城市化影响下区域水文要素演变特征研究

代凌辉，张东锋，吴 伟

（1.黄河水利职业技术学院，河南开封 475004；2.河南省小流域生态水利工程技术研究中心，河南开封 475004）

0 引言

随着城市经济的快速发展和城市化进程的加快，人类活动越发频繁，改变了原有的土地利用类型，主要表现为地表硬化面积增加，而地表硬化具有弱透水率，低反射率以及大热容量等物理属性。城市环境中人为热源以及空气中气溶胶浓度的增加也是城市化进程的产物。研究表明，尽管城市所占全球陆地面积的比例很小，但是却通过这些改变直接影响了区域尺度甚至更大空间范围内的水文循环以及能量循环特征［1］，如改变城市地区降雨、产流的规律以及地表能量的分配方式等，同时引发了一系列城市环境问题，如城市热岛［2］，城市雨岛［3］，城市洪涝灾害［4］等。这一系列环境问题直接威胁到城市居民的生存环境，影响城市正常运行以及社会经济的可持续发展。因此，进一步摸清城市化影响下区域水文特征演变规律是十分必要的。

国内外针对城市化对降雨的影响已有相关的研究，Shep‐herd等［5］研究了美国亚利桑那州和沙特首都利亚得的降水变化发现：城市发展后期（1950-2003）比城市发展前期（1895-1949）年平均降水量增加12%～14%；Mote等［6］研究美国亚特兰大东部郊区（下风向）降雨变化发现，随着建设用地的增加，城市极端降水显著增加；侯蕾等［8］对永定河上游流域水文要素演变特征开展了相关研究发现流域内气温和降水在空间上差异明显，气温有显著升高趋势，径流显著减少，降水变化趋势不明显；吴息等［9］研究发现，城市效应对下风区的短时降水量增加影响明显，在城中心短历时暴雨的发生概率和强度增加明显；张延伟等［10］研究河南省极端气候事件变化趋势发现，20 世纪80 年代后极端降水时间呈明显增加趋势，最高气温和最低气温均显著升高；张志高等［11］人对河南省汛期降水时空变化研究表明，随着时间的变化，汛期强降水和极端降水日数增多，有效降水日数减少趋势。Yang 等［12］探讨了太湖流域苏锡常和杭嘉湖城市群1961-2006 年期间城市和郊区降雨差异，结果表明降水量会随着城市化水平的增加而在空间和时间尺度上增加。从以往的研究来看，主要集中于城市化对降雨的影响，而随着城市化进程的推进，城市化对大气温度以及温度变化与降雨的关系研究较少。

为摸清城市化影响下区域降水、气温变化特征以及相关性，以北京市平原区为研究区域，选取区域内典型代表站，在实测数据的基础上，应用数理统计方法，分析不同年代下垫面变化特征，探究城市化影响下区域降水、温度变化特征及相关性。为北京市防汛相关部门决策提供依据，为保障城市安全运行提供技术支撑。

1 区域概况

北京城区位于北京市中部，属平原区，共由东城区、西城区、朝阳区、海淀区、石景山区、丰台区六个区组成，总面积1 386 km2，隶属于北京市五大水系之一的北运河流域，共有河流90余条，总长度567.7 km。气候为典型的暖温带湿润大陆性季风气候，四季分明，夏季高温多雨、冬季寒冷干燥，雨热同期；降水主要集中在夏季，占全年的75%左右。年均降雨量585 mm，年平均气温14 ℃。北京行政区划见图1。

图1 北京市行政区划图Fig.1 Administrative zoning map of Beijing

2 研究方法

以城六区为主要研究对象，选取近50年不同程度的暴雨量为样本，采用数理统计方法，分析城区降雨规律，同时参照郊区同期变化特征，结合土地利用类型演变规律和气温、雨强等影响因素，综合分析城市化影响下区域水文要素演变特征。

采用土地利用面积比重、土地利用变化幅度、土地利用综合指数、土地利用变化度量、土地利用年变化率和动态度等指标来衡量不同时期土地变化情况，具体表达方式如下。

2.1 土地利用面积比重

土地利用面积比重表示某类土地利用面积与区域总面积的比值，其表达式如下：

式中：Wi表示第i类土地利用面积比重；Ai表示第i类土地的面积；At表示区域总面积。

2.2 土地利用面积变化幅度

土地利用面积变化幅度表示土地在一定时期内面积变化的快慢，本文采用土地面积总变化幅度和年变化幅度来进行衡量。其计算公式如下：

式中：Pi总表示i类土地面积总变化幅度；Α初和Α末分别表示该土地类型土地利用研究初期和研究末期的面积；Pi年表示i类土地的年变化幅度；Αa和Αb分别表示该类型土地在a和b时期的面积。

2.3 土地利用综合指数

土地利用综合程度指数主要反映土地利用的广度和深度，根据刘纪远、高志强等［13，14］提出的土地利用程度综合分析方法，计算公式如下：

式中：La的范围是100～400，为土地利用程度综合指数；Ai为第i级的土地利用程度分级指数；Ci为第i级土地利用程度分级面积百分比。如果La值增大，则表明该区域土地利用处于开发期，否则处于衰退或者称恢复期。

2.4 土地利用变化度量

为了更好地分析土地利用变化特征并揭示土地利用变化的速率和强度，对每一类土地利用类型采用年变化率和动态度2 个指标度量北京城区土地利用变化特征。第i种土地利用类型的年变化率Ki的计算公式为：

式中：Si为监测开始时间第i类土地利用类型的总面积；ΔSi.j为监测开始至结束时段内第i类土地利用类型与其他土地类型j相互转换后的变化面积；t为时间段；第i类土地利用类型年变化率Ki反映了与t时间段对应的研究区域的该土地利用类型的年变化速率。

第i种土地利用类型的动态度（Di）的计算公式为：

式中：Sa为研究区总面积；|ΔSi.j|为监测开始至监测结束时段内第i类土地利用类型与其他类土地利用类型j相互转化面积的绝对值；t为时间段；该土地利用类型的动态度反映了与该时段对应的研究区该土地利用类型变化的剧烈程度。

3 结果与分析

3.1 不同时期土地利用变化特征

3.1.1 不同时期土地利用空间变化

根据1980 年、1990 年、2000 年、2010 年和2018 年五期北京市城区土地利用遥感解译数据（数据来源于中国土地利用现状遥感监测数据库），分辨率为是1 km网格数据，数据生产制作是以各期Landsat TM∕ETM 遥感影像为主要数据源，通过人工目视解译生成。土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、建筑用地。北京城区不同土地利用类型空间分布情况，分析结果见图2。

图2 北京城区不同土地利用类型空间分布Fig.2 Spatial distribution of different land use types in Beijing urban area

此次分析按照耕地、绿地、水面和建筑用地4种土地利用类型进行分析，图2 中林地和草地统称为绿地。从图2 分析可知，北京城区绿地主要分布于城区西北部和西南部，建筑用地主要集中在城区中心区，并随城市化建设逐步由中心区向四周扩散，耕地由城市中心区向周边逐渐减少，随着时间的推移耕地逐渐转为建设用地。

3.1.2 不同时期土地利用变幅

通过对1980-2018 年北京城区土地利用变幅和1980-1990年、1990-2000 年、2000-2010 年、2010-2018 年4 个阶段土地利用变幅分析，得到不同时期北京城区土地利用变化，结果见表1。

表1 不同时期土地利用变化Tab.1 Land use change in different periods

经分析，1980-2018 年土地利用类型变化最大的为建设用地，其次为耕地。建设用地大幅增加，耕地面积大幅减小，绿地面积和水面面积变化相对较小，各类型土地利用变化情况具体如下：

（1）建设用地面积大幅增加。1980-2018 年建设用地面积由563 km2增加到1 049 km2，面积增加了486 km2。占总面积比重由40.9%增加到76.1%。建设用地的总变幅为86.3%，较1980 年面积增加4∕5 多的面积，各阶段建筑面积的变化均呈正相关变化，其中在1990-2000 年变幅较大，为42.4%；1980-1990年、2000-2010年变幅较小，为8.0%左右。

（2）耕地面积萎缩严重。1980-2018 年耕地面积由635 km2缩减到137 km2，面积减少了498 km2。占总面积比重由46.1%减少到9.9%。耕地用地的总变幅为78.4%，较1980年面积减少近4∕5 的面积，各阶段耕地面积的变化均呈负相关变化，其中1990年以后减少速度较快，在1990-2000 年、2000-2010 年、2010-2018 年，减少百分比分别为44.2%、24.9 和44.1%；1980-1990年年变幅较小，为8.03%。

（3）绿地面积有所增加。1980-2018 年绿地面积由161 km2增加到177 km2，面积增加了16 km2。占总面积比重由11.7%增加到12.8%。绿地面积的总变幅为9.94%，较1980 年面积增加近1∕10 的面积，各阶段绿地面积的变化均呈波动性变化，其中在1990-2000 年、2000-2010 年两个阶段绿地面积减少，变幅较小，为5%左右；2010 年以后增加较为明显，2010-2018 年增加20.4%。

（4）水面面积有所增加。1980-2018 年水面面积由12 km2增加到15 km2，面积增加了3 km2。占总面积比重由0.9%增加到1.1%。水面面积的总变幅为25.0%，较1980 年面积增加近1∕4 的面积，各阶段水面面积的变化均呈波动性变化，其中在1980-1990年、1990-2000年、2000-2010年3个阶段水面面积增加，增加百分比分别为33.3%、62.5%和34.6%；2010 年以后减少，减少百分比为11.8%。

3.1.3 土地利用综合指数

经计算，北京城区不同时期土地利用程度综合指数结果见表2。

表2 北京城区不同时期土地利用程度综合指数Tab.2 Comprehensive index of land use degree in different periods in Beijing urban area

从表2 中可知，北京城区土地利用程度综合指数1980 年为327、1990 年为329.7、2000 年为346.7、2010 年为357.3、2018 年为361.9。由此可见自1980年开始北京城区土地利用程度综合指数呈现逐渐增加，说明北京城区从1980 年开始至2018 年土地开发利用活动一直处于发展期，其中在1980 年至1990 年土地利用程度综合指数较接近，说明这段时间土地开发利用活动较少，城市化进程较为缓慢。而在1990年以后土地利用程度综合指数增长较快，说明1990年以后北京城区呈现城市化快速发展，土地开发利用较为活跃，到2018 年土地利用程度综合指数增长10.7%，城市化进程明显。

3.1.4 土地利用变化度量指标

经计算，北京城区不同时期土地利用类型年变化率结果见表3。

从表3 可知，北京城区土地利用在1990 年以后变化较为明显，其中1990-2000 年变化最为明显。整体表现为耕地不断减少，建设用地不断增加，绿地面积较2010年以前有所增加，水面面积2000 年以后较2000 年以前有所减少。从土地类型变化速率上分析，1990年以后耕地的减少速率和建设用地的增加速率明显，尤其在1990-2000 年之间耕地与建设用地变化明显，1990-2000年、2000-2010年、2010-2018年3个时期耕地年变化率分别为-4.42%、-2.48%、-5.51%，建设用地年变化率分别为4.22%、1.17%、1.10%。说明北京城区该阶段处于快速的发展阶段。

表3 土地利用类型年变化率 %Tab.3 Annual change rate of land use type

通过对北京城区1980-2018年土地利用类型动态度的分析表明（见表4），1980-1990 年北京市城区土地利用类型变化不大，说明该时期土地利用开发较为平稳，土地开发活动不活跃，城市化进程较为缓慢，耕地与建设用地有所变化，变幅分别为0.37%和0.32%。1990 年以后进入城市化发展的快速时期，土地开发活动较为活跃，土地利用类型变化剧烈，主要表现为耕地面积和建设用地面积变化明显，其中在1990-2000 年、2000-2010 年、2010-2018 年3 个时期耕地面积动态度分别为1.87%、0.59%、0.98%，建设用地面积动态变化度分别为1.86%、0.73%、0.77%。而绿地面积在2010-2018 年变化较为剧烈，动态度为0.27%，较2010年以前增加明显。水面面积略有变化，变化较为平稳。

表4 土地利用类型动态度 %Tab.4 Dynamic attitude of land use type

3.2 城市化对水文要素影响分析

3.2.1 降雨趋势对比分析

选取北京市城区、郊区典型雨量代表站，站点分布见图3。

图3 雨量站点分布Fig.3 Distribution of rainfall stations

根据1970-2020 年实测资料选取年最大日雨量、年最大5日雨量和年雨量值3 个指标，分析在城市化发展和气候条件变化情况下，北京市郊区和城区降雨随时间尺度演变特征。分析结果见图4。

图4 雨量分析结果图Fig.4 Rainfall analysis results

通过分析1970-2020年期间城区雨量特征随时间尺度的变化趋势可知，年降雨量和最大5 日降雨量变化趋势城区和郊区均呈下降的趋势。其原因是城区和郊区具有相同的大尺度气候环流系统，因此气象因素对城区和郊区的影响效应基本相同。城区年降雨量递减速率为0.68 mm∕a，郊区年降雨量递减速率为1.0 mm∕a；城区最大5日降雨量递减速率为0.20 mm∕a，郊区最大5 日递减速率为0.49 mm∕a。城区最大日降雨量呈上升的趋势，递增速率为0.43 mm∕a，郊区最大日降雨量呈下降的趋势，递减速率为0.2 mm∕a。说明城市化对城区降雨影响较为敏感，同时受气候变化的影响自1970-2020 年降雨量整体呈减小的变化。

3.2.2 增雨效率分析

选取北京市城区和郊区为研究区域，对比分析城市化对降雨的影响，并以增雨系数作为衡量城市化对降雨的影响程度，增雨系数等于城区降雨日数与郊区降雨日数的比值，反映不同时期的降雨频次。按照1970-1980、1981-1990、1991-2000、2001-2010、2011-2020 五个时期，对不同时期降雨量均值和不同量级降雨增雨系数进行分析，结果见表5。

表5 不同时期城市化对降雨的影响Tab.5 Effects of urbanization on rainfall in different periods

通过对1970-1980 年、1981-1990 年、1991-2000 年、2001-2010 年、2011-2020 年五个时期降雨量均值和不同量级降雨的增雨系数分析可知，1970-1980 年和2001-2010 年两个时期，城区雨量均值略小于郊区，其中1970-1980 年城区雨量均值较郊区偏小1.53%，2001-2010 年城区雨量均值较平原区偏小0.8%，两者基本持平。而在1981-1990 年、1991-2000 年、2011-2020年三个时期，城区雨量均值大于郊区雨量均值，其中1981-1990年城区雨量均值较郊区偏大1.88%，1991-2000 年城区雨量均值较郊区偏大1.89%，2011-2020 年城区雨量均值较郊区偏大3.3%。

整体上分析，城区降雨频次均要小于郊区的降雨频次，增雨系数为0.88～0.93，基本保持平稳。在中雨量级方面，城区出现的频次逐年增加，增雨系数从0.81 增至1.07。在大雨量级以上城区出现的频次要高于郊区。尤其是2011-2020年城市化较为完善阶段，暴雨量级和极端降雨增雨系数分别为1.64和2.50。

3.2.3 城区气温变化分析

选取北京地区气象长系列代表站观象台站的最高气温、最低气温、平均气温71年长序列数据资料开展分析研究。对观象台站1950-2020 年6-9 月逐月气象数据进行趋势分析，结果表明6、7、8、9四个月平均气温均呈现略有上升的趋势。见图5。

图5 1950-2020年6-9月气温变化情况Fig.5 Temperature change from June to September，1950-2020

通过分析近十年来（2011-2020年）与建国后前十年（1950-1959）6-9 月的月平均气温数据发现，上述4 个月的月平均气温涨幅在1.81～2.72 ℃之间，其中8 月份月平均气温涨幅最大为2.72 ℃。

3.2.4 气温与降水关系分析

将1950-2020 年6-8 月份气温数据与大雨以上量级平均降雨日数、极端降雨站次进行相关分析，见表6。

根据表6 可以看出，北京城区大雨以上量级降雨日数与6、7、8 月的气温序列均呈现正相关；1 h 降水量在50～70 mm 和70 mm 以上站次数与7、8 月份最高气温和平均气温呈现弱的正相关性；8月份平均气温与上述4种降雨统计项目均呈现正相关。

表6 气温与降水相关分析Tab.6 Correlation analysis of temperature and precipitation

4 讨论

随着城市化进程的发展，城市化不同阶段城区与郊区在不同等级降雨方面存在差异。在中雨量级方面，在城市化发展各阶段城区相对于郊区增雨系数大致呈递增的趋势。在大雨量级方面，各时期增雨系数变化波动较大，在2001-2010年城区大雨出现频次明显高于郊区。说明在此阶段城区大雨出现的概率要高于郊区。在暴雨量级和极端降雨方面，城市化发展各阶段暴雨以上量级降水城区发生的频次总体高于郊区，尤其是2011-2020 年城市化较为完善阶段，城区较郊区发生暴雨量级以上的降水事件可能性较大。可能有以下几方面原因：在城市化发展过程中，城区大量自然植被在人类活动影响下，地表硬化面积增加，表面反射率小，太阳辐射产生的热量被接近地层表面大气所吸收，在城市发展过程中使大气中CO2和污染物颗粒浓度升高，对空气中太阳辐射的热量吸收率大大提升，致使城区增温速率明显高于郊区，形成城市“热岛”［15-17］。在城市“热岛效应”作用下，空气受热膨胀引起上升运动的加强，使城区近地层形成区域低压中心，平原区冷空气逐渐向城区辐合，形成城市“热岛环流”。“热岛环流”的产生使得城市空气层结不稳定，上升气流在良好的热力条件下能够引发湿对流，从而形成降水［18］。

5 结论

针对城市化影响下水文要素的演变特征开展研究，分析了城市化进程不同时期区域土地利用变化特征，研究城市化影响下区域降雨、气温的变化以及气温与降雨的相关性分析，主要得出以下结论。

（1）1980-2018 年北京城区建筑用地主要集中在城区中心区，并随城市化建设逐步由中心区向四周扩散，耕地由城市中心区向周边逐渐减少，随着时间的推移耕地逐渐转为建设用地。1980-1990 年北京市城区土地利用类型变化不大，说明该时期土地利用开发较为平稳，土地开发活动不活跃，城市化进程较为缓慢。1990年以后进入城市化发展的快速时期，土地开发活动较为活跃，土地利用类型变化剧烈，主要表现为耕地面积和建设用地面积变化明显，水面面积略有变化，变化较为平稳。

（2）1970-2020年期间城区、郊区年降雨量和最大5日降雨量均呈下降的趋势。随着城市化进程的发展城区降雨雨量和发生频次要高于郊区。

（3）建国以来北京城区大雨以上量级降雨日数有所增加，6-9 月北京城区气温呈现小幅上涨，月平均气温涨幅在1.81～2.72 ℃之间，其中8 月份月平均气温涨幅最大（2.72 ℃）；城区大雨以上量级降雨日数与6、7、8三个月的气温序列呈现不同程度的正相关，其中8 月份平均气温相关性最显著；8 月份平均气温与1 h降水量大于25 mm呈正相关。