2000—2021年郑州市土地利用变化及对综合径流系数的影响

姜 宇，王行汉，周晓雪，陈静霞，俞国松，吴 丹，邝高明，陈海花，李树波，白春祥，杜德杰，蓝振玮

(1.广州珠科院工程勘察设计有限公司，广东 广州 510611；2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510611；3.水利部珠江河口治理与保护重点实验室，广东 广州 510611)

随着现代化经济社会不断发展，城市化进程加快，由土地利用所引起的下垫面变化对区域环境、气候、水文特性产生了重大影响，如城市“热岛”“雨岛”现象[1]、区域气候变化[2-3]以及城市暴雨洪涝灾害等[4-5]。其中暴雨洪涝灾害是指由暴雨造成洪涝的气象灾害，其突发性强、破坏性大、影响面积广，是中国各大城市频发的主要自然灾害类型[6]，对中国社会经济和人民生命财产造成了严重的威胁[7]，2021年河南郑州“7·20”暴雨洪涝灾害，全省共1 453.16万人受灾，302人死亡，50人失踪，直接经济损失达1 142.69亿元。纵观近几十年中国发生的暴雨洪涝灾害，不仅造成了巨大经济损失和人员伤亡[8]，而且后续影响极大，往往需要较长的时间才能恢复受灾地区社会经济和人民生活。因此，深入研究暴雨洪涝灾害影响因子对城市减灾工作具有重要的实践意义。

城市暴雨洪涝灾害的形成与城市土地利用、气象、水文等因素息息相关。土地利用变化是洪涝灾害形成过程的关键因素，随着城市化不断发展，中国各大城市及周边下垫面发生剧烈的变化，如地面硬化率提高、不透水面积扩大、湖泊沟塘等调蓄水体面积缩小以及林草地面积缩减等现象，促使城市地表径流发生变化，城市洪涝灾害风险上升，城市防洪排涝工作面临着巨大挑战。在此背景下，针对城市土地利用变化对城市暴雨洪涝灾害的影响，史培军等[9]以深圳市为例定量分析了土地利用方式、土壤类型、降雨等因素对降雨-径流关系的影响，结果表明随着人类活动的加剧，土地利用的变化使地表径流量趋于增大。袁艺等[10]使用分布式水文模型就土地利用变化对流域暴雨洪水汇流过程的影响进行了模拟。模拟结果表明，城市化过程中土地利用结构与格局的变化，使得暴雨洪水的最大洪峰流量和洪量加大，汇流时间变短。郭宗锋等[11]基于土地利用信息和土壤资料分析了土地利用和土地覆被变化对径流的影响，研究结果表明，西双版纳土地利用变化使流域径流系数增大。朴希桐等[12]以蚌埠市为例，耦合SCS产流模型、二维水动力汇流模型和等效排水管网模型模拟城市暴雨内涝形成过程，对比分析了下垫面变化对内涝灾害的影响，研究结果表明下垫面变化是引起涝灾程度变化的直接原因。除此之外，周峰等[13]针对平原区城镇化过程中引起的洪涝加剧问题，分析了城镇化过程中下垫面特征变化及其对区域洪涝调蓄能力的影响，结果表明下垫面变化导致区域可调蓄洪涝的空间减少，洪涝风险程度加大。

综上所述，城市化发展过程中人类活动引发的土地利用变化导致了城市地表径流增多，径流系数变大，地表汇流时间变短，洪峰流量和洪量增加，城市洪涝风险增加。因此，探讨城市下垫面的变化对城市径流系数的影响具有非常重要的实际应用价值。基于郑州市多年遥感影像，考虑城市化进程对水文过程的影响，本研究将郑州市影像主要划分为建设用地、林草地、水体、耕地和其他用地五大类，并利用转移矩阵分析郑州市土地利用时空变化特征，分析郑州市城镇化过程中地面硬化率及区域综合径流系数变化，以期为郑州市土地利用规划和防洪排涝工作提供参考依据。

1 研究区域和数据

1.1 研究区域

郑州市位于河南省中部偏北，地处东经112°42′～114°13′，北纬34°16′～34°58′，平均海拔108 m，整体地势西南高，东北低，地貌主要为低山丘陵地。郑州市共12区(县)，分别为中原区、二七区、管城回族区、金水区、上街区、惠济区、中牟县、巩义市、荥阳市、新密市、新郑市、登封市，总人口为988.1万人，总面积约为7 500 km2，其中市区面积1 010 km2，中心城区建成区面积549.33 km2。郑州市属北温带大陆性季风气候，春季少雨，夏季多雨，年平均气温14.4°C，年平均降雨量640.9 mm。市内大小河流124条，分属于黄河和淮河两大水系，其中流经郑州段的黄河150.4 km。郑州市地理位置及地形地貌见图1。

图1 研究区域示意

1.2 遥感影像数据

遥感影像数据来源于Landsat-7和Landsat-8。Landsat-7发射于1999年4月15日，携带增强型专题制图仪(Enhanced Thematic Mapper,ETM+)传感器。Landsat-8发射于2013年2月11日，携带陆地成像仪(Operational Land Imager,OLI)和热红外传感器(Thermal Infrared Sensor,TIRS)，ETM+和OLI传感器具体波段信息见表1。为保证试验一致性，本研究选择三景黄河平水期的遥感影像进行分类处理，其分别为2000年4月5日Landsat-7 ETM+影像和2014年5月6日、2021年3月22日Landsat-8 OLI影像，3景影像云覆盖度均小于5%，研究区域影像质量较好，符合研究需求。

由于地形、大气、光照和传感器等因素，导致遥感接收波谱信息具有一定误差，不能直接应用于实际生产中，因此在遥感应用必须对影像进行辐射定标、大气校正等预处理流程，一定程度消除或减弱遥感影像偏差。研究基于ENVI软件平台，采用FLAASH(Fast line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes)大气校正模型，实现Landsat影像辐射定标及大气校正，并通过Gram-Schmidt方法融合低分率多光谱数据和高分辨率全色波段，最终获得研究区域15 m空间分辨率的多光谱影像数据。基于融合处理后的影像数据，建立了建设用地、林草地、水体、耕地和其他用地共5种地物类型的分类体系，采用BP神经网络分类方法，解译获得郑州市2000、2014、2021年的土地利用。3期影像的分类指标Kappa系数[14-16]分别为0.90、0.98、0.95，满足本研究后续分析。

表1 遥感影像波段信息

2 研究方法

2.1 土地利用变化分析方法

转移矩阵[17-18]来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述，其反映在一定时间间隔下，一个系统从T时刻向T+1时刻状态转化的过程，利用该方法可以更好地揭示土地利用格局的时空演化过程。转移矩阵数学表达形式见式(1)。

(1)

式中S——各下垫面统计面积；Sij——2个时期之间的土地利用转移矩阵；n——土地利用的类别。

2.2 综合径流系数计算方法

综合径流系数是城市年径流总量控制率计算的一个关键参数，其取值的大小对城市雨水系统设计具有重要指导意义。根据住房和城乡建设部出台的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》[19]，综合径流系数是不同种类下垫面雨量径流系数与面积占比的加权平均值，计算公式见式(2)：

(2)

式中ψ——研究区综合径流系数；n——研究区内下垫面覆盖类型；Si——第i种下垫面种类的面积；ψi——对应径流系数；S——研究区域总面积。

《室外排水设计规范》[20]中推荐各下垫面种类径流系数范围见表2。

表2 径流系数取值

综合考虑《室外排水设计规范》、土地利用分类体系和遥感影像分辨率，研究由于遥感影像中城区及周边可识别道路宽度为30 m，判断其主要是混凝土或沥青路面，按照相应各类屋面、混凝土或沥青路面规范范围取中间值；林草地、耕地按照公园或绿地径流系数取值范围取中间值；水体取值为1；其他用地主要为裸地等，按照土路面径流系数取值范围取中值。综上，本研究中各土地利用对应径流系数见表2。

3 结果与分析

3.1 土地利用时空变化特征

3.1.1土地利用分类结果

郑州市土地利用结果见图2，分析可知主要的土地利用类型为耕地、林草地，其次为建设用地、水体等。其中2000年(图2a)耕地主要分布于郑州市北部、东部以及部分山区，林草地主要分布于西南山区，建设用地主要分布于郑州市中部，空间分布范围较为聚集，主要呈现点状分布，水体主要为郑州市北部黄河段水体、少量水库及山区河流。随着21世纪城市化进程的快速推进，2014年(图2b)、2021年(图2c)郑州市下垫面覆盖类型空间分布结构发生剧烈变化，建设用地迅速向林草地、耕地的扩张，在整个空间中呈现出面状分布，而耕地空间分布显著缩减，西南山区林草地空间分布格局呈现零散化分布格局。对比分析2014、2021年郑州市土地利用分类结果可知，城区面积进一步扩大，林草地、耕地空间分布进一步缩减，整体上形成了建设用地、耕地、林草地交错分布的空间分布格局。

a)2000年

b)2014年

3.1.2土地利用时序变化特征

根据郑州市2000、2014、2021年土地利用分类结果，各类土地利用面积及占比情况见表3。由表3可知2000年郑州市土地利用主要为耕地、林草地、建设用地，面积分别为3 823.62、2 629.52、936.90 km2，占郑州市总面积50.41%、34.67%、12.35%，三者共占比约97%，而水体和其他用地面积分别为158.13、36.35 km2，占比为2.09%和0.48%；2014年土地利用发生了较大变化，其中建设用地面积增加了1 206.12 km2，占比为28.26%，林草地和耕地面积分别减少1 244.83、260.65 km2，占比分别为18.26%和46.98%，水体面积较2000年变化较小，其面积为197.83 km2，占比为2.60%，但其他用地总面积变化较为明显，较2000年增加了259.66 km2；2021年郑州市建设用地、林草地、水体较2014年显著增加，三者总面积分别为2 362.87、1 852.27、232.44 km2，占比为31.15%、24.42%、3.07%，分别增加219.85、467.58、34.61 km2，耕地和其他用地面积分别为3012.74、124.20 km2，占比为39.72%、1.64%，相比2014年的3 562.97、296.01 km2分别减少了550.23、171.81 km2。

综上分析可得，随着郑州市的快速城市化发展，2000—2021年间郑州市建设用地、林草地、耕地面积变化较大，其中建设用地面积呈现增加趋势，共增加了1 425.97 km2，林草地、耕地面积呈现下降趋势，两者分别减少了777.25、810.88 km2，水体及其他用地面积处于小幅度增长趋势。

表3 2000、2014、2021年郑州市土地利用情况

3.1.3土地利用空间变化特征

利用转移矩阵方法计算得郑州市2000—2021年各土地利用类型详细变化情况结果见表4、5、6，土地利用空间变化情况见图3。

由表4可知，2000—2014年郑州市土地利用变化总量共3 145.48 km2，占郑州市总面积的41.47%，从增加角度分析，变化量最大的地类是建设用地和耕地，两者分别增加1 433.47、1 125.42 km2，增加的建设用地主要由耕地(994.90 km2)和林草地(412.39 km2)转入，增加的耕地主要由林草地(915.43 km2)转入，变化量其次的是其他用地、林草地以及水体，其增加量分别为288.26、173.37、124.96 km2。由表5可知，2014—2021年土地利用变化总量为2 631.31 km2，占郑州市总面积的34.69%，同样从增加角度分析，变化量最大的地类为林草地、建设用地和耕地，三者分别增加847.89、832.27、729.14 km2，林草地主要由耕地(609.75 km2)转入，建设用地主要由耕地 (557.87 km2)转入，其中耕地主要由建设用地(384.20 km2)和林草地(257.26 km2)转入，水体和其他用地变化量较小，增加量分别为120.89、101.12 km2。由表6可知，2000—2021年郑州市土地利用变化总量为3 291.05 km2，占郑州市总面积的43.39%，同理从增加角度分析，各地类新增变化量由大到小依次为建设用地、耕地、林草地、水体、其他用地。其中新增建设用地主要由耕地(1 132.51 km2)和林草地(481.01 km2)转入，其余由水体和其他用地转入；新增耕地主要由林草地(716.81 km2)转入；新增林草地由耕地(393.40 km2)转入；水体及其他用地增加量较少。

表4 2000—2014年郑州市土地利用变化

表5 2014—2021年郑州市土地利用变化

表6 2000—2021年土地利用变化

a)2000—2014年

由图3分析可知，2000—2021年不同用地类型间转换方式多样，主要表现为其他土地利用类型向建设用地、耕地、林草地的流转，2000—2014年(图3a)各地类相互转换比2014—2021年(图3b)更为活跃。由2000—2014年(图3a)土地利用变化分布情况可知，郑州市土地利用发生变化的范围分布较广，其中新增建设用地主要由耕地和林草地转入(表4)，占新增所有新增地类的45.57%，空间上围绕中心城区呈现辐射状分布，主要集中于金水区、惠济区、中原区、中牟县、新郑市、管城回族区等，该阶段内郑州市由人口665.9万人增加到937.8万人，生产总值由728.4亿元增长至6 777.0亿元(http://tjj.zhengzhou.gov.cn/)，而随着城市人口和经济的快速增加，城镇用地需求不断增长，因此该阶段人口和经济的驱动是导致该阶段城市建设用地的大规模扩张的主要原因；新增耕地主要由林草地转入(表4)，占新增所有新增地类的35.78%，主要围绕郑州市西南山区及黄河沿岸分布，如登封市、新密市、巩义市、荥阳市、中牟县等，人口数量持续增加加大了对粮食的消费需求，这直接推动了林草地向耕地的转换过程；新增林草地、水体、其他用地比建设用地和耕地发生变化区域小，分别占比5.51%、3.97%、9.17%，且新增其他用地主要分布于中心城区周围，主要是由于2014年郑州市还未完全城市化，许多地区还处于半开发阶段，影像分类时将其分类为裸地导致。综合分析2014—2021年(图3b)土地利用空间变化特征可知，该阶段内郑州市地类变化较弱，主要表现为林草地(主要由耕地转入)、建设用地(主要由耕地转入)和耕地(主要由林草地和建设用地转入)的新增，三者分别占新增总面积的32.22%、31.63%、27.71%(表6)，相比上一阶段，建设用地和耕地增加面积大幅减少，而林草地增加面积大幅上升，而导致这一现象的主要原因是建设用地扩张收缩和国家退耕还林还草等政策的实施，值得注意的是这一阶段内大部分其他用地转换为建设用地，这主要是由于上一阶段中心城区周围尚未完全开发区域已经完全被开发为建设用地。2000—2021年郑州市土地利用空间变化特征基本与2000—2014年一致，即新增总面积主要为新增建设用地(49.94%)和耕地(27.07%)，其中新增建设用地主要由耕地和林草地转入，耕地主要由林草地转入(表6)，其次为新增林草地、水体、其他用地(14.60%、4.81%、3.58%)，其中新增建设用地围绕中心城区呈现辐射状分布。

综上，郑州市2000—2014年土地利用转换过程比2014—2021年更为活跃，两者土地转换总面积分别为41.47%和34.69%(2000—2021年为43.39%)，主要表现为耕地、林草地和建设用地三者之间的相互转换，其中2000—2014年土地转换类型主要为耕地、林草地转换为建设用地，林草地转换为耕地，2014—2021年主要为耕地向林草地和建设用地的转换、林草地和建设用地向耕地的转换。

3.2 城市硬化率与综合径流系数分析

基于表2土地利用径流系数取值和郑州市2000、2014、2021年土地利用分类结果，计算得郑州市及各区综合径流系数和地面硬化率见表7、两者时间变化见图4。

表7 综合径流系数/地面硬化率

a)综合径流系数

由表7可知，2000—2021年郑州市整体综合径流系数从0.24逐步上升到0.40，城市地面硬化率也从12.32%增加至31.14%，呈现不断上升的趋势。同时，各区县计算结果也与郑州市整体趋势一致，各区县综合径流系数与地面硬化率均在不断地提升。2000年郑州市内区县级综合径流系数最高值为金水区0.43，最低值为登封市0.16，该年平均值为0.29；2014年各区县级综合径流系数最高值仍然为金水区0.69，其次为中原区、上街区、管城回族区，该3个区综合径流系数也均高于0.6，最低值为登封市0.26，该年平均值为0.49；2021年区县级综合径流系数最高值为金水区、管城回族区，其值均为0.69，其次为中原区，其值分别为0.67，最低值为登封市0.27，该年平均值为0.50。同理分析地面硬化率计算结果可知，2000年郑州市各区县地面硬化率在5.34%～30.11%，平均值为17.50%，其中达到20%以上的区县主要为中原区、上街区、金水区、管城回族区、二七区，在10%以下的主要为登封市和荥阳市；2014年各区县地面硬化率在16.12%～67.88%，平均值为40.89%，其中中原区、上街区、金水区、管城回族区均达到60%以上，且除登封市之外其余区县均大于20%；2021年各区县地面硬化率在17.61%～70.71%，平均值为43.58%，其中中原区、金水区、管城回族区达到65%以上，同2014年一致，除登封市之外其余区/县均大于20%。

由图4a分析2000—2021年郑州各区综合径流系数变化情况可得，2000—2014年郑州市各区县综合径流系数变化量位于0.1～0.4，其中变化最大的为管城回族区，其综合径流系数上升了0.35，其次为中原区，上升了0.31，变化最小的为登封市、新密市，其变化量仅有0.10；2014—2021年各区/县综合径流系数变化量位于-0.1～0.1，相比2000—2014年，每区县变化量均较小，较为特别的是中原区和上街区的综合径流系数系数有所下降；2000—2021年各区(县)综合径流系数变化量与2000—2014年相似，变化较大仍然为管城回族区和中原区。由图4b分析郑州各区地面硬化率变化情况可得，2000—2014年郑州市各区县地面硬化率变化量在10%～50%，地面硬化率上升最快的为管城回族区(40.25%)和中原区(38.18%)；2014—2021年地面硬化率变化量在-10%～10%，与综合径流系数相似，在该时间段内地面硬化率变化量较小，除上街区呈现出下降现象外，其余区县均存在上升现象。2000—2021年各区/县地面硬化率变化量在10%～60%，管城回族区、中原区、金水区变化最为明显，其变化量分别为50.12%、38.56%、38.42%，其次为二七区和惠济区，其变化量为33.35%和31.28%。

综上，随着城镇化高速发展，2000—2021年郑州市综合径流系数从0.24上升到0.40，城市地面硬化率也从12.32%增加至31.14%，2个指标均呈现不断上升的趋势，各区县计算结果也与郑州市整体趋势一致。

4 结论

基于郑州市2000、2014、2021年Landsat遥感影像，采用BP神经网络分类方法获得郑州市3个时期土地利用分类数据，结合转移矩阵定量统计郑州市土地利用变化情况，分析了郑州市土地利用时空变化特征，并计算郑州市区域综合径流系数以及城市地面硬化率，结论如下。

a)2000—2021年郑州市土地利用变化剧烈，其中建设用地面积呈现增加趋势，共增加了1 425.97 km2，林草地、耕地面积呈现下降趋势，两者分别减少了777.25、810.88 km2，水体及其他用地面积处于小幅度增长趋势。

b)2000—2021年郑州市土地利用转换面积总占比43.39%，其中2000—2014年(41.47%)比2014—2021年(34.69%)更为活跃，转换类型主要表现为耕地、林草地和建设用地三者之间的相互转换，2000—2014年土地转换类型主要为耕地、林草地转换为建设用地，林草地转换为耕地，2014—2021年主要为耕地向林草地和建设用地的转换、林草地和建设用地向耕地的转换。

c)郑州市综合径流系数和城市地面硬化率均呈现不断上升的趋势。其中综合径流系数从0.24上升到0.40，城市地面硬化率也从12.32%增加至31.14%。