距达130多km，南北最大横距达150km,全境面积达8000km2。

城市化是建筑面积在空间上的变化，是城市居民居住面积的增加和城市道路面积的扩大。2000年以来武汉市建筑面积的变化和分布如图2所示。2000年，武汉市建筑面积392km2，仅占武汉市总面积的50%。2005年，这个数字上升到580km2，占武汉市面积的70%。到2010年，建设区又扩大到1152km2。武汉市白化率提高到130%。

城市化进程可用产业结构、居民生活水平、服务设施以及城市化水平来表征。其中产业结构可用第三产业和国民生产总值的比值来表示，居民生活水平可用居民消费水平表示，将城市服务设施状况以第三产业的生产总值进行表示，以非农业人口与总人口的比值代表城市化水平。设上述4个指标分别为Y1，Y2，Y3，Y4，见表1。 Y=Y1×Y2×Y3×Y4。2000-2005-2010年武汉市建成区空间扩展图如图2所示。

图2 2000-2005-2010年武汉市建成区空间扩展图

如表1所示，武汉市城市化指标函数图如图3所示。

表1 武汉市城市化指标(1990-2012年)

图3武汉市城市化指标函数图

通过数据分析、图形绘制，我们可以看出随着时间的推进，武汉市城市化水平显著提升。1990—1998年，城市化程度增长十分迅速;1998—2002年增长略趋平缓;2003年—2012年城市化程度稳步提升。

2 武汉城市化水文效应

对于城市化水文效应的研究，主要体现在以下3个方面：水文循环、水资源量、水资源的质量。在水体循环的过程中，水蒸发至水汽状态，水汽向周围扩散，水体下渗，这3个环节的运动是缓慢的。获取这3个过程的水文数据较为复杂。

由于武汉市缺少相关资料，将城市化对水循环的影响主要概括为降水、径流两个方面。综上所述，武汉的城市化水文效应当通过降雨、径流、水资源总量及水资源质量这4个方面进行分析。

2.1 武汉城市化对降水的影响

方虹通过武汉1953-1999年、宜昌1958-1999年两市地面气温资料分析了两市的增温效应，如图4所示。

图4 武汉、宜昌年平均地面与850百帕年平均气温差值变化图

从图4可以看出这两个城市的气温增加较为明显。武汉市的热岛效应较为突出，地面上的气温增高程度大于附近郊区，并且高于周围城市。由于武汉市的热岛效应，使得该地区在夏季的对流强度大幅度提升。同时，武汉市的降雨总量和强度也增强了很多。位于热岛效应中心地带的武汉市，降雨量比周围郊区多，尤其在夏季更加明显。通过武汉市降水量图，可以得出武汉市中心城区降水量偏高的结论，符合推论，谷歌地图武汉中心城区如图5所示。谷歌地图江夏区如图6所示。

图5 谷歌地图武汉中心城区

图6 谷歌地图江夏区

由图5、6谷歌地球可以看出中心城区和江夏区建筑物比较密集，与上文讨论的热岛效应、阻碍效应等描述相吻合，相应由图5可以明显看出武汉中心城区和江夏区降水量较高。

2.2 武汉城市化对城市洪涝灾害的影响

城市化带来了路面硬化和降水增加，不透水面积占比急剧增加。随着武汉市城区面积的增加，城区水资源所占比例迅速增加，植被(含水田)和水体所占比例明显下降。2000年、2005年和2010年，武汉市内的植被覆盖率由61%下降到41%。由建筑表面所覆盖住的不透水面积百分比由13%增加到31%，从而产生水体面积大幅度降低。如上所述，武汉市自然生态系统和半自然生态系统正迅速向人工生态系统转变。湖沼资源萎缩，天然滩涂逐渐消失。生态环境发生了变化，环境生态系统功能逐渐衰退。

由于武汉市经济的快速发展，因此当洪涝灾害发生时，会大大增加经济损失的风险。洪涝灾害会对城市的各个方面造成危害。积水会使低洼处的住户、商户、等造成严重损失。如2013年的大暴雨使武汉市的四台工业园的总体损失高达一亿三千万。2011年的特大暴雨提升了东湖最高水位数米，东湖宾馆因为排水系统的问题，多处被淹没，造成了无法弥补的经济损失。城市的积水问题还会中断电力、交通、通信的正常运行。这种间接损失的比例逐渐上升。

武汉作为旅游胜地，人员交通繁多，加上人类活动影响，使得武汉的多处河湖的水资源受到了严重的污染，同时在很大程度上破坏了城市的生态系统，引发一系列次生效应。

城市的内涝灾害将严重影响武汉的发展。处理好内涝灾害与城市发展之间的关系，减少灾害出现的次数以及强度，实现雨洪资源的“变害为利”是当今武汉市应重点考虑的问题。

2.3 武汉城市化对水质水量的影响

城市化会导致城市人口增加，随之而来得是用水量增加和排污量增加。查阅武汉近年来水资源公报和武汉市水环境状况公报，整理绘制出武汉水资源需求量年际变化图和排污量年际变化图。可以看出污水治理量逐年增加。由图8可以看出武汉市中心城区用水量逐年上升，污水产生量逐年上升。

图7 武汉市供水量与污水处理量年际变化图

图8 2012-2018年武汉中心城区生活污水处理量图

武汉市淡水资源丰富，地表水水域面积广阔，多种水体共同存在。城市化过程中随着工业废水和生活废水增加，在江河沿岸形成了点源污染和面源污染，造成了诸如污染被大量集中，湖泊富集大量污染物和有机质，从而导致微生物大量繁殖，出现水体的富营养化。同时城市的污水处理能力发展速度有时无法与城市化发展速度匹配，出现不足和滞后的问，超量无法消纳的污染可能会通过水文循环进入到地下水中，造成更为严重的地下水污染问题，且由于地下水难以更新，因此更应该被重视。根据武汉市水资源公报，发现武汉市的地下水受到了不同程度的污染，尤其是中心城区，地下水水质出现了明显的下降。03-06检测结果表明地下水可以满足一般用水需求，但是07-10年地下水质逐渐恶化。10水质监测显示无论丰水期还是枯水期，地下水几乎都未出现良好以上结果。监测结果表明污染物主要组分是亚硝酸盐、硫酸按、铁、锰、硝酸盐、以及氨氮等。由此结果可以推断污染源来自农田和工业废水渗入。

3 现阶段研究存在问题与展望

在过去的一段时间内， 对于城市化水文效应问题的探讨，虽然已经取得了一些阶段性的进展， 但从目前的研究形式来看还存在着一些缺陷：

1)对于城市化水文效应的研究，水文特征参数法和流域试验法与水文模型法相比较而言，后者更具有普适性。但是这种方法仍然存在以下两个方面的问题：①模型的参数难以确定，一般来说，建立水文模型时，需要确定多个水文参数较多，对于准确确定参数的方法，目前还没有更好的研究； ②流域出口的径流量数据是确定水文模型的重要指标，利用单个流域出口位置的径流资料确定整个复杂水文模型是不准确的。

2)无法确定城市中水资源污染的因素。目前所认可的原因是人类活动及其土地利用/覆盖的变化，但是对于其他因素没有考虑全面。例如大气沉降、降雨污染等因素也可能使城市水资源发生污染，将来需要对其他可能的污染因素考虑全面。

3)土地覆被的改变主要产生于两个方面。一个是气候因素，另一个是城市化。当研究两者对城市水文的贡献率时，由于研究方法不同以及其流域尺度的差异性，产生的结论会有较大的偏差，将来应该寻找更加精确的方法来区分两者导致水文变化效应的贡献率。

随着技术的迅猛发展，应运而生的GIS 和RS 等新的科研方法为城市水文效应的研究提供了指导作用，促进了该科学领域的进步与发展，这些方法为流域水文过程模拟提供了土地利用、土壤等数据。随着交叉学科之间的紧密联系，越来越多的研究手段将被运用到城市水文效应的问题上。城市发展势必离不开水资源应用问题，因此，在建设城市的过程中，应当将水文问题纳入考虑。在解决存在的水文问题时，可以首先从水源治理着手，一般情况，我国的城市用水均源自地下水，因此要重视对地下水的保护，以避免水文问题成为制约城市发展的瓶颈。