叢沛桐 于慧敏 韋 未 郭鳳清

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州，510610) (天津師范大學(xué)) (華南農(nóng)業(yè)大學(xué))

潖江滯洪區(qū)森林植被覆蓋率與防洪減災(zāi)的耦合關(guān)系1)

叢沛桐 于慧敏 韋 未 郭鳳清

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州，510610) (天津師范大學(xué)) (華南農(nóng)業(yè)大學(xué))

采用森林水文學(xué)、陸地水文學(xué)及3S技術(shù)原理與方法，基于遙感影像NDVI指數(shù)與水文學(xué)模型參數(shù)的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建森林植被覆蓋率與洪水淹沒耦合關(guān)系模型，計(jì)算了現(xiàn)狀和高植被覆蓋率情景下潖江滯洪區(qū)可能出現(xiàn)的洪水災(zāi)害。當(dāng)潖江口分洪百年一遇洪水時(shí)，70％植被覆蓋率情景與現(xiàn)狀條件相比，淹沒面積減少32.8％，農(nóng)業(yè)損失減少40％，固定資產(chǎn)投資減少13.4％，提高了人員生命安全的保障程度。

森林水文效應(yīng);洪災(zāi)評(píng)估;潖江滯洪區(qū)

目前有關(guān)森林植被與洪水淹沒數(shù)量關(guān)系的研究還比較少，現(xiàn)有的研究主要集中于河川徑流的水文觀測(cè)和野外定位觀測(cè)。而對(duì)于滯洪區(qū)來說，是很難獲得實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的，使得森林植被與洪水減災(zāi)的關(guān)系研究比較多的限于定性分析[1]，缺乏量化評(píng)價(jià)，主要問題在于難以界定兩者之間是通過哪些參數(shù)進(jìn)行量化銜接，目前還未見有這方面的研究和報(bào)道。為此，本文從森林生態(tài)學(xué)與水文學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合廣東省重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目，以北江流域潖江滯洪區(qū)為研究對(duì)象，解析滯洪區(qū)森林植被主要通過影響洪水淹沒的幾何形態(tài)、糙率、泥沙侵蝕、沖刷和淤積特性[2]，來改變洪水演進(jìn)路徑、推進(jìn)速率，降低破壞力，從而達(dá)到抑制洪水破壞程度的作用機(jī)理和減災(zāi)功效。

1 研究區(qū)概況

潖江是北江的支流之一，主要流經(jīng)廣東省清遠(yuǎn)市佛岡縣境(圖1)，全長100多km，流域面積903.5km2，豐水年徑流量23.87×108m3，枯水年徑流量11.89×108m3。匯集了耀洞水、誠遷水、龍南河、黃花河、四九河、熬頭水、民安河等支流，在清新縣飛來峽鎮(zhèn)附近匯入北江[3]。

潖江滯洪區(qū)地理位置東經(jīng) 113°12′～113°47′、北緯 23°33′～23°58′，是廣東省重要的林業(yè)基地和珠江三角洲綠色生態(tài)屏障，有林地面積83 532.21 hm2，2010年森林覆蓋率56.6％。本區(qū)境內(nèi)以低山丘陵為主，總體地勢(shì)東北和南部較高，山地丘陵海拔在1 000m以下，中間河谷地帶較低，低洼地地面高程12～15m(珠基，下同)。25m 以下面積100.8km2，耕地0.568萬hm2(其中水田0.447 hm2)。滯洪區(qū)受北江洪水影響明顯，當(dāng)北江上游來水達(dá)到2 000m3/s時(shí)，北江干流部分水流在飛來峽鎮(zhèn)附近的潖江口倒灌入潖江滯洪區(qū)，進(jìn)入滯洪區(qū)后洪水演進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜。

圖1 研究區(qū)地理位置及河流水系

2 研究方法

本文采用3S技術(shù)與方法，將森林植被層與水文層在GIS平臺(tái)上耦合。通過遙感方法解譯出滯洪區(qū)森林植被覆蓋率指標(biāo)(NDVI指數(shù))，該指數(shù)是淹沒區(qū)水文學(xué)模型中糙率和渦黏性系數(shù)的直接表現(xiàn)，通過二者之間相關(guān)關(guān)系分析后，將NDVI指數(shù)轉(zhuǎn)化為河床糙率和渦黏性系數(shù)，輸入水文模型，從而建立森林植被覆蓋與淹沒區(qū)洪水相互耦合的模型技術(shù)方法。

2.1 遙感植被指數(shù)提取技術(shù)

在ENVI遙感影像處理平臺(tái)上，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行歸一化植被指數(shù)計(jì)算，采用資料包括近期TM遙感影像圖及1∶5萬地形圖。圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理包括遙感影像的幾何校正、研究區(qū)的裁剪等基礎(chǔ)工作。根據(jù)佛岡縣1∶5萬地形圖，對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正，采用二次多項(xiàng)式擬和法進(jìn)行影像配準(zhǔn)，然后運(yùn)用鄰近點(diǎn)插值法進(jìn)行重采樣，誤差控制在一個(gè)像元內(nèi)。

歸一化植被指數(shù)NDVI采用TM影像2個(gè)波段值，第一波段(近紅外)和第二波段(紅外波段)[4]。

計(jì)算公式:

式中:Xnir為近紅外波段;Xred為紅外波段。

2.2 MIKE21水文學(xué)模型技術(shù)

MIKE21是丹麥水動(dòng)力學(xué)研究所開發(fā)的二維水動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，潖江滯洪區(qū)水文學(xué)模型洪水演算采用該平臺(tái)提供的平面二維非恒定流[5]，基本控制方程為:

x方向運(yùn)動(dòng)方程:

y方向運(yùn)動(dòng)方程:

式中:x、y、t分別為空間、時(shí)間坐標(biāo);U為x方向流速;V為y方向流速;Z為水位;h為水深;u、v分別為垂線平均流速在x、y方向的分量;n為曼寧糙率系數(shù);c為謝才系數(shù)，c=(1/n)h1/6;vt為紊動(dòng)黏性系數(shù);g為重力加速度。

采用有限差分法對(duì)上述方程進(jìn)行求解。

2.3 耦合模型

將NDVI指數(shù)轉(zhuǎn)化為坡面糙率及沿程摩阻與局部摩阻系數(shù)，輸入MIKE21水文模型中，基于水文模型分析計(jì)算森林植被覆蓋率對(duì)滯洪區(qū)洪水淹沒的影響。

3 結(jié)果與分析

在遙感軟件平臺(tái)上解譯出研究區(qū)現(xiàn)狀NDVI指數(shù)分布(圖2)，按70％植被覆蓋率情景解譯出高覆蓋率模擬NDVI指數(shù)分布(圖3)。

圖2 研究區(qū)現(xiàn)狀NDVI指數(shù)分布(植被覆蓋率56.6％)

基于潖江滯洪區(qū)歷史洪水進(jìn)行模型驗(yàn)證、率定和計(jì)算，以分洪區(qū)入口水位15m、流速2m/s為邊界條件，2010年9月為基準(zhǔn)，百年一遇洪水在潖江口分洪進(jìn)入滯洪區(qū)，按現(xiàn)狀和模擬2個(gè)情景計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明:洪水在模擬植被高覆蓋率(70％)情況下，淹沒范圍主要集中在潖江干流及支流熬頭河等水系，淹沒水深大部分小于2m。該水深主要淹沒地勢(shì)低平的河流沿岸農(nóng)田，分洪時(shí)大部分農(nóng)業(yè)造成損失(圖4)。

圖3 研究區(qū)高覆蓋率模擬情景NDVI指數(shù)分布(植被覆蓋率70％)

圖4 高植被覆蓋率(70％)洪水淹沒水深

圖5 現(xiàn)狀植被覆蓋條件下洪水淹沒水深

相比而言，按現(xiàn)狀條件計(jì)算，洪水危害性增加，大部分淹沒區(qū)水深在2～3m之間(圖5)，已對(duì)村民人身安全造成危險(xiǎn)，應(yīng)按防洪預(yù)案指定人員轉(zhuǎn)移路線和避險(xiǎn)方案[6]，對(duì)于分布在可能淹沒范圍內(nèi)的村鎮(zhèn)和企業(yè)，以及重要工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)應(yīng)充分考慮防洪安全標(biāo)準(zhǔn)，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失。分析洪水計(jì)算成果，結(jié)合電子地圖計(jì)算兩種方案的淹沒范圍，評(píng)估淹沒區(qū)企業(yè)和農(nóng)田受損狀況[7]，統(tǒng)計(jì)淹沒區(qū)財(cái)產(chǎn)損失(表1、表2)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)遭受百年一遇洪水時(shí)，以2010年9月為準(zhǔn)，當(dāng)潖江滯洪區(qū)植被覆蓋率達(dá)到70％時(shí)，淹沒面積比現(xiàn)狀減少了32.8％，農(nóng)業(yè)損失減少40％，固定資產(chǎn)投資減少13.4％。因此，通過植樹造林，提高森林覆蓋率，可有效減少滯洪區(qū)財(cái)產(chǎn)損失，尤其是提高了人員生命安全的保障程度。

表1 滯洪區(qū)主要鎮(zhèn)投資及產(chǎn)值(2010年9月) 萬元

表2 不同植被覆蓋方案洪災(zāi)損失評(píng)估(2010年9月)

4 結(jié)論

采用遙感影像NDVI指數(shù)圖模擬森林植被覆蓋情景，可構(gòu)建森林覆蓋率數(shù)量化評(píng)價(jià)技術(shù)方法。

在GIS平臺(tái)上，通過糙率等參數(shù)與NDVI指數(shù)關(guān)聯(lián)，耦合植被覆蓋層與水文層，定量分析評(píng)價(jià)不同植被覆蓋率對(duì)滯洪區(qū)洪水的調(diào)節(jié)作用。

基于電子地圖，在地理信息平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了快速評(píng)估不同森林覆蓋率情景下，特定洪水造成的淹沒區(qū)財(cái)產(chǎn)損失。

[1] 李少華，沈冰.地理信息系統(tǒng)在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].西北水力發(fā)電，2002，18(1):9-12.

[2] 劉仁義，劉南.一種基于數(shù)字高程模型DEM的淹沒區(qū)災(zāi)害評(píng)估方法[J].中國圖像圖形學(xué)報(bào)，2001，6A 版(2):118-122.

[3] 白景昌.基于遙感與地理信息系統(tǒng)的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究[D].北京:中國科學(xué)院研究生院，2004.

[4] 羅亞，徐建華，岳文澤，等.植被指數(shù)在城市綠地信息提取中的比較研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2006，21(3):212-219.

[5] 叢沛桐，黃錦林，王瑞蘭.潖江滯洪區(qū)洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究[J].廣東水利水電，2005(6):10-12.

[6] 丁志雄.基于RS與GIS的洪澇災(zāi)害損失評(píng)估技術(shù)方法研究[D].北京:中國水利水電科學(xué)研究院，2004.

[7] 徐雨清，王兮之，梁天剛，等.遙感和地理信息系統(tǒng)在半干旱地區(qū)降雨—徑流關(guān)系模擬中的應(yīng)用[J].遙感技術(shù)和應(yīng)用，2000，15(1):28-31.

Coupling Relationship Between Forest Coverage Rate and Flood Control and Disaster Reduction in the Detention Basin of Pajiang River

/Cong Peitong(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower，Guangzhou 510610，P.R.China);Yu Huimin(Tianjin Normal University);Wei Mo，Guo Fengqing(South China Agricultural University)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-104～105，111

Hydrological effects of forest;Flood disaster assessment;Detention basin of Pajiang River

S715.7

1)廣東省重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2003C32601)，廣東省水利科技計(jì)劃項(xiàng)目。

叢沛桐，男，1965年2月生，廣東省水利水電科學(xué)研究院，現(xiàn)工作于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，教授。E-mail:congpeitong@163.com。

2011年3月29日。

責(zé)任編輯:張 玉。

A study was conducted to develop a coupling model between the forest coverage rate and flood submerged area according to the principles of forest hydrology，land hydrology and 3S technology，based on the relationship between Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)for remote sensing images and parameters of hydrology models.The possible flood disasters in Pajiang River were analyzed under the current situation as well as at a high forest coverage rate.When a flood with a frequency of one hundred years occurs，the floor submerged area，the agricultural loss，and the fixed assets investment will reduce by 32.8 percent，40 percent and 13.4 percent respectively at a coverage rate of 70 percent，compared with those under the current situation.This results show that the guarantee of life safety can be improved in the detention basin of Pajiang River when the forest coverage rate is 70 percent.