官明虹，王根緒，李尤

(1.中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，成都 610041；2.中國科學院大學，北京 100049；3.四川大學水利水電學院/水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065)

由于全球氣候變暖趨勢的加劇，極端氣候事件增加，暴雨頻發(fā)。在我國，暴雨是常見的氣象災害之一，已經影響到了人民的生產生活需要[1-2]。暴雨頻發(fā)不僅會導致城市內澇、江河暴漲，還會出現山洪、滑坡、崩塌、泥石流等地質災害[3]。在這些地質災害發(fā)生過程中，雨型是除雨量、雨強之外的重要影響因素。雨型即暴雨強度在時間尺度上的分配過程[4]。文獻[5]提到在設計暴雨雨型方面，蘇聯的包高馬佐娃等提出了模式雨型，Keifer等[6]、Huff[7]、Pilgrim等[8]、Yen等[9]分別采用不同的方法對短歷時和長歷時設計暴雨雨型進行了研究。國內學者也陸續(xù)開展了相關的研究應用，如：趙康乾等[10]分析了降雨雨型和強度對SWMM模型參數局部靈敏度的影響；侯精明等[11]從不同雨型對內澇積水影響角度進行數值模擬，揭示了暴雨雨型對內澇積水程度的量化研究；成丹等[12]利用同頻率分析法和Huff雨型分析法確定了武漢主城區(qū)歷時24 h的設計暴雨雨型，并對比2種方法設計的暴雨雨型對城市排澇的影響。設計暴雨雨型的應用研究大多在城市地區(qū)，關于山區(qū)小流域的應用研究較少，然而山區(qū)暴雨更易形成山洪，因此更應該對山區(qū)小流域的設計暴雨雨型加以關注。

土地利用與土地覆被變化(land use/cover change,LUCC)是直接影響流域水文過程的主要原因之一，對流域徑流的形成有著十分重要的意義[13-15]。分布式水文模型在研究LUCC和氣候變化對流域水循環(huán)影響方面的廣泛應用[16-18]，使得LUCC對流域徑流的影響成為水文學的研究熱點之一。如：陳芬等[19]構建晉江西溪流域暴雨次洪分布式模型，模擬晉江西溪流域在1988年和2006年土地利用/覆被變化情景下的洪水響應；雷超桂等[20]應用HEC-HMS模型模擬分析LUCC對不同重現期暴雨洪水事件的影響，發(fā)現土地利用變化引起不同重現期洪水過程和洪水量級發(fā)生改變，對于洪量的影響較洪峰變化明顯；高玉琴等[21]利用CA-Markov模型預測流域2028年土地利用情況并構建HEC-HMS水文模型研究秦淮河流域在高速城市化背景下土地利用變化的暴雨洪水響應機制；張國棟等[22]通過SWAT模型精確地模擬了汾河上游流域汛期月徑流量及全年徑流量。目前大多數關于LUCC的研究都集中在時間尺度上土地利用/覆被變化以及預測未來土地利用/覆被變化對徑流的影響，對比同一空間不同流域土地利用/覆被類型對降水的響應研究相對較少，因此分析不同設計暴雨雨型對同一空間尺度上不同植被覆蓋流域徑流的影響具有一定的研究價值。

因此，以四川省大邑、關口、漢王場流域為例，采用更適用于山區(qū)小流域的模塊化小流域暴雨洪水分析軟件(flash flood modul simulation system,FFMS)，將設計暴雨雨型應用于山區(qū)不同植被覆蓋的小流域之上，定量地研究在不同重現期不同設計暴雨雨型條件下降水在不同植被覆蓋流域上產生的徑流，對于觀察在不同重現期不同暴雨雨型條件下的洪水過程變化有著重要的意義，以期為山區(qū)暴雨洪水研究提供科學支撐和參考。

1 數據與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長江上游地區(qū)的3個小流域，各有特點，分別為漢王場流域、關口流域、大邑流域，均屬于山區(qū)小流域，流域地理位置見圖1(a)。

圖1 流域地理位置

漢王場流域位于四川德陽市綿竹市漢旺鎮(zhèn)萬燈村，地處31°44′N～31°70′N，103°90′E～104°18′E，屬于沱江水系，年平均降水量960 mm，河長43.93 km,集水面積403.6 km2。漢王場流域內雨量控制站點2個，分別為清平、天池雨量站點，水文控制站點為漢王場水文站，見圖1(b)。漢王場流域土壤質地類型為砂黏壤土、黏壤土、砂壤土。

關口流域位于四川成都市彭州市丹景山鎮(zhèn)，地處31°08′N～31°33′N，103°74′E～103°92′E，屬于沱江水系，年平均降水量為867 mm，河長64.8 km，集水面積624.64 km2。關口流域內雨量控制站點2個，分別為白果坪、大寶雨量站點，水文控制站點為關口水文站，見圖1(c)。關口流域土壤質地類型較為復雜，有砂黏壤土、砂壤土、黏壤土、粉壤土等。

大邑流域位于四川成都市大邑縣晉原鎮(zhèn)清江村，地處30°56′N～30°74′N，103°28′E～103°53′E，屬于岷江水系，年平均降水量可達1 000 mm左右，河長37.49 km，集水面積274.83 km2。大邑流域內雨量控制站點2個，分別為霧山、新源雨量站點，水文控制站點為大邑水文站，見圖1(d)。大邑流域土壤質地類型主要為砂黏壤土、黏壤土等，土壤質地類型較為簡單。

1.2 流域相似性分析

已有研究[23-25]表明，影響流域徑流特征的因素較多，主要是降水與蒸散發(fā)、土壤質地、下墊面地形地貌、植被覆蓋等。中國西南地區(qū)地形與地表條件十分復雜，具有獨特的地理特征。四川省關口、漢王場、大邑3個流域均屬于長江上游流域，其中，漢王場、關口流域屬于沱江水系，大邑流域屬于岷江水系。從降雨特征來看，漢王場流域年均降雨量為960 mm，關口流域年均降雨量為867 mm，大邑流域年均降雨量為1 000 mm左右。從蒸散發(fā)量來看，漢王場流域多年平均蒸散發(fā)量為113.68 mm/a，關口流域多年平均蒸散發(fā)量為128.32 mm/a，大邑流域多年平均蒸散發(fā)量為140.27 mm/a。3個小流域的年均降雨量、年均蒸散發(fā)量均相差不大。土壤質地方面，3個流域內均勻分布有砂黏壤土、砂黏土、黏壤土、粉壤土等，但以砂黏壤土和黏壤土為主，兩者分布面積占各流域的百分比分別為77%、88%、89%，可認為3個流域土壤質地類型較為相似。從下墊面地形地貌來看，關口、漢王場、大邑3個流域的平均坡度分別為30.11°、34.90°、22.78°，平均高程為1 210.81、1 243.66、816.38 m。漢王場與大邑流域之間平均坡度和平均高程存在一定差異，考慮到氣候和下墊面條件決定了流域地形指數頻率分布狀態(tài)，因此對漢王場和大邑流域進行地形指數頻率分析[26-28]，結果見圖2，可見大邑和漢王場流域地形指數頻率分布相似，可認為大邑與漢王場流域的氣候和下墊面條件相似。因此，可認為3個小流域對洪峰模數和徑流系數的其他影響因素基本相似，徑流系數和洪峰模數的變化是由地表植被的不同引起的。

圖2 地形指數頻率分布

1.3 數據來源

用來構建分布式水文模型的流域數字化資料主要包括地理信息數據高程和河道數據、土壤質地及土地利用數據，水文數據作為輸入數據對模型參數進行率定和驗證。數據來源及說明見表1。

表1 原始數據來源及說明

1.4 時空變源混合產流模型

采用中國水利水電科學研究院劉昌軍等[29]研發(fā)的模塊化小流域暴雨洪水分析系統(tǒng)(FFMS)對四川省大邑、關口及漢王場流域暴雨洪水過程進行模擬分析。該軟件集成了多種國外分布式水文模型的氣象、產匯流、河道侵蝕和洪水演進等50余個算法模塊，具有參數自動率定和手動率定算法模塊等多個參數全局自動優(yōu)化算法。小流域暴雨洪水計算的分布式水文模型主要包括產流計算、匯流計算、基流計算以及洪水演進計算等4個模塊。其中：產流模塊包括自主研發(fā)的基于地貌水文響應單元的時空變源混合產流模型、初損后損法、Green和Ampt損失模型等；匯流計算包括SCS單位線法，用戶自定義單位線法和克拉克單位線法；基流計算包括單月常數法和線型水庫法；洪水演進包括運動波、馬斯京根法和滯后演算法[30]。時空變源混合產流模型是此次研究采用的產流計算模型，該模型圍繞山丘區(qū)中小流域地形地貌多樣、產流機制時空變化復雜等問題，劃分了山丘區(qū)山坡地貌水文響應單元，采用基于一維入滲理論的包氣帶土壤非線性下滲計算方法，計算濕潤鋒下移過程及入滲量，提出超滲、蓄滿時段轉化準則，建立了在平面、垂向、時段上時空變源混合產流模型，以精確模擬山丘區(qū)中小流域產流時空分布過程。該模型在平面上提出了山坡地貌水文響應單元的劃分標準，研究不同山坡地貌響應單元下墊面參數的差異，建立各類山坡地貌水文響應單元與產流機制的對應關系。垂向上綜合考慮了截留、填洼、超滲產流、蓄滿產流、優(yōu)先流、壤中流、基流和滲漏出流等過程。

根據表1所收集的資料，利用模塊化小流域暴雨洪水分析軟件構建四川省3個小流域暴雨洪水過程并進行模擬分析。該模型采用的產匯流計算方法分別為時空變源混合產流模型和SCS單位線法；洪水演進計算選用運動波方法，計算時不考慮基流的影響。利用反距離插值的方法計算出各子單元的降雨量[31-32]。具體建模過程見圖3。

圖3 基于模塊化小流域洪水分析系統(tǒng)(FFMS)的四川省3個流域暴雨洪水模擬模型

1.5 設計暴雨雨型

圖4 不同重現期設計暴雨雨型(長歷時 T=24 h)

表2 設計暴雨量

本文采用徑流系數和洪峰模數來表征流域的產水及產洪能力。徑流系數是任意時段內的徑流深度與同時段內的降水深度的比值，綜合反映流域下墊面對降雨-徑流關系的影響。洪峰模數是洪峰流量與流域面積的比值，反映了一個流域洪峰流量的強度。

2 結果與分析

2.1 模型率定與驗證

在使用時空變源混合產流模型對四川省3個流域水文站的徑流過程進行模擬的過程中，采用手動調參方法對模型參數進行敏感性分析可得最為敏感的參數見表3，分別為飽和水力傳導度、土壤初始含水率、土壤厚度、流域實際蒸散發(fā)、土壤向地下水滲漏系數、上層土壤厚度等。

表3 時空變源混合產流模型的率定參數

采用建立好的四川省3個小流域分布式水文模型對流域水文過程進行模擬。3個流域的率定期與驗證期見表4。采用Nash-Sutcliffe(Ens)和決定系數(R2)對模型模擬精度進行評價，計算公式為

表4 3個流域洪水模擬結果

(1)

(2)

模型模擬結果見表4。由表4可知，大邑、關口、漢王場流域洪水模擬結果在率定期與驗證期均較理想，除漢王場流域在驗證期的NASH系數和確定性系數為0.60和0.65以外，其余均達0.7以上。

2.2 土地利用分布特征

本文采用的四川省3個小流域的土地利用數據均為2010年土地利用數據。為分析不同土地利用/覆被流域對于不同設計暴雨雨型的時空響應，運用ArcGIS軟件計算出四川省3個小流域的各土地利用類型占比及土地利用類型圖，結果見表5和圖5?？梢钥闯觯核拇ㄊ?個小流域均以有林地為主，關口流域有林地占流域總面積的57.01%，大邑流域有林地占流域總面積的65.62%，漢王場流域有林地占流域總面積的48.17%。其次是草地，關口流域草地占流域總面積的25.70%，大邑流域草地占流域總面積的13.65%，漢王場流域草地占流域總面積的42.06%。耕地、沼澤地、水域、水利設施用地等次之。漢王場和關口流域草地面積占比較大，對于流域徑流減少具有一定的貢獻作用[35]。因此，為綜合考慮有林地、草地及耕地對不同設計暴雨雨型的響應，參考水土保持措施分為林草地、梯田、坡耕地和其他用地。3個流域各自的土地利用占比為：關口流域林草植被覆蓋率為82.71%，沼澤地及其他土地利用類型為17.29%;大邑流域林草植被覆蓋率為79.29%,沼澤地及其他土地利用類型為20.71%；漢王場流域林草植被覆蓋率為90.23%，沼澤地及其他土地利用類型為9.77%。

表5 3個流域土地利用類型

圖5 3個流域土地利用類型

2.3 不同植被覆蓋流域對不同暴雨雨型的響應

由第2.2節(jié)土地利用分布特征分析可知四川省3個流域各自的土地利用占比。由此可見，林草地占流域總面積的比例排序依次為，漢王場>關口>大邑流域。利用時空變源混合產流模型率定好的3個流域的參數數據，輸入不同重現期設計暴雨雨型數據，可以得到在不同重現期設計暴雨雨型下的徑流量，并對在不同重現期設計暴雨雨型下的徑流量進行徑流系數和洪峰模數分析，結果見表6和表7。

表6 不同重現期設計暴雨雨型下的徑流系數

表7 不同重現期設計暴雨雨型下的洪峰模數

由表6和表7可知，大邑、關口和漢王場流域在各重現期及雨型條件下的徑流系數分別為0.16～0.32、0.16～0.24、0.11～0.15，洪峰模數分別為3.05～69.93、3.288～58.920、1.75～26.67 m3/(s·km2)，平均徑流系數分別為0.16～0.31、0.16～0.23、0.11～0.15，平均洪峰模數分別為3.37～62.52、3.47～55.60、1.82～25.61 m3/(s·km2)。3個流域在各重現期及各雨型條件下徑流系數和平均徑流系數均為大邑>關口>漢王場流域，洪峰模數和平均洪峰模數也均為大邑>關口>漢王場流域，說明隨著3個流域林草植被覆蓋率增加，其徑流系數、洪峰模數、平均徑流系數、平均洪峰模數總體上均呈現減小特征。

2.3.1不同植被覆蓋度流域在不同重現期條件下對洪水的作用

在不同重現期條件下的徑流系數在流域內隨著設計暴雨雨型的雨峰位置后移而逐漸減小，在不同植被覆蓋度流域上隨著林草植被覆蓋度的增加逐漸減小。以10 a一遇的重現期為例：大邑流域偏前型徑流系數為0.31，居中型徑流系數為0.30，偏后型徑流系數為0.29，大邑流域在3種雨型下徑流系數均值為0.30；關口流域偏前型徑流系數為0.24，居中型徑流系數為0.23，偏后型徑流系數為0.22，關口流域在3種雨型下的徑流系數的均值為0.23；漢王場流域偏前型徑流系數為0.15，居中型徑流系數為0.14，偏后型徑流系數為0.14，漢王場流域在3種雨型下的徑流系數均值為0.14。由此可知，在同一重現期條件下，大邑、關口、漢王場流域的徑流系數為大邑>關口>漢王場流域，偏前型雨型>居中型雨型>偏后型雨型。林草植被覆蓋率的增加導致蒸散發(fā)量增加，使得其形成的徑流量呈現減少特征，且偏前型雨型由于其較早出現雨峰，降雨強度大于土壤入滲速率，形成的超滲產流更多，而偏后型雨型因其前期降雨強度較為均勻，幾乎等于土壤入滲率，其產流方式為蓄滿產流，降雨量更易于滲漏和用于土壤儲水，形成的徑流量相對偏前型雨型而言較少，居中型雨型則介于偏前型雨型和偏后型雨型之間。5 a一遇、20 a一遇等重現期具有同樣的趨勢。

在不同重現期條件下的洪峰模數在流域內隨著暴雨雨型的雨峰位置的后移而不斷增大，在不同植被覆蓋度流域上隨著林草植被覆蓋度的增加而減小。以20 a一遇為例，大邑流域偏前型雨型的洪峰模數為34.90 m3/(s·km2)，居中型雨型的洪峰模數為40.90 m3/(s·km2)，偏后型雨型的洪峰模數為45.72 m3/(s·km2)。流域內洪峰模數從偏前型、居中型到偏后型呈現增加的趨勢，即偏后型雨型形成的洪峰流量大于居中型和偏前型雨型。關口、漢王場流域具有同樣的趨勢。在不同植被覆蓋度流域上，大邑、關口、漢王場流域其洪峰模數均值分別為40.51、37.24、19.90 m3/(s·km2)，洪峰模數均值為大邑>關口>漢王場，即在各重現期條件下的洪峰流量為大邑>關口>漢王場。

2.3.2不同植被覆蓋度流域在不同設計暴雨雨型條件下對洪水的作用

在不同設計暴雨雨型條件下徑流系數隨著重現期的增大先增大后微弱減小。以居中型雨型為例，大邑流域1、5、10、20、50、100 a一遇的徑流系數分別為0.16、0.28、0.30、0.31、0.31、0.30， 關口流域1 a一遇到100 a一遇的徑流系數分別為0.16、0.23、0.23、0.22、0.22、0.21，漢王場流域1 a一遇到100 a一遇的徑流系數分別為0.11、0.13、0.14、0.15、0.14、0.14?？梢钥闯觯谕挥晷拖?，3個小流域隨著重現期的增大，徑流系數并不是一直增大的，而是在達到一定的峰值之后呈現輕微減小的特征。如大邑流域20 a一遇和50 a一遇的降水，徑流系數最大，說明大邑流域在居中型雨型下20 a一遇和50 a一遇的降水相對于1 a一遇、5 a一遇、10 a一遇、100 a一遇而言，其降水更多地形成了徑流。

在不同設計暴雨雨型條件下洪峰模數隨著重現期的增大而不斷增大。同樣以居中型雨型為例，大邑流域1 a一遇到100 a一遇的洪峰模數分別為3.35、21.52、30.95、40.90、53.74、63.98 m3/(s·km2)，關口流域1 a一遇到100 a一遇的洪峰模數分別為3.44、23.11、31.00、38.22、49.28、57.11 m3/(s·km2)，漢王場流域1 a一遇到100 a一遇的洪峰模數分別為1.81、9.73、14.70、19.72、23.81、25.74 m3/(s·km2)。隨著重現期的增大，3個流域的洪峰模數是呈現持續(xù)增大的趨勢，說明隨著重現期增大，在各重現期下的洪峰流量也逐漸增大。

在不同流域植被覆蓋之下，隨著林草植被覆蓋度增加，徑流系數、平均徑流系數、洪峰模數和平均洪峰模數均減小。植被可以改變流域產匯流的過程，同時，植物根系可以增大土壤中大孔隙的比例，使得土壤含水量增加。隨著3個流域林草植被覆蓋度增加，流域徑流量相應減少，土壤的蓄水能力逐漸增大。這與劉元昊等[36]的研究結果基本相同，洪峰模數與林草地、梯田比例呈顯著的負相關關系，隨著3個流域林草植被覆蓋度增加，對徑流形成的削減作用也就越強烈，形成的徑流量也就越少。但在不同重現期條件下和不同設計暴雨雨型條件下，徑流系數和洪峰模數呈現出不同的趨勢。在不同重現期條件下，流域內雨型由偏前型到居中型再到偏后型，徑流系數呈現減小趨勢，洪峰模數則呈增大的趨勢。在不同設計暴雨雨型下，徑流系數隨著重現期的增加先增大后微弱減小，洪峰模數隨著重現期的增加而逐漸增大。

3 結 論

本文將模塊化小流域分布式水文模型時空變源混合產流模型應用于四川省3個山區(qū)小流域，構建3個流域分布式水文模型對流域水文過程進行模擬，并從不同重現期設計暴雨雨型角度分析3個不同土地利用/植被覆蓋度流域的水文過程，結論如下。

3個流域的模擬精度評判指標值均在許可范圍內，表明時空變源混合產流模型對于小流域的洪水模擬具有一定的適用性。

3個流域在各重現期及各雨型條件下徑流系數和平均徑流系數、洪峰模數和平均洪峰模數均為大邑>關口>漢王場流域，與流域林草覆蓋度大小相反。

在不同重現期條件下，流域內雨型由偏前型、居中型到偏后型，徑流系數呈現減小趨勢，洪峰模數則是增大的趨勢。在不同設計暴雨雨型條件下，徑流系數隨著重現期的增大先增大后微弱減小，洪峰模數隨著重現期的增大而不斷增大。

由于我國降雨具有多變性，極端降水事件頻發(fā)，掌握在不同設計暴雨雨型和不同重現期條件下降雨對不同植被覆蓋的山區(qū)小流域的影響，有助于分析山區(qū)暴雨洪水規(guī)律，為山洪災害預警技術提供支撐。本研究仍然存在很多的不確定性，包括時空變源混合產流模型的不確定性對結果產生的誤差，以及本文采用的設計暴雨雨型為模式雨型，未將其他雨型應用于該流域，因此分析不同類別雨型所形成的洪水過程的差異還有待進一步的研究。