城市下垫面对地表水文循环过程的影响分析——以通化市辖区为例

陶国芳，蒋兆恒

改革开放以来，我国城市化进入稳步发展阶段，至20世纪90年代，东北地区城市化进入快速发展阶段［1］.城市化伴随着城市人口聚集、工业化、土地的集约利用，也带来一系列城市问题，其中一方面表现为城市下垫面变化引起的地表水文过程的改变.由于城市化进程中硬性不透水面所占比例逐年提高，改变了自然生态系统的水文循环过程，加之城市基础设施建设不够完善，汇水面积大，在雨季汇水速率快，排水不畅，极易形成城市内涝［2］.

为有效防治城市内涝、保障城市生态安全，2015年10月11日，《国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见》正式发布，旨在加快推进海绵城市建设，修复城市水生态，增强城市防洪防涝能力.吉林省依据国家的指导意见积极推进海绵城市建设试点工作，通化市作为吉林省首批海绵城市建设试点之一，于2016年1月15日制定《通化市开展海绵城市建设实施方案》.利用遥感手段，结合传统气象要素分析方法，研究通化市辖区城市下垫面变化对地表水文过程的影响，对推动通化市海绵城市建设、有效防治城市内涝具有一定的理论研究意义和实际参考价值.

1 研究区概况

通化市位于吉林省东南部，辖2个区（东昌区、二道江区）、3个县（柳河县、辉南县、通化县），代管2个县级市（集安市、梅河口市）、3个开发区（通化经济技术开发区、集安经济技术开发区、梅河口经济贸易开发区）.市辖区（东昌区、二道江区）于1986年10月4日正式成立，本文以市辖区为研究范围.市辖区地处北纬41°32′～41°52 ′，东经125°50 ′～126°20 ′之间，东与白山市接壤，南与集安市相连，西、西北、东南与通化县毗邻，地理位置见图1.市辖区地处长白山脉西南部，老岭支脉与龙岗支脉之间浑江拗陷盆地中，周围山岭连绵、山峰起伏，为侵蚀构造低山区.气候属温带大陆性季风气候，冬季干冷漫长，夏季温湿短暂.降水主要集中在夏季，6—9月份降水量占全年总降水量的60%以上［3］.

图1 通化市辖区地理位置

2 通化市辖区不同类型下垫面的调查与分析

2.1 数据来源

对通化市辖区土地利用类型和下垫面类型研究的数据，主要包括高分一号和Landsat8两颗卫星的遥感影像、30米分辨率中国DEM数据、1∶10000全国矢量化地图和2010年全国第二次土地调查数据结果.经过传感器参数和遥感影像时空有效性的对比分析，选取了通化市辖区2景不同传感器的高质量遥感影像，分别是GF1-WFV1影像（空间分辨率16米，时间为2017年5月18日）和Landsat8-OLI影像（空间分辨率30米，时间为2017年5月29日）.根据2010年全国第二次土地调查数据结果，获取了通化市辖区（东昌区、二道江区）土地利用现状数据.

2.2 市辖区下垫面土地利用类型的重新划分

依据《土地利用现状分类GB/T21010—2007》国家标准，我国土地利用现状分类采用一级、二级两个层次的分类体系，共分12个一级类、57个二级类.其中一级类包括：耕地、园地、林地、草地、商服用地、工矿仓储用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地、特殊用地、交通运输用地、水域及水利设施用地、其他土地［4］.通过查阅相关资料，结合遥感影像特征提取结果，依据土地利用现状，将通化市辖区土地利用类型重新归纳为农田（包括耕地、园地）、林地（包括林地、林间草地）、建筑用地（包括住宅用地、工矿仓储用地、商服用地）、公共用地（包括公园与绿地、公共设施用地、其他用地）、道路（包括公路用地、铁路用地、街巷用地）、水体（包括水域及水利设施用地）共6个一级下垫面土地利用类型，见表1.

表1 通化市辖区土地利用类型划分与国家标准对应情况

根据下垫面透水情况，不同土地利用类型又分属于透水面、不透水面、弱透水面、水面四种类型.其中透水面包括农田、林地，不透水面包括建筑用地和道路，弱透水面主要指公共用地，包括公园、城市绿地和有孔铺装材料的地面，水面主要指水体.

2.3 数据处理过程与结果

数据处理利用ENVI软件对研究区2景遥感影像经过辐射定标、几何校正后，结合30米分辨率中国DEM数据对影像进行正射校正.采用1∶10000全国矢量化地图提取的通化市辖区边界矢量文件对正射校正结果进行掩膜处理，利用非监督分类方法对土地利用类型进行计算机自动分类.通过对比检验，两种非监督分类方法ISODATA和K-Means中前者（ISODATA）分类结果可信度更高［5］，因此，选用ISODATA分类方法对遥感影像进行非监督分类.将非监督分类结果经过人工验证归纳为上述6个一级下垫面土地利用类型，分类结果及各类型分布情况见图2.将下垫面土地利用类型分类情况及面积数据导出到Excel中，利用数理统计法统计各类型面积，结果见表2.经验证，利用遥感分类方法统计的数据与全国第二次土地调查结果基本相符，也进一步证明遥感信息提取的精度较高，数据可信.

通化市辖区下垫面不同透水类型分布情况见图3，四种不同透水类型下垫面的面积及所占比例计算结果见表3.由数据处理结果可以看出，通化市辖区总面积的88.63%为林地、草地等透水面，9.14%为城市建筑、道路等不透水面，0.86%为公园、绿地、有孔铺装材料的地面等弱透水面，1.37%为水面.对城市地表水文过程产生影响最大的是不透水面，其次为弱透水面，透水面和水面影响较小.

图2 通化市辖区下垫面土地利用类型分布情况

图3 通化市辖区下垫面不同透水类型分布情况

3 城市地表水文循环过程模型构建

3.1 城市地表水文循环过程一般模型构建

自然状态下地表水文循环过程是由降水、蒸发（蒸腾）、下渗、径流、贮留（河流、湖泊等）构成的循环系统.城市地表水文循环过程比较复杂，是自然系统与人工系统的结合.人工水文循环系统通常由城市给水、用水、排水和处理系统构成［6］.人工系统中排除用于生产生活的城市给水、用水和污水排水，考虑参与地表水文循环过程的只有绿化用水、道路清扫用水等几乎可以忽略不计，因此构建的城市地表水文循环过程由降水、下渗、蒸发、地表径流、雨水排水、贮留水体构成.城市地表水文循环过程的一般模型见图4.

表2 通化市辖区下垫面土地利用类型及所占面积

表3 通化市辖区下垫面不同透水类型的面积及所占比例

图4 城市地表水文循环过程一般模型

3.2 通化市辖区城市地表水文循环过程分析

通化市辖区位于浑江谷地，下垫面透水性质存在很大的差异，其地表水文过程是自然地表水文过程与城市地表水文过程的综合.四种不同透水性质的下垫面中，水面和透水面（林地、草地、农田）表现为在自然状态下的地表水文过程，由降水、蒸发、下渗和径流、贮留构成；不透水面和弱透水面为主的城市建设区则表现为典型的城市地表水文循环过程.不透水面和弱透水面影响城市的降水、蒸发、下渗和水质水量.主城区的地表水文循环过程由地表蒸发、弱透水面的微量下渗、地表径流、城市排水管网系统的径流和贮留水体构成.

4 通化市辖区城市下垫面对地表水文循环过程的影响分析

4.1 数据来源与研究方法

本文利用通化市1986—2016年共31年的气象要素数据（降水、蒸发、空气湿度等），分析通化市辖区地表水文循环过程的变化特征.所有数据均来源于中国国家气象局标准气象站的观测资料.采用数理统计的研究方法，利用Excel对相关数据进行统计和分析.

4.2 通化市辖区1986—2016年降水、蒸发、空气湿度变化特征分析

（1）降水变化特征分析.根据通化市1986—2016年历年降水数据，统计得出通化市多年平均降水量为888mm.由图5可知，31年间通化市年降水量大体以10年为小周期呈现波动变化，前两个周期（1986—1995年、1996—2005年）呈上升趋势，年际差异较小；近十年（2007—2016年）年降水量呈下降趋势，年际变化相对较大.极端最大、最小年降水数值也出现在近十年，其中最大年降水量出现在2010年，为1390mm；最小年降水量出现在2014年，为600mm，二者相差790mm.

图5 通化市1986—2016年年降水距平图

通化市雨季集中在每年的6—8月，对6—8月累计降雨量、6—8月短时降雨超过50mm的强降雨频次进行统计，结果表明：近十年（2007—2016年）6—8月份累计降雨量年际变化相对较大，超过50mm的短时强降雨频次整体趋势稳定，但以5年为一个小周期的短时强降雨频次占总降雨频次的比例呈明显的上升趋势，见图6.

图6 5年小周期超过50mm短时强降雨频次所占比例

（2）蒸发变化特征分析.根据通化市1986—2016年历年蒸发数据，统计得出通化市多年平均蒸发量为866mm.根据区域特点和数据标准，计算历年蒸发量时每年的1—4月、10—12月统计小型蒸发量，5—9月统计大型蒸发量，总蒸发量为小型蒸发量与大型蒸发量之和.结果显示：以5年为一个小周期，五年平均蒸发量呈逐渐下降的趋势，见图7.

图7 5年小周期年平均蒸发量

（3）空气湿度变化特征分析.空气湿度是衡量城市地表水文循环过程的一个间接参数.对通化市1986—2016年历年日平均相对湿度作5年为一个小周期的统计分析，结果表明，5年周期的日平均相对湿度呈明显的递减趋势，见图8.

图8 5年小周期日平均相对湿度

4.3 下垫面对通化市辖区地表水文循环过程的影响

（1）对降水过程的影响.由于城市不透水类型下垫面的增加和透水类型下垫面的减少，造成近十年降水量年际变化加剧，极端降水出现频率增加.极端最大、最小年降水数值分别出现在2010年和2014年，二者相差790mm.超过50mm的短时强降雨频次逐年增加.短时强降雨频次增加易造成低洼处积水，形成城市内涝.

（2）对蒸发过程和空气湿度的影响.自然地表水文循环过程中，蒸发主要发生在水面、自然裸露的土壤表面和绿色植物的蒸腾.通化市辖区由于水面、透水面（林地、农田）面积减少，不透水面和弱透水面面积增加，1986—2016年按5年小周期计算的平均蒸发量呈逐渐下降的趋势，可见自然的蒸发、蒸腾过程减弱或受阻.

城市下垫面中不透水面、弱透水面的蒸发过程只发生在天然降水后其表面有水分存在的短暂时期.1986—2016年按5年小周期计算的日平均相对湿度呈递减趋势，长时间尺度来看城市空气湿度明显降低，城市人居环境的舒适度降低.

（3）对下渗和径流的影响.通化地处山区，自然地理结构可以概括为“七山一水二分田”，坡地多，平地少.自然地表水文循环过程表现为天然降水先受到植被拦截，在降低降水强度、变相延长降水时间后，水分下渗到土壤中，当土壤含水量达到饱和后形成地表径流和壤中流，补给地表水体和地下水.城市土地利用导致土地覆被发生变化，城市中心大部分被道路、楼房等不透水面所占据，少量部分为公园绿地和有空铺装材料的地面等弱透水面，下渗过程受到阻碍.地下水补给不足，可能会形成地下漏斗，造成地下水位下降、地面沉陷等不良后果.

天然降水因缺少植被拦截和土壤表面的下渗，在短时间内迅速转化为地表径流，从高处向低处汇聚，最后从城市排水管网排入自然水体.由于城市排水管网泄洪能力有限，短时强降雨往往在坡地形成自上而下的滚滚洪水，在低洼地段排水不畅引起城市内涝，造成城市居民生活、交通不便.城市下垫面性质的改变影响了地表汇流过程、径流流量、径流时间和排水过程，减少了地表和地下贮水体的补给来源.

（4）对水质和水量的影响.通化市辖区人口集中，产业发达，用水需求量大，废水排放量大.大量的生活污水和工业废水排入自然水体，加重了水质污染.一些工厂的冷却用水排入自然河流，还可能引起热污染，导致河流生态环境退化.此外，水利工程的修建使得市辖区河流水体底部和侧面也成为不透水面，汛期河流补给地下水、非汛期地下水补给河流的自然水文过程被切断，汛期地下水也得不到河水的有效补给.市区河流的补给来源只有天然降水和上游径流，而天然降水由城市排水管网迅速汇聚到河流后，因防洪需要、河流容量有限，大量河水未得到充分利用白白流走，加快了水循环的速度.由此可见，城市下垫面改变了地表水文循环过程，又进一步加剧了水质污染和水资源短缺.

5 结论与讨论

（1）将通化市辖区下垫面归纳为农田、林地、建筑用地、公共用地、道路、水体6个一级土地利用类型；根据透水性质不同对土地利用类型重新归类，分为透水面（农田、林地）、不透水面（建筑用地和道路）、弱透水面（公共用地，包括公园、城市绿地和有孔铺装材料的地面）、水面（水体）四种类型.利用遥感影像处理方法，提取了各类型的空间分布特征和面积，用图表显示结果.

（2）利用中国国家气象局标准气象站的观测资料，分析了通化市辖区1986—2016年共31年的降水、蒸发、湿度等气象要素的变化特征，发现极端降水量出现频率、降水年际变化、短时强降雨频次在增加，5年周期的年平均蒸发和日平均相对湿度有下降趋势，不透水面、弱透水面下渗受阻，径流流量、汇流时间、排水过程等发生变化，水质污染和水资源短缺在加剧.

（3）为了响应国家海绵城市建设指导意见，在城市规划和城市管理时应充分发挥建筑物、道路和公园绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制城市雨水径流过程，实现城市生态系统对雨水的自然渗透、自然积存和自然净化，降低城市化对地表水文过程的影响，促进人与自然的和谐发展［7］.通化市依据国家相关政策实施了海绵城市建设，对主要街道和主要河流进行了改造，其中：通化市辖区街道绿地的重新规划和建设自2016年开始，由于实施时间较短，目前效果还不明显；城市排水管网系统的改造加速了地表水的循环，减轻了城市内涝，在一定程度上替代了自然下渗过程的功能；主要河流的改造仍停留于渠道化工程，对吸纳短时强降雨、减轻内涝有一定效果，但河水不能下渗补给地下水.

（4）本文以通化市辖区为研究对象，研究结果表明城市下垫面的变化影响了地表水文循环过程，研究结论对其他城市和地区具有一定的理论参考价值和借鉴意义.