辽阳市城市化发展对降水时空分布影响研究

薛 超

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

0 引 言

区域大气降水受城市化发展的影响显著，对降水时空分布受城市化发展的影响研究可为城市防洪预警及城市发展规划提供重要的决策依据。通过气候变化改变降水分布为城市化发展影响的主要途径，如含微粒、二氧化碳等气体较多的城市空气和烟雾，会对地面长波辐射的吸收产生一定的阻碍作用；城市中存在大量的人工热源，加之能够吸收较多太阳辐射能和热传导率较高的城市下垫面，使得城区气温远远高于附近的郊区，即“热岛效应”十分明显。热岛效应能够为热力对流创造良好的条件，从而产生不稳定的空气结构，在城市水气充足的情况下易产生对流性降水和对流云，因此相对于其他地区城市降水量一般较高，提高约10%。目前，定性比较或理论分析为降水时空分布受城市化发展研究的主要方法，也有研究从某一方面定量分析了区域降水与城市化发展之间的变化关系，但其系统性和实用性较低。鉴于此，文章以辽阳市为例，对该区域2008-2018年的城市化发展水平从社会、经济、生活、人口4个子系统进行分析，并对城市降水时空分布受各项城市化指标的影响利用偏微分链式法则进行定量的分析，以期为该区域水文水资源预测及城市化发展提供一定评判依据[1-4]。

1 研究方法

1.1 区域概况

辽阳市属于沈阳经济区副中心城市，介于E122°35'-123°40'，N40°42'-41°36'，下辖5个区、1个县和1个县级市，总面积面积4744km2。该区域为湿润、半湿润季风气候，境内气候特征因地貌形态的差异各不相同，其中降水量最大的区域位于东部的低山丘陵区，气候特征为夏季多大雨、暴雨，冬季气温低且实践较长，年均降水量在800-900mm；北部丘陵平原地带的降水量较少处于500-700mm，气候特征为夏季多大风、冬季气温低且严寒期长；西部沿河平原区降水量约为600-800mm，气候特征为冬季气温低、夏季温度高，属于较强的大陆性气候。境内大小河流纵横交错，其中流程在10km以上的河流29条，5km以上的约86条，这些大小河流构成了浑河、太子河两大水系。近年来，随着经济的发展、人口规模的扩大以及城市化进程的加快，各业用水量急剧增加，水资源供需紧张及时空分布不均衡等问题突出，关于降水时空分布与该地区城市化发展关系的研究鲜有报道[5-8]。

1.2 城市化发展水平

通常采用不同的指标来反映城市化发展水平，较为常用的服务业与工业所占比例、建设用地面积、非农业人口等指标。然而，这些指标往往是从一个侧面表征城市化水平，而无法系统、全面的体现其发展状况。因此，文章对辽阳市城市化发展水平考虑选用陆华山等[9]提出的功效系数法评价，该方法是一种多因素、多层次定量分析法，在商业趋势预测、经营水平及服务质量评价等领域已得到广泛的应用。借鉴王美娜等[10]研究资料构建城市化发展评价体系，在遵循系统性、科学性、独立性、代表性及可行性等原则的基础上，考虑从社会、经济、人口和生活4个子系统选择评判指标，梯阶层次结构及各参数权重，城市化发展综合评判体系见表1。选择辽阳市社会发展统计公报、统计年鉴及相关资料作为各数据的获取来源。

表1 城市化发展综合评判体系

1.3 降水时空分布影响分析

将降水时空分布受城市化发展的影响分为定量计算和定性分析2个方面，其中定量计算是对各项评价指标对降水变化的贡献率利用蒋懿等提出的偏微分链式法则进行计算，而定性分析主要通过分析降水变化受城市化发展的影响特征，从而确定二者之间的作用悬系。采用该方法分析降水时空变化特征，其表达式如下：

(1)

式中：F1、F2、F3、F4分别为人口、经济、生活与社会子系统对降水时空分布影响的贡献率；P为区域降水量。

根据偏微分方程的定义可将降水量变化率以等式左端表示，而P受影响因子F1的影响利用等式右端第1项表示，依次类推反映其他各因子的影响作用。

2 结果分析

2.1 辽阳市城市化发展进程

对2008-2018年辽阳市城市化发展水平利用表1中各参评指标和功效系数法进行评价，2008-2018年城市化发展水平，见图1。从图1可以看出，辽阳市城市化水平在人口子系统中表现出缓慢的增大趋势，这主要与该区域人口流失与老龄化等问题相关，另外严格的户籍管理对城市化发展也产生一定的影响。2008-2013年辽阳市经济发展子系统呈快速上升趋势，但增长速率在2014年受产业转型升级、金融危机等因素影响有所降低。经济指标的变化速率与生活方面保持较好的一致性，其原因为经济状况对居民生活和消费支出的影响较为突出，进一步分析发现经济指标略低于生活方面的指标，由此表明该地区由以前的保守消费观念逐渐转变为积极的消费观念。2011-2012年葫芦岛市的社会子系统增长较快，这主要与该时期投资建设了大规模的基础项目，随后其增长速率逐渐放缓，其原因为基础设施逐渐完善，投资建设工程有所减少。总体而言，在2008-2018年辽阳市的城市化水平逐渐增大，年平均城市化指数为0.0048。

图1 2008-2018年城市化发展水平

2.2 降水量时空分布

2008-2018年城市化发展水平，见图2。从图2可以看出，各地区的降水量变化特征均表现出波动型增大趋势，变化规律基本相同，研究期间的降水分布未产生较大的改变，不同地区的降水量不尽相同。对灯塔市、辽阳县及市区年均降水量进行计算，结果分别为592、571、685mm，在空间分布上降水总量呈自西北向东南递增的趋势。辽阳市年均降水量在研究期间内为571mm，基于趋势线的变化斜率为25.06，可见辽阳市总体降水量在研究期间内呈不断增大趋势。

图2 2008-2018年城市化发展水平

2.3 城市化对降水时空分布的影响

辽阳市各地区的降水空间分布特征基本一致，由此可认为该地区的降水空间分布受城市化发展的影响较低，当地降水的时间变化可依据权值平均值相关数据进行分析。辽阳市城市化发展水平在时间分布方面整体表现出增大趋势，相应的降水量也呈逐渐增大趋势，从“热岛效应”的角度可认为辽阳市降水量的增加在很大程度上取决于城市化发展水平。辽阳市城市化综合指数在2008-2018年期间的年均增长率为1.6%，降水量年均增长约25.076mm，由此可推导出该区域每增加1个百分点的城市化水平，所增大的降水量约16.5mm。

对降水量变化受城市化发展各项指标的影响利用偏微分链式法则进行计算分析，从而确定各参数对降水影响的程度，降水变化受城市化发展各指标的影响程度，见表2。从表2可以看出，不同时间段的降水量变化受社会、生活、经济与人口的影响程度存在一定差异，这不仅与降水变化受城市化发展的影响机理比较复杂相关，而且与存在较大不稳定性的城市化发展因素相关。因此，有必要对各指标的综合影响能力及其对城市化的平均贡献率进行计算，社会、生活、经济、人口子系统的计算值依次为28.15、24.26、25.28、22.34,。所以，按照由小到大的次序确定降水时空分布受各指标的影响程度，依次为人口、生活、经济和社会指标。

表2 降水变化受城市化发展各指标的影响程度

3 结 论

辽阳市降水量空间分布受城市化发展的影响程度较低，2008-2018年各地区的降水量均表现出明显的增大趋势；辽阳市每增加1个百分点的城市化发展水平，增加的降水量约为16.5mm。辽阳市降水量变化受社会指标的影响最为显著，其次为生活与经济指标，而人口子系统在城市化发展指标体系中的贡献率最低。文章仅考虑了降水变化受城市化发展的影响，为更加系统科学的反映降水量变化作用机理未来仍需要进一步研究其他因素的影响作用，从而提高评价结果的可靠性与准确度。