城市下墊面對(duì)地表水文循環(huán)過(guò)程的影響分析
——以通化市轄區(qū)為例

陶國(guó)芳，蔣兆恒

改革開放以來(lái)，我國(guó)城市化進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展階段，至20世紀(jì)90年代，東北地區(qū)城市化進(jìn)入快速發(fā)展階段［1］.城市化伴隨著城市人口聚集、工業(yè)化、土地的集約利用，也帶來(lái)一系列城市問(wèn)題，其中一方面表現(xiàn)為城市下墊面變化引起的地表水文過(guò)程的改變.由于城市化進(jìn)程中硬性不透水面所占比例逐年提高，改變了自然生態(tài)系統(tǒng)的水文循環(huán)過(guò)程，加之城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不夠完善，匯水面積大，在雨季匯水速率快，排水不暢，極易形成城市內(nèi)澇［2］.

為有效防治城市內(nèi)澇、保障城市生態(tài)安全，2015年10月11日，《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》正式發(fā)布，旨在加快推進(jìn)海綿城市建設(shè)，修復(fù)城市水生態(tài)，增強(qiáng)城市防洪防澇能力.吉林省依據(jù)國(guó)家的指導(dǎo)意見積極推進(jìn)海綿城市建設(shè)試點(diǎn)工作，通化市作為吉林省首批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)之一，于2016年1月15日制定《通化市開展海綿城市建設(shè)實(shí)施方案》.利用遙感手段，結(jié)合傳統(tǒng)氣象要素分析方法，研究通化市轄區(qū)城市下墊面變化對(duì)地表水文過(guò)程的影響，對(duì)推動(dòng)通化市海綿城市建設(shè)、有效防治城市內(nèi)澇具有一定的理論研究意義和實(shí)際參考價(jià)值.

1 研究區(qū)概況

通化市位于吉林省東南部，轄2個(gè)區(qū)（東昌區(qū)、二道江區(qū)）、3個(gè)縣（柳河縣、輝南縣、通化縣），代管2個(gè)縣級(jí)市（集安市、梅河口市）、3個(gè)開發(fā)區(qū)（通化經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、集安經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、梅河口經(jīng)濟(jì)貿(mào)易開發(fā)區(qū)）.市轄區(qū)（東昌區(qū)、二道江區(qū)）于1986年10月4日正式成立，本文以市轄區(qū)為研究范圍.市轄區(qū)地處北緯41°32′～41°52 ′，東經(jīng)125°50 ′～126°20 ′之間，東與白山市接壤，南與集安市相連，西、西北、東南與通化縣毗鄰，地理位置見圖1.市轄區(qū)地處長(zhǎng)白山脈西南部，老嶺支脈與龍崗支脈之間渾江拗陷盆地中，周圍山嶺連綿、山峰起伏，為侵蝕構(gòu)造低山區(qū).氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季干冷漫長(zhǎng)，夏季溫濕短暫.降水主要集中在夏季，6—9月份降水量占全年總降水量的60%以上［3］.

圖1 通化市轄區(qū)地理位置

2 通化市轄區(qū)不同類型下墊面的調(diào)查與分析

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

對(duì)通化市轄區(qū)土地利用類型和下墊面類型研究的數(shù)據(jù)，主要包括高分一號(hào)和Landsat8兩顆衛(wèi)星的遙感影像、30米分辨率中國(guó)DEM數(shù)據(jù)、1∶10000全國(guó)矢量化地圖和2010年全國(guó)第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果.經(jīng)過(guò)傳感器參數(shù)和遙感影像時(shí)空有效性的對(duì)比分析，選取了通化市轄區(qū)2景不同傳感器的高質(zhì)量遙感影像，分別是GF1-WFV1影像（空間分辨率16米，時(shí)間為2017年5月18日）和Landsat8-OLI影像（空間分辨率30米，時(shí)間為2017年5月29日）.根據(jù)2010年全國(guó)第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果，獲取了通化市轄區(qū)（東昌區(qū)、二道江區(qū)）土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù).

2.2 市轄區(qū)下墊面土地利用類型的重新劃分

依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類GB/T21010—2007》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)土地利用現(xiàn)狀分類采用一級(jí)、二級(jí)兩個(gè)層次的分類體系，共分12個(gè)一級(jí)類、57個(gè)二級(jí)類.其中一級(jí)類包括：耕地、園地、林地、草地、商服用地、工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地、住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、特殊用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地［4］.通過(guò)查閱相關(guān)資料，結(jié)合遙感影像特征提取結(jié)果，依據(jù)土地利用現(xiàn)狀，將通化市轄區(qū)土地利用類型重新歸納為農(nóng)田（包括耕地、園地）、林地（包括林地、林間草地）、建筑用地（包括住宅用地、工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地、商服用地）、公共用地（包括公園與綠地、公共設(shè)施用地、其他用地）、道路（包括公路用地、鐵路用地、街巷用地）、水體（包括水域及水利設(shè)施用地）共6個(gè)一級(jí)下墊面土地利用類型，見表1.

表1 通化市轄區(qū)土地利用類型劃分與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)情況

根據(jù)下墊面透水情況，不同土地利用類型又分屬于透水面、不透水面、弱透水面、水面四種類型.其中透水面包括農(nóng)田、林地，不透水面包括建筑用地和道路，弱透水面主要指公共用地，包括公園、城市綠地和有孔鋪裝材料的地面，水面主要指水體.

2.3 數(shù)據(jù)處理過(guò)程與結(jié)果

數(shù)據(jù)處理利用ENVI軟件對(duì)研究區(qū)2景遙感影像經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)、幾何校正后，結(jié)合30米分辨率中國(guó)DEM數(shù)據(jù)對(duì)影像進(jìn)行正射校正.采用1∶10000全國(guó)矢量化地圖提取的通化市轄區(qū)邊界矢量文件對(duì)正射校正結(jié)果進(jìn)行掩膜處理，利用非監(jiān)督分類方法對(duì)土地利用類型進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類.通過(guò)對(duì)比檢驗(yàn)，兩種非監(jiān)督分類方法ISODATA和K-Means中前者（ISODATA）分類結(jié)果可信度更高［5］，因此，選用ISODATA分類方法對(duì)遙感影像進(jìn)行非監(jiān)督分類.將非監(jiān)督分類結(jié)果經(jīng)過(guò)人工驗(yàn)證歸納為上述6個(gè)一級(jí)下墊面土地利用類型，分類結(jié)果及各類型分布情況見圖2.將下墊面土地利用類型分類情況及面積數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel中，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法統(tǒng)計(jì)各類型面積，結(jié)果見表2.經(jīng)驗(yàn)證，利用遙感分類方法統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)與全國(guó)第二次土地調(diào)查結(jié)果基本相符，也進(jìn)一步證明遙感信息提取的精度較高，數(shù)據(jù)可信.

通化市轄區(qū)下墊面不同透水類型分布情況見圖3，四種不同透水類型下墊面的面積及所占比例計(jì)算結(jié)果見表3.由數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以看出，通化市轄區(qū)總面積的88.63%為林地、草地等透水面，9.14%為城市建筑、道路等不透水面，0.86%為公園、綠地、有孔鋪裝材料的地面等弱透水面，1.37%為水面.對(duì)城市地表水文過(guò)程產(chǎn)生影響最大的是不透水面，其次為弱透水面，透水面和水面影響較小.

圖2 通化市轄區(qū)下墊面土地利用類型分布情況

圖3 通化市轄區(qū)下墊面不同透水類型分布情況

3 城市地表水文循環(huán)過(guò)程模型構(gòu)建

3.1 城市地表水文循環(huán)過(guò)程一般模型構(gòu)建

自然狀態(tài)下地表水文循環(huán)過(guò)程是由降水、蒸發(fā)（蒸騰）、下滲、徑流、貯留（河流、湖泊等）構(gòu)成的循環(huán)系統(tǒng).城市地表水文循環(huán)過(guò)程比較復(fù)雜，是自然系統(tǒng)與人工系統(tǒng)的結(jié)合.人工水文循環(huán)系統(tǒng)通常由城市給水、用水、排水和處理系統(tǒng)構(gòu)成［6］.人工系統(tǒng)中排除用于生產(chǎn)生活的城市給水、用水和污水排水，考慮參與地表水文循環(huán)過(guò)程的只有綠化用水、道路清掃用水等幾乎可以忽略不計(jì)，因此構(gòu)建的城市地表水文循環(huán)過(guò)程由降水、下滲、蒸發(fā)、地表徑流、雨水排水、貯留水體構(gòu)成.城市地表水文循環(huán)過(guò)程的一般模型見圖4.

表2 通化市轄區(qū)下墊面土地利用類型及所占面積

表3 通化市轄區(qū)下墊面不同透水類型的面積及所占比例

圖4 城市地表水文循環(huán)過(guò)程一般模型

3.2 通化市轄區(qū)城市地表水文循環(huán)過(guò)程分析

通化市轄區(qū)位于渾江谷地，下墊面透水性質(zhì)存在很大的差異，其地表水文過(guò)程是自然地表水文過(guò)程與城市地表水文過(guò)程的綜合.四種不同透水性質(zhì)的下墊面中，水面和透水面（林地、草地、農(nóng)田）表現(xiàn)為在自然狀態(tài)下的地表水文過(guò)程，由降水、蒸發(fā)、下滲和徑流、貯留構(gòu)成；不透水面和弱透水面為主的城市建設(shè)區(qū)則表現(xiàn)為典型的城市地表水文循環(huán)過(guò)程.不透水面和弱透水面影響城市的降水、蒸發(fā)、下滲和水質(zhì)水量.主城區(qū)的地表水文循環(huán)過(guò)程由地表蒸發(fā)、弱透水面的微量下滲、地表徑流、城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的徑流和貯留水體構(gòu)成.

4 通化市轄區(qū)城市下墊面對(duì)地表水文循環(huán)過(guò)程的影響分析

4.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

本文利用通化市1986—2016年共31年的氣象要素?cái)?shù)據(jù)（降水、蒸發(fā)、空氣濕度等），分析通化市轄區(qū)地表水文循環(huán)過(guò)程的變化特征.所有數(shù)據(jù)均來(lái)源于中國(guó)國(guó)家氣象局標(biāo)準(zhǔn)氣象站的觀測(cè)資料.采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的研究方法，利用Excel對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析.

4.2 通化市轄區(qū)1986—2016年降水、蒸發(fā)、空氣濕度變化特征分析

（1）降水變化特征分析.根據(jù)通化市1986—2016年歷年降水?dāng)?shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得出通化市多年平均降水量為888mm.由圖5可知，31年間通化市年降水量大體以10年為小周期呈現(xiàn)波動(dòng)變化，前兩個(gè)周期（1986—1995年、1996—2005年）呈上升趨勢(shì)，年際差異較?。唤辏?007—2016年）年降水量呈下降趨勢(shì)，年際變化相對(duì)較大.極端最大、最小年降水?dāng)?shù)值也出現(xiàn)在近十年，其中最大年降水量出現(xiàn)在2010年，為1390mm；最小年降水量出現(xiàn)在2014年，為600mm，二者相差790mm.

圖5 通化市1986—2016年年降水距平圖

通化市雨季集中在每年的6—8月，對(duì)6—8月累計(jì)降雨量、6—8月短時(shí)降雨超過(guò)50mm的強(qiáng)降雨頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：近十年（2007—2016年）6—8月份累計(jì)降雨量年際變化相對(duì)較大，超過(guò)50mm的短時(shí)強(qiáng)降雨頻次整體趨勢(shì)穩(wěn)定，但以5年為一個(gè)小周期的短時(shí)強(qiáng)降雨頻次占總降雨頻次的比例呈明顯的上升趨勢(shì)，見圖6.

圖6 5年小周期超過(guò)50mm短時(shí)強(qiáng)降雨頻次所占比例

（2）蒸發(fā)變化特征分析.根據(jù)通化市1986—2016年歷年蒸發(fā)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得出通化市多年平均蒸發(fā)量為866mm.根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算歷年蒸發(fā)量時(shí)每年的1—4月、10—12月統(tǒng)計(jì)小型蒸發(fā)量，5—9月統(tǒng)計(jì)大型蒸發(fā)量，總蒸發(fā)量為小型蒸發(fā)量與大型蒸發(fā)量之和.結(jié)果顯示：以5年為一個(gè)小周期，五年平均蒸發(fā)量呈逐漸下降的趨勢(shì)，見圖7.

圖7 5年小周期年平均蒸發(fā)量

（3）空氣濕度變化特征分析.空氣濕度是衡量城市地表水文循環(huán)過(guò)程的一個(gè)間接參數(shù).對(duì)通化市1986—2016年歷年日平均相對(duì)濕度作5年為一個(gè)小周期的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，5年周期的日平均相對(duì)濕度呈明顯的遞減趨勢(shì)，見圖8.

圖8 5年小周期日平均相對(duì)濕度

4.3 下墊面對(duì)通化市轄區(qū)地表水文循環(huán)過(guò)程的影響

（1）對(duì)降水過(guò)程的影響.由于城市不透水類型下墊面的增加和透水類型下墊面的減少，造成近十年降水量年際變化加劇，極端降水出現(xiàn)頻率增加.極端最大、最小年降水?dāng)?shù)值分別出現(xiàn)在2010年和2014年，二者相差790mm.超過(guò)50mm的短時(shí)強(qiáng)降雨頻次逐年增加.短時(shí)強(qiáng)降雨頻次增加易造成低洼處積水，形成城市內(nèi)澇.

（2）對(duì)蒸發(fā)過(guò)程和空氣濕度的影響.自然地表水文循環(huán)過(guò)程中，蒸發(fā)主要發(fā)生在水面、自然裸露的土壤表面和綠色植物的蒸騰.通化市轄區(qū)由于水面、透水面（林地、農(nóng)田）面積減少，不透水面和弱透水面面積增加，1986—2016年按5年小周期計(jì)算的平均蒸發(fā)量呈逐漸下降的趨勢(shì)，可見自然的蒸發(fā)、蒸騰過(guò)程減弱或受阻.

城市下墊面中不透水面、弱透水面的蒸發(fā)過(guò)程只發(fā)生在天然降水后其表面有水分存在的短暫時(shí)期.1986—2016年按5年小周期計(jì)算的日平均相對(duì)濕度呈遞減趨勢(shì)，長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)看城市空氣濕度明顯降低，城市人居環(huán)境的舒適度降低.

（3）對(duì)下滲和徑流的影響.通化地處山區(qū)，自然地理結(jié)構(gòu)可以概括為“七山一水二分田”，坡地多，平地少.自然地表水文循環(huán)過(guò)程表現(xiàn)為天然降水先受到植被攔截，在降低降水強(qiáng)度、變相延長(zhǎng)降水時(shí)間后，水分下滲到土壤中，當(dāng)土壤含水量達(dá)到飽和后形成地表徑流和壤中流，補(bǔ)給地表水體和地下水.城市土地利用導(dǎo)致土地覆被發(fā)生變化，城市中心大部分被道路、樓房等不透水面所占據(jù)，少量部分為公園綠地和有空鋪裝材料的地面等弱透水面，下滲過(guò)程受到阻礙.地下水補(bǔ)給不足，可能會(huì)形成地下漏斗，造成地下水位下降、地面沉陷等不良后果.

天然降水因缺少植被攔截和土壤表面的下滲，在短時(shí)間內(nèi)迅速轉(zhuǎn)化為地表徑流，從高處向低處匯聚，最后從城市排水管網(wǎng)排入自然水體.由于城市排水管網(wǎng)泄洪能力有限，短時(shí)強(qiáng)降雨往往在坡地形成自上而下的滾滾洪水，在低洼地段排水不暢引起城市內(nèi)澇，造成城市居民生活、交通不便.城市下墊面性質(zhì)的改變影響了地表匯流過(guò)程、徑流流量、徑流時(shí)間和排水過(guò)程，減少了地表和地下貯水體的補(bǔ)給來(lái)源.

（4）對(duì)水質(zhì)和水量的影響.通化市轄區(qū)人口集中，產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，用水需求量大，廢水排放量大.大量的生活污水和工業(yè)廢水排入自然水體，加重了水質(zhì)污染.一些工廠的冷卻用水排入自然河流，還可能引起熱污染，導(dǎo)致河流生態(tài)環(huán)境退化.此外，水利工程的修建使得市轄區(qū)河流水體底部和側(cè)面也成為不透水面，汛期河流補(bǔ)給地下水、非汛期地下水補(bǔ)給河流的自然水文過(guò)程被切斷，汛期地下水也得不到河水的有效補(bǔ)給.市區(qū)河流的補(bǔ)給來(lái)源只有天然降水和上游徑流，而天然降水由城市排水管網(wǎng)迅速匯聚到河流后，因防洪需要、河流容量有限，大量河水未得到充分利用白白流走，加快了水循環(huán)的速度.由此可見，城市下墊面改變了地表水文循環(huán)過(guò)程，又進(jìn)一步加劇了水質(zhì)污染和水資源短缺.

5 結(jié)論與討論

（1）將通化市轄區(qū)下墊面歸納為農(nóng)田、林地、建筑用地、公共用地、道路、水體6個(gè)一級(jí)土地利用類型；根據(jù)透水性質(zhì)不同對(duì)土地利用類型重新歸類，分為透水面（農(nóng)田、林地）、不透水面（建筑用地和道路）、弱透水面（公共用地，包括公園、城市綠地和有孔鋪裝材料的地面）、水面（水體）四種類型.利用遙感影像處理方法，提取了各類型的空間分布特征和面積，用圖表顯示結(jié)果.

（2）利用中國(guó)國(guó)家氣象局標(biāo)準(zhǔn)氣象站的觀測(cè)資料，分析了通化市轄區(qū)1986—2016年共31年的降水、蒸發(fā)、濕度等氣象要素的變化特征，發(fā)現(xiàn)極端降水量出現(xiàn)頻率、降水年際變化、短時(shí)強(qiáng)降雨頻次在增加，5年周期的年平均蒸發(fā)和日平均相對(duì)濕度有下降趨勢(shì)，不透水面、弱透水面下滲受阻，徑流流量、匯流時(shí)間、排水過(guò)程等發(fā)生變化，水質(zhì)污染和水資源短缺在加劇.

（3）為了響應(yīng)國(guó)家海綿城市建設(shè)指導(dǎo)意見，在城市規(guī)劃和城市管理時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮建筑物、道路和公園綠地、水系等生態(tài)系統(tǒng)對(duì)雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，有效控制城市雨水徑流過(guò)程，實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)對(duì)雨水的自然滲透、自然積存和自然凈化，降低城市化對(duì)地表水文過(guò)程的影響，促進(jìn)人與自然的和諧發(fā)展［7］.通化市依據(jù)國(guó)家相關(guān)政策實(shí)施了海綿城市建設(shè)，對(duì)主要街道和主要河流進(jìn)行了改造，其中：通化市轄區(qū)街道綠地的重新規(guī)劃和建設(shè)自2016年開始，由于實(shí)施時(shí)間較短，目前效果還不明顯；城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的改造加速了地表水的循環(huán)，減輕了城市內(nèi)澇，在一定程度上替代了自然下滲過(guò)程的功能；主要河流的改造仍停留于渠道化工程，對(duì)吸納短時(shí)強(qiáng)降雨、減輕內(nèi)澇有一定效果，但河水不能下滲補(bǔ)給地下水.

（4）本文以通化市轄區(qū)為研究對(duì)象，研究結(jié)果表明城市下墊面的變化影響了地表水文循環(huán)過(guò)程，研究結(jié)論對(duì)其他城市和地區(qū)具有一定的理論參考價(jià)值和借鑒意義.