基于径流系数的地表类型分类体系研究

文｜ 中国城市科学研究会 郑云梅 张胜雷 吴洁；建设综合勘察设计研究院有限公司 赵海龙；山东省莒县住建局 李秀花 刘晓燕

近年来，城市内涝已成为威胁人类生存的重大灾害之一。为治理城市洪涝灾害，在《2012 低碳城市与区域发展科技论坛》中首次提出海绵城市的概念。2013年习总书记在《中央城镇化工作会议》中强调：“提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来，优先考虑更多利用自然力量排水，建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市”。从2014年开始，以海绵城市、城市洪涝模型为主题的研究逐渐上升，至今城市洪涝灾害防治已成为水文、水资源领域专家学者研究的热点。随着城市内涝灾害的发生，城市暴雨径流中大量的污染物，使得初期径流产生的污染负荷远高于城市生活污水，由面源引起的水环境污染成为当前城市水环境综合治理中亟待解决的主要问题之一。基于径流系数的城市地表类型划分工作不仅是海绵城市建设规划设计、城市暴雨径流管理模型建立的基础。地表类型，径流特征的不同，污染物随着径流的运移规律也不同，研究基于径流系数的城市地表类型分类体系还能为径流管理、污染削减技术应用和实施，以及城市管网设计优化等工作提供支撑。

一、研究现状

（一）基于径流系数的地表类型分类体系

针对径流系数的城市地表类型分类体系国内外还没有较为系统的研究。雨水径流污染控制的主要措施可归纳为暴雨最佳管理措施和低影响开发技术，许多国家都对其进行了借鉴和改进。通过对城市大区域综合径流系数变化的研究发现，流域内不透水面积百分比的增加会导致径流系数的增加。Benedetto 采用透水铺装解决了飞机场积水问题。日本的雨水利用技术以多功能调蓄设施为主要特色，对城市雨洪管理与利用具有较高的水平。德国、美国等关注城市绿地的水土保持功能，开展了城市地表尤其是非硬化地表的土壤入渗、循环等方面的研究。研究发现森林的开采(特别是高地上的森林)增加了下游洪水泛滥的频率和强度，一般会减少每年的径流量，并使得降水的再分配不平均；草地的变化有类似的效果。绿化缓冲带的宽度大于100英尺，坡度略小于45 度，对雨水径流污染可起到有效的控制作用。在美国，停车场路面使用透水铺装，我国也有大量的停车场开始使用透水铺装。法国使用透水沥青混凝土铺面的高速公路约有10%以上。而日本也在多处工程中采用了透水混凝土铺装。另外国外还出现了大量模拟地表径流和污染情况方面的模型如SWMM、HSPF、STORM 等。但这些模型中，如SWMM 模型，其径流模块只是简单的将土地利用类型分为透水地表和不透水地表，再结合低影响开发设施、滞蓄池以及暴雨最佳管理措施等对地表情况进行模拟预测。而在土地利用/土地覆被变化对径流的影响研究中也只是对土地利用类型进行简单的划分。如Deepak Khare 等在研究土地利用/土地覆被变化对水电工程流域径流的影响中时将土地利用类型划分为水域、建设用地、森林和密集植被、稀疏植被、休耕地5 个土地利用类型。

国内基于径流系数的地表类型分类体系较缺乏，相关研究分为四块。

一是基于面源污染问题的土地利用/土地覆被分类系统的研究。如练雄和蔡永立等根据生态服务功能和人类干扰程度，在全国土地利用分类标准的基础上制定的二级分类系统。一级分类包括林地、草地、苇地和滩涂、湖泊、坑塘、耕地、养殖地、建筑、道路及广场、其他土地等，反映了地表径流方式。

二是在流域尺度方面的研究。相关结论如：相同的降雨条件下，绿地因植被类型、生长期、高程、所处城市功能区的不同，降雨径流、污染特征不同；大乔木比小乔木可多滞留50%的降雨，落叶乔木落叶后滞留雨水的能力是落叶前的10%-30%；一棵成年树木一天最多可蒸腾掉300L 水；不同使用功能的地表降雨径流过程排污状况中，商业区污染负荷最大等。

三是土地利用变化对径流的影响的研究，如曹言等在将昆明市主城区土地利用类型划分为城市建设用地、水域、裸地、水田、旱地、有林地、灌木林、疏木林和草地，而吴淼等将土地利用类型信息划分为水田、林地以及水库等。分类的不一致在进一步对比总结结论时有一定困难。

四是对比某些典型的地表类型对径流的影响规律方面。如黄志霖等通过实地观测自然降水条件下连续14年的半干旱黄土丘陵沟壑区坡耕地、4 种退耕类型径流得到：①径流量大小次序为农耕坡地＞牧草地＞乔木林地＞自然草地＞灌木林地。②累积减流效应次序为灌木林地＞自然草地＞乔木林地＞牧草地。③减流效应变化与退耕类型是否能形成稳定的复合缓冲层、覆盖层情况有关。

（二）土地利用分类体系

国内外土地利用分类体系主要服务于土地规划，通过分析总结其分类体系制定经验，可为本研究提供借鉴。

国外服务于土地利用规划的土地利用分类体系比较有代表性的有美国、英国。美国的土地利用分类体系较为成熟，比较有借鉴意义的是1994年的《基于土地的分类标准（LBCS）》分类。LBCS 由1965年的《标准土地利用分类模式》演化而来，包括活动、功能、结构、场地和所有权5 个平行的维度，可在城市、郊区和乡村地区采用灵活的方法来分类新的土地用途，根据规划不同阶段以及不同类型区划的需要进行选择和组合，具有灵活性和可扩充性的特点。其中大部分区划条例在编制阶段进行分类时，倾向结合功能和结构的维度。而规划在现状调查阶段，可结合这5 种维度的分类更清晰明确地描述现状土地利用的特点。

英国主要通过建立面向开发控制的《一般开发规则》来保护土地价值，解决活动的冲突。因此GDPO 从最开始的住宅开发免除申请开发许可证，逐渐扩大到工业项目、农业建筑、矿业开发、学院等33 个方面，土地利用分类不成体系。直到2006年，采用记录和描述的分类方法，制定了《土地用途和土地覆盖物分类标准》。它采用了土地用途和土地覆盖物两个分类维度，并明确指出，土地用途与土地的活动或土地的社会经济有关，土地覆盖物与土地表面的物质种类或形态有关。其中土地用途共分为13 个大类41 个中类。大类包括农业和渔业、林业、采矿、娱乐和休闲等。土地覆盖物共包括10 个大类32 个种类，其中大类包括庄稼地、草地、林地和灌木、荒野和沼泽、悬崖石壁等。

我国的土地利用分类均为层级型。最新修订的《城市用地分类与规划建设用地标准》（GB50137-2011）服务与城市规划，它将城市建设用地分为三个级别，其中大类包括居住用地、公共管理与公共服务用地、商业服务业设施用地等8 个；最新修订的《土地利用现状分类》（GB/T 21010-2017）服务于土地利用总体规划，它将土地利用类型分为两个级别，其中一级类包括耕地、园地、林地、草地等12 个；另外，我国为了厘清土地家底，开展了国情普查，编制了《地理国情普查内容与指标》（GQJC001-2013），将地类分为三个级别。其中一级类包括耕地、园地、林地、草地、房屋建筑（区）、道路、构筑物等12 个；随着遥感技术的发展和应用，可多快好省地获取土地利用类型信息，基于遥感技术且针对城市的土地利用/土地覆被分类系统也随之发展起来。如练雄、蔡永立等提出基于面源污染问题的土地利用/土地覆被二级分类系统。其一级类包括林地、耕地、建筑等，反映了地表径流方式，数据源为2008年0.5 米航空真彩色遥感影像。这些类型可以与实际面源污染相对应，较好地解决了土地利用/土地覆被分类系统与面源估算之间衔接的问题。

通过国内外进展研究，可得到相关分类标准制定的经验如下：

第一，多维度。根据美国等国家经验，多维的分类体系有助于全面的体现各类型的差异性，精准的明确类型的信息，但需注意避免混淆、不清晰的情况出现，从而更有利于实现使用类型的目标。

第二，灵活性。我国地域辽阔，不同区域和城市地表的径流系数影响因素不尽相同。而我国对于内涝、污染削减方面的研究起步晚，受于条件限制，研究尚不完整，制定全国统一的用地分类标准很难在各地通用。因此可借鉴美国的经验，在制定全国统一的基于径流系数的城市地表类型分类体系的基础上，允许分类体系有一定的灵活性，即地方政府可结合实地情况进行灵活调整，从而保障该分类体系的可操作性。

第三，统一性。基于径流系数的城市地表类型分类体系是海绵城市规划的基础工作。标准的分类体系犹如海绵城市规划坚实的地基，海绵城市规划的进一步规范编制落实都具有支撑作用。另外统一的分类标准还是地表类型信息统计分析的基础，使更大尺度的研究分析成为可能。

二、分类体系构建

（一）分类体系框架制定

分类体系框架制定应遵循以下原则及顺序：①层级式结构原则，从大类到小类按层级逐渐划分，形成基于径流系数的城市地表类型分类体系。且等级层次可扩充，便于未来研究继续深入再继续细化；②关键影响因素原则，类型的区分应根据研究现状中至少出现2 次一样的成果进行总结，避免影响因素出现的特殊性，抓住普遍存在的规律。

根据基于径流系数的城市地表类型分类体系的目标，以地表类型为一个维度，继续增加其他维度或要求。结合研究现状可知，除了地表类型这个影响因素外，还有植被覆盖度、透水砖、与周围地块的高程关系 、树木大小 、所处城市功能区 、坡度等。其中树木大小与植被覆盖度有异曲同工之处，均根据植被绿叶覆盖情况可以表现出来，而透水砖、低势草坪（下凹式绿地）属于低影响开发设施中的一种，由于它与地表类型不是一个尺度的内容，因此不参与地表类型分类。最后坡度也是影响地表径流系数的核心指标，但每个透水地表类型的径流系数都会随着坡度的变化而变化，所以在分类维度中可不做总结。因此，总结来看可确定参与基于径流系数的地表类型分类体系三个维度为地表类型、所处城市功能区、植被覆盖度等3 个维度，如表1所示。

（二）每一维度内容的确定

首先是地表类型的确定。每一类型的确定原则：①径流系数差异性原则；②污染特征差异性原则，本分类结果是为了应用于城市地表径流减控与面源污染削减技术研究中，为更有效地服务于该目标，分类过程中应结合其污染特征差异进行划分；③遥感影像特征可识别性原则，遥感影像分类技术可快速获取地表类型信息，因此分类体系框架的制定应兼顾遥感影像特征可识别原则进行制定；④粗细适宜性原则，过粗的分类体系，会导致城市地表径流减控与面源污染削减技术成果准确性不足的问题，而过细的分类体系又会导致后续成果过于精确，但在实际工程实施中精度有限，成果无法通过工程化应用达到预设精度。因此需有的放矢；⑤实用性原则，本分类体系研究属于行业中首次研究，在工程化应用过程中，往往只具有其他分类成果，因此，分类结果应与相关分类标准规范能进行对照，提升本分类体系的实用性。

表1 基于径流系数的城市地表类型分类体系分类维度的定义

地表类型主要参考《土地利用现状分类》（GB/T 21010-2017），借鉴《地理国情普查内容与指标》（GQJC001-2013）、《城市用地分类与规划建设用地标准》（GB50137-2011），结合高分二号遥感影像特征，以及相关研究得出的径流系数和污染特征差异的基础上进行制定（结果见表2）。其中地表类型的定义在该分类基础上结合本研究目标进行确定。一级类中耕地、林地、草地、裸地、水域、交通运输用地的区分主要来源于《土地利用现状分类》（GB/T 21010-2017）、遥感影像特征、径流和污染特征以及张韶华和黄志霖的研究成果。林地分为乔木林地、灌木林地。水域、裸地、耕地区分主要来源于径流和污染特征、遥感影像特征以及王锋的研究成果。房屋建筑主要来源于《城市用地分类与规划建设用地标准》（GB50137-2011）。房屋建筑、广场、交通运输用地区分来源于本子课题所在课题的“不透水地表的径流特征与表达方法研究”子课题不透水地表污染特征研究成果、遥感影像特征。

植被覆盖度维度内容确定。植被覆盖率越小，流域径流量越大。学者研究发现少林流域(森林覆被率为15.2%)的平均径流深是多林流域(森林覆被率为82.7%)的3.43 倍，无林流域(森林覆被率为0)的平均径流深是多林流域的4.95 倍。另外，曹言在土地利用变化对径流的影响研究中将林地分为有林地、灌木林、疏木林。因此植被覆盖度可分为高覆盖度、中覆盖度、低覆盖度。

社会经济类型维度内容确定。不同土地使用功能的城市地表，其沉积物的来源不同。如城市工业区的地表沉积与工业生产过程的原料、半成品材料等的扩散、沉积、遗漏等有关；城市路面沉积物与车辆交通流量等因素有关；城市居民区地表沉积物与生活垃圾及居民生活习惯等因素有关，商业区地表沉积物则与商业活动类型有关，由此将地表类型按照功能区划分为工业区、商业区、居住区、城市道路。

（三）基于径流系数的地表类型分类体系确定

确定基于径流系数的城市地表类型分类体系如表3。其中区间交通用地是商业区、居住区以及工业区之间或者城市与城市之间的道路。由于高中低植被覆盖度仅指林地、草地的植被覆盖度，因此仅针对这两类型的覆盖度进行区分；由于各功能区污染特征是指广场、道路、设施以及房屋建筑的污染特征，因此仅对这四类的功能区进行区分；由于植被覆盖度和各社会经济类型功能区进一步细分的地表类型不一样，因此将这两个维度的地表类型均划分为小类。

表2 城市地表分类表

表3 基于径流系数的地表类型分类体系