基于HEC-HMS模型的八一水庫(kù)流域洪水重現(xiàn)期研究

鄭 鵬，林 韻，潘文斌，鄧紅兵

(1.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085;2.福建省環(huán)境科學(xué)研究院，福州 350013;3.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福州 350108)

在城市化水平飛速發(fā)展的今天，城區(qū)非農(nóng)業(yè)人口激增，大量的林地、農(nóng)田經(jīng)歷由裸地到建設(shè)用地的變化，直接導(dǎo)致了不透水層面積的擴(kuò)大，土壤下滲量減少，徑流量大量增加，洪峰值增大，而城區(qū)內(nèi)的防澇設(shè)施跟不上建設(shè)的發(fā)展而顯得相對(duì)老舊，造成城市防洪措施跟不上防洪標(biāo)準(zhǔn)的變化(即重現(xiàn)期的變化)［1］。防洪措施的落后極易導(dǎo)致洪災(zāi)的發(fā)生，因此根據(jù)城市的發(fā)展，分析不透水率的變化對(duì)于洪水重現(xiàn)期的影響，預(yù)見(jiàn)性地指導(dǎo)城市防洪措施的提升，用最小的資源投入盡最大可能地保障城區(qū)免受洪災(zāi)危害。

本文在福州市八一水庫(kù)流域中選用1989年、1994年、1999年、2001年、2002年、2003年和2007年7個(gè)年份TM/ETM+遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)以及流域氣象水文資料，在RS、GIS和GPS技術(shù)的輔助下，統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)不透水率的變化，并通過(guò)WMS7.1軟件構(gòu)建流域，用HEC-HMS水文模型對(duì)八一水庫(kù)流域進(jìn)行降雨-徑流模擬。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行洪水重現(xiàn)期的推算及分析，從而為福州城區(qū)的防洪排澇及城市擴(kuò)展建設(shè)提供可靠的技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

福建省福州市地處沿海地帶，地形以低山丘陵為主，市區(qū)形成寬闊的盆地地形，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，受地理位置影響，每年6、7月都會(huì)經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)頻發(fā)的過(guò)程，伴隨而來(lái)的連日暴雨很容易形成洪水，影響著閩江一帶的流域。八一水庫(kù)流域位于福州市北郊晉安區(qū)新店鎮(zhèn)，距市區(qū)約7 km，全流域面積15.56 km2。流域涵蓋葉洋全村及福州國(guó)家森林公園，上游臨嶺頭鄉(xiāng)，下游為晉安區(qū)新店鎮(zhèn)赤橋村。研究區(qū)地理位置如圖1所示。

圖1 八一水庫(kù)流域位置示意圖Fig.1 Location of Bayi reservoir watershed

2 研究方法

2.1 不透水率的估算分析

不透水率是不透水層面積與總用地面積的比值，不透水層從定義上來(lái)說(shuō)，可以理解為是人工制造的或者純天然的阻礙地表徑流下滲到地表層之下的物質(zhì)。如果針對(duì)城區(qū)來(lái)說(shuō)，不透水層還可以狹義地理解為相對(duì)于土壤植被滲透率小的建筑用地及公共設(shè)施用地(比如公園、廣場(chǎng)、屋頂、水泥道路等)［2-3］。不透水率作為定量衡定不透水層變化的參數(shù)，由于其簡(jiǎn)單易算的特性，近年來(lái)被許多學(xué)者用于各自的研究領(lǐng)域中，其中包括流域水文分析、城市植被制圖、城市水質(zhì)污染分析以及城市熱島等研究［4］。同時(shí)在流域水文分析中，不透水率在部分由國(guó)外引入的水文模型里對(duì)參數(shù)有率定作用。鑒于不透水率對(duì)降雨徑流變化的指向性且有助于對(duì)模擬參數(shù)的估計(jì)，選用不透水率作為探討城市化對(duì)洪水重現(xiàn)期變化的指標(biāo)，因此科學(xué)的估算方法對(duì)于后續(xù)研究有著十分重要的意義。

八一水庫(kù)流域集水面積僅為15.56 km2，因此對(duì)不透水層的提取選用基于TM/ETM+影像的分類提取法，即利用遙感影像進(jìn)行土地利用類型分類，根據(jù)不同土地利用類型的不透水率進(jìn)行全流域不透水率的估算［5］。

2.1.1 土地利用類型的提取

通過(guò)對(duì)1989年、1994年、1999年、2001年、2002年、2003年和2007年八一水庫(kù)流域Landsat TM影像進(jìn)行分類處理，獲得了該流域7個(gè)時(shí)相的土地利用類型圖。以1989年、1994和2007年展示該區(qū)的土地利用變化情況(圖2，圖3和圖4)，這3個(gè)年份各個(gè)土地利用類型的面積匯總見(jiàn)表1。

圖2 1989年土地利用圖Fig.2 Landuse map in 1989

圖3 1994年土地利用圖Fig.3 Landuse map in 1994

2.1.2 不同土地利用類型下的不透水率

對(duì)于同一類土地利用類型，NEMO(Nonpoint Education for Municipal Officials)認(rèn)為人口密度對(duì)于不透水率有著較大影響，城市的不透水率通常會(huì)較農(nóng)村大。NEMO針對(duì)美國(guó)的不同土地利用類型，對(duì)不同人口密度下的不透水率進(jìn)行分析，得出不同人口密度下不透水率的統(tǒng)計(jì)表［5］。參照其研究結(jié)果并結(jié)合研究區(qū)域的具體情況進(jìn)行修正，最后得到研究區(qū)內(nèi)不同土地利用類型在不同人口密度下的不透水率(表2)。

2.1.3 不透水率的估算

在具有土地利用類型——不透水率數(shù)據(jù)后，應(yīng)用 NEMO與NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)Coastal Services Center合作開(kāi)發(fā)的ISAT(Impervious Surface Analysis Tool)不透水層計(jì)算工具，對(duì)研究區(qū)域不透水率進(jìn)行估算。

ISAT應(yīng)用ArcView的空間分析功能，將研究區(qū)分為若干多邊形，統(tǒng)計(jì)每一多邊形內(nèi)各個(gè)土地利用類型面積，通過(guò)不同土地利用類型的不透水率與相應(yīng)土地利用類型的面積，求得每一多邊形內(nèi)不透水層面積，再將各個(gè)多邊形內(nèi)不透水層面積加和，從而得到研究區(qū)不透水層總面積，而研究區(qū)不透水率即為其中不透水層面積與區(qū)域總面積之比，研究區(qū)內(nèi)各年份的不透水率如表3所示。

由表3可知，20a間全流域不透水率持續(xù)增長(zhǎng)，變化區(qū)間在5%—10%之內(nèi);1989年至1994年，5a間不透水率增長(zhǎng)了0.6815，年均增長(zhǎng)率為2.35%;1994年至1999年間，5a間不透水率增長(zhǎng)了1.5586，年均增長(zhǎng)率為4.80%;1999年至2007年間，9a間不透水率增長(zhǎng)了1.9652，年均增長(zhǎng)率為2.71%;1989年至2007年年均增長(zhǎng)率為3.81%。

2.2 流域的降雨-徑流模擬

選用HEC-HMS模型進(jìn)行全流域的降雨-徑流模擬，該模型是美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文中心(Hydrology Engineering Center)開(kāi)發(fā)的HEC系列模型之一。發(fā)展至今，在降雨-徑流模擬方面有著廣泛的應(yīng)用及良好的模擬效果［6-8］。

圖4 2007年土地利用圖Fig.4 Landuse map in 2007

HEC-HMS模型需要獲取研究區(qū)內(nèi)詳細(xì)的流域特征值。WMS(Watershed Model System)是一套基于分布式參數(shù)模型的專業(yè)水文模擬軟件，由美國(guó)Brigham Young大學(xué)環(huán)境模型研究室(EMRL)開(kāi)發(fā)。WMS具有優(yōu)良的人機(jī)對(duì)話能力，可視化窗口中提供各類水文模擬的工具，以實(shí)現(xiàn)流域的構(gòu)建、流域幾何、水文參數(shù)的計(jì)算等［9］。因此選用WMS構(gòu)架流域?qū)傩耘cHEC-HMS模型之間的轉(zhuǎn)化橋梁。用WMS7.1軟件對(duì)八一水庫(kù)流域進(jìn)行構(gòu)建，其中包括流域特征物(水庫(kù)、河道)的添加，流域幾何參數(shù)的提取、流域結(jié)構(gòu)劃分以及模塊的初始化賦值等。

表1 八一水庫(kù)流域土地利用面積匯總表/km2Table 1 The landuse types area statistics of select years in the Bayi reservoir watershed

表2 不同土地利用類型和人口密度下的不透水率/%Table 2 Impervious surface ratio of the different Landuse types and the population density

表3 八一水庫(kù)流域不透水率統(tǒng)計(jì)Table 3 Impervious surface ratio Statistics of select years in the Bayi reservoir watershed

通過(guò)WMS 7.1軟件，利用流域的DEM進(jìn)行流域描繪。用DEM功能下Compute TOPAZ Flow Data自動(dòng)計(jì)算，選定點(diǎn)(119°17'35″E，26°7'45″N)為流域出口，設(shè)定閾值為1.0 km2對(duì)DEM 進(jìn)行流域描繪，即流域匯水面積大于1.0 km2的部分劃為研究范圍。在水庫(kù)出口點(diǎn)(119°17'21″E，26°8'47″N) 位置通過(guò) DEM 下 Create Reservoir功能添加水庫(kù)，此時(shí)WMS將自動(dòng)把整個(gè)流域劃分成2個(gè)子流域，1個(gè)水庫(kù)，1個(gè)河道，1個(gè)出口點(diǎn)的格局(圖5)。

在完成流域基本結(jié)構(gòu)的劃分及模型所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取后，選取福州地區(qū)1981至2007年間10場(chǎng)降雨進(jìn)行降雨-徑流模擬。根據(jù)福州地區(qū)的降雨情況和赤橋水文站測(cè)得的日均徑流量數(shù)據(jù)，分別選取1981年2場(chǎng)、1982年1場(chǎng)、1993年1場(chǎng)，1994年3場(chǎng)，2006年2場(chǎng)，2007年1場(chǎng)降雨。降雨-徑流模擬結(jié)果如表4。

圖5 HEC-HMS模型中八一水庫(kù)流域整體構(gòu)架Fig.5 The overall framework of the Bayi Reservoir watershed in HEC-HMS model

由表4可知，進(jìn)行模擬的降雨中有8場(chǎng)降雨的徑流模擬值與實(shí)測(cè)值誤差范圍在10%之內(nèi)，2場(chǎng)降雨的模擬值與實(shí)測(cè)值的偏差在20%左右。誤差值顯示該模型對(duì)于1981、1982年的3場(chǎng)雨，均有徑流量偏高的估計(jì)，分別為2.6%、8.2%、7.3%，造成這個(gè)偏差的主因在于缺少當(dāng)年的遙感影像，選用了1989年的土地利用類型來(lái)代替。由于土地類型及分布在30a間發(fā)生了極大的變化，按統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)估計(jì)，1981、1982年的不透水層較1989年少，因此產(chǎn)生的徑流量較之實(shí)際徑流量大，是與實(shí)際情況大體相符的。1993年和1994年的4場(chǎng)降雨模擬呈現(xiàn)略小于實(shí)測(cè)值的現(xiàn)象，且存在和2007年8月19日降雨同樣的偏差。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，1994年6月20號(hào)及2007年8月19號(hào)前后均存在不同程度的連續(xù)降雨，1994年6月20號(hào)前后共計(jì)降雨7 d，降雨強(qiáng)度從9.2 mm至71.1 mm不等，由于受到前期降雨的影響，使得模擬值較實(shí)測(cè)值低。結(jié)合橫向比較其他場(chǎng)次降雨的條件發(fā)現(xiàn)，采用的模型及參數(shù)組合適用于短歷時(shí)的降雨事件，對(duì)于歷時(shí)較長(zhǎng)的降雨需要重新選取適合的參數(shù)進(jìn)行模擬。綜上分析，模擬情況與實(shí)際情況大體相符，因此總體模擬結(jié)果基本可信。

表4 10場(chǎng)降雨徑流量模擬結(jié)果表Table 4 The simulated result of the selected rainfall-runoff events

2.3 不透水率與洪水重現(xiàn)期的關(guān)系量化

由于降雨-徑流的轉(zhuǎn)化及洪水重現(xiàn)期總是同時(shí)受到區(qū)域內(nèi)降雨條件和土地利用類型這兩者的影響，單獨(dú)地考慮其中任何一種因素的作用都不全面。因此為獲取洪水重現(xiàn)期的變化趨勢(shì)，設(shè)計(jì)將降雨強(qiáng)度變化及土地利用變化這兩大影響因素進(jìn)行交叉模擬估算，統(tǒng)計(jì)子流域內(nèi)降雨強(qiáng)度，土地利用變化同時(shí)作用下的徑流峰值，以不透水率和重現(xiàn)期為變量，繪制重現(xiàn)期變化趨勢(shì)圖，以直觀讀圖的方式獲取重現(xiàn)期的變化［10］。

結(jié)合之前的流域不透水率分析，將不透水率的變化程度設(shè)定在0%—25%之間，取1%為模擬計(jì)算步長(zhǎng)。根據(jù)福州市防澇設(shè)計(jì)，選擇了2年一遇(10 mm)，5年一遇(20 mm)，10年一遇(50 mm)，25年一遇(100 mm)，50年一遇(150 mm)，100年一遇(200 mm)這6個(gè)典型重現(xiàn)期，結(jié)合不透水率和重現(xiàn)期的變化進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的模擬計(jì)算。

B子流域位處城區(qū)，且受上游水庫(kù)的截流影響，故徑流量和峰值與A子流域有較大的不同，因此分A、B兩個(gè)子流域區(qū)內(nèi)不同重現(xiàn)期不同不透水率值情況進(jìn)行模擬。A、B兩個(gè)子流域各重現(xiàn)期下峰值模擬值，見(jiàn)表5，表6，由于數(shù)據(jù)量較多，以不透水率每2%的步長(zhǎng)展示。

表5 A流域各重現(xiàn)期及不透水率下峰值數(shù)據(jù)表/(m3/s)Table 5 The table of peak discharge-impervious surface ratio-return period on the A watershed

表6 B流域各重現(xiàn)期下峰值數(shù)據(jù)表/(m3/s)Table 6 The table of peak discharge-impervious surface ratio-return period on the B watershed

根據(jù)上述的數(shù)據(jù)，采用等值圖的形式構(gòu)建了不透水率、峰值流量與重現(xiàn)期之間的關(guān)系(圖6，圖7)。X軸為重現(xiàn)期，以年為單位，Y軸為不透水率，圖中為洪水峰值的等值線(以10 m3/s為步長(zhǎng)顯示)。XY的交點(diǎn)，即為當(dāng)前不透水率及重現(xiàn)期水平下產(chǎn)生的洪峰，等值線之間的數(shù)據(jù)可以采用線性法插值計(jì)算。

圖6 A流域的峰值流量-不透水率-重現(xiàn)期關(guān)系圖Fig.6 The diagram of peak discharge-impervious surface ratioreturn period on the A watershed

圖7 B流域的峰值流量-不透水率-重現(xiàn)期關(guān)系圖Fig.7 The diagram of peak discharge-impervious surface ratioreturn period on the B watershed

3 結(jié)論與討論

根據(jù)上述分析，可以得出以下結(jié)論與討論［11-14］:

(1)以1989年為起始，到2007年，A流域重現(xiàn)期為100、50、25年一遇的洪水隨著不透水率的增長(zhǎng)，分別提前了20、8、3a;B流域的重現(xiàn)期為100、50、25年一遇的洪水隨著不透水率的增長(zhǎng)，分別提前了25、10、4a。B流域位于城郊，近年來(lái)市區(qū)發(fā)展速度較快，流域內(nèi)土地利用類型變化的速度較A流域大，因此也使得重現(xiàn)期提前得較A流域快。

(2)研究區(qū)內(nèi)的防洪規(guī)劃修訂中，應(yīng)長(zhǎng)遠(yuǎn)并且全面地考慮引起洪水徑流變化的各個(gè)影響因素，正視不透水率變化導(dǎo)致的徑流量及洪水重現(xiàn)期的變化，及時(shí)地將預(yù)測(cè)結(jié)果反饋到實(shí)際的改造建設(shè)中去。

(3)在減緩區(qū)域不透水率增加的同時(shí)，也可以通過(guò)提升對(duì)水源的涵養(yǎng)能力來(lái)抵消城市化建設(shè)帶來(lái)的徑流增加。森林具有較好的保持水土，涵養(yǎng)水源，蓄洪滯洪的功能，八一水庫(kù)流域上游的林地覆蓋度較高，近年來(lái)林地略有縮減，種植的樹(shù)種也發(fā)生變化，因此為減緩城市化的影響，應(yīng)在研究?jī)?nèi)嚴(yán)禁亂砍亂伐，盡量減少林地的開(kāi)發(fā)利用，同時(shí)應(yīng)大力營(yíng)造水源涵養(yǎng)林。

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