第一章绪论
流域水文过程是气象要素与下垫面共同作用的结果，是流域内的降雨通过地表下垫面调节作用，*终形成流域出口断面径流的过程。近年来经济快速发展，特别是城市群落迅速崛起，使得流域地表土地利用/地表覆被类型发生较大变化，不透水面积大幅增加，改变了地表产汇流变化规律，导致流域水文过程特性发生较大变化。
城市发展不只满足于单个城市的扩张，而是从小城市逐步发展成中等城市、大城市，进而形成大都市区、城市群，*终形成大都市连绵带。伴随着城市化速度的加快，城市面积不断扩大，地表下垫面属性发生剧烈改变，天然河网水系受到较大冲击，明显改变了流域、区域、城市自然状态下的水文过程及其特征规律。一方面，城市化直接改变了地表土地利用状况，不透水面积增加、河道渠化，破坏了河流的自然演变规律。另一方面，自然地表变为不透水面、水域面积被侵占、水系结构的改变等造成区域产汇流特性改变，带来地表径流增加、汇流时间缩短、洪峰流量增大、径流系数增加等一系列变化，造成区域河网调蓄能力下降、洪涝频繁发生，并导致河流水质恶化等水环境、水安全问题。
第一节城市化发展现状
城市化（也称为城镇化）是国家经济结构、社会结构、生活生产方式的根本转变，也是长期积累和长期发展的渐进式过程（戴均良等，2010）。城镇化不仅涉及产业转型、城乡结构调整、基础设施建设，还需要资源、环境、政策、管理等方面的支撑（陆大道，2007）。新型城镇化的建设与城镇化质量的提升、中国经济向高质量发展转型、新时代“两个阶段”战略目标实现息息相关（陈明星等，2019）。
随着区域社会经济发展，人口纷纷向城市集中，城市数量、规模迅速增加。改革开放40多年来，我国城镇化水平翻了1.5番，超过了世界平均城镇化水平3.7个百分点（方创琳，2018）。中国城镇化进程前所未有的速度与规模，吸引了地理学、社会学等学科的众多学者广泛关注。众多学者分别从全国、区域、城市这3个不同尺度对中国城市用地扩张特征与空间模式进行了总结（李加林等，2007；刘涛和曹广忠，2010），也有学者从人口、经济、社会和土地城镇化等角度分别对中国、珠三角、江苏的城镇化进行综合分析与评价（周春山等，2019）。此外，不少学者从国家政体与政策方面对城镇化过程进行评价，认为城市发展和建设与城市政府的制度安排、政策选择密切相关（许学强和叶嘉安，1986；宁越敏和杨传开，2019）。
两个或多个城市体系之间，由于引力加强会出现互为郊区的局面。随着不断扩大的大城市环带日益接近，中间城市区域被吞并，出现了城市连绵带或超大城市。近数十年来的快速发展，我国已初步形成28个不同规模、不同等级和不同发育程度的城市群（姚士谋等，2010），如珠江三角洲城市群、长江三角洲城市群、京津冀城市群等。同时，我国城镇化过程中也出现了“冒进式”城镇化的现象，造成许多负面影响（陆大道，2007）。一方面，“人口城镇化”存在大量水分，出现一定程度的虚假城镇化和贫困城镇化（周一星，2006）；另一方面，“土地城镇化”的速度过快，城市空间蔓延式大扩张（陆大道，2007；马立呼等，2021），造成了资源、环境的巨大压力。近年来，我国众多的城镇化地区资源、生态和环境状况严重恶化，耕地、水资源等重要资源过度消耗，景观、生态环境受到严重破坏（伍健雄等，2021）。
第二节城市化与水文过程
一、城市化下降雨过程
城市下垫面对降雨的影响较早就得到学者关注，Horton(1921）通过对多个城市的观察发现城区暴雨频率高于郊区，提出了城市“雨岛效应”猜想。随后众多学者开始关注城市化对降雨的影响，并开展了城市气象观测实验。其中美国城市气象实验(metropolitan meteorological experiment，METROMEX）发现城市中心和其下风向降雨明显增加（Changnon，1968）。这些观测实验主要借助地面雨量站、探空气球等，可能存在降雨空间代表性不足的问题。
气象雷达和卫星遥感技术的发展，为城市化对降雨的影响研究提供了更高时空分辨率的观测数据。借助气象雷达发现，由于城市冠层中建筑物阻碍效应，降雨落区呈现分化，对流性降雨的中心极易出现在城市边界和下风向地区，证实了城市下垫面在激发对流和增强对流活动中的作用（Bornstein and LeRoy，1990）。基于TRMM(tropical rainfall measuring mission）卫星降雨观测资料发现，夏季降雨量在城市下风向30～60km范围内增强28%，在城区增强约5.6%。
随着计算机运算能力的提升以及数值气象模式的不断发展，学者开始借助气象数值模拟技术定量分析城镇化对降雨的影响及其物理机制。相关研究在全球许多城市和地区都有开展，如美国圣路易斯（Rozoff et al.，2003）、纽约（Ntelekos et al.，2009），欧洲(Trusilovaetal.，2009），新加坡（Lietal.，2016），中国上海（张赞程等，2017）、珠三角(张兰等，2015）、京津冀(Wang et al.，2015）、长三角（Zhong et al.，2017）等。
相关研究均得出城镇化发展会对降雨产生一定影响，但对于其对降雨的影响程度，尚存在一定分歧，甚至有一些相反结论。如有学者认为城市地表粗糙度增加对降雨有显著影响，城区建筑增多可能促进云团分叉并增加强降雨比例（Wangetal.，2015）；而另外部分学者认为城市化导致的气流分叉或破碎能否在城区或下风向地区增加降雨仍需验证，如Rozoff等（2003）认为城市下风向地区产生的气流辐合不足以引发暴雨，Zhang等（2009）认为北京城市扩张降低了地表自然植被覆盖率，会减少地表蒸发以及距地大气水分供应，不利于夏季降雨发生。
城镇建设导致地表热力性质和水热平衡发生变化，改变了区域气候环境，引发“雨岛效应”等现象。当前，城镇化对降雨的影响研究主要可归纳为两种：①通过在时间上纵向对比城镇不同发展阶段某雨量站降雨特性变化特征，如降雨总量、降雨强度和降雨历时等；②分别选取城区和郊区典型雨量站，利用横向对比城郊站相同时期降雨特性。如METROMEX实验发现，圣路易斯等城市中心和下风向地区降雨增加明显（Changnon，1979）。丁瑾佳等（2010a）通过横向对比苏锡常典型城郊站点降雨资料，得出随着城镇化发展速度的加快，苏州市和无锡市“雨岛效应”越发明显。陈秀洪等（2017）发现，广州市快速城镇化阶段城区短历时降水频率和强度均有一定程度的增加。由于雨量站数量有限，该方法难以反映出降雨在流域上的分布情况，所得结果误差较大。随着气象综合观测实验和中尺度气象模式的逐渐发展，利用气候模式定量化分析城市发展对局地降雨影响研究逐渐成为主流。目前，国内对该领域的研究主要集中在东部发达地区。一般认为，城镇化会引发热岛效应，结合全球变暖为主要特征的气候变化，极可能加速区域水循环过程。且大气颗粒物的增加和城市上空粗糙程度的上升，都将导致降雨量增加（张珊等，2015；Yu et al.，2017）。
但是，随着城镇化的快速推进，不透水面积增加，使得地表水面积减小，阻隔了浅层地下水对区域水资源蒸发的补给作用，导致局地空气含水量下降，使得区域蒸发和降水有所下降。如Barron和Donn(2013）发现西澳大利亚南河流域，不透水面扩张造成地下水蒸发由入渗量的90%下降到不足30%；在中国秦淮河流域，当城市不透水率由4.2%上升到13.2%时，地表蒸发量减少了7.2%；陈莹等（2011）将土地利用变化模型与水文模型相结合，模拟结果表明土地利用变化将使得太湖西苕溪流域地表年均蒸发量减少0.68%～3.15%。
二、城市化下洪水响应过程
在气候变暖和人类活动影响日益加剧的环境下，降水变异强度增加，洪涝灾害呈高频态势。学者们针对洪涝问题进行了诸多有益研究，主要从水位的长序列变化、暴雨洪涝响应以及洪涝水位演变的驱动机制等方面展开。研究发现，以城镇化、水利工程建设及裁弯取直等工程措施为典型的人类活动对洪涝水位的影响存在明显的阶段性与突变性特征（王杰等，2019）。不同下垫面条件具有不同的植被特征，而植被根系效应对区域洪涝过程影响较大（Scholl and Schmidt，2014）。城镇化地区极端暴雨事件增多、河网水系锐减和圩垸等水利工程的大规模修建给区域洪涝水位变化带来深刻影响（Jiang et al.，2020）。
由于流域水文过程受气象要素与下垫面共同影响，城市化下流域不透水面积增加、河流水系衰减必然影响到流域产汇流机制变化，而暴雨是引发洪水的*直接因素之一，厘清洪水对于暴雨特征的响应对防洪减灾具有重要意义。降雨对洪水要素影响的主要研究方法包括:①基于实测降雨站点观测资料提取降雨指标并探讨其与洪水特征的关系(王杰等，2019）；②基于降雨随机模拟模型或降雨强度分布公式，探讨不同降雨类型对洪水要素的影响（Wang et al.，2019）；③基于降雨雷达或天气预报模式（如weather research and forecasting model，WRF）并结合分布式水文模型，探讨降雨时空分布对洪水特征的影响。Wang等（2019）基于水文模型探讨了短历时的降雨时间变异性对洪水过程的影响，结果发现，当降雨总量一定时，降雨集中度增加将会导致洪峰流量增加。Yang等（2019）基于实测洪峰资料发现，我国特大洪峰受到天气系统的影响，其中北方地区及东南地区主要受到台风的影响，而南方地区主要受到夏季风控制的极端暴雨影响。同时，相关研究表明，近几十年来全球及区域尺度的极端降雨的频率和强度均有所增加，导致洪水灾害风险也在增加（Yin et al.，2018）。
同时，下垫面特征（如流域空间尺度、地形和下垫面土地利用特征等）直接影响了区域产汇流过程，从而会导致洪水特征发生变化（李倩，2012）。首先，空间规模反映了流域的汇水空间和集水能力。已有研究表明，流域面积越大，洪水汇集到流域出口的过程越长，产生的洪峰流量越大（Borga et al.，2008）。李倩（2012）通过模拟城市空间布局情景，探讨了不透水面的空间分布差异对洪水的影响，结果发现当流域不透水面增量一定时，不透水面分布在流域上游时对洪水影响*大。
但由于各流域自然地理特征的差异，洪水特征对流域空间尺度的响应也存在一定的区别。有研究表明，洪峰滞时和洪峰流量随流域面积增大而增大，且与流域面积呈现一定的指数关系（Creutin et al.，2013）。其次，流域地形特征也是影响洪水过程的重要因素。有研究通过室内试验发现，相同重现期降雨过程下，洪峰流量与流域比降呈现单调递增的线性关系（曾杉，2018）。快速城镇化发展，不透水面（如混凝土、沥青的路面、墙面）大幅扩张，取代了原来的自然下垫面（如植被、水面等），而不透水面通常具有弱透水率、低反射率以及大热容量等物理属性（杨龙，2014）。城市下垫面物理属性的改变可能直接影响了水文循环的大气和产汇流过程，引发了一系列生态环境问题，如城市热岛、雨岛效应和暴雨洪水灾害等，城镇化水文效应研究愈加迫切（刘家宏等，2014）。
此外，流域前期条件（如起始流量、前期降雨和前期土壤湿度等）也是影响洪水特征的重要因素（Cea and Fraga，2018）。通过对不同城镇化流域洪水响应特征对比分析发现，前期降雨在高度城镇化流域对洪水影响较小，而在低度城镇化流域影响较大（Zhou et al.，2017）。通过对比极端降雨和前期湿度对洪水的影响发现，极端降雨对洪水的影响相对前期湿度变化的影响较大（Garg and Mishra，2019）。由此可见，在不同城镇化水平和不同气候特征影响下，洪水特征对于流域初始条件的响应也有所差异。
目前对于城镇化地区洪水响应规律的研究，相关学者开展了许多有益的尝试，丰富了我们对于洪水变化规律的认识。但
展开
