下墊面變化對(duì)流域洪水特性的影響分析

田傳沖 黃冬菁 馬海波

摘要：下墊面的改變直接影響流域的洪水特性。以山東省西北部的小清河中上流域?yàn)檠芯繉?duì)象，在利用SCS Curve Number方法對(duì)比計(jì)算1985年和2008年下墊面考慮坡度修正的曲線數(shù)（CN乏，）的基礎(chǔ)上，利用HEC-HMS模型模擬了兩種下墊面條件下的徑流，并分析量化了下墊面變化對(duì)研究區(qū)洪水特性的影響。結(jié)果表明：研究區(qū)2008年的建設(shè)用地面積比1985年增長(zhǎng)了112.22%，除8個(gè)子流域的CNZS值減小之外，其余41個(gè)子流域的CN2S值都不同程度增大，增幅為0.10%～32.33%；在相同降雨條件下，2008年的下墊面條件更容易產(chǎn)流，對(duì)于出流口而言，洪峰平均增大14.6%，洪量平均增加16.4%，峰現(xiàn)時(shí)間平均提前5h。

關(guān)鍵詞：下墊面；小清河流域；HEC-HMS模型；洪水特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TV122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.004

下墊面是多種因素的綜合體，主要是指流域的土地利用類(lèi)型、地形、地質(zhì)構(gòu)造、土壤和巖石性質(zhì)等情況[1]。聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署預(yù)測(cè)2050年世界人口的70%將生活在城市地區(qū)[2]，城市化進(jìn)程會(huì)使下墊面條件產(chǎn)生劇烈的變化，如土地利用類(lèi)型、土地覆蓋種類(lèi)等，從而影響流域的洪水特性。許多學(xué)者就城市化導(dǎo)致的下墊面變化對(duì)流域洪水特性的影響進(jìn)行了探索，結(jié)果表明：隨著城市化的快速發(fā)展，流域內(nèi)建設(shè)用地（居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)等）不斷擴(kuò)張，使相當(dāng)一部分面積為不透水表面覆蓋，而不透水面積的增大導(dǎo)致降雨入滲減少、降雨徑流響應(yīng)速度加快、小洪水重現(xiàn)期變短等現(xiàn)象，使得暴雨洪水風(fēng)險(xiǎn)大大增加[3-8]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)DEM、土壤類(lèi)型、遙感影像、雨量及次洪等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，首先利用SCS Curve Number方法定量評(píng)估不同下墊面條件的變化，然后根據(jù)其計(jì)算結(jié)果選用HEC-HMS水文模型模擬計(jì)算不同降雨在不同下墊面條件下的產(chǎn)匯流情況，進(jìn)而量化下墊面變化對(duì)洪水特性的影響，以期進(jìn)一步揭示下墊面變化對(duì)水文過(guò)程的影響機(jī)制，為科學(xué)合理地推進(jìn)城市化、防治城市洪澇災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)及決策支持。

1 研究區(qū)情況

1.1 研究區(qū)概況

把位于山東省西北部的小清河中上流域（岔河水文站以上）作為研究區(qū)，流域面積約為5450km2。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為617.2mm，主要集中于每年的6-9月，其降雨量約占全年的75.5%。研究區(qū)內(nèi)地勢(shì)南高北低、西高東低，海拔高程為5～892m（1956年黃海高程）（見(jiàn)圖1）。研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋受地形變化影響，南部高海拔地區(qū)主要是落葉闊葉林，中部低山丘陵區(qū)以用材林和經(jīng)濟(jì)林為主，平原地區(qū)的農(nóng)作物主要包括小麥、玉米、馬鈴薯等。

小清河作為流域內(nèi)的干流，是研究區(qū)內(nèi)重要的防洪排澇河道。由于地形特殊，因此研究區(qū)內(nèi)的支流絕大部分由南至北匯人小清河，呈典型的單側(cè)梳齒狀分布（見(jiàn)圖1）。研究區(qū)包括濟(jì)南、淄博、章丘、鄒平以及桓臺(tái)的全部或大部分地區(qū)，其城市化進(jìn)程始于20世紀(jì)80年代初期，90年代之后城市化進(jìn)程逐年加快，到2010年左右達(dá)到高峰[9]。在2007年遭遇嚴(yán)重的洪災(zāi)之后，政府加大了研究區(qū)內(nèi)防洪排澇工程的資金投入，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模治理，包括航道整治、水庫(kù)維護(hù)及蓄滯保護(hù)等[10]。

1.2 數(shù)據(jù)集

應(yīng)用的數(shù)據(jù)主要包括DEM、遙感影像、土壤類(lèi)型、雨量站及水文站的分布和雨量流量資料。研究區(qū)在2008年之后經(jīng)歷過(guò)大規(guī)模整治，為了保證匯流過(guò)程不會(huì)受到水利工程和骨干河網(wǎng)變化的較大影響，同時(shí)考慮研究區(qū)的城市化進(jìn)程及數(shù)據(jù)獲取的完整性、準(zhǔn)確性，本文選用的是2004年的30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)和1985年、2008年的兩期遙感數(shù)據(jù)，均可從地理空間數(shù)據(jù)云（www.gscloud.cn）上獲取。土壤類(lèi)型分布根據(jù)山東省第二次土壤普查資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)繪制。雨量站、水文站位置及對(duì)應(yīng)的19800628、19820616、1983072719840713、19850811、20060626、20060803、20070718、20070815、20080717共10場(chǎng)次洪的雨量、流量資料均通過(guò)中國(guó)水文年鑒中的黃河流域水文資料進(jìn)行獲取分析。

2 模型介紹

2.1 SCS Curve Number計(jì)算方法

Curve Number（CN）值是反映流域降雨前下墊面特征的一個(gè)綜合無(wú)因次參數(shù)，它與流域前期土壤濕潤(rùn)程度（AMC）、土地利用狀況、坡度、土壤類(lèi)型等有關(guān)。SCS CN計(jì)算方法根據(jù)次降雨前的5d總降雨量將流域土壤濕潤(rùn)程度（AMC）劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個(gè)等級(jí)。同時(shí)，考慮土地利用、土壤類(lèi)型等因素，給出了AMC Ⅱ條件下流域的CN2值賦值標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)式（1），可將AMCⅡ條件下的CN2值換算成AMCⅠ和AMCⅢ條件下的CN1，CN3值：

CN1=CN2-

20×（100-CN2）

100-CN2+exp[2.533-0.0636×（100-CN2）]

CN3=CN2×exp[0.0673×（100-CN2）]

（1）式中：CN1、CN2、CN3分別為AMCⅠ、Ⅱ、Ⅲ條件下未考慮坡度的曲線數(shù)。

由于研究區(qū)高程變化明顯，子流域的平均坡度不等，因此根據(jù)式（2）對(duì)CN2值進(jìn)行坡度修正，計(jì)算得到各子流域CN2s：式中：CN2S為坡度調(diào)整后AMCⅡ條件下的徑流曲線數(shù)；s為子流域平均坡度，%。

2.2 HEC-HMS模型

選用由美國(guó)陸軍工程師團(tuán)水文工程中心開(kāi)發(fā)研制的The Hydrologic Engineering Centers HydrologicalModel System （HEC-HMS）來(lái)模擬計(jì)算研究區(qū)的徑流過(guò)程。HEC-HMS為半分布式水文模型，其基本原理是將研究流域劃分成若干子流域，對(duì)每一個(gè)子流域在根據(jù)其自身下墊面條件估算有關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行降雨徑流過(guò)程模擬計(jì)算，然后將各子流域的計(jì)算結(jié)果演算到流域出口處，進(jìn)而得到整個(gè)流域的降雨徑流過(guò)程[11-12]。HEC-HMS模型包括流域模塊、控制設(shè)置模塊、氣象模塊及數(shù)據(jù)輸入模塊（見(jiàn)圖2）。HEC-GeoHMS嵌入在ArcGIS之中，可以對(duì)DEM、土地利用及土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。HEC-DSSVue為模型對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件，方便模型的數(shù)據(jù)調(diào)用。

流域模塊是HEC-HMS模型的核心，為模擬計(jì)算流域的產(chǎn)匯流過(guò)程，該模塊提供一套水文建模選項(xiàng)，可根據(jù)流域的具體特性和數(shù)據(jù)資料來(lái)進(jìn)行選擇。本文選用反距離平方加權(quán)計(jì)算法（Inverse distance）來(lái)計(jì)算流域內(nèi)降雨量；選用SCS CN方法計(jì)算流域的產(chǎn)流，因?yàn)镃N值不僅可以對(duì)流域的下墊面情況進(jìn)行定量描述，而且還方便對(duì)下墊面的變化進(jìn)行對(duì)比分析；選用Snyder單位線法計(jì)算流域的坡面匯流；選用馬斯京根法進(jìn)行河道匯流計(jì)算；選用退水曲線法進(jìn)行基流計(jì)算；跟眾多研究相似，流域的蒸散發(fā)損失相對(duì)于暴雨洪水時(shí)的徑流量可忽略不計(jì)[13-14]。

3 模型構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)處理

3.1.I DEM處理

考慮到人類(lèi)活動(dòng)的影響，基于研究區(qū)2004年的實(shí)際水系圖，首先利用HEC-GeoHMS中的“DEM Recon-ditioning"命令對(duì)初始DEM進(jìn)行修正，同時(shí)根據(jù)流域出口（岔河水文站）的設(shè)定，將研究區(qū)劃分為49個(gè)子流域（見(jiàn)圖3），并對(duì)各子流域進(jìn)行平均坡度計(jì)算；然后利用HEC-GeoHMS對(duì)DEM進(jìn)行進(jìn)一步水文分析，建立研究區(qū)HEC-HMS基本模型（見(jiàn)圖4）。

3.1.2 遙感影像處理

相比其他遙感解譯軟件，ENVI不僅可以對(duì)遙感影像進(jìn)行精確解譯，而且還可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS，利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，方便用戶的數(shù)據(jù)分析。研究區(qū)土地利用分類(lèi)參考中國(guó)土地資源分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合SCS CN方法進(jìn)行綜合考慮，具體劃分為耕地、建設(shè)用地、林地、水域及草地5類(lèi)。由于研究區(qū)的兩期遙感影像分屬不同的兩景，考慮到不同景影像拍攝的時(shí)相可能會(huì)導(dǎo)致影像色彩有所區(qū)別，因此首先對(duì)不同景的影像進(jìn)行解譯，然后再進(jìn)行轉(zhuǎn)換拼接，進(jìn)而分別得到研究區(qū)1985年、2008年的土地利用圖（見(jiàn)圖5）。

3.1.3 土壤數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)的土壤分為褐土、黃壚土和潮土（見(jiàn)圖6），其與SCS CN方法中的土壤類(lèi)別不太相同，為了保持一致，方便CN值的計(jì)算，需將研究區(qū)的土壤類(lèi)型根據(jù)其不同屬性進(jìn)行重分類(lèi)（見(jiàn)表1，其中D、A均為SCSCA方法中的土壤分類(lèi)代號(hào)）。

3.1.4 雨量流量資料處理

研究區(qū)內(nèi)雨量站和水文站的分布在1985-2008年變化很?。ㄒ?jiàn)圖7）?？紤]實(shí)測(cè)雨量、流量資料的完整性和可獲取性，同時(shí)為保證次降雨均處于AMCⅡ情況下，針對(duì)1985年下墊面條件選擇了19800628、19820616、19830727、19840713及19850811共5場(chǎng)次洪過(guò)程，針對(duì)2008年下墊面條件選擇了20060626，20060803、20070718、20070815及20080717共5場(chǎng)次洪過(guò)程（見(jiàn)表2）。實(shí)測(cè)降雨徑流時(shí)間序列數(shù)據(jù)大部分是不規(guī)則的，利用HEC-DSSVue中的數(shù)學(xué)函數(shù)功能可以對(duì)不規(guī)則的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間插值，進(jìn)而轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔同為1h的雨量和流量數(shù)據(jù)。

3.2 模型率定與驗(yàn)證

將計(jì)算出來(lái)的各子流域的兩期CN2S值分別錄人HEC-HMS模型基本文件，即可分別建立基于1985年和2008年下墊面條件的HEC-HMS模型，再根據(jù)對(duì)應(yīng)選擇的次洪過(guò)程，便可分別對(duì)模型進(jìn)行率定與驗(yàn)證，具體參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。若僅考慮CN，則說(shuō)明研究區(qū)的產(chǎn)流能力變強(qiáng)；若僅考慮im，則說(shuō)明研究區(qū)的直接徑流量增大；若僅考慮tp，則說(shuō)明研究區(qū)的匯流速度變大；若僅考慮Qp則說(shuō)明研究區(qū)的洪峰損失變小，峰值變大；若僅考慮K，則說(shuō)明研究區(qū)的河道匯流速度變快。

為了對(duì)實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行量化比較，保證參數(shù)率定驗(yàn)證的正確性，利用式（3）中的評(píng)價(jià)指標(biāo)——洪量相對(duì)誤差（Dv）、洪峰流量相對(duì)誤差（Dp）、峰現(xiàn)時(shí)間誤差（△T）及確定性系數(shù)（E）對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行約束（見(jiàn)表4）。

Dp=（Qsp-Qop）/Qop×100（3）

ΔT=Tsp-Top式中：Qoi、Qsi分別為i時(shí)刻徑流的實(shí)測(cè)值和模擬值，m3/S；Qop、Qsp分別為時(shí)間段內(nèi)實(shí)測(cè)和模擬的洪峰流量值，m3/S；Top、Tsp分別為時(shí)間段內(nèi)實(shí)測(cè)和模擬的峰現(xiàn)時(shí)間；Qo為時(shí)間段內(nèi)實(shí)測(cè)流量的平均值，m3/s。

基于1985年下墊面條件的HEC-HMS模型，對(duì)于其率定期的3場(chǎng)洪水，E均大于0.850，平均值為0.913；Dv和Dp的絕對(duì)值平均值均小于10%；ΔT的絕對(duì)值平均值為1h。對(duì)于驗(yàn)證期的兩場(chǎng)洪水，模型計(jì)算結(jié)果和率定期的基本類(lèi)似，Dv和Dp的絕對(duì)值平均值略有增大，但也均在合理范圍之內(nèi)?；?008年下墊面條件的HEC-HMS模型，對(duì)于其率定期的3場(chǎng)洪水，E均大于0.850，平均值為0.917；Dv和Dp的絕對(duì)值平均值均小于10%；ΔT的絕對(duì)值平均值為2h。對(duì)于驗(yàn)證期的兩場(chǎng)洪水，模i卿計(jì)算結(jié)果和率定期的也基本類(lèi)似，Dv的絕對(duì)值平均值略有增大，但也在合理范圍之內(nèi)。

總體來(lái)說(shuō)，基于1985年和2008年下墊面條件構(gòu)建的HEC-HMS模型，其率定和驗(yàn)證結(jié)果均能滿足要求，可以較好地模擬研究區(qū)的降雨徑流過(guò)程，利用其模擬不同降雨所產(chǎn)生的徑流過(guò)程，具有一定的可靠性和合理性。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 土地利用及子流域CN2S值變化分析

根據(jù)ENVI的解譯結(jié)果，可分析計(jì)算出研究區(qū)1985-2008年土地利用變化情況（見(jiàn)圖8）。1985年以來(lái)研究區(qū)受人類(lèi)活動(dòng)影響強(qiáng)烈，建設(shè)用地面積由1138.84km2增長(zhǎng)為2 416.82km2，增長(zhǎng)112.22%，這與實(shí)際的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相一致。耕地面積由2262.35km2縮減為1538.06km2，縮小32.01%；草地面積由1521.62km2縮減為879.89km2，縮小42.17%，城市化與耕地、草地保護(hù)之間的矛盾日益突出。研究區(qū)內(nèi)水庫(kù)、湖泊等的建設(shè)使水域面積由47.13km2增長(zhǎng)為63.22km2，增長(zhǎng)34.14%，這與流域防洪的需求相一致。研究區(qū)內(nèi)的林地面積由481.10km2增長(zhǎng)到554.17km2，增長(zhǎng)15.19%，這反映了研究區(qū)內(nèi)退耕還林、恢復(fù)森林植被等措施實(shí)施效果良好。

考慮研究區(qū)土地利用、土壤類(lèi)型、地形坡度等因素，在計(jì)算各子流域CN2S值的基礎(chǔ)上，可對(duì)比分析其從1985年至2008年的變化情況（見(jiàn)圖9）。子流域CN2S值變化率從-8.08%至32.33%n不等，平均增長(zhǎng)率為4.78%，平均增加3.1%。CN2S值負(fù)增長(zhǎng)的子流域包括B1、B2、B3、B5、B7、B8、B22、B24，8個(gè)子流域均位于小清河沿岸不Nzs值減小的主要原因是這些區(qū)域進(jìn)行過(guò)綜合整治，被開(kāi)發(fā)為濕地公園，子流域內(nèi)建設(shè)用地、耕地面積減小，草地、林地面積增加。CNZs值增長(zhǎng)率介于0～5%的子流域個(gè)數(shù)為26個(gè)，占子流域總數(shù)的53.1%。CN2S值增長(zhǎng)率大于5%的子流域主要集中在濟(jì)南市區(qū)、淄博市區(qū)以及鄒平和章丘的中部，這也是城市化后建設(shè)用地增大的必然結(jié)果。

4.2 下墊面變化對(duì)研究區(qū)洪水特性的影響分析

將20060626、20060803、20070718、20070815、20080717共5場(chǎng)次降雨數(shù)據(jù)調(diào)入1985年下墊面條件下的HEC-HMS模型，可模擬“未來(lái)"5次降雨在1985年下墊面條件下的產(chǎn)流（見(jiàn)圖10）。將19800628、19820616，19830727、19840713、19850811共5場(chǎng)次降雨數(shù)據(jù)調(diào)入2008年下墊面條件下的HEC-HMS模型，可模擬計(jì)算過(guò)去5次降雨在2008年下墊面條件下的產(chǎn)流（見(jiàn)圖11）。

根據(jù)所選10次降雨在不同下墊面條件的徑流模擬結(jié)果，可得研究區(qū)30余a來(lái)下墊面變化對(duì)次洪特性的影響（見(jiàn)表5）：①對(duì)于洪峰流量，除19820616次降雨在2008年下墊面條件下的洪峰流量比在1985年下墊面條件下的小之外，其他9場(chǎng)降雨在2008年下墊面條件下的洪峰流量均比在1985年下墊面條件下的大，增幅為9.3%～35.3%，10場(chǎng)降雨的平均增長(zhǎng)率為14.6%。②對(duì)于洪量，10場(chǎng)降雨在2008年下墊面條件下的洪量均比在1985年下墊面條件下的大，增幅為0.3%～41.0%，平均增長(zhǎng)率為16.4%；③對(duì)于峰現(xiàn)時(shí)間，10場(chǎng)降雨在2008年下墊面條件下的峰現(xiàn)時(shí)間均比在1985年下墊面條件下的提前，平均提前5h。

10場(chǎng)降雨在兩種下墊面條件下模擬的次洪特性的變化值均不相同，可以認(rèn)為次洪的基本特性除受下墊面的影響之外，降雨（強(qiáng)度、空間分布、持續(xù)時(shí)間等）影響也較大?？傮w來(lái)說(shuō)，1985年之前，研究區(qū)內(nèi)城市化活動(dòng)尚未大規(guī)模展開(kāi)，流域的滯蓄能力相對(duì)較強(qiáng)，不透水面積所占比重較小；經(jīng)過(guò)大規(guī)模城市化之后，研究區(qū)內(nèi)土地利用類(lèi)型的比例發(fā)生變化，不透水面積比重和CN2S值增大，導(dǎo)致同樣降雨條件下所產(chǎn)生的洪峰變大、洪量增大、峰現(xiàn)時(shí)間提前。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)共劃分為49個(gè)子流域，CN巧值平均增長(zhǎng)率為4.78%，其中：41個(gè)子流域的CNZs值有不同程度增大，增幅為0.10%～32.33%，增幅大于5%的主要集中在濟(jì)南市區(qū)、淄博市區(qū)等處，是城市化后建設(shè)用地增大的結(jié)果川Nzs值減小的子流域主要分布在小清河

（2）利用洪量的相對(duì)誤差Dv、洪峰流量的相對(duì)誤差Dp、峰現(xiàn)時(shí)間誤差OT以及確定性系數(shù)E共4個(gè)指標(biāo)同時(shí)對(duì)1985年和2008年下墊面條件下的HEC-HMS模型進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果表明經(jīng)率定驗(yàn)證后的模型均能較好地模擬研究區(qū)的降雨徑流過(guò)程，構(gòu)建的模型在研究區(qū)有較好的適用性。利用其模擬不同降雨產(chǎn)生的徑流過(guò)程，具有一定的可靠性和合理性。

（3）根據(jù)10場(chǎng)降雨在兩種下墊面條件下徑流的的模擬結(jié)果，可知相對(duì)于1985年下墊面，2008年下墊面條件更容易產(chǎn)流，洪量平均增大16.4%、洪峰平均增大14.6%、峰現(xiàn)時(shí)間平均提前5h?？傮w來(lái)說(shuō)，研究區(qū)在1985年之前，城市化活動(dòng)尚未大規(guī)模展開(kāi)，不透水面積所占比重較小，滯蓄能力相對(duì)較強(qiáng)；經(jīng)過(guò)大規(guī)模城市化之后，土地利用類(lèi)型的比例發(fā)生變化，不透水面積比重增大，流域的CN器值增大，導(dǎo)致同樣降雨條件下所產(chǎn)生的洪量增大、洪峰變大、峰現(xiàn)時(shí)間提前。

（4）對(duì)于研究區(qū)子流域，由于降雨空間分布及下墊面自身情況的不同，因此其表現(xiàn)出來(lái)的徑流響應(yīng)是不同的。在本文基礎(chǔ)上分析下墊面變化對(duì)子流域徑流響應(yīng)特性正、負(fù)效應(yīng)的影響，闡明子流域降雨量、直接徑流量、下墊面變化之間的關(guān)系，將是筆者下一步的研究?jī)?nèi)容。

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