周敏敏，瞿思敏，石 朋， 王鴻杰

(1.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；2.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 3.河南省水文水資源局， 河南 鄭州 450003)

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

周敏敏1，2，瞿思敏1，2，石 朋1，2， 王鴻杰3

(1.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；2.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 3.河南省水文水資源局， 河南 鄭州 450003)

以淮河上游大坡嶺子流域(簡稱大坡嶺流域)為研究區(qū)域，基于研究區(qū)域1965—2009年間的26場單峰洪水，計算流域平均滯時。以1985年為界，比較土地利用變化前后流域平均滯時的變化，并計算不同降雨量級的流域平均滯時，分析滯時與徑流深和洪峰流量的相關關系。結果表明:土地利用變化引起的流域平均滯時變化很大；除了降雨形心到洪峰流量的時間TLPC在土地利用變化之后減少外(從9.98 h減少為5.26 h)，另外3種滯時，降雨形心到流量過程線形心的時間TLC、降雨開始到洪峰流量的時間TLP和最大降雨強度到洪峰流量的時間TLPP均增大(分別從21.32 h、34.64 h、10.00 h增加到26.77 h、35.08 h、11.50 h)。大坡嶺流域土地利用變化前后以及整個時期4種滯時和降雨量級存在一定聯(lián)系，與徑流深及洪峰流量無相關關系。

流域水文過程；流域平均滯時；降雨強度；徑流深；洪峰流量；土地利用方式；淮河上游大坡嶺流域

隨著人類活動的不斷增加，全球范圍內流域的土地利用和土地覆被格局發(fā)生劇烈的變化，由此帶來的對環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的影響受到了廣泛的關注[1-2]。

源于人類活動的土地利用變化是改變流域水文過程的主要影響因素，許多關注土地利用變化水文響應的研究結果表明，流域土地利用變化通過改變蒸散發(fā)[3-4]、徑流深[5-6]、年平均徑流量[7-9]、積雪融量[1，10]等要素來影響流域水文過程。對于河道水文過程，土地利用變化主要影響洪量[1，4]、洪峰流量[5，9]、洪水發(fā)生頻率[11]、洪峰流量速率[12]等。

流域滯時指一場降雨與其所引起的對應流量過程線之間的時間差，是流域特性的一個基本描述符，它可以揭示關于水的存儲、水流路徑和水流來源各方面的信息，是水流路徑空間變異性的一個綜合指標，與流域的一些內在過程密切相關。從某種意義上說，滯時可以作為一個反映流域水文變量特征的指紋。顯然，流域的下墊面條件如果發(fā)生改變，流域滯時也會發(fā)生改變[13]。

目前關于滯時的研究較多，譬如:估計洪峰流量和流量過程線的形狀[14-15]，比較山坡水流和河道水流的差異[16]，比較不同城市化程度對滯時的影響[13，17-18]，作為選擇降雨徑流模型特定洪水事件的依據(jù)[19-20]等?；春恿饔蛲恋乩米兓绊懷芯恐饕性诋a(chǎn)流[21]、蒸散發(fā)[22]、水量[23]、降雨徑流關系[24]、產(chǎn)水特性[24-25]、水質[26]、產(chǎn)污特性[27]和產(chǎn)沙特性[28]等方面，但淮河流域土地利用變化對滯時的影響研究卻并不多見。筆者選取淮河上游大坡嶺子流域(以下簡稱大坡嶺流域)為研究對象，對其1965—2009年間的26場單峰洪水的流域平均滯時進行計算，并以1985年為界[29]，比較土地利用變化前后流域平均滯時的變化，計算不同降雨量級的流域平均滯時，分析滯時與徑流深和洪峰流量的相關關系。

1 研 究 概 況

1.1 研究區(qū)域

圖1 大坡嶺流域站點分布Fig. 1 Distribution of stations in Dapoling Basin

淮河流域位于31°N～35°N、112°E～121°E，起源于河南省的桐柏山脈，流入長江，跨越4個省份，地處我國南北氣候過渡帶?；春右员睂倥瘻貛?、淮河以南屬北亞熱帶，區(qū)域內氣候溫和，年平均氣溫為11～16 ℃。氣溫變化由北向南、由沿海向內陸遞增。干流長度為1 000 km，流域總面積為1.912×105km2，本文選擇淮河上游大坡嶺流域作為研究區(qū)域(大坡嶺水文站位于息縣以上)，流域面積為1 640 km2，干流長度為73 km，流域內有桐柏、月河店、黃崗、胡家灣、大坡嶺、回龍寺、固廟、二道河、新集、吳城、潘莊、固縣和毛集13個雨量站，見圖1。大坡嶺流域地處大別山山區(qū)，流域內以山區(qū)和丘陵為主，植被較好。流域主要覆蓋山脈，河流流經(jīng)多支流和坡度較大的山嶺區(qū)，在旱季容易間歇性斷流，水利工程不多。大坡嶺水文站歷年最高水位為104.86 m，最大流量為4 200 m3/s，多年平均降雨量為918 mm(由1964—2005年數(shù)據(jù)計算得到)，其中50%集中在汛期(6—9月)，多年平均徑流深為375 mm。流域內主要的土地利用方式為林地和旱地，水稻為主要作物。

表1 大坡嶺流域3個時期土地利用變化

1.2 資料與處理

研究所需要的土地利用資料由中國科學院提供，經(jīng)過分析[29]得表1結果。表1表明流域主要的土地利用類型是旱地和林地，20世紀80年代、90年代和21世紀00年代之間主要的土地利用變化為旱地和水田之間的交叉。與20世紀90年代相比，21世紀00年代水田從27.23%減少到17.15%，旱地從30.38%增加到41.81%，和20世紀80年代的情形類似，表明從20世紀80年代到21世紀00年代之間，土地利用類型發(fā)生了較大變化。土地利用類型的其他變化(如水體從0.90%增加到1.32%，城鄉(xiāng)用地從0.63%增加到0.88%)由于所占比例較小，所以這些變化不太重要。

論文選取大坡嶺流域1965—2009年間洪峰流量大于1 000 m3/s的26場單峰洪水進行計算。雨量資料為大坡嶺流域13個雨量站的實測資料，統(tǒng)計時采用算術平均法計算流域面平均雨量；流量資料為大坡嶺流域上大坡嶺水文站的實測資料。降雨和流量均處理成Δt=1 h的時段數(shù)據(jù)。

2 研 究 方 法

假設流域下墊面條件不變，則產(chǎn)匯流機制應當保持不變，流域平均滯時的分布不會出現(xiàn)劇烈波動。如果下墊面條件受到人類活動的劇烈影響，比如土地利用變化，則流域平均滯時將出現(xiàn)波動并且顯示出一些變化趨勢。因此考慮到流域上的土地利用變化，將計算時期分為土地利用變化前后2個時期(1965—1985年，1986—2009年)[29]，分別對每個時期的每場洪水計算4種類型滯時:降雨形心到洪峰流量的時間TLPC，降雨形心到流量過程線形心的時間TLC，降雨開始到洪峰流量的時間TLP和最大降雨強度到洪峰流量的時間TLPP(圖2)，比較每種滯時在土地利用方式變化前后的變化。

圖2 描述流域水文變量特征的滯時定義Fig. 2 Definition of lag time terms used to describe characteristics of basin hydrological variables

圖2中tw0表示降雨起始時間，twp表示最大降雨出現(xiàn)的時間，twc表示相應于降雨形心點的時間，tpk表示洪峰流量出現(xiàn)的時間，tqc表示相應于流量過程線形心點的時間，其余變量同前。

twc可由式(1)計算:

(1)

式中:wi——時段i的降雨量，mm；ti——時段i的時間，h；n——總時段數(shù)。

tqc可由式(2)計算:

(2)

式中:Qi——時段i的平均流量，m3/s。

均方差計算公式如下:

(3)

3 結果和討論

土地利用變化前后TLPC的計算結果見表2和圖3。表2數(shù)據(jù)顯示土地利用變化后的滯時與變化前的相比發(fā)生了很大變化，土地利用變化前TLPC平均值為變化后的1.9倍?？赡苁怯捎谕恋乩米兓罅饔蛏纤w面積增加，流域蓄水能力增加導致。土地利用變化后有幾場洪水的TLPC為負值(圖3)。32050829次洪水，降雨從2005-08-29T02:00:00開始，到2005-09-05T15:00:00結束，降雨形心出現(xiàn)在2005-08-29T17:25:00，洪峰出現(xiàn)時間為2005-08-29T16:00:00，為-1.42 h；32960628次洪水，降雨從1996-06-28T09:00:00開始，到1996-07-03T08:00:00結束，降雨形心出現(xiàn)在1996-06-29T12:00:00，洪峰出現(xiàn)時間為1996-06-29T01:00:00，為-10.01 h。滯時出現(xiàn)負值主要是降雨開始時降雨強度較大，很快達到最大降雨強度，在最大降雨強度之后出現(xiàn)較長歷時的低強度降雨，使降雨過程的形心偏右，而洪水過程在最大降雨強度之后很快上漲到洪峰流量[17]。在計算的4種滯時中，只有TLPC出現(xiàn)了負值。

表2 大坡嶺流域水文要素計算結果

注：P為降雨量，R為徑流深，Qm為洪峰流量，其余符號意義同前。

圖3 TLPC分布Fig. 3 Distribution of TLPC

圖4 TLC分布Fig. 4 Distribution of TLC

土地利用變化引起的TLC變化見表2和圖4，結果顯示土地利用變化后的平均值為變化前的1.25倍(表2)，兩者差異可能是流域上水體和旱地面積的變化導致土地利用變化后流域平均滯時有輕微變動引起的。分析土地利用變化前后的滯時分布(圖4)，發(fā)現(xiàn)土地利用變化后的滯時波動范圍明顯比變化前大。土地利用變化前，變化范圍為13.40～30.66 h，變化幅度為17.26 h，均方差為5.02 h；土地利用變化后，變化范圍為2.44～68.61 h，變化幅度為66.17 h，均方差為17.67 h。

土地利用變化引起的TLP變化見表2和圖5，可以看出，土地利用變化后的平均值為變化前的1.01倍(表2)，兩者差異不明顯，可能是流域上水體和旱地面積變化導致土地利用變化后流域平均滯時有輕微變動。分析土地利用變化前后的滯時分布(圖5)，發(fā)現(xiàn)土地利用變化后的滯時波動范圍比變化前大。土地利用變化前，變化范圍為13～76 h，變化幅度為63 h，均方差為21.54 h；土地利用變化后，變化范圍為10～134 h，變化幅度為124 h，均方差為40.20 h。

圖5 TLP分布Fig. 5 Distribution of TLP

圖6 TLPP分布Fig. 6 Distribution of TLPP

土地利用變化引起的TLPP變化見表2和圖6，結果表明土地利用變化后的結果不同于變化前 (表2)，土地利用變化后的平均值為變化前的1.15倍，可能是由于土地利用變化后旱地和草地增加的面積(11.91%)比林地減少的面積(2.63%)多，導致峰現(xiàn)時間推遲。分析土地利用變化前后的滯時分布(圖6)，發(fā)現(xiàn)土地利用變化后的滯時波動范圍比土地利用變化前大。土地利用變化前，變化范圍為5～18 h，TLPP變化幅度為13 h，均方差為3.16 h；土地利用變化后，變化范圍為6～28 h，變化幅度為22 h，均方差為5.47 h。

表2結果還表明，不論是土地利用變化前還是土地利用變化后，大坡嶺流域水文要素中，TLP變化幅度最大，TLPP變化幅度最小。

4種滯時和徑流深與洪峰流量的相關關系如下:土地利用變化前(1965—1985年)，TLPC、TLC、TLP、TLPP與徑流深的相關系數(shù)分別為0.07、0.04、0.45、0.66，與洪峰流量的相關系數(shù)分別為-0.18、-0.12、0.13、0.49；土地利用變化后(1985—2009年)，TLPC、TLC、TLP、TLPP與徑流深的相關系數(shù)分別為0.29、0.10、0.24、0.02，與洪峰流量的相關系數(shù)分別為-0.12、-0.44、-0.21、-0.14；整個時期(1965—2009年)，TLPC、TLC、TLP、TLPP與徑流深的相關系數(shù)分別為0.17、-0.01、0.27、0.25，與洪峰流量的相關系數(shù)分別為-0.11、-0.32、-0.07、0.05。以上結果表明，不論是土地利用變化前還是土地利用變化后，或是整個研究時期，4種滯時和徑流深以及洪峰流量沒有必然聯(lián)系。Hood等[17]在研究不同居民區(qū)模式時也發(fā)現(xiàn)滯時和徑流深沒有必然聯(lián)系。

大坡嶺流域土地利用變化前后不同降雨量級的流域平均滯時計算結果見表3。表3表明不同的降雨量等級影響流域平均滯時，當降雨深度小于200 mm時，土地利用變化前TLPC和TLP都大于土地利用變化后的值，土地利用變化前TLC和TLPP都小于土地利用變化后的值；當降雨深度大于200 mm時，土地利用變化前TLPC大于土地利用變化后的值，土地利用變化前TLC、TLP和TLPP則小于土地利用變化后的值。由于洪水樣本的缺少，降雨深度大于300 mm時的流域平均滯時變化情況無法分析。這與Hood等[17]在研究不同城市化發(fā)展方式時得出的結論略有不同，他們認為TLP與降雨深度相關，而TLPC、TLC、TLPP與降雨深度沒有相關性，從而得出滯時和徑流深沒有必然聯(lián)系的結論。

滯時作為流域的“指紋”，反映了流域上水文要素的特征，其變化可以很好地反映流域下墊面條件的改變。大坡嶺流域2個時期平均滯時之間的差異源于流域上土地利用的變化，由表1可以看出，20世紀80年代、90年代和21世紀00年代，流域上土地利用發(fā)生了很大改變。另外流域上滯時分布的變化和突變則說明1985年后土地利用發(fā)生了很大變化，這與遙感得出的土地利用變化的結論是一致的。

表3 流域不同降雨量等級滯時計算結果平均值

4 結 語

人來活動對流域水文過程的影響是當前研究的一個熱點。筆者通過計算淮河上游大坡嶺流域1965—2009年間流量大于1 000 m3/s的26場單峰洪水的滯時，將其變化過程與流域上土地利用變化進行比較，發(fā)現(xiàn)由于大坡嶺流域在1985年土地利用發(fā)生變化，相應的流域滯時也發(fā)生了很大變化。4種流域滯時中，土地利用變化后TLPC的平均值比土地利用變化前的小(從9.98 h減少為5.26 h)，而土地利用變化后的TLC、TLP和TLPP都比土地利用變化前的大(分別從21.32 h、34.64 h、10.00 h增加到26.77 h、35.08 h、11.50 h)。4種滯時中，TLPC出現(xiàn)了負值，其余3種未出現(xiàn)負值。流域上土地利用變化后4種滯時距離平均值的波動程度均比土地利用變化前的大。流域上土地利用變化前后以及整個時期4種滯時與降雨深度的量級存在一定的聯(lián)系，而與徑流深以及洪峰流量則沒有相關關系。

由于可用數(shù)據(jù)的限制，本研究能夠選用的大洪水資料較少，對于降雨量大于300 mm的洪水事件，由于土地利用方式變化引起的流域滯時變化不能很好地進行分析。在以后的研究中，應盡可能多搜集洪水事件資料，增加降雨量大于300 mm的洪水事件樣本，研究降雨量大于300 mm情形下的流域平均滯時變化。

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·簡訊·

河海大學4位專家入選國務院學位委員會第七屆學科評議組

國務院學位委員會第31次會議審議通過了第七屆國務院學位委員會學科評議組成員名單，河海大學4位專家入選，其中工學3人，分別是：王超、高玉峰、顧沖時，理學1人：張瑋。

國務院學位委員會學科評議組是國務院學位委員會領導下的專家組織，主要從事我國學位與研究生教育的咨詢、研究、監(jiān)督和審核工作。國務院學位委員會學科評議組成員由全國各高校推薦，由國務院學位委員會遴選產(chǎn)生，一般是在同行業(yè)中有較高的學術水平、有指導博士研究生的豐富經(jīng)驗并且在教學和科研第一線已取得顯著成績的專家學者。

(本刊編輯部供稿)

Response of basin lag time to land use change in Dapoling Basin in upper Huaihe River

ZHOU Minmin1, 2, QU Simin1, 2, SHI Peng1, 2, WANG Hongjie3

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.HydrologyandWaterResourcesBureauofHenanProvince,Zhengzhou450003,China)

Based on 26 single-peak floods between 1965 and 2009 in the Dapoling sub-watershed (or Dapoling Basin) in the upper Huaihe River, the mean basin lag time was calculated. The observed data were delimited by the year 1985 according to the land use change to compare the variation of mean basin lag time, calculate the lag time for different rainfall depths, and analyze the respective relationship of lag time with runoff depth and peak discharge. The results show that the land use change caused a large variation of the mean basin lag time. The lag time from the centroid of the rainfall hydrograph to peak timeTLPCdecreased from 9.98 h to 5.26 h after the land use change. The lag time from the centroid of the rainfall hydrograph to the centroid of the discharge hydrographTLC, the lag time from the beginning of a rainfall event to peak timeTLP,and the lag time from the peak rainfall intensity to peak dischargeTLPPincreased after the land use change. TheTLC,TLP, andTLPPvalues increased from 21.32 h to 26.77 h, from 34.64 h to 35.08 h, and from 10.00 h to 11.50 h, respectively. During the periods before and after land use change and the entire period in the Dapoling Basin, there was a certain relationship between the four lag time variables and the rainfall depth, but no relationship was found between lag time and runoff depth or between lag time and peak discharge.

basin hydrological process; mean basin lag time; rainfall intensity; runoff depth; peak discharge; land use; Dapoling Basin in the upper Huaihe River

10.3876/j.issn.1000-1980.2015.02.002

2014-04-02

國家自然科學基金(41371048，51190090，40901015，41001011，51079038)

周敏敏(1991—)，女，江蘇啟東人，碩士研究生，主要從事流域水文模擬及同位素研究。E-mail: minmin@hhu.edu.cn

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1000-1980(2015)02-0100-07