土地利用/覆被变化(LUCC)是人类活动改造下垫面的主要结果之一,它通过影响冠层截流、地表入渗、蒸散发和地表径流,引起流域水文过程发生改变。近些年来,特大洪水在城市或城郊地区频繁发生,给人们带来巨大的生命和经济损失,而土地利用方式改变成为“放大”洪灾的主要因素^[1-3]。LUCC引起水文要素和水文循环各参量产生不同的变化^[4-9],并通过影响暴雨径流过程改变洪水特性,对洪水事件产生作用^[10-14]。相比气候因素的单独影响,城市用地扩张会加大洪水概率和洪水强度的变化^[14-15],农用地的增加会减小下游洪水发生可能性^[6],而上游森林的退化将使洪水洪量、洪峰均增加^[9]。目前,国内外围绕LUCC的暴雨洪水效应已开展了较多研究^[5-10],但关于LUCC对设计洪水影响的定量研究还较少见^[16]。由于土地覆被对产汇流的作用机制与降雨强度和前期土壤蓄水量相关^[17-18],所以其对不同强度的暴雨洪水会产生不同的影响,其与设计洪水和水工建设以及防洪规划密切相关,亦应受到关注。受特殊地理环境和快速经济发展的影响,地处浙东沿海的奉化江流域常年遭受不同等级的暴雨洪水侵袭,所造成的损失也日趋严重。因此,迫切需要定量开展奉化江流域LUCC对不同量级洪水的动态影响研究。

考虑到流域覆被格局变化会使得流域洪水特性发生变化并最终对设计洪水产生影响,而设计洪水的大小和变化对水库的正常运行至关重要,因此,本文借助HEC-HMS降雨径流模型来模拟分析奉化江支流鄞江上游皎口水库流域1985—2003年土地利用变化(LUCC)对典型重现期洪水的影响,研究结果可为流域的防洪减灾提供有力参考,也将为水库调度以及安全运行提供支持。

1 研究区概况

皎口水库流域位于浙江省宁波市西部奉化江支流鄞江的上游,流域总面积为259km²,主干水系有大皎溪和小皎溪,其中主流大皎溪长44.3km。流域地处沿海地区,以低山丘陵为主,地势自西南向东北倾斜,属亚热带季风性湿润气候。受地理位置和气候条件的影响,该地区于每年6—9月频发梅雨与台风,伴随而来的连日大暴雨容易形成洪水。流域土壤主要为红壤及黄壤,大面积分布林地、山地灌草地及耕地,水域、建设用地和裸地仅占少部分,植被覆盖度较高,但自20世纪90年代以来,土地利用开发加快,流域覆被情况发生了一定程度的变化。

2 数据与方法 2.1 基础数据

本研究采用的基础数据包括四大类：土地利用数据是基于流域内1985年和2003年Landsat TM遥感影像经计算机以及人工解译分类而获取,为了提高分类精度,解译时借助研究区历史土地利用图件、SPOT4影像进行修正,结合野外实地抽样调查结果进行验证;数字高程模型(DEM)数据来源于国际科学数据服务平台,其分辨率为30m;土壤类型数据是参照1∶50万宁波市纸质土壤图获取;气象水文资料主要是雨量站和水文站自动监测获取的小时段雨量和径流数据。

2.2 研究方法

HEC-HMS模型是一种广泛用于模拟降雨—径流过程的分布式水文模型,并综合考虑了下垫面时空变化。本文拟运用该模型模拟历史发生过的年最大场次暴雨洪水以率定参数,并基于历史土地利用变化,模拟不同量级暴雨径流过程,分析不同地类转变对典型重现期暴雨洪水事件的影响。

2.2.1 HEC-GeoHMS模型提取参数、构建流域结构

本文运用嵌入ArcGIS的HEC-GeoHMS工具进行流域构建、水系提取、子流域划分,并提取流域物理、水文参数,计算确定HEC-HMS模型模拟参数的初始值,然后将建立好的流域属性数据导入到HEC-HMS模型。其中,本研究利用流域的DEM进行流域描绘与划分,并结合研究区具体情况选定水库坝址出口点(121.28°E,29.83°N)作为流域出口,以此确定流域范围与位置,同时将流域自动划分为2条主干河道、1个出口点、1个水库和多个子流域的格局,最后依据流域水系和高程特征,合并为4个大的子流域(图 1)。

2.2.2 HEC-HMS模型模拟暴雨洪水过程

HEC-HMS模型具有模块化的结构,可依次计算每个子流域(单元)的产流量,汇流(包括坡面汇流和河道汇流),最后演算至流域的出口断面。本文采用初损稳渗法(Initial and Constant Loss)计算径流量和损失量,Snyder单位线计算坡面汇流,Muskingum法进行河道洪水演进,并采用退水指数模型模拟基流。通过对1974—2003年8场暴雨洪水进行降雨径流模拟,参数率定以及结果验证,模拟分析流域土地覆被变化对不同量级历史洪水的影响。为避免流域上游周公宅水库(2003年)修建前后水文资料不一致性的影响,本次只收集、统计分析研究区1974—2003年同场暴雨年最大24h降雨量资料,运用P-Ⅲ适线法计算流域面平均最大24h的暴雨频率曲线,在此基础上,选取频率为1%(100年一遇)、10%(10年一遇)、2%(50年一遇)、4%(25年一遇)及20%(5年一遇)的5种暴雨类型,用暴雨衰减指数法计算生成暴雨时程分布,运用HEC-HMS模型模拟不同的土地利用情况下典型重现期的暴雨洪水过程。

3 结果分析 3.1 土地利用变化分析 3.1.1 土地利用类型的提取

基于研究区1985年和2003年Landsat TM 影像,进行最大似然法分类处理^[19-20]。根据流域实际情况,将流域用地分为林地(毛竹、高大乔木等)、灌草地(低矮灌木、山地草地等)、耕地、建设用地(其中包括居民地、交通用地、独立工矿用地和水利设施用地等)、裸地和水体六大类,如图 2所示。结合地形图、流域航片、影像图件以及野外实地抽样调查验证结果进行人工解译修正,对1985和2003年的解译结果进行精度评价,总体精度分别达到84%和89%,解译精度符合研究要求。

3.1.2 土地利用变化趋势分析

在ArcGIS9.3软件的支持下,计算得出1985年和2003年皎口水库流域各土地利用类型的面积,并分析其总体变化情况(表 1)。

从表 1可以看出,研究区主要覆被是林地、灌草地和耕地,且三者的总面积均达到92%以上,而水域和建设用地相对偏少。在用地类型的转变上,林地变为灌草地最显著,这主要是由于经济的发展,流域内以茶园、果园为主的经济林及灌丛林的大面积种植,使矮小经济树种取代常绿与落叶阔叶混交林,同时,当地为发展旅游,部分景点的竹林用地被改造成为旅游经营空闲地。此外,流域内耕地与建设用地小幅度增加,水体呈微弱减少趋势。总体来说,从1985年至2003年,该流域土地覆被均有所变化,变化较大的是林地、灌草地和裸地,其中,林地转变为耕地、灌草地、裸地的统计情况见表 2,转变率在3%—30%之间。

3.2 土地利用变化对洪水的综合影响分析

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LUCC过程必然要对洪峰、洪量以及洪水量级产生影响^[21-23]。为此,在分析土地利用转变的基础上,利用HEC-HMS模型来模拟分析皎口水库流域1985—2003年LUCC对年最大暴雨洪水的影响,并讨论不同地类转变对不同重现期暴雨洪水的影响程度及差异。

3.2.1 模型率定与检验

基于流域1985年和2003年土地利用数据、土壤分布特征、高程属性数据及场次降雨特征,参考相关研究^[24-26],采用单因素梯度法(Univariate Gradient)率定模型的产汇流参数,主要参数率定范围及结果见表 3,其中,初损(Initial Loss)、稳定下渗率(Constant Loss Rate)、流域滞时(Tp)是关键参数。同时,利用皎口水库流域历史上获取的小时段流量数据对模型结果进行评价,共选取8场暴雨洪水进行模拟分析。考虑所选洪水过程的代表性,选用79823等5场暴雨洪水进行模型率定,74819等3场用于模型验证分析,模型率定和验证的结果见表 4。

从表 4可以看出,率定期5场洪水平均确定性系数为0.83,模拟的峰现时差均在±1.5h内,洪峰、洪量平均相对误差分别为9.26%和8.38%,最小误差为-0.86%,误差范围大部分在±10%以内。但是,87912场次洪水的洪峰流量相对误差达30.7%,这主要是由于该暴雨洪水时段为9月9日至16日,产汇流过程历时长达7d,而HEC-HMS模型对长历时暴雨过程的模拟精度较差所致。验证期3场洪水洪峰流量和总洪量的相对误差均在±15%内,平均确定性系数达到0.9,且有两场洪水的确定性系数在0.9以上,模拟的总体效果较好。同时,降雨径流过程模拟值与实测值拟合良好(图 3)。总体看来,该模型能够较真实反映皎口水库流域的产汇流过程,可以用来分析土地利用变化对洪水的影响。

3.2.2 1985—2003年土地利用变化对历史洪水的影响

(1) 对洪水过程的影响

对皎口水库流域的场次暴雨进行最大24h暴雨量频率计算,按最大24h降雨强度将洪水分为5年一遇以上(>250mm)、2—5年一遇(160—250mm)和2年一遇以下(<160mm)3个量级,对选择的历史场次洪水分别在1985年和2003年土地利用情况下进行模拟,得到的结果见表 5。

由表 5可以看出,2003年与1985年土地利用情况下模拟的洪水相比,洪峰和洪量均有不同程度的增加,且LUCC使同一量级洪水的洪峰变化小于洪量。对比分析发现,5年一遇以上、2—5年一遇、2年一遇以下这3种重现期条件下的洪水峰值与洪量二者平均变化的差异值分别为4.6%,5.21%,6.5%。由此可知,重现期越低的洪水,其洪量与洪峰的差异越大。从洪水量级来看,5年一遇以上的洪水在1985年至2003年土地利用变化下平均增加最小,重现期为2—5年一遇的洪水增加较大,而小于2年一遇的洪水其增加程度最大。如大于5年一遇的洪水,其洪峰和洪量的平均增加幅度分别为3%和7.6%;而小于2年一遇的洪水,其洪峰和洪量的平均增加幅度分别为5.41%和11.91%,即在同等土地利用变化条件下,2年一遇以下重现期的洪水较5年一遇以上洪水改变更明显。

(2) 对洪水量级的影响

运用历史暴雨资料计算得到流域洪水频率,参考研究区设计洪水及2003年洪水频率复核情况,选择5年一遇(250mm)、10年一遇(300mm)、25年一遇(380mm)、50年一遇(440mm)和100年一遇(500mm)这5个典型重现期,结合1985年、1993年和2003年的土地利用和洪水重现期变化进行设计实验的模拟计算,结果如表 6所示。

从表 6可以看出,不同年份的土地利用情况使不同重现期洪水的峰值发生一定幅度的改变。借助克里格线性插值技术统计分析等值洪峰的变化趋势,可以推算出,自1985年起至2003年随着下垫面条件变化,流域内不同等级暴雨洪水的重现期均在一定程度上有所提前,其中,100年、50年和25年一遇洪水分别提前了15、6a和2a,即流域土地利用/覆被变化(LUCC)会使洪水重现期发生一定变化,其中对量级最高的特大洪水的重现期影响最大。

3.2.3 土地利用转变对不同重现期洪水的影响差异

由上述分析可知,洪水洪峰和洪量在2003年土地利用条件下均有增加的趋势,但是该趋势是所有LUCC共同作用的结果。为了区分各土地利用类型的贡献程度,假定一种土地利用类型向另一种转变,其它土地利用不变,利用模型模拟的方法来进行研究。有研究表明,由于不同土地利用类型的下渗率和不透水率存在差异,对同一场降雨的洪水响应截然不同^{[8, 24]}。由于流域内建筑用地和水体面积比例较少,其变化对降雨径流关系影响不大,因此本文只根据林地向耕地、灌草地或裸地转变的实际情况,模拟林地从1985年开始以10%、20%、30%、40%、50%比例分别转变为以上3种地类时不同重现期暴雨洪水过程的变化,其中,100年一遇、50年一遇和5年一遇洪水变化情况如图 4所示。

结果表明,当林地向裸地、耕地和灌草地转变时,洪水洪峰与洪量均发生了不同程度的增加,且洪量较洪峰增加幅度大、增加更快。对于所有量级洪水而言,林地转变影响程度呈现普遍规律：林-裸地>林-灌草地>林-耕地,即林-裸地转变对洪峰和洪量影响最大,林-灌草地转变的影响次之,由于皎口水库流域内耕地的蓄水作用和较大的下渗率,因此在三者之中,林地变为耕地使洪水增加最少。此外,随着转变率增大,以上3种地类转变方式使洪水变化的差异性增大：当林地以10%转变时,裸、灌草地,灌草、耕地以及裸、耕地引起100年一遇洪水洪峰增加的差异分别为0.21%、0.11%和0.32%;当林地以50%转变时,影响差异变为1.01%、0.52%和1.53%;当林地以10%—50%转变时,以上三者使径流总量增加差异由0.38%、0.2%和0.58%变为1.88%、0.95%和2.83%。随着林地从10%变为50%转出,三者对5年一遇洪水峰值影响差异由0.52%、0.24%和0.76%变为2.52%、1.19%和3.71%,洪量由0.98%、0.55%和1.53%变为4.93%、2.59%和7.52%。对比分析可知,三者地类转变使5年一遇洪水变化的差异较100年一遇洪水更明显。

对于不同重现期洪水,量级最小的洪水对土地转变响应最敏感。当林地从1985年开始以10%—50%转变为裸地时,100年一遇、50年一遇、25年一遇和5年一遇洪水峰值相对于1985年分别增加0.88%—4.3%、1.02%—4.96%、1.2%—5.84%和2.18%—10.67%,平均增加2.6%、3%、3.53%和6.45%;洪量变化1.61%—7.91%、1.8%—9.16%、2.22%—10.95%和4.15%—20.62%,平均变化4.77%、5.5%、6.6%和12.4%。即在同样土地利用变化下,低重现期较高重现期洪水事件改变程度更大,且随着林地转出比率增大,低重现期洪水变化更迅速。

4 结论与讨论

本研究应用Landsat TM 遥感影像进行人机交互解译提取土地利用信息,进而结合皎口水库流域下垫面的实际情况,统计分析1985—2003年期间流域内土地利用变化。运用HEC-HMS模型对流域内1974—2003年的8场年最大暴雨的洪水过程进行模拟分析,对不同重现期洪水-土地利用变化的关系进行实验设计,探究该流域土地利用变化对不同量级洪水事件的影响。根据以上分析,可以得出以下结论与讨论:

(1) 1985—2003年,流域内主要覆被为林地、灌草地,土地利用转变主趋势为林地向耕地、裸地、灌草地转变。

(2) 在1985—2003年土地利用条件下模拟,流域内历史洪水的洪峰和洪量均有不同程度的增加,洪量较洪峰变化明显,土地利用变化对低重现期暴雨洪水事件的影响程度最大。随着土地利用变化,流域内典型场次暴雨洪水的重现期均有不同程度地提前,量级最大暴雨洪水的重现期变化最明显。

(3) 不同的土地利用转变方式对洪水的贡献程度不一,其中林地向裸地转变使洪水增加最大、最快,林地向灌草地转变次之,林地向耕地转变影响最小。随着林地以10%—50%比例转变为裸、灌草、耕地,以上三者转变方式对洪水影响的差异性增大,且这种差异性在低重现期洪水表现最明显。

(4) 本研究运用的洪水资料是历史年最大场次暴雨洪水,设计洪水分析有利于为流域特大洪水防洪标准调整提供详细参考。流域内历史洪水重现期集中在10年一遇以下,而小量级洪水对土地利用变化较为敏感,因此,应加强土地利用变化的暴雨洪水响应研究,这将有利于提高流域洪水预报精度与防洪减灾能力^[27-28]。在流域防洪规划修订中,应长远并且全面地考虑引起洪水径流变化的各个影响因素,重视土地利用变化导致的径流量和洪峰变化,并及时将预测结果反馈到实际的改造建设中去。