文｜ 中國城市科學(xué)研究會 鄭云梅 張勝雷 吳潔；建設(shè)綜合勘察設(shè)計研究院有限公司 趙海龍；山東省莒縣住建局 李秀花 劉曉燕

近年來，城市內(nèi)澇已成為威脅人類生存的重大災(zāi)害之一。為治理城市洪澇災(zāi)害，在《2012 低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇》中首次提出海綿城市的概念。2013年習(xí)總書記在《中央城鎮(zhèn)化工作會議》中強(qiáng)調(diào)：“提升城市排水系統(tǒng)時要優(yōu)先考慮把有限的雨水留下來，優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水，建設(shè)自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”。從2014年開始，以海綿城市、城市洪澇模型為主題的研究逐漸上升，至今城市洪澇災(zāi)害防治已成為水文、水資源領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者研究的熱點(diǎn)。隨著城市內(nèi)澇災(zāi)害的發(fā)生，城市暴雨徑流中大量的污染物，使得初期徑流產(chǎn)生的污染負(fù)荷遠(yuǎn)高于城市生活污水，由面源引起的水環(huán)境污染成為當(dāng)前城市水環(huán)境綜合治理中亟待解決的主要問題之一?；趶搅飨禂?shù)的城市地表類型劃分工作不僅是海綿城市建設(shè)規(guī)劃設(shè)計、城市暴雨徑流管理模型建立的基礎(chǔ)。地表類型，徑流特征的不同，污染物隨著徑流的運(yùn)移規(guī)律也不同，研究基于徑流系數(shù)的城市地表類型分類體系還能為徑流管理、污染削減技術(shù)應(yīng)用和實(shí)施，以及城市管網(wǎng)設(shè)計優(yōu)化等工作提供支撐。

一、研究現(xiàn)狀

（一）基于徑流系數(shù)的地表類型分類體系

針對徑流系數(shù)的城市地表類型分類體系國內(nèi)外還沒有較為系統(tǒng)的研究。雨水徑流污染控制的主要措施可歸納為暴雨最佳管理措施和低影響開發(fā)技術(shù)，許多國家都對其進(jìn)行了借鑒和改進(jìn)。通過對城市大區(qū)域綜合徑流系數(shù)變化的研究發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)不透水面積百分比的增加會導(dǎo)致徑流系數(shù)的增加。Benedetto 采用透水鋪裝解決了飛機(jī)場積水問題。日本的雨水利用技術(shù)以多功能調(diào)蓄設(shè)施為主要特色，對城市雨洪管理與利用具有較高的水平。德國、美國等關(guān)注城市綠地的水土保持功能，開展了城市地表尤其是非硬化地表的土壤入滲、循環(huán)等方面的研究。研究發(fā)現(xiàn)森林的開采(特別是高地上的森林)增加了下游洪水泛濫的頻率和強(qiáng)度，一般會減少每年的徑流量，并使得降水的再分配不平均；草地的變化有類似的效果。綠化緩沖帶的寬度大于100英尺，坡度略小于45 度，對雨水徑流污染可起到有效的控制作用。在美國，停車場路面使用透水鋪裝，我國也有大量的停車場開始使用透水鋪裝。法國使用透水瀝青混凝土鋪面的高速公路約有10%以上。而日本也在多處工程中采用了透水混凝土鋪裝。另外國外還出現(xiàn)了大量模擬地表徑流和污染情況方面的模型如SWMM、HSPF、STORM 等。但這些模型中，如SWMM 模型，其徑流模塊只是簡單的將土地利用類型分為透水地表和不透水地表，再結(jié)合低影響開發(fā)設(shè)施、滯蓄池以及暴雨最佳管理措施等對地表情況進(jìn)行模擬預(yù)測。而在土地利用/土地覆被變化對徑流的影響研究中也只是對土地利用類型進(jìn)行簡單的劃分。如Deepak Khare 等在研究土地利用/土地覆被變化對水電工程流域徑流的影響中時將土地利用類型劃分為水域、建設(shè)用地、森林和密集植被、稀疏植被、休耕地5 個土地利用類型。

國內(nèi)基于徑流系數(shù)的地表類型分類體系較缺乏，相關(guān)研究分為四塊。

一是基于面源污染問題的土地利用/土地覆被分類系統(tǒng)的研究。如練雄和蔡永立等根據(jù)生態(tài)服務(wù)功能和人類干擾程度，在全國土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定的二級分類系統(tǒng)。一級分類包括林地、草地、葦?shù)睾蜑┩俊⒑?、坑塘、耕地、養(yǎng)殖地、建筑、道路及廣場、其他土地等，反映了地表徑流方式。

二是在流域尺度方面的研究。相關(guān)結(jié)論如：相同的降雨條件下，綠地因植被類型、生長期、高程、所處城市功能區(qū)的不同，降雨徑流、污染特征不同；大喬木比小喬木可多滯留50%的降雨，落葉喬木落葉后滯留雨水的能力是落葉前的10%-30%；一棵成年樹木一天最多可蒸騰掉300L 水；不同使用功能的地表降雨徑流過程排污狀況中，商業(yè)區(qū)污染負(fù)荷最大等。

三是土地利用變化對徑流的影響的研究，如曹言等在將昆明市主城區(qū)土地利用類型劃分為城市建設(shè)用地、水域、裸地、水田、旱地、有林地、灌木林、疏木林和草地，而吳淼等將土地利用類型信息劃分為水田、林地以及水庫等。分類的不一致在進(jìn)一步對比總結(jié)結(jié)論時有一定困難。

四是對比某些典型的地表類型對徑流的影響規(guī)律方面。如黃志霖等通過實(shí)地觀測自然降水條件下連續(xù)14年的半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)坡耕地、4 種退耕類型徑流得到：①徑流量大小次序為農(nóng)耕坡地＞牧草地＞喬木林地＞自然草地＞灌木林地。②累積減流效應(yīng)次序為灌木林地＞自然草地＞喬木林地＞牧草地。③減流效應(yīng)變化與退耕類型是否能形成穩(wěn)定的復(fù)合緩沖層、覆蓋層情況有關(guān)。

（二）土地利用分類體系

國內(nèi)外土地利用分類體系主要服務(wù)于土地規(guī)劃，通過分析總結(jié)其分類體系制定經(jīng)驗，可為本研究提供借鑒。

國外服務(wù)于土地利用規(guī)劃的土地利用分類體系比較有代表性的有美國、英國。美國的土地利用分類體系較為成熟，比較有借鑒意義的是1994年的《基于土地的分類標(biāo)準(zhǔn)（LBCS）》分類。LBCS 由1965年的《標(biāo)準(zhǔn)土地利用分類模式》演化而來，包括活動、功能、結(jié)構(gòu)、場地和所有權(quán)5 個平行的維度，可在城市、郊區(qū)和鄉(xiāng)村地區(qū)采用靈活的方法來分類新的土地用途，根據(jù)規(guī)劃不同階段以及不同類型區(qū)劃的需要進(jìn)行選擇和組合，具有靈活性和可擴(kuò)充性的特點(diǎn)。其中大部分區(qū)劃條例在編制階段進(jìn)行分類時，傾向結(jié)合功能和結(jié)構(gòu)的維度。而規(guī)劃在現(xiàn)狀調(diào)查階段，可結(jié)合這5 種維度的分類更清晰明確地描述現(xiàn)狀土地利用的特點(diǎn)。

英國主要通過建立面向開發(fā)控制的《一般開發(fā)規(guī)則》來保護(hù)土地價值，解決活動的沖突。因此GDPO 從最開始的住宅開發(fā)免除申請開發(fā)許可證，逐漸擴(kuò)大到工業(yè)項目、農(nóng)業(yè)建筑、礦業(yè)開發(fā)、學(xué)院等33 個方面，土地利用分類不成體系。直到2006年，采用記錄和描述的分類方法，制定了《土地用途和土地覆蓋物分類標(biāo)準(zhǔn)》。它采用了土地用途和土地覆蓋物兩個分類維度，并明確指出，土地用途與土地的活動或土地的社會經(jīng)濟(jì)有關(guān)，土地覆蓋物與土地表面的物質(zhì)種類或形態(tài)有關(guān)。其中土地用途共分為13 個大類41 個中類。大類包括農(nóng)業(yè)和漁業(yè)、林業(yè)、采礦、娛樂和休閑等。土地覆蓋物共包括10 個大類32 個種類，其中大類包括莊稼地、草地、林地和灌木、荒野和沼澤、懸崖石壁等。

我國的土地利用分類均為層級型。最新修訂的《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》（GB50137-2011）服務(wù)與城市規(guī)劃，它將城市建設(shè)用地分為三個級別，其中大類包括居住用地、公共管理與公共服務(wù)用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地等8 個；最新修訂的《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010-2017）服務(wù)于土地利用總體規(guī)劃，它將土地利用類型分為兩個級別，其中一級類包括耕地、園地、林地、草地等12 個；另外，我國為了厘清土地家底，開展了國情普查，編制了《地理國情普查內(nèi)容與指標(biāo)》（GQJC001-2013），將地類分為三個級別。其中一級類包括耕地、園地、林地、草地、房屋建筑（區(qū)）、道路、構(gòu)筑物等12 個；隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，可多快好省地獲取土地利用類型信息，基于遙感技術(shù)且針對城市的土地利用/土地覆被分類系統(tǒng)也隨之發(fā)展起來。如練雄、蔡永立等提出基于面源污染問題的土地利用/土地覆被二級分類系統(tǒng)。其一級類包括林地、耕地、建筑等，反映了地表徑流方式，數(shù)據(jù)源為2008年0.5 米航空真彩色遙感影像。這些類型可以與實(shí)際面源污染相對應(yīng)，較好地解決了土地利用/土地覆被分類系統(tǒng)與面源估算之間銜接的問題。

通過國內(nèi)外進(jìn)展研究，可得到相關(guān)分類標(biāo)準(zhǔn)制定的經(jīng)驗如下：

第一，多維度。根據(jù)美國等國家經(jīng)驗，多維的分類體系有助于全面的體現(xiàn)各類型的差異性，精準(zhǔn)的明確類型的信息，但需注意避免混淆、不清晰的情況出現(xiàn)，從而更有利于實(shí)現(xiàn)使用類型的目標(biāo)。

第二，靈活性。我國地域遼闊，不同區(qū)域和城市地表的徑流系數(shù)影響因素不盡相同。而我國對于內(nèi)澇、污染削減方面的研究起步晚，受于條件限制，研究尚不完整，制定全國統(tǒng)一的用地分類標(biāo)準(zhǔn)很難在各地通用。因此可借鑒美國的經(jīng)驗，在制定全國統(tǒng)一的基于徑流系數(shù)的城市地表類型分類體系的基礎(chǔ)上，允許分類體系有一定的靈活性，即地方政府可結(jié)合實(shí)地情況進(jìn)行靈活調(diào)整，從而保障該分類體系的可操作性。

第三，統(tǒng)一性?；趶搅飨禂?shù)的城市地表類型分類體系是海綿城市規(guī)劃的基礎(chǔ)工作。標(biāo)準(zhǔn)的分類體系猶如海綿城市規(guī)劃堅實(shí)的地基，海綿城市規(guī)劃的進(jìn)一步規(guī)范編制落實(shí)都具有支撐作用。另外統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)還是地表類型信息統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)，使更大尺度的研究分析成為可能。

二、分類體系構(gòu)建

（一）分類體系框架制定

分類體系框架制定應(yīng)遵循以下原則及順序：①層級式結(jié)構(gòu)原則，從大類到小類按層級逐漸劃分，形成基于徑流系數(shù)的城市地表類型分類體系。且等級層次可擴(kuò)充，便于未來研究繼續(xù)深入再繼續(xù)細(xì)化；②關(guān)鍵影響因素原則，類型的區(qū)分應(yīng)根據(jù)研究現(xiàn)狀中至少出現(xiàn)2 次一樣的成果進(jìn)行總結(jié)，避免影響因素出現(xiàn)的特殊性，抓住普遍存在的規(guī)律。

根據(jù)基于徑流系數(shù)的城市地表類型分類體系的目標(biāo)，以地表類型為一個維度，繼續(xù)增加其他維度或要求。結(jié)合研究現(xiàn)狀可知，除了地表類型這個影響因素外，還有植被覆蓋度、透水磚、與周圍地塊的高程關(guān)系 、樹木大小 、所處城市功能區(qū) 、坡度等。其中樹木大小與植被覆蓋度有異曲同工之處，均根據(jù)植被綠葉覆蓋情況可以表現(xiàn)出來，而透水磚、低勢草坪（下凹式綠地）屬于低影響開發(fā)設(shè)施中的一種，由于它與地表類型不是一個尺度的內(nèi)容，因此不參與地表類型分類。最后坡度也是影響地表徑流系數(shù)的核心指標(biāo)，但每個透水地表類型的徑流系數(shù)都會隨著坡度的變化而變化，所以在分類維度中可不做總結(jié)。因此，總結(jié)來看可確定參與基于徑流系數(shù)的地表類型分類體系三個維度為地表類型、所處城市功能區(qū)、植被覆蓋度等3 個維度，如表1所示。

（二）每一維度內(nèi)容的確定

首先是地表類型的確定。每一類型的確定原則：①徑流系數(shù)差異性原則；②污染特征差異性原則，本分類結(jié)果是為了應(yīng)用于城市地表徑流減控與面源污染削減技術(shù)研究中，為更有效地服務(wù)于該目標(biāo)，分類過程中應(yīng)結(jié)合其污染特征差異進(jìn)行劃分；③遙感影像特征可識別性原則，遙感影像分類技術(shù)可快速獲取地表類型信息，因此分類體系框架的制定應(yīng)兼顧遙感影像特征可識別原則進(jìn)行制定；④粗細(xì)適宜性原則，過粗的分類體系，會導(dǎo)致城市地表徑流減控與面源污染削減技術(shù)成果準(zhǔn)確性不足的問題，而過細(xì)的分類體系又會導(dǎo)致后續(xù)成果過于精確，但在實(shí)際工程實(shí)施中精度有限，成果無法通過工程化應(yīng)用達(dá)到預(yù)設(shè)精度。因此需有的放矢；⑤實(shí)用性原則，本分類體系研究屬于行業(yè)中首次研究，在工程化應(yīng)用過程中，往往只具有其他分類成果，因此，分類結(jié)果應(yīng)與相關(guān)分類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范能進(jìn)行對照，提升本分類體系的實(shí)用性。

表1 基于徑流系數(shù)的城市地表類型分類體系分類維度的定義

地表類型主要參考《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010-2017），借鑒《地理國情普查內(nèi)容與指標(biāo)》（GQJC001-2013）、《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》（GB50137-2011），結(jié)合高分二號遙感影像特征，以及相關(guān)研究得出的徑流系數(shù)和污染特征差異的基礎(chǔ)上進(jìn)行制定（結(jié)果見表2）。其中地表類型的定義在該分類基礎(chǔ)上結(jié)合本研究目標(biāo)進(jìn)行確定。一級類中耕地、林地、草地、裸地、水域、交通運(yùn)輸用地的區(qū)分主要來源于《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010-2017）、遙感影像特征、徑流和污染特征以及張韶華和黃志霖的研究成果。林地分為喬木林地、灌木林地。水域、裸地、耕地區(qū)分主要來源于徑流和污染特征、遙感影像特征以及王鋒的研究成果。房屋建筑主要來源于《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》（GB50137-2011）。房屋建筑、廣場、交通運(yùn)輸用地區(qū)分來源于本子課題所在課題的“不透水地表的徑流特征與表達(dá)方法研究”子課題不透水地表污染特征研究成果、遙感影像特征。

植被覆蓋度維度內(nèi)容確定。植被覆蓋率越小，流域徑流量越大。學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)少林流域(森林覆被率為15.2%)的平均徑流深是多林流域(森林覆被率為82.7%)的3.43 倍，無林流域(森林覆被率為0)的平均徑流深是多林流域的4.95 倍。另外，曹言在土地利用變化對徑流的影響研究中將林地分為有林地、灌木林、疏木林。因此植被覆蓋度可分為高覆蓋度、中覆蓋度、低覆蓋度。

社會經(jīng)濟(jì)類型維度內(nèi)容確定。不同土地使用功能的城市地表，其沉積物的來源不同。如城市工業(yè)區(qū)的地表沉積與工業(yè)生產(chǎn)過程的原料、半成品材料等的擴(kuò)散、沉積、遺漏等有關(guān)；城市路面沉積物與車輛交通流量等因素有關(guān)；城市居民區(qū)地表沉積物與生活垃圾及居民生活習(xí)慣等因素有關(guān)，商業(yè)區(qū)地表沉積物則與商業(yè)活動類型有關(guān)，由此將地表類型按照功能區(qū)劃分為工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、居住區(qū)、城市道路。

（三）基于徑流系數(shù)的地表類型分類體系確定

確定基于徑流系數(shù)的城市地表類型分類體系如表3。其中區(qū)間交通用地是商業(yè)區(qū)、居住區(qū)以及工業(yè)區(qū)之間或者城市與城市之間的道路。由于高中低植被覆蓋度僅指林地、草地的植被覆蓋度，因此僅針對這兩類型的覆蓋度進(jìn)行區(qū)分；由于各功能區(qū)污染特征是指廣場、道路、設(shè)施以及房屋建筑的污染特征，因此僅對這四類的功能區(qū)進(jìn)行區(qū)分；由于植被覆蓋度和各社會經(jīng)濟(jì)類型功能區(qū)進(jìn)一步細(xì)分的地表類型不一樣，因此將這兩個維度的地表類型均劃分為小類。

表2 城市地表分類表

表3 基于徑流系數(shù)的地表類型分類體系