劉可群 周守華 黃永平 湯陽 李仁東 李夢璠

（1 江漢平原生態(tài)氣象遙感監(jiān)測技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，荊州 434025；2 荊州農(nóng)業(yè)氣象試驗站，荊州 434020；3 武漢區(qū)域氣候中心，武漢 430074；4 中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，武漢 430077；5 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

20世紀(jì)80—90年代以來，四湖地區(qū)的洪水漬澇屢屢成災(zāi)，災(zāi)情越來越嚴(yán)重，造成了巨大的經(jīng)濟損失，已成為制約洪湖地區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1-6]。盡管洪澇災(zāi)害的發(fā)生與氣象、地貌等自然條件密不可分，但人類不合理的土地開發(fā)利用對洪澇災(zāi)害的影響不容忽視[7]。周宏春等[8]研究認(rèn)為長江中游地區(qū)增加的洪澇災(zāi)害70%是人類不合理的土地利用造成的。劉成武等[9]從人地關(guān)系角度研究秦漢以來自然災(zāi)害的變化是由于人地關(guān)系演變導(dǎo)致了“人、土、水”等關(guān)系惡化，進而引發(fā)并加重自然災(zāi)害；農(nóng)業(yè)水旱種植不合理會加重旱澇程度[10]。吳秀芹等[11]研究認(rèn)為濕地面積的減少及其功能的退化是平原湖區(qū)洪澇加劇的重要原因。近些年水產(chǎn)養(yǎng)殖等濕地面積明顯增加[4]，這種土地利用的變化對洪澇災(zāi)害的影響是加重還是減輕，筆者將利用基于GIS的洪水淹沒模型以及農(nóng)業(yè)災(zāi)情數(shù)據(jù)進行量化分析，旨在為洪湖濕地生態(tài)保護、釘螺擴散與防御，以及可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

洪湖流域（圖1）境內(nèi)有長湖、三湖、白露湖、洪湖四個大型湖泊，也稱為四湖地區(qū)，現(xiàn)僅剩下長湖和洪湖；其地域包括荊州市監(jiān)利縣、洪湖市兩縣（市）全部，荊州市城郊地區(qū)，以及石首市、沙洋縣、潛江市一部分。流域面積11547 km2，地形上，流域西北部地勢高，東南部地勢低。

圖1 研究區(qū)域地理位置示意圖Fig. 1 Location of the study area

1.2 資料來源

氣象資料為洪湖流域及其周邊各地面氣象觀測臺站實測地面逐日降水量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自于湖北省氣象檔案館；土地利用采用2010年LandSat TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取的湖北省土地利用分類圖；水產(chǎn)養(yǎng)殖面積來自于湖北省統(tǒng)計局湖北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒編輯委員會[12]。暴雨過程造成的實際災(zāi)情數(shù)據(jù)來源于洪湖市民政局。

1.3 計算方法

1）面雨量計算

研究區(qū)域內(nèi)氣象站點有荊門、荊州、監(jiān)利、洪湖4個，站點分布不均勻，利用簡單的算術(shù)平均方法計算其區(qū)域降水量不盡合理，精度較低[13]；為了較科學(xué)準(zhǔn)確反映該區(qū)域降水情況，本研究對區(qū)域以0.025°×0.025°網(wǎng)格化，并增加周邊相鄰的公安、潛江、仙桃、石首、嘉魚、赤壁、當(dāng)陽等站點逐日降水資料，采用距離平方反比法（計算公式見式（1））。計算區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點降水量，再對所有網(wǎng)格降水值求其平均，即得到區(qū)域降水量。

式中，n為格點數(shù)目，Ri為第i點的樣點值，di為第i樣點到插值點的距離，R為待估值。當(dāng)樣點與插值點重合時樣點權(quán)重為1，其他點權(quán)重為0，插值點值等于樣點值。

2）暴雨洪澇淹沒模型

利用GIS柵格分析技術(shù)，在DEM基礎(chǔ)上運用水動力學(xué)建立洪水演進模型，淹沒過程中的水流方向由地形坡向所決定。本研究運用改進的D8（最大坡降算法）[14-16]計算水流方向，用曼寧公式（Manning-Strichler）計算水流速度與水流流量，以1∶5萬高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于水動力學(xué)暴雨洪澇演進分布式水文模型[16-18]分別對洪湖流域1996年7月14—21日、2010年7月8—16日兩次降水特征相似的暴雨過程，而魚塘面積有較大差異的洪澇受淹面積進行模擬計算。前后兩次降水過程造成該地區(qū)洪澇中并沒有受到周邊匯水影響，因此研究中不考慮周邊匯水影響。

在發(fā)生暴雨洪澇時，為防止魚塘漫頂魚外逃帶來的巨大損失，魚塘經(jīng)營者在暴雨期間將進入塘內(nèi)的大量雨水外排，確保魚塘水位低于魚塘塘壩一定高度以避免不必要的損失。因此本研究采用降水洪水演進與河網(wǎng)漫頂式演進混合模型計算流程[18]，亦即通過氣象臺站觀測的降水信息，獲取面雨量數(shù)據(jù)，得到單位時間內(nèi)每個柵格所增加的水量，通過曼寧公式計算流向其他柵格的水量信息；同時初始化河網(wǎng)和魚塘水位，魚塘水位達到魚塘正常水位的最高值（假定魚塘壩高為h，魚塘正常水位的最高值為h－10cm）和河網(wǎng)水位高出周圍的地形高程為魚塘與河網(wǎng)漫出高度；依次迭代，計算時間T后，地面形成的積水信息，計算過程如圖2。由于缺乏每一個水產(chǎn)養(yǎng)殖魚塘的具體位置，研究中以各縣（區(qū)）為單元，將各單元內(nèi)所有水產(chǎn)養(yǎng)殖面積作為一個整體魚塘且地理位置位于該縣（區(qū)）中水產(chǎn)面積最集中的鄉(xiāng)鎮(zhèn)進行模擬計算。

圖2 洪水演進計算過程Fig. 2 Flood evolution calculation process

2 結(jié)果與分析

2.1 近20年土地利用變化

據(jù)徐小嬌等[19]研究江漢平原土地利用中耕地面積占總面積的比例從1995年的71.27%下降到2010年的66.73%，而水域面積則從1995年的11.70%上升至2010年的14.95%，土地利用變化最大的是耕地轉(zhuǎn)變?yōu)樗颍纪恋刈兓偭康?1.12%；未利用地轉(zhuǎn)變?yōu)樗虻恼纪恋刈兓偭康?.84%，兩者合計為68.96%，亦即所有轉(zhuǎn)變?yōu)樗虻耐恋卣伎傋兓康慕?0%（表1）。洪湖流域是江漢平原的核心區(qū)域，該區(qū)域土地利用變化是最具有代表性的，據(jù)湖北省統(tǒng)計局統(tǒng)計，洪湖、監(jiān)利兩縣分別是湖北省第一、三大水產(chǎn)養(yǎng)殖大縣，其水產(chǎn)養(yǎng)殖面積占該地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖總面積的80%左右。圖3是1990年以來洪湖周邊兩縣（市）水產(chǎn)養(yǎng)殖面積逐年變化情況。從圖中可以看出，該地區(qū)洪湖、監(jiān)利兩縣（市）水產(chǎn)養(yǎng)殖面積2010年是1995年的4倍，增加面積超過洪湖的湖面面積。由此可見，亦即耕地面積大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗蛎娣e，實際上轉(zhuǎn)變?yōu)樗a(chǎn)養(yǎng)殖面積。在生產(chǎn)實踐中，魚池水深每增加0.5 m，產(chǎn)量可提高30%；一般情況下魚塘水位處于正常水位的最高值，尤其在魚類主要生長季（5—9月）更是如此。因此，同為水域的水產(chǎn)魚塘用地與湖泊溝渠水域地相比，在遇暴雨洪澇時前者喪失了對洪水的調(diào)洪能力。

表1 1995—2010年江漢平原主要土地利用/覆蓋類型變化軌跡[19]Table 1 Change in trajectory of main land use/cover types in the Jianghan Plain from 1995 to 2010

圖3 洪湖、監(jiān)利兩縣（市）1990年以來精養(yǎng)魚池年際變化Fig. 3 Interannual variation of fine aquarium at Honghu and Jianli County since 1990

2.2 土地利用變化對淹沒面積的影響

圖4是1996年7月14—21日及2010年7月8—16日降水過程總降水量的分布情況。從圖中可以看出，1996年7月14—21日、2010年7月8—16日兩次降水過程非常相似，降水中心集中在洪湖市；降水量比較接近，中心累計最大降水量分別為591.4和560.2 mm；累計面雨量分別為268.0和245.0 mm；過程最大日面雨量分別為69.5和68.2 mm，見表3。兩者都比較接近，也皆為前者略高于后者。

圖4 1996年7月14—21日（a）、2010年7月8—16日（b）降水量分布Fig. 4 Precipitation distribution between July 14-21, 1996(a) and July 8-16, 2010 (b)

將1996年7月14—21日與2010年7月8—16日降水網(wǎng)格化數(shù)據(jù)代入暴雨洪澇淹沒模型，由此推算兩次暴雨過程在不同情景下洪澇災(zāi)害的淹沒面積情況，其中魚塘面積分別以當(dāng)年的實際面積為初始條件計算；淹沒閾值設(shè)定為40 cm，其計算結(jié)果如表2。由于洪湖市地處四湖流域的下游，地勢較低，兩次降水過程的主要淹沒面積均集中在洪湖市，暴雨過程造成洪湖市模型計算的淹沒面積占洪湖流域總淹沒面積的比例均在52%以上。

表2 利用暴雨洪澇淹沒模型計算的不同情景下淹沒面積/103 hm2Table 2 The flood area under different senarios calculated using the rainstorm flood model /103 hm2

從表2中進一步看出，在不考慮魚塘因素的影響情況下，1996年7月14—21日的不論是全流域，還是洪湖市暴雨淹沒面積均大于2010年7月8—16日淹沒面積，其中全流域的淹沒面積較2010年7月過程降水淹沒面積多4.4×104hm2。在有魚塘因素情景下，1996年7月14—21日全流域的淹沒面積雖然仍較2010年7月8—16日多，但兩者之間的差值減少了2.4×104hm2；洪湖市的淹沒面積則相反，2010年7月的過程淹沒面積較1996年則多1.5×104hm2。由此可見魚塘面積的增加，對于洪澇災(zāi)害確有放大作用。

2.3 實際洪澇受災(zāi)面積影響對比分析

表3是1996年7月和2010年7月兩次暴雨強降水過程開始前30 d、60 d以及過程降水主要特征值與洪澇受災(zāi)的對比情況。從過程降水幾個特征值及空間分布（圖4）上看，兩次降水的強度及其降水中心區(qū)均高度相似，且強度1996年略強。從前期的降水情況看，2010年的降水過程前30、60 d的降水均低于1996年的降水，前者分別只有后者的52%和57%。從洪湖水位上看，1996年7月13日水位為25.91 m，較2010年7月7日的24.75 m水位高1.16 m。但從農(nóng)作物受災(zāi)面積上看，洪湖市2010年的受害面積較1996年增加了8000hm2。由此可見水產(chǎn)養(yǎng)殖導(dǎo)致對洪水承載能力下降，該區(qū)域土地利用的變化加劇了洪澇災(zāi)情發(fā)生。

表3 洪湖流域1996、2010年7月暴雨降水相關(guān)特征值及災(zāi)情Table 3 Statistics and disasters related to rainstorms in Honghu Lake watershed in July 1996 and 2010

3 小結(jié)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，近20年來洪湖流域土地利用變化很大，水域面積從1995年的11.70%上升至2010年的14.95%，增加的水域面積主要為水產(chǎn)養(yǎng)殖面積；洪湖、監(jiān)利兩縣（市）精養(yǎng)魚池面積增加4倍，增加面積超過了洪湖的湖面面積。不論是從暴雨洪澇淹沒模型理論計算，還是從實際的洪澇災(zāi)情對比分析均發(fā)現(xiàn)，水產(chǎn)養(yǎng)殖導(dǎo)致對洪水承載能力下降，魚塘面積的大量增加對洪澇災(zāi)害的確有較顯著的放大作用，會加劇了洪澇災(zāi)情發(fā)生。綜上所述，目前土地利用結(jié)構(gòu)不利于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境改善及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)當(dāng)調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)力度，避免盲目發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖導(dǎo)致濕地生態(tài)破壞；應(yīng)真正落實國家“退田還湖”政策。