陈 瑜，黄锋华，孔次芬

（1.中山大学水资源与环境系，广州 510275；2.广东省水利水电科学研究院，广州 510610；3.重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 400047）

白盆珠水库流域下垫面变化的洪水响应研究

陈 瑜1，黄锋华2，孔次芬3

（1.中山大学水资源与环境系，广州 510275；2.广东省水利水电科学研究院，广州 510610；3.重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 400047）

基于栅格分布式水文模型并结合GIS技术，进行东江流域白盆珠水库子流域下垫面变化的洪水响应分析。根据该流域现状土地利用情景分析方法构建9种流域下垫面情景，选取大、中、小3场典型洪水过程，定量分析下垫面变化造成的洪水响应。结果表明：林地及其空间分布在截留降雨、消减洪峰和延缓洪峰滞时方面效果明显，故保护林地，特别是沿河道及流域上游的林地，对流域防洪减灾有重要意义；城市化有增加产流和加快汇流的作用，对流域防洪非常不利；水利工程有效地控制流域内支流洪水，对流域防洪有积极的意义；下垫面的变化对小洪水的影响大于大洪水。深入研究白盆珠水库流域下垫面变化引起的洪水响应将对流域防洪减灾有重要意义。

白盆珠水库流域；分布式水文模型；下垫面变化；情景分析；洪水响应

1 概 述

流域洪水主要受气候条件和下垫面条件的影响。降雨是影响洪水的主要气候条件，其主要表现在降雨量及降雨强度两个方面。由人类活动造成的流域下垫面变化是多种多样的，其主要表现为：森林植被的破坏、快速城市化、河流上兴建水利工程和水土保持等。随着社会经济的发展，流域开发利用强度不断增强，由人类活动造成的下垫面变化日益剧烈，从而产生了一系列洪水问题。

下垫面是决定流域降雨产汇流过程的主要因素，近年来，下垫面对水文过程的影响已经成为研究热点。万荣荣等［1］利用HEC HMS模型模拟5种土地利用情景下的2次典型洪水过程，得出城市化会严重加剧流域暴雨洪水，而森林则有利于缓和流域暴雨洪水过程的结论。舒晓娟等［2］利用Wetspa模型模拟8种土地利用情景下的2次典型洪水过程，认为林类能削减洪峰和洪量，土地利用变化对小洪水的影响大于大洪水的。韩瑞光等［3］利用趋势回归分析法，分析了汛期暴雨量、洪峰流量及次洪量的变化趋势；并利用山区雨洪模型重演了80年代前典型洪水，研究结果反映了流域下垫面变化对洪水径流的影响。目前流域下垫面变化的水文响应侧重于土地利用／覆被，而对于具体土地利用的空间分布及水利工程的建设导致的洪水响应的研究较少。如何有效地揭示流域下垫面变化，尤其是土地利用空间分布变化和水利工程建设产生的洪水响应是急需解决的问题。

本文将运用情景分析的方法，利用栅格分布式水文模型对白盆珠水库流域下垫面变化引起的洪水响应进行定量分析，揭示下垫面变化对洪水影响的规律。

2 研究区域及研究方法

2.1 研究区域介绍

白盆珠水库流域位于东江一级支流西枝江上游的惠东县境内，东经115°－115°24′，北纬23°－23°24′之间，流域集雨面积856 km2。流域地处亚热带季风气候区，多年平均气温22℃，多年平均降雨量1 800 mm，是广东省暴雨高值区，4－9月份为雨季，占全年降雨量的82.3%，干湿季明显，雨量充沛。暴雨是流域内洪水形成的主要原因，暴雨中心大多出现在上游高潭－石涧一带，洪水呈现峰高量大，陡涨陡落，洪水历时短，水位变幅大等特点。流域内有高潭、新庵、马山和宝口4个镇。水库与下游堤围结合形成了惠州、惠阳、惠东3地主要的防洪体系，是保护下游沿江两岸城镇数十万人口及1.47万hm2农田防洪安全的关键性工程。

2.2 模型介绍

栅格分布式水文模型是在流溪河模型［4］框架基础上，以水文学、水力学等学科的理论为基础，构建了一个流域暴雨洪水模拟／预报的分布式物理水文模型，可用于缺少水文资料的流域、受水利工程影响的流域以及对稀遇洪水的模拟／预报。

模型总体结构：采用正方形网格对流域进行划分，将整个流域沿水平方向划分成一系列大小相等的正方形单元，如图1所示。流域内每个网格假定具有统一的流域物理特性和降雨量。模型垂直方向划分为3层：植被覆盖层、地表层和地下层；水平方向划分为坡面单元、河道单元和水库单元。栅格分布式水文模型产流采用蓄满结合超渗的混合产流模式，其中超渗产流计算采用Green Ampt方法［5］；在模型中植被覆盖层仅考虑截留和蒸发。汇流演算则采用的水动力学方法，坡面汇流采用一维运动波法，河道汇流采用一维扩散波法。

图1 栅格分布式水文模型结构图Fig.1 General structure of grid distributed hydrologicalmodel

边坡汇流采用一维运动波法，即忽略圣维南方程组的运动方程中的惯性项和压力项，结合曼宁公式［6］并采用有限差分法，可得

河道汇流采用一维扩散波法，即忽略圣维南方程组的运动方程中的惯性项，结合曼宁公式并采用有限差分法，可得

壤中流根据达西公式和水量平衡公式计算如下，

式中：z为土壤层厚度，Qlat为壤中流流量，vlat为壤中流流速，θ为土壤层含水率（%），r为时段内单元上的径流补给量，包括单元上产生的净雨量和上单元汇入的壤中流，Qper为渗漏量。

3 下垫面变化下的洪水响应

本文以东江流域的白盆珠水库子流域为例，通过ARCGIS9.3提取流域100 m×100 m分辨率的DEM、土壤、土地利用等数据构建白盆珠水库流域的栅格分布式水文模型。其中，DEM数据来源于美国航天飞机雷达地形测绘计划公共域免费提供的1″×1″分辨率DEM数据。土壤类型数据来源于国际粮农组织（FAO）于2008年发布的30″×30″分辨率中国土壤分布数据。土地利用类型数据是由2004年10月12日Landsat TM遥感影像数据进行监督分类［7］得到的。白盆珠水库流域目前的土地利用类型分为6类，其中水体3.8%、林地80.9%、耕地4.2%、草地1.9%、裸地5.9%以及建筑用地3.3%。并从白盆珠水库入库流量资料中选取1986至2000年28场次洪水资料，采用人工调参法获取模型参数，最后选取具有典型性的第19860711，19880719及19920508场洪水，分别代表大、中、小3场洪水进行模拟。

3.1 情景构建

根据该流域土地利用现状应用情景分析方法［8］构建9种流域下垫面情景如下：

情景1，以2004年作为现状年，土地利用状况见图2；情景2，毁林破坏情形下，假设流域内林地全部被砍伐，变成裸地；情景3，水土保持情形下，假设流域内裸地上植树造林，耕地上实行退耕还林；情景4，假设流域内城镇化高速发展，流域内高潭、新庵、马山和宝口镇居民用地面积密集型扩大，形成了4个居民城镇群，并采用ArcGIS 9.3分别以4个城镇为中心，以3.5 km为半径构建建设用地面积范围；情景5，流域内水利水电开发发展，4个一级支流上建设水库或水闸等水工建筑控制流量下泄，假设水工建筑以100 m3／s进行泄流，控制工程位置见图3；情景6，流域内只有草地一种土地利用类型；情景7，流域内只有耕地一种土地利用类型；情景8，林地在距离河道（4级河道，Strahler分级法）不同距离内（125，250，500，750，1 000 m）转为裸地；情景9，以面平均雨量作为模型输入，不考虑降雨空间分布情况下，上、中、下游林地分别转为裸地。

图2 情景1现状土地利用分布图Fig.2 Distribution of current land use in scenario 1

图3 情景5水工建筑的分布Fig.3 Distribution of hydraulic structure in scenario 5

图4 情景8下第19920508场洪水模拟结果Fig.4 The simulation results of No.19920508 flood in scenario 8

针对以上9种下垫面情景，选取洪量、洪峰流量和峰现时间作为洪水特征的评价指标。

3.2 结果分析

根据构建的各种情景下的流域下垫面情况，将土地利用／覆被及水工建筑属性输入模型，分别对大、中、小3场洪水进行模拟。各情景下的洪水特征值相对于情景1的变化值见表1。

由情景2可知，随着林地大面积的消失并转为裸地，相对于情景1洪水发生了明显变化，而这种变化对防洪减灾是不利的，表现为：洪量与洪峰流量均增加，并随着洪水量级的降低而增大，各量级洪水的峰现时间均提前。由情景3可知，在林地高覆盖率情况下，植树造林、退耕还林等林地保护措施对流域洪水的响应是不明显的。由情景4可知，随着流域内4个城镇的建设用地增加，使得洪量与洪峰流量少量的增加，其中小洪水的这种变化较为明显，且峰现时间提前。情景5的下垫面情景下造成的洪水响应相对于情景1的变化最大，水利工程改变流域汇流规律，对各支流洪水重新分配，使得大洪水洪量减少了15.6%，洪峰流量降低了29.3%。具有明显的消减洪峰减少洪量的作用，而且洪峰出现时间滞后，对小洪水的影响则相反。由情景6可知，退林植草，广植草地导致洪水的洪量和洪峰均增加，峰现时间提前，都是朝防洪不利的方向变化。可见草地较林地对降雨的截留能力要差，对洪水汇流的缓冲能力也低。由情景7可知，农业活动导致林地面积的减少对洪水的响应是敏感的，洪峰变化相对于洪量变化大。

表1 不同情景下模拟洪水特征变化Table1 Simulation of changes of flood characteristics in different scenarios

由情景8可知，在沿河道不同距离内林地遭破坏转为裸地对洪水的影响十分敏感，洪量和洪峰流量均随着距离的增加而线性增加，且小洪水的变化率高于大、中洪水。当距离达到125 m时，中、小洪水的峰现时间出现提前，而大洪水则在研究距离内未出现峰现时间的变化。以情景1和情景8的下垫面状态模拟流域典型小洪水（19920508场）见图4，可知，沿河道林地对洪水的响应非常敏感，洪水起涨时间与洪峰流量出现时间提前，退水过程加快，出现暴涨暴落的现象。

由情景9可知，流域上、中、下游林地的破坏对洪水有不同程度的影响，上游林地破坏造成洪峰和洪量增加量最大，中游次之，下游林地影响最小。典型小洪水（19920508场）模拟结果见图5，出现这种情况的主要原因是下游距离流域出口较近，流域下游洪水汇流的时间短，即使林地被破坏了，汇流速度加快，洪水的变化也不显著。然而白盆珠流域上游林地覆盖率高，林地遭破坏后，汇流速度加快，汇流至流域出口的时间减少，洪水起涨及峰现时间均提前，且洪峰和洪量方面明显增加。

图5 情景9下第19920508场洪水模拟结果Fig.5 The simulation results of No.19920508 flood in scenario 9

4 结 论

本文根据2004年流域现状下垫面状况，按情景分析方法构建9种下垫面情景，利用分布式水文模型模拟了白盆珠水库流域9种下垫面情景的3场典型洪水过程，定量分析了下垫面变化引起的洪水响应。

从计算分析结果可知：林地对截留降雨、消减洪峰和延缓洪峰滞时方面效果明显，林地面积的减少直接导致洪量和洪峰的增加；从情景8和情景9分析可知，沿河道林地对洪水的响应十分敏感，洪量和洪峰流量变化率与沿河道林地减少的距离成线性递增的关系；流域上游林地的减少对洪水的洪量、洪峰及峰现时间的影响明显大于中、下游。因此保护林地，特别是沿河道及流域上游的林地，对流域防洪减灾有重要意义。城市化过程中，建筑用地的增加，导致流域产流能力增加和汇流速度提高，最终致使洪峰流量的提高和峰现时间的提前，这对流域防洪减灾是不利的；流域内水利工程建设，可有效地控制流域内支流洪水，对流域防洪有积极意义。流域下垫面变化对洪水的响应，小洪水的响应大于大洪水。

［1］ 万荣荣，杨桂山，李恒鹏.流域土地利用／覆被变化的洪水响应——以太湖上游西苕溪流域为例［J］.自然灾害学报，2008，17（3）：10－15.（WAN Rong rong，YANG Gui shan，LIHeng peng.Flood Response to Land Use and Land Cover Change：A Case Study of Xitiao Rivulet Basin in Upper Reach of Taihu Lake［J］.Journal of Natural Dis asters，2008，17（3）：10－15.（in Chinese））

［2］ 舒晓娟，陈洋波，任启伟.基于Wetspa模型的流域植树造林的洪水响应［J］.人民长江，2009，40（24）：6－8.（SHU Xiao juan，CHEN Yang bo，REN Qi wei.Flood Response Analysis of Basin Afforestation Based on Wetspa Model［J］.Yangtze river，2009，40（24）：6－8.（in Chi nese））

［3］ 韩瑞光，冯 平.流域下垫面变化对洪水径流影响的研究［J］.干旱区资源与环境，2010，24（8）：27－30.（HAN Rui guang，FENG Ping.Effects of Sublayer and Land Cover Change on Flood in Daqinghe River Basin［J］.Jour nal of Arid Land Resources and Environment，2010，24（8）：27－30.（in Chinese））

［4］ 陈洋波.流溪河模型［M］.北京：科学出版社，2009.（CHEN Yang bo.Model of Liuxihe River［M］.Beijing：Science Press，2009.（in Chinese））

［5］ 李 毅，王全九，邵明安，等.Green Ampt入渗模型及其应用［J］.西北农林科技大学学报（自然科学版），2007，35（2）：225－230.（LI Yi，WANG Quan jiu，SHAO Ming an，et al.Green Ampt Model and Its Application［J］.Journal of Northwest A＆F University（Natural Sci ence Edition），2007，35（2）：225－230.（in Chinese））

［6］ 杨 润，温德清.曼宁公式中以平均水深代替水力半径的流量计算误差［J］.新疆电力技术，2007，（4）：43－44.（YANG Run，WEN De qing.Flow Calculation Error of Replacing Hydraulic Radius with Average Water Depth in Manning’s Formula［J］.Xinjiang Electric Power Tech nology，2007，（4）：43－44.（in Chinese））

［7］ 赵春霞，钱乐祥.遥感影像监督分类与非监督分类的比较［J］.河南大学学报（自然科学版），2004，34（3）：90－93.（ZHAO Chun xia，QIAN Le xiang.Comparative Study of Supervised and Unsupervised Classification in Re mote Sensing Image［J］.Journal of Henan University（Natural Science），2004，34（3）：90－93.（in Chinese））

［8］ 万荣荣，杨桂山.流域LUCC水文效应研究中的若干问题探讨［J］.地球科学进展，2005，24（3）：25－33.（WAN Rong rong，YANG Gui shan.Discussion on Some Issues of Hydrological Effects of Watershed Land Use and Land Cover Change［J］.Progress in Geography，2005，24（3）：25－33.（in Chinese） ）

（编辑：王 慰）

Flood Response Caused by Underlying Surface Change in Baipenzhu Reservoir Basin

CHEN Yu1，HUANG Feng hua2，KONG Ci fen3
（1.Department ofWater Resources and Environment，Sun Yat sen University，Guangzhou 510275，China；2.Guangdong Research Institute ofWater Resources and Hydropower，Guangzhou 510610，China；3.College of Geography and Tourism，Chongqing Normal University，Chongqing 400047，China）

In association with GIS technology，grid distributed hydrological model is used to study the flood re sponse caused by underlying surface change in the sub basin of Baipenzhu reservoir in Dongjiang River basin.In light of the status quo of land use in this basin，9 underlying surface scenarios are built by scenario analysis，and three typical floods respectively of large，medium，and small scale are chosen to quantitatively analyze the flood re sponse caused by underlying surface change.It is found that forestry and its spatial distribution can effectively re tain rainfall，reduce flood peak，and postpone flood peak lag time.In this sense，the protection of forestry，in par ticular，forestry along the river channel and in the upper reaches of the basin，is significant for the flood control and disastermitigation in the basin.Moreover，since urbanization will increase runoff yield and speed up confluence，which is detrimental to flood control，hydropower projects are of great help by controlling floods in tributaries of the basin.Response of big floods caused by underlying surface change is greater than that of small floods.

Baipenzhu reservoir basin；distributed hydrologicalmodel；underlying surface change；scenario analy sis；flood response

P334.92

A

1001－5485（2011）08－0001－04

2010 10 21

陈 瑜（1987 ），女，重庆万州人，硕士研究生，主要从事水文水资源方面研究，（电话）13560251797（电子信箱）chchbox＠qq.com。