随着城市的发展，城市人口密度增加，人工建筑物和构筑物密度增加，城市范围不断拉大。土地利用情况不断被改变，土地被平整，植物被清除，改建成道路、住宅、工厂、学校、商场等设施。地面被大范围硬化，以方便出行。城市排水系统被修建，以便迅速排除积水，防止涝灾。天然地貌被人工地貌替代后，水文下垫面条件显著改变，入渗、汇流、蒸发甚至降雨的水文过程发生较大变化。城市的水循环有别于天然状态下的循环，而是自然-社会复合水循环（图1.8-1）。在城市水循环的背景下，城市河道的径流量与径流过程也随之受到影响（图1.8-2）。
图1.8-1 城市水循环[14]
图1.8-2 城市化对水文过程的影响
随着城市人口数量的增加和人们生活水平的提高，城市生活用水、工业用水和环境用水的数量随之大大增加，河道外用水量在增长，河道内用水量在下降。一年之内非汛期的降水相对较少，生活用水量和工业用水量一年四季却比较均衡，并不会因为非汛期降水量少而减少。这些因素都会导致河道非汛期径流变小，甚至干涸（图1.8-3）。
图1.8-3 干涸脏乱的城市河道
混凝土和砖石一般比天然土壤的渗透性差，因此城市地面大比例硬化后，降雨的入渗量显著减少，径流系数会提高（表1.8-1、表1.8-2）。综合径流系数提高后，区域产生的地表径流量就比天然情况大。由于下渗减少，地下径流减少，加上地下水超采，往往导致大面积的地下漏斗。刘琳琳等[15]分析了城市化对城市雨水资源化的影响，给出了北京市中心城区与郊外平原区水量特征值的比较（表1.8-3），也印证了城市化对河道径流的影响。
表1.8-1 城市各种地面的径流系数[16]
表1.8-2 城市不同区域综合径流系数[16]
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表1.8-3 北京市城市中心区与郊外平原区水量特征值比较
城市排水管网修建完善后，雨水汇集流动的界面相比天然情况更加规整、光滑，会影响汇流的速度和时间。天然地面和沟渠的粗糙系数常在0.30以上，人工管渠则小很多（表1.8-4）。为了工程安全和管理方便，管渠的设计流速被限定在一定的范围。管道的最大设计流速根据材料的耐冲刷性能取不同的数值，一般金属管道为10.0m/s，非金属管道为5.0m/s，非金属管道在经过试验验证后可以提高。明渠的最大设计流速随不同的界面条件和水流深度而变化，不同类别明渠的最大设计流速见表1.8-5。为减少污物、杂质、泥沙等的淤积和运行期的清淤工作量，管渠设计应满足最小不淤流速要求，污水管道的最小设计流速在设计充满度下为0.6m/s，雨水管道和合流管道在满流时为0.75m/s，明渠为0.4m/s。因此，人工管渠的流速一般比天然汇集雨水大，雨水汇集的时间会变短，导致河道径流洪峰时间提前，径流过程变得尖瘦，如图1.8-4所示。
表1.8-4 排水管渠粗糙系数[16]
表1.8-5 明渠的最大设计流速 单位：m/s
城市对降雨位置也有影响。城市规模扩大后，会改变城市的局部气候条件。地面上混凝土建构筑物增多后，相比郊区天然土壤、植被下垫面，热容量小，吸热快，蒸发量减少，加上工厂生产、汽车排放、居民生活产生的热量远大于郊区，这使得同一时间城区气温普遍高于周围的郊区气温，如同汪洋大海中的突出的岛屿，人们称这种现象为城市热岛效应（图1.8-5）。热岛强度有明显的日变化和季节变化。日变化表现为夜晚强、白天弱，最大值出现在晴朗无风的夜晚，上海观测到的最大热岛强度达6℃以上。季节分布还与城市特点和气候条件有关，北京是冬季最强，夏季最弱，春秋居中，上海和广州以10月最强。年均气温的城乡差值约1℃左右，如北京为0.7～1.0℃，上海为0.5～1.4℃。热岛效应会影响降雨，促进形成“雨岛效应”。城市热岛促进局地气流会上升，加上城区空气中凝结核多的条件，有利于对流性降水的发生。美国曾在密苏里州的圣路易斯城及其附近郊区设置了稠密的雨量观测网，持续观测5年，证实了城市及其下风方向确有“雨岛效应”。统计分析上海地区170多个雨量观测站点的资料，发现上海呈现出清晰的城市雨岛，城市对降水的影响在汛期（5—9月）比较明显，城区降水量明显高于郊区，在非汛期（10月至次年4月）则无此现象。“雨岛效应”影响了降雨的分布，如果地面排水不畅，会加剧城市内涝；同时改变了河流不同汇流位置对应的雨量，影响了径流组成。反过来，河道作为城市的绿廊，有利于减轻热岛效应，进而削弱雨岛效应，这也证明了做好城市河流绿廊规划设计工作的重要性。
图1.8-4 城市下垫面变化对径流过程的影响
图1.8-5 城市热岛效应示意图
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