下垫面变化对洪水影响的水文模型分析

冯 平，付 军，李建柱

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

下垫面变化对洪水影响的水文模型分析

冯 平，付 军，李建柱

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

滦河流域下游冷口站以上流域下垫面条件发生了明显的变化，导致洪峰和洪量均有减小的趋势．根据冷口站以上流域水文气象及下垫面特征，结合流域的超渗-蓄满产流机制，建立了考虑下垫面条件的流域水文模型，并对模型进行了参数率定和模型验证，结果表明模型具有一定的精度．利用该模型分别模拟了 1980年前后下垫面条件下的若干场次洪水，经过对比分析，下垫面变化导致洪峰平均减小 16.9%，洪量平均减小 9.9%，且洪峰和洪量减小程度随洪量的增加而减小，通过模拟 1980年前后土地利用条件下的各场次洪水，分析了土地利用变化和水土保持工程分别对洪峰和洪量的影响程度，结果表明冷口站以上流域洪峰和洪量的减小主要是由水土保持工程引起的．

下垫面变化；水文模型；洪水响应程度

随着社会迅速发展及人口的不断增加，人类活动对流域下垫面影响不断加剧，流域下垫面条件发生了明显变化[1-2]．尤其是水土保持措施导致汛期暴雨洪水明显衰减，造成了流域水资源量的急剧减少[3-4]，将直接影响到防洪对策的调整和防洪工程布局．

下垫面变化的水文响应研究主要有定性和定量分析．趋势分析是认识水文特性变化的有效方法[5]，冯平等[6]采用线性滑动平均法分析了潘家口水库入库水资源的变化趋势，并定量估算了气候变化和下垫面变化对水资源的影响．Bae等[7]采用非参数 Mann-Kendall秩次相关检验法分析了韩国不同流域的年、月降雨量和径流量变化趋势．但是趋势分析只能定性分析暴雨洪水特征变化的现象，不能给出下垫面变化对洪水特征影响的程度，而流域对比实验法和流域水文模型模拟的方法可以定量估算洪水特征对下垫面的响应[8-9]．流域对比实验法通常适用于小流域，该方法受自然条件的影响，研究周期长，且找到两个完全相同条件的流域是不可能的，即使是同一流域，用于对比的两个标准期内流域的各种条件也不会完全相同．水文模型模拟的方法适用于各种尺度流域，且可以消除降雨的时空分布对产流量的影响. Saghafian等[10]以子流域为单元，利用HEC-HMS模型研究了 Golestan流域土地利用变化对不同重现期洪水的影响，发现随着重现期的增加，土地利用变化对洪量和洪峰的影响程度变小，并指出土地利用变化引起土壤下渗和地表粗糙度变化，导致洪量和洪峰的增加．万荣荣等[11]也利用该模型研究了下垫面变化对产汇流特征的定量影响，并指出不同土地利用类型对洪水的影响趋势．谢平等[12]提出了考虑土地利用/覆被变化的水文模型，并在无定河流域得到了应用. 李建柱等[13]也采用该模型的主要框架，模拟了紫荆关流域下垫面变化对洪水的影响程度，并给出影响洪水的主要下垫面要素．但流域产汇流过程是极为复杂的，大部分水文模型是根据当地水文气象特点来构建的，因此，将现有的国内外水文模型应用到其他流域，流域的水文过程及模型中的参数有可能与模型的构造不一致[14]．因此，需要根据研究流域的水文气象资料情况，建立适合流域产汇流特点并能考虑下垫面要素的水文模型，从而精确估算下垫面变化对洪水的影响程度．

冷口站以上流域下垫面变化主要体现在土地利用变化和水土保持工程措施．李建柱等[13]在紫荆关流域建立的水文模型中，将地表蓄水工程的蓄水量作为土壤蓄水量的一部分进行产流计算，不符合流域产汇流规律．因此，本文根据冷口站以上流域水文气象特征及实际下垫面条件，在文献[13]的基础上考虑土地利用变化的同时，增加了水土保持工程对地表径流的拦蓄作用，建立了基于下垫面要素的水文模型，利用模型模拟的方法定量估算下垫面变化导致洪峰和洪量变化的程度，为流域洪水预报及设计洪水修订提供了依据．

1 研究区域

冷口站以上流域(见图 1)位于滦河流域下游，地处河北省秦皇岛市青龙满族自治县，面积 502,km2，河道全长 76,km．流域汛期多年平均降水量575,mm，7—8月降水量占汛期降水量的71.5%，流域多年平均年径流量为1.03亿m3，洪水主要产自汛期暴雨，洪水暴涨暴落．1962年7月25日实测最大流量 1,580,m3/s．冷口站以上流域是河北省水土保持重点治理区，主要修水平梯田，营造用材林，栽植经济林，营造薪炭林，修建谷坊坝，挖围山转(水平沟)，挖大埯．估算水土保持工程蓄水容量为6.2,mm，集水面积占总流域面积的28%左右．

图1 冷口站以上流域位置Fig.1 Map of the Lengkou catchment

2 资料与方法

2.1 水文气象及下垫面资料

为了分析冷口站以上流域下垫面变化情况，采用中国科学院遥感应用研究所提供的 1970、1980和2000年海河流域250,m×250,m土地利用资料，从中提取冷口站以上流域的土地利用数据(见图 2和表1)．暴雨洪水资料由河北省水文水资源勘测局提供，资料系列长度为1956—2008年．

2.2 研究方法

估算水土保持措施对洪峰和洪量的影响程度，一般采用水土保持措施前后相似暴雨产生的洪水进行对比分析[15-16]，但要求选择的每组暴雨具有相似降雨量、时空分布和前期影响雨量，由于暴雨发生的随机性，从历史暴雨洪水资料中选择完全相似的暴雨过程是比较困难的，并且每组暴雨产生洪水的土地利用条件也不相同．因此，该方法分析得到的水土保持措施对洪水的影响程度受其他因素的影响．

图2 冷口站以上流域各时期土地利用地图Fig.2 Land-use maps of Lengkou catchment in different years

表1 冷口站以上流域各类土地利用比例Tab.1 Land-use ratio of Lengkou catchment in different years

为了消除降雨和土地利用等因素的影响，采用水文模型模拟的方法可分别估算出土地利用变化和水土保持工程措施对洪水的影响程度．根据冷口站以上流域1970年和1980年土地利用遥感资料，在每类土地利用面积上考虑蒸发、下渗等的差异，分别构建产流模型．根据滦河流域的水文气象特点，冷口站以上流域的产流机制主要是先超渗后蓄满[15]，模型中既考虑土地利用类型的变化，也考虑谷坊坝等水土保持工程对产汇流的影响．利用建立的水文模型模拟1980年前后下垫面条件下多场洪水过程，分析下垫面变化对洪水的影响程度．

3 考虑下垫面要素的水文模型构建

3.1 产流量计算

超渗-蓄满耦合产流是把超渗产流和蓄满产流在垂向上进行组合的一种混合产流计算方法．当流域产流时，先判断该流域是否发生超渗产流，设 PE为时段 tΔ内降雨量P与蒸发量E之差，先判断PE是否大于时段下渗量 ()ft tΔ，若PE ()ft tΔ＞ ，则产生超渗产流；若PE ()fttΔ≤ ，则不产生超渗产流．t时刻的下渗率 f(t)采用 Horton下渗公式计算．当产生超渗产流时，利用下渗容量分配曲线计算时段下渗量和超渗产流量cR，然后把cR和时段蒸发量E一起作为时段降雨的损失来进行蓄满产流计算，计算步骤如式(1)～式(5)所示．

(1) 时段 tΔ内超渗产流Rc计算

⑧对车辆进行控制和安全服务管理，使用先进的电子管理和控制技术，进行车辆以及行人的防撞预警，显示交通的基本状况，对车辆进行状态监测，实现不同车辆之间的通讯。

当PE ()ft tΔ≤ 时，

式中：fm为最大下渗率；m为下渗容量分布曲线的指数；fc为稳定下渗率．

(2) 超渗-蓄满耦合产流R的计算

式中：A为流域蓄水容量曲线中起始流域蓄水量对应的纵坐标值；时，，其中B为蓄水容量指数；WM为流域蓄水容量；WMM为流域最大蓄水容量；W为时段初土壤含水量．

水域和建设用地作为不透水面处理；另外，蒸散发计算采用新安江模型的3层蒸发模型，水源划分采用三水源划分方法．

3.2 汇流计算

地面径流汇流采用单位线汇流，单位线是综合几条典型单位线后得到的．壤中流和地下径流汇流采用线性水库汇流计算．流域地面径流汇流考虑谷坊坝等水土保持工程的拦蓄作用．在水土保持工程集水面积内，当产生的地面径流小于工程的蓄量时，地面径流被拦蓄；当工程蓄满后，产生的地面径流进行汇流计算．

3.3 模型验证

选择冷口站从1956年到2008年共16场较大洪水进行水文模型的参数率定和验证．其中 11场用于参数率定，5场进行模型验证．参数率定和模型验证的结果见表2和表3．

表2 冷口站以上流域主要模型参数率定结果Tab.2 Calibrated and verified values of main model parameters in Lengkou catchment

表3 冷口站以上流域洪水模拟结果Tab.3 Results of flood simulation in Lengkou catchment

通过表2可以看出，不同土地利用类型反映产流的参数值有差异．以稳定下渗率为例，由于滦河流域耕地农作物主要以耗水量较大的玉米和冬小麦为主，其稳定下渗率比林地的下渗率大，这与谢平等[12]的研究成果一致．

表 3中，洪峰、洪量模拟结果与实测结果吻合较好．在选择的 16场洪水中，率定期和验证期内580714、880808、960801次洪水的洪量相对误差均超过 20%，分别为－37.6%、－24.9%、－26.1%，其余均在20%以内；580714次洪水和880808次洪水的洪峰相对误差均超过 20%，分别为 37.8%和 25.4%．从确定性系数来看，平均确定性系数为 0.74，仅 640813次洪水的确定性系数不高，在0.60以下，其余确定性系数均在0.60以上，因此，建立的模型可以用来分析流域下垫面变化对洪水的影响．

4 下垫面变化对洪水影响的模拟分析

在冷口站以上流域1956—2008年的暴雨洪水资料中选择若干场次洪水过程，对每场洪水分别在1980年前后土地利用条件下进行模拟．由于模型结构存在一定的不确定性，将 1980年前后下垫面条件下模拟的洪峰和洪量分别进行对比(而非模拟结果和实测结果进行对比)，得到实际土地利用变化导致洪峰和洪量的变化，并对每场洪水在是否有水土保持工程条件下进行模拟，得到水土保持工程对洪峰和洪量的影响程度．土地利用变化和水土保持工程对洪水影响程度之和，即为下垫面变化对洪水的综合影响程度. 模拟结果见表4．

通过表4可以看出，土地利用变化导致洪峰有增加也有减小，而导致洪量普遍增加，增加程度为1.1%～2.3%．从图 3可以看出，土地利用变化导致的洪峰变化程度与洪水总量的关系不明显，而洪量变化程度基本不随洪水量级变化．水土保持工程导致洪峰减小程度为0.8%～27.7%，洪量减小程度为4.8%～23.4%，因此冷口站流域的洪峰和洪量减小主要是由谷坊坝等水土保持工程导致的，且随着洪水量级的增大，洪峰和洪量的减小程度变小(见图4)．

与1970年下垫面情况相比，1980年下垫面条件下模拟的洪峰和洪量普遍减小，洪峰和洪量减小程度随着洪量的增加而减小．其中大洪水减小程度较小，如590721、620724、790727等场次洪水，洪峰和洪量的变化程度均在 5%以内；而中小洪水减小程度较大，如580714、610821、730819、880808、930707等场次洪水，其洪峰减小程度在 30%左右，洪量减小程度在 20%左右．由于下垫面变化的影响，有些场次洪水的洪峰有所增加，如590721、620724、840809等场次洪水．主要是因为土地利用变化导致洪峰增加的程度大于水土保持工程导致洪峰的减小程度，使得1980年以后下垫面条件下这些场次洪水的洪峰增加，但是增加程度较小．从图 5可以看出，冷口站以上流域下垫面变化对洪水影响程度随洪水量级的增加而减小．

表4 冷口站以上流域不同下垫面的洪水模拟结果Tab.4 Flood simulation results of different underlying surfaces in Lengkou catchment

图3 土地利用变化导致洪水变化程度与洪量的关系Fig.3 Relationship between the degree of flood change and flood volume caused by land-use change

图4 水土保持工程导致洪水变化程度与洪量的关系Fig.4 Relationship between the degree of flood change and flood volume caused by soil and water conservation projects

图5 下垫面综合变化导致洪水变化程度与洪量的关系Fig.5 Relationship between the degree of flood change and flood volume caused by underlying surface change

5 结 论

(1)根据冷口站以上流域 1956—2008年实测暴雨洪水资料，对建立的水文模型进行了参数率定和模型验证，模型的平均洪量相对误差为－11.9%，平均洪峰相对误差为8.2%，平均确定性系数为0.74，说明模型对冷口站以上流域的洪水过程拟合较好．

(2)采用建立的水文模型，对选择的多场洪水分别在 1980年前后的下垫面条件下进行了模拟，模拟结果的差异即为下垫面变化对洪水的影响程度．下垫面变化导致冷口站以上流域洪峰平均减小 16.9%，洪量平均减小9.9%．其中，土地利用类型变化导致洪峰平均减小 4.3%，洪量平均增加 1.7%，水土保持工程导致洪峰平均减小 12.7%，洪量平均减小11.6%．因此，冷口站以上流域洪峰和洪量的减小主要是由于水土保持工程措施引起的．

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(责任编辑：樊素英)

Modelling Analysis of Effects of Underlying Surface Change on Flood Response

Feng Ping，Fu Jun，Li Jianzhu
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The underlying surface has changed in the Lengkou catchment，a sub-catchment of Luanhe River basin，which has led to a decreasing trend in flood peak and volume. According to the hydro-meteorological characterization and infiltration excess-saturation excess runoff generation mechanism，a hydrological model was established in which underlying surface components were taken into account. The model was calibrated and verified by using historical hydrological data，and it is of enough precision to analyze the effect of underlying surface change on flood. Many large floods were selected and simulated under underlying surface conditions before and after 1980，respectively，and the results were compared. It is shown that flood peak and volume declined by 16.9% and 9.9%，respectively，and the decrease magnitudes of flood peak and volume reduce with the increase of flood volume. We also analyzed the effects of land use change and soil and water conservation projects on flood peak and volume by modeling the historical floods under underlying surface conditions before and after 1980. It is indicated that in Lengkou catchment，soil and water conservation projects are the main reasons for flood decrease.

underlying surface change；hydrological model；flood response extent

TV121

A

0493-2137(2015)03-0189-07

10.11784/tdxbz201407034

2014-07-11；

2014-12-16.

国家自然科学基金资助项目(51209157).

冯 平（1964— ），男，博士，教授，fengping@tju.edu.cn.

付 军，fumiju@163.com.