淮河上游土地利用变化对次洪的影响

陈芸芸,宋　耘,李琼芳,马俊超,鞠　彬,曾　明

(1. 河海大学水文水资源学院,江苏 南京　210098; 2. 河海大学国际河流研究所,江苏 南京　210098)



淮河上游土地利用变化对次洪的影响

陈芸芸1,2,宋耘1,2,李琼芳1,2,马俊超1,2,鞠彬1,2,曾明1,2

(1. 河海大学水文水资源学院,江苏 南京210098; 2. 河海大学国际河流研究所,江苏 南京210098)

为了揭示不同土地利用模式下淮河流域产水响应规律、定量评价土地利用引起的淮河流域生态环境变化,以淮河上游大坡岭水文站以上流域为研究区,基于1990s和2000s的土地利用数据及气象、水文等数据,以0.5 h为时间步长,应用改进的新安江模型模拟次洪过程,并分析土地利用模式变化对次洪的影响。结果表明:在相同降水条件下,1990s到2000s的土地利用模式变化导致次洪的径流量、洪峰流量、径流模数、径流系数、地下径流比例均增加。

淮河上游;土地利用变化;次洪径流;新安江模型

近年来土地利用变化问题已成为国际地圈生物圈计划与全球环境变化的人文因素计划的核心研究计划之一,是全球环境变化研究的热点和前沿问题,土地利用变化的水文效应也越来越受到关注[1]。土地利用变化通过改变不同界面(陆面-大气、陆面-地下水、地表水-地下水、地表水-陆面、饱和带-非饱和带)的水分交换量影响流域蒸散发、地表水、土壤水和地下水过程及其相互转化机制[2],对流域降雨径流过程产生影响。当前研究土地利用变化对流域降雨径流过程的影响更多的是采用水文模型的方法[3-5]。水文模型法不仅能考虑流域综合因素对水文过程的影响, 而且可以灵活地调整气候或土地利用的个别或多个参数, 从而有效地研究土地利用的水文效应[6]。张乾等[7]基于水文模型参数变化检验来评价淮河上游大坡岭流域土地利用变化引起的日径流特征响应;郝芳华等[4]运用SWAT模型模拟分析黄河下游洛河流域土地利用变化对日产流量的影响;蔡涛等[8]运用SWAT模型以日为时间步长对淮河上游流域产水进行了全过程模拟。但由于土壤侵蚀量在很大程度上取决于次暴雨的强度与次数,而之前学者对不同土地利用下次洪产水分析较少,淮河流域上游地区水土流失较流域内其他地区严重,而且以水土流失为载体的面源污染已成为流域上游水质污染的重要来源,因此模拟分析土地利用变化下的次洪径流过程十分必要。

笔者以淮河上游大坡岭水文站以上集水区为研究区,基于研究区2期(1990s、2000s)土地利用及流域的气象、水文数据,采用基于双源蒸散发的新安江模型以0.5 h为时间步长对研究区次洪过程进行模拟,并分析相同降雨条件下不同土地利用模式对流域次洪径流特性的影响。研究成果以期为淮河流域水土流失治理、面源污染防治、水土资源的可持续开发与利用提供理论基础。

1　研究方法

根据陆志刚等[9]的研究,淮河流域在过去50多年中降水特性(强度、频次、历时)没有发生显著变化,由此可见降雨径流的关系变化主要是由下垫面条件变化引起的,而研究区的土壤结构、地形坡度基本不变,下垫面变化主要是土地利用变化,因此可假定降雨径流关系变化主要是由土地利用变化引起的。在此基础上,利用P-M法耦合植物生长模型(EPIC)计算流域潜在蒸散发[10]改进的新安江模型,以0.5 h为时间步长,选用大坡岭流域土地利用模式不同的2个年代(1990s、2000s)6～9月期间各11场洪水分别进行模拟,其中8场洪水用于模型参数率定,3场洪水用于模型检验,分别获得了2种不同土地利用模式下的模型参数。基于模拟出的2期参数,选取2000s的11场洪水相应的降水资料,模拟相同降雨条件下不同土地利用模式下流域内的次洪过程,并分别选择具有代表性的大、中、小3场洪水对比分析不同降雨程度下的土地利用变化对次洪径流量、 洪峰、 峰现时间、 径流系数、径流模式和径流组成成分等径流特性的影响。

2　次洪径流过程模拟

2.1研究区域概况

淮河流域上游大坡岭水文站以上流域面积为1 631.22 km2,流域范围为东经113°16＇～113°49＇、北纬32°13＇～32°43＇(图1),流域多年平均降雨量约950 mm,多年平均径流深375 mm,受季风影响,降水时空分布不均。年内降水多集中在汛期(6—9月),汛期多年平均降水量为554.6 mm,占多年平均降水量的53.5%,流域内以山区和丘陵为主,植被较好,水利工程不多。土地利用方式主要为林地和旱地,水稻为主要作物。

图1　大坡岭流域示意图

2.2资料与处理

为分析土地利用模式变化对次洪的影响,收集了2期(1990s和2000s)全国1 km×1 km土地利用图资料(表1),其中1990s以水田为主,2000s以旱地为主。选用美国国家地球物理中心的全球1 km基础高程资料,DEM空间分辨率为30 m,应用GIS软件提取流域、水系及生成子流域,考虑流域降雨空间分布的不均匀,将流域栅格化。选用大坡岭流域13个雨量站的实测降雨资料和周围8个气象站气象资料,采用距离平方倒数法对降雨和气象资料进行插值;流量资料为大坡岭水文站实测流量资料。降雨、气象、流量均处理成时间步长为0.5 h 的时段数据。

表1　大坡岭流域2个时期土地利用比例　%

2.3次洪径流模拟结果

基于2期土地利用数据选用基于改进的新安江模型以0.5 h为时间步长分别模拟淮河上游大坡岭站以上流域1990s和2000s各11场次洪水过程,模型参数率定结果见表2,模拟的径流深和洪峰流量相对误差均在10%以内,确定性系数均达到0.8以上,峰现时间差均在2h以内,满足模拟精度要求。

由表2可见,2000s与1990s相比,表层自由水蓄水容量偏小,表示表土蓄水能力减少,溢出多,地面径流大,且多蓄于浅层,多产生壤中流,地下径流减少,洪峰流量相对增大,说明2000s旱地增加、水田减少的土地利用模式改变导致次洪产水量增加,洪峰量增加;地面径流消退系数偏小,说明旱地比水田退水速度更快;地下水消退系数偏少,说明旱地的地下水退水速度比水田要快。实际模拟中1990s平均径流系数为0.46,2000s平均径流系数为0.48,可见2000s次洪产水量增加,参数变化规律与实际产流情况相符合。

表2　大坡岭流域不同土地利用模式下模型参数率定结果

表3　大坡岭流域不同土地利用模式情景下次洪流量特性变化

3　土地利用变化对次洪影响的模拟与分析

3.1土地利用模式分析

表1 表明流域主要的土地利用类型是旱地、林地、水田,1990s和2000s之间主要的土地利用变化为旱地和水田之间的交叉。与1990s相比,2000s水田比例从27.23%减少到17.15%,旱地比例从30.38%增加到41. 81%,表明从1990s到2000s大坡岭流域水田比例减少,旱地增加,土地利用类型发生了较大变化。土地利用类型的其他变化(如水体从 0.78% 增加到 1.32%) 由于所占比例一直较小且变化不大,所以可认为其影响不大。

3.2不同土地利用模式对次洪影响模拟结果

选用大坡岭流域2000s的11场次洪资料,在相同降雨条件下利用2种不同土地利用模式下的模型参数,基于改进的新安江模型以0.5 h为时间步长对土地利用变化前后(1990s和2000s)的次洪过程进行模拟,计算结果见表3、4,并分析不同土地利用模式对次洪径流量、 洪峰、 峰现时间、 径流系数、径流模式和径流组成成分等径流特性的影响。

3.3结果分析

在相同降雨条件下,2000s与1990s相比:①产流量较大,产流变化在2%～15%之间,平均变化幅度8.48%,说明在相同降雨条件下的单场洪水过程中旱地比水田的产流量大,且变幅不大不小;②洪峰流量较大,单场洪水流量变化幅度较大,例如20050710场洪水,在1990s土地利用模式下洪峰流量为3 066 m3/s,在2000s则为3 876 m3/s,相差810 m3/s,变幅很大。11场洪水变化比例在4%～21%之间,平均变化12%,可见同样一场洪水不同下垫面条件下旱地更容易形成大洪水,且影响效果明显,达到10%以上;③峰现时间提前,峰现时间差在0～2 h,平均在0.4 h,表明旱地更容易在一场降水后快速形成洪峰;④径流系数偏大,1990s平均径流系数0.43,2000s平均径流系数0.47,相比增加0.04,各场洪水径流系数变幅相差0.01～0.07之间,由此可见对于一场降雨来说,旱地产水径流量较大;⑤径流模数偏大,变化率在3%～15%之间,平均变化9.2%,由此可见同样一场降雨,旱地在单位面积单位时间内产流量更大;⑥直接径流成分偏小,1990s直接径流所占总径流量的比例平均为76.4%,2000s减少到70.7%,减少了5.7%,地下径流所占比重由1990s的23.6%增加到2000s的29.3%,由此可见水田变旱地直接径流比例减少,地下径流比例增加。

根据降水特性不同,特别选择了20000602,20050710,20060728和20100717共4场洪水(图2)。其中20000602,20050710这2场洪水的降雨总量居于平均水平,且雨量接近,但是强度、历时等其他降水特性有显著差异,可以比较不同雨型条件下土地利用变化对次洪特性的影响;20060728是最干旱年份的一次洪水过程,次洪降水总量仅为22.1 mm,20100717是降水量最多的一次洪水过程,次洪降水总量为319.8 mm,通过比较可以探寻不同降水程度下土地利用变化对次洪特性的影响。20050710场洪水(图2(b))与20000602场洪水(图2(a))相比,两者降水总量相近,产流量相近,但是前者由于降雨强度大,历时短,直接径流比例大,洪峰流量亦大。在这两场降雨情景下,2000s与1990s相比,20050710场次洪水模拟的径流量、洪峰流量、径流系数、径流模数、地下径流比例增加幅度更大。由此可见一般来说降雨时段分布越不均匀土地利用变化对次洪径流过程影响程度越大。20100717场洪水(图2(d))与20060728场洪水(图2(c))相比,降水量大,产流大,洪峰流量大。在这两场降雨情景下,2000s与1990s相比,20100717场模拟的次洪径流量、洪峰流量、径流系数、径流模数增加幅度更大,由此可见一般来说降水量大,土地利用变化引起的径流增加效应更显著,旱地的增加对径流的影响越大。

图2　洪水过程线

4　结　语

对淮河上游大坡岭以上流域内1990s和2000s2个时期的各11场洪水利用改进的新安江模型以0.5 h为时间步长进行模拟,并对相同降雨条件不同土地利用模式下次洪过程进行分析,建立流域径流系数、径流模数等径流特性对土地利用变化的响应关系。与1990s相比,2000s土地利用模式中旱地增加,水田减少,相应的次洪径流量、洪峰流量、径流系数、径流模数和地下径流比例均增加,峰现时间提前。研究成果可为拓展新安江模型在淮河流域水土流失模拟方面的应用取得理论和方法上的突破,同时也将为淮河流域水土资源的开发利用和管理决策奠定科学基础。研究方法对其他湿润半湿润地区也具有借鉴作用。

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Effects of land use change on flood events in upper reaches of Huaihe Basin

CHEN Yunyun1, 2, SONG Yun1, 2, LI Qiongfang1, 2, MA Junchao1, 2, JU Bin1, 2, ZENG Ming1, 2

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.InstituteofInternationalRiversResearchAcademy,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

In order to study different effects of land use patterns on runoff generation and quantitatively evaluate the influence of land use on the change of the ecological environment in the Huaihe Basin, we selected the Dapoling Hydrological Station in the upper reaches of the Huaihe Basin as the study area, and used the improved Xin’anjiang model to simulate the flood processes at a scale of half an hour based on land use, meteorological, and hydrological data from the 1990s and the 2000s. We also analyzed the influence of land use change on the flood events in the study area. The results show that, under constant conditions of precipitation, the runoff, peak discharge, runoff modulus, runoff coefficient, and groundwater runoff proportion all increased during the period from the 1990s to the 2000s.

upper reaches of Huaihe Basin; land use change; flood runoff; Xin’anjiang model

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.005

国家自然科学基金(41171220);国家科技支撑计划课题(2012BAB03B03);水利部公益行业经费项目(201001069,201101052)

陈芸芸(1991—),女,硕士研究生,研究方向为水文水资源。E-mail: laojiang0601@163.com

李琼芳,教授。E-mail: 745289830@qq.com

P338+.1

A

1004-6933(2016)05-0024-05

2016-01-03编辑：徐娟)