流域土地利用變化對(duì)不同重現(xiàn)期洪水的影響
——以奉化江皎口水庫(kù)流域?yàn)槔?/h1>
2016-10-25 07:56:44雷超桂許有鵬張倩玉王躍峰
生態(tài)學(xué)報(bào) 2016年16期
雷超桂,許有鵬,張倩玉,王躍峰,李 廣
南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023
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流域土地利用變化對(duì)不同重現(xiàn)期洪水的影響
——以奉化江皎口水庫(kù)流域?yàn)槔?/p>
雷超桂,許有鵬*,張倩玉,王躍峰,李 廣
南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京210023
土地利用變化對(duì)流域洪水過(guò)程產(chǎn)生顯著影響,并導(dǎo)致設(shè)計(jì)洪水發(fā)生變化。為進(jìn)一步指導(dǎo)流域防洪及水庫(kù)洪水設(shè)計(jì),以浙東沿海奉化江皎口水庫(kù)流域?yàn)槔?應(yīng)用HEC-HMS水文模型模擬分析土地利用/覆被變化(LUCC)對(duì)不同重現(xiàn)期暴雨洪水事件的影響。結(jié)果表明,流域內(nèi)1985—2003年土地利用變化引起不同重現(xiàn)期洪水過(guò)程與洪水量級(jí)發(fā)生改變,其中,洪量和洪峰均增加,洪量較洪峰變化明顯。LUCC對(duì)小洪水過(guò)程影響更明顯,5年一遇以上洪水的洪峰和洪量分別平均增加3%和7.6%,而小于2年一遇洪水的洪峰和洪量分別平均增加5.41%和11.91%。同時(shí),LUCC使100年、50年和25年一遇洪水重現(xiàn)期分別提前了15、6a和2a,即其對(duì)量級(jí)最高的特大洪水的重現(xiàn)期影響最大。此外,不同的土地利用轉(zhuǎn)變方式對(duì)洪水的影響程度不一,其中,林地向裸地轉(zhuǎn)變對(duì)洪水影響最大,林地向灌草地轉(zhuǎn)變次之,林地向耕地變化對(duì)洪水影響最小,且這種差異性在低重現(xiàn)期洪水表現(xiàn)更明顯。
土地利用/土地覆被變化;HEC-HMS模型;降雨徑流;洪水重現(xiàn)期
土地利用/覆被變化(LUCC)是人類活動(dòng)改造下墊面的主要結(jié)果之一,它通過(guò)影響冠層截流、地表入滲、蒸散發(fā)和地表徑流,引起流域水文過(guò)程發(fā)生改變。近些年來(lái),特大洪水在城市或城郊地區(qū)頻繁發(fā)生,給人們帶來(lái)巨大的生命和經(jīng)濟(jì)損失,而土地利用方式改變成為“放大”洪災(zāi)的主要因素[1- 3]。LUCC引起水文要素和水文循環(huán)各參量產(chǎn)生不同的變化[4- 9],并通過(guò)影響暴雨徑流過(guò)程改變洪水特性,對(duì)洪水事件產(chǎn)生作用[10-14]。相比氣候因素的單獨(dú)影響,城市用地?cái)U(kuò)張會(huì)加大洪水概率和洪水強(qiáng)度的變化[14- 15],農(nóng)用地的增加會(huì)減小下游洪水發(fā)生可能性[6],而上游森林的退化將使洪水洪量、洪峰均增加[9]。目前,國(guó)內(nèi)外圍繞LUCC的暴雨洪水效應(yīng)已開(kāi)展了較多研究[5- 10],但關(guān)于LUCC對(duì)設(shè)計(jì)洪水影響的定量研究還較少見(jiàn)[16]。由于土地覆被對(duì)產(chǎn)匯流的作用機(jī)制與降雨強(qiáng)度和前期土壤蓄水量相關(guān)[17- 18],所以其對(duì)不同強(qiáng)度的暴雨洪水會(huì)產(chǎn)生不同的影響,其與設(shè)計(jì)洪水和水工建設(shè)以及防洪規(guī)劃密切相關(guān),亦應(yīng)受到關(guān)注。受特殊地理環(huán)境和快速經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響,地處浙東沿海的奉化江流域常年遭受不同等級(jí)的暴雨洪水侵襲,所造成的損失也日趨嚴(yán)重。因此,迫切需要定量開(kāi)展奉化江流域LUCC對(duì)不同量級(jí)洪水的動(dòng)態(tài)影響研究。
考慮到流域覆被格局變化會(huì)使得流域洪水特性發(fā)生變化并最終對(duì)設(shè)計(jì)洪水產(chǎn)生影響,而設(shè)計(jì)洪水的大小和變化對(duì)水庫(kù)的正常運(yùn)行至關(guān)重要,因此,本文借助HEC-HMS降雨徑流模型來(lái)模擬分析奉化江支流鄞江上游皎口水庫(kù)流域1985—2003年土地利用變化(LUCC)對(duì)典型重現(xiàn)期洪水的影響,研究結(jié)果可為流域的防洪減災(zāi)提供有力參考,也將為水庫(kù)調(diào)度以及安全運(yùn)行提供支持。
1 研究區(qū)概況
皎口水庫(kù)流域位于浙江省寧波市西部奉化江支流鄞江的上游,流域總面積為259km2,主干水系有大皎溪和小皎溪,其中主流大皎溪長(zhǎng)44.3km。流域地處沿海地區(qū),以低山丘陵為主,地勢(shì)自西南向東北傾斜,屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候。受地理位置和氣候條件的影響,該地區(qū)于每年6—9月頻發(fā)梅雨與臺(tái)風(fēng),伴隨而來(lái)的連日大暴雨容易形成洪水。流域土壤主要為紅壤及黃壤,大面積分布林地、山地灌草地及耕地,水域、建設(shè)用地和裸地僅占少部分,植被覆蓋度較高,但自20世紀(jì)90年代以來(lái),土地利用開(kāi)發(fā)加快,流域覆被情況發(fā)生了一定程度的變化。
2 數(shù)據(jù)與方法
2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
本研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括四大類：土地利用數(shù)據(jù)是基于流域內(nèi)1985年和2003年Landsat TM遙感影像經(jīng)計(jì)算機(jī)以及人工解譯分類而獲取,為了提高分類精度,解譯時(shí)借助研究區(qū)歷史土地利用圖件、SPOT4影像進(jìn)行修正,結(jié)合野外實(shí)地抽樣調(diào)查結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證;數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái),其分辨率為30m;土壤類型數(shù)據(jù)是參照1∶50萬(wàn)寧波市紙質(zhì)土壤圖獲取;氣象水文資料主要是雨量站和水文站自動(dòng)監(jiān)測(cè)獲取的小時(shí)段雨量和徑流數(shù)據(jù)。
2.2研究方法
HEC-HMS模型是一種廣泛用于模擬降雨—徑流過(guò)程的分布式水文模型,并綜合考慮了下墊面時(shí)空變化。本文擬運(yùn)用該模型模擬歷史發(fā)生過(guò)的年最大場(chǎng)次暴雨洪水以率定參數(shù),并基于歷史土地利用變化,模擬不同量級(jí)暴雨徑流過(guò)程,分析不同地類轉(zhuǎn)變對(duì)典型重現(xiàn)期暴雨洪水事件的影響。
圖1 HEC-HMS模型中皎口水庫(kù)整體流域構(gòu)架 Fig.1 The overall framework of the Jiaokou Reservoir watershed in HEC-HMS model
2.2.1HEC-GeoHMS模型提取參數(shù)、構(gòu)建流域結(jié)構(gòu)
本文運(yùn)用嵌入ArcGIS的HEC-GeoHMS工具進(jìn)行流域構(gòu)建、水系提取、子流域劃分,并提取流域物理、水文參數(shù),計(jì)算確定HEC-HMS模型模擬參數(shù)的初始值,然后將建立好的流域?qū)傩詳?shù)據(jù)導(dǎo)入到HEC-HMS模型。其中,本研究利用流域的DEM進(jìn)行流域描繪與劃分,并結(jié)合研究區(qū)具體情況選定水庫(kù)壩址出口點(diǎn)(121.28°E,29.83°N)作為流域出口,以此確定流域范圍與位置,同時(shí)將流域自動(dòng)劃分為2條主干河道、1個(gè)出口點(diǎn)、1個(gè)水庫(kù)和多個(gè)子流域的格局,最后依據(jù)流域水系和高程特征,合并為4個(gè)大的子流域(圖1)。
2.2.2HEC-HMS模型模擬暴雨洪水過(guò)程
HEC-HMS模型具有模塊化的結(jié)構(gòu),可依次計(jì)算每個(gè)子流域(單元)的產(chǎn)流量,匯流(包括坡面匯流和河道匯流),最后演算至流域的出口斷面。本文采用初損穩(wěn)滲法(Initial and Constant Loss)計(jì)算徑流量和損失量,Snyder單位線計(jì)算坡面匯流,Muskingum法進(jìn)行河道洪水演進(jìn),并采用退水指數(shù)模型模擬基流。通過(guò)對(duì)1974—2003年8場(chǎng)暴雨洪水進(jìn)行降雨徑流模擬,參數(shù)率定以及結(jié)果驗(yàn)證,模擬分析流域土地覆被變化對(duì)不同量級(jí)歷史洪水的影響。為避免流域上游周公宅水庫(kù)(2003年)修建前后水文資料不一致性的影響,本次只收集、統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)1974—2003年同場(chǎng)暴雨年最大24h降雨量資料,運(yùn)用P-III適線法計(jì)算流域面平均最大24h的暴雨頻率曲線,在此基礎(chǔ)上,選取頻率為1%(100年一遇)、10%(10年一遇)、2%(50年一遇)、4%(25年一遇)及20%(5年一遇)的5種暴雨類型,用暴雨衰減指數(shù)法計(jì)算生成暴雨時(shí)程分布,運(yùn)用HEC-HMS模型模擬不同的土地利用情況下典型重現(xiàn)期的暴雨洪水過(guò)程。
3 結(jié)果分析
3.1土地利用變化分析3.1.1土地利用類型的提取
基于研究區(qū)1985年和2003年Landsat TM 影像,進(jìn)行最大似然法分類處理[19- 20]。根據(jù)流域?qū)嶋H情況,將流域用地分為林地(毛竹、高大喬木等)、灌草地(低矮灌木、山地草地等)、耕地、建設(shè)用地(其中包括居民地、交通用地、獨(dú)立工礦用地和水利設(shè)施用地等)、裸地和水體六大類,如圖2所示。結(jié)合地形圖、流域航片、影像圖件以及野外實(shí)地抽樣調(diào)查驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行人工解譯修正,對(duì)1985和2003年的解譯結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià),總體精度分別達(dá)到84%和89%,解譯精度符合研究要求。
圖2 1985年與2003年土地利用分布圖Fig.2 Distribution of land use types in 1985 and 2003
3.1.2土地利用變化趨勢(shì)分析
在ArcGIS9.3軟件的支持下,計(jì)算得出1985年和2003年皎口水庫(kù)流域各土地利用類型的面積,并分析其總體變化情況(表1)。
表1 皎口水庫(kù)流域1985—2003年各土地利用類型面積及變化
從表1可以看出,研究區(qū)主要覆被是林地、灌草地和耕地,且三者的總面積均達(dá)到92%以上,而水域和建設(shè)用地相對(duì)偏少。在用地類型的轉(zhuǎn)變上,林地變?yōu)楣嗖莸刈铒@著,這主要是由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,流域內(nèi)以茶園、果園為主的經(jīng)濟(jì)林及灌叢林的大面積種植,使矮小經(jīng)濟(jì)樹種取代常綠與落葉闊葉混交林,同時(shí),當(dāng)?shù)貫榘l(fā)展旅游,部分景點(diǎn)的竹林用地被改造成為旅游經(jīng)營(yíng)空閑地。此外,流域內(nèi)耕地與建設(shè)用地小幅度增加,水體呈微弱減少趨勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō),從1985年至2003年,該流域土地覆被均有所變化,變化較大的是林地、灌草地和裸地,其中,林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍⒐嗖莸?、裸地的統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2,轉(zhuǎn)變率在3%—30%之間。
3.2土地利用變化對(duì)洪水的綜合影響分析
流域降雨徑流過(guò)程是受氣候變化與下墊面共同作用的結(jié)果,而流域LUCC過(guò)程必然要對(duì)洪峰、洪量以及洪水量級(jí)產(chǎn)生影響[21-23]。為此,在分析土地利用轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)上,利用HEC-HMS模型來(lái)模擬分析皎口水庫(kù)流域1985—2003年LUCC對(duì)年最大暴雨洪水的影響,并討論不同地類轉(zhuǎn)變對(duì)不同重現(xiàn)期暴雨洪水的影響程度及差異。
表2 林地在1985至2003年主要轉(zhuǎn)變情況
3.2.1模型率定與檢驗(yàn)
基于流域1985年和2003年土地利用數(shù)據(jù)、土壤分布特征、高程屬性數(shù)據(jù)及場(chǎng)次降雨特征,參考相關(guān)研究[24-26],采用單因素梯度法(Univariate Gradient)率定模型的產(chǎn)匯流參數(shù),主要參數(shù)率定范圍及結(jié)果見(jiàn)表3,其中,初損(Initial Loss)、穩(wěn)定下滲率(Constant Loss Rate)、流域滯時(shí)(Tp)是關(guān)鍵參數(shù)。同時(shí),利用皎口水庫(kù)流域歷史上獲取的小時(shí)段流量數(shù)據(jù)對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),共選取8場(chǎng)暴雨洪水進(jìn)行模擬分析。考慮所選洪水過(guò)程的代表性,選用79823等5場(chǎng)暴雨洪水進(jìn)行模型率定,74819等3場(chǎng)用于模型驗(yàn)證分析,模型率定和驗(yàn)證的結(jié)果見(jiàn)表4。
表3 HEC-HMS模型主要參數(shù)率定結(jié)果
表4 HEC-HMS模型模擬研究區(qū)8場(chǎng)洪水評(píng)價(jià)結(jié)果
峰現(xiàn)時(shí)差中以“-”表示模擬時(shí)間提早;“+”表示模擬時(shí)間推遲
圖3 驗(yàn)證期次降雨徑流模擬值與實(shí)測(cè)值的比較Fig.3 Comparison of observed and simulated hydrographs during validation period
從表4可以看出,率定期5場(chǎng)洪水平均確定性系數(shù)為0.83,模擬的峰現(xiàn)時(shí)差均在±1.5h內(nèi),洪峰、洪量平均相對(duì)誤差分別為9.26%和8.38%,最小誤差為-0.86%,誤差范圍大部分在±10%以內(nèi)。但是,87912場(chǎng)次洪水的洪峰流量相對(duì)誤差達(dá)30.7%,這主要是由于該暴雨洪水時(shí)段為9月9日至16日,產(chǎn)匯流過(guò)程歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)7d,而HEC-HMS模型對(duì)長(zhǎng)歷時(shí)暴雨過(guò)程的模擬精度較差所致。驗(yàn)證期3場(chǎng)洪水洪峰流量和總洪量的相對(duì)誤差均在±15%內(nèi),平均確定性系數(shù)達(dá)到0.9,且有兩場(chǎng)洪水的確定性系數(shù)在0.9以上,模擬的總體效果較好。同時(shí),降雨徑流過(guò)程模擬值與實(shí)測(cè)值擬合良好(圖3)?？傮w看來(lái),該模型能夠較真實(shí)反映皎口水庫(kù)流域的產(chǎn)匯流過(guò)程,可以用來(lái)分析土地利用變化對(duì)洪水的影響。
3.2.21985—2003年土地利用變化對(duì)歷史洪水的影響
(1) 對(duì)洪水過(guò)程的影響
對(duì)皎口水庫(kù)流域的場(chǎng)次暴雨進(jìn)行最大24h暴雨量頻率計(jì)算,按最大24h降雨強(qiáng)度將洪水分為5年一遇以上(>250mm)、2—5年一遇(160—250mm)和2年一遇以下(<160mm)3個(gè)量級(jí),對(duì)選擇的歷史場(chǎng)次洪水分別在1985年和2003年土地利用情況下進(jìn)行模擬,得到的結(jié)果見(jiàn)表5。
由表5可以看出,2003年與1985年土地利用情況下模擬的洪水相比,洪峰和洪量均有不同程度的增加,且LUCC使同一量級(jí)洪水的洪峰變化小于洪量。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),5年一遇以上、2—5年一遇、2年一遇以下這3種重現(xiàn)期條件下的洪水峰值與洪量二者平均變化的差異值分別為4.6%,5.21%,6.5%。由此可知,重現(xiàn)期越低的洪水,其洪量與洪峰的差異越大。從洪水量級(jí)來(lái)看,5年一遇以上的洪水在1985年至2003年土地利用變化下平均增加最小,重現(xiàn)期為2—5年一遇的洪水增加較大,而小于2年一遇的洪水其增加程度最大。如大于5年一遇的洪水,其洪峰和洪量的平均增加幅度分別為3%和7.6%;而小于2年一遇的洪水,其洪峰和洪量的平均增加幅度分別為5.41%和11.91%,即在同等土地利用變化條件下,2年一遇以下重現(xiàn)期的洪水較5年一遇以上洪水改變更明顯。
(2) 對(duì)洪水量級(jí)的影響
運(yùn)用歷史暴雨資料計(jì)算得到流域洪水頻率,參考研究區(qū)設(shè)計(jì)洪水及2003年洪水頻率復(fù)核情況,選擇5年一遇(250mm)、10年一遇(300mm)、25年一遇(380mm)、50年一遇(440mm)和100年一遇(500mm)這5個(gè)典型重現(xiàn)期,結(jié)合1985年、1993年和2003年的土地利用和洪水重現(xiàn)期變化進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的模擬計(jì)算,結(jié)果如表6所示。
表5 皎口水庫(kù)流域在1985—2003年土地利用情況下的洪水模擬結(jié)果
表6 研究區(qū)不同重現(xiàn)期及土地利用下洪峰模擬
從表6可以看出,不同年份的土地利用情況使不同重現(xiàn)期洪水的峰值發(fā)生一定幅度的改變。借助克里格線性插值技術(shù)統(tǒng)計(jì)分析等值洪峰的變化趨勢(shì),可以推算出,自1985年起至2003年隨著下墊面條件變化,流域內(nèi)不同等級(jí)暴雨洪水的重現(xiàn)期均在一定程度上有所提前,其中,100年、50年和25年一遇洪水分別提前了15、6a和2a,即流域土地利用/覆被變化(LUCC)會(huì)使洪水重現(xiàn)期發(fā)生一定變化,其中對(duì)量級(jí)最高的特大洪水的重現(xiàn)期影響最大。
3.2.3土地利用轉(zhuǎn)變對(duì)不同重現(xiàn)期洪水的影響差異
由上述分析可知,洪水洪峰和洪量在2003年土地利用條件下均有增加的趨勢(shì),但是該趨勢(shì)是所有LUCC共同作用的結(jié)果。為了區(qū)分各土地利用類型的貢獻(xiàn)程度,假定一種土地利用類型向另一種轉(zhuǎn)變,其它土地利用不變,利用模型模擬的方法來(lái)進(jìn)行研究。有研究表明,由于不同土地利用類型的下滲率和不透水率存在差異,對(duì)同一場(chǎng)降雨的洪水響應(yīng)截然不同[8,24]。由于流域內(nèi)建筑用地和水體面積比例較少,其變化對(duì)降雨徑流關(guān)系影響不大,因此本文只根據(jù)林地向耕地、灌草地或裸地轉(zhuǎn)變的實(shí)際情況,模擬林地從1985年開(kāi)始以10%、20%、30%、40%、50%比例分別轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨?種地類時(shí)不同重現(xiàn)期暴雨洪水過(guò)程的變化,其中,100年一遇、50年一遇和5年一遇洪水變化情況如圖4所示。
結(jié)果表明,當(dāng)林地向裸地、耕地和灌草地轉(zhuǎn)變時(shí),洪水洪峰與洪量均發(fā)生了不同程度的增加,且洪量較洪峰增加幅度大、增加更快。對(duì)于所有量級(jí)洪水而言,林地轉(zhuǎn)變影響程度呈現(xiàn)普遍規(guī)律：林-裸地>林-灌草地>林-耕地,即林-裸地轉(zhuǎn)變對(duì)洪峰和洪量影響最大,林-灌草地轉(zhuǎn)變的影響次之,由于皎口水庫(kù)流域內(nèi)耕地的蓄水作用和較大的下滲率,因此在三者之中,林地變?yōu)楦厥购樗黾幼钌?。此?隨著轉(zhuǎn)變率增大,以上3種地類轉(zhuǎn)變方式使洪水變化的差異性增大：當(dāng)林地以10%轉(zhuǎn)變時(shí),裸、灌草地,灌草、耕地以及裸、耕地引起100年一遇洪水洪峰增加的差異分別為0.21%、0.11%和0.32%;當(dāng)林地以50%轉(zhuǎn)變時(shí),影響差異變?yōu)?.01%、0.52%和1.53%;當(dāng)林地以10%—50%轉(zhuǎn)變時(shí),以上三者使徑流總量增加差異由0.38%、0.2%和0.58%變?yōu)?.88%、0.95%和2.83%。隨著林地從10%變?yōu)?0%轉(zhuǎn)出,三者對(duì)5年一遇洪水峰值影響差異由0.52%、0.24%和0.76%變?yōu)?.52%、1.19%和3.71%,洪量由0.98%、0.55%和1.53%變?yōu)?.93%、2.59%和7.52%。對(duì)比分析可知,三者地類轉(zhuǎn)變使5年一遇洪水變化的差異較100年一遇洪水更明顯。
對(duì)于不同重現(xiàn)期洪水,量級(jí)最小的洪水對(duì)土地轉(zhuǎn)變響應(yīng)最敏感。當(dāng)林地從1985年開(kāi)始以10%—50%轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕貢r(shí),100年一遇、50年一遇、25年一遇和5年一遇洪水峰值相對(duì)于1985年分別增加0.88%—4.3%、1.02%—4.96%、1.2%—5.84%和2.18%—10.67%,平均增加2.6%、3%、3.53%和6.45%;洪量變化1.61%—7.91%、1.8%—9.16%、2.22%—10.95%和4.15%—20.62%,平均變化4.77%、5.5%、6.6%和12.4%。即在同樣土地利用變化下,低重現(xiàn)期較高重現(xiàn)期洪水事件改變程度更大,且隨著林地轉(zhuǎn)出比率增大,低重現(xiàn)期洪水變化更迅速。
圖4 土地利用類型轉(zhuǎn)變對(duì)典型重現(xiàn)期洪水的影響Fig.4 Impacts of land use change (LUCC) on storm floods with typical return periods
4 結(jié)論與討論
本研究應(yīng)用Landsat TM 遙感影像進(jìn)行人機(jī)交互解譯提取土地利用信息,進(jìn)而結(jié)合皎口水庫(kù)流域下墊面的實(shí)際情況,統(tǒng)計(jì)分析1985—2003年期間流域內(nèi)土地利用變化。運(yùn)用HEC-HMS模型對(duì)流域內(nèi)1974—2003年的8場(chǎng)年最大暴雨的洪水過(guò)程進(jìn)行模擬分析,對(duì)不同重現(xiàn)期洪水-土地利用變化的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),探究該流域土地利用變化對(duì)不同量級(jí)洪水事件的影響。根據(jù)以上分析,可以得出以下結(jié)論與討論:
(1)1985—2003年,流域內(nèi)主要覆被為林地、灌草地,土地利用轉(zhuǎn)變主趨勢(shì)為林地向耕地、裸地、灌草地轉(zhuǎn)變。
(2)在1985—2003年土地利用條件下模擬,流域內(nèi)歷史洪水的洪峰和洪量均有不同程度的增加,洪量較洪峰變化明顯,土地利用變化對(duì)低重現(xiàn)期暴雨洪水事件的影響程度最大。隨著土地利用變化,流域內(nèi)典型場(chǎng)次暴雨洪水的重現(xiàn)期均有不同程度地提前,量級(jí)最大暴雨洪水的重現(xiàn)期變化最明顯。
(3)不同的土地利用轉(zhuǎn)變方式對(duì)洪水的貢獻(xiàn)程度不一,其中林地向裸地轉(zhuǎn)變使洪水增加最大、最快,林地向灌草地轉(zhuǎn)變次之,林地向耕地轉(zhuǎn)變影響最小。隨著林地以10%—50%比例轉(zhuǎn)變?yōu)槁?、灌草、耕?以上三者轉(zhuǎn)變方式對(duì)洪水影響的差異性增大,且這種差異性在低重現(xiàn)期洪水表現(xiàn)最明顯。
(4)本研究運(yùn)用的洪水資料是歷史年最大場(chǎng)次暴雨洪水,設(shè)計(jì)洪水分析有利于為流域特大洪水防洪標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整提供詳細(xì)參考。流域內(nèi)歷史洪水重現(xiàn)期集中在10年一遇以下,而小量級(jí)洪水對(duì)土地利用變化較為敏感,因此,應(yīng)加強(qiáng)土地利用變化的暴雨洪水響應(yīng)研究,這將有利于提高流域洪水預(yù)報(bào)精度與防洪減災(zāi)能力[27-28]。在流域防洪規(guī)劃修訂中,應(yīng)長(zhǎng)遠(yuǎn)并且全面地考慮引起洪水徑流變化的各個(gè)影響因素,重視土地利用變化導(dǎo)致的徑流量和洪峰變化,并及時(shí)將預(yù)測(cè)結(jié)果反饋到實(shí)際的改造建設(shè)中去。
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Impacts of land-use change on flood process and frequency of various return periods: a case study of Jiaokou Reservoir watershed in Fenghua River
LEI Chaogui, XU Youpeng*, ZHANG Qianyu, WANG Yuefeng, LI Guang
SchoolofGeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing210023,China
The effects of land-use/land-cover change (LUCC) on the watershed flood process have become one of the major hydrological concerns in the world. A change in the flood process leads to the alteration in flood design and control system, which has caused serious problems to human life and urban security. In this study, we take Jiaokou Reservoir watershed as a sample area to analyze the LUCC effects on storm floods of different return periods based on the hydrological model (HEC-HMS) and GIS-related support. Jiaokou Reservior is located in the west of Ningbo city, Zhejiang Province, and is controlled by the plum rains and typhoon storms with various return periods during rainy seasons. Due to rapid economic development and intensive human activity, the land utilization pattern has changed in recent years. The spatial data of land use of the study area during 1985—2003 was obtained from Landsat TM (Thematic Mapper) image data, and the images from different periods were interpreted and overlapped to setup the transfer matrix of the land-use types. The land-use types were dominated by forest land, bush grassland, and cultivated land, which covered 92% of the watershed. The main LUCC in this area is the conversion of forest to bare land, grassland, and agricultural land. The analysis of the LUCC impacts on flood shows that (1) during 1985—2003, 3%—30% of the forest land was changed to bare land, bush grass, or agricultural land, and the LUCC has different effects on floods of different return periods. Both flood runoff and peak increased for all flood magnitudes, but the runoff changed at a higher range as compared to the flood peak. (2) Low magnitude flood was found to be more sensitive to the LUCC, the increase of the total runoff and flood peak of a 5-year flood increased by 3% and 7.6%, respectively, while those of less than 2-year return period floods increased by 5.41% and 11.91%, respectively. From the perceptive of flood classification, the flood return periods of 100, 50, and 25 years were reduced by 15, 6, and 2 years, respectively, during the study period. (3) Different land-use change patterns lead to flood variations. Along with the forest being characterized by a change ratio of 10%—50% since 1985, forest-bare land-use change pattern impacts flooding most intensively, and the forest-grassland change pattern has stronger effects than the forest-agricultural change pattern. Compared with a simulated flood in 1985, when forest was converted into bare land with a ratio of 10%—50%, the flood peak increased by 0.88%—4.3% and the total runoff increased by 1.61%—7.91% in the 100-year-return-period flood. While, the widened range of the flood peak and total runoff under the same condition were 2.18%—10.67% and 4.15%—20.62%, respectively, in the 5-year-return-period flood. As the change ratio gets bigger, the difference in impacts of different patterns of forest transformation to other lands on floods became more distinct, especially to the low-magnitude flood. The results of this study can provide scientific supports for the flood control and water resource management.
land-use/land-cover change; HEC-HMS model; runoff; flood return periods
國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41371046, 41371044);水利部水利公益專項(xiàng)項(xiàng)目(201201072);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20131276);江蘇水利科技基金重大項(xiàng)目(2015003)
2015- 01- 22; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 12- 01
Corresponding author.E-mail: xuyp305@163.com
10.5846/stxb201501220183
雷超桂,許有鵬,張倩玉,王躍峰,李 廣.流域土地利用變化對(duì)不同重現(xiàn)期洪水的影響——以奉化江皎口水庫(kù)流域?yàn)槔?生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(16):5017- 5026.
Lei C G, Xu Y P, Zhang Q Y, Wang Y F, Li G.Impacts of land-use change on flood process and frequency of various return periods: a case study of Jiaokou Reservoir watershed in Fenghua River.Acta Ecologica Sinica,2016,36(16):5017- 5026.
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雷超桂,許有鵬,張倩玉,王躍峰,李 廣
南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023
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流域土地利用變化對(duì)不同重現(xiàn)期洪水的影響
——以奉化江皎口水庫(kù)流域?yàn)槔?/p>
雷超桂,許有鵬*,張倩玉,王躍峰,李 廣
南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京210023
土地利用變化對(duì)流域洪水過(guò)程產(chǎn)生顯著影響,并導(dǎo)致設(shè)計(jì)洪水發(fā)生變化。為進(jìn)一步指導(dǎo)流域防洪及水庫(kù)洪水設(shè)計(jì),以浙東沿海奉化江皎口水庫(kù)流域?yàn)槔?應(yīng)用HEC-HMS水文模型模擬分析土地利用/覆被變化(LUCC)對(duì)不同重現(xiàn)期暴雨洪水事件的影響。結(jié)果表明,流域內(nèi)1985—2003年土地利用變化引起不同重現(xiàn)期洪水過(guò)程與洪水量級(jí)發(fā)生改變,其中,洪量和洪峰均增加,洪量較洪峰變化明顯。LUCC對(duì)小洪水過(guò)程影響更明顯,5年一遇以上洪水的洪峰和洪量分別平均增加3%和7.6%,而小于2年一遇洪水的洪峰和洪量分別平均增加5.41%和11.91%。同時(shí),LUCC使100年、50年和25年一遇洪水重現(xiàn)期分別提前了15、6a和2a,即其對(duì)量級(jí)最高的特大洪水的重現(xiàn)期影響最大。此外,不同的土地利用轉(zhuǎn)變方式對(duì)洪水的影響程度不一,其中,林地向裸地轉(zhuǎn)變對(duì)洪水影響最大,林地向灌草地轉(zhuǎn)變次之,林地向耕地變化對(duì)洪水影響最小,且這種差異性在低重現(xiàn)期洪水表現(xiàn)更明顯。
土地利用/土地覆被變化;HEC-HMS模型;降雨徑流;洪水重現(xiàn)期
土地利用/覆被變化(LUCC)是人類活動(dòng)改造下墊面的主要結(jié)果之一,它通過(guò)影響冠層截流、地表入滲、蒸散發(fā)和地表徑流,引起流域水文過(guò)程發(fā)生改變。近些年來(lái),特大洪水在城市或城郊地區(qū)頻繁發(fā)生,給人們帶來(lái)巨大的生命和經(jīng)濟(jì)損失,而土地利用方式改變成為“放大”洪災(zāi)的主要因素[1- 3]。LUCC引起水文要素和水文循環(huán)各參量產(chǎn)生不同的變化[4- 9],并通過(guò)影響暴雨徑流過(guò)程改變洪水特性,對(duì)洪水事件產(chǎn)生作用[10-14]。相比氣候因素的單獨(dú)影響,城市用地?cái)U(kuò)張會(huì)加大洪水概率和洪水強(qiáng)度的變化[14- 15],農(nóng)用地的增加會(huì)減小下游洪水發(fā)生可能性[6],而上游森林的退化將使洪水洪量、洪峰均增加[9]。目前,國(guó)內(nèi)外圍繞LUCC的暴雨洪水效應(yīng)已開(kāi)展了較多研究[5- 10],但關(guān)于LUCC對(duì)設(shè)計(jì)洪水影響的定量研究還較少見(jiàn)[16]。由于土地覆被對(duì)產(chǎn)匯流的作用機(jī)制與降雨強(qiáng)度和前期土壤蓄水量相關(guān)[17- 18],所以其對(duì)不同強(qiáng)度的暴雨洪水會(huì)產(chǎn)生不同的影響,其與設(shè)計(jì)洪水和水工建設(shè)以及防洪規(guī)劃密切相關(guān),亦應(yīng)受到關(guān)注。受特殊地理環(huán)境和快速經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響,地處浙東沿海的奉化江流域常年遭受不同等級(jí)的暴雨洪水侵襲,所造成的損失也日趨嚴(yán)重。因此,迫切需要定量開(kāi)展奉化江流域LUCC對(duì)不同量級(jí)洪水的動(dòng)態(tài)影響研究。
考慮到流域覆被格局變化會(huì)使得流域洪水特性發(fā)生變化并最終對(duì)設(shè)計(jì)洪水產(chǎn)生影響,而設(shè)計(jì)洪水的大小和變化對(duì)水庫(kù)的正常運(yùn)行至關(guān)重要,因此,本文借助HEC-HMS降雨徑流模型來(lái)模擬分析奉化江支流鄞江上游皎口水庫(kù)流域1985—2003年土地利用變化(LUCC)對(duì)典型重現(xiàn)期洪水的影響,研究結(jié)果可為流域的防洪減災(zāi)提供有力參考,也將為水庫(kù)調(diào)度以及安全運(yùn)行提供支持。
1 研究區(qū)概況
皎口水庫(kù)流域位于浙江省寧波市西部奉化江支流鄞江的上游,流域總面積為259km2,主干水系有大皎溪和小皎溪,其中主流大皎溪長(zhǎng)44.3km。流域地處沿海地區(qū),以低山丘陵為主,地勢(shì)自西南向東北傾斜,屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候。受地理位置和氣候條件的影響,該地區(qū)于每年6—9月頻發(fā)梅雨與臺(tái)風(fēng),伴隨而來(lái)的連日大暴雨容易形成洪水。流域土壤主要為紅壤及黃壤,大面積分布林地、山地灌草地及耕地,水域、建設(shè)用地和裸地僅占少部分,植被覆蓋度較高,但自20世紀(jì)90年代以來(lái),土地利用開(kāi)發(fā)加快,流域覆被情況發(fā)生了一定程度的變化。
2 數(shù)據(jù)與方法
2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
本研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括四大類：土地利用數(shù)據(jù)是基于流域內(nèi)1985年和2003年Landsat TM遙感影像經(jīng)計(jì)算機(jī)以及人工解譯分類而獲取,為了提高分類精度,解譯時(shí)借助研究區(qū)歷史土地利用圖件、SPOT4影像進(jìn)行修正,結(jié)合野外實(shí)地抽樣調(diào)查結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證;數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái),其分辨率為30m;土壤類型數(shù)據(jù)是參照1∶50萬(wàn)寧波市紙質(zhì)土壤圖獲取;氣象水文資料主要是雨量站和水文站自動(dòng)監(jiān)測(cè)獲取的小時(shí)段雨量和徑流數(shù)據(jù)。
2.2研究方法
HEC-HMS模型是一種廣泛用于模擬降雨—徑流過(guò)程的分布式水文模型,并綜合考慮了下墊面時(shí)空變化。本文擬運(yùn)用該模型模擬歷史發(fā)生過(guò)的年最大場(chǎng)次暴雨洪水以率定參數(shù),并基于歷史土地利用變化,模擬不同量級(jí)暴雨徑流過(guò)程,分析不同地類轉(zhuǎn)變對(duì)典型重現(xiàn)期暴雨洪水事件的影響。
圖1 HEC-HMS模型中皎口水庫(kù)整體流域構(gòu)架 Fig.1 The overall framework of the Jiaokou Reservoir watershed in HEC-HMS model
2.2.1HEC-GeoHMS模型提取參數(shù)、構(gòu)建流域結(jié)構(gòu)
本文運(yùn)用嵌入ArcGIS的HEC-GeoHMS工具進(jìn)行流域構(gòu)建、水系提取、子流域劃分,并提取流域物理、水文參數(shù),計(jì)算確定HEC-HMS模型模擬參數(shù)的初始值,然后將建立好的流域?qū)傩詳?shù)據(jù)導(dǎo)入到HEC-HMS模型。其中,本研究利用流域的DEM進(jìn)行流域描繪與劃分,并結(jié)合研究區(qū)具體情況選定水庫(kù)壩址出口點(diǎn)(121.28°E,29.83°N)作為流域出口,以此確定流域范圍與位置,同時(shí)將流域自動(dòng)劃分為2條主干河道、1個(gè)出口點(diǎn)、1個(gè)水庫(kù)和多個(gè)子流域的格局,最后依據(jù)流域水系和高程特征,合并為4個(gè)大的子流域(圖1)。
2.2.2HEC-HMS模型模擬暴雨洪水過(guò)程
HEC-HMS模型具有模塊化的結(jié)構(gòu),可依次計(jì)算每個(gè)子流域(單元)的產(chǎn)流量,匯流(包括坡面匯流和河道匯流),最后演算至流域的出口斷面。本文采用初損穩(wěn)滲法(Initial and Constant Loss)計(jì)算徑流量和損失量,Snyder單位線計(jì)算坡面匯流,Muskingum法進(jìn)行河道洪水演進(jìn),并采用退水指數(shù)模型模擬基流。通過(guò)對(duì)1974—2003年8場(chǎng)暴雨洪水進(jìn)行降雨徑流模擬,參數(shù)率定以及結(jié)果驗(yàn)證,模擬分析流域土地覆被變化對(duì)不同量級(jí)歷史洪水的影響。為避免流域上游周公宅水庫(kù)(2003年)修建前后水文資料不一致性的影響,本次只收集、統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)1974—2003年同場(chǎng)暴雨年最大24h降雨量資料,運(yùn)用P-III適線法計(jì)算流域面平均最大24h的暴雨頻率曲線,在此基礎(chǔ)上,選取頻率為1%(100年一遇)、10%(10年一遇)、2%(50年一遇)、4%(25年一遇)及20%(5年一遇)的5種暴雨類型,用暴雨衰減指數(shù)法計(jì)算生成暴雨時(shí)程分布,運(yùn)用HEC-HMS模型模擬不同的土地利用情況下典型重現(xiàn)期的暴雨洪水過(guò)程。
3 結(jié)果分析
3.1土地利用變化分析3.1.1土地利用類型的提取
基于研究區(qū)1985年和2003年Landsat TM 影像,進(jìn)行最大似然法分類處理[19- 20]。根據(jù)流域?qū)嶋H情況,將流域用地分為林地(毛竹、高大喬木等)、灌草地(低矮灌木、山地草地等)、耕地、建設(shè)用地(其中包括居民地、交通用地、獨(dú)立工礦用地和水利設(shè)施用地等)、裸地和水體六大類,如圖2所示。結(jié)合地形圖、流域航片、影像圖件以及野外實(shí)地抽樣調(diào)查驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行人工解譯修正,對(duì)1985和2003年的解譯結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià),總體精度分別達(dá)到84%和89%,解譯精度符合研究要求。
圖2 1985年與2003年土地利用分布圖Fig.2 Distribution of land use types in 1985 and 2003
3.1.2土地利用變化趨勢(shì)分析
在ArcGIS9.3軟件的支持下,計(jì)算得出1985年和2003年皎口水庫(kù)流域各土地利用類型的面積,并分析其總體變化情況(表1)。
表1 皎口水庫(kù)流域1985—2003年各土地利用類型面積及變化
從表1可以看出,研究區(qū)主要覆被是林地、灌草地和耕地,且三者的總面積均達(dá)到92%以上,而水域和建設(shè)用地相對(duì)偏少。在用地類型的轉(zhuǎn)變上,林地變?yōu)楣嗖莸刈铒@著,這主要是由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,流域內(nèi)以茶園、果園為主的經(jīng)濟(jì)林及灌叢林的大面積種植,使矮小經(jīng)濟(jì)樹種取代常綠與落葉闊葉混交林,同時(shí),當(dāng)?shù)貫榘l(fā)展旅游,部分景點(diǎn)的竹林用地被改造成為旅游經(jīng)營(yíng)空閑地。此外,流域內(nèi)耕地與建設(shè)用地小幅度增加,水體呈微弱減少趨勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō),從1985年至2003年,該流域土地覆被均有所變化,變化較大的是林地、灌草地和裸地,其中,林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍⒐嗖莸?、裸地的統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2,轉(zhuǎn)變率在3%—30%之間。
3.2土地利用變化對(duì)洪水的綜合影響分析
流域降雨徑流過(guò)程是受氣候變化與下墊面共同作用的結(jié)果,而流域LUCC過(guò)程必然要對(duì)洪峰、洪量以及洪水量級(jí)產(chǎn)生影響[21-23]。為此,在分析土地利用轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)上,利用HEC-HMS模型來(lái)模擬分析皎口水庫(kù)流域1985—2003年LUCC對(duì)年最大暴雨洪水的影響,并討論不同地類轉(zhuǎn)變對(duì)不同重現(xiàn)期暴雨洪水的影響程度及差異。
表2 林地在1985至2003年主要轉(zhuǎn)變情況
3.2.1模型率定與檢驗(yàn)
基于流域1985年和2003年土地利用數(shù)據(jù)、土壤分布特征、高程屬性數(shù)據(jù)及場(chǎng)次降雨特征,參考相關(guān)研究[24-26],采用單因素梯度法(Univariate Gradient)率定模型的產(chǎn)匯流參數(shù),主要參數(shù)率定范圍及結(jié)果見(jiàn)表3,其中,初損(Initial Loss)、穩(wěn)定下滲率(Constant Loss Rate)、流域滯時(shí)(Tp)是關(guān)鍵參數(shù)。同時(shí),利用皎口水庫(kù)流域歷史上獲取的小時(shí)段流量數(shù)據(jù)對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),共選取8場(chǎng)暴雨洪水進(jìn)行模擬分析。考慮所選洪水過(guò)程的代表性,選用79823等5場(chǎng)暴雨洪水進(jìn)行模型率定,74819等3場(chǎng)用于模型驗(yàn)證分析,模型率定和驗(yàn)證的結(jié)果見(jiàn)表4。
表3 HEC-HMS模型主要參數(shù)率定結(jié)果
表4 HEC-HMS模型模擬研究區(qū)8場(chǎng)洪水評(píng)價(jià)結(jié)果
峰現(xiàn)時(shí)差中以“-”表示模擬時(shí)間提早;“+”表示模擬時(shí)間推遲
圖3 驗(yàn)證期次降雨徑流模擬值與實(shí)測(cè)值的比較Fig.3 Comparison of observed and simulated hydrographs during validation period
從表4可以看出,率定期5場(chǎng)洪水平均確定性系數(shù)為0.83,模擬的峰現(xiàn)時(shí)差均在±1.5h內(nèi),洪峰、洪量平均相對(duì)誤差分別為9.26%和8.38%,最小誤差為-0.86%,誤差范圍大部分在±10%以內(nèi)。但是,87912場(chǎng)次洪水的洪峰流量相對(duì)誤差達(dá)30.7%,這主要是由于該暴雨洪水時(shí)段為9月9日至16日,產(chǎn)匯流過(guò)程歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)7d,而HEC-HMS模型對(duì)長(zhǎng)歷時(shí)暴雨過(guò)程的模擬精度較差所致。驗(yàn)證期3場(chǎng)洪水洪峰流量和總洪量的相對(duì)誤差均在±15%內(nèi),平均確定性系數(shù)達(dá)到0.9,且有兩場(chǎng)洪水的確定性系數(shù)在0.9以上,模擬的總體效果較好。同時(shí),降雨徑流過(guò)程模擬值與實(shí)測(cè)值擬合良好(圖3)?？傮w看來(lái),該模型能夠較真實(shí)反映皎口水庫(kù)流域的產(chǎn)匯流過(guò)程,可以用來(lái)分析土地利用變化對(duì)洪水的影響。
3.2.21985—2003年土地利用變化對(duì)歷史洪水的影響
(1) 對(duì)洪水過(guò)程的影響
對(duì)皎口水庫(kù)流域的場(chǎng)次暴雨進(jìn)行最大24h暴雨量頻率計(jì)算,按最大24h降雨強(qiáng)度將洪水分為5年一遇以上(>250mm)、2—5年一遇(160—250mm)和2年一遇以下(<160mm)3個(gè)量級(jí),對(duì)選擇的歷史場(chǎng)次洪水分別在1985年和2003年土地利用情況下進(jìn)行模擬,得到的結(jié)果見(jiàn)表5。
由表5可以看出,2003年與1985年土地利用情況下模擬的洪水相比,洪峰和洪量均有不同程度的增加,且LUCC使同一量級(jí)洪水的洪峰變化小于洪量。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),5年一遇以上、2—5年一遇、2年一遇以下這3種重現(xiàn)期條件下的洪水峰值與洪量二者平均變化的差異值分別為4.6%,5.21%,6.5%。由此可知,重現(xiàn)期越低的洪水,其洪量與洪峰的差異越大。從洪水量級(jí)來(lái)看,5年一遇以上的洪水在1985年至2003年土地利用變化下平均增加最小,重現(xiàn)期為2—5年一遇的洪水增加較大,而小于2年一遇的洪水其增加程度最大。如大于5年一遇的洪水,其洪峰和洪量的平均增加幅度分別為3%和7.6%;而小于2年一遇的洪水,其洪峰和洪量的平均增加幅度分別為5.41%和11.91%,即在同等土地利用變化條件下,2年一遇以下重現(xiàn)期的洪水較5年一遇以上洪水改變更明顯。
(2) 對(duì)洪水量級(jí)的影響
運(yùn)用歷史暴雨資料計(jì)算得到流域洪水頻率,參考研究區(qū)設(shè)計(jì)洪水及2003年洪水頻率復(fù)核情況,選擇5年一遇(250mm)、10年一遇(300mm)、25年一遇(380mm)、50年一遇(440mm)和100年一遇(500mm)這5個(gè)典型重現(xiàn)期,結(jié)合1985年、1993年和2003年的土地利用和洪水重現(xiàn)期變化進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的模擬計(jì)算,結(jié)果如表6所示。
表5 皎口水庫(kù)流域在1985—2003年土地利用情況下的洪水模擬結(jié)果
表6 研究區(qū)不同重現(xiàn)期及土地利用下洪峰模擬
從表6可以看出,不同年份的土地利用情況使不同重現(xiàn)期洪水的峰值發(fā)生一定幅度的改變。借助克里格線性插值技術(shù)統(tǒng)計(jì)分析等值洪峰的變化趨勢(shì),可以推算出,自1985年起至2003年隨著下墊面條件變化,流域內(nèi)不同等級(jí)暴雨洪水的重現(xiàn)期均在一定程度上有所提前,其中,100年、50年和25年一遇洪水分別提前了15、6a和2a,即流域土地利用/覆被變化(LUCC)會(huì)使洪水重現(xiàn)期發(fā)生一定變化,其中對(duì)量級(jí)最高的特大洪水的重現(xiàn)期影響最大。
3.2.3土地利用轉(zhuǎn)變對(duì)不同重現(xiàn)期洪水的影響差異
由上述分析可知,洪水洪峰和洪量在2003年土地利用條件下均有增加的趨勢(shì),但是該趨勢(shì)是所有LUCC共同作用的結(jié)果。為了區(qū)分各土地利用類型的貢獻(xiàn)程度,假定一種土地利用類型向另一種轉(zhuǎn)變,其它土地利用不變,利用模型模擬的方法來(lái)進(jìn)行研究。有研究表明,由于不同土地利用類型的下滲率和不透水率存在差異,對(duì)同一場(chǎng)降雨的洪水響應(yīng)截然不同[8,24]。由于流域內(nèi)建筑用地和水體面積比例較少,其變化對(duì)降雨徑流關(guān)系影響不大,因此本文只根據(jù)林地向耕地、灌草地或裸地轉(zhuǎn)變的實(shí)際情況,模擬林地從1985年開(kāi)始以10%、20%、30%、40%、50%比例分別轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨?種地類時(shí)不同重現(xiàn)期暴雨洪水過(guò)程的變化,其中,100年一遇、50年一遇和5年一遇洪水變化情況如圖4所示。
結(jié)果表明,當(dāng)林地向裸地、耕地和灌草地轉(zhuǎn)變時(shí),洪水洪峰與洪量均發(fā)生了不同程度的增加,且洪量較洪峰增加幅度大、增加更快。對(duì)于所有量級(jí)洪水而言,林地轉(zhuǎn)變影響程度呈現(xiàn)普遍規(guī)律：林-裸地>林-灌草地>林-耕地,即林-裸地轉(zhuǎn)變對(duì)洪峰和洪量影響最大,林-灌草地轉(zhuǎn)變的影響次之,由于皎口水庫(kù)流域內(nèi)耕地的蓄水作用和較大的下滲率,因此在三者之中,林地變?yōu)楦厥购樗黾幼钌?。此?隨著轉(zhuǎn)變率增大,以上3種地類轉(zhuǎn)變方式使洪水變化的差異性增大：當(dāng)林地以10%轉(zhuǎn)變時(shí),裸、灌草地,灌草、耕地以及裸、耕地引起100年一遇洪水洪峰增加的差異分別為0.21%、0.11%和0.32%;當(dāng)林地以50%轉(zhuǎn)變時(shí),影響差異變?yōu)?.01%、0.52%和1.53%;當(dāng)林地以10%—50%轉(zhuǎn)變時(shí),以上三者使徑流總量增加差異由0.38%、0.2%和0.58%變?yōu)?.88%、0.95%和2.83%。隨著林地從10%變?yōu)?0%轉(zhuǎn)出,三者對(duì)5年一遇洪水峰值影響差異由0.52%、0.24%和0.76%變?yōu)?.52%、1.19%和3.71%,洪量由0.98%、0.55%和1.53%變?yōu)?.93%、2.59%和7.52%。對(duì)比分析可知,三者地類轉(zhuǎn)變使5年一遇洪水變化的差異較100年一遇洪水更明顯。
對(duì)于不同重現(xiàn)期洪水,量級(jí)最小的洪水對(duì)土地轉(zhuǎn)變響應(yīng)最敏感。當(dāng)林地從1985年開(kāi)始以10%—50%轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕貢r(shí),100年一遇、50年一遇、25年一遇和5年一遇洪水峰值相對(duì)于1985年分別增加0.88%—4.3%、1.02%—4.96%、1.2%—5.84%和2.18%—10.67%,平均增加2.6%、3%、3.53%和6.45%;洪量變化1.61%—7.91%、1.8%—9.16%、2.22%—10.95%和4.15%—20.62%,平均變化4.77%、5.5%、6.6%和12.4%。即在同樣土地利用變化下,低重現(xiàn)期較高重現(xiàn)期洪水事件改變程度更大,且隨著林地轉(zhuǎn)出比率增大,低重現(xiàn)期洪水變化更迅速。
圖4 土地利用類型轉(zhuǎn)變對(duì)典型重現(xiàn)期洪水的影響Fig.4 Impacts of land use change (LUCC) on storm floods with typical return periods
4 結(jié)論與討論
本研究應(yīng)用Landsat TM 遙感影像進(jìn)行人機(jī)交互解譯提取土地利用信息,進(jìn)而結(jié)合皎口水庫(kù)流域下墊面的實(shí)際情況,統(tǒng)計(jì)分析1985—2003年期間流域內(nèi)土地利用變化。運(yùn)用HEC-HMS模型對(duì)流域內(nèi)1974—2003年的8場(chǎng)年最大暴雨的洪水過(guò)程進(jìn)行模擬分析,對(duì)不同重現(xiàn)期洪水-土地利用變化的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),探究該流域土地利用變化對(duì)不同量級(jí)洪水事件的影響。根據(jù)以上分析,可以得出以下結(jié)論與討論:
(1)1985—2003年,流域內(nèi)主要覆被為林地、灌草地,土地利用轉(zhuǎn)變主趨勢(shì)為林地向耕地、裸地、灌草地轉(zhuǎn)變。
(2)在1985—2003年土地利用條件下模擬,流域內(nèi)歷史洪水的洪峰和洪量均有不同程度的增加,洪量較洪峰變化明顯,土地利用變化對(duì)低重現(xiàn)期暴雨洪水事件的影響程度最大。隨著土地利用變化,流域內(nèi)典型場(chǎng)次暴雨洪水的重現(xiàn)期均有不同程度地提前,量級(jí)最大暴雨洪水的重現(xiàn)期變化最明顯。
(3)不同的土地利用轉(zhuǎn)變方式對(duì)洪水的貢獻(xiàn)程度不一,其中林地向裸地轉(zhuǎn)變使洪水增加最大、最快,林地向灌草地轉(zhuǎn)變次之,林地向耕地轉(zhuǎn)變影響最小。隨著林地以10%—50%比例轉(zhuǎn)變?yōu)槁?、灌草、耕?以上三者轉(zhuǎn)變方式對(duì)洪水影響的差異性增大,且這種差異性在低重現(xiàn)期洪水表現(xiàn)最明顯。
(4)本研究運(yùn)用的洪水資料是歷史年最大場(chǎng)次暴雨洪水,設(shè)計(jì)洪水分析有利于為流域特大洪水防洪標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整提供詳細(xì)參考。流域內(nèi)歷史洪水重現(xiàn)期集中在10年一遇以下,而小量級(jí)洪水對(duì)土地利用變化較為敏感,因此,應(yīng)加強(qiáng)土地利用變化的暴雨洪水響應(yīng)研究,這將有利于提高流域洪水預(yù)報(bào)精度與防洪減災(zāi)能力[27-28]。在流域防洪規(guī)劃修訂中,應(yīng)長(zhǎng)遠(yuǎn)并且全面地考慮引起洪水徑流變化的各個(gè)影響因素,重視土地利用變化導(dǎo)致的徑流量和洪峰變化,并及時(shí)將預(yù)測(cè)結(jié)果反饋到實(shí)際的改造建設(shè)中去。
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Impacts of land-use change on flood process and frequency of various return periods: a case study of Jiaokou Reservoir watershed in Fenghua River
LEI Chaogui, XU Youpeng*, ZHANG Qianyu, WANG Yuefeng, LI Guang
SchoolofGeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing210023,China
The effects of land-use/land-cover change (LUCC) on the watershed flood process have become one of the major hydrological concerns in the world. A change in the flood process leads to the alteration in flood design and control system, which has caused serious problems to human life and urban security. In this study, we take Jiaokou Reservoir watershed as a sample area to analyze the LUCC effects on storm floods of different return periods based on the hydrological model (HEC-HMS) and GIS-related support. Jiaokou Reservior is located in the west of Ningbo city, Zhejiang Province, and is controlled by the plum rains and typhoon storms with various return periods during rainy seasons. Due to rapid economic development and intensive human activity, the land utilization pattern has changed in recent years. The spatial data of land use of the study area during 1985—2003 was obtained from Landsat TM (Thematic Mapper) image data, and the images from different periods were interpreted and overlapped to setup the transfer matrix of the land-use types. The land-use types were dominated by forest land, bush grassland, and cultivated land, which covered 92% of the watershed. The main LUCC in this area is the conversion of forest to bare land, grassland, and agricultural land. The analysis of the LUCC impacts on flood shows that (1) during 1985—2003, 3%—30% of the forest land was changed to bare land, bush grass, or agricultural land, and the LUCC has different effects on floods of different return periods. Both flood runoff and peak increased for all flood magnitudes, but the runoff changed at a higher range as compared to the flood peak. (2) Low magnitude flood was found to be more sensitive to the LUCC, the increase of the total runoff and flood peak of a 5-year flood increased by 3% and 7.6%, respectively, while those of less than 2-year return period floods increased by 5.41% and 11.91%, respectively. From the perceptive of flood classification, the flood return periods of 100, 50, and 25 years were reduced by 15, 6, and 2 years, respectively, during the study period. (3) Different land-use change patterns lead to flood variations. Along with the forest being characterized by a change ratio of 10%—50% since 1985, forest-bare land-use change pattern impacts flooding most intensively, and the forest-grassland change pattern has stronger effects than the forest-agricultural change pattern. Compared with a simulated flood in 1985, when forest was converted into bare land with a ratio of 10%—50%, the flood peak increased by 0.88%—4.3% and the total runoff increased by 1.61%—7.91% in the 100-year-return-period flood. While, the widened range of the flood peak and total runoff under the same condition were 2.18%—10.67% and 4.15%—20.62%, respectively, in the 5-year-return-period flood. As the change ratio gets bigger, the difference in impacts of different patterns of forest transformation to other lands on floods became more distinct, especially to the low-magnitude flood. The results of this study can provide scientific supports for the flood control and water resource management.
land-use/land-cover change; HEC-HMS model; runoff; flood return periods
國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41371046, 41371044);水利部水利公益專項(xiàng)項(xiàng)目(201201072);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20131276);江蘇水利科技基金重大項(xiàng)目(2015003)
2015- 01- 22; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 12- 01
Corresponding author.E-mail: xuyp305@163.com
10.5846/stxb201501220183
雷超桂,許有鵬,張倩玉,王躍峰,李 廣.流域土地利用變化對(duì)不同重現(xiàn)期洪水的影響——以奉化江皎口水庫(kù)流域?yàn)槔?生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(16):5017- 5026.
Lei C G, Xu Y P, Zhang Q Y, Wang Y F, Li G.Impacts of land-use change on flood process and frequency of various return periods: a case study of Jiaokou Reservoir watershed in Fenghua River.Acta Ecologica Sinica,2016,36(16):5017- 5026.
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