吳淼,石朋,2,孫勇,喬雪媛,周敏敏,瞿思敏,王建金

(1.河海大學 水文水資源學院, 江蘇 南京 210098;2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室, 江蘇 南京 210098;3.淮河水利委員會水文局, 安徽 蚌埠 233000)

土地利用變化對淮河上游小流域設計洪水的影響研究

吳淼1,石朋1,2,孫勇3,喬雪媛1,周敏敏1,瞿思敏1,王建金1

(1.河海大學 水文水資源學院, 江蘇 南京 210098;2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室, 江蘇 南京 210098;3.淮河水利委員會水文局, 安徽 蚌埠 233000)

為了研究土地利用變化對設計洪水的影響,采用同頻率放大的方法計算設計暴雨,并構建潢川流域的SWAT模型,從而推求出設計洪水。根據(jù)計算結果,分析了土地利用方式的改變對淮河上游小流域設計洪水的影響,通過對設計洪峰、洪量及洪水過程的分析表明:流域土地利用變化前后,相同頻率下的設計洪量減小,且頻率越大,減小越多;不同頻率下的設計洪峰均有減小趨勢,且頻率越大,減小越多。對上述設計洪水變化特征進行分析,設計洪水變化規(guī)律明顯,表明土地利用變化對流域設計洪水有顯著影響。

SWAT模型; 設計暴雨; 設計洪水; 土地利用變化

淮河流域地處我國東部,是我國人口密度大,土地利用率高的地區(qū)。由于地處特定的氣候和下墊面條件,淮河流域洪、澇、旱、風暴潮災害頻繁。局部的或較大面積的洪澇災害時有發(fā)生,給流域經(jīng)濟社會發(fā)展造成相當大的損失。

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展,淮河流域土地利用方式及下墊面條件發(fā)生顯著變化[1]。研究表明,淮河流域中游近50年來景觀格局主要變化是旱地大量減少,濕地萎縮,水田、人居地大量增加;1999—2007年,淮河流域植被覆蓋率年均NDVI除在2000年、2003年以及2006年略有波動外,整體呈顯著增長趨勢。20世紀80年代,土地利用方式主要以旱地為主,旱地占總面積的41.85%,林地其次,占總面積的38.55%;到了20世紀90年代,流域主要的土地利用方式以林地為主,占總面積的40.69%,其次為旱地,占總面積的30.38%;2000年后,流域主要的土地利用方式又以旱地為主,占總面積的41.81%,林地面積相應減少,占總面積的38.06%[1]。

上述下墊面的變化嚴重影響著淮河流域的蒸散發(fā)特性及產(chǎn)匯流過程,淮河流域的降雨徑流特性也發(fā)生了顯著改變。因此,研究淮河流域下墊面變化對設計洪水過程的影響程度,修訂已有流域水文設計成果是淮河流域防洪減災工作的迫切需求。國內(nèi)外許多學者在這方面也做了大量研究。劉睿[2]等人以淮河上游漯河站為研究對象,研究了降雨量和年徑流深序列變化,結果表明漯河站年徑流深和年降雨量分別于1985年和1999年發(fā)生跳躍變異。蔡濤[3]等人,以淮河上游息縣水文站以上為研究區(qū),選用SWAT模型模擬徑流過程并分析其滲水特性參數(shù)時空變化,結果表明:降雨量大小弱化了流域下墊面條件對產(chǎn)水的影響。Chanasyk等人[4]將SWAT模型應用在加拿大的Alberta南部流域,研究表明土地覆被對徑流量有較大的影響。劉昌明、郭軍庭[5-6]等人通過不同年代的土地利用狀況和變化氣候之間的組合來研究土地利用變化水文響應,得出調(diào)整流域土地利用類型,是實現(xiàn)流域水資源科學管理的途徑之一。周敏敏[7]等人研究了淮河上游大坡嶺流域土地利用變化前后流域平均滯時的變化。喬雪媛[8]等人研究了不同氣候區(qū)江河徑流變化特征，結果表明三大流域的徑流表現(xiàn)出一致性時空變化，其中渭河和北江流域受到人類活動的影響較為突出。在土地利用類型對流域徑流的影響方面,Calder、Bosch[9]認為林地的減少能使流量增加,對于空曠地的造林會使徑流總量減少。萬榮榮[10-11]等人選取太湖流域,利用分布式水文模型,定量分析了單一土地利用對洪水過程的影響,認為土地利用變化是影響流域洪澇災害的重要因素。在設計洪水的研究方面,王國安[12]強調(diào)搞好設計洪水工作需要三大支撐:健全的資料信息、相對合理的分析計算方法以及對設計流域水文氣象規(guī)律的必要認識。綜上所述，本文選取了淮河上游的潢川流域為研究對象,開展土地利用變化對設計洪水影響的研究,為將來潢川流域防洪規(guī)劃的制定提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

潢川,因潢河(淮河支流)穿城而過得名,位于東經(jīng)114°53′～115°21′,北緯31°52′～32°22′之間(圖1),流域面積2 080 m2,南依大別山,北臨淮河。潢川地處大別山側洪積扇向淮北平原過渡地帶,屬合肥-潢川盆地,地質(zhì)結構屬淮陽古陸邊緣的一部分,地貌為剝蝕侵蝕類型,地勢南高北低,略向東北傾斜。流域氣象條件表現(xiàn)為亞熱帶向暖溫帶過渡的季風濕潤氣候,年均日照時數(shù)2 092 h,太陽輻射量118.25 kcal/cm2,無霜期226 d,全年平均溫度15.3 ℃,年均降雨量1 039 mm。流域上游建有潑河水庫,水庫控制區(qū)域面積25.6 km2。

2 潢川流域SWAT模型的構建

2.1 模型簡介

SWAT模型是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心(USDA)推出的一種分布式流域水文模型,可用于模擬復雜流域的水文過程、水土流失、化學遷移、農(nóng)業(yè)管理和生物量變化等,并能預測在不同土壤類型、土地利用方式和管理措施下人類活動對上述過程的影響[13-14]。

2.2 流域模型構建

基于研究區(qū)內(nèi)9個雨量站(裴河站、香山站、新縣站、潑河站、吳陳河站、光山站、潢川站、長洲河站、八里畈站)1964—2012年的逐日降水資料、 1個氣象站(固始站)1964—2012年的氣象資料、 流域內(nèi)潑河水庫相應年份的逐日出庫流量資料及出口斷面潢川水文站相應年份的逐日徑流資料, 選用研究區(qū)1∶20萬的土壤類型圖及1980年與1995年兩期1∶20萬土地利用圖,本文分別構建了兩種土地利用方式下潢川以上控制區(qū)的SWAT模型。不同年代的土地利用方式對比結果如圖2及表1所示。

2.3 模型率定

在1980年土地利用條件下,選擇1973—1982年作為率定期,1964—1972年作為驗證期;在1995年土地利用條件下, 選擇1995—2004年作為率定期,2005—2012年作為驗證期。模型率定結果及率定參數(shù)結果如表2～4所示。

3 設計暴雨推求設計洪水

首先計算流域面平均降雨量,并統(tǒng)計出最大1日、3日、5日、7日、15日及30日的面平均降雨量,通過P-Ⅲ曲線頻率計算,從而推求出設計頻率為10%、5%、2%和1%的設計面暴雨量，見表5。

根據(jù)典型年應反映本流域特大洪水的地區(qū)組成特性,本文選取較具代表性的1968、1969、1980、1996、2003和2007年作為典型年,選取流域逐日面平均降雨量中典型洪水過程對應的降雨過程,通過同頻率放大的方法,將各個站點的典型洪水過程所對應的降雨量放大,得到各站點設計暴雨過程,將設計暴雨輸入不同土地利用條件下的SWAT模型中進行徑流計算,分別得到兩套設計洪水過程(序列A:1980年土地利用;序列B:1995年土地利用)。藉此分析不同土地利用條件下不同頻率設計洪水的變化特征(圖3～8),從圖中可看出,相同頻率下序列B的設計洪水過程較序列A略微平緩。

4 結果分析

1) 基于流域1980年和1995年土地利用類型分析發(fā)現(xiàn):流域主要土地利用類型為水田、旱地、林地、草地、水域和城鎮(zhèn)用地。其中水田、旱地與林地三種,占總面積的90%以上。根據(jù)兩個年代的土地利用情況,旱地、草地、水域和城鎮(zhèn)用地呈減少趨勢,水田與林地呈增長趨勢;從變化的幅度來看,旱地、水田與林地的變化最為顯著。與1980年相比,1995年的旱地減小了43.93%,水田和林地分別增加了28.2%和16.82%,而草地、水域和城鎮(zhèn)用地分別減少了0.51%、0.53%和0.05%。

2) 分析表明(表4)流域內(nèi)最敏感2個參數(shù)是:SCS徑流曲線數(shù)(CN2)、土壤有效含水率(SOL_AWC)。CN2反映了降雨前的流域特性,綜合反映出不同的前期土壤濕潤條件下,土地利用、土壤滲透特性等對流域產(chǎn)流的影響。產(chǎn)流量大小與CN2值呈正相關,CN2越大,產(chǎn)流量也越大。SOL_AWC反映了土壤的蓄水能力,該參數(shù)越小,土壤蓄水能力越差,產(chǎn)流量就會增加。其余敏感參數(shù)對徑流過程也會造成不同程度的影響。從參數(shù)的結果來看,土地利用變化前后,CN2減小、SOL_AWC增大都使得流域產(chǎn)流減少。

3) 由設計暴雨推求設計洪水中,對比土地利用變化前后,相同頻率下,序列B的設計洪量較序列A的設計洪量值減小,變化范圍為 0.3%～20.2%。序列B的設計洪峰較序列A的設計洪峰量值減小,其變化范圍在2.5%～8.6%(表6)。

注:洪峰相對變化(%)=(QB-QA)/QA*100%,洪量相對變化(%)=(WB-WA)/WA*100%(其中QA為序列A計算的設計洪峰,QB為序列B計算的設計洪峰,WA為序列A設計洪量,WB為序列B設計洪量。)

5 結論與展望

由于土地利用方式中旱地明顯減少與水田的明顯增多,土壤的下滲容量變大,徑流量減小,從而使得序列B較序列A洪峰減小。同時,與其他幾種土地利用類型相比,林地的增多也加大了灌層截留量,同時也使得蒸騰率增大,由于樹木根系吸取土壤水分,從而補給基流的水量減少,同時枯枝落葉層增加了近地表面的糙率,降低了地表徑流的速率,因此林地具有延遲和削弱洪峰的作用,使得設計洪峰減小?？偟脕碚f,土地利用變化方式是影響設計洪水洪量的一個重要因素。

本文選取淮河上游的潢川流域,總結了其兩個時期的土地利用變化規(guī)律,定性分析土地利用變化對設計洪水的影響。但設計洪水的變化并不是單一土地利用類型改變作用的結果,而是多種土地利用類型變化組合的結果,因此定量區(qū)分土地利用類型的變化對設計洪水影響仍需深入研究,有待結合GIS技術更進一步的分析。

[1]Qu S, Bao W, Shi P, et al. Evaluation of runoff responses to land use/cover changes in the upper Huaihe River Basin, China [J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2012, 17: 800-806.

[2]劉睿, 夏軍. 氣候變化和人類活動對淮河上游徑流影響分析 [J]. 人民黃河, 2013(09): 30-33. Liu Rui, Xia Jun. Influence analysis of climate change and human activities on runoff of the Upper Huaihe River [J]. Yellow River, 2013(09): 30-33.

[3]蔡濤, 李瓊芳, 宋秀民, 等. 基于空間信息平臺的土地利用方式變化徑流響應模擬[J]. 河海大學學報: 自然科學版, 2009,37(5): 563-567. Cai Tao, Li Qiongfang, Song Xiumin, et al. Influence of land use change on runoff response simulation based on spatial information platform [J]. Journal of Hohai University(Natural Sciences), 2009,37(5): 563 -567.

[4]Chanasyk D S, Mapfumo E, Willms W. Quantification and simulation of surface runoff from fescue grassland watersheds [J]. Agricultural Water Management, 2003, 59: 137-153.

[5]劉昌明, 李道峰, 田英, 等. 基于DEM的分布式水文模型在大尺度流域應用研究[J]. 地理科學進展, 2003,22(5): 437-445,541-542. Liu Changming, Li Daofeng, Tian Ying, et al. An application study of DEM based distributed hydrological model on macroscale watershed [J]. Progress In Geography, 2003,22(5): 437-445,541-542.

[6]郭軍庭, 張志強, 王盛萍, 等. 應用SWAT模型研究潮河流域土地利用和氣候變化對徑流的影響 [J]. 生態(tài)學報, 2014,34(6): 1559-1567. Guo Junting, Zhang Zhiqiang, Wang Shengping, et al. Appling SWAT model to explore the impact of changes in land use and climate on the streamflow in a watershed of Northern China [J]. Acta Ecologica Sinica, 2014,34(6): 1559-1567.

[7]周敏敏，瞿思敏，石朋，等. 淮河上游大坡嶺流域土地利用方式變化引起的流域滯時變化[J]. 河海大學學報：自然科學版， 2015,43(2): 100-106. Zhou Minmin,Qu Simin, Shi Peng,et al. Lag time response of land use change in the upstream of the Huaihe River[J].Journal of Hohai University(Natural Science), 2015,43(2): 100-106.

[8]喬雪媛，石朋，陳喜，等. 不同氣候區(qū)代表性江河徑流變化特征分析[J]. 西安理工大學學報， 2014,30(3): 357-365. Qiao Xueyuan,Shi Peng,Chen Xi,et al. Analysis on the change characteristic of runoff in different climate regions of China[J].Journal of Xi’an University of Technology, 2014,30(3): 357-365.

[9]Bosch J M， Hewlett J D. A review of catchment experiments to determine the effect of vegetation changes on water yield and evapotranspiration [J]. Journal of Hydrology, 1982(103): 323-333.

[10]萬榮榮, 楊桂山, 李恒鵬. 流域土地利用/覆被變化的洪水響應——以太湖上游西苕溪流域為例 [J]. 自然災害學報, 2008,17(3): 10-15. Wan Rongrong, Yang Guishan, Li Hengpeng. Flood response to land-use and land-cover change: a case study of Xitiao Rivulet Basinin upper reach of Taihu Lake [J]. Journal of Natural Disasters, 2008,17(3): 10-15.

[11]萬榮榮, 楊桂山. 流域土地利用/覆被對洪峰的影響研究——以太湖上游西苕溪流域為例 [J]. 自然資源學報, 2009,24(2): 318-327. Wan Rongrong, Yang Guishan. The influence of land-use and land-cover on flood peak: a case study of Xitiaoxi River Basin in the head water region of Taihu Lake [J]. Journal of Natural Resources, 2009,24(2): 318-327.

[12]王國安. 中國設計洪水研究回顧和最新進展 [J]. 科技導報, 2008,26(21): 85-89. Wang Guoan. Review and recently progress of design flood work in China [J]. Science & Technology Review, 2008,26(21): 85-89.

[13]王中根, 劉昌明, 黃友波. SWAT模型的原理、結構及應用研究 [J]. 地理科學進展, 2003,22(1): 79-86. Wang Zhonggen, Liu Changming, Huang Youbo. The theory of SWATModel and its application in Heihe Basin [J]. Progress in Geography, 2003,22(1): 79-86.

[14]侯統(tǒng)昭, 李錦育. SWAT模型之初步探討 [J]. 水土保持研究, 2009,16(6): 282-286. Hou Tongzhao, Li Jinyu. Primarily study for soil and water assessment tool (SWAT) [J]. Reseach of Soil and Water Conservation, 2009,16(6): 282-286.

(責任編輯 李斌)

Research on the influence of land use change on the design flood of small basins in the upper reaches of Huaihe River

WU Miao1,SHI Peng1,2,SUN Yong3,QIAO Xueyuan1,ZHOU Minmin1,QU Simin1,WANG Jianjin1

(1.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098, China; 2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing 210098, China; 3.Huaihe Water Conservancy Bureau, Bengbu 233000, China)

In order to study the effect of land use change on the design flood, the method of frequency amplification is used to calculate the design storm. In this paper, and then the SWAT model of Huangchuan River Basin is built up to derive the design flood. According to the calculated results, this paper analyzes the effect of the change of land use pattern on the design flood of small river basin in the upper reaches of Huaihe River. The analysis of the design flood, flood peak and flood process, indicates that before and after the land use changes in the basin, the same frequency of design flood volume decreases, and the higher the frequencis the more reducing will be. There is a decreasing trend in the case of design flood peaks with different frequencies; and the higher the frequency is, the more the reduction will be. Analysis of the characteristics of the above mentioned design flood shows that, the variation law of design flood is obvious, thereby indicating that the change of land use may have a significant effect on the design flood.

SWAT model; design storm; design flood; land use change

1006-4710(2015)03-0366-08

2015-03-12

國家自然科學基金重大資助項目(51190090);國家自然科學基金資助項目(51479062，41371048)。

吳淼,女,碩士生,研究方向為水文水資源。E-mail:july3259@sina.com。

石朋,男,教授,博士,研究方向為流域水文模擬。E-mail:ship@hhu.edu.cn。

TV121.2

A