城市下墊面對地表水文循環(huán)過程的影響分析
——以長春市為例

張業(yè)彤，王海濤*，柴禾蕾

（1.長春師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，吉林 長春130000；2.吉林省水文水資源局，吉林 九臺130022）

0 引言

20 世紀(jì)90 年代，長春城市化進入快速發(fā)展階段，隨著人口、產(chǎn)業(yè)不斷向城市集中，地表土地利用方式產(chǎn)生了較大的變化，改變了城市的自然地貌和天然排水系統(tǒng)。城市下墊面條件的改變導(dǎo)致原本的自然流域被不透水面替代，下滲與蒸發(fā)明顯減少，徑流量增大，雨水匯流速度增大，洪峰量增大，從而使洪峰的出現(xiàn)時間提前，容易造成城市洪澇災(zāi)害，制約城市健康發(fā)展[1]。

對于城市化導(dǎo)致城市洪澇災(zāi)害問題，國內(nèi)外諸多學(xué)者對城市化地表水文效應(yīng)問題進行了一定的研究。目前研究重點是城市化對水循環(huán)的各個過程產(chǎn)生的影響，以及其引發(fā)的生態(tài)環(huán)境響應(yīng)。例如，Wing 等[2]研究發(fā)現(xiàn)城市區(qū)域不透水面積快速增加，導(dǎo)致了城區(qū)產(chǎn)匯流速度加快，降水頻率與強度上升，洪峰時間提前，城市暴雨內(nèi)澇風(fēng)險增加；Zhang 等[3]研究發(fā)現(xiàn)城市化導(dǎo)致了休斯頓發(fā)生極端洪水事件的概率平均增加了21 倍；Suriya 等[4]和Zope 等[5]研究了印度城市化前后的水文效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)城市化增大了洪澇災(zāi)害的影響范圍。在國內(nèi)，王慧亮等[6]研究了鄭州賈魯河流域城市化前后的變化，得出城市化增加了總徑流量的結(jié)論；李慧等[7]對西安城市化后的水文過程做了分析，認(rèn)為城市化雖然會增加地下水開采而導(dǎo)致河道徑流量減少，但會通過影響下墊面和降雨增加洪澇的風(fēng)險。因此，研究城市下墊面性質(zhì)的變化對地表水文循環(huán)過程的影響機理顯得尤為重要。

1 研究區(qū)概況

長春市是吉林省的省會，也是我國重要的工業(yè)基地，城市化發(fā)展造成了突出的土地利用矛盾。長春市居于東北地區(qū)中部，地理位置見圖1。截止目前，全市轄7個區(qū)，總面積24 737.50 km2，地勢東高西低，地貌由臺地和平原組成，屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量522~615 mm，夏季降水量占全年降水量的60%以上。

圖1 研究區(qū)位置圖

2 長春市的城市化下墊面分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

長春市1990 年、2000 年、2010 年及2020 年四期Landsat TM/ETM 遙感影像數(shù)據(jù)、30 米分辨率中國DEM數(shù)據(jù)、1：10 000 全國矢量化邊界，來源于地理空間數(shù)據(jù)云及資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心。

2.2 土地利用類型重劃分

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010-2017），共分為12 個一級類，包括：耕地、園地、林地、草地、商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、特殊用地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地及其他土地。參考遙感影像提取結(jié)果，將研究區(qū)的土地利用類型重新劃分為六個一級下墊面類型，再根據(jù)其透水性能差異，將研究區(qū)劃分為四種下墊面透水類型，包括：水面、透水面、弱透水面、不透水面，見表1。

表1 長春市土地利用類型與下墊面透水類型

2.3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果

利用ENVI 及GIS 軟件，將1990 年、2000 年、2010年及2020 年的長春市土地利用類型分為四種下墊面透水類型，各下墊面透水類型分布變化情況見圖2。將結(jié)果導(dǎo)出并計算其下墊面透水類型的面積占比，見圖3。

圖2 各下墊面透水類型變化

圖3 各下墊面透水類型面積占比

統(tǒng)計得到2020 年長春市各下墊面透水類型面積及占比情況，如表2 所示。2020 年長春市總面積的83%為透水面，12%為不透水面，2%為弱透水面，3%為水面。對城市地表水文過程影響最大的是不透水面，其次為弱透水面，而透水面和水面的影響相對較小。如表3 所示，在1990—2020 年，長春市的不透水面的占比不斷增長，從1990 年的3.34%增長到2019 年的4.17%，弱透水面的占比略有增長，透水面及水面占比不斷下降，尤其是透水面占比下降較多，整體下降了3.86%。由此可看出，長春市城市化發(fā)展對于其土地利用變化起重要作用，整體來看長春市的城市化進程較為明顯。

表2 2020 年各下墊面透水類型的面積及占比

表3 各下墊面透水類型面積占比變化

3 城市地表水文循環(huán)

3.1 城市地表水文循環(huán)模型

水循環(huán)對于人類生存和生態(tài)環(huán)境的形成、演化都有無可替代的價值，自然水循環(huán)是水循環(huán)的基礎(chǔ)，城市水循環(huán)源于自然水循環(huán)，城市擴張極大地改變了水循環(huán)路徑，由“自然”模式占主導(dǎo)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤白匀? 人工”模式。城市化建設(shè)主要是通過降雨、蒸發(fā)和地表徑流3個方面的改變，導(dǎo)致水循環(huán)自我調(diào)節(jié)能力達(dá)到極限，最終產(chǎn)生一系列洪澇災(zāi)害、水質(zhì)污染等水文生態(tài)功能的退化，見圖4。

圖4 城市水循環(huán)示意圖

3.2 長春市城市地表水文循環(huán)過程分析

長春市城市化擴張導(dǎo)致了水文循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)椤白匀?人工”模式，包括自然水循環(huán)與人工水循環(huán)的綜合循環(huán)體。其中，透水面和水體是自然水循環(huán)的主要參與者，由降水、蒸發(fā)、下滲、徑流組成；弱透水面和不透水面是人工水循環(huán)的主要參與者，影響著城市的降水、蒸發(fā)、下滲、徑流和水質(zhì)水量，由蒸發(fā)、下滲、排水管網(wǎng)徑流、儲存水體組成。隨著城市內(nèi)人口、企業(yè)擴張，導(dǎo)致城市內(nèi)溫度高于郊區(qū)，熱島效應(yīng)明顯改變空氣溫度、濕度，進而形成城市內(nèi)小氣候區(qū)。此外，城市建設(shè)規(guī)模的擴張，嚴(yán)重阻礙空氣的流動，削弱了自然植被原本吸收城市熱源的功能，導(dǎo)致城市降雨量增加，增加地表承載徑流量壓力。在改變原本的天然排水系統(tǒng)后，城市地面硬化嚴(yán)重削弱了雨水的下滲與蒸發(fā)，因此容易導(dǎo)致洪澇災(zāi)害。

4 長春市城市下墊面對地表水文循環(huán)的影響分析

4.1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文以長春市1996—2020 年，共25 年的氣象要素數(shù)據(jù)，包括降水、空氣濕度，分析長春市地表水文循環(huán)的變化特征。所用的氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心。采用相關(guān)數(shù)理統(tǒng)計方法，對長春市這25 年的氣象數(shù)據(jù)計算分析。

4.2 長春市1996—2020 年氣象數(shù)據(jù)變化分析

4.2.1 降水量變化分析。根據(jù)長春市這25 年的降水?dāng)?shù)據(jù)，計算出其多年平均降水量為553.3 mm，再計算出其年際距平值。由圖5 可知，長春市25 年間的降水量距平大致是以10 年一個周期波動變化。1996—2005 年距平呈現(xiàn)出上升趨勢，最小降水量出現(xiàn)在2001 年，為389.9 mm；2005—2014 年距平呈現(xiàn)規(guī)律性的波動上升趨勢，在2010 年出現(xiàn)最大降水量為878.3 mm；2014—2020 年距平呈現(xiàn)波動上升趨勢，在2016 年出現(xiàn)最大降水量為890.8 mm；這25 年中最大與最小降水量之間相差500.9 mm。在這25 年中正距平達(dá)13 年，占總體的二分之一，正距平主要在各負(fù)距平之間，較少多年連續(xù)出現(xiàn)，在2016—2020 年連續(xù)出現(xiàn)正距平，說明降水量呈現(xiàn)上升趨勢。

圖5 長春市1996—2020 年降水量年際距平

由圖6 可知，1996—2020 年降水量累計年距平呈明顯的遞增趨勢，在負(fù)距平范圍內(nèi)呈波動變化的特征。累計距平在1999—2009 年為負(fù)距平，歷經(jīng)了先降低后上升的過程，表明降水量在這十年間從相對較低逐漸轉(zhuǎn)為相對較高。累計年距平在2010—2020 年持續(xù)處于上升狀態(tài)，表明在這十年間降水量不斷增加。

圖6 長春市1996—2020 年降水量累計年距平

長春市雨季是每年的6~8 月，對6~8 月短時降雨超過50 mm 的強降雨出現(xiàn)的頻次進行統(tǒng)計分析。結(jié)果見圖7，五年為一周期的短時強降雨頻次占總降雨頻次的比例呈快速上升趨勢，且短時強降雨頻次整體趨向于穩(wěn)定增長。

圖7 周期性短時強降雨頻次所占比例

4.2.2 空氣濕度變化分析?？諝鉂穸仁呛饬砍鞘械乇硭难h(huán)過程的一個輔助性參數(shù)。對長春市1996—2020 年的歷年平均相對濕度作一個5 年為周期的統(tǒng)計分析。

由圖8 可知，空氣濕度整體呈現(xiàn)上升趨勢，但在2001—2005 年這一周期陡然下降，而后的五年內(nèi)大幅上升，2010—2020 年年平均相對濕度呈現(xiàn)平穩(wěn)增長，直至達(dá)到和1996—2000 年這一周期幾乎持平。

圖8 5 年為周期的年平均相對濕度

4.3 下墊面對長春市地表水文循環(huán)過程的影響分析

4.3.1 對降水的影響。在1996—2020 年，長春市的城市下墊面中不透水類型面積占比增加了3.83%、弱透水類型面積占比增加了0.84%，以及透水類型面積占比減少了3.86%、水面面積占比減少了0.81%，城市的熱島效應(yīng)產(chǎn)生熱力對流，當(dāng)水汽充足時，容易形成對流性降雨。因此，2010—2020 年的降水量不斷增加，年平均相對濕度穩(wěn)定增長，極端最大和最小年降水之間相差較大。此外，短時強降雨頻次逐年增加，容易造成城市低洼地面積水，給城市防洪帶來壓力。

4.3.2 對空氣濕度的影響。在自然地表水文循環(huán)過程中，主要是水面、土壤裸露地表以及綠色植物的蒸騰作用產(chǎn)生空氣濕度。長春市空氣相對濕度受降水量增加的影響理論上應(yīng)該持續(xù)穩(wěn)定增長，但由于水面及透水面的面積減少，不透水和弱透水面的面積增加，而蒸發(fā)作用只發(fā)生在降水后的地表水分短時存在時期，所以空氣濕度在經(jīng)歷過2001—2015 年的快速上升之后，于2015 年開始其上升速度呈現(xiàn)減緩的趨勢，這主要是由于地表的蒸騰過程受阻。

4.3.3 對地表徑流的影響。城市土地利用覆被變化，從1990 年到2020 年大量的自然地表被各類建設(shè)用地等不透水面以及少量公共用地等弱透水面侵占，城市下墊面性質(zhì)改變，硬化地面的下滲受到阻礙，土壤水及地下水的補給不足，造成地下水位下降、地面沉降等現(xiàn)象。天然降水缺少植被的攔截，短時間內(nèi)會快速匯聚成地表徑流，需要通過城市排水網(wǎng)排出，由于城市化發(fā)展速度快而相應(yīng)的城市排水管網(wǎng)設(shè)施建設(shè)落后，城市的泄洪能力有限，所以在城市低洼地區(qū)容易大量積水而引起城市內(nèi)澇。

4.3.4 對水質(zhì)和水量的影響。長春市城市化發(fā)展帶來的人口集中、產(chǎn)業(yè)發(fā)展，用、排水量大，徑流受到大氣懸浮物、生活廢水、交通尾氣及路面材料的影響，導(dǎo)致水生態(tài)環(huán)境污染，造成整個城市的環(huán)境惡化。水利設(shè)施的修建，造成不透水類型面積增加，從1990 年占比3.34%增加到2020 年占比7.17%，因此地下水的補給相應(yīng)減少；此外，由于城市防洪設(shè)施不夠完善，天然降水補給在城市排水管網(wǎng)匯聚到河流后，未經(jīng)過充分利用便流失，使長春市降水年內(nèi)分配不均的局面更加嚴(yán)重，造成供水在質(zhì)與量上的下降，容易加劇水資源的供需矛盾。

5 結(jié)論

將長春市的土地利用類型劃分為六個一級類下墊面類型，再根據(jù)其透水性質(zhì)不同分為四種下墊面透水類型，利用遙感影像處理方法，提取各類的空間分布及面積，結(jié)果用圖表表示，表明長春市的城市化進程較為明顯。利用國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)，分析長春市1996—2020 年共25 年的降水、相對濕度等氣象要素變化特征，表明降水量、短時強降雨頻次、相對濕度呈現(xiàn)上升趨勢，弱透水面、不透水面的下滲受阻，徑流流量、匯流速度、給排水量等發(fā)生變化，水質(zhì)污染及水資源短缺問題加劇。