潖江滞洪区森林植被覆盖率与防洪减灾的耦合关系1)

丛沛桐 于慧敏 韦 未 郭凤清

(广东省水利水电科学研究院，广州，510610) (天津师范大学) (华南农业大学)

潖江滞洪区森林植被覆盖率与防洪减灾的耦合关系1)

丛沛桐 于慧敏 韦 未 郭凤清

(广东省水利水电科学研究院，广州，510610) (天津师范大学) (华南农业大学)

采用森林水文学、陆地水文学及3S技术原理与方法，基于遥感影像NDVI指数与水文学模型参数的关联，构建森林植被覆盖率与洪水淹没耦合关系模型，计算了现状和高植被覆盖率情景下潖江滞洪区可能出现的洪水灾害。当潖江口分洪百年一遇洪水时，70％植被覆盖率情景与现状条件相比，淹没面积减少32.8％，农业损失减少40％，固定资产投资减少13.4％，提高了人员生命安全的保障程度。

森林水文效应;洪灾评估;潖江滞洪区

目前有关森林植被与洪水淹没数量关系的研究还比较少，现有的研究主要集中于河川径流的水文观测和野外定位观测。而对于滞洪区来说，是很难获得实际观测数据的，使得森林植被与洪水减灾的关系研究比较多的限于定性分析[1]，缺乏量化评价，主要问题在于难以界定两者之间是通过哪些参数进行量化衔接，目前还未见有这方面的研究和报道。为此，本文从森林生态学与水文学的学科特点出发，结合广东省重点科技计划项目，以北江流域潖江滞洪区为研究对象，解析滞洪区森林植被主要通过影响洪水淹没的几何形态、糙率、泥沙侵蚀、冲刷和淤积特性[2]，来改变洪水演进路径、推进速率，降低破坏力，从而达到抑制洪水破坏程度的作用机理和减灾功效。

1 研究区概况

潖江是北江的支流之一，主要流经广东省清远市佛冈县境(图1)，全长100多km，流域面积903.5km2，丰水年径流量23.87×108m3，枯水年径流量11.89×108m3。汇集了耀洞水、诚迁水、龙南河、黄花河、四九河、熬头水、民安河等支流，在清新县飞来峡镇附近汇入北江[3]。

潖江滞洪区地理位置东经 113°12′～113°47′、北纬 23°33′～23°58′，是广东省重要的林业基地和珠江三角洲绿色生态屏障，有林地面积83 532.21 hm2，2010年森林覆盖率56.6％。本区境内以低山丘陵为主，总体地势东北和南部较高，山地丘陵海拔在1 000m以下，中间河谷地带较低，低洼地地面高程12～15m(珠基，下同)。25m 以下面积100.8km2，耕地0.568万hm2(其中水田0.447 hm2)。滞洪区受北江洪水影响明显，当北江上游来水达到2 000m3/s时，北江干流部分水流在飞来峡镇附近的潖江口倒灌入潖江滞洪区，进入滞洪区后洪水演进运动规律复杂。

图1 研究区地理位置及河流水系

2 研究方法

本文采用3S技术与方法，将森林植被层与水文层在GIS平台上耦合。通过遥感方法解译出滞洪区森林植被覆盖率指标(NDVI指数)，该指数是淹没区水文学模型中糙率和涡黏性系数的直接表现，通过二者之间相关关系分析后，将NDVI指数转化为河床糙率和涡黏性系数，输入水文模型，从而建立森林植被覆盖与淹没区洪水相互耦合的模型技术方法。

2.1 遥感植被指数提取技术

在ENVI遥感影像处理平台上，对研究区进行归一化植被指数计算，采用资料包括近期TM遥感影像图及1∶5万地形图。图像数据预处理包括遥感影像的几何校正、研究区的裁剪等基础工作。根据佛冈县1∶5万地形图，对遥感影像进行几何校正，采用二次多项式拟和法进行影像配准，然后运用邻近点插值法进行重采样，误差控制在一个像元内。

归一化植被指数NDVI采用TM影像2个波段值，第一波段(近红外)和第二波段(红外波段)[4]。

计算公式:

式中:Xnir为近红外波段;Xred为红外波段。

2.2 MIKE21水文学模型技术

MIKE21是丹麦水动力学研究所开发的二维水动力学计算模型，潖江滞洪区水文学模型洪水演算采用该平台提供的平面二维非恒定流[5]，基本控制方程为:

x方向运动方程:

y方向运动方程:

式中:x、y、t分别为空间、时间坐标;U为x方向流速;V为y方向流速;Z为水位;h为水深;u、v分别为垂线平均流速在x、y方向的分量;n为曼宁糙率系数;c为谢才系数，c=(1/n)h1/6;vt为紊动黏性系数;g为重力加速度。

采用有限差分法对上述方程进行求解。

2.3 耦合模型

将NDVI指数转化为坡面糙率及沿程摩阻与局部摩阻系数，输入MIKE21水文模型中，基于水文模型分析计算森林植被覆盖率对滞洪区洪水淹没的影响。

3 结果与分析

在遥感软件平台上解译出研究区现状NDVI指数分布(图2)，按70％植被覆盖率情景解译出高覆盖率模拟NDVI指数分布(图3)。

图2 研究区现状NDVI指数分布(植被覆盖率56.6％)

基于潖江滞洪区历史洪水进行模型验证、率定和计算，以分洪区入口水位15m、流速2m/s为边界条件，2010年9月为基准，百年一遇洪水在潖江口分洪进入滞洪区，按现状和模拟2个情景计算。计算结果表明:洪水在模拟植被高覆盖率(70％)情况下，淹没范围主要集中在潖江干流及支流熬头河等水系，淹没水深大部分小于2m。该水深主要淹没地势低平的河流沿岸农田，分洪时大部分农业造成损失(图4)。

图3 研究区高覆盖率模拟情景NDVI指数分布(植被覆盖率70％)

图4 高植被覆盖率(70％)洪水淹没水深

图5 现状植被覆盖条件下洪水淹没水深

相比而言，按现状条件计算，洪水危害性增加，大部分淹没区水深在2～3m之间(图5)，已对村民人身安全造成危险，应按防洪预案指定人员转移路线和避险方案[6]，对于分布在可能淹没范围内的村镇和企业，以及重要工业和基础设施的建设应充分考虑防洪安全标准，避免出现严重的财产损失。分析洪水计算成果，结合电子地图计算两种方案的淹没范围，评估淹没区企业和农田受损状况[7]，统计淹没区财产损失(表1、表2)。经统计，当遭受百年一遇洪水时，以2010年9月为准，当潖江滞洪区植被覆盖率达到70％时，淹没面积比现状减少了32.8％，农业损失减少40％，固定资产投资减少13.4％。因此，通过植树造林，提高森林覆盖率，可有效减少滞洪区财产损失，尤其是提高了人员生命安全的保障程度。

表1 滞洪区主要镇投资及产值(2010年9月) 万元

表2 不同植被覆盖方案洪灾损失评估(2010年9月)

4 结论

采用遥感影像NDVI指数图模拟森林植被覆盖情景，可构建森林覆盖率数量化评价技术方法。

在GIS平台上，通过糙率等参数与NDVI指数关联，耦合植被覆盖层与水文层，定量分析评价不同植被覆盖率对滞洪区洪水的调节作用。

基于电子地图，在地理信息平台上实现了快速评估不同森林覆盖率情景下，特定洪水造成的淹没区财产损失。

[1] 李少华，沈冰.地理信息系统在洪水预报中的应用[J].西北水力发电，2002，18(1):9-12.

[2] 刘仁义，刘南.一种基于数字高程模型DEM的淹没区灾害评估方法[J].中国图像图形学报，2001，6A 版(2):118-122.

[3] 白景昌.基于遥感与地理信息系统的洪灾风险区划研究[D].北京:中国科学院研究生院，2004.

[4] 罗亚，徐建华，岳文泽，等.植被指数在城市绿地信息提取中的比较研究[J].遥感技术与应用，2006，21(3):212-219.

[5] 丛沛桐，黄锦林，王瑞兰.潖江滞洪区洪灾风险区划研究[J].广东水利水电，2005(6):10-12.

[6] 丁志雄.基于RS与GIS的洪涝灾害损失评估技术方法研究[D].北京:中国水利水电科学研究院，2004.

[7] 徐雨清，王兮之，梁天刚，等.遥感和地理信息系统在半干旱地区降雨—径流关系模拟中的应用[J].遥感技术和应用，2000，15(1):28-31.

Coupling Relationship Between Forest Coverage Rate and Flood Control and Disaster Reduction in the Detention Basin of Pajiang River

/Cong Peitong(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower，Guangzhou 510610，P.R.China);Yu Huimin(Tianjin Normal University);Wei Mo，Guo Fengqing(South China Agricultural University)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-104～105，111

Hydrological effects of forest;Flood disaster assessment;Detention basin of Pajiang River

S715.7

1)广东省重点科技计划项目(2003C32601)，广东省水利科技计划项目。

丛沛桐，男，1965年2月生，广东省水利水电科学研究院，现工作于华南农业大学水利与土木工程学院，教授。E-mail:congpeitong@163.com。

2011年3月29日。

责任编辑:张 玉。

A study was conducted to develop a coupling model between the forest coverage rate and flood submerged area according to the principles of forest hydrology，land hydrology and 3S technology，based on the relationship between Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)for remote sensing images and parameters of hydrology models.The possible flood disasters in Pajiang River were analyzed under the current situation as well as at a high forest coverage rate.When a flood with a frequency of one hundred years occurs，the floor submerged area，the agricultural loss，and the fixed assets investment will reduce by 32.8 percent，40 percent and 13.4 percent respectively at a coverage rate of 70 percent，compared with those under the current situation.This results show that the guarantee of life safety can be improved in the detention basin of Pajiang River when the forest coverage rate is 70 percent.