設(shè)計(jì)暴雨雨型對(duì)高植被覆蓋流域徑流形成影響的數(shù)值模擬

官明虹，王根緒

（1. 中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 四川大學(xué) 水利水電學(xué)院/水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065）

0 引 言

目前全球氣候變暖，地表溫度升高，使得水循環(huán)加速，導(dǎo)致暴雨事件發(fā)生概率增大［1］，極易形成山洪災(zāi)害及城市內(nèi)澇，嚴(yán)重威脅了人民生命財(cái)產(chǎn)安全［2-4］，影響流域的生態(tài)環(huán)境［5， 6］。我國山洪災(zāi)害點(diǎn)多面廣、突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大，且多發(fā)生在交通不便、通訊不暢的偏遠(yuǎn)山區(qū)［7， 8］。因此對(duì)于因暴雨而產(chǎn)生的山洪災(zāi)害研究顯得尤為重要［9， 10］。

山洪災(zāi)害因其成災(zāi)速度快、災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間短，已逐漸成為世界各地防洪和小流域水資源管理中面臨的突出問題。在使得山洪災(zāi)害發(fā)生的眾多影響因素之中，雨型是主要影響因子之一。雨型［11］決定了洪水形成過程，對(duì)山洪災(zāi)害治理、城市防洪排澇等方面具有重要意義。目前國內(nèi)外使用較多的雨型設(shè)計(jì)方法為Huff 雨型法、三角形雨型法［12］、Pilgrim&Cordery法［13］、同頻率分析法、模式雨型法和芝加哥雨型法［14］等。大部分針對(duì)設(shè)計(jì)暴雨雨型的研究多是將其應(yīng)用于城市內(nèi)澇、土壤侵蝕分析上，如童旭等［15］以成都市中心城區(qū)某內(nèi)澇頻發(fā)區(qū)為研究對(duì)象，模擬了不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下城市排水管網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)溢流情況，并驗(yàn)證了四川省水文手冊(cè)中成都市中心城區(qū)設(shè)計(jì)暴雨雨型的合理性。侯精明等［16］分析了設(shè)計(jì)暴雨雨型對(duì)城市內(nèi)澇的影響，系統(tǒng)地揭示了暴雨雨型與內(nèi)澇積水的量化規(guī)律。黎俊佑等［17］、安娟等［18］、MOHAMADI 等［19］、WANG 等［20］研究了降雨類型對(duì)土壤的侵蝕過程與侵蝕能力。或是探討城市設(shè)計(jì)暴雨雨型的選取，如朱勇年［21］模擬杭州市不同歷時(shí)的降雨情景，分析雨洪模擬中設(shè)計(jì)暴雨雨型的選用方法。倪志楠［22］通過雨型對(duì)比以及暴雨強(qiáng)度公式的應(yīng)用分析比較出適用于南京市中心城區(qū)的設(shè)計(jì)暴雨雨型。但對(duì)于設(shè)計(jì)暴雨雨型對(duì)山區(qū)高植被覆蓋流域徑流形成的影響研究稍弱，尤其是我國植被覆蓋較高、地形地質(zhì)條件復(fù)雜的西南山區(qū)。

山洪伴發(fā)泥石流是導(dǎo)致西南地區(qū)山地災(zāi)害成為全球地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)的重要因素之一，探討暴雨雨型對(duì)于植被覆蓋度較高的西南山區(qū)流域徑流的形成及其可能造成的山洪災(zāi)害具有一定的意義。因此本文從不同雨型對(duì)西南山區(qū)高植被流域山洪災(zāi)害影響角度進(jìn)行數(shù)值模擬，通過系統(tǒng)地對(duì)比分析四川省高植被覆蓋流域在不同設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下的山區(qū)水文過程，模擬得出不同雨型與山區(qū)水文過程的量化關(guān)系，旨在揭示暴雨雨型對(duì)山區(qū)高植被覆蓋率流域徑流的影響程度的量化規(guī)律，為山區(qū)高植被覆蓋流域的山洪災(zāi)害預(yù)警、預(yù)報(bào)及其他防治工作提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

漢王場(chǎng)流域、關(guān)口流域是西南山區(qū)位于長(zhǎng)江上游地區(qū)沱江水系的兩個(gè)小流域，流域地理位置［見圖1（a）］，均屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)。研究區(qū)域內(nèi)徑流形成均由降雨主導(dǎo)，降雨集中，多年平均降雨量為881.9 mm 左右，徑流年內(nèi)分配不均，汛期6-10月為徑流形成的主要時(shí)段，流域內(nèi)無冰雪覆蓋。

漢王場(chǎng)流域和關(guān)口流域均位于四川省，其中漢王場(chǎng)流域位于四川德陽市，地處31°44'N～31°70'N，103°90'E～104°18'E，關(guān)口流域則位于四川成都市彭州市，地處31°08'N～31°33'N，103°74'E～103°92'E。漢王場(chǎng)流域集水面積為403.6 km2，其雨量控制站點(diǎn)為清平和天池，水文控制站點(diǎn)為漢王場(chǎng)水文站。關(guān)口流域集水面積為624.64 km2，雨量控制站點(diǎn)為白果坪和大寶，水文控制站點(diǎn)為關(guān)口水文站。雨量及水文控制站點(diǎn)見圖1（b）、（c）。兩個(gè)流域內(nèi)均分布林地、草地、耕地等土地利用類型。關(guān)口流域和漢王場(chǎng)流域均分布有砂黏壤土、黏壤土、粉壤土等，關(guān)口流域的土壤質(zhì)地類型更為復(fù)雜。

1.2 原始數(shù)據(jù)

1.2.1 雨型數(shù)據(jù)

參考《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》和《四川省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集》來對(duì)研究流域關(guān)口、漢王場(chǎng)推求設(shè)計(jì)暴雨。同時(shí)根據(jù)四川省1 d 暴雨分區(qū)綜合雨型表的24 h 設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配過程，考慮6 種暴雨頻率。表1 為關(guān)口、漢王場(chǎng)流域的設(shè)計(jì)暴雨量結(jié)果及相關(guān)參數(shù)值。為了對(duì)研究區(qū)的多種降雨事件進(jìn)行分析，參考模式雨型［23］中的單峰雨型來進(jìn)行暴雨雨型設(shè)計(jì)，圖2為不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型圖。同時(shí)從圖2中可以看出不同設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下的暴雨峰值出現(xiàn)時(shí)間，漢王場(chǎng)和關(guān)口流域偏前型雨型暴雨峰值出現(xiàn)時(shí)間均為7∶00，居中型雨型暴雨峰值出現(xiàn)時(shí)間均為11∶00，偏后型雨型暴雨峰值出現(xiàn)時(shí)間均為15∶00。

表1 關(guān)口、漢王場(chǎng)流域設(shè)計(jì)暴雨量Tab.1 Design-storm volume of Guankou and Hanwangchang drainage basins

圖2 關(guān)口、漢王場(chǎng)流域各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型 （長(zhǎng)歷時(shí) t=24 h）Fig.2 Rainstorm rainfall patterns designed for each current periods in Guankou and Hanwangchang basins（Long duration t=24 h）

1.2.2 模型數(shù)據(jù)

收集用于驅(qū)動(dòng)時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和水文氣象數(shù)據(jù)。表2為關(guān)口及漢王場(chǎng)流域的數(shù)據(jù)來源及說明。

表2 關(guān)口、漢王場(chǎng)數(shù)據(jù)來源及說明Tab.2 Source and description of data for Guankou and Hanwangchang

1.3 研究方法

（1）模型構(gòu)建及流域水文過程模擬。采用中國水利水電科學(xué)研究院劉昌軍提出的適用于小流域短歷時(shí)強(qiáng)降雨條件下的時(shí)空變?cè)捶植际剿哪Ｐ瓦M(jìn)行西南山區(qū)小流域降雨-徑流模擬，該模型針對(duì)山區(qū)小流域洪水預(yù)報(bào)精度較低等問題，通過建立包氣帶非飽和土壤下滲計(jì)算方法，來計(jì)算山坡地貌水文響應(yīng)單元的土壤下滲過程，同時(shí)揭示了山區(qū)小流域的產(chǎn)流機(jī)制和規(guī)律［24］。時(shí)空變?cè)捶植际剿哪Ｐ椭饕ㄋ膫€(gè)模塊，分別為產(chǎn)流、匯流、基流以及洪水演進(jìn)計(jì)算模塊［25， 26］，其中產(chǎn)匯流過程的計(jì)算方法為時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型和SCS 單位線法，洪水演進(jìn)過程的計(jì)算方法為運(yùn)動(dòng)波法，計(jì)算過程忽略基流的影響［27， 28］。由于篇幅限制，詳細(xì)的模型介紹此處不再贅述。

首先對(duì)關(guān)口及漢王場(chǎng)流域的降雨-徑流過程進(jìn)行參數(shù)率定與驗(yàn)證，得出適用于關(guān)口及漢王場(chǎng)流域的參數(shù)，在將推求的關(guān)口及漢王場(chǎng)流域各自的不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，分別模擬出關(guān)口及漢王場(chǎng)流域不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下形成的徑流，以此來分析不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型在高植被覆蓋的山區(qū)小流域上形成徑流的情況。

（2）模型參數(shù)率定與驗(yàn)證。首先采用時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型的參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化，同時(shí)結(jié)合手動(dòng)調(diào)參對(duì)四川省兩個(gè)高植被覆蓋流域水文站的徑流過程進(jìn)行模擬并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，表3所列出的為最為敏感的10個(gè)參數(shù)。

表3 參數(shù)率定及敏感性分析結(jié)果Tab.3 Parameter calibration and sensitivity analysis results

西南山區(qū)兩個(gè)小流域中，關(guān)口流域率定期選用1968-1992年，驗(yàn)證期選用1993-2012 年數(shù)據(jù)，漢王場(chǎng)率定期選用1994-2003 年，驗(yàn)證期選用2004-2012 年數(shù)據(jù)。模型模擬精度評(píng)價(jià)指標(biāo)為Nash-Sutcliffe（Ens）和決定系數(shù)（R2）。Nash-Sutcliffe（Ens）和決定系數(shù)R2的最優(yōu)值均為1，表4 為兩個(gè)流域的率定期與驗(yàn)證期結(jié)果。

表4 關(guān)口、漢王場(chǎng)流域率定期與驗(yàn)證結(jié)果Tab.4 Regular and Verification results of Guankou and Hanwangchang Watershed rates

通過對(duì)關(guān)口和漢王場(chǎng)流域的率定及驗(yàn)證，我們可以得到關(guān)口流域率定期與驗(yàn)證期Nash系數(shù)和確定性系數(shù)均在0.7 以上，漢王場(chǎng)流域率定期Nash系數(shù)和確定性系數(shù)均達(dá)0.8 以上，但驗(yàn)證期的Nash系數(shù)和確定性系數(shù)為0.60 和0.65。參考胡昊［29］在白河上游使用時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型所得出的Nash系數(shù)均值為0.711，我們可以得出關(guān)口、漢王場(chǎng)流域洪水模擬結(jié)果在率定期與驗(yàn)證期均較為理想。因此可以采用設(shè)計(jì)暴雨雨型，并結(jié)合參數(shù)率定驗(yàn)證之后的時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型，分析設(shè)計(jì)暴雨雨型在高植被覆蓋的典型西南山區(qū)小流域上形成的徑流過程以及可能造成的洪水災(zāi)害。

2 結(jié)果與分析

運(yùn)用上述模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得到川西高植被覆蓋流域不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下流域徑流的變化過程，從洪峰流量和峰現(xiàn)時(shí)間角度分析川西高植被覆蓋流域?qū)Σ煌噩F(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型的數(shù)值響應(yīng)規(guī)律，因此我們首先對(duì)關(guān)口和漢王場(chǎng)的土地利用情況進(jìn)行分析。

2.1 土地利用分布情況

為分析不同設(shè)計(jì)暴雨雨型對(duì)川西高植被覆蓋流域洪水形成過程的影響，使用ArcGIS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出關(guān)口、漢王場(chǎng)流域內(nèi)的土地利用類型及其占比情況。表5為關(guān)口及漢王場(chǎng)流域的土地利用類型占比，圖3 為關(guān)口及漢王場(chǎng)流域的土地利用類型圖。

表5 土地利用類型分析Tab.5 Land use types analysis

圖3 關(guān)口、漢王場(chǎng)流域土地利用類型圖Fig.3 Map of land use types in the Guankou and Hanwangchang watersheds

從圖3 及表5 中可以看出，四川省關(guān)口和漢王場(chǎng)流域天然林草植被覆蓋較高，兩個(gè)流域均以林地、草地、耕地為主，其中關(guān)口流域還包含沼澤地、水域、水利設(shè)施用地等土地利用類型。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知關(guān)口流域林地面積占流域總面積的57.01%，草地為25.70%，其余土地利用面積占流域總面積的16.91%。漢王場(chǎng)流域同樣呈現(xiàn)出林地面積占流域總面積的占比較大，為48.17%，草地次之，草地面積占流域總面積的42.06%，其余土地利用類型占流域總面積的9.77%。漢王場(chǎng)和關(guān)口流域草地面積均占比較大，天然林草植被覆蓋較高，而林草植被覆蓋在流域徑流的形成過程中具有一定的影響，同時(shí)參考水土保持措施的土地利用分類，將土地利用類型大致分為林草地、梯田、坡耕地和其他用地，以此來分析關(guān)口和漢王場(chǎng)流域?qū)Σ煌O(shè)計(jì)暴雨雨型的響應(yīng)。由此可以得出，四川省關(guān)口、漢王場(chǎng)流域的植被覆蓋率均較高，且漢王場(chǎng)流域林草植被覆蓋率大于關(guān)口流域林草植被覆蓋率。

2.2 洪峰流量分析

洪峰流量是洪水的重要特征之一，不僅反映洪水的強(qiáng)度，也預(yù)示防洪級(jí)別［30］。表6和圖4為關(guān)口及漢王場(chǎng)流域不同設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下形成的洪峰流量。

表6 不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下的洪峰流量m3/sTab.6 Flood Peak discharge under different design rainstorm conditions with different return periods

圖4 不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下洪峰流量圖Fig.4 Flood peak discharge maps of different return periods under different design rainstorm patterns in three basins

在川西高植被覆蓋條件下，洪峰流量的變化趨勢(shì)具體呈以下特點(diǎn)。雨型為偏后型的暴雨相對(duì)于雨型為偏前型和居中型而言，形成的洪峰流量更大。從流域內(nèi)部來看，關(guān)口流域在同一重現(xiàn)期下，偏后型雨型形成的洪峰流量更多，相對(duì)于偏前和居中的雨型來說，增加了1.12倍及1.05倍。以P=20%的洪水為例，偏前型雨型形成的洪峰流量為1 497 m3/s，居中型雨型形成的洪峰流量為1 689 m3/s，相較于偏前型的洪峰流量而言，增加了192 m3/s，占比達(dá)12.8%。偏后型雨型形成的洪峰流量是1 893 m3/s，相較于偏前型和居中型而言，增加了396 m3/s，204 m3/s，占比高達(dá)26.43%和13.6%。漢王場(chǎng)流域同一重現(xiàn)期下，相較于偏前和居中的雨型來說，偏后型雨型形成的洪峰流量也更多，增加了1.09 倍及1.03 倍。同樣以P=20%的洪水為例，偏前型雨型形成的洪峰流量為792 m3/s，居中型雨型形成的洪峰流量為864 m3/s，相較于偏前型的洪峰流量而言，增加了72 m3/s，占比達(dá)9.1%。偏后型雨型形成的洪峰流量是1 005 m3/s，相較于偏前型和居中型雨型而言，增加了213 m3/s，141 m3/s，占比高達(dá)26.89%，16.32%。從圖4 中我們可以看出同樣的趨勢(shì)。同一重現(xiàn)期下的一場(chǎng)洪水過程中，不同暴雨雨型對(duì)于洪峰流量的影響相對(duì)較大，暴雨雨型為偏后型的降水過程對(duì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成更嚴(yán)重的影響和損失，應(yīng)重視暴雨雨型為偏后型的暴雨。在不同雨型條件下，隨著重現(xiàn)期的增加，洪峰流量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。以居中型雨型為例，關(guān)口流域P=99%的洪水其洪峰流量為252 m3/s，P=20%為1 689 m3/s，P=10%為2 265 m3/s，P=5%為2 793 m3/s，P=2%為3 601 m3/s，P=1%為4 173 m3/s。漢王場(chǎng)流域P=99%的洪水其洪峰流量為148 m3/s，P=20%為864 m3/s，P=10%為1 246 m3/s，P=5%為1 410 m3/s，P=2%為1 621 m3/s，P=1%為1 792 m3/s。由此可見，在同一雨型條件下，隨著洪水重現(xiàn)期的增加，洪峰流量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。從圖4中也顯示出同樣的趨勢(shì)。

由上述分析可知，不同重現(xiàn)期條件下流域內(nèi)形成的洪峰流量為偏后型雨型相較于偏前型和居中型雨型而言，形成的洪峰流量更大，對(duì)不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下一場(chǎng)暴雨過程所形成的洪水總量進(jìn)行分析，表7 為不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下的洪水總量。

表7 不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下的洪水總量 m3Tab.7 The total amount of floods under design rainstorm conditions with different return periods

從表7中我們可以看出，不同重現(xiàn)期條件下，偏后型雨型形成的洪水總量低于偏前型和居中型雨型，整體趨勢(shì)呈現(xiàn)偏前型＞居中型＞偏后型雨型。以P=10%為例，漢王場(chǎng)流域偏前型雨型形成的洪水總量為19 393.72 m3，居中型雨型形成的洪水總量為18 698.33 m3，偏后型雨型形成的洪水總量為17 596.18 m3。關(guān)口流域偏前型雨型形成的洪水總量為33 666.50 m3，居中型雨型形成的洪水總量為32 614.61 m3，偏后型雨型形成的洪水總量為31 632.58 m3。可知，在不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下，偏后型雨型形成的洪峰流量大于偏前型和居中型雨型，但其一場(chǎng)洪水過程所形成的洪水總量卻低于偏前型和居中型雨型，偏后型雨型用于土壤入滲的雨量多于偏前型雨型，使得偏后型雨型形成的洪水總量少于偏前型雨型。

暴雨重現(xiàn)期越大，形成的洪峰流量更大，偏后型雨型形成的洪峰流量更多，但偏前型雨型一場(chǎng)暴雨過程后形成的洪水總量更大，極易形成山洪災(zāi)害，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生威脅，因此我們應(yīng)關(guān)注重現(xiàn)期較大、雨型為偏后型的洪峰流量以及一場(chǎng)洪水過程中雨型為偏前型的暴雨形成的洪水總量，提前做好應(yīng)對(duì)措施。

2.3 峰現(xiàn)時(shí)間分析

由1.2.1 設(shè)計(jì)暴雨雨型數(shù)據(jù)可知關(guān)口和漢王場(chǎng)流域不同設(shè)計(jì)暴雨雨型下暴雨峰值的出現(xiàn)時(shí)間相同，關(guān)口和漢王場(chǎng)流域偏前型雨型暴雨峰值出現(xiàn)時(shí)間為7∶00，居中型雨型暴雨峰值出現(xiàn)時(shí)間為11∶00，偏后型雨型暴雨峰值出現(xiàn)時(shí)間為15∶00。流域降雨徑流過程是受氣候變化與下墊面共同作用的結(jié)果，而流域土地利用情況必然對(duì)洪峰出現(xiàn)時(shí)間產(chǎn)生影響，由圖3 土地利用分布情況分析可知，漢王場(chǎng)和關(guān)口流域均為川西高植被覆蓋率流域，且漢王場(chǎng)流域林草植被覆蓋率大于關(guān)口流域林草植被覆蓋率。對(duì)不同設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下流域的洪量峰值時(shí)間進(jìn)行分析，表8為不同設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下各重現(xiàn)期的洪峰出現(xiàn)時(shí)間，圖5 為關(guān)口、漢王場(chǎng)流域在不同重現(xiàn)期以及不同設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下的洪峰出現(xiàn)時(shí)間圖。

表8 不同設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下各重現(xiàn)期的洪峰出現(xiàn)時(shí)間Tab.8 Peak emergence time of each return period under different design rainstorm conditions

圖5 關(guān)口、漢王場(chǎng)流域不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下峰現(xiàn)時(shí)間Fig.5 Peak emergence time of different design rainstorm patterns under the conditions of each return period in the Guankou and Hanwangchang basins

從表8 可以看出，關(guān)口流域不同重現(xiàn)期及設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下的洪峰出現(xiàn)時(shí)間均提前于漢王場(chǎng)流域不同重現(xiàn)期及設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下的洪峰出現(xiàn)時(shí)間，以P=5%的洪水峰現(xiàn)時(shí)間為例，關(guān)口流域偏前型雨型的峰現(xiàn)時(shí)間為10∶00，居中型雨型的峰現(xiàn)時(shí)間為14∶00，偏后型雨型的峰現(xiàn)時(shí)間為17∶00。漢王場(chǎng)流域偏前型雨型的峰現(xiàn)時(shí)間為13∶00，居中型雨型的峰現(xiàn)時(shí)間為15∶00，偏后型雨型的峰現(xiàn)時(shí)間為19∶00。P=10%、P=2%等具有同樣的趨勢(shì)。關(guān)口、漢王場(chǎng)流域設(shè)計(jì)暴雨峰值出現(xiàn)時(shí)間相同，但這兩個(gè)流域出現(xiàn)洪峰的時(shí)間卻是不同的，漢王場(chǎng)林草植被覆蓋率高于關(guān)口流域，其不同重現(xiàn)期及設(shè)計(jì)暴雨雨型條件的洪峰出現(xiàn)時(shí)間均晚于關(guān)口流域。由此可知，林草植被覆蓋具有良好的持蓄水能力，調(diào)節(jié)洪水的徑流過程以及延長(zhǎng)洪峰滯時(shí)的作用。

通過對(duì)表8 和圖5 的分析，我們可以得出不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下關(guān)口流域洪峰出現(xiàn)時(shí)間提前于漢王場(chǎng)流域。山區(qū)小流域其下墊面及地表覆蓋物復(fù)雜多樣，暴雨需經(jīng)歷復(fù)雜的產(chǎn)流、匯流等過程才能匯集形成徑流，因此，流域徑流形成峰值的時(shí)刻相對(duì)于暴雨的峰值時(shí)刻有一定的遲滯時(shí)間。因此我們對(duì)西南山區(qū)兩個(gè)流域內(nèi)部不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下的洪峰出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)于雨峰出現(xiàn)時(shí)間的滯后時(shí)間進(jìn)行分析，表9為不同設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下各重現(xiàn)期的滯后時(shí)間。

表9 不同設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下各重現(xiàn)期的滯后時(shí)間hTab.9 The lag time of each return period under different design rainstorm conditions

在不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下，洪峰出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)于暴雨雨峰出現(xiàn)時(shí)間的滯后時(shí)間為偏前型＞居中型＞偏后型。以P=99%為例，關(guān)口流域偏前型雨型洪峰出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)于暴雨雨峰出現(xiàn)時(shí)間滯后6 h，居中型雨型滯后4 h，偏后型雨型滯后2 h。漢王場(chǎng)流域偏前型雨型洪峰出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)于暴雨雨峰出現(xiàn)時(shí)間滯后7 h，居中型雨型滯后4 h，偏后型雨型滯后3 h。其余重現(xiàn)期基本具有同樣的趨勢(shì)。

3 討 論

研究從洪峰流量及峰現(xiàn)時(shí)間兩個(gè)方面來分析西南山區(qū)四川省高植被覆蓋流域?qū)Σ煌噩F(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型的響應(yīng)過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，漢王場(chǎng)和關(guān)口流域兩處率定結(jié)果都比較好，其中除漢王場(chǎng)流域驗(yàn)證期Ens和R2為0.60 和0.65 以外，其余均在0.7以上，并且漢王場(chǎng)流域率定期Ens和R2在0.8以上。此次構(gòu)建的四川省關(guān)口、漢王場(chǎng)流域時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型在高植被覆蓋流域有良好的適用性。由于該模型的輸入?yún)?shù)相對(duì)較多，我們可以改變模型輸入的降水?dāng)?shù)據(jù)或土地利用數(shù)據(jù)來進(jìn)行針對(duì)性詳細(xì)分析，因此，研究川西高植被覆蓋流域?qū)Σ煌噩F(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型的響應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)。在不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下，關(guān)口、漢王場(chǎng)流域形成的洪峰流量均呈現(xiàn)出偏后型＞居中型＞偏前型雨型，這與熊江等［31］在高家溝流域所做的關(guān)于不同雨型下泥石流峰值流量的結(jié)果一致，這多是由于暴雨峰值推遲，前期降雨強(qiáng)度較小，降雨入滲，蓄滿產(chǎn)流占主導(dǎo)，開始產(chǎn)流時(shí)間向后推遲，從而使形成的洪峰流量更大。但一場(chǎng)暴雨過程形成的洪水總量卻為偏前型＞居中型＞偏后型雨型，偏前型雨型其用于入滲的雨量較小，而偏后型雨型前期多用于土壤入滲，因此使得偏后型雨型形成的洪水總量少于偏前型雨型。在不同暴雨雨型條件下，關(guān)口、漢王場(chǎng)流域形成的洪峰流量，由P=99%到P=1%呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。從峰現(xiàn)時(shí)間來看，由漢王場(chǎng)流域林草植被覆蓋率大于關(guān)口流域林草植被覆蓋率，其峰現(xiàn)時(shí)間則是關(guān)口流域在不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型條件下均是提前于漢王場(chǎng)流域，這與陳芬［32］，王禮先［33］，盛前麗［34］等結(jié)論一致，林草植被覆蓋對(duì)于洪水的徑流過程具有一定的調(diào)節(jié)作用。但洪峰出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)于設(shè)計(jì)暴雨雨峰出現(xiàn)時(shí)間的滯后時(shí)間基本為偏前型＞居中型＞偏后型，這是由于偏后型降雨雨型其雨峰出現(xiàn)在降雨后期，前期降雨使表層土壤含水量達(dá)到飽和狀態(tài)，使得后期的降雨更易于形成地表徑流，形成洪峰的時(shí)間越短，這與張文［35］，楊云斌［36］研究結(jié)果基本一致。因此我們應(yīng)當(dāng)多關(guān)注暴雨雨型為偏后型的暴雨以及林草植被覆蓋率較低的流域，其更早出現(xiàn)洪峰，對(duì)流域下游地區(qū)人民的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重的威脅，甚至更易于形成山洪災(zāi)害。

4 結(jié) 論

以西南山區(qū)高植被覆蓋的山區(qū)小流域?yàn)槔?，?yīng)用時(shí)空變?cè)捶植际剿哪Ｐ蜆?gòu)建高植被覆蓋區(qū)域的分布式水文模型，并對(duì)構(gòu)建好的關(guān)口和漢王場(chǎng)流域的水文過程進(jìn)行模擬分析，從洪峰流量及峰現(xiàn)時(shí)間角度探討高植被覆蓋流域?qū)τ谠O(shè)計(jì)暴雨雨型的響應(yīng)規(guī)律，得出如下結(jié)論。

（1）利用時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型模擬四川省高植被覆蓋流域的模擬精度評(píng)判指標(biāo)值均在許可范圍之內(nèi)，表明該模型適用于山區(qū)高植被覆蓋流域的水文過程模擬，模擬結(jié)果較好。

（2）通過對(duì)四川省高植被覆蓋流域關(guān)口、漢王場(chǎng)流域不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型下形成的洪峰流量分析可知，從偏前型、居中型到偏后型，隨著設(shè)計(jì)暴雨峰現(xiàn)時(shí)間的后移，偏后型雨型相對(duì)于偏前和居中型條件下形成的洪峰流量更大，但偏后型雨型相較于偏前和居中型條件下形成的洪水總量較少。

（3）通過對(duì)四川省高植被覆蓋流域的峰現(xiàn)時(shí)間分析可知，漢王場(chǎng)流域林草植被覆蓋率大于關(guān)口流域，因此關(guān)口流域洪峰出現(xiàn)時(shí)間均提前于漢王場(chǎng)流域。在流域內(nèi)部，洪峰出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)暴雨雨峰出現(xiàn)時(shí)間的滯后時(shí)間均為偏前型＞居中型＞偏后型。

通過分析四川省高植被覆蓋流域?qū)τ诓煌噩F(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型的響應(yīng)，初步了解高植被覆蓋流域?qū)τ诓煌噩F(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨雨型的響應(yīng)過程，對(duì)于掌握川西高植被覆蓋流域暴雨洪水的形成過程以及提高流域洪水預(yù)報(bào)精度與防洪減災(zāi)能力有著十分重要的意義。研究仍然存在較多的不確定性，如模型模擬過程中的不確定性以及設(shè)計(jì)暴雨雨型方法選擇單一，模型數(shù)據(jù)輸入精度、不同暴雨雨型方法選擇等方面還有待進(jìn)一步的研究。