白盆珠水庫流域下墊面變化的洪水響應(yīng)研究

陳 瑜，黃鋒華，孔次芬

（1.中山大學(xué)水資源與環(huán)境系，廣州 510275；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510610；3.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，重慶 400047）

白盆珠水庫流域下墊面變化的洪水響應(yīng)研究

陳 瑜1，黃鋒華2，孔次芬3

（1.中山大學(xué)水資源與環(huán)境系，廣州 510275；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510610；3.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，重慶 400047）

基于柵格分布式水文模型并結(jié)合GIS技術(shù)，進行東江流域白盆珠水庫子流域下墊面變化的洪水響應(yīng)分析。根據(jù)該流域現(xiàn)狀土地利用情景分析方法構(gòu)建9種流域下墊面情景，選取大、中、小3場典型洪水過程，定量分析下墊面變化造成的洪水響應(yīng)。結(jié)果表明：林地及其空間分布在截留降雨、消減洪峰和延緩洪峰滯時方面效果明顯，故保護林地，特別是沿河道及流域上游的林地，對流域防洪減災(zāi)有重要意義；城市化有增加產(chǎn)流和加快匯流的作用，對流域防洪非常不利；水利工程有效地控制流域內(nèi)支流洪水，對流域防洪有積極的意義；下墊面的變化對小洪水的影響大于大洪水。深入研究白盆珠水庫流域下墊面變化引起的洪水響應(yīng)將對流域防洪減災(zāi)有重要意義。

白盆珠水庫流域；分布式水文模型；下墊面變化；情景分析；洪水響應(yīng)

1 概 述

流域洪水主要受氣候條件和下墊面條件的影響。降雨是影響洪水的主要氣候條件，其主要表現(xiàn)在降雨量及降雨強度兩個方面。由人類活動造成的流域下墊面變化是多種多樣的，其主要表現(xiàn)為：森林植被的破壞、快速城市化、河流上興建水利工程和水土保持等。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，流域開發(fā)利用強度不斷增強，由人類活動造成的下墊面變化日益劇烈，從而產(chǎn)生了一系列洪水問題。

下墊面是決定流域降雨產(chǎn)匯流過程的主要因素，近年來，下墊面對水文過程的影響已經(jīng)成為研究熱點。萬榮榮等［1］利用HEC HMS模型模擬5種土地利用情景下的2次典型洪水過程，得出城市化會嚴(yán)重加劇流域暴雨洪水，而森林則有利于緩和流域暴雨洪水過程的結(jié)論。舒曉娟等［2］利用Wetspa模型模擬8種土地利用情景下的2次典型洪水過程，認為林類能削減洪峰和洪量，土地利用變化對小洪水的影響大于大洪水的。韓瑞光等［3］利用趨勢回歸分析法，分析了汛期暴雨量、洪峰流量及次洪量的變化趨勢；并利用山區(qū)雨洪模型重演了80年代前典型洪水，研究結(jié)果反映了流域下墊面變化對洪水徑流的影響。目前流域下墊面變化的水文響應(yīng)側(cè)重于土地利用／覆被，而對于具體土地利用的空間分布及水利工程的建設(shè)導(dǎo)致的洪水響應(yīng)的研究較少。如何有效地揭示流域下墊面變化，尤其是土地利用空間分布變化和水利工程建設(shè)產(chǎn)生的洪水響應(yīng)是急需解決的問題。

本文將運用情景分析的方法，利用柵格分布式水文模型對白盆珠水庫流域下墊面變化引起的洪水響應(yīng)進行定量分析，揭示下墊面變化對洪水影響的規(guī)律。

2 研究區(qū)域及研究方法

2.1 研究區(qū)域介紹

白盆珠水庫流域位于東江一級支流西枝江上游的惠東縣境內(nèi)，東經(jīng)115°－115°24′，北緯23°－23°24′之間，流域集雨面積856 km2。流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫22℃，多年平均降雨量1 800 mm，是廣東省暴雨高值區(qū)，4－9月份為雨季，占全年降雨量的82.3%，干濕季明顯，雨量充沛。暴雨是流域內(nèi)洪水形成的主要原因，暴雨中心大多出現(xiàn)在上游高潭－石澗一帶，洪水呈現(xiàn)峰高量大，陡漲陡落，洪水歷時短，水位變幅大等特點。流域內(nèi)有高潭、新庵、馬山和寶口4個鎮(zhèn)。水庫與下游堤圍結(jié)合形成了惠州、惠陽、惠東3地主要的防洪體系，是保護下游沿江兩岸城鎮(zhèn)數(shù)十萬人口及1.47萬hm2農(nóng)田防洪安全的關(guān)鍵性工程。

2.2 模型介紹

柵格分布式水文模型是在流溪河模型［4］框架基礎(chǔ)上，以水文學(xué)、水力學(xué)等學(xué)科的理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一個流域暴雨洪水模擬／預(yù)報的分布式物理水文模型，可用于缺少水文資料的流域、受水利工程影響的流域以及對稀遇洪水的模擬／預(yù)報。

模型總體結(jié)構(gòu)：采用正方形網(wǎng)格對流域進行劃分，將整個流域沿水平方向劃分成一系列大小相等的正方形單元，如圖1所示。流域內(nèi)每個網(wǎng)格假定具有統(tǒng)一的流域物理特性和降雨量。模型垂直方向劃分為3層：植被覆蓋層、地表層和地下層；水平方向劃分為坡面單元、河道單元和水庫單元。柵格分布式水文模型產(chǎn)流采用蓄滿結(jié)合超滲的混合產(chǎn)流模式，其中超滲產(chǎn)流計算采用Green Ampt方法［5］；在模型中植被覆蓋層僅考慮截留和蒸發(fā)。匯流演算則采用的水動力學(xué)方法，坡面匯流采用一維運動波法，河道匯流采用一維擴散波法。

圖1 柵格分布式水文模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 General structure of grid distributed hydrologicalmodel

邊坡匯流采用一維運動波法，即忽略圣維南方程組的運動方程中的慣性項和壓力項，結(jié)合曼寧公式［6］并采用有限差分法，可得

河道匯流采用一維擴散波法，即忽略圣維南方程組的運動方程中的慣性項，結(jié)合曼寧公式并采用有限差分法，可得

壤中流根據(jù)達西公式和水量平衡公式計算如下，

式中：z為土壤層厚度，Qlat為壤中流流量，vlat為壤中流流速，θ為土壤層含水率（%），r為時段內(nèi)單元上的徑流補給量，包括單元上產(chǎn)生的凈雨量和上單元匯入的壤中流，Qper為滲漏量。

3 下墊面變化下的洪水響應(yīng)

本文以東江流域的白盆珠水庫子流域為例，通過ARCGIS9.3提取流域100 m×100 m分辨率的DEM、土壤、土地利用等數(shù)據(jù)構(gòu)建白盆珠水庫流域的柵格分布式水文模型。其中，DEM數(shù)據(jù)來源于美國航天飛機雷達地形測繪計劃公共域免費提供的1″×1″分辨率DEM數(shù)據(jù)。土壤類型數(shù)據(jù)來源于國際糧農(nóng)組織（FAO）于2008年發(fā)布的30″×30″分辨率中國土壤分布數(shù)據(jù)。土地利用類型數(shù)據(jù)是由2004年10月12日Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)進行監(jiān)督分類［7］得到的。白盆珠水庫流域目前的土地利用類型分為6類，其中水體3.8%、林地80.9%、耕地4.2%、草地1.9%、裸地5.9%以及建筑用地3.3%。并從白盆珠水庫入庫流量資料中選取1986至2000年28場次洪水資料，采用人工調(diào)參法獲取模型參數(shù)，最后選取具有典型性的第19860711，19880719及19920508場洪水，分別代表大、中、小3場洪水進行模擬。

3.1 情景構(gòu)建

根據(jù)該流域土地利用現(xiàn)狀應(yīng)用情景分析方法［8］構(gòu)建9種流域下墊面情景如下：

情景1，以2004年作為現(xiàn)狀年，土地利用狀況見圖2；情景2，毀林破壞情形下，假設(shè)流域內(nèi)林地全部被砍伐，變成裸地；情景3，水土保持情形下，假設(shè)流域內(nèi)裸地上植樹造林，耕地上實行退耕還林；情景4，假設(shè)流域內(nèi)城鎮(zhèn)化高速發(fā)展，流域內(nèi)高潭、新庵、馬山和寶口鎮(zhèn)居民用地面積密集型擴大，形成了4個居民城鎮(zhèn)群，并采用ArcGIS 9.3分別以4個城鎮(zhèn)為中心，以3.5 km為半徑構(gòu)建建設(shè)用地面積范圍；情景5，流域內(nèi)水利水電開發(fā)發(fā)展，4個一級支流上建設(shè)水庫或水閘等水工建筑控制流量下泄，假設(shè)水工建筑以100 m3／s進行泄流，控制工程位置見圖3；情景6，流域內(nèi)只有草地一種土地利用類型；情景7，流域內(nèi)只有耕地一種土地利用類型；情景8，林地在距離河道（4級河道，Strahler分級法）不同距離內(nèi)（125，250，500，750，1 000 m）轉(zhuǎn)為裸地；情景9，以面平均雨量作為模型輸入，不考慮降雨空間分布情況下，上、中、下游林地分別轉(zhuǎn)為裸地。

圖2 情景1現(xiàn)狀土地利用分布圖Fig.2 Distribution of current land use in scenario 1

圖3 情景5水工建筑的分布Fig.3 Distribution of hydraulic structure in scenario 5

圖4 情景8下第19920508場洪水模擬結(jié)果Fig.4 The simulation results of No.19920508 flood in scenario 8

針對以上9種下墊面情景，選取洪量、洪峰流量和峰現(xiàn)時間作為洪水特征的評價指標(biāo)。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)構(gòu)建的各種情景下的流域下墊面情況，將土地利用／覆被及水工建筑屬性輸入模型，分別對大、中、小3場洪水進行模擬。各情景下的洪水特征值相對于情景1的變化值見表1。

由情景2可知，隨著林地大面積的消失并轉(zhuǎn)為裸地，相對于情景1洪水發(fā)生了明顯變化，而這種變化對防洪減災(zāi)是不利的，表現(xiàn)為：洪量與洪峰流量均增加，并隨著洪水量級的降低而增大，各量級洪水的峰現(xiàn)時間均提前。由情景3可知，在林地高覆蓋率情況下，植樹造林、退耕還林等林地保護措施對流域洪水的響應(yīng)是不明顯的。由情景4可知，隨著流域內(nèi)4個城鎮(zhèn)的建設(shè)用地增加，使得洪量與洪峰流量少量的增加，其中小洪水的這種變化較為明顯，且峰現(xiàn)時間提前。情景5的下墊面情景下造成的洪水響應(yīng)相對于情景1的變化最大，水利工程改變流域匯流規(guī)律，對各支流洪水重新分配，使得大洪水洪量減少了15.6%，洪峰流量降低了29.3%。具有明顯的消減洪峰減少洪量的作用，而且洪峰出現(xiàn)時間滯后，對小洪水的影響則相反。由情景6可知，退林植草，廣植草地導(dǎo)致洪水的洪量和洪峰均增加，峰現(xiàn)時間提前，都是朝防洪不利的方向變化?？梢姴莸剌^林地對降雨的截留能力要差，對洪水匯流的緩沖能力也低。由情景7可知，農(nóng)業(yè)活動導(dǎo)致林地面積的減少對洪水的響應(yīng)是敏感的，洪峰變化相對于洪量變化大。

表1 不同情景下模擬洪水特征變化Table1 Simulation of changes of flood characteristics in different scenarios

由情景8可知，在沿河道不同距離內(nèi)林地遭破壞轉(zhuǎn)為裸地對洪水的影響十分敏感，洪量和洪峰流量均隨著距離的增加而線性增加，且小洪水的變化率高于大、中洪水。當(dāng)距離達到125 m時，中、小洪水的峰現(xiàn)時間出現(xiàn)提前，而大洪水則在研究距離內(nèi)未出現(xiàn)峰現(xiàn)時間的變化。以情景1和情景8的下墊面狀態(tài)模擬流域典型小洪水（19920508場）見圖4，可知，沿河道林地對洪水的響應(yīng)非常敏感，洪水起漲時間與洪峰流量出現(xiàn)時間提前，退水過程加快，出現(xiàn)暴漲暴落的現(xiàn)象。

由情景9可知，流域上、中、下游林地的破壞對洪水有不同程度的影響，上游林地破壞造成洪峰和洪量增加量最大，中游次之，下游林地影響最小。典型小洪水（19920508場）模擬結(jié)果見圖5，出現(xiàn)這種情況的主要原因是下游距離流域出口較近，流域下游洪水匯流的時間短，即使林地被破壞了，匯流速度加快，洪水的變化也不顯著。然而白盆珠流域上游林地覆蓋率高，林地遭破壞后，匯流速度加快，匯流至流域出口的時間減少，洪水起漲及峰現(xiàn)時間均提前，且洪峰和洪量方面明顯增加。

圖5 情景9下第19920508場洪水模擬結(jié)果Fig.5 The simulation results of No.19920508 flood in scenario 9

4 結(jié) 論

本文根據(jù)2004年流域現(xiàn)狀下墊面狀況，按情景分析方法構(gòu)建9種下墊面情景，利用分布式水文模型模擬了白盆珠水庫流域9種下墊面情景的3場典型洪水過程，定量分析了下墊面變化引起的洪水響應(yīng)。

從計算分析結(jié)果可知：林地對截留降雨、消減洪峰和延緩洪峰滯時方面效果明顯，林地面積的減少直接導(dǎo)致洪量和洪峰的增加；從情景8和情景9分析可知，沿河道林地對洪水的響應(yīng)十分敏感，洪量和洪峰流量變化率與沿河道林地減少的距離成線性遞增的關(guān)系；流域上游林地的減少對洪水的洪量、洪峰及峰現(xiàn)時間的影響明顯大于中、下游。因此保護林地，特別是沿河道及流域上游的林地，對流域防洪減災(zāi)有重要意義。城市化過程中，建筑用地的增加，導(dǎo)致流域產(chǎn)流能力增加和匯流速度提高，最終致使洪峰流量的提高和峰現(xiàn)時間的提前，這對流域防洪減災(zāi)是不利的；流域內(nèi)水利工程建設(shè)，可有效地控制流域內(nèi)支流洪水，對流域防洪有積極意義。流域下墊面變化對洪水的響應(yīng)，小洪水的響應(yīng)大于大洪水。

［1］ 萬榮榮，楊桂山，李恒鵬.流域土地利用／覆被變化的洪水響應(yīng)——以太湖上游西苕溪流域為例［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2008，17（3）：10－15.（WAN Rong rong，YANG Gui shan，LIHeng peng.Flood Response to Land Use and Land Cover Change：A Case Study of Xitiao Rivulet Basin in Upper Reach of Taihu Lake［J］.Journal of Natural Dis asters，2008，17（3）：10－15.（in Chinese））

［2］ 舒曉娟，陳洋波，任啟偉.基于Wetspa模型的流域植樹造林的洪水響應(yīng)［J］.人民長江，2009，40（24）：6－8.（SHU Xiao juan，CHEN Yang bo，REN Qi wei.Flood Response Analysis of Basin Afforestation Based on Wetspa Model［J］.Yangtze river，2009，40（24）：6－8.（in Chi nese））

［3］ 韓瑞光，馮 平.流域下墊面變化對洪水徑流影響的研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2010，24（8）：27－30.（HAN Rui guang，F(xiàn)ENG Ping.Effects of Sublayer and Land Cover Change on Flood in Daqinghe River Basin［J］.Jour nal of Arid Land Resources and Environment，2010，24（8）：27－30.（in Chinese））

［4］ 陳洋波.流溪河模型［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.（CHEN Yang bo.Model of Liuxihe River［M］.Beijing：Science Press，2009.（in Chinese））

［5］ 李 毅，王全九，邵明安，等.Green Ampt入滲模型及其應(yīng)用［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，35（2）：225－230.（LI Yi，WANG Quan jiu，SHAO Ming an，et al.Green Ampt Model and Its Application［J］.Journal of Northwest A＆F University（Natural Sci ence Edition），2007，35（2）：225－230.（in Chinese））

［6］ 楊 潤，溫德清.曼寧公式中以平均水深代替水力半徑的流量計算誤差［J］.新疆電力技術(shù)，2007，（4）：43－44.（YANG Run，WEN De qing.Flow Calculation Error of Replacing Hydraulic Radius with Average Water Depth in Manning’s Formula［J］.Xinjiang Electric Power Tech nology，2007，（4）：43－44.（in Chinese））

［7］ 趙春霞，錢樂祥.遙感影像監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類的比較［J］.河南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，34（3）：90－93.（ZHAO Chun xia，QIAN Le xiang.Comparative Study of Supervised and Unsupervised Classification in Re mote Sensing Image［J］.Journal of Henan University（Natural Science），2004，34（3）：90－93.（in Chinese））

［8］ 萬榮榮，楊桂山.流域LUCC水文效應(yīng)研究中的若干問題探討［J］.地球科學(xué)進展，2005，24（3）：25－33.（WAN Rong rong，YANG Gui shan.Discussion on Some Issues of Hydrological Effects of Watershed Land Use and Land Cover Change［J］.Progress in Geography，2005，24（3）：25－33.（in Chinese） ）

（編輯：王 慰）

Flood Response Caused by Underlying Surface Change in Baipenzhu Reservoir Basin

CHEN Yu1，HUANG Feng hua2，KONG Ci fen3
（1.Department ofWater Resources and Environment，Sun Yat sen University，Guangzhou 510275，China；2.Guangdong Research Institute ofWater Resources and Hydropower，Guangzhou 510610，China；3.College of Geography and Tourism，Chongqing Normal University，Chongqing 400047，China）

In association with GIS technology，grid distributed hydrological model is used to study the flood re sponse caused by underlying surface change in the sub basin of Baipenzhu reservoir in Dongjiang River basin.In light of the status quo of land use in this basin，9 underlying surface scenarios are built by scenario analysis，and three typical floods respectively of large，medium，and small scale are chosen to quantitatively analyze the flood re sponse caused by underlying surface change.It is found that forestry and its spatial distribution can effectively re tain rainfall，reduce flood peak，and postpone flood peak lag time.In this sense，the protection of forestry，in par ticular，forestry along the river channel and in the upper reaches of the basin，is significant for the flood control and disastermitigation in the basin.Moreover，since urbanization will increase runoff yield and speed up confluence，which is detrimental to flood control，hydropower projects are of great help by controlling floods in tributaries of the basin.Response of big floods caused by underlying surface change is greater than that of small floods.

Baipenzhu reservoir basin；distributed hydrologicalmodel；underlying surface change；scenario analy sis；flood response

P334.92

A

1001－5485（2011）08－0001－04

2010 10 21

陳 瑜（1987 ），女，重慶萬州人，碩士研究生，主要從事水文水資源方面研究，（電話）13560251797（電子信箱）chchbox＠qq.com。