當雨滴落在無人居住的地區時，可能會發生很多事情。 降水落在崎嶇的山坡上，順山流向溪流。 落在土壤上的水滴通常會被吸收； 其中一些水隨後蒸發，而其餘大部分則滲入地球以補充含水層並滋養泉水。 濺入河中的雨滴立即匯入海中。 然而，考慮一下落在人口稠密地區的雨滴。 開發帶來了住宅、購物中心、街道、人行道、車道、停車場、網球場——所有這些通常比眾所周知的鴨子背更有效地排水。 在剩下的綠地上，即使是少量的交通——拖拉機、高爾夫球車、割草機、僅僅是人的腳步——也會壓縮土壤並降低其吸收降水的速度。
因此，隨著環境中有人居住，滲入地下的降水減少，徑流增加。 結果，洪水發生的頻率更高，發展的速度也更快。 這些水文變化，以及水流經城市景觀時吸收的污染物，可能會對水生生態系統造成嚴重破壞，並破壞水道沿岸的棲息地。
人口稠密地區的水相對匱乏導致了城市熱島現象，其中人口稠密的地區比周圍的農村地區更溫暖（SN：2004 年 7 月 10 日，第 21 頁：訂閱者可在城市炎熱：城市地區的溫暖影響植物生長）。 然而，科學家認為，創新的景觀和建築可以減輕這種蔓延的一些有害影響。
密度的孩子
美國人口每年增長約 300 萬人。 支持這一增長的建築成本每年超過 4800 億美元，其中很大一部分用於建造約 100 萬套新單戶住宅和超過 10,000 英里的新道路。 然而，這些不透水的表面並不是均勻分佈的。 在郊區，房屋建在三分之一英畝的土地上，大約 35% 的土地不透水。 在紐約和舊金山等人口密集的城市，不透水錶面可能覆蓋 90% 以上的地面。
對美國本土 48 個州的一項新分析捕捉了全國不透水錶面分佈的詳細資訊。 科羅拉多州博爾德市國家海洋暨大氣總署的克里斯多福‧艾爾維奇(Christopher D. Elvidge) 表示，這些資訊對包括水文學家、生態學家和水資源管理者在內的眾多科學家都有用。
然後，研究人員對 13 個城市地區及其周邊地區拍攝的 80 張高解析度航空照片進行了詳細分析，為地圖上的方塊分配了具體的值。 結果表明，在全國範圍內，近 113,000 公里2——比俄亥俄州稍小的區域——覆蓋著不透水的表面。 Elvidge 和他的同事在 6 月 15 日的期刊中描述了他們的發現艾歐斯。
位於維吉尼亞州雷斯頓的美國地質調查局物理科學家珍妮特·S·蒂利(Janet S. Tilley) 表示，一個地區不透水地表面積的最大貢獻者因當地發展程度而異。 ，高速公路在不透水地表中所佔比例最大。 儘管許多研究人員認為，在較發達地區，路面也是不透水區域的最大來源，但另外兩個因素也對此做出了重大貢獻。
Tilley 和維吉尼亞州雷斯頓環境保護局的環境科學家 E. Terrence Slonecker 對分佈在美國本土 48 個州的 6 個城市和郊區流域的衛星和空拍照片進行了分析，發現道路約佔 28%。區域。 建築物佔不透水錶面的約 29%，停車場佔近 25%。
蒂利指出，令人驚訝的是，研究表明，車道、人行道、庭院和水池（先前的研究中通常不考慮的特徵）總共約佔這些區域不透水錶面的 14%。 她和 Slonecker 在 4 月 1 日發表了他們的發現地理資訊科學與遙感。
溢出效應
隨著不透水面積的增加，環境後果變得更加嚴重。 先前的研究表明，當流域中不透水錶面的百分比為 10% 或更低時，溪流通常會保持良好的水質和穩定的河道。 當比例在 10% 到 25% 之間時，風暴滋養的水流會造成明顯的侵蝕。 大洪水往往會擴大溪流的河道，溢出河岸，並沖走水邊的植被。
流域中超過 25% 的表面積不透水的溪流通常會表現出嚴重的物理和生態破壞。
由於不透水錶面通常比自然表面吸收更多的太陽輻射，因此都市化地區流入溪流的水溫可能比未開發地區高出 6°C。 溫度升高的壓力，以及從受污染的路面和土壤中掃出的污染物的侵害，可能會殺死一些水生生物或將它們驅趕到下游。 這些有毒化學物質包括農藥、化學肥料中的硝酸鹽和磷酸鹽，以及道路上除冰用的鹽。
停車場不僅占城市地區不透水錶面的很大一部分，而且還為城市徑流提供許多污染物。 從停放的車輛洩漏的機油和其他液體會流入城市河流。 新的研究表明，路面使用的瀝青基和煤焦油基密封劑中會滲出大量被稱為多環芳烴 (PAH) 的可疑致癌物質。
位於奧斯汀的美國地質調查局的彼得·C·範·米特(Peter C. Van Meter) 表示，當對2001 年和2002 年從德克薩斯州奧斯汀停車場附近的小溪收集的沉積物進行化學分析時，密封膠首次受到嚴格審查，結果發現多環芳烴濃度異常高。 2003 年，他和同事在當地停車場的 5 x 10 公尺密封和未密封路面區域上噴灑蒸餾水，測試了密封劑的效果。 科學家在每個人行道上噴灑了 100 公升水，並分析了人造徑流沖走的污垢中的化學物質。
Van Metre 表示，先前其他科學家的研究發現，當沉積物中的 PAH 濃度達到約 23 毫克/公斤時，會對水生生物產生不利的生態影響。 他的團隊發現，即使是從未密封的停車場沖走的材料也顯示出更高濃度的污染物。
平均而言，每公斤未密封混凝土和瀝青的顆粒含有 54 毫克多環芳烴。 範·米特說，這些物質可能來自車輛排放、發電廠的煙霧和煙灰，或輪胎留下的物質。
從瀝青密封停車場的徑流中過濾出來的顆粒每公斤含有 620 毫克多環芳烴，而那些經過煤焦油基密封劑處理過的停車場的顆粒每公斤沉積物含有 3.5 克多環芳烴。
生態破壞
最近對蜉蝣、石蠅和石蛾（溪流食物鏈中的關鍵環節）水生幼蟲的普查表明，隨著流域城市土地比例的增加，典型溪流中這三個類群的物種數量有所下降。 美國地質勘探局的科學家今年稍早報告了這些在波士頓、芝加哥、費城和辛辛那提等大都會區及其周邊地區進行的研究。
開始對溪流造成生態破壞的不滲透表面的數量在不同地區有所不同。 位於查爾斯頓的南卡羅來納州海岸保護聯盟執行董事達納·比奇 (Dana Beach) 表示，在南卡羅來納州的一些河口生態系統中，漲潮和退潮之間水位波動高達 2 m。 這種持續的沖洗作用在某種程度上掩蓋了不透水錶面的有害影響。 比奇發現，直到不透水錶面佔流域面積的 15% 時，那裡的水生生態系統才會開始退化。
相較之下，研究顯示阿拉斯加部分地區對路面損壞異常敏感。 美國地質勘探局安克雷奇水文學家史蒂文·A·弗倫澤爾(Steven A. Frenzel) 表示，當流域內不透水錶面的比例達到5% 時，一些水生無脊椎動物的數量開始減少。
在流入和流經安克雷奇的四條溪流中，弗倫澤爾和他的同事發現，城市上游未開發的軍事保護區邊界內的地點（因此不受任何不透水錶面的影響）是多種昆蟲幼蟲和其他無脊椎動物的家。 如果生態系統遭到破壞，這些水道中發現的許多物種就無法很好地生存。 Frenzel 和他的同事在2003 年7 月的《自然》雜誌上報告說，在被不透水錶面區域包圍的下游地點，無脊椎動物的生物多樣性減少，已知能夠承受一定程度生態系統破壞的物種（例如沉積物蠕蟲）占主導地位。水生生物學。
沒有汗水
賓州格倫維爾的生態學家黛博拉‧斯勞森(Deborah Slawson) 表示，當河流因城市徑流而流速增加時，其河道往往會更深地切入地形。不會溢出到河邊的植被中，因為這些植被會影響河邊的植被。 許多這樣的溪流缺乏魚類可以產卵的淺灘。
斯勞森補充說，將城市徑流通過雨水渠而不是排入溪流會產生一系列不同的問題。 如果滲入流域可滲透區域並補給含水層的水量大大減少，那麼在旱季滋養溪流的地下水供應也會減少。 在這種情況下，小溪流在接收溫暖徑流時更容易受到溫度波動的影響，並且稀釋沖入水道的污染物的能力較差。
城市地區徑流量的增加會影響當地的氣候。 俄勒岡州波特蘭州立大學的戴維·J·塞勒 (David J. Sailor) 解釋說，如果降水不能滲透到城市景觀中，就無法吸收熱量、蒸發，從而為城市降溫。 從某種意義上說，城市失去了保持土壤水分的能力，也失去了流汗的能力。 造成這種熱島效應的其他因素包括工業活動排放的熱量、城市汽車中的汽油燃燒以及電力和天然氣等公用事業的使用。
塞勒說，波特蘭只造成了中等程度的城市熱島。 2公里範圍內氣溫2靠近城市核心的工業區平均比城外地區高0.5℃至1.0℃。
該工業區目前約有 29% 是屋頂，而到 2050 年，空地上的建設可能會將數字提高到 57%。
為了避免氣溫大幅升高，一些環保人士提出了一個符合城市發展的解決方案：建築物頂部可以覆蓋土壤和植被，作為降水的蓄水池，否則降水會流出城市。
如果波特蘭工業區的所有建築物都將其不透水屋頂改造成所謂的生態屋頂，其中植被覆蓋至少 75% 的屋頂，那麼該地區的白天溫度可能會比其他情況低 0.5°C 。 Sailor 指出，較低的氣溫可能會降低夏季對空調的需求，並減少熱浪對健康的不利影響。
生態屋頂只是避免不透水錶面影響的眾多前瞻性技術之一。 例如，一些開發商正在挖掘大而淺的池塘，徑流可以在其中收集並滲入含水層，而不是衝入溪流並加劇侵蝕。
這些方法可以允許進一步的城市和郊區發展，而不會加劇與不透水錶面相關的問題。
