土地利用變化對蓄滿－超滲兼容模型參數(shù)的影響分析

胡彩虹，查 斌，李常青，楊 帆，，薦圣淇

（1.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.洛陽水利勘測設(shè)計有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471000）

近年來黃河流域的下墊面變化劇烈，主要水文站的實(shí)測徑流量均呈現(xiàn)明顯下降趨勢［1］。 汾河是黃河的第二大支流，受水庫修建、退耕還林等人類活動的影響，流域的林地、水域和城鎮(zhèn)用地面積不斷增加，耕地面積不斷減少，導(dǎo)致洪水過程發(fā)生了較大變化［2－3］。為了具體分析土地利用變化對水文過程的影響，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對水文模型參數(shù)進(jìn)行了大量研究。 如李致家等［4］采用新安江模型對海河流域進(jìn)行洪水模擬，發(fā)現(xiàn)隨著下墊面的變化，流域自由水蓄水容量（SM）和河網(wǎng)水流消退系數(shù)（CS）均有增大趨勢；李建柱等［5］針對紫荊關(guān)流域建立了考慮下墊面變化的超滲－蓄滿耦合產(chǎn)匯流模型，發(fā)現(xiàn)耕地和草地面積的減少、林地面積的增加使流域平均蓄水容量（WM）增大；Elfert 等［6］等采用WaSiM－ETH 水文模型對Hunte 流域進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)耕地和草地面積的減少導(dǎo)致流域蒸發(fā)量增大、徑流量減小。 但以上研究存在研究期內(nèi)土地利用變化小、研究期短以及采用的水文模型多為單一產(chǎn)流模式等局限。 考慮到汾河干流靜樂水文站控制流域存在超滲產(chǎn)流與蓄滿產(chǎn)流2 種產(chǎn)流機(jī)制，本研究將其作為研究對象，采用考慮LUCC 的蓄滿－超滲兼容模型，將土地利用情況以參數(shù)形式加入模型，把1966—2013 年分為3 個研究時段進(jìn)行洪水預(yù)報模型參數(shù)率定，通過分析土地利用變化與模型參數(shù)之間的關(guān)系，認(rèn)識土地利用變化對水文過程的影響作用，以期為流域的防洪減災(zāi)以及水資源的合理利用提供支持。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河靜樂水文站于1943 年4 月設(shè)立，位于汾河上游，控制流域面積為2 799 km2，1966—2013 年控制流域的多年平均降水量為515 mm［7］。

受植樹造林、梯田修建和城鎮(zhèn)建設(shè)等人類活動的影響，靜樂水文站控制流域的土地利用情況發(fā)生了較大變 化［8－9］， 依 據(jù)《土 地 利 用 現(xiàn) 狀 分 類》 （GB／T 21010—2017）［10］，將該流域的土地利用類型分為林地、草地、水域和城鎮(zhèn)用地、耕地，1978 年、1998 年和2010 年的土地利用類型統(tǒng)計見表1，可知1978—2010年林地面積不斷增加，草地面積先減少后增加，耕地面積不斷減少。

表1 靜樂水文站控制流域的土地利用類型統(tǒng)計

1.2 考慮LUCC 的蓄滿－超滲兼容模型

靜樂水文站控制流域位于黃土高原地區(qū)，該地區(qū)包氣帶較厚，在暴雨過程中超滲產(chǎn)流為主要產(chǎn)流模式。隨著雨型的不斷變化以及人類活動的持續(xù)干擾，流域逐漸出現(xiàn)了蓄滿產(chǎn)流模式［11］，基于此，結(jié)合流域的土地利用現(xiàn)狀，建立了考慮LUCC 的蓄滿－超滲兼容模型，以較好地表述流域的產(chǎn)流過程［12］，模型基本流程如圖1 所示，具體模型參數(shù)介紹見表2。 首先根據(jù)表1土地利用類型統(tǒng)計結(jié)果分別對模型參數(shù)進(jìn)行率定；之后結(jié)合流域蓄水容量分配曲線和下滲能力分配曲線對地面凈雨和地下凈雨進(jìn)行匯流計算，采用河道演算方法得到地表徑流和地下徑流的總出流量；最后將兩者的總出流量相加得到流域出口斷面流量。

表2 模型參數(shù)介紹

圖1 模型基本流程

蓄滿－超滲兼容模型將蓄水容量分配曲線（W—α）和下滲能力分配曲線（FΔt—β）有機(jī)結(jié)合［13－14］，其中：基于蓄水容量分配曲線的蓄滿產(chǎn)流模式考慮了土壤含水量達(dá)到田間持水量后超蓄產(chǎn)生的地下凈雨；基于下滲能力分配曲線的超滲產(chǎn)流模式考慮了降雨強(qiáng)度超過下滲能力而產(chǎn)生的地面凈雨。 耦合2 種產(chǎn)流模式可以形成既考慮流域下滲能力及其分布情況，又考慮流域土壤含水量及其分配情況的兼容產(chǎn)流模型，模型結(jié)構(gòu)示意見圖2（圖中x為蓄水容量分配曲線和下滲能力分配曲線相交時的蓄水量；P為降水量；R為徑流深；W為初始土壤含水量；ΔW為本次降雨產(chǎn)生的土壤蓄水量；W′0為流域初始蓄水容量；W′為流域某點(diǎn)的蓄水容量；W′m為流域最大蓄水容量；FΔt為下滲能力曲線在Δt時段內(nèi)的積分；t為時段步長；F′Δt為流域某點(diǎn)的下滲容量；F′mΔt為時段Δt內(nèi)流域所有點(diǎn)中能達(dá)到的最大下滲容量；β為相對面積，表示流域內(nèi)下滲容量≤F′Δt的面積占流域面積的比例；α為相對面積，表示流域內(nèi)蓄水容量≤W′的面積占流域面積的比例）。

圖2 兼容產(chǎn)流模型結(jié)構(gòu)示意

下滲能力分配曲線采用m次經(jīng)驗(yàn)拋物線型，公式為

式中：m為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。

蓄水容量分配曲線采用n次經(jīng)驗(yàn)拋物線型，公式為

式中：n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。

當(dāng)m趨于0 時，兼容模型的產(chǎn)流方式以蓄滿產(chǎn)流占主導(dǎo)，局部存在超滲產(chǎn)流。 當(dāng)n趨于0 且W′m趨于∞時，土壤不容易蓄滿，此時產(chǎn)流方式以超滲產(chǎn)流占主導(dǎo)，局部存在蓄滿產(chǎn)流。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型模擬結(jié)果

收集整理了1966—2013 年流域的實(shí)測蒸發(fā)、降雨和徑流數(shù)據(jù)，根據(jù)洪水過程分為3 個研究時段：第1 時段1966—1978 年共發(fā)生12 場洪水；第2 時段1979—1998 年共發(fā)生12 場洪水；第3 時段1999—2013 年共發(fā)生6 場洪水，洪水模擬計算時間步長為1 h。

根據(jù)《水 文 情 報 預(yù) 報 規(guī) 范》 （GB／T 22482—2008）［15］分析模型預(yù)報結(jié)果的可靠性與有效性，選用Nash 效率系數(shù)、確定系數(shù)和相對誤差評定模型模擬結(jié)果精度（見表3）。 分析預(yù)報結(jié)果可知，1966—1978 年和1979—1998 年這2 個時段內(nèi)的模擬結(jié)果符合乙級預(yù)報水平，而在1999—2013 年6 場洪水中，僅有2 場洪水的Nash 效率系數(shù)大于0.7，有3 場洪水的確定系數(shù)大于0.7，表明這一時段的模擬結(jié)果在丙級預(yù)報水平以下，這是由于該時段的洪峰流量多在100 m3／s 以下，降雨—徑流關(guān)系和雨強(qiáng)—洪峰關(guān)系與其他時段洪水差異較大，徑流中地下徑流與壤中流占比較大，而模型參數(shù)是根據(jù)普遍發(fā)生的降雨—徑流關(guān)系所率定的，因此無法準(zhǔn)確模擬這種小流量的洪水過程。

表3 模型模擬結(jié)果精度統(tǒng)計

2.2 參數(shù)影響分析

流域植被變化是影響降雨徑流響應(yīng)特征變化的重要原因，主要通過影響地下水出流能力、地面下滲能力及流域蓄水能力進(jìn)而影響產(chǎn)匯流過程［16］，因此選擇了水文過程中敏感性較強(qiáng)的參數(shù)進(jìn)行參數(shù)影響分析。1966—2013 年3 個研究時段模型參數(shù)率定結(jié)果見表4。

表4 模型參數(shù)率定結(jié)果

（1）1966—2013 年流域地下徑流出流系數(shù)CG數(shù)值不斷增大，整體時段內(nèi)共增大了133.8%，CG的大小能夠反映地下水退水的快慢，CG越大、地下水退水越慢，因此隨著林地和草地面積增加、耕地面積減少，地下水退水速度逐漸減小。 為了解流域多年徑流量特征值的變化趨勢，統(tǒng)計了3 個時段流域的年平均最小日流量和汛期平均最小日流量（見表5），可以看出隨著森林覆蓋面積的增加，3 個時段年平均最小日流量和汛期平均最小日流量均呈現(xiàn)明顯的增大趨勢。 由于汛期降雨較多，地下水的補(bǔ)給量增大，淺層壤中流和地下徑流也相應(yīng)增大，因此分析汛期數(shù)據(jù)更能得出地下水出流能力的變化。 由此可知，在降雨情況相似的條件下，1999—2013 年地下水出流能力更強(qiáng)，更容易形成壤中流和地下徑流，進(jìn)一步導(dǎo)致徑流量減小、匯流時間增加，洪水流量過程線的形狀也從陡漲陡落變得更加平緩。

表5 不同時段最小日流量統(tǒng)計

（2）1966—2013 年流域壤中流出流系數(shù)CI由0.057增大到0.325，增大了470.2%，CI的大小能夠反映洪水尾部退水的快慢，CI越大洪水尾部退水越慢，說明林地和草地面積增加后，洪水尾部退水速度逐漸減小。

（3）1966—2013 年流域土壤下滲強(qiáng)度k與穩(wěn)定下滲率FC不斷增大，林地k1、草地k2、耕地k3 分別增大了26.7%、20.6%、10.9%，林地FC1、草地FC2、耕地FC3 分別增大了16.2%、20.9%、8.2%。 與耕地相比，林地和草地的k值和FC值增大程度較大，原因是對于土壤質(zhì)地狀況相似的地區(qū)，各土地利用類型的下滲能力不同，其大小關(guān)系為林地＞草地＞耕地。 整體上林地和草地面積增加，流域的下滲能力也在不斷提高。

下滲能力的變化會影響流域洪水的發(fā)生過程，在暴雨初期產(chǎn)流之前，土壤含水量較低、下滲率較高，降雨主要通過下滲過程變?yōu)榈叵聝粲?，產(chǎn)生的地面凈雨較少，匯流速度較慢，同時退水時間越長，下滲量越多，不同時段的流量起漲前平均降水量和平均地表水退水歷時也會因此改變，見表6，可知平均降水量和平均地表水退水歷時均呈現(xiàn)增加趨勢。

表6 流量起漲前平均降水量和平均地表水退水歷時

（4）1966—2013 年流域平均蓄水容量WM逐漸增大，共增大了27.3%。 變化原因是林地和草地的土壤平均蓄水容量占比相對較大，隨著林地和草地面積增加，流域整體的蓄水能力也不斷提高。

（5）1966—2013 年流域蒸發(fā)折算系數(shù)CKE也在不斷增大，CKE1、CKE2、CKE3 分別增大了37.2%、84.2%、11.8%，流域整體CKE增大了25.5%，其變化原因是林地和草地面積增加后，植被覆蓋面積增加促使流域的整體蒸發(fā)量增加，流域的蒸發(fā)能力逐步提高。

3 結(jié) 論

本研究建立了考慮LUCC 的蓄滿－超滲兼容模型，該模型考慮了蓄滿和超滲2 種產(chǎn)流方式，能夠較合理地模擬汾河靜樂水文站控制流域的洪水過程。 通過對模型參數(shù)檢驗(yàn)，1966—1978 年和1979—1998 年模擬結(jié)果精度均符合乙級預(yù)報水平；1999—2013 年洪峰流量太小，模擬結(jié)果精度未達(dá)到丙級預(yù)報水平，因此對于1999—2013 年的洪水模擬問題還需進(jìn)一步研究。 通過分析土地利用變化與模型參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著林地和草地面積增加、耕地面積減少，流域的地下水出流能力、下滲能力、蓄水能力、蒸發(fā)能力均有所提高。