城市化是指人口和产业向城市集中，导致城市不断扩张的过程^[1].城市化不仅是人类社会发展的重要过程，也是衡量国家发展水平的重要标志.联合国人口署预计2050年全球总人口将从2011年的70亿增长到93亿，城市人口将从36亿增长到63亿^[2]，其中发展中国家和地区城市人口增长最为显著^[3].作为全球最大的发展中国家，截至2015年，中国的城市化程度已经达到56.1%，预计到2020年，城市化率将达到60%左右^[4].城市化导致人口密度增大，土地利用性质改变，建筑物增加，下垫面不透水面积增大，在一定程度上加剧了人类社会与生态环境之间的相互作用，对水文过程产生巨大的影响^[5].快速城市化导致城市暴雨内涝灾害频发，最近5年，北京、广州、杭州等大城市接连遭受内涝灾害袭击，其中，2016年7月6日武汉的暴雨灾害致使75.7万人受灾，直接经济损失高达22.65亿元^[6].城市雨洪模型是城市雨洪特性研究的重要手段，是城市防洪减灾的关键技术之一，而理解城市化伴随的水文效应是城市雨洪模型研究的理论基础.本文基于近年来国内外研究成果，对城市化的水文效应以及城市雨洪计算方法和城市雨洪模型的进展以及相关问题进行介绍与评述.

1 城市化的水文效应

本章节旨在探讨城市化对水文循环过程的影响，而城市化对水环境、水生态以及水资源的影响不在本文范围之内.城市化通过改变城市微气象条件和下垫面条件，致使城市水文循环发生改变，主要表现在:降水特征突变、蒸散发改变、地表产汇流畸变以及地下径流减少.

1.1 城市化对降水的影响

研究城市化对降水的影响是了解城市化对水文循环作用的第一步.早在1921年，就有研究表明相较于郊区，城市中心区域更容易发生雷暴天气^[7].自20世纪70年代以来，城市化引起的降水变化已逐渐成为研究热点.美国于20世纪70年代开展了著名的METROMEX试验，该试验研究城市对中尺度对流天气的影响，旨在广泛调查城市环境对降水的影响效应^{[8, 9]}.国内相关研究较为滞后，直到1985年，在《城市气候学导论》一书中，周淑贞^[10]首次提到城市对降水分布的影响，并提出了"雨岛效应"在内的城市环境下的"五岛效应".自21世纪以来，我国降水异常事件频繁发生，城市化对降水的影响逐渐引起国内学者的重视^{[11, 12]}.

部分研究通过对比城市化前后降水变化以及城市与郊区降水差异，发现城市化对降水的影响主要表现在以下几个方面^[13]:市区降水量大于郊区降水量，城市下垫面变化和地形是影响降水量变化幅度的重要因素^[14]；市区降雨强度大于郊区，市区容易出现暴雨中心^[15]；对不同量级降水发生频率影响不同，其中大雨及暴雨的出现次数随着城市化率的提高呈显著增加趋势^[16]；对不同季节降水影响也不同，其中冬季降水受城市化影响较为显著^[15].但由于数据的稀缺以及其他大气过程的非可量化，目前城市化对降水影响的结论依旧存在一些争议.其中，Wang等^[17]认为不能过分地高估城市化对降水的影响.在城市化对降水影响机理研究方面，城市化通过局地尺度对大气动力学产生影响，从而影响降水，主要体现在^{[18, 19]}: 1)土地覆盖的改变影响能量平衡加上人类活动热量的释放，造成城市热岛效应，可能对降水的发生和强度产生影响；2)地表粗糙程度的变化以及土地覆盖的异质性通过影响气流循环，可能改变降水模式；3)大气污染和细粒释放可能对雨滴的产生过程造成影响.在上述因素共同影响之下，通常导致城市降水多于郊区，但由于季节差异和地区差异的存在，城市化对降水的影响程度也与气候条件、地理位置以及城市地形等因素有关.然而，仍有部分学者认为城市化对降水影响存在正效应还是负效应值得商榷^[20].因此，城市化对降水的影响以及作用机制仍需要进一步研究，可借助地面水文、气象等实测数据，雷达、遥感卫星等观测技术以及气候模式和水文模型等模拟技术开展研究.

1.2 城市化对蒸散发的影响

随着城市化的进程，大面积不透水人工表面(道路、建筑物等)取代了原有透水、湿润的自然地表(土壤、植被等)，从根本上改变了地表的物理属性，使得地面持水能力减弱，蒸散发持续时间相较于植被蒸散发持续时间缩短^[21]，因此城市蒸散发可能远低于郊区^[22].占车生等^[23]对台湾地区进行蒸散发模拟，发现城市地区陆面蒸散发明显低于区县蒸散发.唐婷等^[24]研究发现其他土地利用类型向城市用地转化会导致蒸散发量减少.然而，城市尺度下的蒸散发并非想象中的那样微小，Grimmond和Oke^[25]利用涡度观测系统对北美10个城市的蒸散发量进行观测，发现蒸散发量可达到约1~3个量级.气象和下垫面条件以及外部输水量也对城市蒸散发有影响，对城市绿地的过度灌溉可能使得其实际蒸散发高于天然干燥条件下的总实际蒸散发^[25].有研究指出，蒸散发在城市地区可达到全年总降水的40%，极端情况下，夏季蒸散发可高达降水的80%^{[26, 27]}.

作为城市能量平衡和水量平衡的关键因素，研究城市蒸散发对于城市水文研究、水资源管理、生态环境尤其是热环境有着重要意义^[28-30].准确观测蒸散发量是研究城市蒸散发的基础，目前树干液流、波文比、蒸渗仪和涡度相关系统等各类方法技术逐渐应用于城市蒸散发的观测^{[31, 32]}.除了实际测量，一些学者也尝试利用估算模型对城市蒸散发进行量化.Grimmod和Oke^[33]提出一种在广泛气象条件下计算城市蒸散发量的蒸散发-截留模型，该模型与水量平衡模型在城市尺度的运用显示，在考虑植被覆盖的季节变化后，蒸发-截留模型的结果与水量平衡模型的结果较为一致^[34].Penman-Monteith公式的两个变体也被运用于城市绿色屋顶的蒸散发估算，结果较为理想^[35].Qiu等^[36]利用"三温模型+热红外遥感"对城市蒸散发进行模拟，取得了较好的结果，该方法被认为在城市蒸散发计算中具有较好的应用前景.

由于城市环境的高度异质性、尺度复杂性以及前期重视不足，城市蒸散发的测量与估计方法研究仍处于初步阶段，关于城市蒸散发测量与估算方法以及机理的研究仍需要进一步加强.

1.3 城市化对地表产汇流过程的影响

随着城市化的进程，大面积不透水面取代了原有透水、湿润的自然表面，使得城市地区水文过程发生巨大变化.透水下垫面向不透水下垫面的转化，使得径流量增加^{[37, 38]}，产流时间提前^[39]，洪峰流量增大^{[39, 40]}，峰现时间提前^[41]，以及洪灾重现期增加^[42].部分学者就不同下垫面条件的产流情况进行了研究，刘慧娟等^[43]通过实验对城市典型下垫面产流过程进行模拟，发现不透水面产流效率大于透水砖, 透水砖大于绿地.部分学者研究发现径流系数与不透水面积比呈明显的正相关关系^[44].Olivera等^[45]发现，当White Osk Bayou流域的不透水面积达到10%时，该流域年径流深增加146%，其中城市化贡献率为77%.Eshtawi等^[46]发现，城市面积增加1%，径流量将增加100%.在汇流方面，广场、柏油马路等不透水下垫面较城市化前下垫面糙率减小，使得地表汇流速度加快，从而导致峰现时间提前.左仲国^[47]的研究表明，随着城市下垫面的变化，深圳河干流"百年一遇"洪水汇流时间减少了15.4%~21.7%.近年来，不透水面的连通性对地表水文过程的影响也逐渐引起学者关注^{[48, 49]}.有效不透水面是指直接与相近的透水区域联通或产流直接进入城市雨水排放系统的透水面^{[49, 50]}，它可能是造成大部分径流变化的原因^{[51, 52]}.因此，相比于总不透水面，有效不透水面被认为是一个更现实的城市影响径流的指标.

此外，填湖等行为使得城市内河湖大面积萎缩，陆面塘堰和湿地面积减少，导致天然蓄水空间减少，产流量增加；给排水管网建设使得城市汇流过程较天然情况显著变化，汇流途径缩短，汇流速度加快；河漫滩的开发占用，使得河道过水断面减小，导致洪水频率增加^[53].综上所述，城市化对地表产汇流的影响是综合的、多方面的.

1.4 城市化对地下水的影响

降水入渗是直接补给地下水的重要途径，城市下垫面较天然流域下垫面渗透性低，使得地下水的直接补给减少，导致地下水水位下降，储存量减少，基流减少^[53].此外，人口迅速增长使得需水量增加，地下水被作为受到农业或工业污染的地表水的清洁替代品^[54]，提供了全球70%以上的用水量^[55].对地下水的大量需求，致使地下水在众多国家和地区被过度开采，从而导致基流进一步减少、地面沉降.在华北平原，总需水量超过自然地下水补给量的1.5倍，过度开采导致浅层和深层含水层的水位下降0.4 m/a，发生地面沉降^[56].但与此同时，城市化也通过绿地过度灌溉、减少蒸散发、人工和近自然雨水渗透系统、管道泄漏等途径在一定程度上增加了地下水的补给.当渗透性土壤发生渗漏时，正常情况下潜在的地下水补给量可达100~300 mm/a，极端情况下可能达到3 000 mm/a^[57].在(半)干旱地区，泄漏甚至可能高于自然补给^[18].

2 城市雨洪模型 2.1 城市雨洪产汇流计算方法

城市化使得城市水文过程发生显著变化，导致城市暴雨内涝灾害频发.城市雨洪模型是研究城市雨洪特性的重要手段，而城市雨洪产汇流计算则是建立城市雨洪模型的基础.相较于天然流域，城市区域产汇流有明显区别.针对城市区域产汇流特性，学者常将其计算过程归纳为城市雨洪产流计算、城市雨洪地表汇流计算和城市雨洪管网汇流计算^{[58, 59]}.

城市雨洪产流计算主要描述降雨产流过程.由于城市下垫面的复杂多样性，在产流计算中通常把城市下垫面简化成透水面与不透水面.城市下垫面种类复杂，不透水面与透水面之间分布错综复杂，致使城市雨洪产流计算精度较低.目前常见的产流计算方法可分为统计分析方法、下渗曲线方法以及模型法，其中统计分析方法中的SCS方法，下渗曲线法中的Green-Ampt下渗曲线和Horton下渗曲线应用较广^{[59, 60]}.尽管这些方法已被广泛应用于城市雨洪模型中，但计算精度依旧偏低.因此，探索产流规律，准确、系统地描述城市复杂下垫面的产流过程，是提高产流计算精度的必由之路.尽管国内外开展了诸多实验探讨城市下垫面类型的产流分布规律^{[61, 62]}，但由于室内试验条件与天然状况存在不可忽视的差异，不能直接进行类比，因此将室外降雨径流观测资料与室内实验数据结合研究，对于探究城市区域产流规律十分必要.

城市雨洪地表汇流计算主要描述城市地表汇流过程，即各排水子流域的净雨汇集到出水口控制断面或直接排入河道的过程.城市下垫面情况复杂，在影响城市排水区域内集水口边界划定的同时，也导致地表径流汇流路线复杂，水流形态多样^{[63, 64]}，使得地表汇流计算难度较大.城市地表汇流计算使用水文学方法和水动力学方法.水文学方法是基于系统的思想，建立输入与输出之间的关系来模拟地表汇流，常见的方法包括推理公式法、等流时线法、瞬时单位线法、线性水库和非线性水库.部分学者对上述地表汇流计算方法进行比较，结果显示非线性水库模拟效果较好，瞬时单位线计算效果较差^{[65, 66]}.水力学方法基于微观物理定律，通过求解圣维南方程组或其简化形式，可以得到较为详尽的地表汇流过程.诸多研究表明，水文学方法计算简单，适用性强，但物理机制方面不明晰^[67]；而水动力学方法对初始条件和边界条件要求较高，计算繁琐，应用较为困难^[68].针对两类方法的局限性，部分学者进行了城市水文-水动力方法耦合的研究^[69].当实测资料不能满足水力学方法的求解要求时，可以使用水文-水动力学方法作为替代，因此该方法被认为具有良好的发展前景.

相较于产流计算与地表汇流计算，城市雨水管网汇流计算相对成熟，常用方法包括简单的水文学方法和复杂的水动力学方法.水文学方法包括瞬时单位线法^[70]和马斯京根法^[71]，其中马斯京根法计算相对简便，参数少，资料要求较低，计算精度较高，应用较广^[60].水动力学方法在圣维南方程的基础上，采用其简化形式，包括运动波^[72]、扩散波^[70]和动力波^[73]，其中运动波计算相对简单，但该方法仅适用于下游回水影响小、管道坡度大的情况；扩散波计算精度与运动波相差较小，但不适用于各种流态共存的环状管网的水流计算；动力波计算精度较高，且在计算过程中考虑了峰值衰弱和回水影响，适用于各种入流条件与管道坡度，但该方法对资料要求较高，计算也较复杂^[60].已有研究成果表明，当资料条件较好、精度要求较高时，可根据管道形状及水流流态选择扩散波或动力波进行模拟计算，其余情况下马斯京根法被认为是较好的选择^[74].

2.2 城市雨洪模型

20世纪70年代起，随着部分政府机构开展城市雨洪模型研发，城市雨洪模型得到了迅速的发展^[75]，目前已开发出多种城市雨洪模型^[76-78].我国对该方面的研究起步较晚，20世纪90年代以后，国内学者陆续开始进行城市雨洪模型研究.1990年，岑国平^[70]提出我国首个完整的城市雨水径流计算模型——城市雨水管道设计模型SSCM，在此之后我国学者陆续进行城市雨洪模型的自主研发^[79-81].

城市雨洪模型可分为经验性模型、概念性模型和物理性模型^{[82, 83]}.经验性模型又称"黑箱"模型，它基于对输入输出序列的经验来建模，因而缺乏对水文过程的分析，存在物理机理不足的缺陷.概念性模型是基于水量平衡原理构建的，具有一定的物理意义，目前已在城市排水设计、防洪规划等方面得到了广泛应用^[84].物理性模型以水动力学为理论依据，具有较强的物理基础.物理性模型资料要求高，求解复杂，但由于该类模型能直接考虑各个水文要素的相互作用及其时空变异规律，在3类模型中模拟精度最高，因此在城市雨洪模拟中具有良好的应用前景.

表 1对国内外主要城市雨洪模型进行了总结.

对比国外城市雨洪模型，可以发现国内城市雨洪模型在以下几个方面存在明显差距:在性能方面，国内自主开发的模型往往围绕某一特定问题展开，主要用于水量模拟，大多功能较为单一，而国外模型功能强大且相对成熟，不仅能够进行城市雨洪模拟，还能具备水质模拟、低影响开发研究等功能；在通用性方面，国内的模型大多基于某一特定区域应用研发，通用性较差，且大多软件仅开发者使用，并未得到大范围推广，而国外模型已研发形成了一系列商业性软件和工具，广泛应用于城市雨洪模拟和排水设计规划等工作中，并得到了众多使用者及研究机构的再开发.尽管基于HIMS的城市雨洪模型在功能的综合性和通用性方面朝前迈了一大步，但较国外部分已得到广泛应用的城市雨洪模型，国内雨洪模型的差距还是不可忽视的.提升模型综合性和通用性是我国城市雨洪模型发展的方向.

3 结语

城市雨洪模型的研究已成为城市水文学研究的热点问题，经过几十年的发展，目前已在城市化对水文过程的影响研究以及城市雨洪模型的研发方面取得了较为丰硕的成果，其主要结论如下:

1) 在城市化的水文效应方面，城市化通过改变城市微气象条件与下垫面条件，导致水文循环发生显著变化，主要表现在降水特征突变、蒸散发改变、地表产汇流畸变以及地下径流减少.城市化的水文效应，使得城市内涝灾害频发，损失严重.

2) 为了减少城市内涝灾害的发生频率，需要采用科学方法分析城市内涝的成因、演变规律.城市雨洪模型是研究城市雨洪特性的重要手段，是城市防洪减灾的关键技术之一，在城市雨洪规划和设计阶段起着重要作用.目前已有众多城市雨洪模型被研发，其中一部分模型得到了广泛应用与进一步开发，被认为具有较强的生命力.我国城市雨洪模型较国外城市雨洪模型在综合性和通用性方面依旧存在较大差距.

尽管城市雨洪模型发展至今已形成较为完善的模型框架，但依旧面临以下挑战.

1) 数据可用性不足

相较于流域水文模拟，城市雨洪模拟起步较晚，观测较为麻烦，因此城市区域降雨径流实测资料较少，该问题在我国尤其突出.降雨径流数据不足，使得城市雨洪模拟精度受到影响，从而阻碍了城市雨洪模型的发展.发展RS、GIS等空间信息技术，可以提供具有更高时空分辨率、更能反映城市雨洪过程的数据，为进一步研究水流运动规律提供数据支持，从而促进城市雨洪模型的发展.

2) 水文物理过程认识不足

由于城市下垫面的复杂性和非均一性，其产汇流过程较天然流域更加复杂，为城市雨洪模型的研究增加了难度.水文过程中的各个环节是相互联系而不是独立的，在进行水文机理研究时，需要将其视为一个整体，了解各水文过程之间的交互作用.此外，城市水文效应存在明显的区域性，通过区域性研究成果，把握城市水文效应的规律，归纳总结出具有普适性的结论，是进行机理研究的重点.加强对水文物理过程的认识，进行深入的机理研究，对于城市雨洪模型的完善有着重要意义.

3) 气候变化对城市水文过程的影响

全球气候发生变化已成为学术界的共识.在全球气候变化的大背景下，气候变化对城市水文过程的影响不容忽视.部分学者认为，城市系统对于气候变化的响应更为敏感，气候变化可能使得城市极端降水发生强度、频率和持续时间进一步增加，从而加剧暴雨内涝灾害的受灾程度与受灾几率.因此，分析气候变化对城市水文过程的影响非常必要.