2000—2021年鄭州市土地利用變化及對綜合徑流系數(shù)的影響

姜 宇，王行漢，周曉雪，陳靜霞，俞國松，吳 丹，鄺高明，陳?；ǎ顦洳ǎ状合?，杜德杰，藍振瑋

(1.廣州珠科院工程勘察設計有限公司，廣東 廣州 510611；2.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611；3.水利部珠江河口治理與保護重點實驗室，廣東 廣州 510611)

隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟社會不斷發(fā)展，城市化進程加快，由土地利用所引起的下墊面變化對區(qū)域環(huán)境、氣候、水文特性產(chǎn)生了重大影響，如城市“熱島”“雨島”現(xiàn)象[1]、區(qū)域氣候變化[2-3]以及城市暴雨洪澇災害等[4-5]。其中暴雨洪澇災害是指由暴雨造成洪澇的氣象災害，其突發(fā)性強、破壞性大、影響面積廣，是中國各大城市頻發(fā)的主要自然災害類型[6]，對中國社會經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)造成了嚴重的威脅[7]，2021年河南鄭州“7·20”暴雨洪澇災害，全省共1 453.16萬人受災，302人死亡，50人失蹤，直接經(jīng)濟損失達1 142.69億元。縱觀近幾十年中國發(fā)生的暴雨洪澇災害，不僅造成了巨大經(jīng)濟損失和人員傷亡[8]，而且后續(xù)影響極大，往往需要較長的時間才能恢復受災地區(qū)社會經(jīng)濟和人民生活。因此，深入研究暴雨洪澇災害影響因子對城市減災工作具有重要的實踐意義。

城市暴雨洪澇災害的形成與城市土地利用、氣象、水文等因素息息相關。土地利用變化是洪澇災害形成過程的關鍵因素，隨著城市化不斷發(fā)展，中國各大城市及周邊下墊面發(fā)生劇烈的變化，如地面硬化率提高、不透水面積擴大、湖泊溝塘等調蓄水體面積縮小以及林草地面積縮減等現(xiàn)象，促使城市地表徑流發(fā)生變化，城市洪澇災害風險上升，城市防洪排澇工作面臨著巨大挑戰(zhàn)。在此背景下，針對城市土地利用變化對城市暴雨洪澇災害的影響，史培軍等[9]以深圳市為例定量分析了土地利用方式、土壤類型、降雨等因素對降雨-徑流關系的影響，結果表明隨著人類活動的加劇，土地利用的變化使地表徑流量趨于增大。袁藝等[10]使用分布式水文模型就土地利用變化對流域暴雨洪水匯流過程的影響進行了模擬。模擬結果表明，城市化過程中土地利用結構與格局的變化，使得暴雨洪水的最大洪峰流量和洪量加大，匯流時間變短。郭宗鋒等[11]基于土地利用信息和土壤資料分析了土地利用和土地覆被變化對徑流的影響，研究結果表明，西雙版納土地利用變化使流域徑流系數(shù)增大。樸希桐等[12]以蚌埠市為例，耦合SCS產(chǎn)流模型、二維水動力匯流模型和等效排水管網(wǎng)模型模擬城市暴雨內澇形成過程，對比分析了下墊面變化對內澇災害的影響，研究結果表明下墊面變化是引起澇災程度變化的直接原因。除此之外，周峰等[13]針對平原區(qū)城鎮(zhèn)化過程中引起的洪澇加劇問題，分析了城鎮(zhèn)化過程中下墊面特征變化及其對區(qū)域洪澇調蓄能力的影響，結果表明下墊面變化導致區(qū)域可調蓄洪澇的空間減少，洪澇風險程度加大。

綜上所述，城市化發(fā)展過程中人類活動引發(fā)的土地利用變化導致了城市地表徑流增多，徑流系數(shù)變大，地表匯流時間變短，洪峰流量和洪量增加，城市洪澇風險增加。因此，探討城市下墊面的變化對城市徑流系數(shù)的影響具有非常重要的實際應用價值?；卩嵵菔卸嗄赀b感影像，考慮城市化進程對水文過程的影響，本研究將鄭州市影像主要劃分為建設用地、林草地、水體、耕地和其他用地五大類，并利用轉移矩陣分析鄭州市土地利用時空變化特征，分析鄭州市城鎮(zhèn)化過程中地面硬化率及區(qū)域綜合徑流系數(shù)變化，以期為鄭州市土地利用規(guī)劃和防洪排澇工作提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

鄭州市位于河南省中部偏北，地處東經(jīng)112°42′～114°13′，北緯34°16′～34°58′，平均海拔108 m，整體地勢西南高，東北低，地貌主要為低山丘陵地。鄭州市共12區(qū)(縣)，分別為中原區(qū)、二七區(qū)、管城回族區(qū)、金水區(qū)、上街區(qū)、惠濟區(qū)、中牟縣、鞏義市、滎陽市、新密市、新鄭市、登封市，總人口為988.1萬人，總面積約為7 500 km2，其中市區(qū)面積1 010 km2，中心城區(qū)建成區(qū)面積549.33 km2。鄭州市屬北溫帶大陸性季風氣候，春季少雨，夏季多雨，年平均氣溫14.4°C，年平均降雨量640.9 mm。市內大小河流124條，分屬于黃河和淮河兩大水系，其中流經(jīng)鄭州段的黃河150.4 km。鄭州市地理位置及地形地貌見圖1。

圖1 研究區(qū)域示意

1.2 遙感影像數(shù)據(jù)

遙感影像數(shù)據(jù)來源于Landsat-7和Landsat-8。Landsat-7發(fā)射于1999年4月15日，攜帶增強型專題制圖儀(Enhanced Thematic Mapper,ETM+)傳感器。Landsat-8發(fā)射于2013年2月11日，攜帶陸地成像儀(Operational Land Imager,OLI)和熱紅外傳感器(Thermal Infrared Sensor,TIRS)，ETM+和OLI傳感器具體波段信息見表1。為保證試驗一致性，本研究選擇三景黃河平水期的遙感影像進行分類處理，其分別為2000年4月5日Landsat-7 ETM+影像和2014年5月6日、2021年3月22日Landsat-8 OLI影像，3景影像云覆蓋度均小于5%，研究區(qū)域影像質量較好，符合研究需求。

由于地形、大氣、光照和傳感器等因素，導致遙感接收波譜信息具有一定誤差，不能直接應用于實際生產(chǎn)中，因此在遙感應用必須對影像進行輻射定標、大氣校正等預處理流程，一定程度消除或減弱遙感影像偏差。研究基于ENVI軟件平臺，采用FLAASH(Fast line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes)大氣校正模型，實現(xiàn)Landsat影像輻射定標及大氣校正，并通過Gram-Schmidt方法融合低分率多光譜數(shù)據(jù)和高分辨率全色波段，最終獲得研究區(qū)域15 m空間分辨率的多光譜影像數(shù)據(jù)。基于融合處理后的影像數(shù)據(jù)，建立了建設用地、林草地、水體、耕地和其他用地共5種地物類型的分類體系，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡分類方法，解譯獲得鄭州市2000、2014、2021年的土地利用。3期影像的分類指標Kappa系數(shù)[14-16]分別為0.90、0.98、0.95，滿足本研究后續(xù)分析。

表1 遙感影像波段信息

2 研究方法

2.1 土地利用變化分析方法

轉移矩陣[17-18]來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉移的定量描述，其反映在一定時間間隔下，一個系統(tǒng)從T時刻向T+1時刻狀態(tài)轉化的過程，利用該方法可以更好地揭示土地利用格局的時空演化過程。轉移矩陣數(shù)學表達形式見式(1)。

(1)

式中S——各下墊面統(tǒng)計面積；Sij——2個時期之間的土地利用轉移矩陣；n——土地利用的類別。

2.2 綜合徑流系數(shù)計算方法

綜合徑流系數(shù)是城市年徑流總量控制率計算的一個關鍵參數(shù)，其取值的大小對城市雨水系統(tǒng)設計具有重要指導意義。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設部出臺的《海綿城市建設技術指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建(試行)》[19]，綜合徑流系數(shù)是不同種類下墊面雨量徑流系數(shù)與面積占比的加權平均值，計算公式見式(2)：

(2)

式中ψ——研究區(qū)綜合徑流系數(shù)；n——研究區(qū)內下墊面覆蓋類型；Si——第i種下墊面種類的面積；ψi——對應徑流系數(shù)；S——研究區(qū)域總面積。

《室外排水設計規(guī)范》[20]中推薦各下墊面種類徑流系數(shù)范圍見表2。

表2 徑流系數(shù)取值

綜合考慮《室外排水設計規(guī)范》、土地利用分類體系和遙感影像分辨率，研究由于遙感影像中城區(qū)及周邊可識別道路寬度為30 m，判斷其主要是混凝土或瀝青路面，按照相應各類屋面、混凝土或瀝青路面規(guī)范范圍取中間值；林草地、耕地按照公園或綠地徑流系數(shù)取值范圍取中間值；水體取值為1；其他用地主要為裸地等，按照土路面徑流系數(shù)取值范圍取中值。綜上，本研究中各土地利用對應徑流系數(shù)見表2。

3 結果與分析

3.1 土地利用時空變化特征

3.1.1土地利用分類結果

鄭州市土地利用結果見圖2，分析可知主要的土地利用類型為耕地、林草地，其次為建設用地、水體等。其中2000年(圖2a)耕地主要分布于鄭州市北部、東部以及部分山區(qū)，林草地主要分布于西南山區(qū)，建設用地主要分布于鄭州市中部，空間分布范圍較為聚集，主要呈現(xiàn)點狀分布，水體主要為鄭州市北部黃河段水體、少量水庫及山區(qū)河流。隨著21世紀城市化進程的快速推進，2014年(圖2b)、2021年(圖2c)鄭州市下墊面覆蓋類型空間分布結構發(fā)生劇烈變化，建設用地迅速向林草地、耕地的擴張，在整個空間中呈現(xiàn)出面狀分布，而耕地空間分布顯著縮減，西南山區(qū)林草地空間分布格局呈現(xiàn)零散化分布格局。對比分析2014、2021年鄭州市土地利用分類結果可知，城區(qū)面積進一步擴大，林草地、耕地空間分布進一步縮減，整體上形成了建設用地、耕地、林草地交錯分布的空間分布格局。

a)2000年

b)2014年

3.1.2土地利用時序變化特征

根據(jù)鄭州市2000、2014、2021年土地利用分類結果，各類土地利用面積及占比情況見表3。由表3可知2000年鄭州市土地利用主要為耕地、林草地、建設用地，面積分別為3 823.62、2 629.52、936.90 km2，占鄭州市總面積50.41%、34.67%、12.35%，三者共占比約97%，而水體和其他用地面積分別為158.13、36.35 km2，占比為2.09%和0.48%；2014年土地利用發(fā)生了較大變化，其中建設用地面積增加了1 206.12 km2，占比為28.26%，林草地和耕地面積分別減少1 244.83、260.65 km2，占比分別為18.26%和46.98%，水體面積較2000年變化較小，其面積為197.83 km2，占比為2.60%，但其他用地總面積變化較為明顯，較2000年增加了259.66 km2；2021年鄭州市建設用地、林草地、水體較2014年顯著增加，三者總面積分別為2 362.87、1 852.27、232.44 km2，占比為31.15%、24.42%、3.07%，分別增加219.85、467.58、34.61 km2，耕地和其他用地面積分別為3012.74、124.20 km2，占比為39.72%、1.64%，相比2014年的3 562.97、296.01 km2分別減少了550.23、171.81 km2。

綜上分析可得，隨著鄭州市的快速城市化發(fā)展，2000—2021年間鄭州市建設用地、林草地、耕地面積變化較大，其中建設用地面積呈現(xiàn)增加趨勢，共增加了1 425.97 km2，林草地、耕地面積呈現(xiàn)下降趨勢，兩者分別減少了777.25、810.88 km2，水體及其他用地面積處于小幅度增長趨勢。

表3 2000、2014、2021年鄭州市土地利用情況

3.1.3土地利用空間變化特征

利用轉移矩陣方法計算得鄭州市2000—2021年各土地利用類型詳細變化情況結果見表4、5、6，土地利用空間變化情況見圖3。

由表4可知，2000—2014年鄭州市土地利用變化總量共3 145.48 km2，占鄭州市總面積的41.47%，從增加角度分析，變化量最大的地類是建設用地和耕地，兩者分別增加1 433.47、1 125.42 km2，增加的建設用地主要由耕地(994.90 km2)和林草地(412.39 km2)轉入，增加的耕地主要由林草地(915.43 km2)轉入，變化量其次的是其他用地、林草地以及水體，其增加量分別為288.26、173.37、124.96 km2。由表5可知，2014—2021年土地利用變化總量為2 631.31 km2，占鄭州市總面積的34.69%，同樣從增加角度分析，變化量最大的地類為林草地、建設用地和耕地，三者分別增加847.89、832.27、729.14 km2，林草地主要由耕地(609.75 km2)轉入，建設用地主要由耕地 (557.87 km2)轉入，其中耕地主要由建設用地(384.20 km2)和林草地(257.26 km2)轉入，水體和其他用地變化量較小，增加量分別為120.89、101.12 km2。由表6可知，2000—2021年鄭州市土地利用變化總量為3 291.05 km2，占鄭州市總面積的43.39%，同理從增加角度分析，各地類新增變化量由大到小依次為建設用地、耕地、林草地、水體、其他用地。其中新增建設用地主要由耕地(1 132.51 km2)和林草地(481.01 km2)轉入，其余由水體和其他用地轉入；新增耕地主要由林草地(716.81 km2)轉入；新增林草地由耕地(393.40 km2)轉入；水體及其他用地增加量較少。

表4 2000—2014年鄭州市土地利用變化

表5 2014—2021年鄭州市土地利用變化

表6 2000—2021年土地利用變化

a)2000—2014年

由圖3分析可知，2000—2021年不同用地類型間轉換方式多樣，主要表現(xiàn)為其他土地利用類型向建設用地、耕地、林草地的流轉，2000—2014年(圖3a)各地類相互轉換比2014—2021年(圖3b)更為活躍。由2000—2014年(圖3a)土地利用變化分布情況可知，鄭州市土地利用發(fā)生變化的范圍分布較廣，其中新增建設用地主要由耕地和林草地轉入(表4)，占新增所有新增地類的45.57%，空間上圍繞中心城區(qū)呈現(xiàn)輻射狀分布，主要集中于金水區(qū)、惠濟區(qū)、中原區(qū)、中牟縣、新鄭市、管城回族區(qū)等，該階段內鄭州市由人口665.9萬人增加到937.8萬人，生產(chǎn)總值由728.4億元增長至6 777.0億元(http://tjj.zhengzhou.gov.cn/)，而隨著城市人口和經(jīng)濟的快速增加，城鎮(zhèn)用地需求不斷增長，因此該階段人口和經(jīng)濟的驅動是導致該階段城市建設用地的大規(guī)模擴張的主要原因；新增耕地主要由林草地轉入(表4)，占新增所有新增地類的35.78%，主要圍繞鄭州市西南山區(qū)及黃河沿岸分布，如登封市、新密市、鞏義市、滎陽市、中牟縣等，人口數(shù)量持續(xù)增加加大了對糧食的消費需求，這直接推動了林草地向耕地的轉換過程；新增林草地、水體、其他用地比建設用地和耕地發(fā)生變化區(qū)域小，分別占比5.51%、3.97%、9.17%，且新增其他用地主要分布于中心城區(qū)周圍，主要是由于2014年鄭州市還未完全城市化，許多地區(qū)還處于半開發(fā)階段，影像分類時將其分類為裸地導致。綜合分析2014—2021年(圖3b)土地利用空間變化特征可知，該階段內鄭州市地類變化較弱，主要表現(xiàn)為林草地(主要由耕地轉入)、建設用地(主要由耕地轉入)和耕地(主要由林草地和建設用地轉入)的新增，三者分別占新增總面積的32.22%、31.63%、27.71%(表6)，相比上一階段，建設用地和耕地增加面積大幅減少，而林草地增加面積大幅上升，而導致這一現(xiàn)象的主要原因是建設用地擴張收縮和國家退耕還林還草等政策的實施，值得注意的是這一階段內大部分其他用地轉換為建設用地，這主要是由于上一階段中心城區(qū)周圍尚未完全開發(fā)區(qū)域已經(jīng)完全被開發(fā)為建設用地。2000—2021年鄭州市土地利用空間變化特征基本與2000—2014年一致，即新增總面積主要為新增建設用地(49.94%)和耕地(27.07%)，其中新增建設用地主要由耕地和林草地轉入，耕地主要由林草地轉入(表6)，其次為新增林草地、水體、其他用地(14.60%、4.81%、3.58%)，其中新增建設用地圍繞中心城區(qū)呈現(xiàn)輻射狀分布。

綜上，鄭州市2000—2014年土地利用轉換過程比2014—2021年更為活躍，兩者土地轉換總面積分別為41.47%和34.69%(2000—2021年為43.39%)，主要表現(xiàn)為耕地、林草地和建設用地三者之間的相互轉換，其中2000—2014年土地轉換類型主要為耕地、林草地轉換為建設用地，林草地轉換為耕地，2014—2021年主要為耕地向林草地和建設用地的轉換、林草地和建設用地向耕地的轉換。

3.2 城市硬化率與綜合徑流系數(shù)分析

基于表2土地利用徑流系數(shù)取值和鄭州市2000、2014、2021年土地利用分類結果，計算得鄭州市及各區(qū)綜合徑流系數(shù)和地面硬化率見表7、兩者時間變化見圖4。

表7 綜合徑流系數(shù)/地面硬化率

a)綜合徑流系數(shù)

由表7可知，2000—2021年鄭州市整體綜合徑流系數(shù)從0.24逐步上升到0.40，城市地面硬化率也從12.32%增加至31.14%，呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。同時，各區(qū)縣計算結果也與鄭州市整體趨勢一致，各區(qū)縣綜合徑流系數(shù)與地面硬化率均在不斷地提升。2000年鄭州市內區(qū)縣級綜合徑流系數(shù)最高值為金水區(qū)0.43，最低值為登封市0.16，該年平均值為0.29；2014年各區(qū)縣級綜合徑流系數(shù)最高值仍然為金水區(qū)0.69，其次為中原區(qū)、上街區(qū)、管城回族區(qū)，該3個區(qū)綜合徑流系數(shù)也均高于0.6，最低值為登封市0.26，該年平均值為0.49；2021年區(qū)縣級綜合徑流系數(shù)最高值為金水區(qū)、管城回族區(qū)，其值均為0.69，其次為中原區(qū)，其值分別為0.67，最低值為登封市0.27，該年平均值為0.50。同理分析地面硬化率計算結果可知，2000年鄭州市各區(qū)縣地面硬化率在5.34%～30.11%，平均值為17.50%，其中達到20%以上的區(qū)縣主要為中原區(qū)、上街區(qū)、金水區(qū)、管城回族區(qū)、二七區(qū)，在10%以下的主要為登封市和滎陽市；2014年各區(qū)縣地面硬化率在16.12%～67.88%，平均值為40.89%，其中中原區(qū)、上街區(qū)、金水區(qū)、管城回族區(qū)均達到60%以上，且除登封市之外其余區(qū)縣均大于20%；2021年各區(qū)縣地面硬化率在17.61%～70.71%，平均值為43.58%，其中中原區(qū)、金水區(qū)、管城回族區(qū)達到65%以上，同2014年一致，除登封市之外其余區(qū)/縣均大于20%。

由圖4a分析2000—2021年鄭州各區(qū)綜合徑流系數(shù)變化情況可得，2000—2014年鄭州市各區(qū)縣綜合徑流系數(shù)變化量位于0.1～0.4，其中變化最大的為管城回族區(qū)，其綜合徑流系數(shù)上升了0.35，其次為中原區(qū)，上升了0.31，變化最小的為登封市、新密市，其變化量僅有0.10；2014—2021年各區(qū)/縣綜合徑流系數(shù)變化量位于-0.1～0.1，相比2000—2014年，每區(qū)縣變化量均較小，較為特別的是中原區(qū)和上街區(qū)的綜合徑流系數(shù)系數(shù)有所下降；2000—2021年各區(qū)(縣)綜合徑流系數(shù)變化量與2000—2014年相似，變化較大仍然為管城回族區(qū)和中原區(qū)。由圖4b分析鄭州各區(qū)地面硬化率變化情況可得，2000—2014年鄭州市各區(qū)縣地面硬化率變化量在10%～50%，地面硬化率上升最快的為管城回族區(qū)(40.25%)和中原區(qū)(38.18%)；2014—2021年地面硬化率變化量在-10%～10%，與綜合徑流系數(shù)相似，在該時間段內地面硬化率變化量較小，除上街區(qū)呈現(xiàn)出下降現(xiàn)象外，其余區(qū)縣均存在上升現(xiàn)象。2000—2021年各區(qū)/縣地面硬化率變化量在10%～60%，管城回族區(qū)、中原區(qū)、金水區(qū)變化最為明顯，其變化量分別為50.12%、38.56%、38.42%，其次為二七區(qū)和惠濟區(qū)，其變化量為33.35%和31.28%。

綜上，隨著城鎮(zhèn)化高速發(fā)展，2000—2021年鄭州市綜合徑流系數(shù)從0.24上升到0.40，城市地面硬化率也從12.32%增加至31.14%，2個指標均呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，各區(qū)縣計算結果也與鄭州市整體趨勢一致。

4 結論

基于鄭州市2000、2014、2021年Landsat遙感影像，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡分類方法獲得鄭州市3個時期土地利用分類數(shù)據(jù)，結合轉移矩陣定量統(tǒng)計鄭州市土地利用變化情況，分析了鄭州市土地利用時空變化特征，并計算鄭州市區(qū)域綜合徑流系數(shù)以及城市地面硬化率，結論如下。

a)2000—2021年鄭州市土地利用變化劇烈，其中建設用地面積呈現(xiàn)增加趨勢，共增加了1 425.97 km2，林草地、耕地面積呈現(xiàn)下降趨勢，兩者分別減少了777.25、810.88 km2，水體及其他用地面積處于小幅度增長趨勢。

b)2000—2021年鄭州市土地利用轉換面積總占比43.39%，其中2000—2014年(41.47%)比2014—2021年(34.69%)更為活躍，轉換類型主要表現(xiàn)為耕地、林草地和建設用地三者之間的相互轉換，2000—2014年土地轉換類型主要為耕地、林草地轉換為建設用地，林草地轉換為耕地，2014—2021年主要為耕地向林草地和建設用地的轉換、林草地和建設用地向耕地的轉換。

c)鄭州市綜合徑流系數(shù)和城市地面硬化率均呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。其中綜合徑流系數(shù)從0.24上升到0.40，城市地面硬化率也從12.32%增加至31.14%。