随着社会经济的发展，城镇化既是一种必然趋势，也是社会文明进步的体现。具体表现为城市规模不断扩大，城市人口不断增加，城市土地利用格局不断变化等^[1-3]。随着城镇化进程的加快，人类对地表的改造活动也愈加频繁，城市下垫面发生了巨大变化，同时影响着城市的水文过程^[4-5]，尤其是城市水文过程中的蒸散发，其中人为热源释放对城市蒸散发影响较大^[6]。城市下垫面的多样性和社会用水过程的复杂性使其蒸散发过程较流域的自然蒸散发更加复杂。由此不少学者对城市地表的蒸散发展开了研究，唐婷等^[7]基于SEBS模型，分析了京津唐地区城市扩张引起的地表蒸散发量的变化；高学睿等^[8]利用URMOD模型，模拟计算了2002—2005年间北京市四环以内区域不同下垫面的蒸散发量；邸苏闯等^[9]通过遥感技术反演了北京市五环内绿地夏季典型日蒸散发量。传统城市蒸散量估算法认为城市化过程中自然植被、土壤和水面被硬化地面所替代，地表持水能力减弱导致蒸散发持续时间缩短，从而显著降低了城市的蒸散发^[10-11]。

然而，城市区域的水循环是一个自然-社会二元水循环的过程^[12]，城市的水文过程可划分为“自然”和“社会”2个方面，蒸散发作为城市区域水循环的重要组成部分，也同样由2部分组成：一是“自然”侧下垫面蒸散发，如水面蒸发、植被蒸腾、土壤蒸发等；二是“社会”侧的蒸散发，诸如人类生产生活中所产生的耗水和蒸散发^[13]等。有学者基于仿生学原理，将建筑物类比为城市“混凝土森林”中的“建筑树”，认为建筑内部用水过程中发生的耗水现象类似于树木的蒸发蒸腾，从而将建筑物内部耗水现象描述为建筑物内部蒸散发^[14]。已有研究大多只针对城市区域“自然”侧地表蒸散发展开，随着城镇化进程的加快，城市区域生活用水量的比例增大，由此产生的耗水量逐渐增多，造成的水文效应持续增强^[15]，建筑物内部的蒸散发也愈加的显著，故城市区域“社会”侧的蒸散发值得进一步研究^[16-17]。

本研究以北京市城六区为研究对象，依据不同利用类型，对土地利用结构进行划分，综合考虑了“自然”和“社会”侧的蒸散发，分析了城镇化进程对城镇建设用地蒸散发的影响。

1 研究区域与数据 1.1 研究区域

北京市位于中国华北平原与太行山脉、燕山山脉的交接处，经纬度：115.7°E~117.4°E，39.4°N~41.6°N。多年平均气温11~12 ℃，多年平均降水量约585 mm。随着中国社会经济的飞速发展，北京市的城镇化进程在过去几十年间有了大幅度的提升。1980—2020年，北京市的城镇化率从57%增长到了87%，相较于中国整体城镇化率的60%^[18]，北京市城镇化发展进程已经相对成熟，具有较高的代表性。根据北京市行政区划图以及2015年土地利用类型图，如图 1和2所示，可以看出北京市城乡建设用地主要集中分布于北京市中心区域，也就是城六区：西城区、东城区、朝阳区、海淀区、丰台区、石景山区，故本研究范围定于城镇化建设程度较高的城六区，总面积约1 381 km²。

1.2 研究数据

城市区域城镇建设用地规模和城市人口是城镇化程度最直观的表现，因此研究数据主要包括北京市城六区的土地利用结构和人口分布情况。由于2010年北京市行政区划调整，东城区和崇文区合并为新的东城区，西城区和宣武区合并为新的西城区，故2000年的相关数据中东城区包括东城区和崇文区，西城区包括西城区和宣武区。

1) 土地利用结构数据。

根据北京市城六区的统计年鉴和相关专项规划资料，北京市城六区的土地利用类型包括：耕地、林地、水域、城镇建设用地及未利用土地^[6]。采用2000、2015和2018年Landsat系列遥感数据，数据均下载于地理空间数据云网站(www.gscloud.cn)，空间分辨率为30 m，所选遥感影像均选自当年6—10月份，影像含云量较少，数据质量较好。基于研究目的，对遥感影像进行解译分析，将城镇建设用地进一步分为硬化地面、绿地、水面，其中硬化地面类型中包括道路和建筑。

2) 人口数据。

北京市城六区的人口数据来源于《北京市统计年鉴》及《北京市区域统计年鉴》，研究中统计了北京市城六区2000、2015和2018年的人口情况，如表 1所示。2015年较2000年，由于城镇化使得人口向城市区域聚集，城六区人口均有不同程度增长，其中朝阳、丰台、石景山和海淀区增长明显。由于《北京市国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》明确提出疏解北京的非首都功能、疏散城六区常住人口的目标，因此2018年城六区人口总量和密度较2015年有明显减少。

3) 气象数据。

为降低不同年份气象数据差异对结果的影响，凸显城镇化对城市区域蒸散发的作用，本研究均采用统一的气象要素数据计算自然下垫面的蒸发情况。2015年北京市的降雨量为583 mm，与多年平均降雨量585 mm基本一致，故本研究选取2015年的相关气象数据，分别在2000、2015和2018年土地利用结构的基础上进行计算研究。相关数据来源于《北京市水资源公报》《北京市水务统计主要指标数据》等。

2 研究方法

有关研究表明，城市区域的蒸散发可以分为自然侧和社会侧的耗水，自然侧耗水包括植被、土壤和水面的蒸腾蒸发，社会侧耗水包括城市建筑物内部人类用水产生的水分耗散^[19]。由城市区域耗水计算模型^[20]：

$ W_{\mathrm{D}}=W_{\mathrm{BE}}+\left(A_{\mathrm{H}} E_{\mathrm{H}}+A_{\mathrm{W}} E_{\mathrm{W}}+A_{\mathrm{S}} E_{\mathrm{S}}+A_{\mathrm{G}} E_{\mathrm{G}}\right) / 1000 . $

(1)

式中: W_D为城市区域年耗水总量，m³；W_BE为建筑物内部年蒸散量，m³，本研究中建筑物内部蒸散包括人类生活耗水量及湿润地面耗水量，相关计算参数根据文[14]中调查统计结果得出；A_H为区域硬化地面面积，m²；E_H为硬化地面年蒸散发强度，mm；A_W为区域水面面积，m²；E_W为水面年蒸散发强度，mm；A_S为区域裸土地面面积，m²；E_S为裸土地面年蒸散发强度，mm；A_G为区域绿地面积，m²；E_G为绿地年蒸散发强度，mm。

$ E_{\mathrm{H}}=P_{\mathrm{H}}+(1-\varphi)\left(P_{\mathrm{Y}}-P_{\mathrm{H}}\right) . $

(2)

式中：P_H为一年中日降雨量小于硬化地面日有效降雨量分界点的降雨总量，mm；φ为年径流系数，≤1；P_Y为年降雨量，mm。根据Penman公式有

$ \begin{gathered} E_{\mathrm{w}}=\frac{\Delta}{\Delta+\gamma}\left(R_{\mathrm{n}}+A_{\mathrm{h}}\right)+ \\ \frac{\gamma}{\Delta+\gamma} \frac{6.43\left(1+0.536 U_2\right) D}{\lambda}. \end{gathered} $

(3)

式中：R_n为地表净辐射量，J/(m²·d)；A_h是以平流形式输送给水体的能量；Δ为温度与饱和水汽压关系曲线的斜率，kPa/℃；U₂是2 m高处测得的风速，m/s；D为饱和水汽压力差，kPa；λ为蒸发作用的潜热，MJ·kg^－1，λ=2.50；γ为干湿表常数，kPa/℃，γ=0.665×10^－3 P，P为大气压，kPa。

$ E_{\mathrm{S}}=\frac{\left(R_{\mathrm{n}}-G\right) \Delta+\rho_{\mathrm{a}} C_{\mathrm{p}} \delta_{\mathrm{e}} / r_{\mathrm{a}}}{\lambda\left(\Delta+\frac{\gamma}{\beta}\right)} . $

(4)

式中：G为土壤热通量，MJ/(m²·d)；ρ_a为空气密度，g/cm³；C_p为空气定压比热，MJ/(kg^-1·℃)，C_p=1.013×10^－3；δ_e为冠层高度处的饱和水汽压差，kPa；r_a为地面到冠层高度处的空气动力学阻力，s/m，r_a=208/U₂；β为土壤湿润函数或蒸发效率。

$ E_{\mathrm{G}}=E_{\mathrm{S}}+E_{\mathrm{PM}}+E_{\mathrm{i}}, $

(5)

$ E_{\mathrm{PM}}=\frac{\left(R_{\mathrm{n}}-G\right) \Delta+\rho_{\mathrm{a}} C_{\mathrm{p}} \delta_{\mathrm{e}} / r_{\mathrm{a}}}{\lambda\left[\Delta+\gamma\left(1+\frac{r_{\mathrm{c}}}{r_{\mathrm{a}}}\right)\right]}, $

(6)

$ E_{\mathrm{i}}=\mathrm{Veg} \cdot \ell \cdot E_{\mathrm{w}} . $

(7)

式中：E_PM为植被单位叶面面积的蒸腾量，mm；E_i为植被冠层截留量，mm；r_c为植物群落阻抗，s/m，r_c=70；Veg是作物覆盖度；ℓ是湿润叶面积的面积率。

3 结果与分析

根据对北京市城六区的土地类型的划分，统计2000、2015和2018年各区林地、耕地、水域、城镇及工况建设用地及其他未利用土地所占面积比例，如图 3所示。东城区和西城区作为北京最核心的2个区，其土地类型全部为城镇及工况建设用地。其他4个区的城镇及工况建设用地面积占比随时间逐渐增加，与此同时，林地、耕地和其他未利用土地的面积占比减小，其中2000—2015年期间变化显著，随着社会经济的发展，以及城镇化进程的不断推进，致使城市规模逐渐扩大，从而建成区面积增大，林地、耕地及其他土地面积逐渐被建筑物和道路等城镇用地所替代。

基于计算模型，将城六区的城镇及工况用地细化分类为：硬化地面、绿地和水面进行研究，其中硬化地面包括建筑和道路。图 4展示了2000、2015和2018年各区城镇及工况用地细化后各耗水类型地面的面积占比，可以看出西城和东城区地面硬化程度最高，硬化地面占比均超过65%，丰台区的硬化地面占比超过55%，而其他3个区的硬化地面占比均在50%左右。面积占比位居次席和第三位的分别是绿地和水面，各区绿地面积占比在20%~50%，水面面积占比在1%~5%。

依据所划分的下垫面类型，利用城市耗水模型，对北京市城六区的城镇建设用地的年蒸发强度进行计算，并将结果于城六区的地形图上展示，如图 5。可以看出，东城区和西城区的城镇建设用地年蒸散发量明显高于其他4个区，这是由于这两个区城镇化程度较高，并且人口密度超过19 500人/km²，使得建筑物内部的蒸散发强度大。在2000年城镇化水平下，东城区和西城区城镇建设用地年蒸散发量均超过800 mm，而其他4个区的年蒸散发量相对偏低，在600~700 mm。到2015年，城六区城镇建设用地年蒸散发量显著增加，东城区和西城区均超过900 mm，海淀区和朝阳区均超过800 mm，丰台和石景山均超过700 mm，伴随着城镇化的发展，土地利用结构发生了改变，城镇建设用地面积进一步扩大，并且城六区的建筑面积和人口进一步增加，致使建筑物内部蒸发量增多，从而使得总蒸散发量增加。而2018年，如表 2所示，虽然城市的硬化地面面积和建筑密度均在不断增加，但是由于近年来北京市的非首都功能疏散政策，城六区的人口逐渐向周边区域迁移，相较2015年各区的人口均减少了9%左右，人口密度减小，建筑内部的耗水活动随之减弱，致使城六区城镇建设用地总体的年蒸散发量减少，东城、西城、朝阳、丰台、石景山和海淀区分别减少了2.70%、2.53%、7.42%、7.11%、4.02%和6.43%，也反映出人类生活耗水活动对城市区域蒸散发的重要影响。

不同下垫面的蒸散发贡献率等于各类蒸散发量与区域总蒸散发量的比值，本研究为了进一步说明城镇化对城市区域蒸散发的影响，计算了北京市城六区城镇建设用地中各类型的蒸发贡献率，如表 3所示。可以看出，东城和西城区建筑体蒸散发贡献率在2000年分别达到了62.17%和62.78%(建筑内部贡献率分别为54.22%和55.59%)，2015年上升到了66.67%和69.73%(建筑内部贡献率分别为60.48%和62.96%)，处于绝对的主导地位，原因是建筑体蒸散发包括建筑屋顶截留雨水蒸发和建筑内部蒸散发，由于城镇化程度高，人口密度和建筑面积大，致使建筑物内部耗水活动强度大，因此蒸散发贡献率大，反映了城市区域的高耗水现象。其他4个区的建筑体贡献率均超过了40%(建筑内部贡献率超过30%)，由于城镇化的发展，人口密度和建筑面积不断增大，致使2015年建筑体的贡献率较2000年均有明显的增长。到了2018年，受到北京市非首都功能疏散政策的影响，城六区人口逐渐向周边区域疏散，致使建筑体内部耗水活动减弱，建筑体蒸发贡献率较2015年均有不同程度的下降，各区由66.67%、69.73%、47.47%、46.60%、42.10%、48.38%分别降为65.28%、68.13%、46.49%、44.66%、40.17%、45.68%，其中建筑内部贡献率由60.48%、62.96%、41.38%、41.67%、36.09%、43.00%分别降为59.01%、60.94%、39.41%、37.76%、33.15%、39.20%。

由于石景山区绿地面积占比较大，且人口密度相对较小，建筑体内部耗水活动相对较弱，因此绿地蒸散发贡献率高于建筑体。而其他5个区建筑体贡献率均居于首位，蒸散发贡献率居于次席的是绿地，因绿地蒸发自下而上分为土壤蒸发、植被蒸腾以及植被叶面截留雨水蒸发，实际蒸发面积远大于绿地面积，故绿地也是城市区域蒸散发的重要组成部分。蒸发贡献率居于第3和第4位的分别是道路和水面，道路的蒸发来源于雨水截留蒸发，蒸发强度较小，各区的贡献率7%~15%，而水面的蒸发强度虽然大，但是在城六区的城镇建设用地中面积占比很小，所以在各区的贡献率最小，约2%~7%。

4 结论

1) 2015年北京市城六区年蒸散发量较2000年有明显增长，反映了城镇化通过改变城市区域土地利用结构以及人口和建筑密度，增强了城市区域的蒸散发。

2) 建筑内由人类活动产生的蒸散发不可忽略，人口密度是影响城市区域蒸散发的关键因素，由于人口的疏散，致使2018年北京市城六区年蒸散发量较2015年有明显下降，东城、西城、朝阳、丰台、石景山和海淀区分别减少了2.70%、2.53%、7.42%、7.11%、4.02%和6.43%。

3) 城镇建设用地的蒸散发依据下垫面类型，可分为道路、建筑体、绿地和水面蒸散发，分析其贡献率，可知建筑体和绿地的蒸散发是城镇建设用地蒸散发的主要组成部分。

本文为探究城镇化进程对城市蒸散发的影响，选取了典型年的相关气象数据，后续可进一步在实际气象条件下，综合考虑工业生产中的水汽耗散，对城市蒸散发展开计算分析。