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      下墊面變化對(duì)流域洪水特性的影響分析

      2018-09-10 15:53:48田傳沖黃冬菁馬海波
      人民黃河 2018年9期
      關(guān)鍵詞:下墊面

      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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