淮河上游土地利用變化對(duì)次洪的影響

陳蕓蕓,宋　耘,李瓊芳,馬俊超,鞠　彬,曾　明

(1. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京　210098; 2. 河海大學(xué)國際河流研究所,江蘇 南京　210098)

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淮河上游土地利用變化對(duì)次洪的影響

陳蕓蕓1,2,宋耘1,2,李瓊芳1,2,馬俊超1,2,鞠彬1,2,曾明1,2

(1. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098; 2. 河海大學(xué)國際河流研究所,江蘇 南京210098)

為了揭示不同土地利用模式下淮河流域產(chǎn)水響應(yīng)規(guī)律、定量評(píng)價(jià)土地利用引起的淮河流域生態(tài)環(huán)境變化,以淮河上游大坡嶺水文站以上流域?yàn)檠芯繀^(qū),基于1990s和2000s的土地利用數(shù)據(jù)及氣象、水文等數(shù)據(jù),以0.5 h為時(shí)間步長,應(yīng)用改進(jìn)的新安江模型模擬次洪過程,并分析土地利用模式變化對(duì)次洪的影響。結(jié)果表明:在相同降水條件下,1990s到2000s的土地利用模式變化導(dǎo)致次洪的徑流量、洪峰流量、徑流模數(shù)、徑流系數(shù)、地下徑流比例均增加。

淮河上游;土地利用變化;次洪徑流;新安江模型

近年來土地利用變化問題已成為國際地圈生物圈計(jì)劃與全球環(huán)境變化的人文因素計(jì)劃的核心研究計(jì)劃之一,是全球環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)和前沿問題,土地利用變化的水文效應(yīng)也越來越受到關(guān)注[1]。土地利用變化通過改變不同界面(陸面-大氣、陸面-地下水、地表水-地下水、地表水-陸面、飽和帶-非飽和帶)的水分交換量影響流域蒸散發(fā)、地表水、土壤水和地下水過程及其相互轉(zhuǎn)化機(jī)制[2],對(duì)流域降雨徑流過程產(chǎn)生影響。當(dāng)前研究土地利用變化對(duì)流域降雨徑流過程的影響更多的是采用水文模型的方法[3-5]。水文模型法不僅能考慮流域綜合因素對(duì)水文過程的影響, 而且可以靈活地調(diào)整氣候或土地利用的個(gè)別或多個(gè)參數(shù), 從而有效地研究土地利用的水文效應(yīng)[6]。張乾等[7]基于水文模型參數(shù)變化檢驗(yàn)來評(píng)價(jià)淮河上游大坡嶺流域土地利用變化引起的日徑流特征響應(yīng);郝芳華等[4]運(yùn)用SWAT模型模擬分析黃河下游洛河流域土地利用變化對(duì)日產(chǎn)流量的影響;蔡濤等[8]運(yùn)用SWAT模型以日為時(shí)間步長對(duì)淮河上游流域產(chǎn)水進(jìn)行了全過程模擬。但由于土壤侵蝕量在很大程度上取決于次暴雨的強(qiáng)度與次數(shù),而之前學(xué)者對(duì)不同土地利用下次洪產(chǎn)水分析較少,淮河流域上游地區(qū)水土流失較流域內(nèi)其他地區(qū)嚴(yán)重,而且以水土流失為載體的面源污染已成為流域上游水質(zhì)污染的重要來源,因此模擬分析土地利用變化下的次洪徑流過程十分必要。

筆者以淮河上游大坡嶺水文站以上集水區(qū)為研究區(qū),基于研究區(qū)2期(1990s、2000s)土地利用及流域的氣象、水文數(shù)據(jù),采用基于雙源蒸散發(fā)的新安江模型以0.5 h為時(shí)間步長對(duì)研究區(qū)次洪過程進(jìn)行模擬,并分析相同降雨條件下不同土地利用模式對(duì)流域次洪徑流特性的影響。研究成果以期為淮河流域水土流失治理、面源污染防治、水土資源的可持續(xù)開發(fā)與利用提供理論基礎(chǔ)。

1　研究方法

根據(jù)陸志剛等[9]的研究,淮河流域在過去50多年中降水特性(強(qiáng)度、頻次、歷時(shí))沒有發(fā)生顯著變化,由此可見降雨徑流的關(guān)系變化主要是由下墊面條件變化引起的,而研究區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)、地形坡度基本不變,下墊面變化主要是土地利用變化,因此可假定降雨徑流關(guān)系變化主要是由土地利用變化引起的。在此基礎(chǔ)上,利用P-M法耦合植物生長模型(EPIC)計(jì)算流域潛在蒸散發(fā)[10]改進(jìn)的新安江模型,以0.5 h為時(shí)間步長,選用大坡嶺流域土地利用模式不同的2個(gè)年代(1990s、2000s)6～9月期間各11場洪水分別進(jìn)行模擬,其中8場洪水用于模型參數(shù)率定,3場洪水用于模型檢驗(yàn),分別獲得了2種不同土地利用模式下的模型參數(shù)。基于模擬出的2期參數(shù),選取2000s的11場洪水相應(yīng)的降水資料,模擬相同降雨條件下不同土地利用模式下流域內(nèi)的次洪過程,并分別選擇具有代表性的大、中、小3場洪水對(duì)比分析不同降雨程度下的土地利用變化對(duì)次洪徑流量、 洪峰、 峰現(xiàn)時(shí)間、 徑流系數(shù)、徑流模式和徑流組成成分等徑流特性的影響。

2　次洪徑流過程模擬

2.1研究區(qū)域概況

淮河流域上游大坡嶺水文站以上流域面積為1 631.22 km2,流域范圍為東經(jīng)113°16＇～113°49＇、北緯32°13＇～32°43＇(圖1),流域多年平均降雨量約950 mm,多年平均徑流深375 mm,受季風(fēng)影響,降水時(shí)空分布不均。年內(nèi)降水多集中在汛期(6—9月),汛期多年平均降水量為554.6 mm,占多年平均降水量的53.5%,流域內(nèi)以山區(qū)和丘陵為主,植被較好,水利工程不多。土地利用方式主要為林地和旱地,水稻為主要作物。

圖1　大坡嶺流域示意圖

2.2資料與處理

為分析土地利用模式變化對(duì)次洪的影響,收集了2期(1990s和2000s)全國1 km×1 km土地利用圖資料(表1),其中1990s以水田為主,2000s以旱地為主。選用美國國家地球物理中心的全球1 km基礎(chǔ)高程資料,DEM空間分辨率為30 m,應(yīng)用GIS軟件提取流域、水系及生成子流域,考慮流域降雨空間分布的不均勻,將流域柵格化。選用大坡嶺流域13個(gè)雨量站的實(shí)測降雨資料和周圍8個(gè)氣象站氣象資料,采用距離平方倒數(shù)法對(duì)降雨和氣象資料進(jìn)行插值;流量資料為大坡嶺水文站實(shí)測流量資料。降雨、氣象、流量均處理成時(shí)間步長為0.5 h 的時(shí)段數(shù)據(jù)。

表1　大坡嶺流域2個(gè)時(shí)期土地利用比例　%

2.3次洪徑流模擬結(jié)果

基于2期土地利用數(shù)據(jù)選用基于改進(jìn)的新安江模型以0.5 h為時(shí)間步長分別模擬淮河上游大坡嶺站以上流域1990s和2000s各11場次洪水過程,模型參數(shù)率定結(jié)果見表2,模擬的徑流深和洪峰流量相對(duì)誤差均在10%以內(nèi),確定性系數(shù)均達(dá)到0.8以上,峰現(xiàn)時(shí)間差均在2h以內(nèi),滿足模擬精度要求。

由表2可見,2000s與1990s相比,表層自由水蓄水容量偏小,表示表土蓄水能力減少,溢出多,地面徑流大,且多蓄于淺層,多產(chǎn)生壤中流,地下徑流減少,洪峰流量相對(duì)增大,說明2000s旱地增加、水田減少的土地利用模式改變導(dǎo)致次洪產(chǎn)水量增加,洪峰量增加;地面徑流消退系數(shù)偏小,說明旱地比水田退水速度更快;地下水消退系數(shù)偏少,說明旱地的地下水退水速度比水田要快。實(shí)際模擬中1990s平均徑流系數(shù)為0.46,2000s平均徑流系數(shù)為0.48,可見2000s次洪產(chǎn)水量增加,參數(shù)變化規(guī)律與實(shí)際產(chǎn)流情況相符合。

表2　大坡嶺流域不同土地利用模式下模型參數(shù)率定結(jié)果

表3　大坡嶺流域不同土地利用模式情景下次洪流量特性變化

3　土地利用變化對(duì)次洪影響的模擬與分析

3.1土地利用模式分析

表1 表明流域主要的土地利用類型是旱地、林地、水田,1990s和2000s之間主要的土地利用變化為旱地和水田之間的交叉。與1990s相比,2000s水田比例從27.23%減少到17.15%,旱地比例從30.38%增加到41. 81%,表明從1990s到2000s大坡嶺流域水田比例減少,旱地增加,土地利用類型發(fā)生了較大變化。土地利用類型的其他變化(如水體從 0.78% 增加到 1.32%) 由于所占比例一直較小且變化不大,所以可認(rèn)為其影響不大。

3.2不同土地利用模式對(duì)次洪影響模擬結(jié)果

選用大坡嶺流域2000s的11場次洪資料,在相同降雨條件下利用2種不同土地利用模式下的模型參數(shù),基于改進(jìn)的新安江模型以0.5 h為時(shí)間步長對(duì)土地利用變化前后(1990s和2000s)的次洪過程進(jìn)行模擬,計(jì)算結(jié)果見表3、4,并分析不同土地利用模式對(duì)次洪徑流量、 洪峰、 峰現(xiàn)時(shí)間、 徑流系數(shù)、徑流模式和徑流組成成分等徑流特性的影響。

3.3結(jié)果分析

在相同降雨條件下,2000s與1990s相比:①產(chǎn)流量較大,產(chǎn)流變化在2%～15%之間,平均變化幅度8.48%,說明在相同降雨條件下的單場洪水過程中旱地比水田的產(chǎn)流量大,且變幅不大不小;②洪峰流量較大,單場洪水流量變化幅度較大,例如20050710場洪水,在1990s土地利用模式下洪峰流量為3 066 m3/s,在2000s則為3 876 m3/s,相差810 m3/s,變幅很大。11場洪水變化比例在4%～21%之間,平均變化12%,可見同樣一場洪水不同下墊面條件下旱地更容易形成大洪水,且影響效果明顯,達(dá)到10%以上;③峰現(xiàn)時(shí)間提前,峰現(xiàn)時(shí)間差在0～2 h,平均在0.4 h,表明旱地更容易在一場降水后快速形成洪峰;④徑流系數(shù)偏大,1990s平均徑流系數(shù)0.43,2000s平均徑流系數(shù)0.47,相比增加0.04,各場洪水徑流系數(shù)變幅相差0.01～0.07之間,由此可見對(duì)于一場降雨來說,旱地產(chǎn)水徑流量較大;⑤徑流模數(shù)偏大,變化率在3%～15%之間,平均變化9.2%,由此可見同樣一場降雨,旱地在單位面積單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)流量更大;⑥直接徑流成分偏小,1990s直接徑流所占總徑流量的比例平均為76.4%,2000s減少到70.7%,減少了5.7%,地下徑流所占比重由1990s的23.6%增加到2000s的29.3%,由此可見水田變旱地直接徑流比例減少,地下徑流比例增加。

根據(jù)降水特性不同,特別選擇了20000602,20050710,20060728和20100717共4場洪水(圖2)。其中20000602,20050710這2場洪水的降雨總量居于平均水平,且雨量接近,但是強(qiáng)度、歷時(shí)等其他降水特性有顯著差異,可以比較不同雨型條件下土地利用變化對(duì)次洪特性的影響;20060728是最干旱年份的一次洪水過程,次洪降水總量僅為22.1 mm,20100717是降水量最多的一次洪水過程,次洪降水總量為319.8 mm,通過比較可以探尋不同降水程度下土地利用變化對(duì)次洪特性的影響。20050710場洪水(圖2(b))與20000602場洪水(圖2(a))相比,兩者降水總量相近,產(chǎn)流量相近,但是前者由于降雨強(qiáng)度大,歷時(shí)短,直接徑流比例大,洪峰流量亦大。在這兩場降雨情景下,2000s與1990s相比,20050710場次洪水模擬的徑流量、洪峰流量、徑流系數(shù)、徑流模數(shù)、地下徑流比例增加幅度更大。由此可見一般來說降雨時(shí)段分布越不均勻土地利用變化對(duì)次洪徑流過程影響程度越大。20100717場洪水(圖2(d))與20060728場洪水(圖2(c))相比,降水量大,產(chǎn)流大,洪峰流量大。在這兩場降雨情景下,2000s與1990s相比,20100717場模擬的次洪徑流量、洪峰流量、徑流系數(shù)、徑流模數(shù)增加幅度更大,由此可見一般來說降水量大,土地利用變化引起的徑流增加效應(yīng)更顯著,旱地的增加對(duì)徑流的影響越大。

圖2　洪水過程線

4　結(jié)　語

對(duì)淮河上游大坡嶺以上流域內(nèi)1990s和2000s2個(gè)時(shí)期的各11場洪水利用改進(jìn)的新安江模型以0.5 h為時(shí)間步長進(jìn)行模擬,并對(duì)相同降雨條件不同土地利用模式下次洪過程進(jìn)行分析,建立流域徑流系數(shù)、徑流模數(shù)等徑流特性對(duì)土地利用變化的響應(yīng)關(guān)系。與1990s相比,2000s土地利用模式中旱地增加,水田減少,相應(yīng)的次洪徑流量、洪峰流量、徑流系數(shù)、徑流模數(shù)和地下徑流比例均增加,峰現(xiàn)時(shí)間提前。研究成果可為拓展新安江模型在淮河流域水土流失模擬方面的應(yīng)用取得理論和方法上的突破,同時(shí)也將為淮河流域水土資源的開發(fā)利用和管理決策奠定科學(xué)基礎(chǔ)。研究方法對(duì)其他濕潤半濕潤地區(qū)也具有借鑒作用。

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Effects of land use change on flood events in upper reaches of Huaihe Basin

CHEN Yunyun1, 2, SONG Yun1, 2, LI Qiongfang1, 2, MA Junchao1, 2, JU Bin1, 2, ZENG Ming1, 2

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.InstituteofInternationalRiversResearchAcademy,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

In order to study different effects of land use patterns on runoff generation and quantitatively evaluate the influence of land use on the change of the ecological environment in the Huaihe Basin, we selected the Dapoling Hydrological Station in the upper reaches of the Huaihe Basin as the study area, and used the improved Xin’anjiang model to simulate the flood processes at a scale of half an hour based on land use, meteorological, and hydrological data from the 1990s and the 2000s. We also analyzed the influence of land use change on the flood events in the study area. The results show that, under constant conditions of precipitation, the runoff, peak discharge, runoff modulus, runoff coefficient, and groundwater runoff proportion all increased during the period from the 1990s to the 2000s.

upper reaches of Huaihe Basin; land use change; flood runoff; Xin’anjiang model

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.005

國家自然科學(xué)基金(41171220);國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAB03B03);水利部公益行業(yè)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201001069,201101052)

陳蕓蕓(1991—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)樗乃Y源。E-mail: laojiang0601@163.com

李瓊芳,教授。E-mail: 745289830@qq.com

P338+.1

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1004-6933(2016)05-0024-05

2016-01-03編輯：徐娟)