城鎮(zhèn)化下流域不透水面擴(kuò)張對洪峰的影響*
——以南京秦淮河為例

孫延偉,許有鵬,高 斌,王 強(qiáng)，李升峰

(南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210023)

城市化是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢，城市地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)和人口高度集中. 快速城市化導(dǎo)致以瀝青、水泥路面和墻體等為代表的不透水面大規(guī)模擴(kuò)張，取代了透水性較好的林地和草地等自然下墊面，改變了區(qū)域水文循環(huán)過程. 隨著城市化地區(qū)暴雨洪水事件頻發(fā)，洪澇災(zāi)害威脅增大，探討城市化暴雨洪水過程影響成為了水文、地理和大氣等學(xué)科關(guān)注的熱點及前沿科學(xué)問題之一[1-3].

針對城市化背景下的暴雨洪水頻發(fā)等問題，國內(nèi)外學(xué)者主要基于觀測實驗[4-6]和數(shù)值模擬[7-8]等方面開展研究. 從流域整體上的洪水過程響應(yīng)來看，相關(guān)研究結(jié)果均表明城市化過程中不透水面的不斷擴(kuò)張影響了雨水截留、下滲、蒸發(fā)等產(chǎn)匯流過程，從而導(dǎo)致了洪峰流量增大、洪量增多和匯流速度加快[9-14]. 其中針對城市化下不透水面率的洪水效應(yīng)，國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為隨著不透水率的增加，洪峰流量和洪量變化顯著并呈線性增長關(guān)系[15-17]. 然而，由于氣象和下墊面條件分布的不均勻性，洪水響應(yīng)在流域空間上也存在一定差異性[18-19]. 隨著水文觀測資料的豐富以及分布式水文模型的發(fā)展，相關(guān)學(xué)者進(jìn)一步探討了城市化空間格局對洪水的影響. 相關(guān)研究表明流域內(nèi)部相比流域出口的城市化帶來的洪水差異更為顯著[20]，其中流域上游城市化的影響尤為突出[21-22]. 深入系統(tǒng)研究不透水面對洪水的影響對于城鎮(zhèn)化的合理發(fā)展、水資源管理和防洪減災(zāi)都具有重要的意義，但由于城市化地區(qū)洪水響應(yīng)的復(fù)雜性，城市化的空間擴(kuò)張格局對洪水的影響機(jī)制尚不明確[6]，其中不透水面積與洪水特性關(guān)系的深層次規(guī)律還有待進(jìn)一步揭示.

因此，本文以長三角地區(qū)典型城市化流域——南京秦淮河流域為例，基于流域水文模擬模型，考慮流域不透水面擴(kuò)張的不同情景，重點研究城市化空間格局的洪水效應(yīng)差異，分析不透水面擴(kuò)張發(fā)生在流域不同位置時對流域洪峰增長的影響，揭示秦淮河流域不透水面積與洪水特征之間的關(guān)系，研究結(jié)果將為秦淮河流域及類似快速城市化地區(qū)防洪減災(zāi)和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)概況

秦淮河流域地處長江下游三角洲地區(qū)，整個流域呈扇形，流域面積約為2631 km2. 流域位于亞熱帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為15.4℃，降水豐沛(圖1)，年降水量在1988-2015年間總體呈增加趨勢，年均降水量1131.84 mm. 流域雨季時間較長，有3個明顯多雨期，分別為4月-5月上旬，6月下旬-7月上旬的梅雨期及8-9月[23]. 秦淮河有溧水河和句容河兩源，在南京市江寧區(qū)匯合為秦淮河干流，干流在江寧區(qū)東山鎮(zhèn)發(fā)生分流，流域為雙出口流域，東側(cè)支流由武定門出水口匯入長江，西側(cè)支流為人工開鑿河流秦淮新河，在秦淮新河閘出水口入長江. 流域內(nèi)大部分河道為山丘河道，上游支流眾多且多分布在山區(qū)，暴雨后流量漲幅較大，匯流速度快，中下游地區(qū)由于地勢平坦，內(nèi)澇難排，防洪壓力大. 流域洪澇災(zāi)害主要受氣象因素、水系特征、過境洪水、地形條件等自然因素和包括下墊面變化、河道整治和閘泵圩垸等在內(nèi)的人類活動的共同影響[24-26]，本文的目標(biāo)是探討在秦淮河流域城市化快速崛起的背景下，不透水面擴(kuò)張對洪水洪峰流量帶來的影響.

圖1 研究區(qū)位置(a)和降水量(b)Fig.1 Location of study area (a) and the amount of precipitation (b)

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文選取1996-2015年間發(fā)生的10場涵蓋不同量級大小的暴雨洪水事件，各場次洪水過程的持續(xù)時間為2～12天不等. 降雨站點為前垾村、天生橋閘等7個雨量站，數(shù)據(jù)間隔為小時尺度；徑流量數(shù)據(jù)為秦淮新河閘和武定門閘兩個站點的徑流量作為整個流域的徑流實測資料. 數(shù)字高程模型(DEM)來源為地理空間數(shù)據(jù)云平臺，并根據(jù)流域DEM數(shù)據(jù)與水系資料將秦淮河流域劃分成19個子流域. 土地利用數(shù)據(jù)來源于解譯流域1988-2015年間的8幅Landsat系列的TM、ETM+和OLI遙感影像，結(jié)合遙感影像地物光譜并考慮流域內(nèi)土地利用實際現(xiàn)狀利用決策樹分類法進(jìn)行不透水面的提取[27]，不透水面是指由各種不透水建筑材料所覆蓋的表面，如由瓦片、瀝青、水泥混凝土等材料構(gòu)成的屋頂、道路和廣場.

2.2 研究方法

2.2.1 秦淮河流域水文模型建立 基于HEC-HMS(hydrologic engineering center’s hydrologic modeling system)水文模擬模型，根據(jù)秦淮河流域?qū)嶋H情況構(gòu)建了秦淮河流域水文模型，主要由流域模塊、氣象模塊、時間序列數(shù)據(jù)模塊和控制運行模塊組成，將降雨徑流的形成過程分為降雨損失、直接徑流、基流、河道匯流4個部分. 模型考慮了秦淮新河閘和武定門閘流域雙出口的處理，同時對流域內(nèi)較大的圩垸考慮其運行規(guī)則綜合到模型中[28]，以反映流域的實際情況. 由于初損后損法計算模型產(chǎn)流適用于短歷時強(qiáng)降雨、洪峰為單峰的情況，Snyder單位線法、馬斯京根法、退水曲線法參數(shù)較少，易于建立和使用，且在洪澇模擬方面已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用[29-30]，因此本研究中根據(jù)流域情況產(chǎn)流計算采用初損后損法，河道匯流演算選用馬斯京根法，直接徑流采用Snyder單位線法，基流采用退水曲線法.

2.2.2 模型率定和檢驗 流域水文模型需要率定的參數(shù)包括流域滯時、峰值系數(shù)、衰減系數(shù)、峰值比R、蓄量常數(shù)K和流量比重X等(表1，2). 模型依據(jù)秦淮河流域的實測數(shù)據(jù)資料，在已有研究基礎(chǔ)上[8,19]，采用人工

表1 各子流域率定參數(shù)

表2 河道匯流率定參數(shù)

試錯法對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化率定和檢驗. 首先將10場洪水隨機(jī)分成兩組，以其中4場洪水?dāng)?shù)據(jù)來率定模型參數(shù)，然后利用其余6場洪水實測數(shù)據(jù)檢驗參數(shù)，得到模型率定與檢驗結(jié)果(表3)，部分場次洪水的模擬過程與實測過程比較見圖2. 可以發(fā)現(xiàn)，率定期內(nèi)的4場洪水模擬結(jié)果的納什系數(shù)平均為0.82，相關(guān)系數(shù)(R2)平均達(dá)到0.86；檢驗期6場洪水模擬結(jié)果的納什系數(shù)平均為0.83，相關(guān)系數(shù)平均為0.87，總體模型驗證效果較好.

表3 洪水事件的模型率定及檢驗結(jié)果

圖2 部分場次洪水模擬過程與實測過程的比較Fig.2 Comparison between simulated and measured flood processes of some stations

3 結(jié)果與討論

3.1 流域不透水面擴(kuò)張的時空變化分析

近30年來，秦淮河全流域不透水面顯著擴(kuò)張，不透水率從3.92%增長到19.11%(表4). 全流域在2006-2015年的不透水面年均增長率為6.19%，大于2006年之前；研究區(qū)內(nèi)各行政單元的城市化進(jìn)程也有所差異，圖3為研究時段內(nèi)各行政單元不透水面擴(kuò)張的空間分布情況：南京城區(qū)和江寧區(qū)在1988-2006年間不透水面的擴(kuò)張明顯，年均增長率為8.04%，2006年之后不透水面雖然持續(xù)擴(kuò)張，但年均增長率略有下降，為5.44%；而溧水區(qū)和句容市在2006年之前不透水面的擴(kuò)張則較慢，從2006年開始不透水面擴(kuò)張速度顯著加快，且年均增長率超過了南京城區(qū)和江寧區(qū). 南京城區(qū)和江寧區(qū)作為城市化進(jìn)程開始較早的區(qū)域，隨著未來不透水面漸趨飽和，其擴(kuò)張速度可能會繼續(xù)放緩，而溧水區(qū)和句容市還處于城鎮(zhèn)化較早時期，未來不透水面擴(kuò)張潛力較大.

表4 秦淮河流域歷年不透水率及不透水面年均增長率統(tǒng)計

圖3 1988-2015年流域不透水面空間分布Fig.3 Spatial distribution of impervious surface in the basin from 1988 to 2015

3.2 不透水面擴(kuò)張對洪峰的影響

3.2.1 全流域的不透水面擴(kuò)張對洪峰的影響 為分析近30年來不透水面擴(kuò)張對流域洪峰帶來的影響，利用1988-2015年間的1988、1994、2001、2006、2009、2011、2013和2015年8期土地利用構(gòu)建只有不透水面積隨年份變化，非不透水面保持1988年結(jié)構(gòu)相應(yīng)減少的8個不透水面擴(kuò)張情景，以此保證流域洪峰的變化僅受到不透水面擴(kuò)張影響. 模擬10場洪水在上述城市化情景下的洪水過程結(jié)果，得到不同年份情景下10場洪水的平均洪峰流量(圖4)，同時再根據(jù)10場洪水在1988年土地利用情景下的洪峰流量大小進(jìn)行分級，將洪峰在700 m3/s以上的洪水劃分為大洪水事件，洪峰小于700 m3/s的洪水劃分為小洪水事件，分析不同量級洪水在不同年份不透水面情景下的洪峰及其與1988年洪峰相比的漲幅，結(jié)果見表5.

圖4 1988-2015年8個不透水面擴(kuò)張情景下 10場洪水平均洪峰流量變化Fig.4 Changes in average peak discharge of 10 floods under 8 urbanization scenarios from 1988 to 2015

在不透水面擴(kuò)張的情況下，10場洪水的洪峰均呈現(xiàn)增長趨勢(表5)，在2015年不透水面情景下的10場洪水洪峰相較于1988年平均增加了27.21%，說明不透水面的擴(kuò)張會使流域洪峰流量顯著增加. 全流域不透水面的擴(kuò)張對不同量級洪水的影響有明顯的差異，當(dāng)不透水面增加相同幅度時，小洪水對不透水面擴(kuò)張響應(yīng)的敏感度較高，2015年不透水面情景下的洪峰相較于1988年平均漲幅達(dá)到31.96%；而大洪水的敏感度則低于小洪水，平均漲幅為22.45%. 同時由圖4可知，在2006年前后洪峰流量增速有明顯變化，前期年均增長率為0.67%，后期為1.24%，2006-2015年的洪峰流量增長速度明顯大于1988-2006年. 這與全流域不透水面擴(kuò)張速度的變化趨勢一致，全流域在2006-2015年的不透水面年均增長率大于2006年之前，可見伴隨著整個秦淮河流域的不透水面擴(kuò)張，城市化后期帶來的洪峰增長速度大于城市化初期.

表5 不同量級洪水的洪峰漲幅對比

3.2.2 不透水面擴(kuò)張分布位置對洪峰的影響 進(jìn)一步分析秦淮河流域不透水面擴(kuò)張的分布位置對洪水的影響差異，首先根據(jù)流域各支流主要匯水單元，按照溧水河流域、句容河流域和主干河流域?qū)⑶鼗春恿饔騽澐譃?個流域單元(圖5)，分析不透水面擴(kuò)張發(fā)生在流域上、下游時對洪峰影響的差異. 利用1988-2015年間不透水面空間分布數(shù)據(jù)，實現(xiàn)下述3種不透水面擴(kuò)張情景下的洪水洪峰變化情況分析，即：不透水面擴(kuò)張分別只發(fā)生在溧水河流域、句容河流域和下游主干河流域，且在相應(yīng)單元內(nèi)只發(fā)生不透水面的擴(kuò)張，其他單元內(nèi)不透水面則保持1988年的情形不變.

圖5 上下游空間格局劃分Fig.5 Spatial pattern division of upper and lower reaches

模擬10場洪水在上述情景下墊面狀況下的洪水過程(表6)，可以發(fā)現(xiàn)：1988-2015年間各流域單元的不透水面擴(kuò)張均導(dǎo)致洪峰流量的增加. 在控制只有1個單元發(fā)生不透水面擴(kuò)張時，近30年來下游主干河流域的城市化帶來的洪峰漲幅最為顯著，10場洪水洪峰的漲幅平均為14.98%；句容河流域次之，城市化帶來的洪峰流量平均增長6.34%；溧水河流域最低.

然而各單元不透水面擴(kuò)張帶來的洪峰漲幅與其不透水面增長幅度并不一致(表6). 如下游主干河流域的不透水面增加量約為句容河流域的3倍多，但其對應(yīng)的洪水的洪峰流量平均漲幅僅為句容河流域的兩倍多，可見各流域單元城市化對洪水要素的影響大小不僅與其不透水面積增長量有關(guān)，可能還受到不透水面分布位置的影響.

表6 各流域單元洪峰流量平均漲幅與不透水面積變化對比

在1988-2015年研究時段內(nèi)，秦淮河流域兩河源地區(qū)和下游主干河流域的洪峰流量與不透水面積均呈線性增長關(guān)系(圖6). 溧水河流域、句容河流域的單位不透水面擴(kuò)張的洪峰漲幅十分接近，且均顯著大于下游主干河流域，即兩河源流域的單位面積不透水面擴(kuò)張的洪峰效應(yīng)更為顯著，為流域洪峰的主要貢獻(xiàn)區(qū)，大于流域出口處的單位面積不透水面擴(kuò)張帶來的洪峰效應(yīng).

圖6 流域空間格局情景下不透水面 面積和洪峰流量變化Fig.6 Changes in impervious surface area and flood peak discharge under the spatial pattern of the basin

洪峰在空間上對不透水面變化的響應(yīng)差異與產(chǎn)匯流特性有關(guān)，上游地區(qū)的不透水面積增加導(dǎo)致地表徑流增大，匯流至出口處加大了洪峰流量，而下游主干河流域增加的地表徑流很快匯入出口斷面，致使洪峰流量響應(yīng)減弱. 這與Marsh等、Shuster等和李倩的研究結(jié)論一致[21-22,31]，更靠近流域源頭的城市開發(fā)對洪水的影響尤為明顯，大于流域下游地區(qū)城市化的洪水效應(yīng). 同時因為秦淮河流域內(nèi)溧水河源和句容河源流域主要地形為丘陵山區(qū)，下游主干河流域主要位于平原地區(qū)，可能由于山區(qū)特殊的地形地貌特點，洪水來臨時往往流速較大[32]. 曾杉通過實驗發(fā)現(xiàn)隨著溝道坡度的增加，各重現(xiàn)期下洪峰流量有明顯增大的趨勢[33]，秦淮河流域的地形特征可能加劇了洪峰對上下游不透水面變化的響應(yīng)差異.

因此對秦淮河流域來說，其上游溧水河和句容河兩河源流域的單位面積不透水面擴(kuò)張對洪峰影響大于下游主干河流域，而兩河源流域還處于城市化和不透水面擴(kuò)張的早期，自2006年以來不透水面擴(kuò)張速度較快，擴(kuò)張潛力較大，未來洪峰增長潛力較大，給秦淮河流域帶來一定的防洪壓力，因此在城市化過程中應(yīng)更加注意結(jié)合其發(fā)展制定防洪減災(zāi)與可持續(xù)發(fā)展對策.

3.3 不同量級洪水對流域不透水面空間擴(kuò)張的響應(yīng)差異

由3.2.1節(jié)分析可知1988-2015年全流域的不透水面擴(kuò)張對不同量級洪水的影響有差異，小洪水在2015年不透水面情景下的洪峰相較于1988年平均漲幅大于大洪水. 為分析不同量級洪水對秦淮河流域不同位置上的不透水面擴(kuò)張的敏感度差異，分別計算了當(dāng)不透水面擴(kuò)張只發(fā)生在溧水河流域、句容河流域和主干河流域時大、小洪水與1988年相比的洪峰漲幅隨不透水面積的變化情況(圖7).

圖7 流域空間格局情景下不同量級洪水洪峰流量變化Fig.7 Changes in flood peak discharge of different magnitudes under the spatial pattern of the basin

當(dāng)不透水面擴(kuò)張發(fā)生在溧水河流域、句容河流域和主干河流域不同位置時，研究時段內(nèi)大、小洪水的洪峰漲幅與不透水面積均呈線性正相關(guān)關(guān)系，且下游主干河流域的大、小洪水洪峰漲幅差距略大于溧水河流域、句容河流域. 對于秦淮河全流域及不同位置的不透水面擴(kuò)張情景，均發(fā)現(xiàn)小洪水的洪峰漲幅大于大洪水的漲幅，這主要是由于洪水過程是受氣象因素和下墊面共同作用的結(jié)果[34]，而大洪水是氣象因素占主導(dǎo)，從而弱化了下墊面不透水面積的作用，因此當(dāng)不透水面增加相同幅度時，大洪水對土地利用變化響應(yīng)的敏感度低于小洪水. Du等和Kaspersen等[15,35]的研究也都得出城市化對小洪水影響更大的結(jié)論，并認(rèn)為其原因主要是規(guī)模較大的洪水一般有強(qiáng)度大與持續(xù)時間長的降雨條件，降雨強(qiáng)度遠(yuǎn)超出土壤的下滲能力，使降雨事件后期土壤的性質(zhì)類似于不透水面，從而弱化了不透水面積大小對大洪水的影響.

4 結(jié)論

1)隨著城市化的快速發(fā)展，秦淮河全流域不透水面顯著擴(kuò)張，其中溧水區(qū)和句容市近年來不透水面擴(kuò)張速度明顯加快，超過了南京城區(qū)和江寧區(qū)；全流域的不透水面擴(kuò)張情景下洪水洪峰流量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，2015年城市化情景下的10場平均洪峰流量相比于1988年增長27.21%，伴隨著不透水面擴(kuò)張，洪澇威脅日益加劇.

2)在全流域不透水面擴(kuò)張的影響下，研究時段內(nèi)在2006年前后的洪峰年均增長率有明顯變化，整個秦淮河流域在2006-2015年的不透水面擴(kuò)張帶來的洪峰增長率大于城市化相對較早時間.

3)流域不同位置的單位面積不透水面擴(kuò)張帶來的洪峰漲幅不同. 由于上下游位置和下墊面地形的共同影響，秦淮河流域上游溧水河和句容河兩河源流域的單位面積不透水面擴(kuò)張對洪峰的影響大于下游主干河流域，且在研究時段內(nèi)洪峰流量隨著不透水面增加呈線性增長，未來不透水面擴(kuò)張給秦淮河流域帶來的防洪壓力較大.

4)不同量級洪水對秦淮河流域各不透水面擴(kuò)張情景下的洪峰響應(yīng)有所差異：在全流域及不同位置的不透水面擴(kuò)張情景下，小洪水的敏感程度均大于大洪水，且下游主干河流域不透水面擴(kuò)張情景下的大、小洪水洪峰漲幅差距略大于溧水河、句容河兩河源流域.