城市水文学讲义.doc

城市水文学讲义（City Hydrology）目录第一章 绪论1第一节 城市化与城市水文问题1第二节 城市水文学的发展6第三节 我国面临的城市水文问题7第二章 城市气候11第一节 概述11第二节 城市热岛状况第三节 城市化对降水的影响第四节 城市气候与城市规划发展第三章 城市化的水文效应第一节 概述第二节 城市化对对径流形成的影响第三节 城市化对径流水量平衡的影响第四节 城市化对洪水的影响第四章 城市水文资料的收集和测验设备第一节 概述第二节 降水等气象资料第三节 河渠及管道流量资料第四节 水质监测资料第五节 土地利用情况资料第六节 城市水文站专用设备简介第五章 城市设计暴雨第一节 概述第二节 年最大24小时设计暴雨第三节 雨量频率历时关系分析与应用第四节 设计暴雨的时程分配第六章 城市雨洪径流计算第一节 概述第二节 城市流域的产流计算第三节 城市雨洪过程汇流计算的水文学方法第四节 城市雨洪过程汇流计算的水力学方法第五节 城市雨洪汇流计算的推理公式法第七章 城市径流的水质分析第一节 概述第二节 面污染源的来源和种类第三节 地表污染物的集聚、冲洗和输送第四节 产生径流污染物负荷量的计算方法第五节 城市径流污染与环境评价第八章 城市水质模型概述第一节 规划模型第二节 设计与分析模型第三节 运行与控制模型第四节 城市水文使质模型的应用第八章 城市水污染防治和水环境治理规划第一节 概述第二节 城市水污染防治的目标与任务第三节 制定水污染防治规划的方法第四节 城市水环境整治规划的指标体系第五节 国内城市水环境整治规划实例简介第六节 城市污水的处置第一章 绪 论第一节 城市化与城市水文问题一、城市的定义是人类文明的产物，也是人类活动最频繁的地方。由于城市的自然过程、生态过程、经济过程和文化过程异常活跃，因此，构成了一个综合的特殊的地理环境。1、城市的综合性 城市的综合性不仅表现在它拥有河流、阶地、海滨、山丘等自然景观以及建筑、园林、绿地、服饰、饮食习惯、语言特点、音乐风格等人文景观，更体现了也城市有关的诸多方面，诸如城市水资源、城市气候、城市规划、城市管理、城市犯罪等。2、城市环境的特殊性城市环境的特殊性包括：（1）人是城市环境的能动主体；（2）城市是人类对自然环境干预还改变最强烈的地区；（3）城市也是自然环境变化最敏感的地区，城市的生态链通常是最脆弱的；（4）城市区域面积小，人口密度高，以及高强度的经济社会活动，是一个区域的凝聚核心。3、城市的定义各学科的理解不一，而且政府往往从行政管理中给城市定义。拉采尔从城市形态入手，认为：城市是指地处交通方便，覆盖一定面积的人群和房屋密集的结合体。前苏联经济地理学家巴朗斯基则认为从城市的作用和发生角度考察认为：城市是靠那些从农村经济中分化出来的非农业经济部门工业、商业、运输业以及行政、文化部门而成长起来的。周一星定义：城市是历史上形成的以非农业活动为主体的高度密集的人口、经济、政治、文化的社会物质系统。王铮、丁金宏则认为：判断一个居民点是否为城市的标准是双重的：一是大多数居民从事非农业活动，二是地域上存在着作为中心的商业区。二、城市化过程根据土地利用的变化情况，城市的发展过程可分为以下四个阶段：1、农村阶段： 土地处在耕作和放牧状况。显然地球上大部分土地是处于这个阶段。2、早期城市阶段 ：土地利用特点是大量修建城市型房屋，但仍有相当部分土地被原有植被覆盖。3、中期城市阶段： 住房、商贸中心、学校、工厂等建筑物大规模的发展和建设阶段，还伴随着越来越多的土地用于街道、人行道的铺设，在大城市的郊区多属于中期的城市发展阶段。4、后期城市： 则是整个城市更大发展的结果，地面完全有人工建筑和一些其他设施所覆盖。三、城市化城市化是城市发展的简称。不同的学者有各自不同的定义。城市化水平是指城市人口占总人口的百分数。1997年联合国人口中心预测到2030年全世界将有60%以上的人口居住于城市，2050年世界城市化水平将达到61%中国目前生活在城市的人口约6亿人，占全国总人口的45%，而美国的城市人口比例超过80%。麦肯锡（Wekisey Clobat Instiute）新近完成的一次研究预计在2050年之前中国城市人口数量将增加35亿，其中2.4亿人将来自农村。人口年增长率是净增人口与总人口的百分比。世界人口的增长是呈非线性的，可用下式表述： P=P-1（1+）=P-2（1+）2= P-n（1=）n （11）式中 P、P-1、P-2、 P-n分别为当年、前一年、前二年 前n年的世界人口总数；世界人口年增长率。目前，世界人口年增长率为2%。每年净增人口8000万人。预计到2020年世界人口将达到80亿。联合国国际经济及社会事务暑1981年预测世界及各主要地区人口增长情况如下图1-1所示。表1-1 世界城乡人口变动情况表年份19631970198019902000类别人口（亿人）百分数（%）人口（亿人）百分数（%）人口（亿人）百分数（%）人口（亿人）百分数（%）人口（亿人）百分数（%）总人口全世界32.8910036.3510044.6810054.5610065.15100发达地区10.3710010.9110012.1110013.3710014.54100发展中地区22.5210025.4510032.5710044.1910050.61100城市全世界11.5835.213.5237.218.5441.52501746.133.2961.1发达地区6.5162.87.1765.78.6471.410.2176.411.7480.2发展中地区5.0722.56.3525.09.9030.414.9636.321.5542.6农村全世界21.3164.822.8362.862.1458.529.3953.831.8648.9发达地区3.8637.23.7434.33.4728.63.1623.62.8019.8发展中地区17.4577.519.1073.022.6769.626.2363.729.0657.4根据人口资料统计分析，人口增长率并非恒定常数。长期以来有逐渐增大的趋势。然而，上世纪70年代初期是个历史性的转折点，人口转为递减。见图1-2。全球人口总数还在继续增加。城市地区的人口占总人口的比例逐年上升，城市地区的人口总数的上升更为明显。而发展中国家和地区，城市人口比例和总人数上述速度更是惊人。（见表1-1、表1-2）。表中所示，发展中地区人口增长率高达4.2%。这意味着只需17年人口总数就要翻一番。这就要求人们在一代人的时间（35年）内把住房和其他一切相应的城市设施翻上两番，才能满足人口的增长，维持现有的居住和生活水平。我国在控制人口出生率方面做出了巨大努力，然而，仍很难遏制城市认可的快速增长，特别是改革开放以来的三十年，大量人口流动涌入城市，仅以北京一地粗略统计，每天流动人口有些季节可达100万人以上。参照世界发达国家的城市化趋势，预计我国城市人口急剧膨胀势头短期内不会缓解。现在全世界有50%的人口集中居住在仅占大陆面积5%的城市范围内，势必造成资源、能源、交通、住房和排污等全面紧张。尤其是水资源，随着城市化的快速发展，水的供需矛盾日益尖锐。水资源是制约城市发展，影响城市生活质量和社会福利水平下降的重要原因之一。各城市都通过兴建和运用各种供水、排水和水处理工程措施以及制定和实施一些管理法规，以期处理城市水资源的供需矛盾，提高城市的生活质量和社会福利水平。四、城市的水文问题1、对水资源短缺认识不足，水资源浪费严重。长期以来人们把水资源看作是取之不尽，用之不竭的再生资源。在处理有关城市水利问题时，往往强调当前和局部利益，很少考虑城市长远的发展和对周围环境的影响。国内外在城市的给排水的指导思想上都存在一定的片面性，例如用水时大手大脚，采取“随用随弃”，而在排水时则采取“尽快排除了事”。第二次世界大战以后，欧美各国城市规模和需水和排水量都成倍增长，上述指导思想已不再适用。2、城市雨洪灾害问题。随着城市发展，不透水面积扩大，雨洪径流量增大，洪峰流量增加，城市雨洪灾害频繁，下水道漫溢，低洼地段道路积水，交通车辆壅堵经常发生。经过多年实践城市水文形成了以系统分析的力量和途径，把城市地区的水文过程作为一个系统，在充分开发利用当地水资源的效益的同时最大限度的减少雨洪造成的洪涝灾害。3、水环境和水质污染。城市的发展直接或间接的改变了水环境，加重受纳水体的水质污染，影响城市居民的生活质量和社会福利。城市是一个区域或河流流域的重要的点污染源。4、冰冻雪害。北方地区春末初冬的季节大量的雨夹雪及冻融的雪水，造成道路结冰，阻塞交通，高压输变电线路结冰，影响输电线路正常工作。大量积雪使郊区大棚垮塌，影响农业生产。近年来，冰冻雪害不仅仅限于北方。特别是2008年1月中旬至2月初我国南方大范围长期的低温雨雪天气，造成十余省份大面积道路结冰，铁路、公路交通严重受阻而中断，航空机场关闭，城市供水管线冻裂，厚重的雨雪使农业生产大棚、农村民房垮塌，树木折断，农业生产受损严重。为了把城市地区的水文过程作为一个系统，进行多目标的系统分析，就必须建立适用的模拟模型，选择符合实际的约束条件和目标函数，还需要对城市水文物理过程进行深入观察，以便掌握其中各项影响因素及其相互关系。实现水资源的综合利用，协调各地区各部门、当前与长远、投资与效益等方面的利害关系，寻求最优解决方案。第二节 城市水文学的发展城市化的水文研究工作，开始只是对个别问题，简单的满足城市规划、设计和管理运用的需要进行一些分析计算。随着研究的进展，逐渐发展形成了水文学的一个分支城市水文学。美国德吕尔（Delleur）列出了城市水文研究的大事年表。（略）该大事年表描述了自1850年1981年百余年期间研究工作的进展。麦克费森（Mcpherson）把这一进程分为三个阶段：1、18501966年为形成城市水文学的分析方法的孕育阶段。该阶段基本上是运用一些常规的水文学方法来解决有关城市水文问题。如推理公式，下渗曲线，单位线等方法。2、19671974年期间为城市水文学的分析方法的研究阶段。这一期间建立了一些具有特色的分析方法，先后提出了一些适用于不同问题的，大型综合性的模拟模型。经过试用，修正，形成了几个通用性很强的模型软件包，如STORM、SWMM和ILLUDAS等。这一时期是城市水文学研究发展最快并逐渐形成独立学科时期。3、1975年以后是城市水文学的分析方法的推广应用阶段。该时期进入了较为定型的成熟阶段。主要的工作是应用、推广和完善，资料更加精心，使得城市水文学物理过程的认识更加深入，因而，有可能验证或修正模型建立时是所采用的一些假定，使模型更加符合客观实际，进一步提高模型的精度。城市水文学体系的主要特征。自上世纪70年代开始，逐渐形成了城市水文学体系主要特征有二，即综合性和动态性。城市水文现象都是关于水的物理化学生物系统的综合作用结果。（1）城市水文学的综合性。 一方面是城市地区空间和时间尺度都很小，其水文要素的响应过程十分敏感：另一方面是城市化使环境的改变十分显著。这两方面的原因要求城市水文学的研究更精细，并且要考虑过程中所涉及的各项影响因素及其相互之间的作用，这就需要建立具有物理基础的，分布式的模拟模型。而流域水文学中常用的，经验性的集总式的模型，在城市化的研究中不大适用。在研究城市水文过程中，必须打破水文工作中一些传统的分界线，如水量和水质，地表水文和地下水文，市区水文和流域水文等的分科界限。城市水文工作往往把这些内容综合在一起，很难划分。城市水文观测和实验的站网布设、测验手段、仪器设备、测验方法等，都必须充分考虑上述各方面的要求，这就是城市水文学的综合特性。（2）城市水文学的动态特性。由于城市人口和物质的高度集中，加以近年来科学技术高度发展，使水环境发生异常迅速的变化。一个自然流域的演变是缓慢的，一般是以地质年代为长度的，可将其水文过程作为“准平稳过程”来研究，在解决各种实际问题时都是针对某一稳定的水平进行研究，并认为整个环境处在相对平衡状态。而城市化的过程是一个不断发展的过程，水和环境都处在“动态”之中，分析研究城市地区的径流量、水质及雨洪径流过程都要考虑这种动态过程。具体来说，必须考虑这资料观测期间内城市环境已有的变化，及其对各种水要素响应过程的影响。因此，需要同时观测和调查与城市化有关的资料，并不断更新，在这方面，航空、卫星、遥感等空军地理信息得到广泛应用。另一方面考虑城市化以后的发展趋势，研究环境演变的规律，作为建立各种预测模型的基础。第三节 我国面临的城市水文问题我国地域辽阔，国土面积仅次于俄罗斯、和加拿大，居世界第三位。据统计，全国多年平均降水总量为61889亿m3（648mm），可提供水资源总量为28124亿m3，扣除蒸发后，其中河川径流总量为27115亿m3（284mm），居世界第六位。仅次于巴西、前苏联、加拿大、美国和印尼。1、我国水资源并不富裕；地区分布极不均衡；年内年际变化大。我国水资源总量并不少，但全国亩均水量约为1800m3，是世界平均数的3/4；人均占有量2630m3，仅为世界人均数的1/4！水资源与人口、耕地分布极不相应。见表1-4、1-5。2、人口集中的城市地区水资源贫乏问题日严重。随着城市速度的加快，城市用水量将大幅度增加，而且，城市废水及排污量增加，水污染加重了供水矛盾。3、全世界用水情况将迅速增加。农业灌溉占73%，工业用水占21%，生活用水占6%。并且各地用水量差别很大，发达国家工业用水占40%以上，而发展中国家仅占10%左右，见表1-6。在发展中国家里，随着工业生产的增长，其用水量不断增加，市民生活用水（包括饮用水、家用水、卫生及下水道用水）随着生活水平的提高也将迅速增加。目前北京市居民生活用水水平很低，平均每天只有145kg，相当于发达国家的1/3。黑龙江省多年平均水资源量810.3亿m3，人均水量2160m3，低于全国平均水平。哈尔滨市人均水量只有1350m3，是全国人均的一半。市区人均占有量更少，仅有91m3！北京市人均水量在世界首都排位在百位以后！4、中国城市用水量成倍增长根据测算，全国工业总产值每增加1亿元就需增加日供水量0.4万吨；城市人口每增加1人，需增加日供水量120kg。下图是台湾省用水量近年增长情况，见图1-5所示。可以看出，工业用水和生活用水呈直线上升的趋势。城市是工业和人口最集中的地区。1980年统计，我国有大中小城市3000多个，城市人口达1.4亿，城市工业企业总产值占全国的70%以上，城市生活用水和工业及郊区农业用水量成倍增长。城市缺水已成为当前影响经济发展和人民生活的突出问题。根据1980年191个城市初步调查，有154个城市缺水，估计每天缺水880万吨。特别是北方一些城市，如北京、天津、青岛大连等城市，水荒已限制了城市发展，其它中小城市也都或多或少的出现供水问题。甚至一些邻近大江河水源充沛的上海、广州、温州等城市也因水污染而相继出现水源危机。为了保证城市的生产生活，不得不采取一些兴建一些蓄水工程，引水工程和开采地下水等措施。5、超采地下水形成地下水漏斗。我国许多城市。特别是大城市，由于大量抽取地下水，形成大面积的地下水漏斗，并引起地面沉降。据初步统计，截至1983 底，我国北方平原地区，已形成浅层地下水漏斗40多个，漏斗面总面积达1.5万km2。漏斗中心地下水位埋深1040m，地下水位平均下降为0.30.4/年。随着浅层地下水枯竭，有些城市转向开采深层地下水。在天津白庙和北站，北京酒仙桥，山东德州等地先后又出现了深层地下水漏斗，影响范围达数万km2，中心水位埋深达3040m，深层地下水位下降率达1.55.0m/年。我国北方地区年降水量较少，地下水补给恢复条件差，而且地下水资源有限，一般不易作为城市长期稳定的供水水源。超量开采地下水的严重后果已日趋明显，形成的地下水降落的海滨地区还会造成海水入侵，出现水质恶化的局面。6、地下水位下降引起地面沉降。超采地下水引起地面沉降危及高层建筑物的安全，影响道路交通急上下水管路。天津北站累计地面沉降达1700mm，上海累计地名沉降达1600mm，虽然各城市主动采取一些补救措施，如回灌地下水，限制开采地下十等。使沉降速度有所消减，但已很难使地面回弹至原有高程。台湾省台北市地面沉降现象非常严重，19551981年累计沉降达2120mm沉降速度为81.5mm/年。最近几年沉降速度明显降低，但并未停止。见图1-6所所示。7、城市排污是造成城区周围及河流污染的重要来源。城市污水排放造成河流及地下水的污染，使水质恶化。根据全国1845个城市统计，1980年排放的废污水达315亿m3，其中90%以上的污水不经任何处理直接排入受纳水体。我国环保部门对近十几年资料统计表明，污水排放以每年7.9%的增长率加大，水污染情况越来越严重。根据有关资料记载，废污水量集中在35个日排水量大于50万吨的大中城市，（见表1-7）。可见大中城市废污水排放量是我国水体的主要污染源（1-8）、（1-9）。有些地区，人口和工业区密集，但污水处理措施跟不上去，是造成这些地区水质污染的重要原因。吉林、辽宁、河北、山东、江苏、浙江、福建、广东、北京、天津、上海等八省三市，土地面积仅占全国的12.7%，人口占39.8%，而工业总产值为全国的65.8%，废水排放量却占全国的52.2%。长江下游的太湖流域土地面积仅占全国土地面积的0.38%，工业总产值占全国的14.3%，日排放污水量占到全国的11.5%。1980年全国共有乡镇企业143万个，其产值占全国工业总产值的20.1%，这些企业规模小，发展快，发表广，但其生产工艺比较落后，基本上没有污水处理设施，废污水中的污染物质繁多，造成了对局部水域的严重污染，影响了农村饮用水源和农业生产。例如，海河流域不仅要受纳北京、石家庄、保定和天津等大中城市排放的废污水（据1980年统计为36.8亿m3），还要受纳全流域耕地所施农药造成的面源污染（如有机磷，有机氯等，估计每年亩平均用药量为0.77kg，总量可达130吨）。但是，自海河引取的水量却在不断的增长，致使每年入海水量逐年下降，排污能力急剧降低。1980年入海水量仅为11亿m3，1983年入海水量更下降为3亿m3。因此，决大部分废污水量是通过蒸发和下渗消耗在本流域内。而污水中所夹带的大量难于降解的无数物质逐年积存起来，使环境日趋恶化。特别是一些有毒物质的积蓄，将形成严重危害。如位于珠江沿岸的广州城区，长时间以来都是依靠市区内纵横交错的河涌会集大量未经处理的工业废水，生活污水和垃圾等，排入珠江广州河段，实际上该江段已成为了排污明渠。根据19811985年统计，广州市区废污水排放量为64821万吨，其中工业废水为37922万吨，生活污水26899万吨。1985年广州环境监测部门对广州河段的水质做了评价，发现市区内十条河涌已全部超过了三级污染标准，达到相当严重程度。在受纳水体的广州河段中，许多断面大部分时间也超过了三级，甚至水源地所在的西航道水也很难保证其水质要求。北京的通榆河，上海的苏州河，苏州的内外城河和南京的秦淮河都已成为了排污明渠，频频出现恶臭现象，严重恶化了周围环境。在上海市区不仅苏州河终年恶臭，而且殃及黄浦江。50年代黄浦江黑臭期一年有20天，而80年代则高达180天。苏州内外河自1978年至1985年的8年期间，有6年出现长短不等的黑臭期，直接损害了东方威尼斯旅游城市的美誉。8、城市防洪问题将更加突出。我国是一个洪灾频繁的国家，从公元前206年到1949年的2155年期间，发生较大洪水灾害达1092次，很多城市多次遭受洪水的洗劫和扫荡。解放以后，我国政府采取了一系列措施，城市防洪能力有所提高，如武汉、济南、哈尔滨、天津相继战胜了长江（1954年、1998年）、黄河（1958年）、松花江（1957年，1998年）、海河（1963年）的大洪水。但从全国来看，城市的洪水灾害和经济损失都是很可观的。目前，世界各国对城市防洪都非常重视，防洪标准也比较高。例如，美国一般采用100500年一遇标准，波兰为500年一遇，日本为100200年一遇，英国伦敦和奥地利维也纳的防洪标准高达1000年一遇（见表1-10）。我国城市现有的防洪标准相对偏低。上海市人口超过1千万，城市防洪标准只有100年一遇；哈尔滨市区堤防放标准只有40年一遇；南京市区堤防放标准只才达到30年一遇。我国城市防洪形势严峻。应充分认识到问题的严重性，一旦遭受洪灾，除经济损失、人员伤亡和疾病流行等直接损失之外，其间接损失很难估算。我国部分城市现有防洪标准见下表1-11。随着城市发展，城市防洪问题将会更加突出。特别是处在江河两岸的城市，往往由于局部侵占河滩地，造成行洪障碍，甚至破坏防洪设施。例如，本溪市太子河由于倾倒煤灰和矿渣，使河床缩窄一半以上，1960年洪水使本溪市工业直接损失达3亿元。南京市北十里长沟，1972年7月暴雨使化纤、化工厂、电瓷厂受淹，水深达1.52.2m，停产一个多月，直接损失数百万元。城市化改变了流域自然面貌，直接影响并改变了雨洪形成过程，增大了洪水总量，加快了汇流速度，使洪峰增高，峰现时间提前，从而加大了洪水威胁。这也是近年来各大城市洪灾频繁发生的原因之一。根据北京实测雨洪资料对比分析：城郊非城市化地区降雨小于10.0mm，基本不产流，大雨的径流系数小于0.2。城市内：由于大部分为把透水地面，损失明显减少，一般洪水的径流系数为0.40.5；并且汇流情况明显改变，单位线峰值提高一倍，峰现时间缩短2小时。通过对北京城市航测图分析可知，城区建筑面积成倍增长，1949年城区为100k，年增加为.，而年则为。根据有关资料统计：北京市铺砌的不透水路面积年相当于解放初期的倍。图为北京市通榆河乐家花园站年月的一次实测雨洪过程对照图，把它和年代前后两次洪水过程对比可见：这三次洪水降雨过程比较接近，但洪峰流量相差达一倍，见表、图。综上所述，我国城市所面临的水文问题十分严峻，特别是水环境污染和防洪能力较低，严重威胁着城市发展和影响城市居民生活和安全。过去由于观测资料不足，未能及时开展城市水文研究，致使许多问题积累成堆。现在必须引起足够重视，加强城市水文观测工作，以及必要的规划设计和控制管理，给城市的发展提供可靠资料。更好地为城市建设服务。第一章小结本章介绍了城市、城市化的基本概念，重点学习城市的水文问题和我国面临的城市水文问题。我国是水资源贫乏的国家，城市的水文问题将更加突出。第一章课堂讨论与练习一、填空题1、城市化的过程可分为农村阶段、 城市、 城市和 城市。2、全世界人口增长率为 、每年净增 ，到2020年世界人口将达到 亿。 3、我国目前城市人口约 占全国总人口 %，美国城市人口比例超过 %。4、城市发展带来的水文问题概括为四个方面即 、 、 、和 。5、城市水文学发展的三个阶段是 阶段、 阶段和 阶段。6、城市水文学的两大特性是 性和 性。7、我国城市工农业总产值占全国的 以上，城市生活用水和工业用水及郊区农业用水将 增长。工业用水增长率将 ，农业用水增长率将 。8、我国长江下游的太湖流域土地面积占全国的 ，工业总产值占全国 ，日排放的污水量占到全国的 。9、我国环保部门资料统计表明城镇污水排放量以每年 增长率加大。城市排污是造成地区周围和河流污染的 。10、我国城市面临的水文问题 ，特别是 污染和 较低，严重威胁 发展和居民生活安全。11、城市水文学的三个发展阶段是 、 、和 。12、城市是人口高度集中的地区， 问题 日趋严重，随着城市的发展，城市的 大量将大幅度增加，城市的 增加，水污染加重了 。二、概念题1、城市；2、城市化；3、人口增长率4、城市水文；5、城市气候；6、受纳水体；7径污比。三、简述题1、简述城市环境的综合性与特殊性？2、简述城市化的进程和发展趋势？能否判别城市 的发展阶段？3、简述城市的水文问题有那几方面？4、试说明城市水文学的两个基本特性？5、简述我国面临的城市水文问题？6、地下水的超采的后果和问题有那些？7、为什么说随着城市的发展，城市的防洪问题会更加突出？第二章 城市气候第一节 概 述随着科技进步，社会发展，越来越多的人口走进城市生活，城市逐渐扩大，农村田园，甚至大片森林将逐渐缩小或消失，下垫面条件发生较大改变。城市的生产活动和特殊的地面机构共同作用于大气，使大气的边界层特性发生变化，从而影响城市地区的气流、温度、降雨和能见度等，形成与临近乡村不同的气候情况。例如，赤道城市终年高温多雨；温带城市四季分明；寒带城市长冬无夏；季风气候区城市夏雨冬干；沙漠气候区的城市全年干旱；地中海气候区的城市冬雨夏旱；海洋性气候区的城市全年湿润，雨水均匀。这些都是大气候作用下形成的各个不同地区的气候类型。城市气候是指在同一区域气候背景下，由于受到特殊下垫面和人类活动的强烈影响，在城市地区形成不同当地区域气候的局部气候。（城市小气候）这种差异虽然还不足以改变区域气候的基本特征，但在各项气候要素（如放辐射、运量、气温风和降水等）的变化上表现得很明显。劳瑞（Lowry）用下表达式来说明城市气候特征的三个组成部分，即气候背景、地形影响和城市化影响。M（i，t，x）=C（i，x）+L（i，X）+E（i，t，x）式中 M表示t时刻x地点i型天气条件下某种气候要素变量取值；C该气候变量的背景值，代表当地区域气候因素的作用；L该气候变量的地形影响分量，代表由于地形地理特征使气候变量偏离背景值的差值，假定也不随时间变化；E该气候变量的城市化影响分量，代表城市使该气候变量偏离背景值的差值，显示对于非城市化自然状态的情况，E=0；为了确定城市化对该气候特征影响的分量E，可分别在城市区和非城市区（乡村）设立观测站，获得城市气候特征M（i，t，x）u和M（i，t，x)r 即，M（i，t，x）u=C（i，x）u+ L（i，X）u +E（i，t，x）u M（i，t，x）r= C（i，x）r + L（i，X）r 由此得M = M（i，t，x）u- M（i，t，x）rC = C（i，x）u- C（i，x）rL= L（i，X）u- L（i，X）r如果城乡对比测站的观测时间t，观测地点x和天气类型i都非常接近，那么，气候背景C及地形分量L可作为城市化程度无关的常数，即L=0，L=0，于是则：E（i，t，x）=M即可直接由城、乡气候特征的差值M求得城市化的气候影响分量E值。但实际上，城乡对比资料的观测时间、地点和天气类型不可能完全一致，因此，差值M中还会有气候条件不同和地形条件不一致所产生的偏差C和L 。通过对比资料分析城市化影响时，必须正确区别和处理好这些偏差。1981年兰茨伯格（Landerg）综合了多数学者关于城市与郊区气候的对比，统计了主要气候要素的差值如下表：表2-1 城市与郊区气候特征值比较表因 素与郊区比较因 素与郊区比较 大气中污染物质凝结核微粒气体混合物多10倍 多10倍多520倍云量云量 雾：冬季夏季多510%多100%多30%辐射水平面上总辐射紫外线辐射：冬季 夏季日照时数少020%少30%少5%温度年平均气温冬季最低气温（平均）夏季最高气温高0.530C高120C高130C相对湿度年平均冬季夏季小6%小2%小8%降水降水总量大于5mm雨日数降雪量：市中心区 市下风方向雷暴少515%多515%多10%少1015%多1015%风速年平均 极大阵风无风日少2030%少1020%多520%城市气候特征的影响因素：1、辐射和气温由于空气中的微粒及CO2、NO2、CO、H2S等有色气体和微粒比郊区多，必然减弱空气的透明度，从而减少城市的日照时数，降低太阳直接辐射强度。同时，城市下垫面热容量小，空气中CO2吸收地面长波辐射。加之人工热源等原因，致使城市气温高于郊区。例如，北京根据气象资料统计，城区日照时数比郊区低7.8% ，主要是因为烟尘较多，使能见度下降，影响日照和直接辐射。而城区气温高于郊区，多年平均相差0.50.60C，春节差额较大，达1.00C，其他季节略小。是人工热源和二氧化碳温室效应所致。2、风和湍流大气的水平运动称为风。不规则的急速气流（多指上升或下降气流）称为湍流。城市热岛效应（详见下节）产生的热岛环流是由风和湍流组成的。这种局地风系在天气形势比较稳定、风速微弱时尤为显著。由于城市中建筑物高低交错，大大增加了地面的粗糙度。大多数情况下城市风速小于郊区，而且风向复杂多变。这是城市中特有的热力、动力性质所造成的。以北京市情况最为典型，市区静风日数多于郊区，城区多年平均静风日为76.6日，郊区为62.0日。平均每年风速大于17.0m/s的大风日城区为11.2日，郊区为38日。由于北京市地形为东西向长，南北向短的椭圆形，时区建筑物使地面起伏而影响风速，一般东西向风市区风速为郊区的60%，而南北向风速为郊区的80%。3、蒸发和湿度蒸发主要包括地面蒸发和植物散发两部分。由于城市中地面大部分为不透水面的路面和建筑物，人工排水管网有利于迅速排泄降水，植物减少很多。城市蒸散发量理应明显小于郊区。但是，由于城市气温高于郊区，使城市湿度降低，而提高了蒸发能力。在这些因素综合作用下，城乡间蒸发量的差别一般不很显著。应指出的是在一定的条件下，城市夜间有时绝对湿度可能较大，会形成“城市湿岛”现象。4、雾与露观测资料表明，城市中或城市周围的雾比郊区多。这是因为城市空气中粉尘、吸湿性核极其丰富的缘故。虽然空气中的水汽并未达到饱和，但在相对湿度为7080%时，城市中往往就会有雾出现。有些城市因汽车尾气排放的废气在阳光作用下，会形成“光化学烟雾”。郊区空气湿度虽比市区大，但凝结核少，雾人反而稀少。露是地面或地面物体上的水汽凝结物。郊区因土壤潮湿，又有丰富植被，因此，郊区凝露量比城市区多。5、云和降水城市区由于热岛中心上升气流，而且湍流较多，加之空气中存在大量凝结核，因此，城市云量多于郊区。根据许多学者观测研究，认为城市降水较郊区为多。但也有少数学者持相反意见，认为城市降水比郊区少。美国近年组织的大城市研究计划（METROMEX）所取得的观测资料数据，优有力的支持了城市降水增多的观点。随着世界城镇数量和规模的急剧扩大，对城市气候的研究日益迫切，促使城市气候学的形成和发展。就城市水文工作者来说，也应十分关心城市化后的某些气候变化。例如，需要了解城市化对空气的污染，对降水（包括降水的水质和水量），以及城市的热和风的情况等。这些气候特征都直接或间接的与城市排水系统、防洪、水污染防治和城市水资源等有关。本章重点叙述城市热岛状况、城市化对城市降水的影响和城市气候与城市规划问题。第二节 城市热状况一、城市热状况的一般特性城市地区空气中的CO2等气体和微粒含量远高于乡村，至使城市地区空气透明度减弱，日照时数减少，太阳辐射强度降低，而且，空气中CO2、烟雾会在夜间阻碍并吸收地面长波辐射，加上城市的特殊下垫面具有较高的热传导性和热容量。这种温度的异常称为“城市热岛效应”。1、热岛效应的定义。 热岛效应是指城市地区，由于人口稠密，工业集中，造成温度高于周围地区的现象，在温度空间分布上，城市好向一个温暖的热岛屿，故称为热岛。表2-2伦敦地区年平均气温统计表地区海拔高度（m）年平均气温最大最小平均周围乡村城市边缘地区郊区（高海拔）郊区（低海拔）中心区87.5144.2137.261.926.513.713.413.414.214.65.56.25.96.47.49.69.89.710.311.0表2-2是昌德勒（Chandler）统计伦敦市地区年平均气温值，该资料表明，市中心地区年平均、年最高、年最低气温均高于郊区、城市边缘和乡村。年最高温度相差较小，年最低温度相差较大。图2-1是蒙特利尔市1968年3月7日实测气温分布图，明显看出城市热岛效应的存在。资料表明，城市热岛效应在空间和时间上有明显变化。一般热岛区域范围与城市轮廓大体一致，边缘地区温度梯度大。2、热岛强度热岛强度是以热岛中心气温与同时间同高度（通常是距地面1.5m高处）近郊气温的差值。以Tu-r表示。Tu-r值越大表示热岛效应越强烈。热岛强度与城市规模、人口数量和建筑物密度等密切相关。图2-2表明欧美的一些城市的城乡温差Tu-r与居民人数的相关关系。3、热岛强度的影响因素（1）局部地区气象条件（如云量、风速等）、季节；（2）地理位置，地形地貌等；（3）人口、城市规模、建筑物密度；（4）与城市中心距离增加而减小。4、热岛效应对城市的影响（1）城市热岛效应有影响并阻止大气污染物的扩散和稀释作用；（2）造成城市风（高楼间的空气水平流动）等局部地区气象异常；（3）城市区从城市中心、工业商业区最高，随着与市中心距离的增加，温度不断下降。城乡间年平均气温之差：纽约为1.11.80C；米兰为1.30C；莫斯科为0.80C；列宁格勒0.60.80C；巴黎和斯德哥尔摩为0.70C；洛杉矶：0.51.50C；北京为0.71.00C；上海：0.51.40C；前苏联实测最强烈的热岛效应是查波罗什市在夏季微风条件下，夜晚温差可达460C。这可能与工业生产散发热量有关。根据测定一般是生产散热为0.01千卡/cm2.。年，而耗能大的重工业区可达124千卡/Cm2。年，相差10100倍，而对于工业集中的大城市可以再增加到10100千卡/cm2。年。在南方的一些中小城市，市区河湖较多，城市热岛效应不大明显，大量热量消耗于蒸发使温度增加缓慢。二、城市热岛的结构随着观测手段的改进和资料的积累，人们对热岛接管的认识越来越深入。事实上，城市热岛内部温度场相当复杂，而且还受日照、风等因素的影响，热岛效应表现出明显的日变化和季变化。日变化表现为：夜晚强，白天弱，最大值出现在明朗无风的夜晚。季变化与城市特点、地理位置和气候条件有关。北京冬季最强，夏季最弱春秋居中；上海、广州以10月最强。奥克（Oke）给出了热岛热力机构典型图（见图2-3），可代表中纬度的城市的热岛结构。一般来说，夜间的城市地面热岛效应明显。图2-3A是城市中心和郊区的夜晚气温变化曲线。城市中心上空气温分布形式为：进地面有一层不厚的不稳定层（约200m），其上为一层位温基本不变的混合层，再上则进入位温随高度增高而提高的稳定层。在郊区夜晚辐射散射热的作用下，形成进地带明显的逆温层，逐渐过渡到位温随高度增高而缓慢提高的稳定层。当有风时，城区上空形成的不稳定层将吹向下风方向形成“热羽”，飘在下风方向的郊区上空，见图2-3A（A）。使下风方向郊区上空气温分布变成如图中所示的形式，上风向郊区则仍保持无风情况下的形式。将城区中心点和上风向郊区点位温分布图绘在同一张图上，可得出不同高度的热岛强度变化曲线（图2-3（b）、（c），向上就逐渐减弱，甚至在部分高度上出现负值（如图示22030m处），被称为“交叉现象”。在午后14时左右，热岛效应较弱，市区中心与郊区上空气温分布基本相同，进地面存在一薄层不稳定层，其上是位温基本不变的混合层，只是这城区混合层厚度一般大于郊区。再向上则为稳定层，位温逐渐增高，如图2-3（b）、（c）所示。上述模式只是在无云微风的天气下对中纬度的大城市热岛强度垂直结构的概括，未必能代表所有城市和不同天气条件下的热岛结构。实际上，各城市的热岛结构是多种多样的，城市热岛效应所及的高度还与城市规模大小应该，而且与风速的关系也很密切。三、城市热岛的形成条件城市热岛是由城市本身所造成的。同时，热岛的形成还必须具备一定的外界条件，这就是天气形势必须稳定，气压梯度小，风速微弱或无风，天气晴朗无云或少云和空气层结比较稳定。奥克认为，要更好地认识和理解热岛效应，必须把城市上空的大气层分成城市覆盖层和城市边界层两部分来分析。表2-3列出了促使两层热岛形成的能量平衡要素和导致这些要素变化的城市特征。表2-3 城市热岛的形成因素导致增温的热量平衡要素引起城市热量平衡变化的运用A：城市覆盖层1、增加短波辐射的吸收2、增加来自天空的长波辐射3、减少长波辐射损失4、人为热源5、增加储热量6、蒸散发减少7、湍流总热量输送减少建筑物形成峡谷几何形态表面面积和多次反射增加城市大气污染吸收和释放增加建筑物形成峡谷几何形态天穹可见度减小建筑物和交通运输热量释放建筑材料热容量增大不透水面积扩大防水性能变好建筑形状起伏加大糙率风速减小B：城市边界层1、短波辐射吸收增加2、人为热源3、由覆盖层输入储热量增加4、边境层外输入储热量增加空气污染气溶胶吸热量增多烟囱热量放散城市覆盖层热岛覆盖层进入边界错误能够热通量增加热岛和糙率湍流热量增加在城市覆盖层中，热岛形成的主要因素有以下几方面：1、城市中由于下垫面性质特殊，如有高大的建筑群、砖石、水泥、柏油铺设的路面，因其反射率小，能吸收较多的太阳辐射。特别是深色的屋顶、墙壁与地面之间多次的反射和吸收，在其他条件相同的情况下，能够比郊区获得更多的太阳