城市水文學（urban hydrology）研究發生在大中型城市環境內部和外部，受到城市化影響的水文過程，為城市建設和改善城市居民生活環境質量提供水文依據的學科，又稱都市水文學，是水文學的一個分支。

城市水文學有兩個主要特點：①綜合性。城市水文學涉及水文科學、水利工程科學、環境科學和城市科學，是一門綜合性很強的交叉學科。②動態性。由于城市地區的人類活動十分頻繁，隨時而變，因此城市水文學不能只研究較長時間內的準平衡狀態，還須著重考慮隨時間變化的動態過程。

1851年T.J.摩爾凡尼提出的計算洪峰流量的合理化公式可看作是城市水文學的開始。1851~1967年為城市水文學的早期發展階段，主要沿用一般的水文學方法來處理城市水文學問題。1967年以后城市水文學發展較快，逐步建立了一些具有城市水文特點的分析方法，先后提出了多種能統一考慮防洪、排水、供水和水質控制的城市水文學模型。

城市水文學研究的基本問題是：城市水文氣象、城市暴雨徑流及防洪、排水，城市水資源及供需平衡，以及城市水質評價及水污染控制。著重探討的具體課題有：①城市防洪、排水規劃中的設計標準問題（含設計洪水流量或設計暴雨）。在城市防洪和排水工程的規劃設計中，首先需要解決安全性和經濟性的關系。以往都用超過某一量級的洪水流量發生的頻率或重現期作為設計標準。近年來的研究認為,設計標準不僅要考慮重現期,而且要考慮風險率和可靠度。風險率是某一重現期的水文要素在工程運行期間可能出現的概率。可靠度可用安全因素來反映，安全因素為設計值與實際觀測值之比值。由于局部短歷時大強度的暴雨是形成洪水的主要原因，因此，城市區域設計暴雨一般只須研究超過短歷時（5~60min）點暴雨規律。但對于較大的城市集水區，或研究城市非點污染源的遷移擴散，則還應當確定計算暴雨的時空分布。②城市流域暴雨徑流模擬。城市中的道路、屋面和飛機場跑道都是不透水的，因此處理這些地區的降雨損失比較簡單。城市排水系統一般由管網和排水河網組成。城市面積上產生的暴雨洪水通常先排入管網，然后排入河網，排水系統較為優良。用于城市流域暴雨洪水計算的模型可分為三類。第一類只給出洪峰流量，如合理化公式。第二類既給出洪峰流量又給出洪水過程線，如芝加哥方法。第三類是多用途模型，如美國環保局暴雨徑流管理模型（SWMM）。③城市供水及優化調度。城市中工業和居民用水量很大，用水規律有自身特點，對水質也有一定要求。城市供水水源來自地表水和地下水。有些城市依靠單一水源供水，也有不少城市依靠兩種水源聯合供水。無論利用何種水源供水，都存在水資源量的估算、質的評價和供需平衡分析等問題，還要考慮如何重復使用水資源和探求最優的供水方式。④城市污水排放及處理。城市中工業排放的廢水和居民生活垃圾都是水污染源。城市中的污染源分為點污染源和非點污染源兩類。點污染源是在離散點上的廢水的集中排放，污水處理廠的出流就是點污染源的實例。非點污染源是由人類活動產生的污染物堆積于街道上再由暴雨徑流沿程運送到河流、湖泊而形成。非點污染源是城市污水處理中要著重研究的問題。