深圳市不透水表面扩展对径流量的影响

刘珍环，曾祥坤

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081;2.农业部农业信息技术重点实验室，北京 100081;3.深圳市蕾奥城市规划设计咨询有限公司，广东深圳 518040)

土地利用/覆被变化对水文的影响是全球环境变化下水文循环研究的热点。IHP、WCRP、IGBP、GWSP 等研究计划都密切关注环境变化下的水循环过程［1］。城市化对流域水文影响的范围及程度是城市水文研究的难点［2］。城市土地利用中将自然地表转化为不透水表面，由城市地区的屋顶、道路和铺砌地砖等组成的不透水表面，减少了透水性地面［3-4］，改变了下垫面形式，从而影响区域的水热交换，对区域的降水再分配产生决定性影响［5-6］。模拟城市不透水表面扩展对城区径流量的影响程度，对城区防洪设计、减少洪涝灾害有较重要的意义。

SCS 降雨曲线是当前国内外广泛用来模拟降雨径流形成过程的主要方程，因其参数简单、使用范围广、模拟准确度高，成为SWAT［7-8］、L-THIA［9］、AGNPS［10］模型等的首选。我国从20 世纪90 年代开始引进SCS 曲线模拟无水文监测地区［11］和城市地区［12-14］的径流量。应用SCS 降雨曲线模拟城市地区径流量时，需要考虑参数修正［3，15-16］。对不透水表面面积的变化导致城市径流量的变化尚未有研究报道，是值得深入的研究热点［17］。

深圳市是我国快速城市化的典型地区之一，经历了近30 a 的大规模建设，地表覆被变化迅速，水文径流受到巨大影响。目前已有人研究该地区径流的影响［18-20］，但这些研究都以土地利用/覆被分类数据为基础，参数的合理性还有待深入探讨［21］。一直以来，不透水表面百分比数据的获取是制约该参数应用于城市水文模拟研究的主要障碍［22］。本研究应用遥感技术获取城市像元尺度的不透水表面百分比数据，旨在为城市化地区的水文研究提供新视角，也为城市发展面临的洪涝灾害等问题的解决提供科学决策依据。

1 研究区概况及数据源

1.1 概况

深圳市位于广东省中南部沿海，东临大亚湾，西濒珠江口，北与东莞市和惠州市接壤，南与香港特别行政区仅一河之隔。陆地范围为东经113°45'44″～114°37'21″，北纬22°26'59″～22°51'49″。30 a 来，深圳市从一个昔日人口只有33 万、GDP 为2.7 亿元的边陲小镇发展为2008 年全市人口876.83 万、GDP为7 806.54亿的集工业、贸易、旅游、金融于一体的初具规模的现代化城市。深圳市共有大小河流310余条，其中流域面积大于10 km2的有69 条，流域面积大于100 km2的有5 条，即深圳河、茅洲河、龙岗河、观澜河和坪山河。深圳市境内的河流主要以海岸山脉和羊台山为主要分水岭，分成南、西、北3 个水系。南部诸河注入深圳湾、大鹏湾、大亚湾，称海湾水系;西部诸河注入珠江口伶仃洋，称珠江口水系;北部诸河注入东江的一、二级支流，称东江水系。多数河流直接入海，形成小流域。笔者选择深圳河、大沙河、西乡河、茅洲河、观澜河、龙岗河、坪山河7个河流流域，和石岩水库、西丽水库、深圳水库、铁岗水库4 个水库流域，共11 个不同城市化阶段的城市子流域作为研究对象。这11 个流域在水系上相互独立，无直接的水力联系，流域径流量约占全深圳市径流量的60%。

1.2 数据源

研究数据主要有遥感、地形、降雨、土壤以及水文监测数据(表1 ～2)。其中遥感影像主要为8 景Lansat TM/ETM +影像，以轨道号121/44 和122/44为代表的左右两景影像拼接覆盖全境。降雨数据为深圳雨量站的1952—2008 年逐日、逐旬的降雨量数据。此外，从《深圳市水文年鉴》及自动观测站汇总数据，得到1960—2008 年间11 个站点的逐月和年降雨量数据。SCS 降雨曲线模型将USDA 分类系统中的土壤综合为A、B、C、D 4 种类型，分别代表不同下渗率的土壤，其含义见美国土壤调查委员会的标准［8］。本研究采用1983 年深圳自然资源调查成果中的土壤类型图为基础，对原土壤类型按照模型参数需求进行归并。鉴于土壤属性较为稳定，本研究忽略土壤类型的变化。

表1 数据来源情况

2 研究方法

2.1 不透水表面遥感

运用线性光谱分离技术获取LandsatTM/ETM+在30 m 像元内不透水表面百分比数据。影像处理过程包括几何校正、大气辐射校正、图像裁切、最小噪音分离、纯像元处理、端元收集、线性光谱分离、结果的检验与校正等［23］。不透水表面在遥感信息上表现为高反照率与低反照率组合的特征。线性光谱分离的算法为:选取端元，确定典型地物波谱特征;端元组合为植被-高反照率-低反照率-土壤端元;对水体进行掩模处理;应用最小二乘法分解像元，公式［24］为

式中:Riλ为第i 个像元在λ 波段的反射率;fki为第k个基本组分在第i 个像元中所占的面积比例;Ckλ为第k 个基本组分在λ 波段的反射率;εiλ为残差值。相关解译及检验结果参见文献［25］。

2.2 降雨径流关系模型

径流模拟采用SCS 降雨曲线模型。SCS 降雨曲线模型是美国水土保持局在1972 年提出的一种用曲线值(CN)计算径流量的方法，它可以模拟较长时间尺度下城市地区不透水表面百分比的变化对径流及水环境污染的影响程度［26-27］。计算公式为

当Ia=0.2S，且Rd＞Ia时，

式中:Qs为日径流深，mm;Rd为日降雨深，mm;S 为最大持留系数;Ia为包括地表存储、拦截及渗透的初损雨量。

CN 值是一个无量纲参数，是SCS 降雨曲线模型的主要参数，用于描述降雨-径流关系，可将前期土壤湿润程度(AMC)、坡度、土壤类型和不透水表面百分比等因素综合起来。但在长期影响的模拟中，常常忽略前3 者变化带来的影响，因为这种变化对一次降雨过程影响较大，但对年际的影响较小。CN 值把流域下垫面条件定量化，用量化的指标来定量反应下垫面条件对产汇流过程的影响。

城市不透水表面百分比是影响地表径流的主要因素，根据SCS 降雨曲线对应于地表土壤水文组合条件，将城市不透水表面百分比按照覆盖度值区间分为21 个等级。卜心国等［28］的研究表明，深圳市的建设用地大都集中于坡度在5%以下的地区，因此城市地区需用城市CN 计算公式进行修正［29］:

式中:CNISA为不透水表面像元的CN 值;CNISAO为不透水表面百分比为0 时的CN 值;IISA为像元的不透水表面百分比。

将不透水表面覆盖度等级转化为CN 值。SCS降雨曲线的CN 值是在美国的经验值，适用于美国大多数条件下的自然河流及坡度小于5%的地区，而深圳市的大部分流域坡度大于5%，因此需要对其进行坡度修正。采用以下公式修正［30］:

式中:CN2s为修正后的曲线值;CN3为前期降雨湿润度较大时的曲线值;CN2为前期降雨湿润度平均时对应的曲线值;Sl为坡度值。

修正后可得到深圳市的不透水表面CN 值的空间分布［31-32］，见图1。模拟软件为Matlab7.0 及长期水文影响径流模型L-THIA。

图1 深圳市不透水表面的CN 值空间分布

将模拟结果用两种方法进行比较分析:①以不同降雨量雨情代表模型降雨输入量，4 种雨情分别为小雨(降雨量为6 mm)、中雨(降雨量为20 mm)、大雨(降雨量为45 mm)和暴雨(降雨量为100 mm)，比较4 个年份(指1990 年、1995 年、2000 年和2005年，以下同)的不透水表面百分比对降雨形成的径流量的影响，表征的是日径流量受不透水表面百分比变化的影响程度。②以1960—2008 年间的年降雨量进行枯丰年分析:选择典型的枯丰年，经分析发现，1990 年和2005 年分别能代表典型的枯水年和丰水年，以这2 a 的降雨量作为典型年的模型降雨输入量，比较4 个年份不透水表面百分比对年径流量的影响程度。③在此基础上模拟4 个年份的不透表面百分比影响下的年径流深的空间分布。

3 结果分析

3.1 模型模拟校正

由于深圳地区缺乏长期径流量监测数据，为了检验模型的模拟效果及适用性，用2007 年在石岩水库流域的实测数据进行误差分析［33］。模拟结果和实测结果表明，在小雨和中雨情景下，实测径流量略有差别，小雨情景中模拟径流量比实测径流量小11.31%，中雨情景中模拟径流量比实测径流量小12.64%(表2)。整体误差介于10% ～15%，该模型及参数设置能满足城市地区的径流量模拟。

表2 模型模拟结果与实测值比较

3.2 流域不透水表面百分比的变化特征

深圳市11 个流域的不透水表面百分比的变化在15 a 间扩展非常快，从1990 年的26.5%扩展至2005 年的49.3%，扩大了1.9 倍(表3)。而不同的水库流域和城市地区流域的不透水表面百分比差异较大，例如深圳河流域的不透水表面百分比已达56.4%，而作为重要水源地的西丽水库流域则只有34.3%。几个有主干河流流经的城市地区的流域不透水表面百分比在2005 年超过了50%。这种变化主要源于深圳市在近15 a 来的快速城市化过程迅速将透水性地表改变为不透水表面。

表3 1990—2005 年深圳市流域的不透水表面百分比

3.3 不透水表面扩张对日径流量的影响

为定量比较不同降雨量情况下不透水表面扩展对日径流量变化的影响，选择4 种降雨量情景，分别代表小雨、中雨、大雨及暴雨(表4)。结果表明，不透水表面扩展对日径流量有显著性影响;当降雨情景为小雨时，2005 年的不透水表面造成的日径流量比1990 年时高136.2%;中雨时，这一比例下降到83.7%;大雨时为59.5%;而暴雨时最低为40.8%。从不透水表面扩展对城市地区径流量的影响可以看出，不透水表面的扩展对小雨雨情的影响显著大于暴雨雨情，这与实际状况一致。降雨量是控制径流量的主要因素。

表4 不同降雨量情景下的不透水表面扩展导致的日径流量变化

3.4 不透水表面扩张对年径流量的影响

运用典型年情景下的降雨量情况对年径流量的响应变化进行比较，以确定不透水表面增长对年径流量的影响。对历史降雨量数据进行分析，1990 年降雨量为1 396.9 mm，属典型的枯水年;2005 年降雨量为2 143.6 mm，属典型的丰水年。可用这2 a 的实际日降雨量为降雨情景，以1990—2005 年的流域不透水表面百分比为下垫面数据，比较流域的年径流量受不透水表面百分比变化的影响。

深圳市年径流总量受不透水表面面积变化过程影响显著(表5)。枯水年中，1995 年的年径流量比1990 年增加26.24%，2000 年比1990 年增加56.34%，而2005 年比1990 年增加54.85%。丰水年与枯水年情景类似，年径流总量1995 年比1990年增加21.50%，2000 年比1990 年增加44.71%，而2005 年比1990 年增加43.35%。年径流量以1990—2000 年间增长迅速，2000—2005 年略有减速。虽然丰水年的不透水表面扩展对径流的影响与枯水年类似，但主要差异表现为增长的幅度显著小于枯水年，不透水表面扩展对年径流量的影响，枯水年显著大于丰水年。

表5 枯丰年情景下不透水表面扩展对年径流量的影响

3.5 模拟年径流量的空间分布

运用当年日降雨量及不透水表面空间分布，模拟4 个年份的年径流深的空间分布。模拟结果(表6)表明，深圳市1990 年像元尺度(30 m×30 m)平均径流深为313.96 mm，西乡河径流深均值最大为374.61 mm，观澜河径流深均值最小为230.27 mm;1995 年的流域像元平均径流深是1990 年的3 ～4倍，11 个流域的径流深均值为982.55 mm，最大径流深为深圳河的1 124.99 mm，最小径流深为深圳水库的896.58 mm;2000 年的流域像元平均径流深为1 317.31 mm，最大径流深为西乡河的1 421.41 mm，最小径流深为西丽水库的1 200.87 mm，径流深最大、最小值之间的差小于1995 年径流深最大、最小值之间的差;2005 年11 个流域像元年径流深的均值为937.16 mm，最大径流深为深圳河的1 006.74 mm，最小径流深为西丽水库的805.66 mm。从空间分布上看，径流深大的地区不透水程度高，径流深小的地区透水程度高，径流深的空间分布与不透水表面指数的空间分布具有很好的一致性。径流深值较大区域为城市核心区，需要注意防洪和排涝。

表6 深圳市11 个流域的平均年径流深 mm

4 结论与讨论

4.1 主要结论

在快速城市化地区，不透水表面百分比是影响城市径流速度及数量的重要地表参数。在运用遥感技术获取不透水表面空间分布数据的基础上，运用SCS 降雨曲线方程模拟不透水表面百分比变化对城市径流量的影响，主要结论如下。

深圳市11 个流域的不透水表面百分比在15 a间扩展非常快，从1990 年的26.5%扩展至2005 年的49.3%，扩大了1.9 倍。不同雨情的模拟情景表明，日径流量受不透水表面百分比变化的影响为，降雨量越小，流域城市化对日径流量的影响越大。当降雨情景为小雨时，以2005 年不透水表面百分比为下垫面模拟的日径流量比1990 年时高136.3%，中雨时比例下降到83.7%，大雨时为59.5%，而暴雨时最低为40.8%。典型降雨年情景模拟结果表明，不透水表面扩展对年降雨量的影响表现为，枯水年受不透水表面扩展的影响大于丰水年。在丰水年，1995 年的年径流量比1990 年增加26.2%，2000 年比1990 年增加56.3%，而2005 年比1990 年增加54.9%。在枯水年，年径流总量1995 年比1990 年增加21.5%，2000 年比1990 年增加44.7%，而2005 年比1990 年增加43.4%。

模拟年径流深空间分布的情况表明，不透水表面能够非常有效地模拟类似深圳市这种快速城市化、无水文监测资料地区的不透水表面扩展导致径流量变化情况。在防洪防涝管理和设计雨水管网时，要重点考虑径流较深的地区。

4.2 问题讨论

城市地区的径流量估算是实施排水管网规划和防洪防涝管理的重要依据之一，然而迄今为止尚未有较好的城市水文模型能够有效模拟城市径流过程。笔者选择多年应用的SCS 降雨曲线模型，该模型为经验方程模型，在应用上有局限，特别是在无水文监测的城市地区，往往因验证困难而受质疑，但因所需输入的参数少，数据获取方便，依然受到青睐。本研究中，通过遥感数据源获取模型所需的地表覆被参数，改进了已往需要靠经验转换土地利用类型与降雨曲线经验值之间的关系来获取参数的方法，取得较好效果。从模型的验证结果看，模型能够模拟快速城市化过程导致的地表覆被迅速改变的影响，增强模拟结果的空间异质性，但地表覆被参数与CN 值的关系，还需要进一步研究，这是当前国内外模拟城市地区水文变化所关注的热点问题［32］。

本研究中只关注了城市不透水表面扩展对流域径流量的长期影响，没有涉及降雨径流过程中其他的影响因素，如透水性土地覆被的影响，降雨历时与过程的影响等，也没有比较流域的年内径流分布的变化。城市化的水文效应更强调对洪峰大小与产生时间、历时等指标的影响，而这是本研究未涉及的重要内容，有待今后深入探讨。关于透水性土地覆被的影响效果，目前也和不透水表面扩展的影响一样充满争议［33］，需要有长期观测数据的支撑，因此，今后需加强城市地区的长期水文变化监测，获取城市水文模型的核心参数，以便为城市地区水文变化的响应分析提供准确的模拟模型。

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