设计暴雨雨型对高植被覆盖流域径流形成影响的数值模拟

官明虹，王根绪

（1. 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041； 2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 四川大学 水利水电学院/水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065）

0 引 言

目前全球气候变暖，地表温度升高，使得水循环加速，导致暴雨事件发生概率增大［1］，极易形成山洪灾害及城市内涝，严重威胁了人民生命财产安全［2-4］，影响流域的生态环境［5， 6］。我国山洪灾害点多面广、突发性强、破坏力大，且多发生在交通不便、通讯不畅的偏远山区［7， 8］。因此对于因暴雨而产生的山洪灾害研究显得尤为重要［9， 10］。

山洪灾害因其成灾速度快、灾害应急响应时间短，已逐渐成为世界各地防洪和小流域水资源管理中面临的突出问题。在使得山洪灾害发生的众多影响因素之中，雨型是主要影响因子之一。雨型［11］决定了洪水形成过程，对山洪灾害治理、城市防洪排涝等方面具有重要意义。目前国内外使用较多的雨型设计方法为Huff 雨型法、三角形雨型法［12］、Pilgrim&Cordery法［13］、同频率分析法、模式雨型法和芝加哥雨型法［14］等。大部分针对设计暴雨雨型的研究多是将其应用于城市内涝、土壤侵蚀分析上，如童旭等［15］以成都市中心城区某内涝频发区为研究对象，模拟了不同重现期设计暴雨雨型条件下城市排水管网的节点溢流情况，并验证了四川省水文手册中成都市中心城区设计暴雨雨型的合理性。侯精明等［16］分析了设计暴雨雨型对城市内涝的影响，系统地揭示了暴雨雨型与内涝积水的量化规律。黎俊佑等［17］、安娟等［18］、MOHAMADI 等［19］、WANG 等［20］研究了降雨类型对土壤的侵蚀过程与侵蚀能力。或是探讨城市设计暴雨雨型的选取，如朱勇年［21］模拟杭州市不同历时的降雨情景，分析雨洪模拟中设计暴雨雨型的选用方法。倪志楠［22］通过雨型对比以及暴雨强度公式的应用分析比较出适用于南京市中心城区的设计暴雨雨型。但对于设计暴雨雨型对山区高植被覆盖流域径流形成的影响研究稍弱，尤其是我国植被覆盖较高、地形地质条件复杂的西南山区。

山洪伴发泥石流是导致西南地区山地灾害成为全球地质灾害高发的重要因素之一，探讨暴雨雨型对于植被覆盖度较高的西南山区流域径流的形成及其可能造成的山洪灾害具有一定的意义。因此本文从不同雨型对西南山区高植被流域山洪灾害影响角度进行数值模拟，通过系统地对比分析四川省高植被覆盖流域在不同设计暴雨雨型条件下的山区水文过程，模拟得出不同雨型与山区水文过程的量化关系，旨在揭示暴雨雨型对山区高植被覆盖率流域径流的影响程度的量化规律，为山区高植被覆盖流域的山洪灾害预警、预报及其他防治工作提供理论依据。

1 研究区域及研究方法

1.1 研究区概况

汉王场流域、关口流域是西南山区位于长江上游地区沱江水系的两个小流域，流域地理位置［见图1（a）］，均属于亚热带湿润季风区。研究区域内径流形成均由降雨主导，降雨集中，多年平均降雨量为881.9 mm 左右，径流年内分配不均，汛期6-10月为径流形成的主要时段，流域内无冰雪覆盖。

汉王场流域和关口流域均位于四川省，其中汉王场流域位于四川德阳市，地处31°44'N～31°70'N，103°90'E～104°18'E，关口流域则位于四川成都市彭州市，地处31°08'N～31°33'N，103°74'E～103°92'E。汉王场流域集水面积为403.6 km2，其雨量控制站点为清平和天池，水文控制站点为汉王场水文站。关口流域集水面积为624.64 km2，雨量控制站点为白果坪和大宝，水文控制站点为关口水文站。雨量及水文控制站点见图1（b）、（c）。两个流域内均分布林地、草地、耕地等土地利用类型。关口流域和汉王场流域均分布有砂黏壤土、黏壤土、粉壤土等，关口流域的土壤质地类型更为复杂。

1.2 原始数据

1.2.1 雨型数据

参考《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》和《四川省暴雨统计参数图集》来对研究流域关口、汉王场推求设计暴雨。同时根据四川省1 d 暴雨分区综合雨型表的24 h 设计暴雨时程分配过程，考虑6 种暴雨频率。表1 为关口、汉王场流域的设计暴雨量结果及相关参数值。为了对研究区的多种降雨事件进行分析，参考模式雨型［23］中的单峰雨型来进行暴雨雨型设计，图2为不同重现期设计暴雨雨型图。同时从图2中可以看出不同设计暴雨雨型条件下的暴雨峰值出现时间，汉王场和关口流域偏前型雨型暴雨峰值出现时间均为7∶00，居中型雨型暴雨峰值出现时间均为11∶00，偏后型雨型暴雨峰值出现时间均为15∶00。

表1 关口、汉王场流域设计暴雨量Tab.1 Design-storm volume of Guankou and Hanwangchang drainage basins

图2 关口、汉王场流域各重现期设计暴雨雨型 （长历时 t=24 h）Fig.2 Rainstorm rainfall patterns designed for each current periods in Guankou and Hanwangchang basins（Long duration t=24 h）

1.2.2 模型数据

收集用于驱动时空变源混合产流模型的基础数据包括空间数据和水文气象数据。表2为关口及汉王场流域的数据来源及说明。

表2 关口、汉王场数据来源及说明Tab.2 Source and description of data for Guankou and Hanwangchang

1.3 研究方法

（1）模型构建及流域水文过程模拟。采用中国水利水电科学研究院刘昌军提出的适用于小流域短历时强降雨条件下的时空变源分布式水文模型进行西南山区小流域降雨-径流模拟，该模型针对山区小流域洪水预报精度较低等问题，通过建立包气带非饱和土壤下渗计算方法，来计算山坡地貌水文响应单元的土壤下渗过程，同时揭示了山区小流域的产流机制和规律［24］。时空变源分布式水文模型主要包括四个模块，分别为产流、汇流、基流以及洪水演进计算模块［25， 26］，其中产汇流过程的计算方法为时空变源混合产流模型和SCS 单位线法，洪水演进过程的计算方法为运动波法，计算过程忽略基流的影响［27， 28］。由于篇幅限制，详细的模型介绍此处不再赘述。

首先对关口及汉王场流域的降雨-径流过程进行参数率定与验证，得出适用于关口及汉王场流域的参数，在将推求的关口及汉王场流域各自的不同重现期设计暴雨雨型数据作为输入数据，分别模拟出关口及汉王场流域不同重现期设计暴雨雨型条件下形成的径流，以此来分析不同重现期设计暴雨雨型在高植被覆盖的山区小流域上形成径流的情况。

（2）模型参数率定与验证。首先采用时空变源混合产流模型的参数自动优化，同时结合手动调参对四川省两个高植被覆盖流域水文站的径流过程进行模拟并对模型参数进行敏感性分析，表3所列出的为最为敏感的10个参数。

表3 参数率定及敏感性分析结果Tab.3 Parameter calibration and sensitivity analysis results

西南山区两个小流域中，关口流域率定期选用1968-1992年，验证期选用1993-2012 年数据，汉王场率定期选用1994-2003 年，验证期选用2004-2012 年数据。模型模拟精度评价指标为Nash-Sutcliffe（Ens）和决定系数（R2）。Nash-Sutcliffe（Ens）和决定系数R2的最优值均为1，表4 为两个流域的率定期与验证期结果。

表4 关口、汉王场流域率定期与验证结果Tab.4 Regular and Verification results of Guankou and Hanwangchang Watershed rates

通过对关口和汉王场流域的率定及验证，我们可以得到关口流域率定期与验证期Nash系数和确定性系数均在0.7 以上，汉王场流域率定期Nash系数和确定性系数均达0.8 以上，但验证期的Nash系数和确定性系数为0.60 和0.65。参考胡昊［29］在白河上游使用时空变源混合产流模型所得出的Nash系数均值为0.711，我们可以得出关口、汉王场流域洪水模拟结果在率定期与验证期均较为理想。因此可以采用设计暴雨雨型，并结合参数率定验证之后的时空变源混合产流模型，分析设计暴雨雨型在高植被覆盖的典型西南山区小流域上形成的径流过程以及可能造成的洪水灾害。

2 结果与分析

运用上述模型进行数值模拟，得到川西高植被覆盖流域不同重现期设计暴雨雨型条件下流域径流的变化过程，从洪峰流量和峰现时间角度分析川西高植被覆盖流域对不同重现期设计暴雨雨型的数值响应规律，因此我们首先对关口和汉王场的土地利用情况进行分析。

2.1 土地利用分布情况

为分析不同设计暴雨雨型对川西高植被覆盖流域洪水形成过程的影响，使用ArcGIS软件进行统计分析，得出关口、汉王场流域内的土地利用类型及其占比情况。表5为关口及汉王场流域的土地利用类型占比，图3 为关口及汉王场流域的土地利用类型图。

表5 土地利用类型分析Tab.5 Land use types analysis

图3 关口、汉王场流域土地利用类型图Fig.3 Map of land use types in the Guankou and Hanwangchang watersheds

从图3 及表5 中可以看出，四川省关口和汉王场流域天然林草植被覆盖较高，两个流域均以林地、草地、耕地为主，其中关口流域还包含沼泽地、水域、水利设施用地等土地利用类型。由统计结果可知关口流域林地面积占流域总面积的57.01%，草地为25.70%，其余土地利用面积占流域总面积的16.91%。汉王场流域同样呈现出林地面积占流域总面积的占比较大，为48.17%，草地次之，草地面积占流域总面积的42.06%，其余土地利用类型占流域总面积的9.77%。汉王场和关口流域草地面积均占比较大，天然林草植被覆盖较高，而林草植被覆盖在流域径流的形成过程中具有一定的影响，同时参考水土保持措施的土地利用分类，将土地利用类型大致分为林草地、梯田、坡耕地和其他用地，以此来分析关口和汉王场流域对不同设计暴雨雨型的响应。由此可以得出，四川省关口、汉王场流域的植被覆盖率均较高，且汉王场流域林草植被覆盖率大于关口流域林草植被覆盖率。

2.2 洪峰流量分析

洪峰流量是洪水的重要特征之一，不仅反映洪水的强度，也预示防洪级别［30］。表6和图4为关口及汉王场流域不同设计暴雨雨型条件下形成的洪峰流量。

表6 不同重现期设计暴雨雨型条件下的洪峰流量m3/sTab.6 Flood Peak discharge under different design rainstorm conditions with different return periods

图4 不同重现期设计暴雨雨型条件下洪峰流量图Fig.4 Flood peak discharge maps of different return periods under different design rainstorm patterns in three basins

在川西高植被覆盖条件下，洪峰流量的变化趋势具体呈以下特点。雨型为偏后型的暴雨相对于雨型为偏前型和居中型而言，形成的洪峰流量更大。从流域内部来看，关口流域在同一重现期下，偏后型雨型形成的洪峰流量更多，相对于偏前和居中的雨型来说，增加了1.12倍及1.05倍。以P=20%的洪水为例，偏前型雨型形成的洪峰流量为1 497 m3/s，居中型雨型形成的洪峰流量为1 689 m3/s，相较于偏前型的洪峰流量而言，增加了192 m3/s，占比达12.8%。偏后型雨型形成的洪峰流量是1 893 m3/s，相较于偏前型和居中型而言，增加了396 m3/s，204 m3/s，占比高达26.43%和13.6%。汉王场流域同一重现期下，相较于偏前和居中的雨型来说，偏后型雨型形成的洪峰流量也更多，增加了1.09 倍及1.03 倍。同样以P=20%的洪水为例，偏前型雨型形成的洪峰流量为792 m3/s，居中型雨型形成的洪峰流量为864 m3/s，相较于偏前型的洪峰流量而言，增加了72 m3/s，占比达9.1%。偏后型雨型形成的洪峰流量是1 005 m3/s，相较于偏前型和居中型雨型而言，增加了213 m3/s，141 m3/s，占比高达26.89%，16.32%。从图4 中我们可以看出同样的趋势。同一重现期下的一场洪水过程中，不同暴雨雨型对于洪峰流量的影响相对较大，暴雨雨型为偏后型的降水过程对经济的发展和人民的生命财产安全造成更严重的影响和损失，应重视暴雨雨型为偏后型的暴雨。在不同雨型条件下，随着重现期的增加，洪峰流量呈现增加的趋势。以居中型雨型为例，关口流域P=99%的洪水其洪峰流量为252 m3/s，P=20%为1 689 m3/s，P=10%为2 265 m3/s，P=5%为2 793 m3/s，P=2%为3 601 m3/s，P=1%为4 173 m3/s。汉王场流域P=99%的洪水其洪峰流量为148 m3/s，P=20%为864 m3/s，P=10%为1 246 m3/s，P=5%为1 410 m3/s，P=2%为1 621 m3/s，P=1%为1 792 m3/s。由此可见，在同一雨型条件下，随着洪水重现期的增加，洪峰流量呈现增加的趋势。从图4中也显示出同样的趋势。

由上述分析可知，不同重现期条件下流域内形成的洪峰流量为偏后型雨型相较于偏前型和居中型雨型而言，形成的洪峰流量更大，对不同重现期设计暴雨雨型条件下一场暴雨过程所形成的洪水总量进行分析，表7 为不同重现期设计暴雨雨型条件下的洪水总量。

表7 不同重现期设计暴雨雨型条件下的洪水总量 m3Tab.7 The total amount of floods under design rainstorm conditions with different return periods

从表7中我们可以看出，不同重现期条件下，偏后型雨型形成的洪水总量低于偏前型和居中型雨型，整体趋势呈现偏前型＞居中型＞偏后型雨型。以P=10%为例，汉王场流域偏前型雨型形成的洪水总量为19 393.72 m3，居中型雨型形成的洪水总量为18 698.33 m3，偏后型雨型形成的洪水总量为17 596.18 m3。关口流域偏前型雨型形成的洪水总量为33 666.50 m3，居中型雨型形成的洪水总量为32 614.61 m3，偏后型雨型形成的洪水总量为31 632.58 m3。可知，在不同重现期设计暴雨雨型条件下，偏后型雨型形成的洪峰流量大于偏前型和居中型雨型，但其一场洪水过程所形成的洪水总量却低于偏前型和居中型雨型，偏后型雨型用于土壤入渗的雨量多于偏前型雨型，使得偏后型雨型形成的洪水总量少于偏前型雨型。

暴雨重现期越大，形成的洪峰流量更大，偏后型雨型形成的洪峰流量更多，但偏前型雨型一场暴雨过程后形成的洪水总量更大，极易形成山洪灾害，对人民的生命财产安全产生威胁，因此我们应关注重现期较大、雨型为偏后型的洪峰流量以及一场洪水过程中雨型为偏前型的暴雨形成的洪水总量，提前做好应对措施。

2.3 峰现时间分析

由1.2.1 设计暴雨雨型数据可知关口和汉王场流域不同设计暴雨雨型下暴雨峰值的出现时间相同，关口和汉王场流域偏前型雨型暴雨峰值出现时间为7∶00，居中型雨型暴雨峰值出现时间为11∶00，偏后型雨型暴雨峰值出现时间为15∶00。流域降雨径流过程是受气候变化与下垫面共同作用的结果，而流域土地利用情况必然对洪峰出现时间产生影响，由图3 土地利用分布情况分析可知，汉王场和关口流域均为川西高植被覆盖率流域，且汉王场流域林草植被覆盖率大于关口流域林草植被覆盖率。对不同设计暴雨雨型条件下流域的洪量峰值时间进行分析，表8为不同设计暴雨雨型条件下各重现期的洪峰出现时间，图5 为关口、汉王场流域在不同重现期以及不同设计暴雨雨型条件下的洪峰出现时间图。

表8 不同设计暴雨雨型条件下各重现期的洪峰出现时间Tab.8 Peak emergence time of each return period under different design rainstorm conditions

图5 关口、汉王场流域不同重现期设计暴雨雨型条件下峰现时间Fig.5 Peak emergence time of different design rainstorm patterns under the conditions of each return period in the Guankou and Hanwangchang basins

从表8 可以看出，关口流域不同重现期及设计暴雨雨型条件下的洪峰出现时间均提前于汉王场流域不同重现期及设计暴雨雨型条件下的洪峰出现时间，以P=5%的洪水峰现时间为例，关口流域偏前型雨型的峰现时间为10∶00，居中型雨型的峰现时间为14∶00，偏后型雨型的峰现时间为17∶00。汉王场流域偏前型雨型的峰现时间为13∶00，居中型雨型的峰现时间为15∶00，偏后型雨型的峰现时间为19∶00。P=10%、P=2%等具有同样的趋势。关口、汉王场流域设计暴雨峰值出现时间相同，但这两个流域出现洪峰的时间却是不同的，汉王场林草植被覆盖率高于关口流域，其不同重现期及设计暴雨雨型条件的洪峰出现时间均晚于关口流域。由此可知，林草植被覆盖具有良好的持蓄水能力，调节洪水的径流过程以及延长洪峰滞时的作用。

通过对表8 和图5 的分析，我们可以得出不同重现期设计暴雨雨型条件下关口流域洪峰出现时间提前于汉王场流域。山区小流域其下垫面及地表覆盖物复杂多样，暴雨需经历复杂的产流、汇流等过程才能汇集形成径流，因此，流域径流形成峰值的时刻相对于暴雨的峰值时刻有一定的迟滞时间。因此我们对西南山区两个流域内部不同重现期设计暴雨雨型条件下的洪峰出现时间相对于雨峰出现时间的滞后时间进行分析，表9为不同设计暴雨雨型条件下各重现期的滞后时间。

表9 不同设计暴雨雨型条件下各重现期的滞后时间hTab.9 The lag time of each return period under different design rainstorm conditions

在不同重现期设计暴雨雨型条件下，洪峰出现时间相对于暴雨雨峰出现时间的滞后时间为偏前型＞居中型＞偏后型。以P=99%为例，关口流域偏前型雨型洪峰出现时间相对于暴雨雨峰出现时间滞后6 h，居中型雨型滞后4 h，偏后型雨型滞后2 h。汉王场流域偏前型雨型洪峰出现时间相对于暴雨雨峰出现时间滞后7 h，居中型雨型滞后4 h，偏后型雨型滞后3 h。其余重现期基本具有同样的趋势。

3 讨 论

研究从洪峰流量及峰现时间两个方面来分析西南山区四川省高植被覆盖流域对不同重现期设计暴雨雨型的响应过程。实验结果表明，汉王场和关口流域两处率定结果都比较好，其中除汉王场流域验证期Ens和R2为0.60 和0.65 以外，其余均在0.7以上，并且汉王场流域率定期Ens和R2在0.8以上。此次构建的四川省关口、汉王场流域时空变源混合产流模型在高植被覆盖流域有良好的适用性。由于该模型的输入参数相对较多，我们可以改变模型输入的降水数据或土地利用数据来进行针对性详细分析，因此，研究川西高植被覆盖流域对不同重现期设计暴雨雨型的响应得以实现。在不同重现期设计暴雨雨型条件下，关口、汉王场流域形成的洪峰流量均呈现出偏后型＞居中型＞偏前型雨型，这与熊江等［31］在高家沟流域所做的关于不同雨型下泥石流峰值流量的结果一致，这多是由于暴雨峰值推迟，前期降雨强度较小，降雨入渗，蓄满产流占主导，开始产流时间向后推迟，从而使形成的洪峰流量更大。但一场暴雨过程形成的洪水总量却为偏前型＞居中型＞偏后型雨型，偏前型雨型其用于入渗的雨量较小，而偏后型雨型前期多用于土壤入渗，因此使得偏后型雨型形成的洪水总量少于偏前型雨型。在不同暴雨雨型条件下，关口、汉王场流域形成的洪峰流量，由P=99%到P=1%呈现增加的趋势。从峰现时间来看，由汉王场流域林草植被覆盖率大于关口流域林草植被覆盖率，其峰现时间则是关口流域在不同重现期设计暴雨雨型条件下均是提前于汉王场流域，这与陈芬［32］，王礼先［33］，盛前丽［34］等结论一致，林草植被覆盖对于洪水的径流过程具有一定的调节作用。但洪峰出现时间相对于设计暴雨雨峰出现时间的滞后时间基本为偏前型＞居中型＞偏后型，这是由于偏后型降雨雨型其雨峰出现在降雨后期，前期降雨使表层土壤含水量达到饱和状态，使得后期的降雨更易于形成地表径流，形成洪峰的时间越短，这与张文［35］，杨云斌［36］研究结果基本一致。因此我们应当多关注暴雨雨型为偏后型的暴雨以及林草植被覆盖率较低的流域，其更早出现洪峰，对流域下游地区人民的生产生活造成严重的威胁，甚至更易于形成山洪灾害。

4 结 论

以西南山区高植被覆盖的山区小流域为例，应用时空变源分布式水文模型构建高植被覆盖区域的分布式水文模型，并对构建好的关口和汉王场流域的水文过程进行模拟分析，从洪峰流量及峰现时间角度探讨高植被覆盖流域对于设计暴雨雨型的响应规律，得出如下结论。

（1）利用时空变源混合产流模型模拟四川省高植被覆盖流域的模拟精度评判指标值均在许可范围之内，表明该模型适用于山区高植被覆盖流域的水文过程模拟，模拟结果较好。

（2）通过对四川省高植被覆盖流域关口、汉王场流域不同重现期设计暴雨雨型下形成的洪峰流量分析可知，从偏前型、居中型到偏后型，随着设计暴雨峰现时间的后移，偏后型雨型相对于偏前和居中型条件下形成的洪峰流量更大，但偏后型雨型相较于偏前和居中型条件下形成的洪水总量较少。

（3）通过对四川省高植被覆盖流域的峰现时间分析可知，汉王场流域林草植被覆盖率大于关口流域，因此关口流域洪峰出现时间均提前于汉王场流域。在流域内部，洪峰出现时间相对暴雨雨峰出现时间的滞后时间均为偏前型＞居中型＞偏后型。

通过分析四川省高植被覆盖流域对于不同重现期设计暴雨雨型的响应，初步了解高植被覆盖流域对于不同重现期设计暴雨雨型的响应过程，对于掌握川西高植被覆盖流域暴雨洪水的形成过程以及提高流域洪水预报精度与防洪减灾能力有着十分重要的意义。研究仍然存在较多的不确定性，如模型模拟过程中的不确定性以及设计暴雨雨型方法选择单一，模型数据输入精度、不同暴雨雨型方法选择等方面还有待进一步的研究。