基于徑流系數的地表類型分類體系研究

文｜ 中國城市科學研究會 鄭云梅 張勝雷 吳潔；建設綜合勘察設計研究院有限公司 趙海龍；山東省莒縣住建局 李秀花 劉曉燕

近年來，城市內澇已成為威脅人類生存的重大災害之一。為治理城市洪澇災害，在《2012 低碳城市與區域發展科技論壇》中首次提出海綿城市的概念。2013年習總書記在《中央城鎮化工作會議》中強調：“提升城市排水系統時要優先考慮把有限的雨水留下來，優先考慮更多利用自然力量排水，建設自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”。從2014年開始，以海綿城市、城市洪澇模型為主題的研究逐漸上升，至今城市洪澇災害防治已成為水文、水資源領域專家學者研究的熱點。隨著城市內澇災害的發生，城市暴雨徑流中大量的污染物，使得初期徑流產生的污染負荷遠高于城市生活污水，由面源引起的水環境污染成為當前城市水環境綜合治理中亟待解決的主要問題之一。基于徑流系數的城市地表類型劃分工作不僅是海綿城市建設規劃設計、城市暴雨徑流管理模型建立的基礎。地表類型，徑流特征的不同，污染物隨著徑流的運移規律也不同，研究基于徑流系數的城市地表類型分類體系還能為徑流管理、污染削減技術應用和實施，以及城市管網設計優化等工作提供支撐。

一、研究現狀

（一）基于徑流系數的地表類型分類體系

針對徑流系數的城市地表類型分類體系國內外還沒有較為系統的研究。雨水徑流污染控制的主要措施可歸納為暴雨最佳管理措施和低影響開發技術，許多國家都對其進行了借鑒和改進。通過對城市大區域綜合徑流系數變化的研究發現，流域內不透水面積百分比的增加會導致徑流系數的增加。Benedetto 采用透水鋪裝解決了飛機場積水問題。日本的雨水利用技術以多功能調蓄設施為主要特色，對城市雨洪管理與利用具有較高的水平。德國、美國等關注城市綠地的水土保持功能，開展了城市地表尤其是非硬化地表的土壤入滲、循環等方面的研究。研究發現森林的開采(特別是高地上的森林)增加了下游洪水泛濫的頻率和強度，一般會減少每年的徑流量，并使得降水的再分配不平均；草地的變化有類似的效果。綠化緩沖帶的寬度大于100英尺，坡度略小于45 度，對雨水徑流污染可起到有效的控制作用。在美國，停車場路面使用透水鋪裝，我國也有大量的停車場開始使用透水鋪裝。法國使用透水瀝青混凝土鋪面的高速公路約有10%以上。而日本也在多處工程中采用了透水混凝土鋪裝。另外國外還出現了大量模擬地表徑流和污染情況方面的模型如SWMM、HSPF、STORM 等。但這些模型中，如SWMM 模型，其徑流模塊只是簡單的將土地利用類型分為透水地表和不透水地表，再結合低影響開發設施、滯蓄池以及暴雨最佳管理措施等對地表情況進行模擬預測。而在土地利用/土地覆被變化對徑流的影響研究中也只是對土地利用類型進行簡單的劃分。如Deepak Khare 等在研究土地利用/土地覆被變化對水電工程流域徑流的影響中時將土地利用類型劃分為水域、建設用地、森林和密集植被、稀疏植被、休耕地5 個土地利用類型。

國內基于徑流系數的地表類型分類體系較缺乏，相關研究分為四塊。

一是基于面源污染問題的土地利用/土地覆被分類系統的研究。如練雄和蔡永立等根據生態服務功能和人類干擾程度，在全國土地利用分類標準的基礎上制定的二級分類系統。一級分類包括林地、草地、葦地和灘涂、湖泊、坑塘、耕地、養殖地、建筑、道路及廣場、其他土地等，反映了地表徑流方式。

二是在流域尺度方面的研究。相關結論如：相同的降雨條件下，綠地因植被類型、生長期、高程、所處城市功能區的不同，降雨徑流、污染特征不同；大喬木比小喬木可多滯留50%的降雨，落葉喬木落葉后滯留雨水的能力是落葉前的10%-30%；一棵成年樹木一天最多可蒸騰掉300L 水；不同使用功能的地表降雨徑流過程排污狀況中，商業區污染負荷最大等。

三是土地利用變化對徑流的影響的研究，如曹言等在將昆明市主城區土地利用類型劃分為城市建設用地、水域、裸地、水田、旱地、有林地、灌木林、疏木林和草地，而吳淼等將土地利用類型信息劃分為水田、林地以及水庫等。分類的不一致在進一步對比總結結論時有一定困難。

四是對比某些典型的地表類型對徑流的影響規律方面。如黃志霖等通過實地觀測自然降水條件下連續14年的半干旱黃土丘陵溝壑區坡耕地、4 種退耕類型徑流得到：①徑流量大小次序為農耕坡地＞牧草地＞喬木林地＞自然草地＞灌木林地。②累積減流效應次序為灌木林地＞自然草地＞喬木林地＞牧草地。③減流效應變化與退耕類型是否能形成穩定的復合緩沖層、覆蓋層情況有關。

（二）土地利用分類體系

國內外土地利用分類體系主要服務于土地規劃，通過分析總結其分類體系制定經驗，可為本研究提供借鑒。

國外服務于土地利用規劃的土地利用分類體系比較有代表性的有美國、英國。美國的土地利用分類體系較為成熟，比較有借鑒意義的是1994年的《基于土地的分類標準（LBCS）》分類。LBCS 由1965年的《標準土地利用分類模式》演化而來，包括活動、功能、結構、場地和所有權5 個平行的維度，可在城市、郊區和鄉村地區采用靈活的方法來分類新的土地用途，根據規劃不同階段以及不同類型區劃的需要進行選擇和組合，具有靈活性和可擴充性的特點。其中大部分區劃條例在編制階段進行分類時，傾向結合功能和結構的維度。而規劃在現狀調查階段，可結合這5 種維度的分類更清晰明確地描述現狀土地利用的特點。

英國主要通過建立面向開發控制的《一般開發規則》來保護土地價值，解決活動的沖突。因此GDPO 從最開始的住宅開發免除申請開發許可證，逐漸擴大到工業項目、農業建筑、礦業開發、學院等33 個方面，土地利用分類不成體系。直到2006年，采用記錄和描述的分類方法，制定了《土地用途和土地覆蓋物分類標準》。它采用了土地用途和土地覆蓋物兩個分類維度，并明確指出，土地用途與土地的活動或土地的社會經濟有關，土地覆蓋物與土地表面的物質種類或形態有關。其中土地用途共分為13 個大類41 個中類。大類包括農業和漁業、林業、采礦、娛樂和休閑等。土地覆蓋物共包括10 個大類32 個種類，其中大類包括莊稼地、草地、林地和灌木、荒野和沼澤、懸崖石壁等。

我國的土地利用分類均為層級型。最新修訂的《城市用地分類與規劃建設用地標準》（GB50137-2011）服務與城市規劃，它將城市建設用地分為三個級別，其中大類包括居住用地、公共管理與公共服務用地、商業服務業設施用地等8 個；最新修訂的《土地利用現狀分類》（GB/T 21010-2017）服務于土地利用總體規劃，它將土地利用類型分為兩個級別，其中一級類包括耕地、園地、林地、草地等12 個；另外，我國為了厘清土地家底，開展了國情普查，編制了《地理國情普查內容與指標》（GQJC001-2013），將地類分為三個級別。其中一級類包括耕地、園地、林地、草地、房屋建筑（區）、道路、構筑物等12 個；隨著遙感技術的發展和應用，可多快好省地獲取土地利用類型信息，基于遙感技術且針對城市的土地利用/土地覆被分類系統也隨之發展起來。如練雄、蔡永立等提出基于面源污染問題的土地利用/土地覆被二級分類系統。其一級類包括林地、耕地、建筑等，反映了地表徑流方式，數據源為2008年0.5 米航空真彩色遙感影像。這些類型可以與實際面源污染相對應，較好地解決了土地利用/土地覆被分類系統與面源估算之間銜接的問題。

通過國內外進展研究，可得到相關分類標準制定的經驗如下：

第一，多維度。根據美國等國家經驗，多維的分類體系有助于全面的體現各類型的差異性，精準的明確類型的信息，但需注意避免混淆、不清晰的情況出現，從而更有利于實現使用類型的目標。

第二，靈活性。我國地域遼闊，不同區域和城市地表的徑流系數影響因素不盡相同。而我國對于內澇、污染削減方面的研究起步晚，受于條件限制，研究尚不完整，制定全國統一的用地分類標準很難在各地通用。因此可借鑒美國的經驗，在制定全國統一的基于徑流系數的城市地表類型分類體系的基礎上，允許分類體系有一定的靈活性，即地方政府可結合實地情況進行靈活調整，從而保障該分類體系的可操作性。

第三，統一性。基于徑流系數的城市地表類型分類體系是海綿城市規劃的基礎工作。標準的分類體系猶如海綿城市規劃堅實的地基，海綿城市規劃的進一步規范編制落實都具有支撐作用。另外統一的分類標準還是地表類型信息統計分析的基礎，使更大尺度的研究分析成為可能。

二、分類體系構建

（一）分類體系框架制定

分類體系框架制定應遵循以下原則及順序：①層級式結構原則，從大類到小類按層級逐漸劃分，形成基于徑流系數的城市地表類型分類體系。且等級層次可擴充，便于未來研究繼續深入再繼續細化；②關鍵影響因素原則，類型的區分應根據研究現狀中至少出現2 次一樣的成果進行總結，避免影響因素出現的特殊性，抓住普遍存在的規律。

根據基于徑流系數的城市地表類型分類體系的目標，以地表類型為一個維度，繼續增加其他維度或要求。結合研究現狀可知，除了地表類型這個影響因素外，還有植被覆蓋度、透水磚、與周圍地塊的高程關系 、樹木大小 、所處城市功能區 、坡度等。其中樹木大小與植被覆蓋度有異曲同工之處，均根據植被綠葉覆蓋情況可以表現出來，而透水磚、低勢草坪（下凹式綠地）屬于低影響開發設施中的一種，由于它與地表類型不是一個尺度的內容，因此不參與地表類型分類。最后坡度也是影響地表徑流系數的核心指標，但每個透水地表類型的徑流系數都會隨著坡度的變化而變化，所以在分類維度中可不做總結。因此，總結來看可確定參與基于徑流系數的地表類型分類體系三個維度為地表類型、所處城市功能區、植被覆蓋度等3 個維度，如表1所示。

（二）每一維度內容的確定

首先是地表類型的確定。每一類型的確定原則：①徑流系數差異性原則；②污染特征差異性原則，本分類結果是為了應用于城市地表徑流減控與面源污染削減技術研究中，為更有效地服務于該目標，分類過程中應結合其污染特征差異進行劃分；③遙感影像特征可識別性原則，遙感影像分類技術可快速獲取地表類型信息，因此分類體系框架的制定應兼顧遙感影像特征可識別原則進行制定；④粗細適宜性原則，過粗的分類體系，會導致城市地表徑流減控與面源污染削減技術成果準確性不足的問題，而過細的分類體系又會導致后續成果過于精確，但在實際工程實施中精度有限，成果無法通過工程化應用達到預設精度。因此需有的放矢；⑤實用性原則，本分類體系研究屬于行業中首次研究，在工程化應用過程中，往往只具有其他分類成果，因此，分類結果應與相關分類標準規范能進行對照，提升本分類體系的實用性。

表1 基于徑流系數的城市地表類型分類體系分類維度的定義

地表類型主要參考《土地利用現狀分類》（GB/T 21010-2017），借鑒《地理國情普查內容與指標》（GQJC001-2013）、《城市用地分類與規劃建設用地標準》（GB50137-2011），結合高分二號遙感影像特征，以及相關研究得出的徑流系數和污染特征差異的基礎上進行制定（結果見表2）。其中地表類型的定義在該分類基礎上結合本研究目標進行確定。一級類中耕地、林地、草地、裸地、水域、交通運輸用地的區分主要來源于《土地利用現狀分類》（GB/T 21010-2017）、遙感影像特征、徑流和污染特征以及張韶華和黃志霖的研究成果。林地分為喬木林地、灌木林地。水域、裸地、耕地區分主要來源于徑流和污染特征、遙感影像特征以及王鋒的研究成果。房屋建筑主要來源于《城市用地分類與規劃建設用地標準》（GB50137-2011）。房屋建筑、廣場、交通運輸用地區分來源于本子課題所在課題的“不透水地表的徑流特征與表達方法研究”子課題不透水地表污染特征研究成果、遙感影像特征。

植被覆蓋度維度內容確定。植被覆蓋率越小，流域徑流量越大。學者研究發現少林流域(森林覆被率為15.2%)的平均徑流深是多林流域(森林覆被率為82.7%)的3.43 倍，無林流域(森林覆被率為0)的平均徑流深是多林流域的4.95 倍。另外，曹言在土地利用變化對徑流的影響研究中將林地分為有林地、灌木林、疏木林。因此植被覆蓋度可分為高覆蓋度、中覆蓋度、低覆蓋度。

社會經濟類型維度內容確定。不同土地使用功能的城市地表，其沉積物的來源不同。如城市工業區的地表沉積與工業生產過程的原料、半成品材料等的擴散、沉積、遺漏等有關；城市路面沉積物與車輛交通流量等因素有關；城市居民區地表沉積物與生活垃圾及居民生活習慣等因素有關，商業區地表沉積物則與商業活動類型有關，由此將地表類型按照功能區劃分為工業區、商業區、居住區、城市道路。

（三）基于徑流系數的地表類型分類體系確定

確定基于徑流系數的城市地表類型分類體系如表3。其中區間交通用地是商業區、居住區以及工業區之間或者城市與城市之間的道路。由于高中低植被覆蓋度僅指林地、草地的植被覆蓋度，因此僅針對這兩類型的覆蓋度進行區分；由于各功能區污染特征是指廣場、道路、設施以及房屋建筑的污染特征，因此僅對這四類的功能區進行區分；由于植被覆蓋度和各社會經濟類型功能區進一步細分的地表類型不一樣，因此將這兩個維度的地表類型均劃分為小類。

表2 城市地表分類表

表3 基于徑流系數的地表類型分類體系