城市有效不透水下墊面及其識別研究進(jìn)展

周 宏，劉 俊，丁華凱，高 成

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué)水科學(xué)研究院，江蘇 南京 210098；3.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

城市是一個地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，承載著人類社會的主要人口和財(cái)富。城市化不僅是人類社會發(fā)展的重要過程，也是衡量一個國家發(fā)展水平的重要標(biāo)志[1]。2018年世界城市人口占比達(dá)55%[2]，據(jù)聯(lián)合國人口署預(yù)測，到2030年城市人口比例將達(dá)到60%，而到2050年這一比例將超過70%[3]。作為全球最大的發(fā)展中國家，我國正處于城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)和深入的時(shí)期，常住人口城鎮(zhèn)化率從1978年的17.92%增長到2021年的64.7%，城市建成區(qū)面積由1981年的7 438 km2增加到2020年的60 721 km2[4]。

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市致澇效應(yīng)日益顯著，城市水安全問題日益突出[5-6]。不透水下墊面的增加是導(dǎo)致城市化進(jìn)程中水文循環(huán)過程改變的主要因素，也是城市化的水文效應(yīng)的主要原因[7]。城市化過程中，人類通過改造下墊面來適應(yīng)發(fā)展的需求，主要包括城市路網(wǎng)的增加、水體的填埋與碎片化、開發(fā)過程中減少洪泛區(qū)面積、河道渠化以及通過建筑物控制水量交換等。然而，目前對造成城市洪澇問題的主要影響因素——不透水下墊面的研究尚存在不足。在城市排水系統(tǒng)規(guī)劃及設(shè)計(jì)中，我國排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)往往習(xí)慣先確定徑流系數(shù)，再由徑流系數(shù)根據(jù)推理公式得出設(shè)計(jì)流量值的方法來計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量值。雖然GB 20014—2021《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，當(dāng)匯水面積大于2 km2時(shí)，應(yīng)采用數(shù)學(xué)模型法確定雨水設(shè)計(jì)流量，但未作硬性規(guī)定[8-9]，并且對城市雨洪模型中最重要的參數(shù)——城市不透水性，未作明確規(guī)定，也沒有統(tǒng)一的計(jì)算方法，模型中城市不透水性是使用總不透水面積還是有效不透水面積、不透水下墊面面積如何確定等關(guān)鍵問題均無明確交代。此外，在海綿城市建設(shè)背景下，對城市水文學(xué)基礎(chǔ)理論提出了越來越高的要求[10-13]，以往城市雨洪模擬過程中粗放式、集總式地對各種類型的下墊面進(jìn)行概化處理，不能準(zhǔn)確反映城市水文過程，不能適應(yīng)新形勢下的要求。

因此，開展對城市不透水下墊面的識別研究，揭示其對城市產(chǎn)匯流過程的影響，對城市雨洪精細(xì)管理背景下深入推進(jìn)城市洪澇防治及海綿城市建設(shè)具有重要意義。本文基于近年來國內(nèi)外研究成果，對城市有效不透水下墊面及其識別的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行介紹與述評。

1 不透水下墊面對城市水文循環(huán)的影響

1.1 不透水下墊面的水文效應(yīng)

城市不透水下墊面的增加會對城市水文循環(huán)的各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響[14-16]。城市化過程中由于不透水下墊面的快速增加，城市中出現(xiàn)排水管渠、泵站、水閘等工程水循環(huán)系統(tǒng)，與簡單地理邊界上的自然水文循環(huán)產(chǎn)生區(qū)別[17]。自然水文循環(huán)的垂向主要是蒸發(fā)、下滲，由于不透水下墊面的增加，降水下滲減少，使地下水位降低，基流量減少，地表徑流大大增加[18-20]。而對地表徑流、壤中流、地下水等橫向匯流過程，不透水下墊面的增加會使城市化地區(qū)匯流水力效率提高，匯流時(shí)間縮短[21-22]，并且由于不透水下墊面增加大大降低了城區(qū)降雨入滲能力，從而使徑流總量、地表徑流量、洪峰流量均大幅增加[5, 23-24]，導(dǎo)致地面積水頻次、積水深度、積水歷時(shí)增加，間接對下游地區(qū)防洪安全產(chǎn)生不利影響[25]。特別是城市化早期階段，由于不透水下墊面增加，城市排水管網(wǎng)密度增加，會導(dǎo)致洪峰的顯著增大。但對于固定的土地利用類型和降水量，無論城市排水管網(wǎng)密度增加多少，洪水峰、量都接近一個上限。對于重現(xiàn)期超過100 a的極端降雨事件，不透水性對徑流流量和總量的影響相對較小，但會根據(jù)降雨過程的不同影響峰值流量[26]。因此，隨著不透水性的增加，徑流的響應(yīng)表現(xiàn)為對小降雨事件的放大效應(yīng)，而對極端降雨事件影響不如小降雨事件明顯。不透水下墊面的增加還會導(dǎo)致城市蒸發(fā)機(jī)制發(fā)生改變[27]，形成熱島效應(yīng)，導(dǎo)致降水總量及降雨強(qiáng)度的改變[28-29]。由于徑流數(shù)量和質(zhì)量的變化，與植被下滲過程中占主導(dǎo)地位的天然流域相比，不透水下墊面占比高的流域還表現(xiàn)出地貌和生物種類的變化[30]。城市不透水下墊面的增加還被證實(shí)與河流中的磷和其他污染物濃度呈正相關(guān)關(guān)系[31-33]。

目前評估集水區(qū)不透水性的水文響應(yīng)變化的相關(guān)研究較多，例如，不透水下墊面增加導(dǎo)致集水區(qū)更頻繁出現(xiàn)低重現(xiàn)期的徑流事件和更高的峰值流量[14]，Schueler等[34-35]最早闡明了不透水性重要性，提出按照集水區(qū)不透水下墊面百分比劃分不透水下墊面對受納水體的影響：當(dāng)集水區(qū)不透水下墊面占比為1%～10%時(shí)為“壓力”階段，占比為11%～25%時(shí)為“影響”階段，而占比26%～100%則為“退化”階段；Klein[36]提出10%的總不透水性會對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，30%的不透水性會產(chǎn)生“嚴(yán)重”影響；Booth等[37-38]指出在有效不透水下墊面面積達(dá)到10%～12%時(shí)，受納水體基流和水生系統(tǒng)受到影響，并強(qiáng)調(diào)了有效不透水面積對水文響應(yīng)的重要影響。

此外，集水區(qū)內(nèi)不透水區(qū)域的空間分布[39]，特別是其相互連通性[40-41]及其與排水網(wǎng)絡(luò)的接近程度[42-43]以及水力結(jié)構(gòu)(如集水區(qū)滯留設(shè)施和自然河道改造)[26]的變化會直接影響徑流過程。Mejía等[40-41]研究了不透水空間分布對以城市土地利用為特征的流域水文響應(yīng)的影響，結(jié)果表明不透水格局是影響城市化流域水文響應(yīng)的重要因素；Yao等[44]以北京的一個典型城市住宅集水區(qū)為研究對象，采用總不透水面積和直接連通不透水面積(即有效不透水面積)兩個指標(biāo)對各分區(qū)的不透水空間特征進(jìn)行了量化，并利用模型模擬了總徑流深、峰值流量和流域滯時(shí)3個徑流變量表征特定的降雨-徑流特征；Epps等[45]利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了有效不透水下墊面的空間識別，認(rèn)為針對空間識別的有效不透水下墊面的斷接可以更高效地控制徑流；Deng等[46]以南京大學(xué)仙林校區(qū)為研究區(qū)域，構(gòu)建模型分析不透水下墊面、植被等空間分布對徑流系數(shù)和峰值流量的影響，研究結(jié)果表明，增加有效不透水下墊面的斷接及提高透水下墊面的持水能力是控制城市雨洪的有效策略。總體而言，目前大多數(shù)研究僅從面上關(guān)注不透水下墊面空間分布的徑流響應(yīng)，鮮有關(guān)注不透水下墊面斷接的水文過程響應(yīng)的差異，因此不透水下墊面空間分布的研究需要更加重視。

1.2 衡量城市不透水性的必要性

城市化發(fā)展初期，人們通常認(rèn)為來自不透水下墊面的徑流是形成峰值流量的主導(dǎo)過程[47]，因而設(shè)計(jì)城市雨水排除系統(tǒng)，得以快速、有效地將城市地表徑流排除。但隨著城市化的持續(xù)發(fā)展，城市區(qū)域不斷擴(kuò)大、人口和財(cái)富不斷集中，對管理部門來說，城市雨洪的控制和管理顯得尤為重要。自1970年以來，城市雨水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)已從快速排除地表徑流擴(kuò)展到峰值流量控制(20世紀(jì)70年代)、污染物削減(20世紀(jì)80年代)，以及城市受納水體中水流模式的變化(20世紀(jì)90年代)[48]。隨著城市雨洪管理的不斷深入發(fā)展，低影響開發(fā)[49-50]、可持續(xù)城市排水系統(tǒng)[51]、水敏感城市設(shè)計(jì)[52]及海綿城市[53-55]等城市雨洪管理方法與理念不斷興起，這些理念和方法都強(qiáng)調(diào)通過增加透水下墊面、減少不透水下墊面、構(gòu)建完善的城市排水防澇系統(tǒng)來達(dá)到減少城市洪澇災(zāi)害的目的。

由于不透水下墊面的增加，城市化使水文循環(huán)的不同環(huán)節(jié)中的水量重新分配，與城市化之前相比，相同頻率的徑流事件明顯更加頻繁[7]。由于水文變化是雨水徑流通過不透水下墊面以及雨水管道和排水管渠組成的“水力高效排水系統(tǒng)”輸送到河道的結(jié)果[56]，城市化對水文影響的研究通常尋求環(huán)境系統(tǒng)的變化與城市化易于測量的指標(biāo)之間的聯(lián)系[7]。早期，一些替代性指標(biāo)被提出，如人口密度或道路密度[7]，但這些替代性指標(biāo)無法充分代表造成影響的城市環(huán)境要素及其變化過程。也有人提出連通性指標(biāo)，但在城市環(huán)境中，連通性很難量化[7]。由于不透水下墊面的增加是城市化進(jìn)程中水文變化的主要原因，許多學(xué)者將不透水性作為衡量城市化水文效應(yīng)的指標(biāo)[34-35]，主要原因包括以下幾點(diǎn)：①不透水性是目前城市發(fā)展中最常見的特征之一[57]，城市化過程伴隨著不透水下墊面的增加，不透水性本身就可以反映城市發(fā)展水平，并與城市化的水文效應(yīng)之間有著明顯的聯(lián)系；②不透水性是城市雨洪模型的一個重要參數(shù)，常被用來作為描述城市發(fā)展的參數(shù)，精確地衡量不透水性可以有助于城市雨洪模型的使用，并在城市排水防澇、海綿城市建設(shè)、城市內(nèi)澇預(yù)報(bào)預(yù)警中發(fā)揮非工程性措施的重要作用；③不透水性是綜合的[58]，它可以在不考慮具體因素的情況下估計(jì)或預(yù)測城市化對徑流的影響，提高城市雨洪的可預(yù)測性，并有助于減少非點(diǎn)源污染控制的復(fù)雜程度；④不透水性的可衡量性[58]提高了它在規(guī)劃和管理中的實(shí)用性，根據(jù)所考慮區(qū)域的大小和特定的應(yīng)用場景，可以使用多種技術(shù)手段測量不透水下墊面的范圍。

因此，作為城市水文學(xué)的要素之一的城市集水區(qū)的不透水性[59]是衡量城市化及其水文效應(yīng)的一個重要指標(biāo)，也是幾乎所有城市雨洪模型中的一個重要參數(shù)[60]。目前衡量不透水性的最常用指標(biāo)為總不透水面積(total impervious area，TIA)和有效不透水面積(effective impervious area，EIA)。

2 衡量不同不透水性的指標(biāo)辨析

2.1 總不透水面積

總不透水面積是不滲透性的直觀定義，即城市集水區(qū)中所有由非滲透下墊面(如混凝土、瀝青和建筑物)覆蓋的部分，與排水系統(tǒng)的流量、受納水體的水質(zhì)和生態(tài)健康密切相關(guān)[61]。但從水文學(xué)角度來講，這個定義是不準(zhǔn)確的。首先，總不透水面積包括了一些可能對下游受納河道的暴雨徑流響應(yīng)沒有貢獻(xiàn)的不透水區(qū)域[37]。例如，與為了達(dá)到徑流控制標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的雨洪控制措施相連的不透水下墊面、綠地中間孤立的不透水下墊面、排水至綠地而非城市管道系統(tǒng)的屋頂?shù)?。在城市水文學(xué)研究中，僅對城市土地利用簡單劃分為不透水下墊面和透水下墊面不能很好地解釋集水區(qū)對暴雨事件的水文響應(yīng)，不足以解釋城市化對當(dāng)?shù)厮倪^程的影響，難以反映不透水下墊面的連通性[62]，同樣也不能適應(yīng)當(dāng)前新形勢下城市雨洪精細(xì)管理的需求。這表明需要更詳細(xì)的城市土地利用類型，超越簡單劃分的透水、不透水的下墊面類別，從而更好地識別由于不透水下墊面類型差異所導(dǎo)致的地表和地下水文過程的變化[63]，適應(yīng)城市雨洪精細(xì)管理的需求。其次，總不透水面積忽略了有些名義上的“透水”下墊面在城市建設(shè)過程中被充分壓實(shí)，土壤滲透能力、蓄水能力大大降低，土壤達(dá)到飽和的速度更快、更頻繁，以至于它們產(chǎn)生的徑流量與鋪裝路面相似或無法區(qū)分[37]，降低了前期影響雨量在城市徑流形成中的重要性[14]，因此在城市雨洪模擬過程中需要考慮土壤壓實(shí)對城市透水下墊面及其產(chǎn)流的影響[64]。Wigmosta[65]發(fā)現(xiàn)在華盛頓西部住宅區(qū)，不透水下墊面單位面積的徑流量僅比濕潤的薄草皮草坪等透水下墊面區(qū)域的徑流量大20%。顯然，透水下墊面的水文貢獻(xiàn)不能完全忽視。透水下墊面產(chǎn)生的徑流量與不透水下墊面的面積大小存在一定的相關(guān)性。在不透水區(qū)域，建設(shè)和開發(fā)活動更為密集，覆蓋的面積越來越大，在施工過程中，與不透水區(qū)相鄰的綠地表土被剝離和壓實(shí)的可能性也越來越大，雖然隨后會在透水下墊面種植樹木、草皮等，但其水文功能只得到不完全恢復(fù)[37]。因此，名義上的透水下墊面產(chǎn)生的徑流可能會被低估，在城市雨洪模擬過程中需要注意透水下墊面土壤的滲透性對徑流產(chǎn)生的影響。透水下墊面對城市雨洪過程的影響不是本研究的重點(diǎn)，不再深入討論；對下游受納河道的暴雨徑流響應(yīng)沒有貢獻(xiàn)的不透水區(qū)域，可通過引入有效不透水面積的概念得到解決。

2.2 有效不透水面積

總不透水面積的徑流預(yù)測往往不能很好地與實(shí)際徑流吻合[66]，并未考慮城市中單個不透水下墊面分布的孤立性以及與其他透水、半透水下墊面及受納水體的連通性，不能代表或整合相關(guān)水文現(xiàn)象表現(xiàn)出的有效性的要求[37, 67-68]，限定了不透水性對水文循環(huán)其他組成部分的潛在影響[14]。有研究表明，總不透水面積中與下游排水系統(tǒng)直接水力連接的不透水表面部分，即有效不透水面積才是造成水文變化的真正原因[66, 68-72]，是水文循環(huán)變化的更好的預(yù)測指標(biāo)[30]，可提高城市雨洪模擬的精度[73]。

有效不透水面積是城市降雨徑流過程中的重要參數(shù)，其大小、位置甚至形狀等特性直接影響徑流量及徑流過程。許多城市雨洪模型假設(shè)落在所有不透水下墊面的降水都產(chǎn)生直接徑流，實(shí)際上，對于頻繁發(fā)生的低、中量級降雨事件，降雨落在不與排水系統(tǒng)水力連接的不透水區(qū)域上，不會迅速產(chǎn)生直接徑流。有效不透水下墊面才是排水系統(tǒng)中主要的徑流來源，且大部分徑流量和質(zhì)的變化是由有效不透水面積引起的，而不是由總不透水面積引起的[74]。因此，在城市雨洪模擬時(shí)，應(yīng)從總不透水面積中減去這部分不與排水系統(tǒng)水力連接的不透水區(qū)域，以獲得更準(zhǔn)確的有效不透水面積進(jìn)行徑流量估算[75]。有效不透水下墊面不包括與為了達(dá)到徑流控制標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的低影響開發(fā)措施相連的不透水下墊面，也不包括排水系統(tǒng)間接水力連接的孤立不透水下墊面，或排水至透水區(qū)域的孤立不透水下墊面[76]。

不與排水系統(tǒng)直接相連的不透水下墊面被歸為非有效不透水下墊面，來自有效不透水下墊面和非有效不透水下墊面的徑流沿著各自的匯流路徑產(chǎn)生不同的水文過程。有效不透水下墊面上的徑流直接排至雨水管道系統(tǒng)；非有效不透水下墊面上的徑流則先排至相鄰的透水下墊面，當(dāng)透水下墊面由于接收降雨和非有效不透水下墊面上的徑流而產(chǎn)流時(shí)，非有效不透水下墊面上的徑流才通過透水下墊面排至雨水管道系統(tǒng)。因此，有效不透水下墊面和非有效不透水下墊面對流域出口過程線的貢獻(xiàn)并不相同。近年來，由于有效不透水下墊面對雨水徑流的直接影響，減少有效不透水下墊面已被確定為控制雨水徑流的有效措施[68]。

有效不透水下墊面是通常在較低重現(xiàn)期降雨發(fā)生時(shí)就可產(chǎn)生雨水徑流的區(qū)域，這是海綿城市及確定排水管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模的主要關(guān)注點(diǎn)[77]。不透水下墊面與排水系統(tǒng)的直接連接意味著即使是小的降雨事件也可以產(chǎn)生地表徑流，通過排水系統(tǒng)排至受納水體，小的降雨也可能會產(chǎn)生較大量級的徑流量。如果不透水下墊面沒有與排水系統(tǒng)直接連接，而是與透水下墊面相連，那么小的降雨事件會被攔截和滲透，有可能不會產(chǎn)生地表徑流或僅產(chǎn)生較少的地表徑流。在海綿城市建設(shè)過程中，對有效不透水下墊面開展合理斷接，保持集水區(qū)地表徑流接近自然頻率，是城市集水區(qū)雨洪控制利用的最主要策略和共識[78]。合理確定有效不透水面積將使城市雨水基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)更具成本效益，并減小項(xiàng)目規(guī)模。因此，有效不透水面積是城市化對水文循環(huán)過程影響的重要指標(biāo)，合理確定有效不透水面積將提高城市發(fā)展對區(qū)域水文循環(huán)過程影響的預(yù)測能力[68]。

3 有效不透水下墊面的識別方法

城市集水區(qū)的地表組成和基礎(chǔ)設(shè)施的異質(zhì)性導(dǎo)致城市匯流路徑的復(fù)雜性，其與空間和時(shí)間上的降雨異質(zhì)性相結(jié)合[56]，增加了對城市產(chǎn)匯流機(jī)理準(zhǔn)確認(rèn)知的難度，也使得城市雨洪模擬的不確定性大大增加。雖然有效不透水面積與徑流的相關(guān)性比總不透水面積更高，但由于有效不透水下墊面難以直接確定，大多數(shù)城市雨洪模擬實(shí)踐中，集水區(qū)的不透水性由各種下墊面的不透水面積加權(quán)確定[61]，這意味著集水區(qū)的不透水部分和透水部分通過兩條獨(dú)立的路徑排放到流域出口[79]。然而，海綿城市建設(shè)主要通過對不透水下墊面的斷接來達(dá)到控制徑流的目的，如不考慮低影響開發(fā)的流動路徑則不夠合理[59]，不能充分反映有效不透水下墊面、非有效不透水下墊面以及透水下墊面上不同的產(chǎn)匯流過程。從海綿城市建設(shè)及城市雨洪精細(xì)模擬的角度來看，城市產(chǎn)匯流過程需要考慮下墊面高度破碎化、異質(zhì)性導(dǎo)致的產(chǎn)匯流過程的變化[80]，這就對準(zhǔn)確識別城市集水區(qū)的有效不透水下墊面提出了要求。目前，有效不透水下墊面識別與確定的主要方法包括現(xiàn)場調(diào)查與測定法、遙感及影像資料分析法、土地利用類型確定法、經(jīng)驗(yàn)公式法、降雨-徑流關(guān)系法等。

3.1 現(xiàn)場調(diào)查與測定法

現(xiàn)場調(diào)查與測定法確定有效不透水下墊面，須進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)地勘測，確定不同下墊面與排水系統(tǒng)水力連接情況[30]，主要步驟包括：①檢查每個不透水下墊面，初步評估其水力特性，判斷其與排水管道的連通性。②觀察每條街道的鋪裝材料，并將街道劃分為是否有路緣石和雨水井，帶有路緣石和雨水井街道為直接與排水系統(tǒng)相連，歸為有效不透水下墊面；否則為向鄰近的透水下墊面排水，歸為非有效不透水下墊面。③觀察建筑屋頂落水管的位置，得到每個建筑的實(shí)際水力連通性。例如，當(dāng)所有落水管連接到雨水管網(wǎng)時(shí)，則屋頂被全部劃分為有效不透水下墊面；當(dāng)屋頂上的所有落水管連接到草坪或其他透水表面時(shí)，則屋頂被全部劃分為非有效不透水下墊面；如果屋頂80%的落水管連接到雨水管，20%連接到草坪或其他透水表面，則80%的屋頂面積被劃分為有效不透水下墊面，20%被劃分為非有效不透水下墊面。

通過實(shí)地調(diào)查可確定所有不透水下墊面與排水系統(tǒng)的連通性。Lee等[77]采用5種精度等級的方法來分析有效不透水面積：第一級為直接采用文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；第二級為利用地理信息系統(tǒng)(GIS)獲取不透水下墊面，實(shí)際結(jié)果為總不透水面積；第三級在第二級的基礎(chǔ)上去除少部分孤立的不透水下墊面；第四級在第三級的基礎(chǔ)上對僅利用GIS資料無法區(qū)分排水方式的街道進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查與測定；第五級為利用GIS確定總不透水面積，并對所有不透水下墊面進(jìn)行實(shí)地調(diào)查與測定，以區(qū)分出有效不透水下墊面。結(jié)果表明，實(shí)地調(diào)查是識別與確定有效不透水下墊面最準(zhǔn)確的方法，但可能需要額外花費(fèi)大量時(shí)間、精力，僅適用于小范圍地區(qū)[66]。

3.2 遙感及影像資料分析法

高分辨率圖像的出現(xiàn)，特別是那些小于5 m分辨率的圖像，以及更高效的圖像處理技術(shù)，共同推動了不透水下墊面遙感技術(shù)的發(fā)展。這些精細(xì)的高空間分辨率圖像包含了豐富的空間信息，為提取更詳細(xì)的專題信息(如土地利用和土地覆蓋)、地物特征(建筑物和道路)以及立體圖像中的信息(如高度和面積)提供了可能[81-82]，多源遙感數(shù)據(jù)(不同空間分辨率、不同時(shí)間分辨率、不同光譜分辨率)也為不透水面的準(zhǔn)確識別提供了重要保障[83]。雖然可以直接從遙感及影像資料中獲取所有不透水下墊面的位置和大小，進(jìn)而計(jì)算出總不透水面積，但有效不透水下墊面測量困難且煩瑣，直接通過遙感及影像資料無法準(zhǔn)確區(qū)分有效不透水下墊面與非有效不透水下墊面[37]。侯精明等[84]采用無人機(jī)航測技術(shù)對西安市西咸新區(qū)的地形進(jìn)行測算，得到高分辨率(1 m)的下墊面分類數(shù)據(jù)，并利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行城市二維洪澇模擬，取得了較好的效果，是國內(nèi)城市雨洪模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取方面開創(chuàng)性的研究[85]。為了解不同不透水下墊面對徑流產(chǎn)生的貢獻(xiàn)，Deng等[46]利用無人機(jī)航拍的高分辨率地面圖像(0.5 m)，采用一種新的分類方法，通過流動路徑將不透水下墊面分為直接與排水系統(tǒng)相連的不透水區(qū)(即有效不透水下墊面)和不直接相連的不透水區(qū)(即非有效不透水下墊面)，對南京大學(xué)仙林校區(qū)的城市降雨徑流過程進(jìn)行了模擬。程濤等[86]利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取精細(xì)化地表信息，基于此建立水文水動力學(xué)多過程耦合模型，評估地形刻畫精細(xì)程度對洪澇模擬的影響，結(jié)果表明，高精度的地形數(shù)據(jù)能更好地刻畫局部洼地，而降低分辨率則會坦化地形使模擬結(jié)果精度偏低。

通過遙感及影像資料確定有效不透水下墊面雖然具有視野開闊、瞬態(tài)成像、成本低等優(yōu)勢，但也存在一些問題：①要想從遙感及影像資料中獲得有效不透水下墊面，還需要配合現(xiàn)場調(diào)查或GIS來確定。現(xiàn)場調(diào)查要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力成本，通過GIS輔助確定時(shí)分辨率要求較高，分辨率達(dá)到最小目標(biāo)直徑的一半時(shí)才能準(zhǔn)確確定不同地物[81]。例如，道路雨水口一般尺寸為750 mm×450 mm，當(dāng)需獲取道路雨水口信息時(shí)，分辨率至少需要為225 mm，而在大型集水區(qū)一般難以實(shí)現(xiàn)。②如果遙感影像資料分辨率較低，則遙感影像中會存在大量的混合像元，而在下墊面高度異質(zhì)性的城市地區(qū)，可能每個像元都會出現(xiàn)混合下墊面類型，造成分類混亂[61]，不透水下墊面評價(jià)的準(zhǔn)確性較低。③高分辨率遙感影像上存在大量的陰影區(qū)域，陰影遮擋是獲取更高精度的高分辨遙感影像不透水層提取所亟待解決的問題之一[87]。地形、高樓或樹木引起的陰影會對不透水下墊面的識別造成一定影響[61,81]。④建筑物屋頂直接連接到排水系統(tǒng)的比例往往無法獲得，需要人為確定，這會帶來一定的主觀隨意性，給有效不透水下墊面的識別和確定造成影響。

3.3 土地利用類型確定法

土地利用類型確定法主要是將有效不透水下墊面的占比與每一類土地利用類型相關(guān)聯(lián)，通過子匯水區(qū)內(nèi)的土地利用情況，計(jì)算出其有效不透水下墊面占比，主要適用于匯水面積較大的情況。這種方法是SWMM用戶手冊推薦的大型集水區(qū)不透水性計(jì)算方法，也是目前我國主要采用的方法。國外早期在確定城市集水區(qū)不透水性方面的大部分工作都用于編制特定土地利用類型內(nèi)不透水面積的占比，商業(yè)、工業(yè)、機(jī)構(gòu)、城市開放用地、高密度住宅區(qū)、中密度住宅區(qū)、低密度住宅區(qū)和森林的不透水下墊面占比分別為56%、76%、34%、11%、51%、38%、19%和19%[88]。

直接按照土地利用類型折算不透水下墊面面積的方法存在一些問題[57]：①同一土地利用類型情況下的不滲透性實(shí)際是有相當(dāng)大變化的，但利用該方法評估不透水性時(shí)，僅按照平均情況來計(jì)算，這表明在實(shí)際應(yīng)用這些比例時(shí)，可能無法提供準(zhǔn)確的結(jié)果；②用于當(dāng)前研究的不透水下墊面比例的基礎(chǔ)研究主要集中在20世紀(jì)70—80年代美國東海岸的城市地區(qū)，經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，城市人口和土地使用模式已經(jīng)發(fā)生了很大變化，不透水下墊面比例也會發(fā)生改變，繼續(xù)沿用可能會造成不透水下墊面評估的不準(zhǔn)確性。

3.4 經(jīng)驗(yàn)公式法

有關(guān)學(xué)者考慮根據(jù)易于獲得的總不透水下墊面，在具有資料條件的地區(qū)建立有效不透水面積與總不透水面積(EIA-TIA)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，先確定總不透水面積，再根據(jù)EIA-TIA經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定有效不透水面積。Alley等[67]利用美國科羅拉多州丹佛市14個城市集水區(qū)的數(shù)據(jù)得到EIA-TIA經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

(1)

式中：AEI為有效不透水面積；ATI為總不透水面積。

基于美國喬治亞州一個集水區(qū)的數(shù)據(jù)，Wenger等[88]提出了線性的EIA-TIA經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

AEI=1.046ATI-6.23

(2)

Sutherland等[75]使用美國俄勒岡州波特蘭市40多個城市集水區(qū)的數(shù)據(jù)，提出了一系列EIA-TIA經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，其中南加州地區(qū)最常用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為

(3)

式中a和b為系數(shù)，取決于雨水排放系統(tǒng)的流域不透水區(qū)域連接條件，a和b不同情況下的取值見表1。

表1 a、b取值Table 1 Values of a and b

Sultana等[66]選擇了南加州沿海地區(qū)的7個城市集水區(qū)，利用單一參數(shù)ATI建立了半干旱的南加州的EIA-TIA回歸關(guān)系：

AEI=0.842ATI-2.159 4

(4)

研究認(rèn)為這種由實(shí)測降雨-徑流關(guān)系分析得到的結(jié)論可以應(yīng)用于其他面積、土地利用類型和地貌特征相似的半干旱流域[67,75]。經(jīng)驗(yàn)公式法主要應(yīng)用于一些有較長實(shí)測資料的地區(qū)，由于有足夠?qū)崪y降雨、徑流資料的區(qū)域很少，特定區(qū)域的EIA-TIA關(guān)系在其余區(qū)域可能適用性較差，大部分地區(qū)無法依賴實(shí)測資料分析出適用于本區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)公式。

3.5 降雨-徑流關(guān)系法

降雨-徑流關(guān)系法為一種利用集水區(qū)實(shí)測降雨和徑流資料直接確定有效不透水面積的方法。與經(jīng)驗(yàn)公式法本質(zhì)相同，主要步驟為：①點(diǎn)繪徑流深-降水量關(guān)系圖；②用最小二乘法對點(diǎn)繪的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析；③舍去回歸線上方徑流深實(shí)測值與估計(jì)值大于1 mm的點(diǎn)，并將剩余點(diǎn)據(jù)繼續(xù)采用最小二乘法進(jìn)行回歸分析；④回歸線上方所有點(diǎn)徑流深實(shí)測值與估計(jì)值均小于1 mm，否則，重復(fù)步驟③，直到回歸線上方所有點(diǎn)位于回歸線1 mm范圍內(nèi)；⑤回歸線1 mm 范圍內(nèi)的點(diǎn)據(jù)為有效不透水面積事件，回歸線1 mm范圍外的點(diǎn)據(jù)為混合事件[66]。降雨-徑流關(guān)系法確定有效不透水面積過程見圖1，圖中回歸線的斜率即為有效不透水面積占集水區(qū)總面積的比例。

圖1 有效不透水面積確定過程Fig.1 Schematic diagram of EIA determination process

Ebrahimian等[70]為了確定有效不透水面積，利用歐洲、加拿大和澳大利亞的11個城市集水區(qū)的實(shí)測資料，提出了基于普通最小二乘法和加權(quán)最小二乘法兩種計(jì)算有效不透水面積的方法，結(jié)果表明，該方法確定的有效不透水面積與實(shí)地調(diào)查獲得的有效不透水面積基本一致。Sultana等[66]采用普通最小二乘法、修正的普通最小二乘法、加權(quán)最小二乘法等方法分析了南加州地區(qū)沿海地區(qū)的7個城市集水區(qū)降雨徑流資料，結(jié)果表明，由加權(quán)最小二乘法得到的有效不透水面積滿足敏感性檢驗(yàn)要求，且確定性系數(shù)最高。

降雨-徑流關(guān)系法雖然可以得到較為準(zhǔn)確的有效不透水面積，但也存在以下問題：①降雨-徑流關(guān)系分析極度依賴于長系列的實(shí)測資料，在無資料地區(qū)并不適用；②降雨-徑流關(guān)系分析得到的是整個集水區(qū)的有效不透水面積，無法獲得有效不透水下墊面在集水區(qū)的空間分布情況。

4 結(jié) 語

城市不透水下墊面的增加，尤其是與排水系統(tǒng)直接連接的有效不透水下墊面的增加，會對城市水文循環(huán)的各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響。由于有效不透水下墊面和非有效不透水下墊面對城市產(chǎn)匯流過程影響不同，有效不透水下墊面是較低重現(xiàn)期降雨就可產(chǎn)生徑流的區(qū)域，是海綿城市及確定排水管網(wǎng)規(guī)模的主要關(guān)注點(diǎn)，其大小、位置、空間格局均會對城市雨洪過程產(chǎn)生一定影響。在城市雨洪精細(xì)管理中必須區(qū)分不透水下墊面的有效性與非有效性，厘清兩者的不同水文過程，這對城市雨洪模擬、城市洪澇防治、海綿城市建設(shè)及城市規(guī)劃具有重要意義。

目前有效不透水下墊面的識別技術(shù)傾向于直接確定集水區(qū)內(nèi)全部有效不透水下墊面，但存在有效不透水下墊面的空間位置不夠明確、無法確定屋頂中有效不透水面積等問題，難以快速、準(zhǔn)確識別城市有效不透水下墊面。由于城市不透水下墊面和透水下墊面構(gòu)成的下墊面系統(tǒng)，在空間上具有異質(zhì)性，時(shí)間上具有可變性，導(dǎo)致城市降雨、徑流之間的響應(yīng)關(guān)系較為復(fù)雜。有效不透水下墊面增加是城市化進(jìn)程中水文循環(huán)變化的主要原因，但其導(dǎo)致變化的關(guān)鍵作用機(jī)理尚缺乏深入研究。未來需通過室內(nèi)試驗(yàn)、野外觀測、模型模擬相結(jié)合的手段，加強(qiáng)城市不透水下墊面大小、空間布局、形狀等特性對城市產(chǎn)匯流過程影響的機(jī)理研究。