城市化過程中的下墊面變化對水文循環(huán)的影響

鄭小樂

（濟南市水文中心，濟南 250014）

1 下墊面變化對降水的影響

1.1 城市熱島效應(yīng)對局地降水模式的改變

城市化指的是人口從農(nóng)村到城市的遷移， 伴隨著城市規(guī)模的擴大和非農(nóng)經(jīng)濟活動的增加，通常與工業(yè)化、現(xiàn)代化和經(jīng)濟發(fā)展相伴隨， 標(biāo)志著國家或地區(qū)從以農(nóng)業(yè)為主的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以工業(yè)和服務(wù)業(yè)為主的生產(chǎn)模式。 城市化的速度反映了在特定時間內(nèi)城市人口或城市土地面積增加的幅度， 使用城市人口增長率或城市化率的年均增長來衡量； 城市化的廣度則涉及城市化發(fā)展的地理范圍， 包括城市的數(shù)量、 大小和分布。 城市化與下墊面變化的關(guān)聯(lián)涉及地表特性與人類活動之間的復(fù)雜相互作用。 下墊面的變化，特別是城市化進程中的地表硬化和結(jié)構(gòu)化， 對局地的氣候和降水模式產(chǎn)生了明顯的影響。 其中，城市熱島效應(yīng)是這一系列影響中的核心機制。

城市熱島效應(yīng)是指城市與其周邊鄉(xiāng)村地區(qū)的溫差。 由于城市內(nèi)大量的人工結(jié)構(gòu)和低反射率的材料， 以及熱量的累積與排放，導(dǎo)致城市中心區(qū)域的氣溫高于其周邊地區(qū)，使得大氣的不穩(wěn)定性增強。 具體來說，由于城市區(qū)域的加熱，地面上的熱空氣開始上升，形成局地的上升氣流，溫暖、濕潤的空氣上升到更冷的高層大氣時會冷卻并凝結(jié)，增強降水概率[1]。 此外，城市的高建筑物也可能作為物理障礙， 強化上升氣流進一步促進云的發(fā)展。 由于熱動力機制的存在，城市地區(qū)往往會經(jīng)歷更強烈和更頻繁的降水事件， 夏季當(dāng)大氣條件適于對流云的形成時，城市熱島效應(yīng)可能導(dǎo)致更強的風(fēng)暴和更大的降水量。然而，由于城市結(jié)構(gòu)和城市熱島效應(yīng)的復(fù)雜性，某些城市部分可能會經(jīng)歷更多的降水，而其他部分則相對較少。 此外，城市的大小、形狀、地理位置和周邊的大氣條件也都會影響局地降水模式的改變。

1.2 下墊面變化導(dǎo)致的蒸發(fā)和蒸騰變化

下墊面作為地表和大氣間的交界面， 直接決定了水分和能量的交換方式。 隨著城市化的推進，原本的自然地表，如土地、森林和濕地，逐漸被硬化結(jié)構(gòu)，如建筑物、道路和其他人工結(jié)構(gòu)替代，削弱了地表的透水性，導(dǎo)致地表積水增多。 然而，由于城市中植被覆蓋的顯著減少，蒸騰過程受到了限制，導(dǎo)致水分循環(huán)在此過程中的損失減少。 此外，城市中的建筑物和其他人工結(jié)構(gòu)的熱屬性與自然下墊面存在差異。 例如，城市中常見的混凝土和瀝青等材料在太陽照射下可以迅速加熱， 并在夜間緩慢放熱，延長了蒸發(fā)過程的時間和強度。

2 下墊面變化對徑流的影響

2.1 減少的滲透面積，增加的地表徑流

隨著城市化的進展，大量的自然地表被硬化結(jié)構(gòu)替代，如建筑物、道路和停車場等，顯著降低了下墊面的滲透能力。 在自然環(huán)境中，土壤、植被和其他地表特性使得大部分降水滲透進土壤中，進而成為地下水或通過植被再次蒸騰到大氣中。 但在城市地區(qū)，硬化的地表大大限制了這種滲透過程。 降水后，大部分水分無法滲透，而是迅速形成地表徑流，增加了洪水風(fēng)險，而且加速了水分從地表流入河流和海洋的速度。 由于徑流過程中的土壤過濾作用被繞過或減少， 也可能導(dǎo)致更多的污染物進入河流和湖泊。 另外，由于滲透過程的減少，城市地區(qū)的地下水補給也受到了影響，長期下來導(dǎo)致地下水位下降，加劇城市地區(qū)的水資源短缺問題。

2.2 城市化引起的排水系統(tǒng)變化和對徑流動態(tài)的影響

隨著城市化的發(fā)展，對有效的排水系統(tǒng)的需求日益增長，以適應(yīng)由于下墊面硬化帶來的快速徑流。 城市化不僅導(dǎo)致了自然滲透面積的減少， 而且伴隨著復(fù)雜的人工排水系統(tǒng)的建設(shè)，如暴雨排放系統(tǒng)、雨水溝和管道等。 人工排水系統(tǒng)旨在迅速地從城市地表收集并排放雨水， 以減少洪水和地面積水的風(fēng)險。 快速的徑流收集和排放導(dǎo)致了水流在城市內(nèi)的速度和方向與自然環(huán)境相比發(fā)生了顯著變化[2]。

3 下墊面變化對蒸發(fā)與蒸騰的影響

3.1 城市區(qū)域植被的減少及其對蒸騰作用的影響

蒸騰是水從土壤和植被表面進入大氣的過程， 是陸地水循環(huán)中的主要組成部分。 植被減少導(dǎo)致了蒸騰潛勢的降低，植被通過其葉片的氣孔進行蒸騰作用， 是水分進入大氣的主要途徑，當(dāng)植被被清除或減少，蒸騰作用相應(yīng)地減弱，導(dǎo)致大氣中的水分補給減少。 植被可以通過根系吸取土壤中的水分，再通過蒸騰釋放到大氣中，沒有植被的土壤可能會更快地干燥，因為沒有植物吸取并釋放水分，而僅僅依賴于直接蒸發(fā)，會限制蒸騰的發(fā)生。 此外，由于植被覆蓋的減少，城市地區(qū)的反照率可能會發(fā)生變化，進一步影響地表溫度和局地氣候[3]。 更高的地表溫度可以增加蒸發(fā)速率，但由于蒸騰的顯著減少，總大氣水分補給可能減少。

3.2 城市熱島效應(yīng)增加的蒸發(fā)量

隨著城市溫度的上升，地表的蒸發(fā)速率自然增加。 蒸發(fā)是與溫度密切相關(guān)的物理過程，當(dāng)?shù)乇頊囟仍黾訒r，從水體或濕潤表面到大氣中的水蒸氣轉(zhuǎn)移速度加快，因此，在熱島效應(yīng)的影響下，城市中的水體、水庫和人造湖泊可能會經(jīng)歷更高的蒸發(fā)速率。 由于城市結(jié)構(gòu)和硬化表面在日間吸收大量太陽輻射，并在夜間緩慢釋放這些熱量， 城市地區(qū)的蒸發(fā)過程可能在整個24 h 周期內(nèi)都更加活躍，與鄉(xiāng)村地區(qū)相比，其夜間蒸發(fā)可能尤為顯著。

4 城市地下水的變化

城市排水系統(tǒng)，包括雨水溝、下水道和其他相關(guān)的地下排水結(jié)構(gòu)，旨在快速收集和排放地表雨水，以保持城市地表的干燥，并減少積水和洪水的風(fēng)險。 當(dāng)排水系統(tǒng)有效地從城市地表收集雨水并迅速導(dǎo)向河流、湖泊或其他出口時，這部分水分被隔離，不再為地下水系統(tǒng)提供補給。 自然情況下，降水會滲透土壤，補給地下水并維持地下水位的穩(wěn)定，然而，由于城市排水系統(tǒng)的干預(yù)，大部分雨水被直接排放，導(dǎo)致地下水的自然補給途徑受到限制，地下水位下降。 此外，某些城市采用了地下排水系統(tǒng)，如地下隧道或儲存設(shè)施，以收集和暫時存儲雨水。這些深層結(jié)構(gòu)可能與地下水層相互作用， 導(dǎo)致地下水位的局部變動。 例如，如果隧道建在高水位的區(qū)域，可能導(dǎo)致周圍地下水流向隧道，降低周邊的水位。 反之，如果隧道充當(dāng)暫時的儲水設(shè)施，在雨季釋放水分時可能暫時提高周邊的地下水位。

5 城市化對水質(zhì)的影響

5.1 表面徑流中的污染物輸送

城市地區(qū)表面徑流中的污染物輸送影響水質(zhì)的主要原因之一。 表面徑流是指雨水或融化的雪水在土壤表面流動，并可能匯集成河流、 湖泊或其他水體。 當(dāng)雨水通過城市地表流動時，會攜帶各種來自道路、屋頂、停車場和其他地表的污染物，包括油脂、重金屬、農(nóng)藥、養(yǎng)分（如氮和磷）、病原微生物和懸浮固體等。 由于城市地區(qū)的高密度交通和工業(yè)活動，污染物的濃度通常會超過鄉(xiāng)村地區(qū)。 由于缺乏植被和土壤的過濾作用，城市地區(qū)徑流中的污染物更容易直接進入水體， 而不是被吸收或降解。 表面徑流中的污染物輸送對接收水體產(chǎn)生了顯著的負(fù)面影響，除直接影響水質(zhì)外，還可能導(dǎo)致藻類過度生長、氧含量下降和生態(tài)系統(tǒng)失衡。

5.2 地下滲透過程中的污染物擴散

在城市地區(qū)，由于人為活動和環(huán)境變化，地表的污染物種類和濃度都有所增加。 當(dāng)污染物與雨水結(jié)合并滲透到地下時，可能被帶入土壤層，甚至達到地下水層。 由于城市建設(shè)和交通活動，污染物經(jīng)常出現(xiàn)在地表，污染物中的化學(xué)物質(zhì)與降雨相結(jié)合并滲入地下時，通過吸附、解吸、離子交換和其他化學(xué)過程與土壤互動，可能會在土壤中聚積或向更深的層次移動。 城市地區(qū)某些區(qū)域，如綠地、花園或未鋪設(shè)的地塊，仍存在較高的滲透潛力，污染物有更大的機會進入土壤和地下水系統(tǒng)。 地下滲透過程中的污染物擴散對地下水質(zhì)構(gòu)成威脅， 而地下水是許多城市的重要飲用水來源， 其水質(zhì)受到污染可能會直接影響公眾健康。 隨著污染物在地下的遷移和擴散，可能影響到更廣泛的地下水域，增加凈化和處理的難度。 不同的污染物在地下的遷移和擴散速率是不同的，這取決于化學(xué)性質(zhì)、土壤的特性以及地下水流動性。 例如，重金屬可能會更容易被土壤吸附，而有機化合物可能更容易遷移并進入地下水。

6 緩解下墊面變化對水文循環(huán)影響的應(yīng)對策略與建議

6.1 綠色基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)友好的城市設(shè)計

生態(tài)友好的城市設(shè)計強調(diào)保持和恢復(fù)自然地貌和生態(tài)系統(tǒng)。 在城市規(guī)劃和發(fā)展中，優(yōu)先考慮維護現(xiàn)有的濕地、河流、森林等重要生態(tài)區(qū)域，并在可能的地方恢復(fù)或重建生態(tài)系統(tǒng)，為城市提供必要的生態(tài)服務(wù)，如空氣凈化、溫度調(diào)節(jié)和生物多樣性，有助于維持正常的水文循環(huán)。 生態(tài)友好的城市設(shè)計注重使用透水材料和結(jié)構(gòu)，如滲透性鋪裝、綠色屋頂和雨水花園，都是設(shè)計中常用的工具，模擬自然的水文循環(huán)，以增加雨水的滲透和減少地表徑流。 此外， 生態(tài)設(shè)計還強調(diào)城市的多功能空間，例如，公共廣場可以設(shè)計成在普通時期為居民提供休閑空間，而在大雨期間則作為雨水存儲和滯留區(qū)域，以減輕周邊地區(qū)的洪澇壓力。 生態(tài)友好的城市設(shè)計還考慮到整體城市的能源和氣候策略，通過綠色屋頂、城市綠化和其他策略來減小城市熱島效應(yīng)，改善城市氣候，減少由于過度蒸發(fā)而導(dǎo)致的水分損失。

6.2 有效的雨水管理和收集策略

生態(tài)化雨水管理策略， 如生物保持、 滲透鋪裝和雨水花園，旨在模仿自然水文循環(huán)，通過促進雨水在地表的滯留和滲透，以減少直接徑流，不僅有助于補給地下水，還可以減少城市內(nèi)部洪水的風(fēng)險。 滲透鋪裝是特殊設(shè)計的鋪裝材料，允許雨水滲透其下，直接進入土壤，而不是成為表面徑流。 雨水花園是凹入地面的植被區(qū)域， 設(shè)計用于收集、 滯留并處理徑流雨水，增加其在地表的滲透。 雨水收集策略，如屋頂雨水收集和存儲系統(tǒng)，可以直接捕獲降雨，并將其存儲供后續(xù)使用，以減少城市供水的壓力， 降低雨水被快速排放到城市排水系統(tǒng)的數(shù)量，進一步減少了洪澇風(fēng)險。 收集的雨水可以用于沖廁、灌溉、清洗和其他非飲用目的，減少對城市供水系統(tǒng)的依賴。 為此，城市需要進行綜合的水文和土壤研究，確保雨水管理和收集措施與當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件相匹配。

7 結(jié)語

城市化對下墊面帶來的深刻改變已經(jīng)對水文循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生了明顯影響，不僅關(guān)乎資源的有效管理，更涉及生態(tài)環(huán)境的健康和持續(xù)性。 隨著更多地區(qū)進入城市化進程，必須更加重視這些影響，并采取切實有效的措施來減輕和適應(yīng)這些變化。 只有通過深入理解、綜合規(guī)劃和科學(xué)管理，才能確保水資源的可持續(xù)利用，為城市的繁榮和生態(tài)健康提供堅實的保障。