Comprehensive review on the impact of spatial features of urban underlying surface on runoff processes
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摘要: 快速城市化显著改变了城市下垫面空间特征，对地表产汇流过程产生了重要影响。综述城市下垫面空间特征对地表产汇流过程的影响研究进展，以下垫面空间特征对产汇流过程的影响为主线，聚焦不透水面和微地形两类空间特征，总结城市下垫面空间特征及其表征方法；从不透水率与不透水面空间变化、数值模拟与物理实验等方面，分别梳理不透水面和微地形等空间特征对地表产汇流过程的影响研究成果。展望未来城市下垫面空间特征对地表产汇流过程的影响研究重点和发展方向，主要包括影响机理解析、主控空间特征参数识别与敏感性分析、城市水文效应适应性应对等，以期为快速城市化下城市水文效应解析和城市洪涝灾害防治提供一定参考。Abstract: Rapid urbanization has significantly changed the spatial feature of the urban underlying surface, which can have significant impact on runoff processes. This study summarizes the research advances on the impact of the spatial features of the urban underlying surface on the surface runoff process. Herein, two types of spatial characteristics—impervious surface and microtopography—were investigated, by combing the spatial features of the urban underlying surface and its characterization methods. Moreover, spatial features of urban underlying surface are discussed from the perspectives of the variation of impervious rate and spatial distribution of impervious surface, as well as numerical simulations and physical experiments. In addition, the key points of research on the impact of the spatial features of the urban underlying surface on the surface runoff process in the future are highlighted. Overall, this study mainly includes the analysis of influence mechanism, the identification and sensitivity analysis of main control spatial features parameters, and the adaptive response to urban hydrological effects, thereby providing scientific reference for the analysis of urban hydrological effects, and the prevention and control of urban flood disasters under rapid urbanization.
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Keywords:
- urban runoff /
- spatial form /
- urban hydrological effect /
- impervious area /
- microtopography
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全球约60%的人口居住在城市, 预计到2050年, 该比率将达70%以上[1]。1978年以来的40余年, 我国城市化率从约18%增加到约60%, 未来一段时期将随着新型城镇化而快速上升[2]。城市化率提升通常意味着不透水面的增加, 遥感监测发现, 2010年全球城市不透水面面积约为45.26万km2, 占全球城市用地的60.01%[3]；模拟预测表明, 未来一段时期, 全球城市用地面积仍将大幅增长, 大部分城市用地扩张发生在农田(50%~63%)和森林(30%~44%)上, 地球表面将持续“硬化”[4]。从地表形态的角度而言, 城市化就是下垫面从“天然态”向“人工态”转变的过程, 在此过程中, 不透水面急剧增加且空间分布变得“犬牙交错”, 房屋和道路等建筑重塑了地表形态格局并形成大量微地形[5-6]。众多研究表明, 在快速城镇化背景下, 城市下垫面空间特征变得日益复杂, 并对城市地表产汇流过程产生了重要影响[7-8]。
快速城市化带来的城市水文效应给城市水循环带来了深刻影响, 特别是在城市洪涝、微气候与人居环境等方面的影响, 已引起广泛关注[9-10]。国内外相关研究主要集中在不透水率变化对径流的影响[11]、洪涝特性对快速城市化的响应[12]、透水面与不透水面空间分布关系对径流过程的影响[13]等方面。随着城市化水文响应机理研究的深入, 研究主题从关注下垫面的“量”向关注“质”转变、从聚焦不透水率增长到深入不透水面的结构性特征转变[14-15]。在研究手段方面, 相关研究从单一的历史数据对比分析向情景模拟、数值实验以及与人工智能算法相结合等方面转变[16-17]。文献分析表明, 城市下垫面空间特征对地表产汇流过程的影响机理解析, 不仅是城市水文学领域基础研究的重难点, 而且是变化环境下城市水管理关注的热点问题。
已有的大量研究为支撑城市下垫面复杂空间特征对地表产汇流过程的影响机理解析打下了坚实基础, 为更深入地总结研究进展, 本文对相关研究进行了梳理, 以期为快速城市化下城市水文效应解析和城市洪涝灾害应对提供进一步参考。需要说明的是, 城市下垫面空间特征的复杂变化对区域水循环全过程都有一定影响, 如降水、蒸发、下渗和坡面汇流等, 涉及城市水循环的各环节[18], 为进一步聚焦研究主题, 本文主要关注下垫面空间特征对城市洪涝径流过程的影响, 即短历时城市地表产汇流过程。
1 城市下垫面空间特征及其表征方法
城市下垫面由人类活动与自然本底复合作用形成, 具有复杂的空间特征。随着城市化水文效应机理研究的深入, 相关研究从聚焦不透水率增长向深入不透水面的水平和垂向结构性特征转变。考虑空间特征的横向和垂向2个方向, 本文分别选取不透水面和微地形2个对地表产汇流过程影响最显著的因素, 对城市下垫面复杂空间特征进行分析。
1.1 不透水面及其空间特征表征
不透水面主要由建设用地等城市用地类型构成, 由于城市建设用地包括房屋、道路和广场等多种形式, 且随着城市的发展不断扩张, 城市不透水面逐步演绎成多种空间分布形式[19]。研究不透水面空间分布对产汇流影响机理的重要基础是对其进行量化表征, 随着水文学与景观设计、生态学等多学科交叉研究的深入, 以及遥感、无人机等新技术的应用, 描述不透水面空间分布的理论方法愈加多样, 数据来源日益丰富。近年来，分形地貌学、景观生态学和河流几何学等不同学科分析方法陆续被引入[20-21]。许多研究将景观格局指数引入作为不透水面空间特征的表征参数, 常用的表征参数有离散度、聚集度、连通度、形状指数、香农多样性指数及香农均度指数等[22-23]。在不透水面空间特征表征和评估过程中, 根据不同研究目的, 可以选取一种或多种不同类型的空间特征表征参数组合, 实现对不透水面空间特征的量化表征与进一步分析。
1.2 微地形及其空间特征表征
城市下垫面与自然下垫面最主要的区别是地表被大量人工建筑设施覆盖, 正是这些设施在水平方向上增加了不透水面面积, 而在垂向上则造成复杂的高程起伏, 形成了微地形[24]。对于微地形, 目前在城市水文研究领域尚无明确统一定义, 卫伟等[25]分析表明, 微地形是指人类根据科学研究或改造自然的实际需求, 有目的对地表下垫面原有形态结构进行的二次改造和整理, 从而形成大小不等、形状各异的微地形和集水单元, 能有效增加景观异质性、改变水文循环和物质迁移路径, 其空间尺度一般在0~1 m范围内波动。本文综述前人的研究认为, 城市微地形是指在城市建设和改造过程中, 由人工建造的城市基础设施与原有自然地形地貌相互影响、共同构成的地表高程光滑连续过程被切断后形成的地形, 主要在房屋、道路和广场等城市地表建筑的影响下形成。构成城市微地形的地表建筑主要包括房屋和道路, 二者构成了城市肌体的“骨架”。因此, 城市微地形的空间特征主要包括房屋空间布局、路网拓扑关系、道路垂向特征等。表 1在总结相关研究的基础上[26], 列举了表征城市地表建筑微地形空间格局的主要参数。由于对城市微地形的定义, 尚未取得统一认知, 在实际研究中, 需要根据研究对象、目的和区域特点的不同, 视具体情况选取适当的微地形空间特征表征参数。
表 1 城市微地形空间特征主要表征参数[26]Table 1 Main characterization parameters of spatial features of urban microtopography参数类型 参数名称 参数含义 房屋空间分布特征参数 房屋面积占比 构成不透水面的主要部分 房屋空间离散度 表征房屋投影面的离散程度 房屋空间形状指数 表征房屋投影面的形状复杂度 路网拓扑关系特征参数 路网密度 表征路网的密集程度 路网连通度 表征路网的空间连通关系 道路曲率 表征道路的空间形状 道路垂向特征参数 道路边沿高度 表征道路路面到人行道的路缘石高度 道路纵向坡度 表征道路起始点的高程差变化率 道路横向坡度 表征道路中线向两侧的高程差变化率 2 不透水面对地表产汇流过程的影响
2.1 不透水率变化的影响
不透水率增加是城市化最直接的表现之一, 与之紧密相关的土地利用和覆被变化被认为是引起水循环变化的重要因素[27-28]。不透水面提取是不透水率计算和分析的基础, 早期不透水面提取主要基于平面地图估算, 随着遥感技术的发展, 基于遥感解译的大规模、长序列不透水面数据获取成为可能, 近年来灯光遥感数据也被用于不透水面的提取, 当前相关研究主要集中在不透水面的高效提取算法、多源数据融合分析和提取算法的不确定性控制等方面[29]。定量的不透水率反演为分析不透水率变化及对径流的影响提供了数据来源, 孙占东和黄群[30]研究指出, 城镇化和不透水率增长是洪水风险提升的关键因素；Miller等[31]基于连续监测发现, 不透水率从11%增长到44%, 使得研究区峰值流量增加了400%。大量研究证实不透水率对城市地表产汇流过程存在显著影响, 其直接表现是径流系数与不透水面呈显著的正相关关系, 但径流系数变化阈值与降雨强度存在一定关系, 通常随降雨强度而变化[32]。
城市化过程导致原有的天然下垫面(森林、草地、祼土、水域等)被破坏, 进而演变为城市下垫面(房屋、道路、广场等), 不透水率显著增加, 使得城市水文过程发生显著变化, 主要包括: 截留和下渗量显著减少, 净雨量增加[33]；同时, 城市地表糙率变小, 使得地表汇流速度加快、流量增加, 洪峰加大、峰现时间提前[34-35], 径流过程线从“矮胖”变得“尖瘦”, 其理论曲线对比示意图如图 1所示。
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图 1 城市和天然下垫面径流过程理论曲线对比示意Fig. 1 Comparison of theoretical curves of urban and natural underlying surface runoff process具体到研究方法层面, 不同尺度下不透水面对径流过程的影响机理研究采用方法有所不同。流域和区域尺度, 主要采用遥感分析、水文模拟和相关性分析等[36-37]；而在城市及以下尺度, 实验研究和数值模拟相结合的研究方法应用较多, 主要优点是可以还原或模拟天然状态下的水文要素本底值, 为比较不同不透水率造成产汇流过程差异提供基础, 并可以对变化幅度进行量化[38]。
2.2 不透水面空间分布的影响
随着不透水面对产汇流影响方面研究的深入, 不透水面空间分布对地表产汇流过程的影响受到更多关注。李强等[39]以北京典型街区为例, 研究了控制性详细规划约束下的城市不透水面空间分布, 结果表明“点群式”城市布局模式不透水面面积率高于“行列式”, 可能会对降雨径流过程产生影响；Hamilton等[40]基于长系列卫星监测数据反演发现, 不透水面空间分布变化导致区域径流过程和淹没范围发生显著变化。研究发现城市透水面与不透水面的空间组合关系、不透水面与排水设施的连接关系不同, 会导致不透水面有效性不同, 可将不透水面分为总不透水面积、直接连接不透水面等。石树兰等[41]基于模拟发现, 考虑不透水面有效性后, 2场降雨径流模拟的验证期纳什系数较传统模式提升9.79%和18.58%, 其情景模拟表明, 有效不透水面积减少25%后, 相应的径流深和洪峰流量分别削减74.6%和65.8%；Ferreira等[42]基于室内降雨径流实验发现, 不透水率增加对于径流过程的影响可以通过不透水面与透水面空间分布关系调整得到有效缓解；要志鑫等[43]基于模拟研究不透水面与地表径流的时空相关性发现, 不透水面空间格局与模拟地表径流高度相关, 优化不透水面空间格局可作为控制地表径流的重要途径。上述研究表明, 不透水面空间分布不同, 对不透水面的“有效性”具有一定影响, 加强不透水面空间格局的管控是城市水文效应调控的重要发展方向。
从地表汇流角度而言, 城市不透水面增加改变了下垫面的连通性, 在微观上使城市局部区域汇流复杂度增加, 但在宏观上则使流域汇流复杂度降低, 其综合影响因降雨等级的不同而迥异[44]。Silva和Silva[45]基于数值模拟分析了不透水面与绿色空间的连通性对降雨径流过程的影响, 结果表明不透水面和绿色空间的连通性对下渗过程有重要影响；岑国平等[46]对各种城市地面及其多种组合的产流特性做了系统试验, 发现不透水面的位置对产汇流特性有明显影响。梳理相关研究发现, 已有研究普遍认为不透水面空间分布是影响城市地表产汇流过程的重要因素, 当前对于不透水面的空间分布研究多数集中在不透水率和不透水面相对位置关系上, 而对于不透水面的结构性特征, 如复杂空间组合、外部轮廓、连通性等考虑较少, 对于不透水面的复杂空间分布对产汇流过程不同环节、不同过程的影响机理尚缺乏统一认识[47]。
3 微地形对地表产汇流过程的影响
微地形导致城市地表的水文连续性发生变化, 对城市地表产汇流过程产生了重要影响[48-49]。对于以不透水地表为主的城市区域来说, 复杂微地形还可能会加剧城市局部积水程度、增加城市洪涝的过水和致灾范围。微地形对地表产汇流过程具有重要影响这一结论受到广泛认同, 但是对于其影响机理尚缺乏系统研究[50-51]。在研究方法上, 对于微地形及其空间格局对地表产汇流过程影响, 主要方法有数值模拟和物理实验两大类, 下面以两类研究方法为主线梳理微地形对地表产汇流过程影响的研究进展。
3.1 数值模拟方面
基于数值模拟的微地形对产汇流过程研究, 通常对微地形和产汇流过程两方面都进行数值模拟, 通过变换微地形的模拟情景, 分析微地形要素对产汇流过程的影响。基于不同的城市地表空间布局、城市微地形模拟方法, 现有研究主要是采用不同的表征参数来实现对微地形进行空间模拟, 并结合水文、水动力等地表产汇流过程模拟方法, 从而探究地表产汇流过程在不同微地形空间格局下的变化规律。孟春雷[52]综述了城市地表特征数值模拟研究进展, 指出城市地表特征具有破碎性、异质性、多样性、立体性和延展性等特点, 集成陆面模式是其模拟的发展趋势；在微地形等城市地表空间特征模拟方面, 城市规划等领域具有许多实用的方法逐渐被运用到城市洪涝模拟中, 如CityEngine等城市三维模拟工具被用于城市区域产汇流模拟[53]；Bruwier等[26]结合城市形态模拟和洪涝值模拟, 发现建筑物空间分布参数与积水量、积水面积等洪涝特征值呈显著正相关, 且不同空间分布参数对洪涝结果的影响达10%以上, 总体上城市地表微地形对暴雨情景下的城市积水深分布具有重要影响, 但对径流峰值影响不大；杨冬冬等[54]基于产汇流模拟对小区尺度路网布局进行了优化, 发现环尽型城市路网布局洪涝最严重, 尽端型最低, 说明城市路网空间布局对内涝有较大影响。数值模拟以其运用灵活、情景多样、成本较低的优势, 被广泛应用于本领域研究, 一些研究也同时将数值模拟与实验研究相结合, 以期取得更加深入的研究成果。
3.2 物理实验方面
物理实验是微地形对城市产汇流影响研究中常用的一类方法, 多为室内实验, 通常采用物理装置来反映微地形并进行人工降雨径流实验, 通过变换微地形的径流特征参数来观察微地形的变化[55]。郭雪莲等[56]采用人工模拟降雨装置, 定量研究了城市典型下垫面空间构型与降水蓄渗率的关系；刘慧娟等[57]对城市微景观格局与配置对降雨产流的影响开展了实验分析, 发现建筑微地形与产汇流特征值显著相关, 可利用该规律优化城市布局；Luo等[58]基于人工降雨和摄影测量等方法生成的数字高程模型, 利用地理统计和多重分形理论对微地形进行定量和水文分析, 结果表明微地形的空间异质性对于产汇流过程有重要影响；Ferreira等[42]基于降雨径流实验对城市建筑布局形成的微山坡、微河道水文过程进行了研究, 结果表明合理的城市建筑布局可以有效减少城市积水程度，维持城市下垫面自然水文功能。实验研究的优势是过程可控, 能一定程度上反映实际情况；但一定程度上存在尺度效应, 即如何让较小空间尺度上的实验结果能够有效反映城市区域的实际情况。在尺度效应的解析和应对上, 一方面需要开展水文相似和比尺实验等研究, 另一方面, 将物理实验与数值模拟相结合是值得探索的方向。
综合分析可以发现, 在城市微地形对地表产汇流过程的影响研究中, 微地形和城市建筑物空间布局对城市地表产汇流过程具有显著影响的结论得到普遍证实。在方法层面, 物理实验的方法普遍被采用, 但由于实验可设置的微地形特征种类有限, 且对于房屋空间分布、道路拓扑关系和道路垂向特征等具体的城市建筑物微地形空间格局难以更细致地重现, 因而存在一定局限性。在未来研究中, 可结合数值模拟手段, 更加细致地刻画微地形内部空间特征, 利用数值模拟可无限次重复的优势, 分析其对城市产汇流过程的影响机理, 特别是对产汇流机制差异的影响。
4 研究展望
当前在城市下垫面特征对地表产汇流过程的影响研究方面存在的主要不足是: 对产汇流影响科学机理的解析尚未系统化, 缺乏对特殊产汇流机理的研究；在具体影响参数方面定量化的研究较少；在相关机理适应性利用方面, 缺乏科学的理论和技术体系。未来一段时期, 针对上述主要研究不足, 城市下垫面空间特征对地表产汇流过程的影响研究, 主要围绕解析科学机理、识别关键参数、合理利用科学认知等三方面展开(逻辑框架如图 2所示), 主要回答“如何影响”、“影响程度”和“如何利用”等问题, 以基础研究带动实践应用, 促进城市空间科学布局和城市洪涝有效缓解。
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图 2 城市下垫面空间特征对地表产汇流过程的影响研究发展逻辑框架Fig. 2 Framework for development on the impacts of spatial features of urban underlying surfaces on the runoff process4.1 城市下垫面空间特征对地表产汇流过程影响机理解析
(1) 对产流和汇流过程影响机理解析。在产流方面, 进一步关注下垫面空间特征对产流过程关键参数的影响, 解析不同空间位置处产流机制的差异, 分析不同不透水面-透水面位置关系中的产流机理变化, 探讨上述差异和变化与下垫面空间特征的关系, 解析下垫面空间特征对产流过程的影响机理；在汇流方面, 重点关注下垫面空间特征对汇流过程关键参数的影响, 分析引起汇流特征变化的坡面汇流水动力学机制差异, 探讨上述差异与下垫面空间特征的关系, 解析下垫面空间特征对汇流过程的影响机理。
(2) 城市特殊产汇流现象分析。城市区域存在一些特殊的产汇流现象, 如局部汇流量突然增加的“汇流激增效应”[59], 城市道路作为行洪通道的“道路行洪效应”等。对城市汇流激增效应, 可结合数值模拟和监测等, 对靠近汇流出口、地势较低处的确定点位积水深进行统计, 识别积水深发生“突变”激增的情况, 分析产生“汇流激增效应”效应的原因, 定量分析与微地形空间参数的关系；对于城市道路行洪效应, 可对确定点位街道拐角、街道上下游等关键道路位置的水流流速和积水深等指标进行统计, 分析道路行洪指标变化与微地形空间特征参数的关系。
4.2 影响径流过程的主控空间特征参数识别与敏感性分析
(1) 产汇流与空间参数响应关系构建。不同城市地表空间特征参数对地表产汇流过程的影响程度和敏感性可能有较大差异, 为进一步识别不同城市地表空间特征参数对城市地表产汇流特征值(如径流总量、径流峰值、汇流时间等)的影响程度, 可以通过数据量化分析, 构建“产汇流特征值—空间参数”响应关系式, 寻找控制性参数, 分析不同参数的敏感性, 可为科学解析城市下垫面空间特征对地表产汇流过程的影响机理提供依据。
$$ R_{i}=f\left(C_{j}, D_{k}\right) \quad(i, j, k=1, 2, \cdots, n) $$ (1) 式中: Ri为城市地表产汇流特征值；Cj为不透水面空间分布参数；Dk为建筑微地形空间格局参数；i、j、k分别为特征值与参数的序号。
(2) 主控参数识别和敏感性分析。基于“产汇流特征值—空间参数”响应关系式, 可采用主成分分析等数学统计和分析方法识别影响地表产汇流过程的主控参数, 如影响径流总量、径流峰值和汇流时间等不同特征值的主控参数, 分析不同径流特征值的主控参数是否一致；基于“产汇流特征值—空间参数”响应关系式, 还可采用在水文模型参数敏感性分析中广泛应用的Morris法和Sobol法等, 进一步识别主控下垫面空间参数的敏感性, 提取重要且敏感的参数, 为解析城市下垫面复杂空间特征对地表产汇流过程的影响机理提供更多定量化的依据。
4.3 考虑下垫面空间特征约束的城市水文效应适应性应对
(1) 优化城市不透水面空间布局。随着相关研究的深入, 人们将对不透水面导致城市水文效应的机理有更深入系统的认知, 未来需要将相关科学认知进一步地应用于指导不透水面空间布局, 主动适应城市化建设不透水面增加可能引发的城市水文效应。如“有效不透水面”概念可应用于城市不透水面空间布局优化中, 考虑如何布局城市道路和房屋等构成的不透水面, 使城市建设对地表产汇流过程的影响最小, 最大可能维持下垫面原有自然径流特征。此外, 在海绵城市建设中, 科学布局不透水面与透水面的空间关系、不透水面与绿色基础设施的空间连接关系、不透水面与排水设施的连接关系等, 提升海绵城市的实施效果。通过主动优化城市不透水面空间布局, 提升城市水文效应应对能力。
(2) 因势利导利用城市微地形。中国古代城市建设注重科学利用地势和微地形对排水系统进行合理布设, 赣州的“福寿沟”是其中一个典型案例[60]；近年来, 有学者提出“龟背式排水”理念, 改造局部地形使之呈“龟背状”, 将排水系统沿“龟背”四周微地形布设以利用重力排水[61]。未来应进一步结合微地形对地表产汇流过程的影响机理, 考虑城市下垫面空间特征并形成定量化工具, 将优化不透水面空间布局和因势利导利用城市微地形的目标落实到定量化设计中, 通过科学的城市下垫面空间规划设计, 加强城市水文效应适应性应对；进一步地, 形成城市规划设计和防洪排涝的原则性要求, 纳入各类城市空间规划建设相关标准规范, 使因势利导利用城市微地形的思路得到落实。
5 结语
全球范围内的快速城市化给城市水管理带来了严峻挑战, 也给城市水文学基础研究提出了新的研究主题。随着不透水率的显著增长, 城市下垫面空间特征日益复杂, 对城市地表产汇流过程产生了重要影响, 如何科学解析其影响机理是城市水文学研究的重点和难点。本文以城市下垫面空间特征对地表产汇流过程的影响机理为主线, 初步梳理了城市下垫面空间特征及其表征方法, 针对不透水面和微地形两类重要下垫面空间特征, 综述了其对地表产汇流过程的影响, 当前城市下垫面对地表产汇流过程影响研究尚未形成较为完备的体系, 特别是在不透水面空间分布对产汇流多过程和不同环节的影响、微地形的量化表征与影响机理定量解析等方面需要进一步突破。针对尚需研究的问题, 从城市下垫面空间特征对地表产汇流过程影响机理解析、主控空间参数识别与敏感性分析及城市水文效应适应性应对三方面展望了未来研究重点与方向, 以期为快速城市化下城市水文效应解析和城市洪涝灾害防治提供一定参考。
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图 1 城市和天然下垫面径流过程理论曲线对比示意
Fig. 1 Comparison of theoretical curves of urban and natural underlying surface runoff process
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图 2 城市下垫面空间特征对地表产汇流过程的影响研究发展逻辑框架
Fig. 2 Framework for development on the impacts of spatial features of urban underlying surfaces on the runoff process
表 1 城市微地形空间特征主要表征参数[26]
Table 1 Main characterization parameters of spatial features of urban microtopography
参数类型 参数名称 参数含义 房屋空间分布特征参数 房屋面积占比 构成不透水面的主要部分 房屋空间离散度 表征房屋投影面的离散程度 房屋空间形状指数 表征房屋投影面的形状复杂度 路网拓扑关系特征参数 路网密度 表征路网的密集程度 路网连通度 表征路网的空间连通关系 道路曲率 表征道路的空间形状 道路垂向特征参数 道路边沿高度 表征道路路面到人行道的路缘石高度 道路纵向坡度 表征道路起始点的高程差变化率 道路横向坡度 表征道路中线向两侧的高程差变化率 
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