城市雨水径流净化与利用技术研究（北京市下垫面雨水径流蓄滞效能研究）

北京城市下垫面雨水径流蓄滞效能评估与研究

秦 飞^1,2，陈品祥^1,2，余永欣^1,2，郭燕宾^1,2，孔俊元³

（1.北京市测绘设计研究院；

2.城市空间信息工程北京市重点实验室；

3. 北京市园林绿化大数据中心

摘要 ：

针对目前研究仅定性或半定量地评价流域内不同用地类型对地表径流的影响程度，难以定量地分析城市下垫面对降水蓄滞效能高低的问题，该文以

2015、2020

年北京市城市下垫面数据为基础，结合当年的降雨量，从地表综合径流系数和蓄滞效能两个方面，评估了城市下垫面的综合蓄滞效应。结果表明：北京市的下垫面综合径流系数存在空间分异，从低值聚集区到高值聚集区呈现出由外向内的空间聚集分布特征，全市雨水径流的滞蓄率约为

65.9%

。该文定量分析了城市下垫面对降水的蓄滞效能，对城市内涝预警，发挥蓄滞空间控制雨水径流作用具有现实意义，可在其他大城市蓄滞效能的研究中推广应用。

0 引言

城市的发展给城市地表环境带来了深刻影响，特别是在城市洪涝、微气候与人居环境等方面的影响，引起了社会的广泛关注。城市的下垫面是城市环境的基底，随着城市化进程带来的下垫面的深刻变化，地表对于雨水的滞蓄效能也受到了影响^[1-5]。国内外相关研究主要集中在不透水率变化对径流的影响^[6]、洪涝特性对快速城市化的响应^[7]、透水面与不透水面空间分布关系对径流过程的影响^[8]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^[9-10]。在研究手段方面，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^[11-12]。

国内早期关于地表径流的研究主要集中在流域内某一类型的用地对地表径流量或径流污染的影响研究。学者开始研究不同土地利用类型变化以及不透水下垫面的比例对地表径流的综合影响，并结合水文模型定性及半定量地评价不同用地类型对地表径流的影响程度和方向，但研究范围仍主要集中在较大的流域内。文献[13]通过水文模型模拟了城市不同类型的下垫面及下垫面的布局情况在多种降雨强度下的降雨产流过程，发现降雨强度和下垫面特征与分布均对产流有较为明显的影响^[14]；文献[15]对清漳河流域的研究表明，城市用地、耕地和林地对径流的影响趋势逐渐下降；文献[16]对洮河流域的土地利用变化进行情景模拟，研究表明流域地表径流在城市建设用地、耕地扩张情景下有明显增加趋势，在生态恢复的情景下而有所降低。近年来，海绵城市建设项目的推进引发了学者关于土地利用对地表径流影响的研究视角的转变。在充分认识到下垫面变化对地表水文循环过程影响的机理和影响程度后，他们将研究方向拓展至利用实验或模型模拟研究单一类型海绵设施的比例、布局对地表径流的控制效果^[17-20]，或是结合多元统计方法定性与定量地分析各类海绵设施对地表径流量和径流污染物的削减，并提出某一类海绵设施的最佳比例和布局^[21-22]。目前学者仅从流域内单一类型用地对地表径流量的影响进行研究，很少对城市下垫面各地类对降水的综合蓄滞量开展评估研究，难以有效对城市内涝进行预警预测，基于上述问题，本文从地表综合径流系数和蓄滞效能两个方面，全面评估城市下垫面的蓄滞效应，结合降雨量和城市排水吸纳能力，为城市内涝预警预测提供参考。

受城市化进程的影响，当降雨量超过城市地表雨水蓄滞水平时，便会形成不同程度的城市内涝，已经成为城市较为常见、影响较重的问题^[23]。北京市五环内下垫面可渗透地表的覆盖度不足，而不透水地表覆盖度较高。当遭遇极端短时强降水时，一方面城市可渗透地表的排渗水能力不足，另一方面不透水地表形成的径流迅速汇集，地势低洼处便形成了积水。城市发展应结合所在地区的实际情况，开发建设应尽量减少对下垫面蓄滞空间稳态的影响，提高绿地率、可透水地表面积率等指标，合理控制不透水面面积。本文提出了“城市下垫面蓄滞空间稳态”这一概念，即某城市下垫面的地类构成和地类面积一定的情况下，其蓄滞空间对降水的蓄滞效能维持在某一稳定状态，相比已有研究，综合地表的径流系数和蓄滞雨水效能，系统地分析城市下垫面蓄滞空间对地表产汇流和吸纳降水过程的影响机理及成因，并对城市下垫面进行滞蓄效能评估与研究，科学地认识城市地表蓄滞空间稳态，优化调整城市空间格局，发挥蓄滞空间控制雨水径流作用，对修复城市水生态、涵养水资源、增强城市防涝能力、提高新型城镇化质量、推进山水林田湖草沙一体化保护、促进人与自然和谐发展有现实意义。

1 研究区域概况及数据源

1.1 研究区域概况

北京，地处中国北部、华北平原北部，东与天津毗连，其余均与河北相邻，中心位于东经116°20′、北纬39°56′，全市下辖16个区，总面积16 410.54 km²。从降水量全年分布情况来看，2020年北京市全年降水量为560 mm，集中分布在6—9月，汛期降水量累计达418 mm，占全年降水量的74.6%。从降水的空间分布来看，年降水量山区大于平原区，山区年降水量565 mm，平原区年降水量499 mm；且暴雨多集中在房山、密云及城区等山前迎风坡一带。另外,城市热岛引起的雨岛效应加强，虽然年降雨量变化不大，但局部极端降雨事件多发，增大了城市内涝灾害的风险。2021年入汛以来，北京地区的降水量明显高于往年，7月份全市平均降水量327.6 mm，是常年同期降水量的2.4倍，特别是7月12、18日前后的强降雨，导致北京市出现了不同程度的城市内涝。

由沥青路面、砖瓦建筑、公园绿地、裸露土地和河湖水面等构成的城市下垫面结构复杂，影响着降水地表径流的形成^[24]，对城市水文特征亦产生了显著的影响^[25]。构成城市下垫面的不同分类，可以参考透水性程度将下垫面分为可渗透地表和不透水地表两种类型。可渗透地表具有自然渗透、净化水流的功能，主要涉及种植土地、林草覆盖、裸露地等；而不透水地表被阻水材料硬化覆盖、水分难以下渗，主要涉及房屋建筑、硬化道路、构筑物等地表分类。

2 研究方法

2.1数据获取

利用优于1 m分辨率的卫星影像和北京市2020年地理国情监测成果^[27]，结合城市规划、市政、水文等专题资料数据，通过遥感影像解译与数据融合处理，综合提取房屋建筑区、城市道路、硬化地表、其他不透水面、裸土地表、种植地表及林草覆盖7类信息作为城市下垫面滞蓄效能研究对象。由于地表水体对降水吸纳的特殊性，不作为本研究的对象。

2.2地表综合径流系数

基于城市下垫面监测数据，开展区域降雨地表径流系数影响分析。径流系数（run off coefficient），即降水量中有多少水变成了径流，它综合反映了区域内降水对地表径流的影响。径流系数主要受集水区的地形、流域特性因子、地表植被情况及土壤特性等的影响^[28-29]。径流系数越大则代表土壤对降水的吸收越难。如表1所示，根据城市下垫面分类情况，参考北京地方标准《DB11T 969—2016 城镇雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》（以下简称《标准》），基于已有地表径流系数研究经验，通过对现有地表分类数据进行修正归类，得到研究区各类下垫面对应的地表径流系数。

根据不同的研究需求，划定不同的研究单元，单元内的综合地表径流系数为该单元中各类下垫面面积占比与其对应的地表径流系数乘积之和^[31]。

2.3蓄滞效能分析

相比房屋建筑区，城市下垫面的蓄滞效能可视为房屋建筑区的径流量与下垫面径流量之差。

3 结果分析

3.1城市下垫面渗透情况及变化趋势

如表2所示，2020年北京市可渗透地表总面积为1.346×10⁴km²，不透水地表总面积为2.95×10³km²。“十三五”期间北京市进入“减量发展”的时代，2015—2020年，全市可渗透下垫面占比均在80%以上，总量增加约30 km²，呈现出先减后增的发展规律，2018年降到最低值。全市不透水面占比均在20%以下，呈现先增后减的发展规律，2018年达到最大值。

如图1所示，按照环路分析，北京市的可渗透地表占比由二环内的20%逐渐增加至六环外的87.5%，呈现出由内环向外环递增的趋势；相反，不透水地表占比则由二环内的80%逐渐减少至六环外的12.5%，呈现出由内环向外环递减的趋势。全市不透水面总体呈减少趋势，主城区不透水面呈放射状扩张趋势且增长集中在四环以外的区域，核心区（东西城）不透水面面积占比最高约80.4%。2013年国务院办公厅发布的《关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》要求新建城区硬化地面中，可渗透地面面积比例不宜低于40%。北京市五环内的可渗透地表面积占比偏低，均值在26.9%，不透水地表面积占比偏高，均值在73.1%。

3.2城市下垫面综合径流系数空间差异

以2020年北京市下垫面分布为例，北京市各街道下垫面的综合地表径流系数，主要分布在0.11~0.86。聚类分析能够体现数据对聚类中心的隶属程度^[33]，基于城市下垫面径流系数进行空间聚类分析^[34-35]。如图2所示，北京市的下垫面综合径流系数存在空间分异，从低值聚集区到高值聚集区呈现出由外向内的空间聚集分布特征，高值聚集区分布在五环内，次高值聚集区主要分布在五环至六环间，次低值聚集区主要分布在六环外的平原区，低值聚集区主要分布在山区。

基于2015年和2020年两期北京市下垫面监测成果，以街道为统计单元，比对分析两年北京市各街道的地表综合径流系数。如图3和图4所示，2015年和2020年两个监测期内北京市各街道的地表综合径流系数的空间分布特征基本一致，从中心城区由内圈层向外圈层逐级递减。两个监测期内，地表综合径流系数在0.5～0.65的下垫面面积占比分别为5.91%和4.49%，减少约1.42%；在0.65～0.86的下垫面面积占比分别为2.82%和1.86%，减少约0.95%，这两个区间的城市下垫面比例呈减少趋势。

3.3城市下垫面蓄滞效能分析

据公开数据显示，2021年7月降水量为400.4 mm，汛期累计降水量为715 mm。以2020年北京市下垫面及2021年夏季降水量为基础，基于式（1）～式（4）可以得到北京市下垫面可滞留雨水径流量为7.5×10⁹m³。根据测算得到山区的蓄滞率在0.7~0.78，中心城区蓄滞率在0.19~0.45，核心区的蓄滞率均值为0.16。将全市下垫面按照千米格网划分，计算每个格网内的蓄滞率，由图5可以看出，北京市的蓄滞率由外圈层的0.8降至内圈层的0.19，表现出从外向内逐渐降低的空间特征，山区高于平原区，这表明当降水发生时山区可吸纳更多的雨水。

北京市水务局发布的2015年水资源公报显示，2015年汛期（6—9月）累计降水量447 mm。比对分析北京市2015年与2021年的滞蓄效能，下垫面可滞留雨水径流量分别为4.7×10⁹m³、7.5×10⁹ m³，雨水径流的滞蓄率分别为65.3%、65.9%。城市下垫面对于降水的滞留量增加了2.8×10⁹m³，滞蓄能力有所提升，一方面是因为2021年较2015年汛期降水量增加了268 mm,增长比例约60%；另一方面北京市近年来治理城市内涝、恢复生态环境，城市可渗透下垫面面积从2018年开始止降返升，有效提升了城市下垫面的整体蓄滞效能，滞留率提升约0.6%。

4 结束语

北京市五环内城市下垫面硬化面积大，可渗透地面率不足40%，不透水面超过60%。全市降水量集中分布于汛期，极端降水发生时，一方面城市平原区可渗透地表排渗水能力不足，易形成地表径流，当径流量超过滞蓄空间容量时便形成积水造成内涝。另一方面，山区蓄滞水量较高，易引发崩塌、泥石流、地面塌陷、滑坡等地质灾害。北京市近年来不断开展积水治理工作，但短时强降雨还是会造成积水断路的现象，自然蓄滞空间稳态被打破是重要因素。本研究以2015年及2020年城市下垫面数据为基础，从地表综合径流系数和蓄滞效能分析两个方面，评估了城市下垫面的综合蓄滞效应。

结果表明：①北京市2015—2020年可渗透下垫面发展趋势向好，总体呈增长态势，增加30 km²0.5以上，低值聚集区集中分布在山区，在0.3以下，空间分异明显，从低值聚集区到高值聚集区呈现出由外向内的空间聚集分布特征。2015—2020年，城市下垫面可渗透地表占比不断提升，综合径流系数在较高区间的城市下垫面呈减少趋势，从而减缓了城区整体下垫面径流的形成。③北京市的蓄滞率由外圈层的0.8降至内圈层的0.19，呈现出从外向内逐渐降低的空间分布特征，城区蓄滞效能较低，形成地表径流的可能性高；而山区由于植被覆盖较多，可渗透地表覆盖面积大，蓄滞降水效能较高，城区与山区蓄滞效能差异明显。

城市开发需要综合考虑城市下垫面蓄滞空间稳态，城市规划设计要综合设置下垫面透水性指标控制，对于在建项目利用新材料适当增加可渗透地表。针对不同区域的城市内涝风险防范，山区和城区需要采取不同的手段预防极端降水带来的危害。城区主要通过优化调整可渗透下垫面的空间组成结构和景观格局，提高城市下垫面控制雨水径流功能，进而降低城市内涝的发生。山区要做好地质灾害高风险区域的群测群防工作，加强隐患排查，保障人民群众的生命财产安全。

（原文有删减）

END

作者简介：秦飞（1985—），女，山西长治人，高级工程师，硕士研究生，主要研究方向为测绘工程及地理信息系统应用。

E-mail：8311671@qq.com

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