鄭 鵬，林 韻，潘文斌，鄧紅兵

(1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085;2.福建省環(huán)境科學研究院，福州 350013;3.福州大學環(huán)境與資源學院，福州 350108)

在城市化水平飛速發(fā)展的今天，城區(qū)非農(nóng)業(yè)人口激增，大量的林地、農(nóng)田經(jīng)歷由裸地到建設(shè)用地的變化，直接導致了不透水層面積的擴大，土壤下滲量減少，徑流量大量增加，洪峰值增大，而城區(qū)內(nèi)的防澇設(shè)施跟不上建設(shè)的發(fā)展而顯得相對老舊，造成城市防洪措施跟不上防洪標準的變化(即重現(xiàn)期的變化)［1］。防洪措施的落后極易導致洪災(zāi)的發(fā)生，因此根據(jù)城市的發(fā)展，分析不透水率的變化對于洪水重現(xiàn)期的影響，預(yù)見性地指導城市防洪措施的提升，用最小的資源投入盡最大可能地保障城區(qū)免受洪災(zāi)危害。

本文在福州市八一水庫流域中選用1989年、1994年、1999年、2001年、2002年、2003年和2007年7個年份TM/ETM+遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)以及流域氣象水文資料，在RS、GIS和GPS技術(shù)的輔助下，統(tǒng)計分析研究區(qū)不透水率的變化，并通過WMS7.1軟件構(gòu)建流域，用HEC-HMS水文模型對八一水庫流域進行降雨-徑流模擬。在此基礎(chǔ)上進行洪水重現(xiàn)期的推算及分析，從而為福州城區(qū)的防洪排澇及城市擴展建設(shè)提供可靠的技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

福建省福州市地處沿海地帶，地形以低山丘陵為主，市區(qū)形成寬闊的盆地地形，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，受地理位置影響，每年6、7月都會經(jīng)歷臺風頻發(fā)的過程，伴隨而來的連日暴雨很容易形成洪水，影響著閩江一帶的流域。八一水庫流域位于福州市北郊晉安區(qū)新店鎮(zhèn)，距市區(qū)約7 km，全流域面積15.56 km2。流域涵蓋葉洋全村及福州國家森林公園，上游臨嶺頭鄉(xiāng)，下游為晉安區(qū)新店鎮(zhèn)赤橋村。研究區(qū)地理位置如圖1所示。

圖1 八一水庫流域位置示意圖Fig.1 Location of Bayi reservoir watershed

2 研究方法

2.1 不透水率的估算分析

不透水率是不透水層面積與總用地面積的比值，不透水層從定義上來說，可以理解為是人工制造的或者純天然的阻礙地表徑流下滲到地表層之下的物質(zhì)。如果針對城區(qū)來說，不透水層還可以狹義地理解為相對于土壤植被滲透率小的建筑用地及公共設(shè)施用地(比如公園、廣場、屋頂、水泥道路等)［2-3］。不透水率作為定量衡定不透水層變化的參數(shù)，由于其簡單易算的特性，近年來被許多學者用于各自的研究領(lǐng)域中，其中包括流域水文分析、城市植被制圖、城市水質(zhì)污染分析以及城市熱島等研究［4］。同時在流域水文分析中，不透水率在部分由國外引入的水文模型里對參數(shù)有率定作用。鑒于不透水率對降雨徑流變化的指向性且有助于對模擬參數(shù)的估計，選用不透水率作為探討城市化對洪水重現(xiàn)期變化的指標，因此科學的估算方法對于后續(xù)研究有著十分重要的意義。

八一水庫流域集水面積僅為15.56 km2，因此對不透水層的提取選用基于TM/ETM+影像的分類提取法，即利用遙感影像進行土地利用類型分類，根據(jù)不同土地利用類型的不透水率進行全流域不透水率的估算［5］。

2.1.1 土地利用類型的提取

通過對1989年、1994年、1999年、2001年、2002年、2003年和2007年八一水庫流域Landsat TM影像進行分類處理，獲得了該流域7個時相的土地利用類型圖。以1989年、1994和2007年展示該區(qū)的土地利用變化情況(圖2，圖3和圖4)，這3個年份各個土地利用類型的面積匯總見表1。

圖2 1989年土地利用圖Fig.2 Landuse map in 1989

圖3 1994年土地利用圖Fig.3 Landuse map in 1994

2.1.2 不同土地利用類型下的不透水率

對于同一類土地利用類型，NEMO(Nonpoint Education for Municipal Officials)認為人口密度對于不透水率有著較大影響，城市的不透水率通常會較農(nóng)村大。NEMO針對美國的不同土地利用類型，對不同人口密度下的不透水率進行分析，得出不同人口密度下不透水率的統(tǒng)計表［5］。參照其研究結(jié)果并結(jié)合研究區(qū)域的具體情況進行修正，最后得到研究區(qū)內(nèi)不同土地利用類型在不同人口密度下的不透水率(表2)。

2.1.3 不透水率的估算

在具有土地利用類型——不透水率數(shù)據(jù)后，應(yīng)用 NEMO與NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)Coastal Services Center合作開發(fā)的ISAT(Impervious Surface Analysis Tool)不透水層計算工具，對研究區(qū)域不透水率進行估算。

ISAT應(yīng)用ArcView的空間分析功能，將研究區(qū)分為若干多邊形，統(tǒng)計每一多邊形內(nèi)各個土地利用類型面積，通過不同土地利用類型的不透水率與相應(yīng)土地利用類型的面積，求得每一多邊形內(nèi)不透水層面積，再將各個多邊形內(nèi)不透水層面積加和，從而得到研究區(qū)不透水層總面積，而研究區(qū)不透水率即為其中不透水層面積與區(qū)域總面積之比，研究區(qū)內(nèi)各年份的不透水率如表3所示。

由表3可知，20a間全流域不透水率持續(xù)增長，變化區(qū)間在5%—10%之內(nèi);1989年至1994年，5a間不透水率增長了0.6815，年均增長率為2.35%;1994年至1999年間，5a間不透水率增長了1.5586，年均增長率為4.80%;1999年至2007年間，9a間不透水率增長了1.9652，年均增長率為2.71%;1989年至2007年年均增長率為3.81%。

2.2 流域的降雨-徑流模擬

選用HEC-HMS模型進行全流域的降雨-徑流模擬，該模型是美國陸軍工程兵團水文中心(Hydrology Engineering Center)開發(fā)的HEC系列模型之一。發(fā)展至今，在降雨-徑流模擬方面有著廣泛的應(yīng)用及良好的模擬效果［6-8］。

圖4 2007年土地利用圖Fig.4 Landuse map in 2007

HEC-HMS模型需要獲取研究區(qū)內(nèi)詳細的流域特征值。WMS(Watershed Model System)是一套基于分布式參數(shù)模型的專業(yè)水文模擬軟件，由美國Brigham Young大學環(huán)境模型研究室(EMRL)開發(fā)。WMS具有優(yōu)良的人機對話能力，可視化窗口中提供各類水文模擬的工具，以實現(xiàn)流域的構(gòu)建、流域幾何、水文參數(shù)的計算等［9］。因此選用WMS構(gòu)架流域?qū)傩耘cHEC-HMS模型之間的轉(zhuǎn)化橋梁。用WMS7.1軟件對八一水庫流域進行構(gòu)建，其中包括流域特征物(水庫、河道)的添加，流域幾何參數(shù)的提取、流域結(jié)構(gòu)劃分以及模塊的初始化賦值等。

表1 八一水庫流域土地利用面積匯總表/km2Table 1 The landuse types area statistics of select years in the Bayi reservoir watershed

表2 不同土地利用類型和人口密度下的不透水率/%Table 2 Impervious surface ratio of the different Landuse types and the population density

表3 八一水庫流域不透水率統(tǒng)計Table 3 Impervious surface ratio Statistics of select years in the Bayi reservoir watershed

通過WMS 7.1軟件，利用流域的DEM進行流域描繪。用DEM功能下Compute TOPAZ Flow Data自動計算，選定點(119°17'35″E，26°7'45″N)為流域出口，設(shè)定閾值為1.0 km2對DEM 進行流域描繪，即流域匯水面積大于1.0 km2的部分劃為研究范圍。在水庫出口點(119°17'21″E，26°8'47″N) 位置通過 DEM 下 Create Reservoir功能添加水庫，此時WMS將自動把整個流域劃分成2個子流域，1個水庫，1個河道，1個出口點的格局(圖5)。

在完成流域基本結(jié)構(gòu)的劃分及模型所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取后，選取福州地區(qū)1981至2007年間10場降雨進行降雨-徑流模擬。根據(jù)福州地區(qū)的降雨情況和赤橋水文站測得的日均徑流量數(shù)據(jù)，分別選取1981年2場、1982年1場、1993年1場，1994年3場，2006年2場，2007年1場降雨。降雨-徑流模擬結(jié)果如表4。

圖5 HEC-HMS模型中八一水庫流域整體構(gòu)架Fig.5 The overall framework of the Bayi Reservoir watershed in HEC-HMS model

由表4可知，進行模擬的降雨中有8場降雨的徑流模擬值與實測值誤差范圍在10%之內(nèi)，2場降雨的模擬值與實測值的偏差在20%左右。誤差值顯示該模型對于1981、1982年的3場雨，均有徑流量偏高的估計，分別為2.6%、8.2%、7.3%，造成這個偏差的主因在于缺少當年的遙感影像，選用了1989年的土地利用類型來代替。由于土地類型及分布在30a間發(fā)生了極大的變化，按統(tǒng)計趨勢估計，1981、1982年的不透水層較1989年少，因此產(chǎn)生的徑流量較之實際徑流量大，是與實際情況大體相符的。1993年和1994年的4場降雨模擬呈現(xiàn)略小于實測值的現(xiàn)象，且存在和2007年8月19日降雨同樣的偏差。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，1994年6月20號及2007年8月19號前后均存在不同程度的連續(xù)降雨，1994年6月20號前后共計降雨7 d，降雨強度從9.2 mm至71.1 mm不等，由于受到前期降雨的影響，使得模擬值較實測值低。結(jié)合橫向比較其他場次降雨的條件發(fā)現(xiàn)，采用的模型及參數(shù)組合適用于短歷時的降雨事件，對于歷時較長的降雨需要重新選取適合的參數(shù)進行模擬。綜上分析，模擬情況與實際情況大體相符，因此總體模擬結(jié)果基本可信。

表4 10場降雨徑流量模擬結(jié)果表Table 4 The simulated result of the selected rainfall-runoff events

2.3 不透水率與洪水重現(xiàn)期的關(guān)系量化

由于降雨-徑流的轉(zhuǎn)化及洪水重現(xiàn)期總是同時受到區(qū)域內(nèi)降雨條件和土地利用類型這兩者的影響，單獨地考慮其中任何一種因素的作用都不全面。因此為獲取洪水重現(xiàn)期的變化趨勢，設(shè)計將降雨強度變化及土地利用變化這兩大影響因素進行交叉模擬估算，統(tǒng)計子流域內(nèi)降雨強度，土地利用變化同時作用下的徑流峰值，以不透水率和重現(xiàn)期為變量，繪制重現(xiàn)期變化趨勢圖，以直觀讀圖的方式獲取重現(xiàn)期的變化［10］。

結(jié)合之前的流域不透水率分析，將不透水率的變化程度設(shè)定在0%—25%之間，取1%為模擬計算步長。根據(jù)福州市防澇設(shè)計，選擇了2年一遇(10 mm)，5年一遇(20 mm)，10年一遇(50 mm)，25年一遇(100 mm)，50年一遇(150 mm)，100年一遇(200 mm)這6個典型重現(xiàn)期，結(jié)合不透水率和重現(xiàn)期的變化進行設(shè)計實驗的模擬計算。

B子流域位處城區(qū)，且受上游水庫的截流影響，故徑流量和峰值與A子流域有較大的不同，因此分A、B兩個子流域區(qū)內(nèi)不同重現(xiàn)期不同不透水率值情況進行模擬。A、B兩個子流域各重現(xiàn)期下峰值模擬值，見表5，表6，由于數(shù)據(jù)量較多，以不透水率每2%的步長展示。

表5 A流域各重現(xiàn)期及不透水率下峰值數(shù)據(jù)表/(m3/s)Table 5 The table of peak discharge-impervious surface ratio-return period on the A watershed

表6 B流域各重現(xiàn)期下峰值數(shù)據(jù)表/(m3/s)Table 6 The table of peak discharge-impervious surface ratio-return period on the B watershed

根據(jù)上述的數(shù)據(jù)，采用等值圖的形式構(gòu)建了不透水率、峰值流量與重現(xiàn)期之間的關(guān)系(圖6，圖7)。X軸為重現(xiàn)期，以年為單位，Y軸為不透水率，圖中為洪水峰值的等值線(以10 m3/s為步長顯示)。XY的交點，即為當前不透水率及重現(xiàn)期水平下產(chǎn)生的洪峰，等值線之間的數(shù)據(jù)可以采用線性法插值計算。

圖6 A流域的峰值流量-不透水率-重現(xiàn)期關(guān)系圖Fig.6 The diagram of peak discharge-impervious surface ratioreturn period on the A watershed

圖7 B流域的峰值流量-不透水率-重現(xiàn)期關(guān)系圖Fig.7 The diagram of peak discharge-impervious surface ratioreturn period on the B watershed

3 結(jié)論與討論

根據(jù)上述分析，可以得出以下結(jié)論與討論［11-14］:

(1)以1989年為起始，到2007年，A流域重現(xiàn)期為100、50、25年一遇的洪水隨著不透水率的增長，分別提前了20、8、3a;B流域的重現(xiàn)期為100、50、25年一遇的洪水隨著不透水率的增長，分別提前了25、10、4a。B流域位于城郊，近年來市區(qū)發(fā)展速度較快，流域內(nèi)土地利用類型變化的速度較A流域大，因此也使得重現(xiàn)期提前得較A流域快。

(2)研究區(qū)內(nèi)的防洪規(guī)劃修訂中，應(yīng)長遠并且全面地考慮引起洪水徑流變化的各個影響因素，正視不透水率變化導致的徑流量及洪水重現(xiàn)期的變化，及時地將預(yù)測結(jié)果反饋到實際的改造建設(shè)中去。

(3)在減緩區(qū)域不透水率增加的同時，也可以通過提升對水源的涵養(yǎng)能力來抵消城市化建設(shè)帶來的徑流增加。森林具有較好的保持水土，涵養(yǎng)水源，蓄洪滯洪的功能，八一水庫流域上游的林地覆蓋度較高，近年來林地略有縮減，種植的樹種也發(fā)生變化，因此為減緩城市化的影響，應(yīng)在研究內(nèi)嚴禁亂砍亂伐，盡量減少林地的開發(fā)利用，同時應(yīng)大力營造水源涵養(yǎng)林。

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