胡彩虹，查 斌，李常青，楊 帆，，薦圣淇

（1.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.洛陽水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471000）

近年來黃河流域的下墊面變化劇烈，主要水文站的實(shí)測(cè)徑流量均呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)［1］。 汾河是黃河的第二大支流，受水庫修建、退耕還林等人類活動(dòng)的影響，流域的林地、水域和城鎮(zhèn)用地面積不斷增加，耕地面積不斷減少，導(dǎo)致洪水過程發(fā)生了較大變化［2－3］。為了具體分析土地利用變化對(duì)水文過程的影響，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)水文模型參數(shù)進(jìn)行了大量研究。 如李致家等［4］采用新安江模型對(duì)海河流域進(jìn)行洪水模擬，發(fā)現(xiàn)隨著下墊面的變化，流域自由水蓄水容量（SM）和河網(wǎng)水流消退系數(shù)（CS）均有增大趨勢(shì)；李建柱等［5］針對(duì)紫荊關(guān)流域建立了考慮下墊面變化的超滲－蓄滿耦合產(chǎn)匯流模型，發(fā)現(xiàn)耕地和草地面積的減少、林地面積的增加使流域平均蓄水容量（WM）增大；Elfert 等［6］等采用WaSiM－ETH 水文模型對(duì)Hunte 流域進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)耕地和草地面積的減少導(dǎo)致流域蒸發(fā)量增大、徑流量減小。 但以上研究存在研究期內(nèi)土地利用變化小、研究期短以及采用的水文模型多為單一產(chǎn)流模式等局限。 考慮到汾河干流靜樂水文站控制流域存在超滲產(chǎn)流與蓄滿產(chǎn)流2 種產(chǎn)流機(jī)制，本研究將其作為研究對(duì)象，采用考慮LUCC 的蓄滿－超滲兼容模型，將土地利用情況以參數(shù)形式加入模型，把1966—2013 年分為3 個(gè)研究時(shí)段進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)模型參數(shù)率定，通過分析土地利用變化與模型參數(shù)之間的關(guān)系，認(rèn)識(shí)土地利用變化對(duì)水文過程的影響作用，以期為流域的防洪減災(zāi)以及水資源的合理利用提供支持。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河靜樂水文站于1943 年4 月設(shè)立，位于汾河上游，控制流域面積為2 799 km2，1966—2013 年控制流域的多年平均降水量為515 mm［7］。

受植樹造林、梯田修建和城鎮(zhèn)建設(shè)等人類活動(dòng)的影響，靜樂水文站控制流域的土地利用情況發(fā)生了較大變 化［8－9］， 依 據(jù)《土 地 利 用 現(xiàn) 狀 分 類》 （GB／T 21010—2017）［10］，將該流域的土地利用類型分為林地、草地、水域和城鎮(zhèn)用地、耕地，1978 年、1998 年和2010 年的土地利用類型統(tǒng)計(jì)見表1，可知1978—2010年林地面積不斷增加，草地面積先減少后增加，耕地面積不斷減少。

表1 靜樂水文站控制流域的土地利用類型統(tǒng)計(jì)

1.2 考慮LUCC 的蓄滿－超滲兼容模型

靜樂水文站控制流域位于黃土高原地區(qū)，該地區(qū)包氣帶較厚，在暴雨過程中超滲產(chǎn)流為主要產(chǎn)流模式。隨著雨型的不斷變化以及人類活動(dòng)的持續(xù)干擾，流域逐漸出現(xiàn)了蓄滿產(chǎn)流模式［11］，基于此，結(jié)合流域的土地利用現(xiàn)狀，建立了考慮LUCC 的蓄滿－超滲兼容模型，以較好地表述流域的產(chǎn)流過程［12］，模型基本流程如圖1 所示，具體模型參數(shù)介紹見表2。 首先根據(jù)表1土地利用類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定；之后結(jié)合流域蓄水容量分配曲線和下滲能力分配曲線對(duì)地面凈雨和地下凈雨進(jìn)行匯流計(jì)算，采用河道演算方法得到地表徑流和地下徑流的總出流量；最后將兩者的總出流量相加得到流域出口斷面流量。

表2 模型參數(shù)介紹

圖1 模型基本流程

蓄滿－超滲兼容模型將蓄水容量分配曲線（W—α）和下滲能力分配曲線（FΔt—β）有機(jī)結(jié)合［13－14］，其中：基于蓄水容量分配曲線的蓄滿產(chǎn)流模式考慮了土壤含水量達(dá)到田間持水量后超蓄產(chǎn)生的地下凈雨；基于下滲能力分配曲線的超滲產(chǎn)流模式考慮了降雨強(qiáng)度超過下滲能力而產(chǎn)生的地面凈雨。 耦合2 種產(chǎn)流模式可以形成既考慮流域下滲能力及其分布情況，又考慮流域土壤含水量及其分配情況的兼容產(chǎn)流模型，模型結(jié)構(gòu)示意見圖2（圖中x為蓄水容量分配曲線和下滲能力分配曲線相交時(shí)的蓄水量；P為降水量；R為徑流深；W為初始土壤含水量；ΔW為本次降雨產(chǎn)生的土壤蓄水量；W′0為流域初始蓄水容量；W′為流域某點(diǎn)的蓄水容量；W′m為流域最大蓄水容量；FΔt為下滲能力曲線在Δt時(shí)段內(nèi)的積分；t為時(shí)段步長；F′Δt為流域某點(diǎn)的下滲容量；F′mΔt為時(shí)段Δt內(nèi)流域所有點(diǎn)中能達(dá)到的最大下滲容量；β為相對(duì)面積，表示流域內(nèi)下滲容量≤F′Δt的面積占流域面積的比例；α為相對(duì)面積，表示流域內(nèi)蓄水容量≤W′的面積占流域面積的比例）。

圖2 兼容產(chǎn)流模型結(jié)構(gòu)示意

下滲能力分配曲線采用m次經(jīng)驗(yàn)拋物線型，公式為

式中：m為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。

蓄水容量分配曲線采用n次經(jīng)驗(yàn)拋物線型，公式為

式中：n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。

當(dāng)m趨于0 時(shí)，兼容模型的產(chǎn)流方式以蓄滿產(chǎn)流占主導(dǎo)，局部存在超滲產(chǎn)流。 當(dāng)n趨于0 且W′m趨于∞時(shí)，土壤不容易蓄滿，此時(shí)產(chǎn)流方式以超滲產(chǎn)流占主導(dǎo)，局部存在蓄滿產(chǎn)流。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型模擬結(jié)果

收集整理了1966—2013 年流域的實(shí)測(cè)蒸發(fā)、降雨和徑流數(shù)據(jù)，根據(jù)洪水過程分為3 個(gè)研究時(shí)段：第1 時(shí)段1966—1978 年共發(fā)生12 場(chǎng)洪水；第2 時(shí)段1979—1998 年共發(fā)生12 場(chǎng)洪水；第3 時(shí)段1999—2013 年共發(fā)生6 場(chǎng)洪水，洪水模擬計(jì)算時(shí)間步長為1 h。

根據(jù)《水 文 情 報(bào) 預(yù) 報(bào) 規(guī) 范》 （GB／T 22482—2008）［15］分析模型預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠性與有效性，選用Nash 效率系數(shù)、確定系數(shù)和相對(duì)誤差評(píng)定模型模擬結(jié)果精度（見表3）。 分析預(yù)報(bào)結(jié)果可知，1966—1978 年和1979—1998 年這2 個(gè)時(shí)段內(nèi)的模擬結(jié)果符合乙級(jí)預(yù)報(bào)水平，而在1999—2013 年6 場(chǎng)洪水中，僅有2 場(chǎng)洪水的Nash 效率系數(shù)大于0.7，有3 場(chǎng)洪水的確定系數(shù)大于0.7，表明這一時(shí)段的模擬結(jié)果在丙級(jí)預(yù)報(bào)水平以下，這是由于該時(shí)段的洪峰流量多在100 m3／s 以下，降雨—徑流關(guān)系和雨強(qiáng)—洪峰關(guān)系與其他時(shí)段洪水差異較大，徑流中地下徑流與壤中流占比較大，而模型參數(shù)是根據(jù)普遍發(fā)生的降雨—徑流關(guān)系所率定的，因此無法準(zhǔn)確模擬這種小流量的洪水過程。

表3 模型模擬結(jié)果精度統(tǒng)計(jì)

2.2 參數(shù)影響分析

流域植被變化是影響降雨徑流響應(yīng)特征變化的重要原因，主要通過影響地下水出流能力、地面下滲能力及流域蓄水能力進(jìn)而影響產(chǎn)匯流過程［16］，因此選擇了水文過程中敏感性較強(qiáng)的參數(shù)進(jìn)行參數(shù)影響分析。1966—2013 年3 個(gè)研究時(shí)段模型參數(shù)率定結(jié)果見表4。

表4 模型參數(shù)率定結(jié)果

（1）1966—2013 年流域地下徑流出流系數(shù)CG數(shù)值不斷增大，整體時(shí)段內(nèi)共增大了133.8%，CG的大小能夠反映地下水退水的快慢，CG越大、地下水退水越慢，因此隨著林地和草地面積增加、耕地面積減少，地下水退水速度逐漸減小。 為了解流域多年徑流量特征值的變化趨勢(shì)，統(tǒng)計(jì)了3 個(gè)時(shí)段流域的年平均最小日流量和汛期平均最小日流量（見表5），可以看出隨著森林覆蓋面積的增加，3 個(gè)時(shí)段年平均最小日流量和汛期平均最小日流量均呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)。 由于汛期降雨較多，地下水的補(bǔ)給量增大，淺層壤中流和地下徑流也相應(yīng)增大，因此分析汛期數(shù)據(jù)更能得出地下水出流能力的變化。 由此可知，在降雨情況相似的條件下，1999—2013 年地下水出流能力更強(qiáng)，更容易形成壤中流和地下徑流，進(jìn)一步導(dǎo)致徑流量減小、匯流時(shí)間增加，洪水流量過程線的形狀也從陡漲陡落變得更加平緩。

表5 不同時(shí)段最小日流量統(tǒng)計(jì)

（2）1966—2013 年流域壤中流出流系數(shù)CI由0.057增大到0.325，增大了470.2%，CI的大小能夠反映洪水尾部退水的快慢，CI越大洪水尾部退水越慢，說明林地和草地面積增加后，洪水尾部退水速度逐漸減小。

（3）1966—2013 年流域土壤下滲強(qiáng)度k與穩(wěn)定下滲率FC不斷增大，林地k1、草地k2、耕地k3 分別增大了26.7%、20.6%、10.9%，林地FC1、草地FC2、耕地FC3 分別增大了16.2%、20.9%、8.2%。 與耕地相比，林地和草地的k值和FC值增大程度較大，原因是對(duì)于土壤質(zhì)地狀況相似的地區(qū)，各土地利用類型的下滲能力不同，其大小關(guān)系為林地＞草地＞耕地。 整體上林地和草地面積增加，流域的下滲能力也在不斷提高。

下滲能力的變化會(huì)影響流域洪水的發(fā)生過程，在暴雨初期產(chǎn)流之前，土壤含水量較低、下滲率較高，降雨主要通過下滲過程變?yōu)榈叵聝粲?，產(chǎn)生的地面凈雨較少，匯流速度較慢，同時(shí)退水時(shí)間越長，下滲量越多，不同時(shí)段的流量起漲前平均降水量和平均地表水退水歷時(shí)也會(huì)因此改變，見表6，可知平均降水量和平均地表水退水歷時(shí)均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

表6 流量起漲前平均降水量和平均地表水退水歷時(shí)

（4）1966—2013 年流域平均蓄水容量WM逐漸增大，共增大了27.3%。 變化原因是林地和草地的土壤平均蓄水容量占比相對(duì)較大，隨著林地和草地面積增加，流域整體的蓄水能力也不斷提高。

（5）1966—2013 年流域蒸發(fā)折算系數(shù)CKE也在不斷增大，CKE1、CKE2、CKE3 分別增大了37.2%、84.2%、11.8%，流域整體CKE增大了25.5%，其變化原因是林地和草地面積增加后，植被覆蓋面積增加促使流域的整體蒸發(fā)量增加，流域的蒸發(fā)能力逐步提高。

3 結(jié) 論

本研究建立了考慮LUCC 的蓄滿－超滲兼容模型，該模型考慮了蓄滿和超滲2 種產(chǎn)流方式，能夠較合理地模擬汾河靜樂水文站控制流域的洪水過程。 通過對(duì)模型參數(shù)檢驗(yàn)，1966—1978 年和1979—1998 年模擬結(jié)果精度均符合乙級(jí)預(yù)報(bào)水平；1999—2013 年洪峰流量太小，模擬結(jié)果精度未達(dá)到丙級(jí)預(yù)報(bào)水平，因此對(duì)于1999—2013 年的洪水模擬問題還需進(jìn)一步研究。 通過分析土地利用變化與模型參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著林地和草地面積增加、耕地面積減少，流域的地下水出流能力、下滲能力、蓄水能力、蒸發(fā)能力均有所提高。