城市化影響下區(qū)域水文要素演變特征研究

代凌輝，張東鋒，吳 偉

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封 475004；2.河南省小流域生態(tài)水利工程技術(shù)研究中心，河南開封 475004）

0 引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，人類活動越發(fā)頻繁，改變了原有的土地利用類型，主要表現(xiàn)為地表硬化面積增加，而地表硬化具有弱透水率，低反射率以及大熱容量等物理屬性。城市環(huán)境中人為熱源以及空氣中氣溶膠濃度的增加也是城市化進(jìn)程的產(chǎn)物。研究表明，盡管城市所占全球陸地面積的比例很小，但是卻通過這些改變直接影響了區(qū)域尺度甚至更大空間范圍內(nèi)的水文循環(huán)以及能量循環(huán)特征［1］，如改變城市地區(qū)降雨、產(chǎn)流的規(guī)律以及地表能量的分配方式等，同時引發(fā)了一系列城市環(huán)境問題，如城市熱島［2］，城市雨島［3］，城市洪澇災(zāi)害［4］等。這一系列環(huán)境問題直接威脅到城市居民的生存環(huán)境，影響城市正常運(yùn)行以及社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，進(jìn)一步摸清城市化影響下區(qū)域水文特征演變規(guī)律是十分必要的。

國內(nèi)外針對城市化對降雨的影響已有相關(guān)的研究，Shep‐herd等［5］研究了美國亞利桑那州和沙特首都利亞得的降水變化發(fā)現(xiàn)：城市發(fā)展后期（1950-2003）比城市發(fā)展前期（1895-1949）年平均降水量增加12%～14%；Mote等［6］研究美國亞特蘭大東部郊區(qū)（下風(fēng)向）降雨變化發(fā)現(xiàn)，隨著建設(shè)用地的增加，城市極端降水顯著增加；侯蕾等［8］對永定河上游流域水文要素演變特征開展了相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)氣溫和降水在空間上差異明顯，氣溫有顯著升高趨勢，徑流顯著減少，降水變化趨勢不明顯；吳息等［9］研究發(fā)現(xiàn)，城市效應(yīng)對下風(fēng)區(qū)的短時降水量增加影響明顯，在城中心短歷時暴雨的發(fā)生概率和強(qiáng)度增加明顯；張延偉等［10］研究河南省極端氣候事件變化趨勢發(fā)現(xiàn)，20 世紀(jì)80 年代后極端降水時間呈明顯增加趨勢，最高氣溫和最低氣溫均顯著升高；張志高等［11］人對河南省汛期降水時空變化研究表明，隨著時間的變化，汛期強(qiáng)降水和極端降水日數(shù)增多，有效降水日數(shù)減少趨勢。Yang 等［12］探討了太湖流域蘇錫常和杭嘉湖城市群1961-2006 年期間城市和郊區(qū)降雨差異，結(jié)果表明降水量會隨著城市化水平的增加而在空間和時間尺度上增加。從以往的研究來看，主要集中于城市化對降雨的影響，而隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市化對大氣溫度以及溫度變化與降雨的關(guān)系研究較少。

為摸清城市化影響下區(qū)域降水、氣溫變化特征以及相關(guān)性，以北京市平原區(qū)為研究區(qū)域，選取區(qū)域內(nèi)典型代表站，在實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，分析不同年代下墊面變化特征，探究城市化影響下區(qū)域降水、溫度變化特征及相關(guān)性。為北京市防汛相關(guān)部門決策提供依據(jù)，為保障城市安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 區(qū)域概況

北京城區(qū)位于北京市中部，屬平原區(qū)，共由東城區(qū)、西城區(qū)、朝陽區(qū)、海淀區(qū)、石景山區(qū)、豐臺區(qū)六個區(qū)組成，總面積1 386 km2，隸屬于北京市五大水系之一的北運(yùn)河流域，共有河流90余條，總長度567.7 km。氣候?yàn)榈湫偷呐瘻貛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥，雨熱同期；降水主要集中在夏季，占全年的75%左右。年均降雨量585 mm，年平均氣溫14 ℃。北京行政區(qū)劃見圖1。

圖1 北京市行政區(qū)劃圖Fig.1 Administrative zoning map of Beijing

2 研究方法

以城六區(qū)為主要研究對象，選取近50年不同程度的暴雨量為樣本，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，分析城區(qū)降雨規(guī)律，同時參照郊區(qū)同期變化特征，結(jié)合土地利用類型演變規(guī)律和氣溫、雨強(qiáng)等影響因素，綜合分析城市化影響下區(qū)域水文要素演變特征。

采用土地利用面積比重、土地利用變化幅度、土地利用綜合指數(shù)、土地利用變化度量、土地利用年變化率和動態(tài)度等指標(biāo)來衡量不同時期土地變化情況，具體表達(dá)方式如下。

2.1 土地利用面積比重

土地利用面積比重表示某類土地利用面積與區(qū)域總面積的比值，其表達(dá)式如下：

式中：Wi表示第i類土地利用面積比重；Ai表示第i類土地的面積；At表示區(qū)域總面積。

2.2 土地利用面積變化幅度

土地利用面積變化幅度表示土地在一定時期內(nèi)面積變化的快慢，本文采用土地面積總變化幅度和年變化幅度來進(jìn)行衡量。其計(jì)算公式如下：

式中：Pi總表示i類土地面積總變化幅度；Α初和Α末分別表示該土地類型土地利用研究初期和研究末期的面積；Pi年表示i類土地的年變化幅度；Αa和Αb分別表示該類型土地在a和b時期的面積。

2.3 土地利用綜合指數(shù)

土地利用綜合程度指數(shù)主要反映土地利用的廣度和深度，根據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)、高志強(qiáng)等［13，14］提出的土地利用程度綜合分析方法，計(jì)算公式如下：

式中：La的范圍是100～400，為土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i級的土地利用程度分級指數(shù)；Ci為第i級土地利用程度分級面積百分比。如果La值增大，則表明該區(qū)域土地利用處于開發(fā)期，否則處于衰退或者稱恢復(fù)期。

2.4 土地利用變化度量

為了更好地分析土地利用變化特征并揭示土地利用變化的速率和強(qiáng)度，對每一類土地利用類型采用年變化率和動態(tài)度2 個指標(biāo)度量北京城區(qū)土地利用變化特征。第i種土地利用類型的年變化率Ki的計(jì)算公式為：

式中：Si為監(jiān)測開始時間第i類土地利用類型的總面積；ΔSi.j為監(jiān)測開始至結(jié)束時段內(nèi)第i類土地利用類型與其他土地類型j相互轉(zhuǎn)換后的變化面積；t為時間段；第i類土地利用類型年變化率Ki反映了與t時間段對應(yīng)的研究區(qū)域的該土地利用類型的年變化速率。

第i種土地利用類型的動態(tài)度（Di）的計(jì)算公式為：

式中：Sa為研究區(qū)總面積；|ΔSi.j|為監(jiān)測開始至監(jiān)測結(jié)束時段內(nèi)第i類土地利用類型與其他類土地利用類型j相互轉(zhuǎn)化面積的絕對值；t為時間段；該土地利用類型的動態(tài)度反映了與該時段對應(yīng)的研究區(qū)該土地利用類型變化的劇烈程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時期土地利用變化特征

3.1.1 不同時期土地利用空間變化

根據(jù)1980 年、1990 年、2000 年、2010 年和2018 年五期北京市城區(qū)土地利用遙感解譯數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源于中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫），分辨率為是1 km網(wǎng)格數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)生產(chǎn)制作是以各期Landsat TM∕ETM 遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯生成。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建筑用地。北京城區(qū)不同土地利用類型空間分布情況，分析結(jié)果見圖2。

圖2 北京城區(qū)不同土地利用類型空間分布Fig.2 Spatial distribution of different land use types in Beijing urban area

此次分析按照耕地、綠地、水面和建筑用地4種土地利用類型進(jìn)行分析，圖2 中林地和草地統(tǒng)稱為綠地。從圖2 分析可知，北京城區(qū)綠地主要分布于城區(qū)西北部和西南部，建筑用地主要集中在城區(qū)中心區(qū)，并隨城市化建設(shè)逐步由中心區(qū)向四周擴(kuò)散，耕地由城市中心區(qū)向周邊逐漸減少，隨著時間的推移耕地逐漸轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。

3.1.2 不同時期土地利用變幅

通過對1980-2018 年北京城區(qū)土地利用變幅和1980-1990年、1990-2000 年、2000-2010 年、2010-2018 年4 個階段土地利用變幅分析，得到不同時期北京城區(qū)土地利用變化，結(jié)果見表1。

表1 不同時期土地利用變化Tab.1 Land use change in different periods

經(jīng)分析，1980-2018 年土地利用類型變化最大的為建設(shè)用地，其次為耕地。建設(shè)用地大幅增加，耕地面積大幅減小，綠地面積和水面面積變化相對較小，各類型土地利用變化情況具體如下：

（1）建設(shè)用地面積大幅增加。1980-2018 年建設(shè)用地面積由563 km2增加到1 049 km2，面積增加了486 km2。占總面積比重由40.9%增加到76.1%。建設(shè)用地的總變幅為86.3%，較1980 年面積增加4∕5 多的面積，各階段建筑面積的變化均呈正相關(guān)變化，其中在1990-2000 年變幅較大，為42.4%；1980-1990年、2000-2010年變幅較小，為8.0%左右。

（2）耕地面積萎縮嚴(yán)重。1980-2018 年耕地面積由635 km2縮減到137 km2，面積減少了498 km2。占總面積比重由46.1%減少到9.9%。耕地用地的總變幅為78.4%，較1980年面積減少近4∕5 的面積，各階段耕地面積的變化均呈負(fù)相關(guān)變化，其中1990年以后減少速度較快，在1990-2000 年、2000-2010 年、2010-2018 年，減少百分比分別為44.2%、24.9 和44.1%；1980-1990年年變幅較小，為8.03%。

（3）綠地面積有所增加。1980-2018 年綠地面積由161 km2增加到177 km2，面積增加了16 km2。占總面積比重由11.7%增加到12.8%。綠地面積的總變幅為9.94%，較1980 年面積增加近1∕10 的面積，各階段綠地面積的變化均呈波動性變化，其中在1990-2000 年、2000-2010 年兩個階段綠地面積減少，變幅較小，為5%左右；2010 年以后增加較為明顯，2010-2018 年增加20.4%。

（4）水面面積有所增加。1980-2018 年水面面積由12 km2增加到15 km2，面積增加了3 km2。占總面積比重由0.9%增加到1.1%。水面面積的總變幅為25.0%，較1980 年面積增加近1∕4 的面積，各階段水面面積的變化均呈波動性變化，其中在1980-1990年、1990-2000年、2000-2010年3個階段水面面積增加，增加百分比分別為33.3%、62.5%和34.6%；2010 年以后減少，減少百分比為11.8%。

3.1.3 土地利用綜合指數(shù)

經(jīng)計(jì)算，北京城區(qū)不同時期土地利用程度綜合指數(shù)結(jié)果見表2。

表2 北京城區(qū)不同時期土地利用程度綜合指數(shù)Tab.2 Comprehensive index of land use degree in different periods in Beijing urban area

從表2 中可知，北京城區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)1980 年為327、1990 年為329.7、2000 年為346.7、2010 年為357.3、2018 年為361.9。由此可見自1980年開始北京城區(qū)土地利用程度綜合指數(shù)呈現(xiàn)逐漸增加，說明北京城區(qū)從1980 年開始至2018 年土地開發(fā)利用活動一直處于發(fā)展期，其中在1980 年至1990 年土地利用程度綜合指數(shù)較接近，說明這段時間土地開發(fā)利用活動較少，城市化進(jìn)程較為緩慢。而在1990年以后土地利用程度綜合指數(shù)增長較快，說明1990年以后北京城區(qū)呈現(xiàn)城市化快速發(fā)展，土地開發(fā)利用較為活躍，到2018 年土地利用程度綜合指數(shù)增長10.7%，城市化進(jìn)程明顯。

3.1.4 土地利用變化度量指標(biāo)

經(jīng)計(jì)算，北京城區(qū)不同時期土地利用類型年變化率結(jié)果見表3。

從表3 可知，北京城區(qū)土地利用在1990 年以后變化較為明顯，其中1990-2000 年變化最為明顯。整體表現(xiàn)為耕地不斷減少，建設(shè)用地不斷增加，綠地面積較2010年以前有所增加，水面面積2000 年以后較2000 年以前有所減少。從土地類型變化速率上分析，1990年以后耕地的減少速率和建設(shè)用地的增加速率明顯，尤其在1990-2000 年之間耕地與建設(shè)用地變化明顯，1990-2000年、2000-2010年、2010-2018年3個時期耕地年變化率分別為-4.42%、-2.48%、-5.51%，建設(shè)用地年變化率分別為4.22%、1.17%、1.10%。說明北京城區(qū)該階段處于快速的發(fā)展階段。

表3 土地利用類型年變化率 %Tab.3 Annual change rate of land use type

通過對北京城區(qū)1980-2018年土地利用類型動態(tài)度的分析表明（見表4），1980-1990 年北京市城區(qū)土地利用類型變化不大，說明該時期土地利用開發(fā)較為平穩(wěn)，土地開發(fā)活動不活躍，城市化進(jìn)程較為緩慢，耕地與建設(shè)用地有所變化，變幅分別為0.37%和0.32%。1990 年以后進(jìn)入城市化發(fā)展的快速時期，土地開發(fā)活動較為活躍，土地利用類型變化劇烈，主要表現(xiàn)為耕地面積和建設(shè)用地面積變化明顯，其中在1990-2000 年、2000-2010 年、2010-2018 年3 個時期耕地面積動態(tài)度分別為1.87%、0.59%、0.98%，建設(shè)用地面積動態(tài)變化度分別為1.86%、0.73%、0.77%。而綠地面積在2010-2018 年變化較為劇烈，動態(tài)度為0.27%，較2010年以前增加明顯。水面面積略有變化，變化較為平穩(wěn)。

表4 土地利用類型動態(tài)度 %Tab.4 Dynamic attitude of land use type

3.2 城市化對水文要素影響分析

3.2.1 降雨趨勢對比分析

選取北京市城區(qū)、郊區(qū)典型雨量代表站，站點(diǎn)分布見圖3。

圖3 雨量站點(diǎn)分布Fig.3 Distribution of rainfall stations

根據(jù)1970-2020 年實(shí)測資料選取年最大日雨量、年最大5日雨量和年雨量值3 個指標(biāo)，分析在城市化發(fā)展和氣候條件變化情況下，北京市郊區(qū)和城區(qū)降雨隨時間尺度演變特征。分析結(jié)果見圖4。

圖4 雨量分析結(jié)果圖Fig.4 Rainfall analysis results

通過分析1970-2020年期間城區(qū)雨量特征隨時間尺度的變化趨勢可知，年降雨量和最大5 日降雨量變化趨勢城區(qū)和郊區(qū)均呈下降的趨勢。其原因是城區(qū)和郊區(qū)具有相同的大尺度氣候環(huán)流系統(tǒng)，因此氣象因素對城區(qū)和郊區(qū)的影響效應(yīng)基本相同。城區(qū)年降雨量遞減速率為0.68 mm∕a，郊區(qū)年降雨量遞減速率為1.0 mm∕a；城區(qū)最大5日降雨量遞減速率為0.20 mm∕a，郊區(qū)最大5 日遞減速率為0.49 mm∕a。城區(qū)最大日降雨量呈上升的趨勢，遞增速率為0.43 mm∕a，郊區(qū)最大日降雨量呈下降的趨勢，遞減速率為0.2 mm∕a。說明城市化對城區(qū)降雨影響較為敏感，同時受氣候變化的影響自1970-2020 年降雨量整體呈減小的變化。

3.2.2 增雨效率分析

選取北京市城區(qū)和郊區(qū)為研究區(qū)域，對比分析城市化對降雨的影響，并以增雨系數(shù)作為衡量城市化對降雨的影響程度，增雨系數(shù)等于城區(qū)降雨日數(shù)與郊區(qū)降雨日數(shù)的比值，反映不同時期的降雨頻次。按照1970-1980、1981-1990、1991-2000、2001-2010、2011-2020 五個時期，對不同時期降雨量均值和不同量級降雨增雨系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表5。

表5 不同時期城市化對降雨的影響Tab.5 Effects of urbanization on rainfall in different periods

通過對1970-1980 年、1981-1990 年、1991-2000 年、2001-2010 年、2011-2020 年五個時期降雨量均值和不同量級降雨的增雨系數(shù)分析可知，1970-1980 年和2001-2010 年兩個時期，城區(qū)雨量均值略小于郊區(qū)，其中1970-1980 年城區(qū)雨量均值較郊區(qū)偏小1.53%，2001-2010 年城區(qū)雨量均值較平原區(qū)偏小0.8%，兩者基本持平。而在1981-1990 年、1991-2000 年、2011-2020年三個時期，城區(qū)雨量均值大于郊區(qū)雨量均值，其中1981-1990年城區(qū)雨量均值較郊區(qū)偏大1.88%，1991-2000 年城區(qū)雨量均值較郊區(qū)偏大1.89%，2011-2020 年城區(qū)雨量均值較郊區(qū)偏大3.3%。

整體上分析，城區(qū)降雨頻次均要小于郊區(qū)的降雨頻次，增雨系數(shù)為0.88～0.93，基本保持平穩(wěn)。在中雨量級方面，城區(qū)出現(xiàn)的頻次逐年增加，增雨系數(shù)從0.81 增至1.07。在大雨量級以上城區(qū)出現(xiàn)的頻次要高于郊區(qū)。尤其是2011-2020年城市化較為完善階段，暴雨量級和極端降雨增雨系數(shù)分別為1.64和2.50。

3.2.3 城區(qū)氣溫變化分析

選取北京地區(qū)氣象長系列代表站觀象臺站的最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫71年長序列數(shù)據(jù)資料開展分析研究。對觀象臺站1950-2020 年6-9 月逐月氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析，結(jié)果表明6、7、8、9四個月平均氣溫均呈現(xiàn)略有上升的趨勢。見圖5。

圖5 1950-2020年6-9月氣溫變化情況Fig.5 Temperature change from June to September，1950-2020

通過分析近十年來（2011-2020年）與建國后前十年（1950-1959）6-9 月的月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，上述4 個月的月平均氣溫漲幅在1.81～2.72 ℃之間，其中8 月份月平均氣溫漲幅最大為2.72 ℃。

3.2.4 氣溫與降水關(guān)系分析

將1950-2020 年6-8 月份氣溫?cái)?shù)據(jù)與大雨以上量級平均降雨日數(shù)、極端降雨站次進(jìn)行相關(guān)分析，見表6。

根據(jù)表6 可以看出，北京城區(qū)大雨以上量級降雨日數(shù)與6、7、8 月的氣溫序列均呈現(xiàn)正相關(guān)；1 h 降水量在50～70 mm 和70 mm 以上站次數(shù)與7、8 月份最高氣溫和平均氣溫呈現(xiàn)弱的正相關(guān)性；8月份平均氣溫與上述4種降雨統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目均呈現(xiàn)正相關(guān)。

表6 氣溫與降水相關(guān)分析Tab.6 Correlation analysis of temperature and precipitation

4 討論

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，城市化不同階段城區(qū)與郊區(qū)在不同等級降雨方面存在差異。在中雨量級方面，在城市化發(fā)展各階段城區(qū)相對于郊區(qū)增雨系數(shù)大致呈遞增的趨勢。在大雨量級方面，各時期增雨系數(shù)變化波動較大，在2001-2010年城區(qū)大雨出現(xiàn)頻次明顯高于郊區(qū)。說明在此階段城區(qū)大雨出現(xiàn)的概率要高于郊區(qū)。在暴雨量級和極端降雨方面，城市化發(fā)展各階段暴雨以上量級降水城區(qū)發(fā)生的頻次總體高于郊區(qū)，尤其是2011-2020 年城市化較為完善階段，城區(qū)較郊區(qū)發(fā)生暴雨量級以上的降水事件可能性較大?？赡苡幸韵聨追矫嬖颍涸诔鞘谢l(fā)展過程中，城區(qū)大量自然植被在人類活動影響下，地表硬化面積增加，表面反射率小，太陽輻射產(chǎn)生的熱量被接近地層表面大氣所吸收，在城市發(fā)展過程中使大氣中CO2和污染物顆粒濃度升高，對空氣中太陽輻射的熱量吸收率大大提升，致使城區(qū)增溫速率明顯高于郊區(qū)，形成城市“熱島”［15-17］。在城市“熱島效應(yīng)”作用下，空氣受熱膨脹引起上升運(yùn)動的加強(qiáng)，使城區(qū)近地層形成區(qū)域低壓中心，平原區(qū)冷空氣逐漸向城區(qū)輻合，形成城市“熱島環(huán)流”?！盁釐u環(huán)流”的產(chǎn)生使得城市空氣層結(jié)不穩(wěn)定，上升氣流在良好的熱力條件下能夠引發(fā)濕對流，從而形成降水［18］。

5 結(jié)論

針對城市化影響下水文要素的演變特征開展研究，分析了城市化進(jìn)程不同時期區(qū)域土地利用變化特征，研究城市化影響下區(qū)域降雨、氣溫的變化以及氣溫與降雨的相關(guān)性分析，主要得出以下結(jié)論。

（1）1980-2018 年北京城區(qū)建筑用地主要集中在城區(qū)中心區(qū)，并隨城市化建設(shè)逐步由中心區(qū)向四周擴(kuò)散，耕地由城市中心區(qū)向周邊逐漸減少，隨著時間的推移耕地逐漸轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。1980-1990 年北京市城區(qū)土地利用類型變化不大，說明該時期土地利用開發(fā)較為平穩(wěn)，土地開發(fā)活動不活躍，城市化進(jìn)程較為緩慢。1990年以后進(jìn)入城市化發(fā)展的快速時期，土地開發(fā)活動較為活躍，土地利用類型變化劇烈，主要表現(xiàn)為耕地面積和建設(shè)用地面積變化明顯，水面面積略有變化，變化較為平穩(wěn)。

（2）1970-2020年期間城區(qū)、郊區(qū)年降雨量和最大5日降雨量均呈下降的趨勢。隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展城區(qū)降雨雨量和發(fā)生頻次要高于郊區(qū)。

（3）建國以來北京城區(qū)大雨以上量級降雨日數(shù)有所增加，6-9 月北京城區(qū)氣溫呈現(xiàn)小幅上漲，月平均氣溫漲幅在1.81～2.72 ℃之間，其中8 月份月平均氣溫漲幅最大（2.72 ℃）；城區(qū)大雨以上量級降雨日數(shù)與6、7、8三個月的氣溫序列呈現(xiàn)不同程度的正相關(guān)，其中8 月份平均氣溫相關(guān)性最顯著；8 月份平均氣溫與1 h降水量大于25 mm呈正相關(guān)。