土地利用变化对蓄满－超渗兼容模型参数的影响分析

胡彩虹，查 斌，李常青，杨 帆，，荐圣淇

（1.郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001； 2.洛阳水利勘测设计有限责任公司，河南 洛阳 471000）

近年来黄河流域的下垫面变化剧烈，主要水文站的实测径流量均呈现明显下降趋势［1］。 汾河是黄河的第二大支流，受水库修建、退耕还林等人类活动的影响，流域的林地、水域和城镇用地面积不断增加，耕地面积不断减少，导致洪水过程发生了较大变化［2－3］。为了具体分析土地利用变化对水文过程的影响，国内外相关学者对水文模型参数进行了大量研究。 如李致家等［4］采用新安江模型对海河流域进行洪水模拟，发现随着下垫面的变化，流域自由水蓄水容量（SM）和河网水流消退系数（CS）均有增大趋势；李建柱等［5］针对紫荆关流域建立了考虑下垫面变化的超渗－蓄满耦合产汇流模型，发现耕地和草地面积的减少、林地面积的增加使流域平均蓄水容量（WM）增大；Elfert 等［6］等采用WaSiM－ETH 水文模型对Hunte 流域进行模拟研究，发现耕地和草地面积的减少导致流域蒸发量增大、径流量减小。 但以上研究存在研究期内土地利用变化小、研究期短以及采用的水文模型多为单一产流模式等局限。 考虑到汾河干流静乐水文站控制流域存在超渗产流与蓄满产流2 种产流机制，本研究将其作为研究对象，采用考虑LUCC 的蓄满－超渗兼容模型，将土地利用情况以参数形式加入模型，把1966—2013 年分为3 个研究时段进行洪水预报模型参数率定，通过分析土地利用变化与模型参数之间的关系，认识土地利用变化对水文过程的影响作用，以期为流域的防洪减灾以及水资源的合理利用提供支持。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

汾河静乐水文站于1943 年4 月设立，位于汾河上游，控制流域面积为2 799 km2，1966—2013 年控制流域的多年平均降水量为515 mm［7］。

受植树造林、梯田修建和城镇建设等人类活动的影响，静乐水文站控制流域的土地利用情况发生了较大变 化［8－9］， 依 据《土 地 利 用 现 状 分 类》 （GB／T 21010—2017）［10］，将该流域的土地利用类型分为林地、草地、水域和城镇用地、耕地，1978 年、1998 年和2010 年的土地利用类型统计见表1，可知1978—2010年林地面积不断增加，草地面积先减少后增加，耕地面积不断减少。

表1 静乐水文站控制流域的土地利用类型统计

1.2 考虑LUCC 的蓄满－超渗兼容模型

静乐水文站控制流域位于黄土高原地区，该地区包气带较厚，在暴雨过程中超渗产流为主要产流模式。随着雨型的不断变化以及人类活动的持续干扰，流域逐渐出现了蓄满产流模式［11］，基于此，结合流域的土地利用现状，建立了考虑LUCC 的蓄满－超渗兼容模型，以较好地表述流域的产流过程［12］，模型基本流程如图1 所示，具体模型参数介绍见表2。 首先根据表1土地利用类型统计结果分别对模型参数进行率定；之后结合流域蓄水容量分配曲线和下渗能力分配曲线对地面净雨和地下净雨进行汇流计算，采用河道演算方法得到地表径流和地下径流的总出流量；最后将两者的总出流量相加得到流域出口断面流量。

表2 模型参数介绍

图1 模型基本流程

蓄满－超渗兼容模型将蓄水容量分配曲线（W—α）和下渗能力分配曲线（FΔt—β）有机结合［13－14］，其中：基于蓄水容量分配曲线的蓄满产流模式考虑了土壤含水量达到田间持水量后超蓄产生的地下净雨；基于下渗能力分配曲线的超渗产流模式考虑了降雨强度超过下渗能力而产生的地面净雨。 耦合2 种产流模式可以形成既考虑流域下渗能力及其分布情况，又考虑流域土壤含水量及其分配情况的兼容产流模型，模型结构示意见图2（图中x为蓄水容量分配曲线和下渗能力分配曲线相交时的蓄水量；P为降水量；R为径流深；W为初始土壤含水量；ΔW为本次降雨产生的土壤蓄水量；W′0为流域初始蓄水容量；W′为流域某点的蓄水容量；W′m为流域最大蓄水容量；FΔt为下渗能力曲线在Δt时段内的积分；t为时段步长；F′Δt为流域某点的下渗容量；F′mΔt为时段Δt内流域所有点中能达到的最大下渗容量；β为相对面积，表示流域内下渗容量≤F′Δt的面积占流域面积的比例；α为相对面积，表示流域内蓄水容量≤W′的面积占流域面积的比例）。

图2 兼容产流模型结构示意

下渗能力分配曲线采用m次经验抛物线型，公式为

式中：m为经验指数。

蓄水容量分配曲线采用n次经验抛物线型，公式为

式中：n为经验指数。

当m趋于0 时，兼容模型的产流方式以蓄满产流占主导，局部存在超渗产流。 当n趋于0 且W′m趋于∞时，土壤不容易蓄满，此时产流方式以超渗产流占主导，局部存在蓄满产流。

2 结果与讨论

2.1 模型模拟结果

收集整理了1966—2013 年流域的实测蒸发、降雨和径流数据，根据洪水过程分为3 个研究时段：第1 时段1966—1978 年共发生12 场洪水；第2 时段1979—1998 年共发生12 场洪水；第3 时段1999—2013 年共发生6 场洪水，洪水模拟计算时间步长为1 h。

根据《水 文 情 报 预 报 规 范》 （GB／T 22482—2008）［15］分析模型预报结果的可靠性与有效性，选用Nash 效率系数、确定系数和相对误差评定模型模拟结果精度（见表3）。 分析预报结果可知，1966—1978 年和1979—1998 年这2 个时段内的模拟结果符合乙级预报水平，而在1999—2013 年6 场洪水中，仅有2 场洪水的Nash 效率系数大于0.7，有3 场洪水的确定系数大于0.7，表明这一时段的模拟结果在丙级预报水平以下，这是由于该时段的洪峰流量多在100 m3／s 以下，降雨—径流关系和雨强—洪峰关系与其他时段洪水差异较大，径流中地下径流与壤中流占比较大，而模型参数是根据普遍发生的降雨—径流关系所率定的，因此无法准确模拟这种小流量的洪水过程。

表3 模型模拟结果精度统计

2.2 参数影响分析

流域植被变化是影响降雨径流响应特征变化的重要原因，主要通过影响地下水出流能力、地面下渗能力及流域蓄水能力进而影响产汇流过程［16］，因此选择了水文过程中敏感性较强的参数进行参数影响分析。1966—2013 年3 个研究时段模型参数率定结果见表4。

表4 模型参数率定结果

（1）1966—2013 年流域地下径流出流系数CG数值不断增大，整体时段内共增大了133.8%，CG的大小能够反映地下水退水的快慢，CG越大、地下水退水越慢，因此随着林地和草地面积增加、耕地面积减少，地下水退水速度逐渐减小。 为了解流域多年径流量特征值的变化趋势，统计了3 个时段流域的年平均最小日流量和汛期平均最小日流量（见表5），可以看出随着森林覆盖面积的增加，3 个时段年平均最小日流量和汛期平均最小日流量均呈现明显的增大趋势。 由于汛期降雨较多，地下水的补给量增大，浅层壤中流和地下径流也相应增大，因此分析汛期数据更能得出地下水出流能力的变化。 由此可知，在降雨情况相似的条件下，1999—2013 年地下水出流能力更强，更容易形成壤中流和地下径流，进一步导致径流量减小、汇流时间增加，洪水流量过程线的形状也从陡涨陡落变得更加平缓。

表5 不同时段最小日流量统计

（2）1966—2013 年流域壤中流出流系数CI由0.057增大到0.325，增大了470.2%，CI的大小能够反映洪水尾部退水的快慢，CI越大洪水尾部退水越慢，说明林地和草地面积增加后，洪水尾部退水速度逐渐减小。

（3）1966—2013 年流域土壤下渗强度k与稳定下渗率FC不断增大，林地k1、草地k2、耕地k3 分别增大了26.7%、20.6%、10.9%，林地FC1、草地FC2、耕地FC3 分别增大了16.2%、20.9%、8.2%。 与耕地相比，林地和草地的k值和FC值增大程度较大，原因是对于土壤质地状况相似的地区，各土地利用类型的下渗能力不同，其大小关系为林地＞草地＞耕地。 整体上林地和草地面积增加，流域的下渗能力也在不断提高。

下渗能力的变化会影响流域洪水的发生过程，在暴雨初期产流之前，土壤含水量较低、下渗率较高，降雨主要通过下渗过程变为地下净雨，产生的地面净雨较少，汇流速度较慢，同时退水时间越长，下渗量越多，不同时段的流量起涨前平均降水量和平均地表水退水历时也会因此改变，见表6，可知平均降水量和平均地表水退水历时均呈现增加趋势。

表6 流量起涨前平均降水量和平均地表水退水历时

（4）1966—2013 年流域平均蓄水容量WM逐渐增大，共增大了27.3%。 变化原因是林地和草地的土壤平均蓄水容量占比相对较大，随着林地和草地面积增加，流域整体的蓄水能力也不断提高。

（5）1966—2013 年流域蒸发折算系数CKE也在不断增大，CKE1、CKE2、CKE3 分别增大了37.2%、84.2%、11.8%，流域整体CKE增大了25.5%，其变化原因是林地和草地面积增加后，植被覆盖面积增加促使流域的整体蒸发量增加，流域的蒸发能力逐步提高。

3 结 论

本研究建立了考虑LUCC 的蓄满－超渗兼容模型，该模型考虑了蓄满和超渗2 种产流方式，能够较合理地模拟汾河静乐水文站控制流域的洪水过程。 通过对模型参数检验，1966—1978 年和1979—1998 年模拟结果精度均符合乙级预报水平；1999—2013 年洪峰流量太小，模拟结果精度未达到丙级预报水平，因此对于1999—2013 年的洪水模拟问题还需进一步研究。 通过分析土地利用变化与模型参数之间的关系，发现随着林地和草地面积增加、耕地面积减少，流域的地下水出流能力、下渗能力、蓄水能力、蒸发能力均有所提高。