第3章 城市化对郑州水文水资源影响研究

3.1 城市化对郑州水系水文影响

3.1.1 城市化对水系水文影响

从20世纪70年代中后期起，美国苏联等发达国家就对城市规模、经济增长、人口变化等因素对生态和环境造成的影响进行了研究和评价，到90年代，人类活动对城市水文、生态和环境的胁迫效应和自然生态系统的响应机制成为现代国际城市水文生态领域研究的主要内容，兴起和发展了许多新学科和方法论。1971—1975年美国学者经过试验研究，得出城市对降水量的分布有影响，夏季降雨次数、总雨量和大暴雨的平均雨强都明显增加，雷雨发生次数增多。Atkinson、Parry和Harnack等对伦敦、雷丁、华盛顿等城市的研究表明城市热环境是增加城市降水的重要因素。刘俊分析了1952—1998年城市降水资料，得出在同一纬度上城区较周边县区多年平均降水量偏多9.58%。洪亚华对杭州市研究得出城区不仅降水量增加，而且降水日数也逐渐增加。城市化造成的大气污染不仅致使城区降水污染物增多，而且形成酸雨。张学真对西安市城市大气污染成分的变化对城市降雨酸性值产生的影响进行研究，得出西安市春冬季节酸雨出现频率大，夏秋季节酸雨出现频率小。

城市化土地利用发生改变不仅影响城区降水，而且影响城市下垫面产汇流及城市洪灾。城市化极大程度地改变了土地利用方式，建筑物、广场和道路等建筑不仅硬化了下垫面，而且还减少了农田、绿地和水域面积，挤占了城市水系空间。硬化的下垫面增加不透水面积，在很大程度上阻止了降水向土壤的渗透，削弱或切断了地下水和城市水系基流补给来源；同时增多了暴雨时的地表径流，增大了城市下水管网排水及城市防洪排涝压力。申仁淑对城市化前后气温、径流、峰量、峰型、降水和大气污染等方面状况做了对比研究，得出城市道路及铺砌路面的不断增加，同量级的降水产生的径流远比自然状态下的大的结论。通过对北京市城市化与径流分析，有研究发现在通惠河乐家花园站以上流域内，径流系数已超过0.5，汇流速度由20世纪50年代洪峰流速的0.3～0.5m/s增至0.6～0.7m/s。城市化后单位线的洪峰流量约等于城市化前的3倍，涨峰历时缩短1/3，天然状态下的产汇流特性产生突变。相同降雨过程下城市化对城区径流的影响如图3.1所示。

史培军等研究得出“土地利用所引起的流域下垫面变化严重影响着洪涝灾害的致灾过程，城市化土地利用使径流量趋于增大”的结论。Rhonda等研究得出“城市化使洪泛区的面积逐年缩小，导致洪水潜在风险不断增加。”北美洲安大略环境部对城市化前后降水、径流、入渗和蒸发进行研究，天然流域的蒸发量占降水量达40%，入渗地下水量占50%；城市化后流域降水量增多，但渗入地下部分减少，只占降水量的32%，填洼量减少，蒸发减少为25%，而产生的地面径流增大，同时地表径流有43%排入地下水道迅速排走。贺宝根等利用多个城市的实测暴雨径流资料采用不同方法修正SCS法使这种方法更适用城市径流系数求解。城市化后下垫面改变大量水系空间被填埋，被街区住宅区等硬化面代替，径流系数几乎翻倍增大，大量滞水空间的消失使城市汇流和入河径流量大幅度增加，洪峰汇流时间缩短，加剧了城市水涝灾害的频繁发生。杨士弘对北京市郊区和城市大雨的径流系数进行研究，发现郊区径流系数在0.2以下，城区径流系数一般为0.4～0.52；陈云浩和吴林祖等对多个城市降雨径流进行研究，发现南方城市城市化前后地表径流系数明显改变，杭州市90年代城建面积是60年代的2倍，在同等降水强度下，90年代地表径流量会增大到60年代的4倍，城市洪灾概率大幅度升高。Lepold研究当城市有20%的面积由下水道排水和不透水盖层时，溢岸洪水的发生频率将增加一倍，汇流量将增加0.6倍。城市化下垫面硬化等变化导致径流糙率相对减少，下渗通量和壤中流减少，汇流速度加快，地表产流量增加，基流减少，地下水位降低；城市化对洪水过程的影响主要表现为使洪峰及洪量增大，过程线峰型尖瘦，陡涨陡落，洪峰频率及其分布形式发生变化。

城市化不仅影响城市降雨和径流分割产汇流，而且影响城市水循环，变一元自然水循环为二元水循环。城市化大规模的人类取水排水形成了与天然“坡面—河道”主循环相耦合的“取水—供水—用水—耗水—排水”的社会水循环，构成了二元水循环，王浩、王建华、黄强、蒋晓辉和齐青青等对人类活动构造的二元水循环进行了深入研究，研究表明我国北方的许多流域侧支循环通量甚至超过了主循环的实测通量。杨凯等利用上海市中心气象站和周边9郊区气象站1970—2000年蒸发资料进行研究，得出城市化后90年代以后市区蒸发量总体明显下降与郊县蒸发量变化趋势相背离，城郊蒸发的差异及变化与区域下垫面状况关系密切。丹利用1960—2009年北京地区20个气象台站的观测资料，分析了北京城区和郊区蒸发皿蒸发量变化趋势和特点，得出近50年北京地区蒸发量有明显减小趋势，城区值-88.1mm/10a，郊区值-76.0mm/10a，受城市化影响，相对湿度、日照时数、最低气温、气温日较差和平均风速的变化对城区蒸发量的变化有显著影响。

城市化过程中下垫面硬化其实是将天然流域的透水和半透水下垫面改变为人工的不透水或弱透水下垫面与管网排水，几乎无雨损。这种“下垫面混凝土化和排水管网无损化”的过程，不仅使地表下渗能力降低，增加地表产流、地表径流量，而且造成汇流水力坡度增大、糙率减小，相对来说水力半径增大，进而缩短河网汇流时间，从而造成城市洪峰由矮胖型向高瘦型转变，加重城市的防洪压力。相同降雨过程下天然流域和城市流域对河流洪峰的影响如图3.2所示。

3.1.2 城市化对郑州水系水文影响

3.1.2.1 郑州城市化对城市降水影响

郑州城市化率由1978年的18.1%提升到2010年的63.6%，随着城市化率的提高，郑州城市热岛效应越来越显著，直接影响郑州城市上空的降水气流运动，从而影响郑州的降水量。

3.1.2.2 城市化环境下郑州春、夏、秋、冬四季降水量变化分析

依据郑州1951—2010年月均降水量数据，从每年3月开始，统计郑州春、夏、秋、冬四季的降水量，并对其变化规律进行分析。郑州1951—2010年四季降水量相关参数计算结果见表3.1。

从四季降水量多年平均值的计算结果可以看出，四季降水中尤以夏季降水量最多，冬季降水量较少，说明全市年内降水量主要集中在夏季；而从极差值和变差系数的计算结果可以看出，四季降水量中夏季降水量变化范围最大，年际间波动性最小，冬季降水量变化范围最小，而年际间波动性最大，相比之下，春季、秋季降水量无论是变化范围还是年际间波动性的强弱上都较相似，处于夏季和冬季平均降水量的变化范围之间。郑州1951—2010年四季降水量变化趋势如图3.3～图3.6所示。

春季降水量整体表现出减少的变化趋势（图3.3）。经计算，春季降水量线性回归系数为-0.22，即表现出平均每10年有2.2mm的减少趋势。但从其变化趋势图中也可以看出，尽管整体表现出减少的变化趋势，但自进入2000年以来，春季降水量呈现出强烈的反弹趋势，经计算2000—2008年春季降水量线性回归系数为11.2，即表现出平均每10年112mm的增加趋势。从其年际间的变化过程来看，20世纪50年代变化较平缓，60—90年代变化剧烈，进入2000年以来，波动又趋于平缓，整体具有先平缓再剧烈的变化规律。

夏季降水量整体表现出增加的变化趋势（图3.4）。经计算，夏季降水量线性回归系数为0.42，即表现出平均每10年有4.2mm的增加趋势。从夏季降水量变化趋势图中也可以看出，尽管整体表现出增加的变化趋势，但自进入2000年以来全市夏季降水量出现小幅回升后，2003—2010年夏季降水量表现出逐年减少的变化趋势，经计算，2003—2010年全市夏季降水量线性回归系数为-24.13，即表现出平均每10年有241.3mm的减少趋势，且此次降水量连续减少过程是全市夏季平均降水量历年来持续时间最长的一次。从其年际间变化过程来看，夏季降水量年际间变化幅度不大，具有短期内连续增加或减少的变化特点。

秋季降水量整体表现出减少的变化趋势（图3.5）。经计算，线性回归系数为-0.21，即表现出平均每10年有2.1mm的减少趋势。从秋季降水量的变化趋势图中可以看出，进入2000年以来，全市秋季降水量表现出先增加后减少的变化趋势，且变化过程比较剧烈，尤其是自2003年以来，全市秋季降水量持续走低，到2008年开始回升，由此推断，未来几年内全市秋季降水量可能出现一定的回升态势。从其变化过程来看，50—70年代波动性较强，最大降水量为276.3mm，最小降水量为11.3mm，两者相差265mm；80—90年代波动性趋于平缓，年际间降水量变化幅度变小；2000年以来，波动性又趋于剧烈，整体表现出20～30年经历一次由平缓到剧烈的变化过程。

冬季降水量整体表现出增加的变化趋势，但并不显著（图3.6）。经计算，线性回归系数为0.09，即表现出平均每10年有0.9mm的增加趋势。从冬季降水量变化趋势图中可以看出，进入2000年以来，全市冬季降水量整体表现出逐年减少的变化趋势，经计算，线性回归系数为-5.66，其中：2000—2003年，冬季降水量大于多年平均值，处于一个较高的水平；2004—2007年，冬季降水量小于多年平均值，处于一个较低的水平。从其变化过程来看，自50年代以来，冬季降水量整体表现出“平缓—剧烈—平缓—剧烈”的变化特点。

从变化趋势图中可以看出，郑州四季降水量在过去60年中的变化趋势并不相同。

3.1.2.3 城市化环境下郑州市年均降水量变化规律分析

郑州市年均降水量多年平均值为639.4mm，极差值660.1mm，标准差156.4，变差系数0.24，其变化趋势图如图3.7所示。

全市年均降水量变化趋势不显著，经计算线性回归系数为0.05，即表现出平均每10年有0.5mm的增加趋势。为消除数据年际间波动性的影响，对观测数据进行5年滑动平均法处理后，得到新序列线性回归系数为-0.94，即表现出平均每10年有9.4mm的减少趋势，说明全市年均降水量具有一定的减少趋势。而从年均降水量变化趋势图中可以看出，进入2000年以来，全市年均降水量经历了一个先增加后减少的变化过程，与四季平均降水量变化过程相比，此变化过程与夏季降水量2000年以来的变化过程较相近。由此可以说明，夏季降水量是全市年均降水量的主要影响因素。

本文引用刘颖的研究成果说明城市化对城市水文影响。刘颖分别将1990s年代和2000s年代两种气候条件输入SWAT模型，模拟1995年和2008年土地利用情况下的郑州水系年平均径流，结果见表3.2，郑州城市化相关数据列入表3.2。

从表3.2结果可知，相对于1995年土地利用情况，1990s平均径流量在2008年土地利用情况下的模拟结果增加了0.88m³/s，增幅为6.75%；2000s年平均径流量增加了0.77m³/s，增幅为6.02%。从1995年和2008年两组土地利用类型可知，郑州城市化发展对城市水系年平均径流影响较大，其影响与城市化率成正比，即郑州城市化对1990s的年径流影响比2000s大。

3.1.2.4 郑州城市化对城市大雨和暴雨影响分析

趋势检验方法主要有Man-Kendall秩次相关检验法、Spearman秩次相关检验法、线性趋势的回归检验法、滑动平均检验法和小波分析方法等。本文采用Kendall秩次相关检验法和小波分析法进行相关研究。

1.Mann-Kendall秩次相关检验法

基于秩的Mann-Kendall趋势检验法是一种非参数统计检验方法，或称无分布检验，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适于类型变量和顺序变量，计算比较简便，在趋势分析中得到了十分广泛的应用。具体步骤如下：

设一平稳序列为X_t，（t=1，2，…，n，n为序列长度），定义统计量S为

其中

式中 sign（θ）——符号函数。

当n≥10时，统计量S近似服从正态分布，其正态分布的检验统计量Z的计算公式为

Z为正值表示增加趋势，Z为负值表示减少趋势，当Z的绝对值在不小于1.28、1.64、2.32时，表示分别通过了信度90%、95%、99%的显著性检验。

采用Mann-Kendall秩次相关检验法分析郑州1971—2010年共计40年大雨和暴雨资料，计算结果见表3.3。大雨序列检验值为负值，表明大雨总量随时间呈减少趋势；暴雨序列检验值为正值，表明暴雨总量随时间呈增加趋势。线性倾向率则表示大雨和暴雨在研究年限内的变化幅度。

2.小波理论分析法

研究应用小波分析理论研究大雨和暴雨序列的周期。

小波分析是当前数学中一个迅速发展的新领域，具有深刻的理论和广泛的应用。小波变换的概念是由法国工程师J.Morlet在1974年首先提出的，1986年法国著名数学家Y.Meyer偶然构造出一个真正的小波基，并与S.Mallat合作建立了构造小波基的多尺度分析之后，小波分析开始蓬勃发展起来，其中比利时女数学家I.Daubechies撰写的《小波十讲（Ten Lectures on Wavelets）》对小波的普及起到了重要的推动作用。它与Fourier变换、窗口Fourier变换（Gabor变换）相比，是一个时间和频率的局域变换，能有效地从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析（Multiscale Analysis），解决了Fourier变换不能解决的许多困难问题，从而小波变化被誉为“数学显微镜”。

小波变换具有多分辨分析的特点，而且在时频两域都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口大小固定不变但其形状可改变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法，在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。

小波分析的应用领域十分广泛，它包括：数学领域的许多学科；信号分析、图像处理；量子力学、理论物理；军事电子对抗与武器的智能化；计算机分类与识别；音乐与语言的人工合成；医学成像与诊断；地震勘探数据处理；大型机械的故障诊断等方面以及许多非线性科学领域内获得了巨大的突破。

小波分析是一种窗口大小固定但形状可变的时频局部化分析方法。小波分析的关键在于引入满足一定条件的基本小波函数Ψ（t），指具有震荡特性、能够迅速衰减到零的一类函数，经过伸缩和平移可得到一簇函数，即

式中 Ψ_a，b（t）——分析小波或连续小波；

a——尺度伸缩因子，反映小波的周期长度；

b——时间平移因子，反映时间上的平移。

目前在水文系统的小波分析中，采用较多的小波函数主要有Morlet小波、Mexican hat小波、Haar小波等，本文选取Morlet小波函数

其中，c为常数，取6.2；i表示虚数。Morlet小波的伸缩尺度a与周期的关系为

对于上述给定的小波函数Ψ（t），水文时间序列f（t）∈L²（R）的连续小波变换为

式中（t）——Ψ（t）的复共轭函数；

W_f（a，b）——小波变化系数。

在实际研究中，时间序列常常是离散的，如f（k·Δt）（k=1，2，…，N；Δt为取样时间间隔），则式（3.7）的离散形式为

W_f（a，b）能同时反映时域参数b和频域参数a的特性，并且随参数a、b、变化，可绘制以b为横坐标，a为纵坐标的关于W_f（a，b）的二维等值线图，称为小波变换系数图。通过小波变换系数图可得到关于时间序列变化的小波变化特征。每一种周期小波随时间的变化通过水平截取来考察。不同时间尺度下的小波系数可以反映系统在该时间尺度下的变化特征；正负小波变换系数分别对应于偏多期和偏少期，小波变换系数为零对应着突变点；小波变换系数绝对值越大，表明该时间尺度变化越显著。

将时间域上的关于a的所有小波变换系数的平方进行积分，即为小波方差

小波方差随尺度a的变化过程称小波方差图，反映了波动的能量随尺度的分布。通过小波方差图，可以确定一个水文序列中存在的主要时间尺度，即主周期。

本文收集郑州市站1960—2010年共51年大雨和暴雨的降水系列资料，应用Morlet小波理论进行分析。

（1）小波系数图。序列的小波系数实部等直线图横坐标为时间（单位为年），纵坐标为时间尺度，图中的等值曲线为小波系数实部值，当小波系数实部为正时，表示大雨或暴雨偏多期，在图中用实线绘出，反之，用虚线绘出。小波系数实部等值线图能够反映序列不同时间尺度的周期变化及其在时间域中的分布，也可在不同时间尺度上，分析未来大雨或暴雨的变化趋势。

由图3.8可以看到大雨演变过程中存在的多时间尺度特征。总的来说，在演变过程中存在着3～5年及25～28年的两类时间尺度的周期变化规律。其中，3～5年周期在整个研究时期连续。

由图3.9可以看到暴雨演变过程中存在的多时间尺度特征。总的来说，在暴雨序列演变过程中存在着5～6年及13～15年的两类时间尺度的周期变化规律。两类时间尺度的周期在整个研究时期连续。

（2）小波方差图。大雨和暴雨序列的小波方差图可以反映序列的波动能量随尺度的分布情况，可以用来确定大雨和暴雨演化过程中存在的主周期。大雨和暴雨序列小波方差如图3.10和图3.11所示。

由图3.10可知，郑州大雨序列小波方差图中有两个较为明显的峰值，它们依次对应着6年和28年的时间尺度。其中，最大峰值对应28年时间尺度，为第一主周期，说明28年左右的周期震荡最强；6年时间尺度对应着第二峰值，为第二主周期。上述两个周期的波动控制着郑州大雨在整个时间域内的变化特征。郑州暴雨小波方差图中有两个较为明显的峰值，它们依次对应着6年和14年的时间尺度。其中，最大峰值对应14年时间尺度，为第一主周期；6年时间尺度对应着第二峰值，为第二主周期。

对比郑州大雨和暴雨序列的主周期，可以发现6年的周期是一致的，是两者的共有特点；对比第一主周期，可以发现郑州大雨的周期比暴雨的周期要长。

郑州暴雨是城市洪灾的主要因素，是城市防洪重点所在。郑州城市化促使城市洪峰由矮胖型向高瘦型转变迫使管理部门提高防洪标准，防洪标准由10年、20年一遇提高到50年、100年一遇。郑州市政府为了城市防洪安全，增强水系过水能力，以达到尽快排走洪水的目的，对城市河道进行裁弯取直治理和加高堤防。随着城市化率的不断上升，郑州城市防洪标准不断提高，其提高过程就是城市水系裁弯取直和堤防加高的过程。虽然这些工程措施有利于郑州城市防洪，较快地排出洪水，但是，这些措施无形中改变了城市的水系径流流态，导致郑州城市洪峰增大、峰现时间提前、洪水陡涨陡落、过程线尖瘦、洪水汇流速度增快、洪量更为集中等。城市水系洪水完成高瘦型转变，这一转变又将城市防洪推向面临更大更猛更急的洪水，城市防洪形势更危险，洪灾损失更严重。进入21世纪后，郑州城市防洪开始非工程化措施建设，由城市洪水防灾减灾向城市洪水管理转变，实现城市防洪两手抓，软硬措施兼备，2008年后郑州城市防洪取得显著成效。

从表3.4可以看出，郑州城市提高防洪标准的主要措施是堤防加高工程和裁弯取直工程（主要在20世纪），城市水系中12条主要河流有贾鲁河、金水河、熊耳河、索须河和七里河5条河流进行了裁弯取直。河堤加高加固使得城市水系河堤由2.0m逐渐提高到4.0m左右，这些河堤加高后形成地上渠道，严重影响城市排泄雨洪，阻碍了河道内外物质、信息和能量交换。这些河堤加固加高措施更是导致水系结构垂向和横向突变，割裂了水系生态系统的完整性和连通性，改变了水系结构的自然演变。