深圳市不透水表面擴展對徑流量的影響

劉珍環(huán)，曾祥坤

(1.中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081;2.農業(yè)部農業(yè)信息技術重點實驗室，北京 100081;3.深圳市蕾奧城市規(guī)劃設計咨詢有限公司，廣東深圳 518040)

土地利用/覆被變化對水文的影響是全球環(huán)境變化下水文循環(huán)研究的熱點。IHP、WCRP、IGBP、GWSP 等研究計劃都密切關注環(huán)境變化下的水循環(huán)過程［1］。城市化對流域水文影響的范圍及程度是城市水文研究的難點［2］。城市土地利用中將自然地表轉化為不透水表面，由城市地區(qū)的屋頂、道路和鋪砌地磚等組成的不透水表面，減少了透水性地面［3-4］，改變了下墊面形式，從而影響區(qū)域的水熱交換，對區(qū)域的降水再分配產生決定性影響［5-6］。模擬城市不透水表面擴展對城區(qū)徑流量的影響程度，對城區(qū)防洪設計、減少洪澇災害有較重要的意義。

SCS 降雨曲線是當前國內外廣泛用來模擬降雨徑流形成過程的主要方程，因其參數簡單、使用范圍廣、模擬準確度高，成為SWAT［7-8］、L-THIA［9］、AGNPS［10］模型等的首選。我國從20 世紀90 年代開始引進SCS 曲線模擬無水文監(jiān)測地區(qū)［11］和城市地區(qū)［12-14］的徑流量。應用SCS 降雨曲線模擬城市地區(qū)徑流量時，需要考慮參數修正［3，15-16］。對不透水表面面積的變化導致城市徑流量的變化尚未有研究報道，是值得深入的研究熱點［17］。

深圳市是我國快速城市化的典型地區(qū)之一，經歷了近30 a 的大規(guī)模建設，地表覆被變化迅速，水文徑流受到巨大影響。目前已有人研究該地區(qū)徑流的影響［18-20］，但這些研究都以土地利用/覆被分類數據為基礎，參數的合理性還有待深入探討［21］。一直以來，不透水表面百分比數據的獲取是制約該參數應用于城市水文模擬研究的主要障礙［22］。本研究應用遙感技術獲取城市像元尺度的不透水表面百分比數據，旨在為城市化地區(qū)的水文研究提供新視角，也為城市發(fā)展面臨的洪澇災害等問題的解決提供科學決策依據。

1 研究區(qū)概況及數據源

1.1 概況

深圳市位于廣東省中南部沿海，東臨大亞灣，西瀕珠江口，北與東莞市和惠州市接壤，南與香港特別行政區(qū)僅一河之隔。陸地范圍為東經113°45'44″～114°37'21″，北緯22°26'59″～22°51'49″。30 a 來，深圳市從一個昔日人口只有33 萬、GDP 為2.7 億元的邊陲小鎮(zhèn)發(fā)展為2008 年全市人口876.83 萬、GDP為7 806.54億的集工業(yè)、貿易、旅游、金融于一體的初具規(guī)模的現代化城市。深圳市共有大小河流310余條，其中流域面積大于10 km2的有69 條，流域面積大于100 km2的有5 條，即深圳河、茅洲河、龍崗河、觀瀾河和坪山河。深圳市境內的河流主要以海岸山脈和羊臺山為主要分水嶺，分成南、西、北3 個水系。南部諸河注入深圳灣、大鵬灣、大亞灣，稱海灣水系;西部諸河注入珠江口伶仃洋，稱珠江口水系;北部諸河注入東江的一、二級支流，稱東江水系。多數河流直接入海，形成小流域。筆者選擇深圳河、大沙河、西鄉(xiāng)河、茅洲河、觀瀾河、龍崗河、坪山河7個河流流域，和石巖水庫、西麗水庫、深圳水庫、鐵崗水庫4 個水庫流域，共11 個不同城市化階段的城市子流域作為研究對象。這11 個流域在水系上相互獨立，無直接的水力聯系，流域徑流量約占全深圳市徑流量的60%。

1.2 數據源

研究數據主要有遙感、地形、降雨、土壤以及水文監(jiān)測數據(表1 ～2)。其中遙感影像主要為8 景Lansat TM/ETM +影像，以軌道號121/44 和122/44為代表的左右兩景影像拼接覆蓋全境。降雨數據為深圳雨量站的1952—2008 年逐日、逐旬的降雨量數據。此外，從《深圳市水文年鑒》及自動觀測站匯總數據，得到1960—2008 年間11 個站點的逐月和年降雨量數據。SCS 降雨曲線模型將USDA 分類系統中的土壤綜合為A、B、C、D 4 種類型，分別代表不同下滲率的土壤，其含義見美國土壤調查委員會的標準［8］。本研究采用1983 年深圳自然資源調查成果中的土壤類型圖為基礎，對原土壤類型按照模型參數需求進行歸并。鑒于土壤屬性較為穩(wěn)定，本研究忽略土壤類型的變化。

表1 數據來源情況

2 研究方法

2.1 不透水表面遙感

運用線性光譜分離技術獲取LandsatTM/ETM+在30 m 像元內不透水表面百分比數據。影像處理過程包括幾何校正、大氣輻射校正、圖像裁切、最小噪音分離、純像元處理、端元收集、線性光譜分離、結果的檢驗與校正等［23］。不透水表面在遙感信息上表現為高反照率與低反照率組合的特征。線性光譜分離的算法為:選取端元，確定典型地物波譜特征;端元組合為植被-高反照率-低反照率-土壤端元;對水體進行掩模處理;應用最小二乘法分解像元，公式［24］為

式中:Riλ為第i 個像元在λ 波段的反射率;fki為第k個基本組分在第i 個像元中所占的面積比例;Ckλ為第k 個基本組分在λ 波段的反射率;εiλ為殘差值。相關解譯及檢驗結果參見文獻［25］。

2.2 降雨徑流關系模型

徑流模擬采用SCS 降雨曲線模型。SCS 降雨曲線模型是美國水土保持局在1972 年提出的一種用曲線值(CN)計算徑流量的方法，它可以模擬較長時間尺度下城市地區(qū)不透水表面百分比的變化對徑流及水環(huán)境污染的影響程度［26-27］。計算公式為

當Ia=0.2S，且Rd＞Ia時，

式中:Qs為日徑流深，mm;Rd為日降雨深，mm;S 為最大持留系數;Ia為包括地表存儲、攔截及滲透的初損雨量。

CN 值是一個無量綱參數，是SCS 降雨曲線模型的主要參數，用于描述降雨-徑流關系，可將前期土壤濕潤程度(AMC)、坡度、土壤類型和不透水表面百分比等因素綜合起來。但在長期影響的模擬中，常常忽略前3 者變化帶來的影響，因為這種變化對一次降雨過程影響較大，但對年際的影響較小。CN 值把流域下墊面條件定量化，用量化的指標來定量反應下墊面條件對產匯流過程的影響。

城市不透水表面百分比是影響地表徑流的主要因素，根據SCS 降雨曲線對應于地表土壤水文組合條件，將城市不透水表面百分比按照覆蓋度值區(qū)間分為21 個等級。卜心國等［28］的研究表明，深圳市的建設用地大都集中于坡度在5%以下的地區(qū)，因此城市地區(qū)需用城市CN 計算公式進行修正［29］:

式中:CNISA為不透水表面像元的CN 值;CNISAO為不透水表面百分比為0 時的CN 值;IISA為像元的不透水表面百分比。

將不透水表面覆蓋度等級轉化為CN 值。SCS降雨曲線的CN 值是在美國的經驗值，適用于美國大多數條件下的自然河流及坡度小于5%的地區(qū)，而深圳市的大部分流域坡度大于5%，因此需要對其進行坡度修正。采用以下公式修正［30］:

式中:CN2s為修正后的曲線值;CN3為前期降雨濕潤度較大時的曲線值;CN2為前期降雨濕潤度平均時對應的曲線值;Sl為坡度值。

修正后可得到深圳市的不透水表面CN 值的空間分布［31-32］，見圖1。模擬軟件為Matlab7.0 及長期水文影響徑流模型L-THIA。

圖1 深圳市不透水表面的CN 值空間分布

將模擬結果用兩種方法進行比較分析:①以不同降雨量雨情代表模型降雨輸入量，4 種雨情分別為小雨(降雨量為6 mm)、中雨(降雨量為20 mm)、大雨(降雨量為45 mm)和暴雨(降雨量為100 mm)，比較4 個年份(指1990 年、1995 年、2000 年和2005年，以下同)的不透水表面百分比對降雨形成的徑流量的影響，表征的是日徑流量受不透水表面百分比變化的影響程度。②以1960—2008 年間的年降雨量進行枯豐年分析:選擇典型的枯豐年，經分析發(fā)現，1990 年和2005 年分別能代表典型的枯水年和豐水年，以這2 a 的降雨量作為典型年的模型降雨輸入量，比較4 個年份不透水表面百分比對年徑流量的影響程度。③在此基礎上模擬4 個年份的不透表面百分比影響下的年徑流深的空間分布。

3 結果分析

3.1 模型模擬校正

由于深圳地區(qū)缺乏長期徑流量監(jiān)測數據，為了檢驗模型的模擬效果及適用性，用2007 年在石巖水庫流域的實測數據進行誤差分析［33］。模擬結果和實測結果表明，在小雨和中雨情景下，實測徑流量略有差別，小雨情景中模擬徑流量比實測徑流量小11.31%，中雨情景中模擬徑流量比實測徑流量小12.64%(表2)。整體誤差介于10% ～15%，該模型及參數設置能滿足城市地區(qū)的徑流量模擬。

表2 模型模擬結果與實測值比較

3.2 流域不透水表面百分比的變化特征

深圳市11 個流域的不透水表面百分比的變化在15 a 間擴展非常快，從1990 年的26.5%擴展至2005 年的49.3%，擴大了1.9 倍(表3)。而不同的水庫流域和城市地區(qū)流域的不透水表面百分比差異較大，例如深圳河流域的不透水表面百分比已達56.4%，而作為重要水源地的西麗水庫流域則只有34.3%。幾個有主干河流流經的城市地區(qū)的流域不透水表面百分比在2005 年超過了50%。這種變化主要源于深圳市在近15 a 來的快速城市化過程迅速將透水性地表改變?yōu)椴煌杆砻妗?/p>

表3 1990—2005 年深圳市流域的不透水表面百分比

3.3 不透水表面擴張對日徑流量的影響

為定量比較不同降雨量情況下不透水表面擴展對日徑流量變化的影響，選擇4 種降雨量情景，分別代表小雨、中雨、大雨及暴雨(表4)。結果表明，不透水表面擴展對日徑流量有顯著性影響;當降雨情景為小雨時，2005 年的不透水表面造成的日徑流量比1990 年時高136.2%;中雨時，這一比例下降到83.7%;大雨時為59.5%;而暴雨時最低為40.8%。從不透水表面擴展對城市地區(qū)徑流量的影響可以看出，不透水表面的擴展對小雨雨情的影響顯著大于暴雨雨情，這與實際狀況一致。降雨量是控制徑流量的主要因素。

表4 不同降雨量情景下的不透水表面擴展導致的日徑流量變化

3.4 不透水表面擴張對年徑流量的影響

運用典型年情景下的降雨量情況對年徑流量的響應變化進行比較，以確定不透水表面增長對年徑流量的影響。對歷史降雨量數據進行分析，1990 年降雨量為1 396.9 mm，屬典型的枯水年;2005 年降雨量為2 143.6 mm，屬典型的豐水年。可用這2 a 的實際日降雨量為降雨情景，以1990—2005 年的流域不透水表面百分比為下墊面數據，比較流域的年徑流量受不透水表面百分比變化的影響。

深圳市年徑流總量受不透水表面面積變化過程影響顯著(表5)。枯水年中，1995 年的年徑流量比1990 年增加26.24%，2000 年比1990 年增加56.34%，而2005 年比1990 年增加54.85%。豐水年與枯水年情景類似，年徑流總量1995 年比1990年增加21.50%，2000 年比1990 年增加44.71%，而2005 年比1990 年增加43.35%。年徑流量以1990—2000 年間增長迅速，2000—2005 年略有減速。雖然豐水年的不透水表面擴展對徑流的影響與枯水年類似，但主要差異表現為增長的幅度顯著小于枯水年，不透水表面擴展對年徑流量的影響，枯水年顯著大于豐水年。

表5 枯豐年情景下不透水表面擴展對年徑流量的影響

3.5 模擬年徑流量的空間分布

運用當年日降雨量及不透水表面空間分布，模擬4 個年份的年徑流深的空間分布。模擬結果(表6)表明，深圳市1990 年像元尺度(30 m×30 m)平均徑流深為313.96 mm，西鄉(xiāng)河徑流深均值最大為374.61 mm，觀瀾河徑流深均值最小為230.27 mm;1995 年的流域像元平均徑流深是1990 年的3 ～4倍，11 個流域的徑流深均值為982.55 mm，最大徑流深為深圳河的1 124.99 mm，最小徑流深為深圳水庫的896.58 mm;2000 年的流域像元平均徑流深為1 317.31 mm，最大徑流深為西鄉(xiāng)河的1 421.41 mm，最小徑流深為西麗水庫的1 200.87 mm，徑流深最大、最小值之間的差小于1995 年徑流深最大、最小值之間的差;2005 年11 個流域像元年徑流深的均值為937.16 mm，最大徑流深為深圳河的1 006.74 mm，最小徑流深為西麗水庫的805.66 mm。從空間分布上看，徑流深大的地區(qū)不透水程度高，徑流深小的地區(qū)透水程度高，徑流深的空間分布與不透水表面指數的空間分布具有很好的一致性。徑流深值較大區(qū)域為城市核心區(qū)，需要注意防洪和排澇。

表6 深圳市11 個流域的平均年徑流深 mm

4 結論與討論

4.1 主要結論

在快速城市化地區(qū)，不透水表面百分比是影響城市徑流速度及數量的重要地表參數。在運用遙感技術獲取不透水表面空間分布數據的基礎上，運用SCS 降雨曲線方程模擬不透水表面百分比變化對城市徑流量的影響，主要結論如下。

深圳市11 個流域的不透水表面百分比在15 a間擴展非常快，從1990 年的26.5%擴展至2005 年的49.3%，擴大了1.9 倍。不同雨情的模擬情景表明，日徑流量受不透水表面百分比變化的影響為，降雨量越小，流域城市化對日徑流量的影響越大。當降雨情景為小雨時，以2005 年不透水表面百分比為下墊面模擬的日徑流量比1990 年時高136.3%，中雨時比例下降到83.7%，大雨時為59.5%，而暴雨時最低為40.8%。典型降雨年情景模擬結果表明，不透水表面擴展對年降雨量的影響表現為，枯水年受不透水表面擴展的影響大于豐水年。在豐水年，1995 年的年徑流量比1990 年增加26.2%，2000 年比1990 年增加56.3%，而2005 年比1990 年增加54.9%。在枯水年，年徑流總量1995 年比1990 年增加21.5%，2000 年比1990 年增加44.7%，而2005 年比1990 年增加43.4%。

模擬年徑流深空間分布的情況表明，不透水表面能夠非常有效地模擬類似深圳市這種快速城市化、無水文監(jiān)測資料地區(qū)的不透水表面擴展導致徑流量變化情況。在防洪防澇管理和設計雨水管網時，要重點考慮徑流較深的地區(qū)。

4.2 問題討論

城市地區(qū)的徑流量估算是實施排水管網規(guī)劃和防洪防澇管理的重要依據之一，然而迄今為止尚未有較好的城市水文模型能夠有效模擬城市徑流過程。筆者選擇多年應用的SCS 降雨曲線模型，該模型為經驗方程模型，在應用上有局限，特別是在無水文監(jiān)測的城市地區(qū)，往往因驗證困難而受質疑，但因所需輸入的參數少，數據獲取方便，依然受到青睞。本研究中，通過遙感數據源獲取模型所需的地表覆被參數，改進了已往需要靠經驗轉換土地利用類型與降雨曲線經驗值之間的關系來獲取參數的方法，取得較好效果。從模型的驗證結果看，模型能夠模擬快速城市化過程導致的地表覆被迅速改變的影響，增強模擬結果的空間異質性，但地表覆被參數與CN 值的關系，還需要進一步研究，這是當前國內外模擬城市地區(qū)水文變化所關注的熱點問題［32］。

本研究中只關注了城市不透水表面擴展對流域徑流量的長期影響，沒有涉及降雨徑流過程中其他的影響因素，如透水性土地覆被的影響，降雨歷時與過程的影響等，也沒有比較流域的年內徑流分布的變化。城市化的水文效應更強調對洪峰大小與產生時間、歷時等指標的影響，而這是本研究未涉及的重要內容，有待今后深入探討。關于透水性土地覆被的影響效果，目前也和不透水表面擴展的影響一樣充滿爭議［33］，需要有長期觀測數據的支撐，因此，今后需加強城市地區(qū)的長期水文變化監(jiān)測，獲取城市水文模型的核心參數，以便為城市地區(qū)水文變化的響應分析提供準確的模擬模型。

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