城市化影響下區域水文要素演變特征研究

代凌輝，張東鋒，吳 偉

（1.黃河水利職業技術學院，河南開封 475004；2.河南省小流域生態水利工程技術研究中心，河南開封 475004）

0 引言

隨著城市經濟的快速發展和城市化進程的加快，人類活動越發頻繁，改變了原有的土地利用類型，主要表現為地表硬化面積增加，而地表硬化具有弱透水率，低反射率以及大熱容量等物理屬性。城市環境中人為熱源以及空氣中氣溶膠濃度的增加也是城市化進程的產物。研究表明，盡管城市所占全球陸地面積的比例很小，但是卻通過這些改變直接影響了區域尺度甚至更大空間范圍內的水文循環以及能量循環特征［1］，如改變城市地區降雨、產流的規律以及地表能量的分配方式等，同時引發了一系列城市環境問題，如城市熱島［2］，城市雨島［3］，城市洪澇災害［4］等。這一系列環境問題直接威脅到城市居民的生存環境，影響城市正常運行以及社會經濟的可持續發展。因此，進一步摸清城市化影響下區域水文特征演變規律是十分必要的。

國內外針對城市化對降雨的影響已有相關的研究，Shep‐herd等［5］研究了美國亞利桑那州和沙特首都利亞得的降水變化發現：城市發展后期（1950-2003）比城市發展前期（1895-1949）年平均降水量增加12%～14%；Mote等［6］研究美國亞特蘭大東部郊區（下風向）降雨變化發現，隨著建設用地的增加，城市極端降水顯著增加；侯蕾等［8］對永定河上游流域水文要素演變特征開展了相關研究發現流域內氣溫和降水在空間上差異明顯，氣溫有顯著升高趨勢，徑流顯著減少，降水變化趨勢不明顯；吳息等［9］研究發現，城市效應對下風區的短時降水量增加影響明顯，在城中心短歷時暴雨的發生概率和強度增加明顯；張延偉等［10］研究河南省極端氣候事件變化趨勢發現，20 世紀80 年代后極端降水時間呈明顯增加趨勢，最高氣溫和最低氣溫均顯著升高；張志高等［11］人對河南省汛期降水時空變化研究表明，隨著時間的變化，汛期強降水和極端降水日數增多，有效降水日數減少趨勢。Yang 等［12］探討了太湖流域蘇錫常和杭嘉湖城市群1961-2006 年期間城市和郊區降雨差異，結果表明降水量會隨著城市化水平的增加而在空間和時間尺度上增加。從以往的研究來看，主要集中于城市化對降雨的影響，而隨著城市化進程的推進，城市化對大氣溫度以及溫度變化與降雨的關系研究較少。

為摸清城市化影響下區域降水、氣溫變化特征以及相關性，以北京市平原區為研究區域，選取區域內典型代表站，在實測數據的基礎上，應用數理統計方法，分析不同年代下墊面變化特征，探究城市化影響下區域降水、溫度變化特征及相關性。為北京市防汛相關部門決策提供依據，為保障城市安全運行提供技術支撐。

1 區域概況

北京城區位于北京市中部，屬平原區，共由東城區、西城區、朝陽區、海淀區、石景山區、豐臺區六個區組成，總面積1 386 km2，隸屬于北京市五大水系之一的北運河流域，共有河流90余條，總長度567.7 km。氣候為典型的暖溫帶濕潤大陸性季風氣候，四季分明，夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥，雨熱同期；降水主要集中在夏季，占全年的75%左右。年均降雨量585 mm，年平均氣溫14 ℃。北京行政區劃見圖1。

圖1 北京市行政區劃圖Fig.1 Administrative zoning map of Beijing

2 研究方法

以城六區為主要研究對象，選取近50年不同程度的暴雨量為樣本，采用數理統計方法，分析城區降雨規律，同時參照郊區同期變化特征，結合土地利用類型演變規律和氣溫、雨強等影響因素，綜合分析城市化影響下區域水文要素演變特征。

采用土地利用面積比重、土地利用變化幅度、土地利用綜合指數、土地利用變化度量、土地利用年變化率和動態度等指標來衡量不同時期土地變化情況，具體表達方式如下。

2.1 土地利用面積比重

土地利用面積比重表示某類土地利用面積與區域總面積的比值，其表達式如下：

式中：Wi表示第i類土地利用面積比重；Ai表示第i類土地的面積；At表示區域總面積。

2.2 土地利用面積變化幅度

土地利用面積變化幅度表示土地在一定時期內面積變化的快慢，本文采用土地面積總變化幅度和年變化幅度來進行衡量。其計算公式如下：

式中：Pi總表示i類土地面積總變化幅度；Α初和Α末分別表示該土地類型土地利用研究初期和研究末期的面積；Pi年表示i類土地的年變化幅度；Αa和Αb分別表示該類型土地在a和b時期的面積。

2.3 土地利用綜合指數

土地利用綜合程度指數主要反映土地利用的廣度和深度，根據劉紀遠、高志強等［13，14］提出的土地利用程度綜合分析方法，計算公式如下：

式中：La的范圍是100～400，為土地利用程度綜合指數；Ai為第i級的土地利用程度分級指數；Ci為第i級土地利用程度分級面積百分比。如果La值增大，則表明該區域土地利用處于開發期，否則處于衰退或者稱恢復期。

2.4 土地利用變化度量

為了更好地分析土地利用變化特征并揭示土地利用變化的速率和強度，對每一類土地利用類型采用年變化率和動態度2 個指標度量北京城區土地利用變化特征。第i種土地利用類型的年變化率Ki的計算公式為：

式中：Si為監測開始時間第i類土地利用類型的總面積；ΔSi.j為監測開始至結束時段內第i類土地利用類型與其他土地類型j相互轉換后的變化面積；t為時間段；第i類土地利用類型年變化率Ki反映了與t時間段對應的研究區域的該土地利用類型的年變化速率。

第i種土地利用類型的動態度（Di）的計算公式為：

式中：Sa為研究區總面積；|ΔSi.j|為監測開始至監測結束時段內第i類土地利用類型與其他類土地利用類型j相互轉化面積的絕對值；t為時間段；該土地利用類型的動態度反映了與該時段對應的研究區該土地利用類型變化的劇烈程度。

3 結果與分析

3.1 不同時期土地利用變化特征

3.1.1 不同時期土地利用空間變化

根據1980 年、1990 年、2000 年、2010 年和2018 年五期北京市城區土地利用遙感解譯數據（數據來源于中國土地利用現狀遙感監測數據庫），分辨率為是1 km網格數據，數據生產制作是以各期Landsat TM∕ETM 遙感影像為主要數據源，通過人工目視解譯生成。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建筑用地。北京城區不同土地利用類型空間分布情況，分析結果見圖2。

圖2 北京城區不同土地利用類型空間分布Fig.2 Spatial distribution of different land use types in Beijing urban area

此次分析按照耕地、綠地、水面和建筑用地4種土地利用類型進行分析，圖2 中林地和草地統稱為綠地。從圖2 分析可知，北京城區綠地主要分布于城區西北部和西南部，建筑用地主要集中在城區中心區，并隨城市化建設逐步由中心區向四周擴散，耕地由城市中心區向周邊逐漸減少，隨著時間的推移耕地逐漸轉為建設用地。

3.1.2 不同時期土地利用變幅

通過對1980-2018 年北京城區土地利用變幅和1980-1990年、1990-2000 年、2000-2010 年、2010-2018 年4 個階段土地利用變幅分析，得到不同時期北京城區土地利用變化，結果見表1。

表1 不同時期土地利用變化Tab.1 Land use change in different periods

經分析，1980-2018 年土地利用類型變化最大的為建設用地，其次為耕地。建設用地大幅增加，耕地面積大幅減小，綠地面積和水面面積變化相對較小，各類型土地利用變化情況具體如下：

（1）建設用地面積大幅增加。1980-2018 年建設用地面積由563 km2增加到1 049 km2，面積增加了486 km2。占總面積比重由40.9%增加到76.1%。建設用地的總變幅為86.3%，較1980 年面積增加4∕5 多的面積，各階段建筑面積的變化均呈正相關變化，其中在1990-2000 年變幅較大，為42.4%；1980-1990年、2000-2010年變幅較小，為8.0%左右。

（2）耕地面積萎縮嚴重。1980-2018 年耕地面積由635 km2縮減到137 km2，面積減少了498 km2。占總面積比重由46.1%減少到9.9%。耕地用地的總變幅為78.4%，較1980年面積減少近4∕5 的面積，各階段耕地面積的變化均呈負相關變化，其中1990年以后減少速度較快，在1990-2000 年、2000-2010 年、2010-2018 年，減少百分比分別為44.2%、24.9 和44.1%；1980-1990年年變幅較小，為8.03%。

（3）綠地面積有所增加。1980-2018 年綠地面積由161 km2增加到177 km2，面積增加了16 km2。占總面積比重由11.7%增加到12.8%。綠地面積的總變幅為9.94%，較1980 年面積增加近1∕10 的面積，各階段綠地面積的變化均呈波動性變化，其中在1990-2000 年、2000-2010 年兩個階段綠地面積減少，變幅較小，為5%左右；2010 年以后增加較為明顯，2010-2018 年增加20.4%。

（4）水面面積有所增加。1980-2018 年水面面積由12 km2增加到15 km2，面積增加了3 km2。占總面積比重由0.9%增加到1.1%。水面面積的總變幅為25.0%，較1980 年面積增加近1∕4 的面積，各階段水面面積的變化均呈波動性變化，其中在1980-1990年、1990-2000年、2000-2010年3個階段水面面積增加，增加百分比分別為33.3%、62.5%和34.6%；2010 年以后減少，減少百分比為11.8%。

3.1.3 土地利用綜合指數

經計算，北京城區不同時期土地利用程度綜合指數結果見表2。

表2 北京城區不同時期土地利用程度綜合指數Tab.2 Comprehensive index of land use degree in different periods in Beijing urban area

從表2 中可知，北京城區土地利用程度綜合指數1980 年為327、1990 年為329.7、2000 年為346.7、2010 年為357.3、2018 年為361.9。由此可見自1980年開始北京城區土地利用程度綜合指數呈現逐漸增加，說明北京城區從1980 年開始至2018 年土地開發利用活動一直處于發展期，其中在1980 年至1990 年土地利用程度綜合指數較接近，說明這段時間土地開發利用活動較少，城市化進程較為緩慢。而在1990年以后土地利用程度綜合指數增長較快，說明1990年以后北京城區呈現城市化快速發展，土地開發利用較為活躍，到2018 年土地利用程度綜合指數增長10.7%，城市化進程明顯。

3.1.4 土地利用變化度量指標

經計算，北京城區不同時期土地利用類型年變化率結果見表3。

從表3 可知，北京城區土地利用在1990 年以后變化較為明顯，其中1990-2000 年變化最為明顯。整體表現為耕地不斷減少，建設用地不斷增加，綠地面積較2010年以前有所增加，水面面積2000 年以后較2000 年以前有所減少。從土地類型變化速率上分析，1990年以后耕地的減少速率和建設用地的增加速率明顯，尤其在1990-2000 年之間耕地與建設用地變化明顯，1990-2000年、2000-2010年、2010-2018年3個時期耕地年變化率分別為-4.42%、-2.48%、-5.51%，建設用地年變化率分別為4.22%、1.17%、1.10%。說明北京城區該階段處于快速的發展階段。

表3 土地利用類型年變化率 %Tab.3 Annual change rate of land use type

通過對北京城區1980-2018年土地利用類型動態度的分析表明（見表4），1980-1990 年北京市城區土地利用類型變化不大，說明該時期土地利用開發較為平穩，土地開發活動不活躍，城市化進程較為緩慢，耕地與建設用地有所變化，變幅分別為0.37%和0.32%。1990 年以后進入城市化發展的快速時期，土地開發活動較為活躍，土地利用類型變化劇烈，主要表現為耕地面積和建設用地面積變化明顯，其中在1990-2000 年、2000-2010 年、2010-2018 年3 個時期耕地面積動態度分別為1.87%、0.59%、0.98%，建設用地面積動態變化度分別為1.86%、0.73%、0.77%。而綠地面積在2010-2018 年變化較為劇烈，動態度為0.27%，較2010年以前增加明顯。水面面積略有變化，變化較為平穩。

表4 土地利用類型動態度 %Tab.4 Dynamic attitude of land use type

3.2 城市化對水文要素影響分析

3.2.1 降雨趨勢對比分析

選取北京市城區、郊區典型雨量代表站，站點分布見圖3。

圖3 雨量站點分布Fig.3 Distribution of rainfall stations

根據1970-2020 年實測資料選取年最大日雨量、年最大5日雨量和年雨量值3 個指標，分析在城市化發展和氣候條件變化情況下，北京市郊區和城區降雨隨時間尺度演變特征。分析結果見圖4。

圖4 雨量分析結果圖Fig.4 Rainfall analysis results

通過分析1970-2020年期間城區雨量特征隨時間尺度的變化趨勢可知，年降雨量和最大5 日降雨量變化趨勢城區和郊區均呈下降的趨勢。其原因是城區和郊區具有相同的大尺度氣候環流系統，因此氣象因素對城區和郊區的影響效應基本相同。城區年降雨量遞減速率為0.68 mm∕a，郊區年降雨量遞減速率為1.0 mm∕a；城區最大5日降雨量遞減速率為0.20 mm∕a，郊區最大5 日遞減速率為0.49 mm∕a。城區最大日降雨量呈上升的趨勢，遞增速率為0.43 mm∕a，郊區最大日降雨量呈下降的趨勢，遞減速率為0.2 mm∕a。說明城市化對城區降雨影響較為敏感，同時受氣候變化的影響自1970-2020 年降雨量整體呈減小的變化。

3.2.2 增雨效率分析

選取北京市城區和郊區為研究區域，對比分析城市化對降雨的影響，并以增雨系數作為衡量城市化對降雨的影響程度，增雨系數等于城區降雨日數與郊區降雨日數的比值，反映不同時期的降雨頻次。按照1970-1980、1981-1990、1991-2000、2001-2010、2011-2020 五個時期，對不同時期降雨量均值和不同量級降雨增雨系數進行分析，結果見表5。

表5 不同時期城市化對降雨的影響Tab.5 Effects of urbanization on rainfall in different periods

通過對1970-1980 年、1981-1990 年、1991-2000 年、2001-2010 年、2011-2020 年五個時期降雨量均值和不同量級降雨的增雨系數分析可知，1970-1980 年和2001-2010 年兩個時期，城區雨量均值略小于郊區，其中1970-1980 年城區雨量均值較郊區偏小1.53%，2001-2010 年城區雨量均值較平原區偏小0.8%，兩者基本持平。而在1981-1990 年、1991-2000 年、2011-2020年三個時期，城區雨量均值大于郊區雨量均值，其中1981-1990年城區雨量均值較郊區偏大1.88%，1991-2000 年城區雨量均值較郊區偏大1.89%，2011-2020 年城區雨量均值較郊區偏大3.3%。

整體上分析，城區降雨頻次均要小于郊區的降雨頻次，增雨系數為0.88～0.93，基本保持平穩。在中雨量級方面，城區出現的頻次逐年增加，增雨系數從0.81 增至1.07。在大雨量級以上城區出現的頻次要高于郊區。尤其是2011-2020年城市化較為完善階段，暴雨量級和極端降雨增雨系數分別為1.64和2.50。

3.2.3 城區氣溫變化分析

選取北京地區氣象長系列代表站觀象臺站的最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫71年長序列數據資料開展分析研究。對觀象臺站1950-2020 年6-9 月逐月氣象數據進行趨勢分析，結果表明6、7、8、9四個月平均氣溫均呈現略有上升的趨勢。見圖5。

圖5 1950-2020年6-9月氣溫變化情況Fig.5 Temperature change from June to September，1950-2020

通過分析近十年來（2011-2020年）與建國后前十年（1950-1959）6-9 月的月平均氣溫數據發現，上述4 個月的月平均氣溫漲幅在1.81～2.72 ℃之間，其中8 月份月平均氣溫漲幅最大為2.72 ℃。

3.2.4 氣溫與降水關系分析

將1950-2020 年6-8 月份氣溫數據與大雨以上量級平均降雨日數、極端降雨站次進行相關分析，見表6。

根據表6 可以看出，北京城區大雨以上量級降雨日數與6、7、8 月的氣溫序列均呈現正相關；1 h 降水量在50～70 mm 和70 mm 以上站次數與7、8 月份最高氣溫和平均氣溫呈現弱的正相關性；8月份平均氣溫與上述4種降雨統計項目均呈現正相關。

表6 氣溫與降水相關分析Tab.6 Correlation analysis of temperature and precipitation

4 討論

隨著城市化進程的發展，城市化不同階段城區與郊區在不同等級降雨方面存在差異。在中雨量級方面，在城市化發展各階段城區相對于郊區增雨系數大致呈遞增的趨勢。在大雨量級方面，各時期增雨系數變化波動較大，在2001-2010年城區大雨出現頻次明顯高于郊區。說明在此階段城區大雨出現的概率要高于郊區。在暴雨量級和極端降雨方面，城市化發展各階段暴雨以上量級降水城區發生的頻次總體高于郊區，尤其是2011-2020 年城市化較為完善階段，城區較郊區發生暴雨量級以上的降水事件可能性較大。可能有以下幾方面原因：在城市化發展過程中，城區大量自然植被在人類活動影響下，地表硬化面積增加，表面反射率小，太陽輻射產生的熱量被接近地層表面大氣所吸收，在城市發展過程中使大氣中CO2和污染物顆粒濃度升高，對空氣中太陽輻射的熱量吸收率大大提升，致使城區增溫速率明顯高于郊區，形成城市“熱島”［15-17］。在城市“熱島效應”作用下，空氣受熱膨脹引起上升運動的加強，使城區近地層形成區域低壓中心，平原區冷空氣逐漸向城區輻合，形成城市“熱島環流”。“熱島環流”的產生使得城市空氣層結不穩定，上升氣流在良好的熱力條件下能夠引發濕對流，從而形成降水［18］。

5 結論

針對城市化影響下水文要素的演變特征開展研究，分析了城市化進程不同時期區域土地利用變化特征，研究城市化影響下區域降雨、氣溫的變化以及氣溫與降雨的相關性分析，主要得出以下結論。

（1）1980-2018 年北京城區建筑用地主要集中在城區中心區，并隨城市化建設逐步由中心區向四周擴散，耕地由城市中心區向周邊逐漸減少，隨著時間的推移耕地逐漸轉為建設用地。1980-1990 年北京市城區土地利用類型變化不大，說明該時期土地利用開發較為平穩，土地開發活動不活躍，城市化進程較為緩慢。1990年以后進入城市化發展的快速時期，土地開發活動較為活躍，土地利用類型變化劇烈，主要表現為耕地面積和建設用地面積變化明顯，水面面積略有變化，變化較為平穩。

（2）1970-2020年期間城區、郊區年降雨量和最大5日降雨量均呈下降的趨勢。隨著城市化進程的發展城區降雨雨量和發生頻次要高于郊區。

（3）建國以來北京城區大雨以上量級降雨日數有所增加，6-9 月北京城區氣溫呈現小幅上漲，月平均氣溫漲幅在1.81～2.72 ℃之間，其中8 月份月平均氣溫漲幅最大（2.72 ℃）；城區大雨以上量級降雨日數與6、7、8三個月的氣溫序列呈現不同程度的正相關，其中8 月份平均氣溫相關性最顯著；8 月份平均氣溫與1 h降水量大于25 mm呈正相關。