基于燕尾洲生態(tài)護(hù)堤模式的金華江流域防洪效應(yīng)研究

酈宇琦,王春連

1 北京大學(xué)建筑與景觀設(shè)計(jì)學(xué)院, 北京 100871 2 北京大學(xué)景觀設(shè)計(jì)學(xué)研究院, 北京 100871 3 華盛頓大學(xué)城市設(shè)計(jì)與規(guī)劃學(xué)院, 西雅圖 98105 4 北京土人城市規(guī)劃設(shè)計(jì)股份有限公司, 北京 100080

近一個(gè)世紀(jì),全球氣候持續(xù)變暖。在全球變暖背景下,極端天氣事件頻發(fā)[1],引發(fā)了地震、泥石流、旱災(zāi)、洪災(zāi)等自然災(zāi)害,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2- 3]。在由不同自然災(zāi)害造成的全球經(jīng)濟(jì)損失中,洪災(zāi)成為困擾人類(lèi)的首要自然災(zāi)害[4- 6]。

人類(lèi)防治洪水災(zāi)害可采取水利工程和生態(tài)護(hù)堤兩種措施。水利工程措施如修筑、加固堤防通常被視作抵御洪水的最終方案,然而,這些防御措施不僅建設(shè)成本高、維護(hù)費(fèi)用昂貴[7- 8],并且降低河岸對(duì)洪水的自適性能力,使其喪失本應(yīng)具備的天然防洪能力[9-12]。生態(tài)護(hù)堤能夠彌補(bǔ)水利工程產(chǎn)生的諸多生態(tài)、環(huán)境問(wèn)題,是一種更可持續(xù)的防洪戰(zhàn)略。近期在歐洲的實(shí)踐表明,與傳統(tǒng)堤防的防洪效果相比,采取生態(tài)護(hù)堤具有更高的可持續(xù)性與成本效益,并具有額外的優(yōu)勢(shì)和較少的負(fù)作用[9]。又如紐約市構(gòu)建的沿海綠色基礎(chǔ)設(shè)施-有生命的防洪堤,能夠在保護(hù)或拓寬海灘的同時(shí)削弱風(fēng)浪,降低沿海風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn),并減少建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的破壞[13]。

生態(tài)護(hù)堤依據(jù)生態(tài)工法思路,采用天然材料、人工材料或混合材料構(gòu)筑沿河護(hù)堤,既能發(fā)揮自然堤岸的生態(tài)系統(tǒng)作用,又能抵御洪水災(zāi)害、防止堤岸侵蝕[10, 14-15]。生態(tài)護(hù)堤依據(jù)河道斷面形式及承接河流類(lèi)型的不同,可分為立式,斜式和階式[16-17]；或可依據(jù)護(hù)堤材質(zhì)的差異,分為自然原式,自然式與人工自然式[18]。在生態(tài)護(hù)堤防洪效應(yīng)方面,國(guó)內(nèi)外研究多以定性描述其防洪功能為主,僅少數(shù)學(xué)者對(duì)生態(tài)護(hù)堤相較水泥堤防的防洪效果進(jìn)行對(duì)比研究。在定量對(duì)比研究中,Acreman等對(duì)現(xiàn)狀河道、經(jīng)恢復(fù)河道和渠化河道三種情景進(jìn)行洪峰削減量的計(jì)算,得出相較現(xiàn)狀河道,洪峰在經(jīng)恢復(fù)河道內(nèi)削減了10%,而洪峰在渠化河道內(nèi)增加了50%—150%[19]。劉靜[20]研究了河道糙率對(duì)河道水位、流速的影響,并分別建立水位、流速與河道糙率的擬合公式。結(jié)果表明,河道內(nèi)植被越密集,糙率越大,植被對(duì)流水的阻力越大,水流流速越低、水位越高[20]。定性對(duì)比研究方面,僅Temmerman等對(duì)沿海傳統(tǒng)工程堤防和生態(tài)護(hù)堤分別進(jìn)行了優(yōu)劣分析與案例綜述,提出沿海建設(shè)生態(tài)護(hù)堤的可行性與潛在價(jià)值[9]。綜上,國(guó)內(nèi)外研究多以定性探討生態(tài)護(hù)堤類(lèi)型、防洪效果為主[14,16,18,21],較少定量對(duì)比研究不同生態(tài)護(hù)堤相較水利工程措施的洪水削減能力。

在生態(tài)護(hù)堤的防洪設(shè)計(jì)實(shí)踐方面,位于金華市金華江流域出口的燕尾洲公園打破了公園傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手法,提出以可淹沒(méi)的梯田式生態(tài)護(hù)堤替代傳統(tǒng)水泥防洪堤方案。這一方案不僅能有效緩解防洪壓力,更使得公園成為兼具防洪功能與休憩娛樂(lè)的美麗景觀[22]。

為探究不同設(shè)計(jì)模式生態(tài)護(hù)堤的防洪效應(yīng),研究以燕尾洲公園生態(tài)護(hù)堤設(shè)計(jì)手法為依據(jù),選擇以燕尾洲公園所屬金華江流域?yàn)檠芯繀^(qū),通過(guò)單獨(dú)或同時(shí)改變護(hù)堤植被覆蓋、坡度和改造護(hù)堤所占面積比例三個(gè)護(hù)堤設(shè)計(jì)參數(shù),設(shè)計(jì)流域尺度不同生態(tài)護(hù)堤模式。利用SWAT流域水文模型,模擬研究流域不同生態(tài)護(hù)堤模式的流量調(diào)控、洪峰削減與水位調(diào)節(jié)效應(yīng)。研究深入揭示了護(hù)堤模式變化下的洪水響應(yīng)機(jī)制,為流域尺度推廣燕尾洲護(hù)堤模式提供理論依據(jù)。同時(shí),在全國(guó)探索建設(shè)海綿城市、推進(jìn)河長(zhǎng)制背景下,研究河流生態(tài)護(hù)堤取代水泥堤防有重要的實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究以燕尾洲公園所在流域——金華江流域?yàn)檠芯繀^(qū)(圖1)。金華江流域位于浙江省最大的金衢盆地東部,流域地勢(shì)南北高,中間低,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,雨熱同季,光溫互補(bǔ)[23]。流域降水受地形影響,空間分布不均,年平均降水量1458 mm,年降水量變化范圍1300—2000 mm[24]。流域4—6月和7—9月分別受梅雨和臺(tái)風(fēng)控制,全年存在兩個(gè)雨季[25]。流域汛期為5—9月,汛期降水量可達(dá)年降水量的55%[26]。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 The study site

燕尾洲公園位于金華市多湖片區(qū)東市街以西,三江國(guó)際花園以北,義烏江和武義江匯合處,面積約75萬(wàn)m2。公園將場(chǎng)地原有的硬質(zhì)駁岸改造為具有不同安全級(jí)別的可淹沒(méi)的防汛堤,采用梯田形式,并在臺(tái)地上種植鄉(xiāng)土植物,從而實(shí)現(xiàn)洪水削減與生態(tài)多樣性的恢復(fù)[22]。

1.2 SWAT模型與數(shù)據(jù)預(yù)處理

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)開(kāi)發(fā)的新一代分布式流域水文模型。SWAT模型待輸入數(shù)據(jù)包括DEM、土壤類(lèi)型圖、土地利用類(lèi)型圖、氣象數(shù)據(jù)(降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)等)、水庫(kù)出流數(shù)據(jù)(月尺度)等。本研究通過(guò)實(shí)地調(diào)研、文獻(xiàn)獲取和相關(guān)部門(mén)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)等獲取數(shù)據(jù)資料,后用Matlab、ArcGIS等軟件進(jìn)行預(yù)處理,編入數(shù)據(jù)庫(kù)。預(yù)處理后數(shù)據(jù)如圖2。

圖2 SWAT模型預(yù)處理后數(shù)據(jù): (A) 研究區(qū)土地利用類(lèi)型圖; (B) 研究區(qū)土壤分布圖; (C) 研究區(qū)水文站分布圖; (D) 研究區(qū)子流域劃分圖Fig.2 Preprocessed data in SWAT model: (A) land use map; (B) soil map; (C) hydrographic station distribution map; (D) sub-watershed division map

1.3 模型校正與驗(yàn)證

SWAT模型在初次運(yùn)行完畢后,需要對(duì)模型進(jìn)行校正與驗(yàn)證。本文在SWAT-CUP模型中,利用拉丁超立方體抽樣和多元回歸方法進(jìn)行SWAT模型參數(shù)敏感性分析,并利用金華站和對(duì)家地站的實(shí)測(cè)月流量數(shù)據(jù),對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)率定與模型校準(zhǔn)。選取納什系數(shù)NS(Nash-Sutcliffe efficiency)和偏差百分比(PBIAS)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)模型的適用性,相關(guān)研究認(rèn)為NS>0.5、|PBIAS|<25%時(shí)模擬結(jié)果良好[27-28]。模型校正期與驗(yàn)證期結(jié)果見(jiàn)表1和圖3。

表1 模型校正期與驗(yàn)證期評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

圖3 水文站月徑流量實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖Fig.3 Comparison of observed and simulated monthly flow in two hydrological station

由表1和圖3可知,模型校正期、驗(yàn)證期NS系數(shù)均大于0.65,PBIAS絕對(duì)值均小于25%(表1),模型驗(yàn)證期模擬值與實(shí)測(cè)值吻合度高(圖3),模型模擬效果很好,可被用于情景模擬。

2 生態(tài)護(hù)堤模式設(shè)計(jì)及模型模擬

2.1 燕尾洲公園生態(tài)護(hù)堤設(shè)計(jì)模式

燕尾洲公園位于東陽(yáng)江和武義江的交匯之處,占地面積約為75萬(wàn)m2。生態(tài)護(hù)堤將原有水泥堤防拆除,替以梯田式生態(tài)護(hù)堤,減緩護(hù)堤坡度的同時(shí),于梯田臺(tái)地上種植鄉(xiāng)土植物(池衫、水杉、吉祥草等),將護(hù)堤改造為可被洪水淹沒(méi)的梯田種植帶,實(shí)現(xiàn)與洪水為友的彈性防洪。這一生態(tài)護(hù)堤模式不但能夠增加行洪斷面、緩解對(duì)岸城市一側(cè)的防洪壓力,同時(shí)滿(mǎn)足了人們的日常休閑活動(dòng)和對(duì)景觀美的需求。

燕尾洲公園的生態(tài)護(hù)堤模式包括以下兩類(lèi)：1)護(hù)堤材質(zhì)由水泥改為梯田種植帶,2)護(hù)堤形態(tài)由直壁改為梯田式緩坡。前者包括拆除水泥堤防,種植鄉(xiāng)土植物,修復(fù)河堤自然生境,建立群落層次；后者指減緩護(hù)堤坡度,改斜式堤防為階梯式。公園生態(tài)護(hù)堤改造概念圖如圖4所示。

圖4 公園生態(tài)護(hù)堤改造概念圖Fig.4 The conceptual graphic of Yanweizhou Ecological Embankment

2.2 流域尺度生態(tài)護(hù)堤模式設(shè)計(jì)

以燕尾洲公園生態(tài)護(hù)堤設(shè)計(jì)模式為參照(圖4),通過(guò)單獨(dú)或同時(shí)改變護(hù)堤植被覆蓋、坡度和改造護(hù)堤所占面積比例3個(gè)護(hù)堤設(shè)計(jì)參數(shù),設(shè)計(jì)流域尺度不同生態(tài)護(hù)堤模式。研究提取河道覆被參數(shù)(C)、河道形態(tài)參數(shù)(S)和面積比例參數(shù)(A)三組參數(shù)進(jìn)行護(hù)堤模式設(shè)計(jì)與情景模擬。

2.2.1河道覆被參數(shù)設(shè)定

生態(tài)護(hù)堤與水泥堤防在植被覆蓋度、土壤下滲性能上均存在明顯差異。研究選取河道覆被參數(shù)(C)——主河道曼寧系數(shù)與主河道有效水力傳導(dǎo)率兩個(gè)參數(shù),共同表達(dá)不同護(hù)堤的植被覆蓋差異。

主河道曼寧系數(shù)(又名糙率)是當(dāng)河道內(nèi)的水通過(guò)過(guò)流邊界表面時(shí)所受的綜合阻力[20]。不同表面的曼寧系數(shù)值可通過(guò)查閱美國(guó)霍爾頓編制的河渠與天然河道糙率表[29]獲得。參照糙率表,結(jié)合燕尾洲生態(tài)護(hù)堤植被類(lèi)型,與SWAT用戶(hù)手冊(cè)建議曼寧系數(shù)取值范圍[30],設(shè)定研究流域曼寧系數(shù)取值。選取0.014(模型默認(rèn)值)作為水泥堤防的曼寧系數(shù)值,0.050(植被稀疏,伴以?huà)伿?作為植被覆蓋率低的生態(tài)護(hù)堤曼寧系數(shù)值,0.100(植被茂密,伴以?huà)伿?作為植被覆蓋率高的生態(tài)護(hù)堤曼寧系數(shù)值。

主河道有效水力傳導(dǎo)率指單位水力梯度下,單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)單位面積土壤剖面的水量,反映土壤下滲性能。參考SWAT用戶(hù)手冊(cè)中主河道有效水力傳導(dǎo)率取值范圍[30],可得研究區(qū)14種土壤對(duì)應(yīng)有效水力傳導(dǎo)率值。

2.2.2河道形態(tài)參數(shù)設(shè)定

燕尾洲公園將原本硬質(zhì)堤防拆除,以緩坡梯田式生態(tài)護(hù)堤替代,河道岸線(xiàn)后退,坡度減緩。研究沿用燕尾洲生態(tài)護(hù)堤設(shè)計(jì)思路,改變河道斷面形態(tài),設(shè)定河道形態(tài)參數(shù)(S)。研究選取3個(gè)坡度梯級(jí)：90°(垂直護(hù)堤),45°(高坡護(hù)堤),和18°(緩坡護(hù)堤)進(jìn)行情景模擬。

在確定護(hù)堤坡度后,需要相應(yīng)在SWAT模型中調(diào)整該坡度下河道溢出時(shí)齊岸寬度。在護(hù)堤坡度為90°時(shí),河道溢出時(shí)齊岸寬度等于河底寬度；坡度為45°時(shí),河道溢出時(shí)齊岸寬度=河底寬度+2×河道深度；坡度為18°時(shí),河道溢出時(shí)齊岸寬度=河底寬度+2×3×河道深度。

2.2.3面積比例參數(shù)設(shè)定

研究同時(shí)考慮上述河道覆被因子、形態(tài)因子在不同空間尺度上的應(yīng)用效果。換言之,研究設(shè)定面積比例參數(shù)(A),在東陽(yáng)江、武義江的32個(gè)子流域中,從上游至下游逐步增加參與生態(tài)護(hù)堤情景模擬的子流域個(gè)數(shù),兩條江同步開(kāi)始增加。A取值為1—16。A值每增加1，代表兩條江上各有1個(gè)子流域進(jìn)行生態(tài)護(hù)堤改造。A=16代表兩條江32個(gè)子流域全部完成生態(tài)護(hù)堤改造。

2.2.4護(hù)堤模式設(shè)計(jì)小結(jié)

考慮原始情景與三組因子(C、S、A)的單一及組合效果,設(shè)計(jì)不同生態(tài)護(hù)堤模擬情景共計(jì)129種(如表2)。在SWAT模型中,在流域尺度,對(duì)每種生態(tài)護(hù)堤情景進(jìn)行水文過(guò)程模擬,模擬次數(shù)共計(jì)129次。結(jié)合燕尾洲建成時(shí)間(2014年5月),與所獲氣象資料(日尺度,截止至2016年12月31日),研究設(shè)定情景模擬時(shí)間為2012年1月1日—2016年12月31日,模擬精度為日。

3 流域尺度燕尾洲不同護(hù)堤模式防洪效應(yīng)

3.1 不同護(hù)堤模式流量過(guò)程分析

研究以初始情景(垂直水泥堤防模式)作為基準(zhǔn)情景,在此基礎(chǔ)上改變參數(shù)C、S和A進(jìn)行2012—2016年日流量過(guò)程模擬。模擬方案共計(jì)129種。按照表2,將除初始情景0之外的128種情景,每16種情景分為一組,共計(jì)8組,分別對(duì)應(yīng)于參數(shù)A由小至大變化下：情景1—16:只改變參數(shù)C,植被稀疏,伴以?huà)伿?；情?7—32:只改變參數(shù)C,植被茂密,伴以?huà)伿?；情?3—48:只改變參數(shù)S,45°坡度；情景49—64:只改變參數(shù)S,18°坡度；情景65—80:同時(shí)改變參數(shù)C、S,45°坡度,稀疏生態(tài)護(hù)堤,伴以?huà)伿?；情?1—96:同時(shí)改變參數(shù)C、S,45°坡度,茂密生態(tài)護(hù)堤,伴以?huà)伿?；情?7—112:同時(shí)改變參數(shù)C、S,18°坡度,稀疏生態(tài)護(hù)堤,伴以?huà)伿?；情?13—128:同時(shí)改變參數(shù)C、S,18°坡度,茂密生態(tài)護(hù)堤,伴以?huà)伿?。加之初始情?9種生態(tài)護(hù)堤模式設(shè)計(jì)下的流量過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖5。

由圖5可知,a為初始情景,b—f為在某種C、S設(shè)定值下,由小至大改變參數(shù)A取值時(shí),流域出口斷面的流量。b—f中曲線(xiàn)簇的最低流量過(guò)程線(xiàn)代表A取值最小時(shí)的日尺度流量過(guò)程線(xiàn)；曲線(xiàn)簇的最高流量過(guò)程線(xiàn)代表A取值最大(即所有子流域均參與生態(tài)護(hù)堤改造)的日尺度流量。圖中陰影面積代表在退水過(guò)程中,A的不同取值對(duì)同場(chǎng)降水的洪峰削減。由圖5可明顯看出在A取值變化下,退水曲線(xiàn)變化對(duì)河流水量的影響：生態(tài)護(hù)堤相較水泥堤防而言,能夠減小洪峰流量,增加退水過(guò)程時(shí)洪水流量,從而使洪水過(guò)程線(xiàn)更平緩。對(duì)于初始情景(水泥垂直堤防模式,圖5a),五年日尺度最大洪峰流量發(fā)生于2013年10月,接近5a一遇最大洪量；在只改變參數(shù)C,A取最大值時(shí),隨著主河道曼寧系數(shù)由0.050(圖5b)增加至0.100(圖5c),退水過(guò)程時(shí)的流量增加值由67.96 m3/s增加至83.70 m3/s,五年最大洪峰削減率由70%增至87%。植被覆蓋率越高(C值越大),洪水過(guò)程線(xiàn)越平緩；在只改變參數(shù)S,A取最大值時(shí),隨著護(hù)堤坡度由90°減為45°(圖5d)和18°(圖5e),流量過(guò)程線(xiàn)與初始情景一致,退水過(guò)程流量和洪峰流量未發(fā)生明顯改變。說(shuō)明改變參數(shù)S對(duì)河道洪峰流量與洪水過(guò)程線(xiàn)均無(wú)明顯影響。

同時(shí)改變參數(shù)C與S,A取最大值,逐漸增大C值(增大植被覆蓋率)：曼寧系數(shù)由初始情景0.014逐漸增為0.050(圖5f,h)和0.100(圖5g,i)時(shí),退水過(guò)程時(shí)的流量增加值明顯增加約15 m3/s,退水過(guò)程平均流量增加值變化率介于19.27%—23.16%。結(jié)果顯示對(duì)于退水過(guò)程流量的增加,兩組參數(shù)同時(shí)改變較單獨(dú)改變某一組參數(shù)的效果更明顯。其中以退水過(guò)程平均流量增加值為評(píng)價(jià)指標(biāo),在控制S一定,逐漸增大C值,參數(shù)C對(duì)退水過(guò)程增加的貢獻(xiàn)率在97%以上,且在S取1時(shí)減小(99.88%→99.52%),在S取3時(shí)增大(97.80%→99.02%)。

表2 研究區(qū)不同護(hù)堤模式情景設(shè)定

CH_N：主河道曼寧系數(shù) Manning′s "n" value for the main channel；CH_K：主河道有效水力傳導(dǎo)率 Effective hydraulic conductivity in main channel alluvium；CH_SIDE：護(hù)堤坡度 Channel Side Slope；CH_W：河道溢出時(shí)齊岸寬度 Average width of main channel at top of bank

圖5 研究流域9組情景日尺度流量過(guò)程線(xiàn)(2012—2016年)Fig.5 The daily flow hydrography of 9 scenarios in 2012—2016a):初始情景；b):情景1—16；c):情景17—32；d):情景33—48；e):情景49—64；f):情景65—80；g):情景81—96；h):情景97—112；i):情景113—128

同時(shí)改變參數(shù)C與S,A取最大值,逐漸增大S值(減緩護(hù)堤坡度)：坡度由垂直90°,逐漸變?yōu)槎钙?5°(圖5f,g)和緩坡18°(圖5h,i)時(shí),退水過(guò)程流量增加值變化率介于0.08%—2.2%,變化率不如逐漸增大C值時(shí)的退水過(guò)程流量增加值的變化效果明顯。以退水過(guò)程平均流量增加值為評(píng)價(jià)指標(biāo),在控制C一定,逐漸增大S時(shí),參數(shù)C對(duì)退水過(guò)程增加的貢獻(xiàn)率在97%以上,但逐漸減小(99.88%→97.80%；99.52%→99.02%)。

3.2 不同護(hù)堤模式洪峰削減

研究繪制8組情景洪峰流量箱線(xiàn)圖(圖6)和洪峰流量削減表(表3)。圖6中每個(gè)子圖的第一列為初始情景。

圖6 研究流域8組情景洪峰流量箱線(xiàn)圖Fig.6 The flood peak discharge of 8 groups in study area a):情景1—16；b):情景17—32；c):情景33—48；d):情景49—64；e):情景65—80；f):情景81—96；g):情景97—112；h):情景113—128；橫坐標(biāo)中，0為初始情景，1-16為A取不同值

由圖6和表3可知,在單獨(dú)改變參數(shù)C、S,或組合改變C與S情況下,逐漸增大A值,洪峰流量逐漸降低,年變化范圍逐漸減小,當(dāng)流域內(nèi)全部采用燕尾洲梯田式生態(tài)護(hù)堤時(shí),洪峰削減率最大可達(dá)53%—63%。參數(shù)貢獻(xiàn)率分析表明,流域范圍內(nèi)全部以生態(tài)護(hù)堤替代水泥堤防時(shí),河道覆被參數(shù)對(duì)年最大一日洪峰削減率的貢獻(xiàn)率在84%以上,且隨植被覆蓋率增大、坡度減緩而減小。

對(duì)于圖6a—d：(1)只改變參數(shù)C時(shí),隨著主河道曼寧系數(shù)由0.050(圖6a)增加至0.100(圖6b),洪峰年最大削減率分別為55%和53%,均在50%以上,C的不同取值對(duì)應(yīng)年最大洪峰削減值較為接近(2%以?xún)?nèi))；中間模式(6—14)年平均洪峰削減量增大,但全年50%洪峰流量(四分位距內(nèi))變化幅度增加,河道調(diào)蓄能力增大,不穩(wěn)定性同時(shí)增加。在只改變參數(shù)C,A取最大值時(shí),河道調(diào)蓄能力增強(qiáng),且能夠在相同雨強(qiáng)下,將流域洪峰流量變化范圍嚴(yán)格控制在1550 m3/s以?xún)?nèi)。(2)在只改變參數(shù)S時(shí),隨著護(hù)堤坡度由90°減為45°(圖6c)和18°(圖6d),洪峰流量未發(fā)生明顯改變,故改變水泥堤防坡度對(duì)河道洪峰流量削減無(wú)明顯作用。

對(duì)于圖6e—h：(1)在同時(shí)改變參數(shù)C與S,曼寧系數(shù)由初始情景0.014逐漸增為0.050(圖6e,g)和0.100(圖6f,h)時(shí),結(jié)果顯示,除C=0.014時(shí)洪峰流量未有明顯削減,C取值為0.050和0.100時(shí),洪峰流量變化趨勢(shì)相同,對(duì)應(yīng)年最大洪峰流量削減率分別為58%、57%(CH_SIDE=1),和61%、63%(CH_SIDE=3)?？梢?jiàn)S取值一定,逐漸增大C時(shí)(C≠0.014),年最大洪峰削減率在2%范圍內(nèi)波動(dòng),但均在57%以上。(2)在同時(shí)改變參數(shù)C與S,坡度由垂直90°逐漸變?yōu)槎钙?5°(圖6e,f)和緩坡18°(圖6g,h)時(shí),洪峰流量變化趨勢(shì)相同,對(duì)應(yīng)年最大洪峰流量削減率分別為55%、58%、61%(CH_N=0.050),和53%、57%、63%(CH_N=0.100)。可見(jiàn)C取值一定,逐漸增大S時(shí),年最大洪峰削減率逐漸增大,且均在50%以上。

若考慮生態(tài)護(hù)堤改造成本,則可根據(jù)所需洪峰削減率目標(biāo)值或洪峰流量設(shè)定值,參考表3,減少被改造護(hù)堤數(shù)量。

表3 不同護(hù)堤設(shè)計(jì)情景下洪峰削減表

3.3 不同護(hù)堤模式洪水水位調(diào)節(jié)

研究進(jìn)一步利用金華江洪峰流量—水位擬合公式,計(jì)算129種不同生態(tài)護(hù)堤情景下流域出口水位。研究區(qū)流域出口斷面的洪峰流量—水位經(jīng)驗(yàn)擬合公式如下[31]：

H=35.6888+0.0006F

式中,H為水位(m),F為洪峰流量(m3/s)。根據(jù)識(shí)別后洪峰流量值,參照上述公式,計(jì)算不同情景下流域出口最高水位。研究時(shí)段選取洪水頻發(fā)的汛期(5—9月),可得汛期洪峰流量對(duì)應(yīng)最高水位(表4)。

表4 情景1—128汛期最高水位表

由表4可知,在初始情景下,流域出口斷面洪峰水位最大值為37.64 m,大于金華站危急水位37.00 m[32]。當(dāng)以生態(tài)護(hù)堤逐步替代水泥堤防時(shí),流域出口洪峰水位最大值可減小至36.42 m,小于危急水位。

4 討論

4.1 生態(tài)護(hù)堤較水泥堤防的洪水削減優(yōu)勢(shì)

洪水退水過(guò)程時(shí)流量計(jì)算結(jié)果表明,在研究流域內(nèi)利用生態(tài)護(hù)堤代替水泥堤防,洪水過(guò)程線(xiàn)更為平緩(圖5b,c,f—i),經(jīng)生態(tài)護(hù)堤處理過(guò)的洪峰流量較水泥堤防更低。隨著流域范圍內(nèi)全部以生態(tài)護(hù)堤替代水泥堤防,日尺度退水過(guò)程的洪水流量增加值介于67.96—83.70 m3/s,即生態(tài)護(hù)堤能在洪水退水過(guò)程時(shí)蓄積更多雨水,從而利于修復(fù)自然生境,恢復(fù)河堤自然系統(tǒng)。此外,河道覆被參數(shù)(C)對(duì)退水過(guò)程平均流量增加值的貢獻(xiàn)率在97%以上,調(diào)節(jié)該參數(shù)對(duì)控制退水過(guò)程更為有效。

洪水流量削減結(jié)果表明,在流域內(nèi)沿用燕尾洲生態(tài)護(hù)堤模式代替水泥堤防,可顯著削減年最大一日洪峰流量。在研究流域內(nèi),相較水泥堤防,采用生態(tài)護(hù)堤的洪峰削減率最高可達(dá)63%,說(shuō)明燕尾洲公園護(hù)堤模式較水泥堤防有極好的洪水削減作用。Acreman等人的研究結(jié)果也表明,相較生態(tài)護(hù)堤,洪峰在渠化河道內(nèi)增加了50%—150%[19]。本研究結(jié)果與Acreman等人的研究結(jié)果相似。此外,流域范圍內(nèi)全部以生態(tài)護(hù)堤替代水泥堤防時(shí),河道覆被參數(shù)(C)對(duì)年最大一日洪峰削減率的貢獻(xiàn)率最高,可達(dá)84%,且隨植被覆蓋率增大、坡度減緩而減小。因此,可通過(guò)調(diào)控C參數(shù)來(lái)顯著減小流域洪峰流量。

圖7 不同情景下燕尾洲公園淹沒(méi)范圍圖 Fig.7 The submerged area of Yanweizhou Park under 129 scenarios

4.2 汛期燕尾洲公園水位調(diào)節(jié)驗(yàn)證

在獲得129種護(hù)堤情景下的汛期流域最高水位后,研究參考燕尾洲生態(tài)護(hù)堤的DEM,結(jié)合模擬水位結(jié)果,繪制以生態(tài)護(hù)堤替代水泥堤防的水位調(diào)控效果。燕尾洲公園位于流域出口,其在不同情景下的淹沒(méi)范圍可由研究流域出口水位估算得出。不同情景下燕尾洲公園(即流域出口)淹沒(méi)范圍如圖7所示。

如圖7,以燕尾洲公園紅線(xiàn)為邊界,其內(nèi)淹沒(méi)區(qū)可分為三類(lèi)：(1)一級(jí)淹沒(méi)區(qū)：該區(qū)域會(huì)被所有情景下研究時(shí)段內(nèi)最大洪水淹沒(méi)。表明公園生態(tài)護(hù)堤及內(nèi)部場(chǎng)地在所有情景的最大洪峰下均保持完好,僅洲頭濕地被淹沒(méi)；(2)二級(jí)淹沒(méi)區(qū)：該區(qū)域會(huì)被108種情景下研究時(shí)段內(nèi)最大洪水淹沒(méi)。此時(shí)僅有第四層梯田和洲頭被淹沒(méi),內(nèi)部場(chǎng)地和其余梯田臺(tái)地保持完好；(3)三級(jí)淹沒(méi)區(qū)：該區(qū)域在所有情景下均不會(huì)被淹沒(méi)。即護(hù)堤第三級(jí)以上及所圍合中心區(qū)在所有情景下均不會(huì)被淹沒(méi)。該結(jié)果表明,燕尾洲公園生態(tài)護(hù)堤能夠成功抵御模擬年份內(nèi)所有場(chǎng)次洪水,且能夠有效避免河道的硬化和白化,具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

本研究以金華江流域?yàn)檠芯繀^(qū),以燕尾洲公園生態(tài)護(hù)堤設(shè)計(jì)模式為典型,自行設(shè)計(jì)流域不同生態(tài)護(hù)堤模式,運(yùn)用SWAT模型模擬不同護(hù)堤模式下退水過(guò)程的流量改變、洪峰削減與水位調(diào)節(jié)效果。研究結(jié)果表明,利用生態(tài)護(hù)堤代替水泥堤防,洪水過(guò)程線(xiàn)更為平緩,流域內(nèi)年最大一日洪峰削減率最高可達(dá)63%,燕尾洲公園生態(tài)護(hù)堤模式較水泥堤防有良好的洪水削減作用。在未來(lái)研究中,如何模擬燕尾洲護(hù)堤形態(tài)外其他護(hù)堤模式的流域防洪效應(yīng),需要進(jìn)一步探討。這方面的研究成果將為“生態(tài)治水”和“國(guó)土海綿”建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)[33,34]。