孫延偉,許有鵬,高 斌,王 強(qiáng)，李升峰

(南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210023)

城市化是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，城市地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人口高度集中. 快速城市化導(dǎo)致以瀝青、水泥路面和墻體等為代表的不透水面大規(guī)模擴(kuò)張，取代了透水性較好的林地和草地等自然下墊面，改變了區(qū)域水文循環(huán)過(guò)程. 隨著城市化地區(qū)暴雨洪水事件頻發(fā)，洪澇災(zāi)害威脅增大，探討城市化暴雨洪水過(guò)程影響成為了水文、地理和大氣等學(xué)科關(guān)注的熱點(diǎn)及前沿科學(xué)問(wèn)題之一[1-3].

針對(duì)城市化背景下的暴雨洪水頻發(fā)等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要基于觀測(cè)實(shí)驗(yàn)[4-6]和數(shù)值模擬[7-8]等方面開展研究. 從流域整體上的洪水過(guò)程響應(yīng)來(lái)看，相關(guān)研究結(jié)果均表明城市化過(guò)程中不透水面的不斷擴(kuò)張影響了雨水截留、下滲、蒸發(fā)等產(chǎn)匯流過(guò)程，從而導(dǎo)致了洪峰流量增大、洪量增多和匯流速度加快[9-14]. 其中針對(duì)城市化下不透水面率的洪水效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為隨著不透水率的增加，洪峰流量和洪量變化顯著并呈線性增長(zhǎng)關(guān)系[15-17]. 然而，由于氣象和下墊面條件分布的不均勻性，洪水響應(yīng)在流域空間上也存在一定差異性[18-19]. 隨著水文觀測(cè)資料的豐富以及分布式水文模型的發(fā)展，相關(guān)學(xué)者進(jìn)一步探討了城市化空間格局對(duì)洪水的影響. 相關(guān)研究表明流域內(nèi)部相比流域出口的城市化帶來(lái)的洪水差異更為顯著[20]，其中流域上游城市化的影響尤為突出[21-22]. 深入系統(tǒng)研究不透水面對(duì)洪水的影響對(duì)于城鎮(zhèn)化的合理發(fā)展、水資源管理和防洪減災(zāi)都具有重要的意義，但由于城市化地區(qū)洪水響應(yīng)的復(fù)雜性，城市化的空間擴(kuò)張格局對(duì)洪水的影響機(jī)制尚不明確[6]，其中不透水面積與洪水特性關(guān)系的深層次規(guī)律還有待進(jìn)一步揭示.

因此，本文以長(zhǎng)三角地區(qū)典型城市化流域——南京秦淮河流域?yàn)槔诹饔蛩哪M模型，考慮流域不透水面擴(kuò)張的不同情景，重點(diǎn)研究城市化空間格局的洪水效應(yīng)差異，分析不透水面擴(kuò)張發(fā)生在流域不同位置時(shí)對(duì)流域洪峰增長(zhǎng)的影響，揭示秦淮河流域不透水面積與洪水特征之間的關(guān)系，研究結(jié)果將為秦淮河流域及類似快速城市化地區(qū)防洪減災(zāi)和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)概況

秦淮河流域地處長(zhǎng)江下游三角洲地區(qū)，整個(gè)流域呈扇形，流域面積約為2631 km2. 流域位于亞熱帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為15.4℃，降水豐沛(圖1)，年降水量在1988-2015年間總體呈增加趨勢(shì)，年均降水量1131.84 mm. 流域雨季時(shí)間較長(zhǎng)，有3個(gè)明顯多雨期，分別為4月-5月上旬，6月下旬-7月上旬的梅雨期及8-9月[23]. 秦淮河有溧水河和句容河兩源，在南京市江寧區(qū)匯合為秦淮河干流，干流在江寧區(qū)東山鎮(zhèn)發(fā)生分流，流域?yàn)殡p出口流域，東側(cè)支流由武定門出水口匯入長(zhǎng)江，西側(cè)支流為人工開鑿河流秦淮新河，在秦淮新河閘出水口入長(zhǎng)江. 流域內(nèi)大部分河道為山丘河道，上游支流眾多且多分布在山區(qū)，暴雨后流量漲幅較大，匯流速度快，中下游地區(qū)由于地勢(shì)平坦，內(nèi)澇難排，防洪壓力大. 流域洪澇災(zāi)害主要受氣象因素、水系特征、過(guò)境洪水、地形條件等自然因素和包括下墊面變化、河道整治和閘泵圩垸等在內(nèi)的人類活動(dòng)的共同影響[24-26]，本文的目標(biāo)是探討在秦淮河流域城市化快速崛起的背景下，不透水面擴(kuò)張對(duì)洪水洪峰流量帶來(lái)的影響.

圖1 研究區(qū)位置(a)和降水量(b)Fig.1 Location of study area (a) and the amount of precipitation (b)

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文選取1996-2015年間發(fā)生的10場(chǎng)涵蓋不同量級(jí)大小的暴雨洪水事件，各場(chǎng)次洪水過(guò)程的持續(xù)時(shí)間為2～12天不等. 降雨站點(diǎn)為前垾村、天生橋閘等7個(gè)雨量站，數(shù)據(jù)間隔為小時(shí)尺度；徑流量數(shù)據(jù)為秦淮新河閘和武定門閘兩個(gè)站點(diǎn)的徑流量作為整個(gè)流域的徑流實(shí)測(cè)資料. 數(shù)字高程模型(DEM)來(lái)源為地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，并根據(jù)流域DEM數(shù)據(jù)與水系資料將秦淮河流域劃分成19個(gè)子流域. 土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于解譯流域1988-2015年間的8幅Landsat系列的TM、ETM+和OLI遙感影像，結(jié)合遙感影像地物光譜并考慮流域內(nèi)土地利用實(shí)際現(xiàn)狀利用決策樹分類法進(jìn)行不透水面的提取[27]，不透水面是指由各種不透水建筑材料所覆蓋的表面，如由瓦片、瀝青、水泥混凝土等材料構(gòu)成的屋頂、道路和廣場(chǎng).

2.2 研究方法

2.2.1 秦淮河流域水文模型建立 基于HEC-HMS(hydrologic engineering center’s hydrologic modeling system)水文模擬模型，根據(jù)秦淮河流域?qū)嶋H情況構(gòu)建了秦淮河流域水文模型，主要由流域模塊、氣象模塊、時(shí)間序列數(shù)據(jù)模塊和控制運(yùn)行模塊組成，將降雨徑流的形成過(guò)程分為降雨損失、直接徑流、基流、河道匯流4個(gè)部分. 模型考慮了秦淮新河閘和武定門閘流域雙出口的處理，同時(shí)對(duì)流域內(nèi)較大的圩垸考慮其運(yùn)行規(guī)則綜合到模型中[28]，以反映流域的實(shí)際情況. 由于初損后損法計(jì)算模型產(chǎn)流適用于短歷時(shí)強(qiáng)降雨、洪峰為單峰的情況，Snyder單位線法、馬斯京根法、退水曲線法參數(shù)較少，易于建立和使用，且在洪澇模擬方面已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用[29-30]，因此本研究中根據(jù)流域情況產(chǎn)流計(jì)算采用初損后損法，河道匯流演算選用馬斯京根法，直接徑流采用Snyder單位線法，基流采用退水曲線法.

2.2.2 模型率定和檢驗(yàn) 流域水文模型需要率定的參數(shù)包括流域滯時(shí)、峰值系數(shù)、衰減系數(shù)、峰值比R、蓄量常數(shù)K和流量比重X等(表1，2). 模型依據(jù)秦淮河流域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料，在已有研究基礎(chǔ)上[8,19]，采用人工

表1 各子流域率定參數(shù)

表2 河道匯流率定參數(shù)

試錯(cuò)法對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化率定和檢驗(yàn). 首先將10場(chǎng)洪水隨機(jī)分成兩組，以其中4場(chǎng)洪水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)率定模型參數(shù)，然后利用其余6場(chǎng)洪水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)參數(shù)，得到模型率定與檢驗(yàn)結(jié)果(表3)，部分場(chǎng)次洪水的模擬過(guò)程與實(shí)測(cè)過(guò)程比較見(jiàn)圖2. 可以發(fā)現(xiàn)，率定期內(nèi)的4場(chǎng)洪水模擬結(jié)果的納什系數(shù)平均為0.82，相關(guān)系數(shù)(R2)平均達(dá)到0.86；檢驗(yàn)期6場(chǎng)洪水模擬結(jié)果的納什系數(shù)平均為0.83，相關(guān)系數(shù)平均為0.87，總體模型驗(yàn)證效果較好.

表3 洪水事件的模型率定及檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 部分場(chǎng)次洪水模擬過(guò)程與實(shí)測(cè)過(guò)程的比較Fig.2 Comparison between simulated and measured flood processes of some stations

3 結(jié)果與討論

3.1 流域不透水面擴(kuò)張的時(shí)空變化分析

近30年來(lái)，秦淮河全流域不透水面顯著擴(kuò)張，不透水率從3.92%增長(zhǎng)到19.11%(表4). 全流域在2006-2015年的不透水面年均增長(zhǎng)率為6.19%，大于2006年之前；研究區(qū)內(nèi)各行政單元的城市化進(jìn)程也有所差異，圖3為研究時(shí)段內(nèi)各行政單元不透水面擴(kuò)張的空間分布情況：南京城區(qū)和江寧區(qū)在1988-2006年間不透水面的擴(kuò)張明顯，年均增長(zhǎng)率為8.04%，2006年之后不透水面雖然持續(xù)擴(kuò)張，但年均增長(zhǎng)率略有下降，為5.44%；而溧水區(qū)和句容市在2006年之前不透水面的擴(kuò)張則較慢，從2006年開始不透水面擴(kuò)張速度顯著加快，且年均增長(zhǎng)率超過(guò)了南京城區(qū)和江寧區(qū). 南京城區(qū)和江寧區(qū)作為城市化進(jìn)程開始較早的區(qū)域，隨著未來(lái)不透水面漸趨飽和，其擴(kuò)張速度可能會(huì)繼續(xù)放緩，而溧水區(qū)和句容市還處于城鎮(zhèn)化較早時(shí)期，未來(lái)不透水面擴(kuò)張潛力較大.

表4 秦淮河流域歷年不透水率及不透水面年均增長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)

圖3 1988-2015年流域不透水面空間分布Fig.3 Spatial distribution of impervious surface in the basin from 1988 to 2015

3.2 不透水面擴(kuò)張對(duì)洪峰的影響

3.2.1 全流域的不透水面擴(kuò)張對(duì)洪峰的影響 為分析近30年來(lái)不透水面擴(kuò)張對(duì)流域洪峰帶來(lái)的影響，利用1988-2015年間的1988、1994、2001、2006、2009、2011、2013和2015年8期土地利用構(gòu)建只有不透水面積隨年份變化，非不透水面保持1988年結(jié)構(gòu)相應(yīng)減少的8個(gè)不透水面擴(kuò)張情景，以此保證流域洪峰的變化僅受到不透水面擴(kuò)張影響. 模擬10場(chǎng)洪水在上述城市化情景下的洪水過(guò)程結(jié)果，得到不同年份情景下10場(chǎng)洪水的平均洪峰流量(圖4)，同時(shí)再根據(jù)10場(chǎng)洪水在1988年土地利用情景下的洪峰流量大小進(jìn)行分級(jí)，將洪峰在700 m3/s以上的洪水劃分為大洪水事件，洪峰小于700 m3/s的洪水劃分為小洪水事件，分析不同量級(jí)洪水在不同年份不透水面情景下的洪峰及其與1988年洪峰相比的漲幅，結(jié)果見(jiàn)表5.

圖4 1988-2015年8個(gè)不透水面擴(kuò)張情景下 10場(chǎng)洪水平均洪峰流量變化Fig.4 Changes in average peak discharge of 10 floods under 8 urbanization scenarios from 1988 to 2015

在不透水面擴(kuò)張的情況下，10場(chǎng)洪水的洪峰均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)(表5)，在2015年不透水面情景下的10場(chǎng)洪水洪峰相較于1988年平均增加了27.21%，說(shuō)明不透水面的擴(kuò)張會(huì)使流域洪峰流量顯著增加. 全流域不透水面的擴(kuò)張對(duì)不同量級(jí)洪水的影響有明顯的差異，當(dāng)不透水面增加相同幅度時(shí)，小洪水對(duì)不透水面擴(kuò)張響應(yīng)的敏感度較高，2015年不透水面情景下的洪峰相較于1988年平均漲幅達(dá)到31.96%；而大洪水的敏感度則低于小洪水，平均漲幅為22.45%. 同時(shí)由圖4可知，在2006年前后洪峰流量增速有明顯變化，前期年均增長(zhǎng)率為0.67%，后期為1.24%，2006-2015年的洪峰流量增長(zhǎng)速度明顯大于1988-2006年. 這與全流域不透水面擴(kuò)張速度的變化趨勢(shì)一致，全流域在2006-2015年的不透水面年均增長(zhǎng)率大于2006年之前，可見(jiàn)伴隨著整個(gè)秦淮河流域的不透水面擴(kuò)張，城市化后期帶來(lái)的洪峰增長(zhǎng)速度大于城市化初期.

表5 不同量級(jí)洪水的洪峰漲幅對(duì)比

3.2.2 不透水面擴(kuò)張分布位置對(duì)洪峰的影響 進(jìn)一步分析秦淮河流域不透水面擴(kuò)張的分布位置對(duì)洪水的影響差異，首先根據(jù)流域各支流主要匯水單元，按照溧水河流域、句容河流域和主干河流域?qū)⑶鼗春恿饔騽澐譃?個(gè)流域單元(圖5)，分析不透水面擴(kuò)張發(fā)生在流域上、下游時(shí)對(duì)洪峰影響的差異. 利用1988-2015年間不透水面空間分布數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)下述3種不透水面擴(kuò)張情景下的洪水洪峰變化情況分析，即：不透水面擴(kuò)張分別只發(fā)生在溧水河流域、句容河流域和下游主干河流域，且在相應(yīng)單元內(nèi)只發(fā)生不透水面的擴(kuò)張，其他單元內(nèi)不透水面則保持1988年的情形不變.

圖5 上下游空間格局劃分Fig.5 Spatial pattern division of upper and lower reaches

模擬10場(chǎng)洪水在上述情景下墊面狀況下的洪水過(guò)程(表6)，可以發(fā)現(xiàn)：1988-2015年間各流域單元的不透水面擴(kuò)張均導(dǎo)致洪峰流量的增加. 在控制只有1個(gè)單元發(fā)生不透水面擴(kuò)張時(shí)，近30年來(lái)下游主干河流域的城市化帶來(lái)的洪峰漲幅最為顯著，10場(chǎng)洪水洪峰的漲幅平均為14.98%；句容河流域次之，城市化帶來(lái)的洪峰流量平均增長(zhǎng)6.34%；溧水河流域最低.

然而各單元不透水面擴(kuò)張帶來(lái)的洪峰漲幅與其不透水面增長(zhǎng)幅度并不一致(表6). 如下游主干河流域的不透水面增加量約為句容河流域的3倍多，但其對(duì)應(yīng)的洪水的洪峰流量平均漲幅僅為句容河流域的兩倍多，可見(jiàn)各流域單元城市化對(duì)洪水要素的影響大小不僅與其不透水面積增長(zhǎng)量有關(guān)，可能還受到不透水面分布位置的影響.

表6 各流域單元洪峰流量平均漲幅與不透水面積變化對(duì)比

在1988-2015年研究時(shí)段內(nèi)，秦淮河流域兩河源地區(qū)和下游主干河流域的洪峰流量與不透水面積均呈線性增長(zhǎng)關(guān)系(圖6). 溧水河流域、句容河流域的單位不透水面擴(kuò)張的洪峰漲幅十分接近，且均顯著大于下游主干河流域，即兩河源流域的單位面積不透水面擴(kuò)張的洪峰效應(yīng)更為顯著，為流域洪峰的主要貢獻(xiàn)區(qū)，大于流域出口處的單位面積不透水面擴(kuò)張帶來(lái)的洪峰效應(yīng).

圖6 流域空間格局情景下不透水面 面積和洪峰流量變化Fig.6 Changes in impervious surface area and flood peak discharge under the spatial pattern of the basin

洪峰在空間上對(duì)不透水面變化的響應(yīng)差異與產(chǎn)匯流特性有關(guān)，上游地區(qū)的不透水面積增加導(dǎo)致地表徑流增大，匯流至出口處加大了洪峰流量，而下游主干河流域增加的地表徑流很快匯入出口斷面，致使洪峰流量響應(yīng)減弱. 這與Marsh等、Shuster等和李倩的研究結(jié)論一致[21-22,31]，更靠近流域源頭的城市開發(fā)對(duì)洪水的影響尤為明顯，大于流域下游地區(qū)城市化的洪水效應(yīng). 同時(shí)因?yàn)榍鼗春恿饔騼?nèi)溧水河源和句容河源流域主要地形為丘陵山區(qū)，下游主干河流域主要位于平原地區(qū)，可能由于山區(qū)特殊的地形地貌特點(diǎn)，洪水來(lái)臨時(shí)往往流速較大[32]. 曾杉通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著溝道坡度的增加，各重現(xiàn)期下洪峰流量有明顯增大的趨勢(shì)[33]，秦淮河流域的地形特征可能加劇了洪峰對(duì)上下游不透水面變化的響應(yīng)差異.

因此對(duì)秦淮河流域來(lái)說(shuō)，其上游溧水河和句容河兩河源流域的單位面積不透水面擴(kuò)張對(duì)洪峰影響大于下游主干河流域，而兩河源流域還處于城市化和不透水面擴(kuò)張的早期，自2006年以來(lái)不透水面擴(kuò)張速度較快，擴(kuò)張潛力較大，未來(lái)洪峰增長(zhǎng)潛力較大，給秦淮河流域帶來(lái)一定的防洪壓力，因此在城市化過(guò)程中應(yīng)更加注意結(jié)合其發(fā)展制定防洪減災(zāi)與可持續(xù)發(fā)展對(duì)策.

3.3 不同量級(jí)洪水對(duì)流域不透水面空間擴(kuò)張的響應(yīng)差異

由3.2.1節(jié)分析可知1988-2015年全流域的不透水面擴(kuò)張對(duì)不同量級(jí)洪水的影響有差異，小洪水在2015年不透水面情景下的洪峰相較于1988年平均漲幅大于大洪水. 為分析不同量級(jí)洪水對(duì)秦淮河流域不同位置上的不透水面擴(kuò)張的敏感度差異，分別計(jì)算了當(dāng)不透水面擴(kuò)張只發(fā)生在溧水河流域、句容河流域和主干河流域時(shí)大、小洪水與1988年相比的洪峰漲幅隨不透水面積的變化情況(圖7).

圖7 流域空間格局情景下不同量級(jí)洪水洪峰流量變化Fig.7 Changes in flood peak discharge of different magnitudes under the spatial pattern of the basin

當(dāng)不透水面擴(kuò)張發(fā)生在溧水河流域、句容河流域和主干河流域不同位置時(shí)，研究時(shí)段內(nèi)大、小洪水的洪峰漲幅與不透水面積均呈線性正相關(guān)關(guān)系，且下游主干河流域的大、小洪水洪峰漲幅差距略大于溧水河流域、句容河流域. 對(duì)于秦淮河全流域及不同位置的不透水面擴(kuò)張情景，均發(fā)現(xiàn)小洪水的洪峰漲幅大于大洪水的漲幅，這主要是由于洪水過(guò)程是受氣象因素和下墊面共同作用的結(jié)果[34]，而大洪水是氣象因素占主導(dǎo)，從而弱化了下墊面不透水面積的作用，因此當(dāng)不透水面增加相同幅度時(shí)，大洪水對(duì)土地利用變化響應(yīng)的敏感度低于小洪水. Du等和Kaspersen等[15,35]的研究也都得出城市化對(duì)小洪水影響更大的結(jié)論，并認(rèn)為其原因主要是規(guī)模較大的洪水一般有強(qiáng)度大與持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的降雨條件，降雨強(qiáng)度遠(yuǎn)超出土壤的下滲能力，使降雨事件后期土壤的性質(zhì)類似于不透水面，從而弱化了不透水面積大小對(duì)大洪水的影響.

4 結(jié)論

1)隨著城市化的快速發(fā)展，秦淮河全流域不透水面顯著擴(kuò)張，其中溧水區(qū)和句容市近年來(lái)不透水面擴(kuò)張速度明顯加快，超過(guò)了南京城區(qū)和江寧區(qū)；全流域的不透水面擴(kuò)張情景下洪水洪峰流量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)，2015年城市化情景下的10場(chǎng)平均洪峰流量相比于1988年增長(zhǎng)27.21%，伴隨著不透水面擴(kuò)張，洪澇威脅日益加劇.

2)在全流域不透水面擴(kuò)張的影響下，研究時(shí)段內(nèi)在2006年前后的洪峰年均增長(zhǎng)率有明顯變化，整個(gè)秦淮河流域在2006-2015年的不透水面擴(kuò)張帶來(lái)的洪峰增長(zhǎng)率大于城市化相對(duì)較早時(shí)間.

3)流域不同位置的單位面積不透水面擴(kuò)張帶來(lái)的洪峰漲幅不同. 由于上下游位置和下墊面地形的共同影響，秦淮河流域上游溧水河和句容河兩河源流域的單位面積不透水面擴(kuò)張對(duì)洪峰的影響大于下游主干河流域，且在研究時(shí)段內(nèi)洪峰流量隨著不透水面增加呈線性增長(zhǎng)，未來(lái)不透水面擴(kuò)張給秦淮河流域帶來(lái)的防洪壓力較大.

4)不同量級(jí)洪水對(duì)秦淮河流域各不透水面擴(kuò)張情景下的洪峰響應(yīng)有所差異：在全流域及不同位置的不透水面擴(kuò)張情景下，小洪水的敏感程度均大于大洪水，且下游主干河流域不透水面擴(kuò)張情景下的大、小洪水洪峰漲幅差距略大于溧水河、句容河兩河源流域.