城市化的水文效應研究
——以武漢市為例

劉明松

(遼寧省水資源管理集團有限責任公司， 沈陽110166)

隨著科學技術發展，水文自動觀測、遙感、地理信息系統等技術被應用到城市水文的研究中，同時計算機技術的快速發展促使水文模擬變得更加精確和可控。例如一些模擬產匯流的軟件和流域水文狀態的軟件被開發運用[1-2]。除了研究城市化對降雨、徑流的影響，國外很多學者還對城市化對河網水系、水資源量、水環境和水生態等方面的影響進行研究。我國對城市水文效應的研究起步較晚，最先開展了城市化對降雨的影響。20世紀60年代以來，國內很多學者對城市化對降雨的影響做了大量研究，研究主要集中城市化程度較高的地區，例如北京、廣州、上海、濟南等城市[3-6]。

1 城市概況與城市化進程評價

位于長江與漢江交匯處的武漢市因其特殊的地理位置，導致該城市河流縱橫，水域面積較大，湖泊眾多。目前，武漢市處于經濟發展迅猛的階段，因此它的城市化發展突飛猛進。在這一發展過程中突顯了很多水文問題，例如，當雨季來臨時，城市內澇非常嚴重；同時由于城市水質污染的問題導致無法提供足夠的優質水資源，其供給前景較不樂觀。因此，我們選取武漢市作為分析實例，它的典型化水文效應能夠為其他地區的研究具有實際指導意義，武漢市水系湖泊分布圖見圖1。

圖1 武漢市水系湖泊分布圖

武漢作為湖北省的省會城市，它占據了優勢的地理位置。武漢市總人口達一千萬左右。武漢市夏季的氣溫非常高且降雨密集，冬季寒冷潮濕，四季分明。初夏梅雨降水集中，容易形成洪澇災害。市域周長900多km，東西最大橫距達130多km，南北最大橫距達150km,全境面積達8000km2。

城市化是建筑面積在空間上的變化，是城市居民居住面積的增加和城市道路面積的擴大。2000年以來武漢市建筑面積的變化和分布如圖2所示。2000年，武漢市建筑面積392km2，僅占武漢市總面積的50%。2005年，這個數字上升到580km2，占武漢市面積的70%。到2010年，建設區又擴大到1152km2。武漢市白化率提高到130%。

城市化進程可用產業結構、居民生活水平、服務設施以及城市化水平來表征。其中產業結構可用第三產業和國民生產總值的比值來表示，居民生活水平可用居民消費水平表示，將城市服務設施狀況以第三產業的生產總值進行表示，以非農業人口與總人口的比值代表城市化水平。設上述4個指標分別為Y1，Y2，Y3，Y4，見表1。 Y=Y1×Y2×Y3×Y4。2000-2005-2010年武漢市建成區空間擴展圖如圖2所示。

圖2 2000-2005-2010年武漢市建成區空間擴展圖

如表1所示，武漢市城市化指標函數圖如圖3所示。

表1 武漢市城市化指標(1990-2012年)

圖3武漢市城市化指標函數圖

通過數據分析、圖形繪制，我們可以看出隨著時間的推進，武漢市城市化水平顯著提升。1990—1998年，城市化程度增長十分迅速;1998—2002年增長略趨平緩;2003年—2012年城市化程度穩步提升。

2 武漢城市化水文效應

對于城市化水文效應的研究，主要體現在以下3個方面：水文循環、水資源量、水資源的質量。在水體循環的過程中，水蒸發至水汽狀態，水汽向周圍擴散，水體下滲，這3個環節的運動是緩慢的。獲取這3個過程的水文數據較為復雜。

由于武漢市缺少相關資料，將城市化對水循環的影響主要概括為降水、徑流兩個方面。綜上所述，武漢的城市化水文效應當通過降雨、徑流、水資源總量及水資源質量這4個方面進行分析。

2.1 武漢城市化對降水的影響

方虹通過武漢1953-1999年、宜昌1958-1999年兩市地面氣溫資料分析了兩市的增溫效應，如圖4所示。

圖4 武漢、宜昌年平均地面與850百帕年平均氣溫差值變化圖

從圖4可以看出這兩個城市的氣溫增加較為明顯。武漢市的熱島效應較為突出，地面上的氣溫增高程度大于附近郊區，并且高于周圍城市。由于武漢市的熱島效應，使得該地區在夏季的對流強度大幅度提升。同時，武漢市的降雨總量和強度也增強了很多。位于熱島效應中心地帶的武漢市，降雨量比周圍郊區多，尤其在夏季更加明顯。通過武漢市降水量圖，可以得出武漢市中心城區降水量偏高的結論，符合推論，谷歌地圖武漢中心城區如圖5所示。谷歌地圖江夏區如圖6所示。

圖5 谷歌地圖武漢中心城區

圖6 谷歌地圖江夏區

由圖5、6谷歌地球可以看出中心城區和江夏區建筑物比較密集，與上文討論的熱島效應、阻礙效應等描述相吻合，相應由圖5可以明顯看出武漢中心城區和江夏區降水量較高。

2.2 武漢城市化對城市洪澇災害的影響

城市化帶來了路面硬化和降水增加，不透水面積占比急劇增加。隨著武漢市城區面積的增加，城區水資源所占比例迅速增加，植被(含水田)和水體所占比例明顯下降。2000年、2005年和2010年，武漢市內的植被覆蓋率由61%下降到41%。由建筑表面所覆蓋住的不透水面積百分比由13%增加到31%，從而產生水體面積大幅度降低。如上所述，武漢市自然生態系統和半自然生態系統正迅速向人工生態系統轉變。湖沼資源萎縮，天然灘涂逐漸消失。生態環境發生了變化，環境生態系統功能逐漸衰退。

由于武漢市經濟的快速發展，因此當洪澇災害發生時，會大大增加經濟損失的風險。洪澇災害會對城市的各個方面造成危害。積水會使低洼處的住戶、商戶、等造成嚴重損失。如2013年的大暴雨使武漢市的四臺工業園的總體損失高達一億三千萬。2011年的特大暴雨提升了東湖最高水位數米，東湖賓館因為排水系統的問題，多處被淹沒，造成了無法彌補的經濟損失。城市的積水問題還會中斷電力、交通、通信的正常運行。這種間接損失的比例逐漸上升。

武漢作為旅游勝地，人員交通繁多，加上人類活動影響，使得武漢的多處河湖的水資源受到了嚴重的污染，同時在很大程度上破壞了城市的生態系統，引發一系列次生效應。

城市的內澇災害將嚴重影響武漢的發展。處理好內澇災害與城市發展之間的關系，減少災害出現的次數以及強度，實現雨洪資源的“變害為利”是當今武漢市應重點考慮的問題。

2.3 武漢城市化對水質水量的影響

城市化會導致城市人口增加，隨之而來得是用水量增加和排污量增加。查閱武漢近年來水資源公報和武漢市水環境狀況公報，整理繪制出武漢水資源需求量年際變化圖和排污量年際變化圖。可以看出污水治理量逐年增加。由圖8可以看出武漢市中心城區用水量逐年上升，污水產生量逐年上升。

圖7 武漢市供水量與污水處理量年際變化圖

圖8 2012-2018年武漢中心城區生活污水處理量圖

武漢市淡水資源豐富，地表水水域面積廣闊，多種水體共同存在。城市化過程中隨著工業廢水和生活廢水增加，在江河沿岸形成了點源污染和面源污染，造成了諸如污染被大量集中，湖泊富集大量污染物和有機質，從而導致微生物大量繁殖，出現水體的富營養化。同時城市的污水處理能力發展速度有時無法與城市化發展速度匹配，出現不足和滯后的問，超量無法消納的污染可能會通過水文循環進入到地下水中，造成更為嚴重的地下水污染問題，且由于地下水難以更新，因此更應該被重視。根據武漢市水資源公報，發現武漢市的地下水受到了不同程度的污染，尤其是中心城區，地下水水質出現了明顯的下降。03-06檢測結果表明地下水可以滿足一般用水需求，但是07-10年地下水質逐漸惡化。10水質監測顯示無論豐水期還是枯水期，地下水幾乎都未出現良好以上結果。監測結果表明污染物主要組分是亞硝酸鹽、硫酸按、鐵、錳、硝酸鹽、以及氨氮等。由此結果可以推斷污染源來自農田和工業廢水滲入。

3 現階段研究存在問題與展望

在過去的一段時間內， 對于城市化水文效應問題的探討，雖然已經取得了一些階段性的進展， 但從目前的研究形式來看還存在著一些缺陷：

1)對于城市化水文效應的研究，水文特征參數法和流域試驗法與水文模型法相比較而言，后者更具有普適性。但是這種方法仍然存在以下兩個方面的問題：①模型的參數難以確定，一般來說，建立水文模型時，需要確定多個水文參數較多，對于準確確定參數的方法，目前還沒有更好的研究； ②流域出口的徑流量數據是確定水文模型的重要指標，利用單個流域出口位置的徑流資料確定整個復雜水文模型是不準確的。

2)無法確定城市中水資源污染的因素。目前所認可的原因是人類活動及其土地利用/覆蓋的變化，但是對于其他因素沒有考慮全面。例如大氣沉降、降雨污染等因素也可能使城市水資源發生污染，將來需要對其他可能的污染因素考慮全面。

3)土地覆被的改變主要產生于兩個方面。一個是氣候因素，另一個是城市化。當研究兩者對城市水文的貢獻率時，由于研究方法不同以及其流域尺度的差異性，產生的結論會有較大的偏差，將來應該尋找更加精確的方法來區分兩者導致水文變化效應的貢獻率。

隨著技術的迅猛發展，應運而生的GIS 和RS 等新的科研方法為城市水文效應的研究提供了指導作用，促進了該科學領域的進步與發展，這些方法為流域水文過程模擬提供了土地利用、土壤等數據。隨著交叉學科之間的緊密聯系，越來越多的研究手段將被運用到城市水文效應的問題上。城市發展勢必離不開水資源應用問題，因此，在建設城市的過程中，應當將水文問題納入考慮。在解決存在的水文問題時，可以首先從水源治理著手，一般情況，我國的城市用水均源自地下水，因此要重視對地下水的保護，以避免水文問題成為制約城市發展的瓶頸。