Nature REE｜城市水文学的概念与演变

转自：景观可持续科学与地理设计

图1 城市雨水对水流和水平衡的影响

科学问题

城市水文描述了城市景观中水的性质、质量和流量的变化情况。城市水文的一个关键特征是不透水面（包括道路和屋顶）和人工排水系统取代了森林、草地和土壤等自然多孔表面。不透水面增强了地表径流并携带了各种污染物，将雨水从城市地区转移出去，使得当地的地下水位下降，并加剧了下游地区的洪水。洪水风险是城市管理的一个重要目标，传统城市雨水系统的重点主要是排水和卫生，雨水通过城市喀斯特系统（与排水基础设施相关的地下管网系统）迅速排出，将洪水和污染的风险转移到下游地区。然而，从2000年以来，越来越多的社区要求减轻城市发展对环境的影响，包括污染、侵蚀、生境和城市绿色设施的丧失。水资源短缺是另一个重要的问题，尽管水系统的管理分发和灌溉在一定程度上解决了部分水资源短缺，但传统的管理方法减少了对地下水的补给，并限制了干旱天气下对河流流量的投入。城市水文管理面临的进一步挑战还包括人口密度不断增加和气候变化，使目前的雨水系统效率降低。此外，传统的雨水管理方法无法实现收集雨水，为面临缺水的城市提供替代供水。因此，迫切需要改进城市水文管理方法，以解决与洪水风险和水资源短缺有关的问题。

研究结果

城市水文。城市水文学是指降水在城市景观上的路径和归宿，受到与基础设施相关的径流、排水和优先流的控制。城市水文的特点是不透水面上的径流、土壤储存能力的降低和通过已建成的排水系统的流动，从理论上讲，城市流路似乎不如自然地区复杂。但是实际上，城市的水流路径因城市喀斯特而变得复杂，基础设施周围的可渗透沟渠允许水优先流入和流出城市景观（图1）。城市地区即使很小的降水事件也会产生大量的地表径流和地下管网流量，导致水文过程的变化。不透水面的径流系数可超过90%，与自然森林集水区的径流系数约为10%相比，城市景观的洪水风险大幅增加。这种高径流的另外一个效应是降低了当地的地下水位，这意味着城市河流在干旱天气期间流量非常低。

排水系统是城市发展的一个关键组成部分。城市的排水通常包括两种不同的方法。分流的下水系统，其中雨水和废水在单独的管网中进行，在分流的下水系统中，雨水被输送到自然河道中，不进行额外的处理以提高水质，而废水被输送到处理厂。合流的下水系统，其中废水和雨水在不同的管网中合并；在合流的下水系统中，处理厂同时处理雨水和废水。然而，降水的高度变异性意味着处理或输送能力经常超过管道输送能力，从而显著增加了一些城市中的地表径流，也导致了一些未经处理的水被排放到自然河道中。

传统的城市水文管理方法只注重减少洪水风险，并导致河流生态系统的退化。过去的这些方法采用大规模的集中式解决方案来从城市景观中疏散雨水。新出现的办法越来越多地侧重于将集中式和地方式、基于源头的解决办法的结合，并已发展到考虑流经城市生态系统的水流，以及如何调整排水系统以提供涉水生态系统服务。这些方法主要包括一些蓝绿色基础设施。例如雨水花园、绿色屋顶、洼地和蓄水池等，这些设施通过模拟自然过程来改善水质和水流状况，并减少洪水风险、减少污染和退化以及改善城市景观。

不断增长的关切。全球城市人口正在迅速增长。1950年，全球30%的人口居住在城市，到2018年将增加到58%，预计到2050年将进一步增加到68%。这些人口增长趋势往往伴随着城市扩张和密集化。城市扩张到以前的农村和森林地区，不透水面取代了植被景观。原本密集化的目的是使城市更具可持续性，加强地方经济，改善生境和生物多样性丧失，方法是用多户和混合用途的建筑物取代单独住宅。然而，扩张和密集化也导致集水区内不透水面急剧增加，并且通常会使蓝绿空间减少，因此在给定降雨事件下，产生了更多的雨水径流。

除了城市化之外，气候变化对城市水循环也有重大影响。在全球范围内，气候变化正在推动短时间强降水事件的加剧。例如，相较于1850-1900年，每升温一度，10年和50年一遇的日强降水事件的强度增加5-6%，在全球变暖2°C时，这种影响更为明显，达到14%（图2）。预计世界上大多数主要城市，特别是北美和亚洲的大城市都会受到这些影响。更强的降雨意味着产生更高的地表径流量和峰值流量，将导致洪水风险大幅增加。但是，预计某些地区的年降雨量将减少，这又会加剧有些地区的缺水问题。此外，气候变化对降雨的影响很可能与城市化和人口密度增加的影响形成级联效应。因此，水资源管理者需要考虑这些复合风险，而不是个别因素，并改善现有和发展中城市地区排水系统的性能。

新兴污染物。城市水文过程将污染物输送到下游水体，造成了额外的担忧。由于城市地区是许多污染物的来源，在地表径流上升期间，城市雨水中的污染物浓度通常会升高。去除高浓度的各种污染物是城市水文管理的一个重要但具有挑战性的方面。自1990年以来，已开发了各种系统，以减少雨水中污染物负荷和浓度，最初的系统侧重于处理固体垃圾等污染物，后来的系统越来越多地针对溶解和小颗粒污染物。这种处理系统包括基于自然的解决方案，例如湿地、生物滞留系统和渗滤沟，以及涉及沉淀池或颗粒过滤系统的灰色基础设施。然而，新出现的污染物对管理雨水质量提出了新的挑战，这些污染物通常被称为“微污染物”，可能无法通过现有的处理系统去除。包括药品和个人护理产品、微塑料、杀虫剂、除草剂、真菌剂、兴奋剂等。自2015年以来，雨水处理措施的设计取得了进展，通过使用活性炭或生物炭以及过滤介质，改善了微污染物的去除。然而，目前对“微污染物”的监测仍然昂贵，而且对它们的空间和时间动态知之甚少。

图2 随着气候变化洪水风险增加

不断变化的期望和看法。减少对环境的影响。自2000年左右以来，城市水资源管理开始转向更加全面的重点，目的也是保护河流不再退化的影响。这种注重环境的做法旨在恢复更自然的水平衡和水流状态、改善水质、减少污染物向下游的输出，在城市内供水、改善城市景观、为城市社区提供舒适和生态系统服务。其中，对保护相对未受影响的自然河流的期望不同于已因城市发展而退化的河流的期望，这反过来又影响到基于生态系统的管理目标。例如，保护相对原始的河流的方法侧重于保持接近自然的水文状态。恢复轻度受影响的河流可以采取类似的方法，干预措施旨在将压力源降低到退化阈值水平以下。相反，在退化的城市河流中，恢复目标旨在创造能够提供服务和社会效益的生态系统结构和功能，而不是恢复自然条件。此外，管理目标中对水文系统的看法也在发生变化，考虑到它们在景观尺度上的连通性，有利于排水网络内所有河流的多尺度方法可以最好地保护城市河流，而不是集中保护下游湖泊、河口或海湾。

提供生态系统服务。城市雨水管理朝着对水更加敏感的方向发展，提供生态系统服务也成为一个越来越重要的目标。生态系统服务可以围绕河道本身，或围绕更广泛的水道走廊，甚至更广泛的城市景观。例如，城市水道走廊现在因其被动娱乐和美学价值而受到重视，更广泛的服务包括绿色开放空间、加强供水和碳固存（图3）。这些解决方案反映了城市景观管理朝着基于自然的解决方案发展的更广泛趋势，旨在保护、恢复、可持续利用和管理自然生态系统和改良生态系统。在此过程中，基于自然的解决方案还有助于应对社会、经济和环境挑战，并支持人类福祉、生态系统恢复力和生物多样性效益。但是，生态系统服务的水平在基于自然的解决方案中差异很大。解决方案的类型，从绿色开放空间到高科技绿色屋顶，影响其在雨水管理和其他生态系统服务方面的效益。此外，社会、生态和技术背景也影响着特定类型建筑的服务水平。例如，社会效益和对绿色基础设施的需求因居民的教育和收入水平而异。

图3 雨水管理提供的生态系统服务

把雨水作为资源。在全球范围内，把雨水作为一种资源的使用一直在增加。通过雨水可获得的水量可能很大。例如，澳大利亚一些城市每年产生的雨水量与其总用水供应量相似（图4）。而将雨水作为替代供水的接受度取决于公众的看法和政策规定。监管可以进一步影响雨水的收集。例如，在法国，法律限制将雨水用于冲厕所和清洁地面。因此，消除监管限制可以帮助促进雨水的使用，以帮助补充供水。除了帮助减轻干旱影响之外，雨水收集还可以减轻河流洪水。在集水区规模化安装水箱也有可能改善河流水质。尽管雨水收集有好处，但实施需要在治理的背景下加以考虑。在家庭范围内广泛使用雨水箱，将管理供水的责任从政府转移到个人身上。这种转让可能会加剧不平等。

图4 将雨水作为一种资源

不断发展的技术。增加雨水控制措施。由于技术进步和社区期望的变化，雨水控制措施越来越成为管理城市水文的常用方法。雨水控制措施旨在改善水质，提供更自然的水流状态，恢复更自然的水平衡，从而降低洪水风险，减少下游污染物负荷和河流生态系统退化。雨水控制措施包括一系列广泛的技术，包括雨水渗透池、雨水径流灌溉的行道树、多孔路面、湿地和雨水花园、街景雨花园等（图5）。

图5 雨水控制措施

低成本监测技术。监测是管理雨水系统的重要组成部分。例如，连续监测湿地中的水位可以指示出口是否已经被堵塞。由于城市水文具有高度的时空变异性，因此需要高分辨率的监测。监测的时间分辨率应该是5分钟量级的步长，并且为了确保足够的空间分辨率，在系统或排水网络内应该有许多监测点。然而，由于建立和维护这种监测网络的费用很高，通常不可能实现适当的监测分辨率。而低成本传感器的迅速发展和普及，极大地推动了城市水文监测的发展，传感器的可用性和技术的快速发展-使智能传感器网络能够很好地满足城市水文学的众多监测需求。

预报能力和实时控制。在高分辨率短期降雨预报和雨水网络实时控制方面取得的进展也是城市水文管理的一个重要方面。长期和短期高分辨率降雨预报的发展是至关重要的管理水文在大雨事件。这些进步是由雷达测量降雨量的发展及其与传统雨量计数据的整合所推动的。社交媒体也为提供洪水预警创造了机会。与此同时，使用实时控制（RTC）来动态操作雨水网络的情况也急剧增加。RTC系统自动响应整个网络上观察到的或预测的条件的变化，例如流量或水质的变化，以优化网络管理。新型的RTC能够满足多个目标，包括减轻洪水和改善水质。还可以协调控制大量分散的雨水控制措施，而不是单一的大型系统。RTC和预报的进步也支持改进对暴雨事件的预测。随着越来越精确和高分辨率的降雨预报可用，预测模型控制策略可以使用较长期预报窗口来操作。然而，用于城市雨水网络的RTC的实现的主要未来挑战是提供实时数据以优化网络操作所需的大量传感器的部署和维护。同样，通过预报和预测控制改善运行需要大型算力条件，以确保系统运行的快速优化，以匹配城市水文的高度可变和随机性。因此，这些预报技术和实时气候技术的进步可能不会平等地惠及所有国家。

图6 智能雨水网络

治理和商业模式。协调利益提供者和受益者。由于雨水管理改善的受益者和为这种改善付费的人之间的不一致，城市水文管理方面的进展受到阻碍。因此，有人提议采用更具创新性的供资模式，如雨水公用事业费。这种收费创造了一种更可持续的供资模式。另一种方法是补偿（抵消）。补偿可让实施减少雨水流失措施的机构，在别处支付缓解工程费用。然而，由于缓解努力的影响不可转移，抵消受到了强烈的批评。例如，一个集水区的开发可能被附近集水区的缓解努力所抵消，导致第一个集水区的径流量仍然增加。量化和评估雨水缓解工作的效益是激励雨水管理措施的另一种方法，开发可靠且易于实施的方法来量化和评估雨水缓解工作的效益，可以支持生态系统服务的核算和支付。通过排水部门之间的合作提供协调和分散的解决方案，可以帮助在源头管理雨水径流。

雨水作为水资源的所有权。虽然雨水径流造成了一个问题，但它也提供了一种宝贵的资源。鉴于世界各地许多城市面临水资源稀缺的问题。由于日益严重的水资源短缺，进一步的尝试还包括将雨水处理到饮用标准并纳入全面供水，特别是在缺水地区，如澳大利亚东南部的城市。水资源所有权的界定在个人分配规模上相对简单，但在更大规模上则复杂得多。当来自多处房产的雨水积聚时，例如在管道中，所有权问题变得重要。明确这些水的所有权和权利对于支持大规模雨水收集计划的投资至关重要。例如，在美国，雨水收集在许多地方是非法的，因为它可能影响下游的用水权利，这意味着要使家庭规模的雨水收集成为可能，需要法律层面的支持。

总结和未来展望。城市化极大地改变了降雨的途径和命运。不透水面的下渗能力很弱，减小了地下水补给和对基流的贡献，反而增强地表径流。城市地区产生大量污染物，不透水面和排水网络的水力效率导致水质下降。因此，污染、侵蚀、栖息地丧失以及生物多样性和生态系统服务的下降都会发生。随着城市人口越来越多、越来越密集，气候变化导致更高强度的降水、更严重的干旱和水资源短缺，社会期望以更全面的方式管理城市水文。这样做可以减少城市河流提供的生物多样性和生态系统服务的损失，同时也为城市提供了额外的水资源。然而，要实现这一未来，国际科学界需要付出巨大努力，进一步开发治理和投资的技术和方法。

未来展望：（1）需要更好地了解气候变化对雨水管理系统性能的影响；（2）需要改善雨水处理以更好地减轻新出现的污染物的影响，取决于更好地了解它们在环境中的毒性和归宿；（3）跨排水系统的智能监控网络可以帮助提高性能并促进RTC；（4）基于自然的解决方案为解决雨水管理问题提供了机会，同时也提供了生态系统服务；（5）需要进行大规模的改造，以支持将雨水作为一种资源；（6）通过改进降雨预报和实时降雨控制，可以进一步增强分散式雨水管理系统的潜力。

个人评价

这篇综述系统介绍了城市水文的概念、原理、现状、影响因素和治理技术，并提出了未来发展方向。内容上，气候变化和城市化背景下的洪水风险和水资源短缺与我目前的研究内容一致，作者提出的部分观点可供我未来研究参考；写作上，该文逻辑清晰、观点层层递进，值得我学习。从不足来看，个人认为文章所有的观点均是站在了（较）发达国家的视角来阐述，并没有提到发展中（落后）国家的城市水文管理所面对的困境和解决措施。

Fletcher, T.D., Burns, M.J., Russell, K.L. et al. 2024. Concepts and evolution of urban hydrology. Nature Reviews Earth & Environment, 5, 789–801. https://doi.org/10.1038/s43017-024-00599-x