城市扩张下的北京降雨入渗补给量变化研究

城市扩张下的北京降雨入渗补给量变化研究 城市扩张下的北京降雨入渗补给量变化 研究 1，刘畅1，潘云1，郭高轩2，杜鹭飞1朱琳 (1. 首都师范大学资源环境与旅游学院，北京市城市环境过程与数字模拟国家重点实验室 5 培育基地,资源环境与地理信息系统北京市重点实验室，北京 100048; 2. 北京市水文地质 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 地质大队，北京 100195) 摘要:本文结合 WetSpass 模型与 GIS、RS 技术，定量 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了城市扩张对北京平原区降水入 渗补给量的影响。研究在估算出 1982 年和 2007 年降水入渗补给量的基础上，将 2007 年土 地利用类型还原成 1982 年的情景重新估算;利用转移矩阵分析了两年土地利用类型的相互 10 转化关系;同时，基于 GIS 空间数据统计功能，计算出不同土地利用类型下的降水入渗补 2，其中 517km2 转 给水资源总量。结果表明，1982 年至 2007 年研究区内水浇地减少 874km 变为城镇建设用地。相对于 1982 年，2007 年城市扩张 1038km2，区内降水入渗补给量减少 0.08 亿立方米，主要分布在朝阳和丰台区。研究成果为北京平原区的地下水水资源保护及土 地资源配置提供较为科学的参考。 15 关键词:降雨入渗补给量;城市扩张;WetSpass 模型;北京平原区 中图分类号:P The research of the precipitation infiltration recharge changing with large urban expansion in Beijing 20 ZHU Lin1, LIU Chang1, PAN Yun1, GUO Gaoxuan2, DU Lufei1 (1. College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, State Key Laboratory Incubation Base of Urban Environmental Processes and Digital Simulation, Beijing Key Laboratory of Resource Environment and Geographic Information System, Beijing 100048; 2. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195) 25 Abstract: This paper used the WetSpass model and technology of GIS and RS to analyze the impact of urbanization on precipitation infiltration recharge in Beijing Plain. Based on the simulated precipitation infiltration recharge in 1982 and 2007, this paper assumed the land-use type in 2007 was the same as 1982, and WetSpass model with other input data in 2007 was re-ran for analyzing the influence of the urbanization to the precipitation infiltration recharge. The 30 transfer matrix was used to analyze the mutual transformation relationship of land-use types in two years. The statistical function of GIS was used to calculate the total precipitation infiltration recharge under different land-use types. Results show that Irrigable land had decreased 874km2 from 1982 to 2007, among which 517km2 turned to the construction land. From 1982 to 2007 the area of the urban expansion was about 1038 km2. The precipitation infiltration recharge in 2007 35 reduced 0.08 billion cubic meters than the value under the simulated condition. The precipitation infiltration changed obviously in the region around Chaoyang and Fengtai. This study can be regard as a scientific reference for the groundwater resources protection and land allocation of Beijing Plain. Keywords: precipitation infiltration recharge; urban expansion; WetSpass model; Beijing Plain 40 0 引言 北京是世界上为数不多的以地下水作为主要供水水源的大都市，地下水资源供水量占整 个城市供水的 2/3[1]。80 年代以后，北京的城市化进程加快[2]。建设用地由 1982 年的 476.11km2 增加到 1995 年的 1465.10km2，总耕地面积锐减[3]。2004 年后城市化迅速发展，2005 年四环 45 基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(10221010091) 作者简介:朱琳，(1980-)，女，副教授，主要研究方向:水资源信息技术。E-mail: hi-zhulin@163.com -1- 以内面积已达 302km2，五环以内面积已达 670km2[4]。到 2008 年建设用地面积猛增至 3377.15km2，其中有 283.89km2 的耕地和 34.48km2 林地转变为城镇建设用地[5]，呈现出典型 城市化进程中土地利用结构变化的规律。随着城市化进程的加快和人口急速增长，水资源短 缺已成为影响北京经济发展的重要因素。准确评价地下水资源的补给量是进行科学开发，有 效保护和合理开发布局的基础和关键。 50 目前评价地下水补给量的方法大致可概括为物理方法、化学方法、 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 方法三大类。物 理方法一般基于水量平衡原理或者能量平衡原理，因此具有很强的物理意义。化学方法，特 [6-7]。数值模型能够较为方 别在干旱地区，恰当的示踪剂评价地下水补给被成功的广泛应用 便的模拟整个流域或盆地的地下水补给情况。其中，WetSpass 是建立在水量平衡原则基础 上的分布式降水入渗补给量估算评价模型。该模型能够较好地描述由降水引起的地下水存储 55 量变化，考虑了影响降水入渗补给量的各种因子，包括气候条件、土壤质地、土地利用类型 等条件，从而可以较为准确地估算大尺度的降水入渗补给量、植被截留量、地表径流量以及 蒸发蒸腾量，受到了国内外学者的关注[8-13]。 本文基于 WetSpass 模型评价北京平原区 1982 年和 2007 年降水入渗补给量情况，将 2007 年土地利用类型还原成 1982 年的情景重新计算，比较城市扩张下降水入渗补给量与 2007 60 年实际值变化情况。利用转移矩阵分析两年土地利用类型的相互转化关系，基于 GIS 空间 数据统计功能，计算不同土地利用类型下的降水入渗补给总量，并与实际情况进行比较。该 研究成果能够为制定合理的水资源规划政策，指导北京市地下水资源的保护与土地利用类型 的合理配置提供科学参考。 1 研究区概况 65 北京平原区(不包含延庆县)由永定河、潮白河、温榆河、大石河及蓟运河五大水系的 河流冲、洪(湖)积作用形成，总面积约为 6390km2，约占北京市总面积的 38%。气候类型 属于温带大陆季风性气候。平原区年平均气温 10-20?C，多年平均降水量为 601.7mm(1984 至 2009 年)[14]。近二十多年来，人工开采已成为北京地下水排泄的主要方式，北京平原区 1980-2000 年地下水人工开采占总排泄量的 88% [15]。研究区内地下水主要接受大气降水入渗 70 补给，降水入渗补给量约占地下水补给量的 50,。 -2- 图 1 研究区地理位置示意图 Fig.1 The map of study area 75 2 研究区降水入渗补给量估算 研究方法 2.1 本文利用 WetSpass 模型估算北京平原区 1982 年和 2007 年的降水入渗补给量，并结合 GIS 和 RS 技术，研究城市扩张对北京平原区降水入渗补给量的影响。 80 WetSpass 模型是一种建立在水量平衡原则基础上的分布式降水入渗补给量估算评价模 型，能够较好地描述由降水引起的地下水存储量变化，基本表达式是: P , I ， S ， T ， R (1) 其中， P 为降水量(mm);I 为植被截流量(mm);S 为地表产流量(mm);T 为 实际蒸散量(mm);R 为入渗补给量(mm)。 数据来源 85 2.2 WetSpass 模型输入的数据包括栅格数据和属性数据，属性数据以 DBF 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 输入。栅格 数据包括:土地利用类型数据、DEM 数据、坡度数据、温度、潜在蒸发量、降水、风速、 地下水水位和土壤质地类型数据。其中土地利用类型、气温、降水、风速、潜在蒸发量、地 下水水位数据又分为丰水季(4-9 月)和枯水季(1-3 月和 10-12 月)两类数据。属性数据包 括:土壤参数、径流参数和土地利用类型参数。 90 DEM 数据是来源于国际农业研究咨询组空间信息共享网。坡度数据的获取是基于 GIS [16-17]。本文采用的土壤质 和 RS 技术的结合而得到。蒸发数据通过改进的 P-M 公式计算获得 地数据来自美国农业部提供的土壤质地图。气温、降水和风速数据全部来自于研究区内 19 个气象观测站 1982 年和 2007 年的实测数据，在 ArcMap 中定义地理空间参考和设定投影坐 标，并利用地统计功能进行空间插值获得枯水季和丰水季的气候条件栅格图。土地利用类型 95 数据来自地球系统科学数据共享网，研究区土地利用类型共分为 13 类。地下水埋深数据来 自《中国地质环境监测地下水位年鉴》中提供的实测数据，通过地统计插值生成北京平原区 -3- 枯水季和丰水季的下水位埋深空间分布图。 研究区 1982 年和 2007 年降水入渗补给量 2.3 本文利用 WetSpass 模型得到两年降水入渗补给量，如图 2 所示。2007 年研究区降水入 100 渗补给量变化范围为 0-263.05mm，研究区范围内平均值为 65mm，年均降水入渗补给量占 全年降水量的 12%;1982 年研究区降水入渗补给量变化范围为 0-396.65mm，研究区范围内 平均值为 119mm，年均降水入渗补给量占全年降水量的 22%。 本文在地下水位实测数据基础上(测量频率分为 1 天/次或 5 天/次)，结合 2007 年北京 105 自动气象站监测的日降水量数据和日蒸发量数据，采用地下水位动态法对 2007 年的降水入 渗量进行验证。排除在水源厂或者乡镇水管站附近的观测井、除了降水补给之外，还有其他 补给来源(如河道侧向补给作用)的观测井以及地下水位埋深较大的观测井，建立 WetSpass 模型估算结果与地下水位动态法估算结果的线性关系，测定系数 R2 达 0.963。 图 2 2007 年(a)、1982 年(b)降水入渗补给量 110 Fig.2 Simulated groundwater recharge of 2007(a) and 1982(b) 图 2 可以看出， 1982 年和 2007 年降水入渗补给量的空间分布趋势大体一致，最高值 均在东北部一带，最低值分布在中部。两年降水入渗补给量的分布变化主要体现在研究区中 部区域。降水入渗补给量受土壤、包气带、土地利用类型、气候影响而变化。基于 1982 年 115 和 2007 年北京平原区的两期遥感影像，结合 GIS 空间分析功能对土地利用变化进行统，可 以发现 1982 年和 2007 年研究区中部区域的土地利用类型变化明显，如图 3 所示。用蓝色表 示的城镇建设用地，其面积由 1982 年的 546 km2 增加到 2007 年的 1377 km2。城镇建设用地 的扩张使得不透水面和弱透水面面积增加了 832km2，同时也造成水浇地和旱地分别减少 874 km2，180 km2。 120 -4- 图 3 土地利用类型 1982 年(a);2007 年(b) Fig.3 Land-use type of Beijing Plain in 1982(a) and 2007(b) 125 3 城市扩张对降水入渗补给量的影响 为了讨论城市扩张对地下水补给量的影响，本文将 2007 年土地利用类型还原成 1982 年的情景，利用 WetSpass 模型重新估算研究区的降水入渗补给量，结果如图 4(a)。年降水 入渗补给量变化范围为 0-263.05mm，与 2007 年实际值变化范围相同，这主要是因为入渗补 给量最高值和最低值所在区域的土地利用类型没有改变。模拟的降水入渗补给量平均值为 70 mm，比 2007 年多 5mm，合计水资源量为 0.08 亿立方米。 130 图 4 (a)2007 年模拟的降水入渗补给量(假设条件:土地利用类型采用 1982 年的，其他条件保持 2007 年 的实际情况);(b)2007 年实际的降水入渗补给量 Fig.4 (a) Simulated groundwater recharge under land-use of 1982 and (b) 2007 135 图 4 中颜色越偏向黄色表示该区域降水入渗补给量越小，颜色越偏向深蓝色表示该区域 降水入渗补给量越大。由于在 ArcMap 中两者的渲染效果相同，并且两种条件下降水入渗补 给量的变化范围一样，因此通过颜色的差异性，可以看出两种条件下降水入渗补给量的变化。 图 4 中研究区中部区域颜色差异明显，由图 4(a)中的蓝色变为图 4(b)中的绿色，表明该区域 -5- 降水入渗补给量有所减少。根据降水入渗补给量直方图(图 5)可以看出，2007 年实际降水入 140 渗补给栅格值在 0-105.22mm 范围内的栅格个数约占整个图像栅格总数的 75%，而模拟的 1982 年该范围内的栅格数约占总数的 70%。1982 年模拟结果在 210.44-263.05mm 的栅格个 数比 2007 年多 7387 个栅格。整体来看，2007 年实际降水入渗补给量多集中在 0-105.22mm， 大于 210.44mm 的栅格个数较少，土地利用类型的改变导致研究区内降水入渗补给量减少。 145 图 5. 降水入渗补给量直方图:(a2007 年模拟值(假设条件:土地利用类型采用 1982 年的，其他条件保持 2007 年的实际情况);(b)2007 年实际值 Fig.5 Precipitation infiltration recharge histogram: (a) under land-use of 1982; (b) 2007 研究区土地利用类型变化 150 3.1 80 年代以来，北京平原区出现急剧的城市扩张，土地利用类型格局发生了明显变化。 基于 1982 年和 2007 年北京平原区的两期遥感影像，结合 GIS 空间分析功能对土地利用变 化进行统计，如表 1。1982 年到 2007 年，城镇建设用地增长最大，总面积增加 831.57 km2， 其次是农村聚落，增加了 206.20 km2;水浇地区域显著缩减，面积减少 874.29 km2，其次是 155 旱地，减少了 179.61 km2，落叶阔叶林、针阔混交林、河湖滩地的变化量相对较小，而裸地、 灌丛几乎没有变化。 表 1 1982 年、2007 年土地利用类型面积变化对比表 Tab.1 Comparison of area of different land-use between 1982 and 2007 土地利用类型 1982 年面积(km2) 2007 年面积(km2) 面积变化(km2) 面积变化百分比% 落叶针叶林 73.57 106.09 32.52 1.45 落叶阔叶林 194.26 197.63 3.37 0.15 针阔混交林 4.91 8.38 3.46 0.15 灌丛 5.21 5.16 -0.05 0.00 灌丛草地 49.70 35.51 -14.19 0.63 水田 231.34 187.70 -43.64 1.95 水浇地 3904.01 3029.72 -874.29 39.12 旱地 244.73 65.12 -179.61 8.04 城镇建设用地 545.52 1377.10 831.57 37.21 农村聚落 713.57 919.77 206.20 9.23 内陆水体 91.34 131.76 40.42 1.81 河湖滩地 96.31 90.56 -5.75 0.26 裸地 0.15 0.15 0.00 0.00 城市扩张对降水入渗补给量的影响分析 160 3.2 1982 年至 2007 年水浇地和城镇建设用地面积变化最为显著，结合 ArcMap 空间分析模 块中的 Tabulate Area 工具，利用转移矩阵定量分析 1982 年和 2007 年各种土地利用类型间 的相互转化面积，计算 2007 年实际情况和还原 1982 年土地利用类型模拟情况的降水入渗补 给总变化量。定量地分析 1982 年与 2007 年间的各种土地利用类型转化对研究区的降水入渗 -6- 补给量的影响。下面对影响降水入渗补给量最突出的土地利用类型进行分析。 165 1) 水浇地 水浇地是研究区内占地面积最大的土地利用类型。总体来看，2007 年水浇地面积较 1982 年减少了 874.29 km2，是北京平原区在研究时间范围内面积减少最大的土地利用类型，空间 变化范围最广(图 6a)。如表 2 所示，有 517.42 km2 原属于 1982 年水浇地的土地转化为 2007 年的城镇建设用地，306.99 km2 转变为农村群落，还有一部分转换为内陆水体、林地。 170 如表 3 所示，2007 年水浇地平均入渗补给量为 76.83mm，还原 1982 年土地利用类型模拟情 况下的平均入渗补给量为 77.03mm，虽然平均入渗补给量变化不大，但水浇地大面积缩减， 使得 2007 年水浇地覆盖区降水入渗补给总量比模拟值减少 6795.57×104m3 。降水入渗补给 变化总量为 14393.69×104m3，水浇地变化量占总变化量的 47%，是 13 类土地利用类型中补 给变化量最大的土地利用类型，这种变化无疑促使研究区总入渗补给量减少。 175 2) 城镇建设用地 空间上研究区内城镇建设用地明显扩张，多集中在城四区周围(图 6b)。数值上如表 2 所示，从 1982 年到 2007 年，有 517.42 km2 的水浇地、108.06 km2 的旱地以及 159.61 km2 的农村聚落转变为城镇建设用地，城镇建设用地总共增长 831.57 km2。城镇建设用地的增加 一方面带来了人类生活上的便利，但另一方面也改变了地表土壤环境及包气带岩性，使得不 180 透水面的面积扩大，阻止降水入渗。此外，城市内修建的雨水管道，导致降水通过统一的排 水管道被迅速地排出城市，补给量随着降水入渗时间的减少而减少。而随着城市化迅速发展， 城市用地越发紧张，建筑物向高层发展。为了有稳固的深基础支撑，基坑开挖越来越深，这 样会在一定程度上影响周围的地下水流场，使得包气带厚度加深，降水向下运移时逐渐衰减， 大大降低了补给含水层的水量。如表 3 所示，虽然城镇建设用地的平均降水入渗量明显低于 185 水浇地，但由于 2007 年其他土地利用类型向城镇建设用地的转换，城镇建设用地大面积扩 张，导致 2007 年实际降水入渗补给总量比模拟值增长了 4101.99×104m3，占变化总量的 28.5%。所以城镇建设用地面积的增加对北京平原区的降水入渗补给量有很大影响。 图 6. (a)水浇地、旱地减少区域分布图;(b)城镇建设用地、农村聚落扩张区域分布图 190 Fig.6 Spatial change of four land-use types from 1982 to 2007. (a): Area of irrigated land and dry land in 1982, which disappeared in 2007. (b): urban construction land and rural settlement which transferred from other land-use type in 2007. 195 -7- 2 表 2 北京平原区 1982 年至 2007 年土地利用类型面面积转移矩阵(km ) Tab. 2 Transfer matrix of land-use type areas from 1982 to 2007 针 落叶 落叶 阔 城镇 灌 灌丛 农村 内陆 河湖 裸 混 针叶 阔叶 建设 水田 水浇地 旱地 丛 草地 聚落 水体 滩地 地 林 林 交 用地 林 落 叶 针 0.00 0.00 1.27 0.00 6.78 31.98 0.00 0.04 0.00 0.02 0.00 65.38 0.00 叶 林 落 叶 阔 0.71 169.63 0.00 0.00 1.51 0.00 14.66 8.00 0.00 0.12 0.59 3.27 0.00 叶 林 针 阔 混 0.01 0.00 4.92 0.00 0.91 0.00 2.50 0.03 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 交 林 灌 0.00 0.04 0.00 5.16 0.00 0.00 0.01 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 丛 灌 丛 0.00 0.00 0.00 0.06 35.45 0.00 0.30 0.12 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 草 地 水 0.00 0.18 0.00 0.00 0.28 182.27 0.96 2.08 0.03 0.14 0.28 1.10 0.00 田 水 浇 0.23 9.70 0.00 0.00 1.88 0.36 2984.33 6.91 1.37 1.17 5.49 1.48 0.00 地 旱 0.00 0.24 0.00 0.00 0.00 0.09 1.59 60.70 0.05 1.84 0.20 0.48 0.00 地 城 镇 建 4.96 12.68 0.00 0.09 2.13 24.58 517.42 108.06 543.67 159.61 5.79 0.96 0.00 设 用 地 农 村 2.18 2.57 0.00 0.00 4.96 20.62 306.99 20.95 2.29 568.39 1.13 0.52 0.00 聚 落 内 陆 0.18 0.27 0.00 0.00 0.63 2.66 43.09 5.61 0.00 0.09 79.32 4.01 0.00 水 体 河 湖 0.00 0.03 0.00 0.00 1.16 0.00 2.80 0.51 0.00 0.23 1.50 84.71 0.00 滩 地 裸 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.16 地 200 -8- 表 3 不同土地利用类型条件下降水入渗补给量变化 Tab.3 Change of precipitation infiltration from assuming environment to actual environment in 2007 205 模拟的平 实际的平 模拟的降水 实际的降水 入渗补给总 土地利用 2007 年面 均降水入 1982 年面 均降水入 变化量 入渗补给总 量 类型 (1*104m3) 积(km2) 渗补给量 积(km2) 渗补给量 4 3 量(1*10 m ) (1*104m3) (mm) (mm) 落叶针叶 106.09 7.07 74.98 73.57 6.33 46.56 28.41 林 落叶阔叶 197.63 10.08 199.13 194.26 9.90 192.34 6.80 林 针阔混交 8.38 6.74 5.64 4.91 7.85 3.86 1.79 林 5.16 35.48 18.31 5.21 35.64 18.58 -0.27 灌丛 灌丛草地 35.51 105.35 374.15 49.70 95.31 473.70 -99.55 水田 187.70 73.73 1383.90 231.34 69.31 1603.42 -219.52 水浇地 3029.72 76.83 23276.75 3904.01 77.03 30072.32 -6795.57 旱地 65.12 78.26 509.64 244.73 83.64 2047.03 -1537.39 城镇建设 1377.10 45.11 6211.95 545.52 38.68 2109.97 4101.99 用地 919.77 78.31 7203.09 713.57 78.70 5615.52 1587.57 农村聚落 内陆水体 131.76 0.00 0.00 91.34 0.00 0.00 0.00 河湖滩地 90.56 115.50 1045.88 96.31 110.14 1060.71 -14.83 裸地 0.15 126.38 1.88 0.15 126.38 1.88 0.00 4 结论 科学准确的确定降水入渗补给量是准确定量评价地下水资源量的关键和基础。本文基于 WetSpass 模型研究城市扩张下的北京平原区降水入渗补给量变化，主要有以下几点结论: 210 1)城市扩张对北京平原区降水入渗补给量的影响非常大。北京平原区 1982 年降水入渗 补给量为 0-396.65mm，区内平均入渗补给量为 119mm， 2007 年降水入渗补给量为 0-263.05mm，区内平均入渗补给量为 65mm。城市扩张主要体现在植被覆盖区域的减少(包 括森林、草地和农田)和城市区域的扩大(包括城镇建设用地和农村聚落)。对比 1982 年与 2007 2，约 1028 km2 年土地利用类型可以发现，2007 年植被覆盖的区域比 1982 年共减少 1072km 的植被覆盖地转换成城市用地。降水入渗补给量变化最为显著的区域由 1982 年的水浇地和 215 农村聚落演变为城镇建设用地，空间上主要分布在丰台和朝阳区。 2)将 2007 年土地利用类型还原成 1982 年的情景进行降水入渗补给量的计算，并与 2007 年实际情况进行比较，可以发现，水浇地和旱地面积的减少导致这两种类型覆盖范围内的降 水入渗补给总量减少 8333×104m3，其中水浇地的入渗补给量减少 6796×104m3，变化最为明 显。由于城镇建设用地和农村聚落面积(即不透水面)骤然增加了 1038km2 ，使得该范围 220 内降水入渗补给量增加了 5689×104m3 。但从整体上看，城市急剧扩张，补给量较大的土地 利用类型大面积减少，导致北京平原区降水入渗补给总量减少了 0.08 亿立方米。通过本次 研究，作者建议规划、国土、市区政府部门进一步优化城市化进程中的土地资源配置，并加 强林地、绿地的建设与管理。 225 [参考文献] (References) [1] 俞孔坚，王思思，李迪华，等. 北京市生态安全格局及城市增长预景[J]. 生态学报，2009，29(3):1189-1204. 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