下垫面变化对流域洪水特性的影响分析

田传冲 黄冬菁 马海波

摘要：下垫面的改变直接影响流域的洪水特性。以山东省西北部的小清河中上流域为研究对象，在利用SCS Curve Number方法对比计算1985年和2008年下垫面考虑坡度修正的曲线数（CN乏，）的基础上，利用HEC-HMS模型模拟了两种下垫面条件下的径流，并分析量化了下垫面变化对研究区洪水特性的影响。结果表明：研究区2008年的建设用地面积比1985年增长了112.22%，除8个子流域的CNZS值减小之外，其余41个子流域的CN2S值都不同程度增大，增幅为0.10%～32.33%；在相同降雨条件下，2008年的下垫面条件更容易产流，对于出流口而言，洪峰平均增大14.6%，洪量平均增加16.4%，峰现时间平均提前5h。

关键词：下垫面；小清河流域；HEC-HMS模型；洪水特性

中图分类号：TV122 文献标志码：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.004

下垫面是多种因素的综合体，主要是指流域的土地利用类型、地形、地质构造、土壤和岩石性质等情况[1]。联合国开发计划署预测2050年世界人口的70%将生活在城市地区[2]，城市化进程会使下垫面条件产生剧烈的变化，如土地利用类型、土地覆盖种类等，从而影响流域的洪水特性。许多学者就城市化导致的下垫面变化对流域洪水特性的影响进行了探索，结果表明：随着城市化的快速发展，流域内建设用地（居民区、工业区、商业区等）不断扩张，使相当一部分面积为不透水表面覆盖，而不透水面积的增大导致降雨入渗减少、降雨径流响应速度加快、小洪水重现期变短等现象，使得暴雨洪水风险大大增加[3-8]。本文在前人研究的基础上，根据DEM、土壤类型、遥感影像、雨量及次洪等基础数据，首先利用SCS Curve Number方法定量评估不同下垫面条件的变化，然后根据其计算结果选用HEC-HMS水文模型模拟计算不同降雨在不同下垫面条件下的产汇流情况，进而量化下垫面变化对洪水特性的影响，以期进一步揭示下垫面变化对水文过程的影响机制，为科学合理地推进城市化、防治城市洪涝灾害提供科学依据及决策支持。

1 研究区情况

1.1 研究区概况

把位于山东省西北部的小清河中上流域（岔河水文站以上）作为研究区，流域面积约为5450km2。研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候区，多年平均降水量为617.2mm，主要集中于每年的6-9月，其降雨量约占全年的75.5%。研究区内地势南高北低、西高东低，海拔高程为5～892m（1956年黄海高程）（见图1）。研究区内植被覆盖受地形变化影响，南部高海拔地区主要是落叶阔叶林，中部低山丘陵区以用材林和经济林为主，平原地区的农作物主要包括小麦、玉米、马铃薯等。

小清河作为流域内的干流，是研究区内重要的防洪排涝河道。由于地形特殊，因此研究区内的支流绝大部分由南至北汇人小清河，呈典型的单侧梳齿状分布（见图1）。研究区包括济南、淄博、章丘、邹平以及桓台的全部或大部分地区，其城市化进程始于20世纪80年代初期，90年代之后城市化进程逐年加快，到2010年左右达到高峰[9]。在2007年遭遇严重的洪灾之后，政府加大了研究区内防洪排涝工程的资金投入，对研究区进行了大规模治理，包括航道整治、水库维护及蓄滞保护等[10]。

1.2 数据集

应用的数据主要包括DEM、遥感影像、土壤类型、雨量站及水文站的分布和雨量流量资料。研究区在2008年之后经历过大规模整治，为了保证汇流过程不会受到水利工程和骨干河网变化的较大影响，同时考虑研究区的城市化进程及数据获取的完整性、准确性，本文选用的是2004年的30m分辨率的DEM数据和1985年、2008年的兩期遥感数据，均可从地理空间数据云（www.gscloud.cn）上获取。土壤类型分布根据山东省第二次土壤普查资料进行统计绘制。雨量站、水文站位置及对应的19800628、19820616、1983072719840713、19850811、20060626、20060803、20070718、20070815、20080717共10场次洪的雨量、流量资料均通过中国水文年鉴中的黄河流域水文资料进行获取分析。

2 模型介绍

2.1 SCS Curve Number计算方法

Curve Number（CN）值是反映流域降雨前下垫面特征的一个综合无因次参数，它与流域前期土壤湿润程度（AMC）、土地利用状况、坡度、土壤类型等有关。SCS CN计算方法根据次降雨前的5d总降雨量将流域土壤湿润程度（AMC）划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3个等级。同时，考虑土地利用、土壤类型等因素，给出了AMC Ⅱ条件下流域的CN2值赋值标准。根据式（1），可将AMCⅡ条件下的CN2值换算成AMCⅠ和AMCⅢ条件下的CN1，CN3值：

CN1=CN2-

20×（100-CN2）

100-CN2+exp[2.533-0.0636×（100-CN2）]

CN3=CN2×exp[0.0673×（100-CN2）]

（1）式中：CN1、CN2、CN3分别为AMCⅠ、Ⅱ、Ⅲ条件下未考虑坡度的曲线数。

由于研究区高程变化明显，子流域的平均坡度不等，因此根据式（2）对CN2值进行坡度修正，计算得到各子流域CN2s：式中：CN2S为坡度调整后AMCⅡ条件下的径流曲线数；s为子流域平均坡度，%。

2.2 HEC-HMS模型

选用由美国陆军工程师团水文工程中心开发研制的The Hydrologic Engineering Centers HydrologicalModel System （HEC-HMS）来模拟计算研究区的径流过程。HEC-HMS为半分布式水文模型，其基本原理是将研究流域划分成若干子流域，对每一个子流域在根据其自身下垫面条件估算有关参数的基础上进行降雨径流过程模拟计算，然后将各子流域的计算结果演算到流域出口处，进而得到整个流域的降雨径流过程[11-12]。HEC-HMS模型包括流域模块、控制设置模块、气象模块及数据输入模块（见图2）。HEC-GeoHMS嵌入在ArcGIS之中，可以对DEM、土地利用及土壤数据进行预处理。HEC-DSSVue为模型对应的数据存储软件，方便模型的数据调用。

流域模块是HEC-HMS模型的核心，为模拟计算流域的产汇流过程，该模块提供一套水文建模选项，可根据流域的具体特性和数据资料来进行选择。本文选用反距离平方加权计算法（Inverse distance）来计算流域内降雨量；选用SCS CN方法计算流域的产流，因为CN值不仅可以对流域的下垫面情况进行定量描述，而且还方便对下垫面的变化进行对比分析；选用Snyder单位线法计算流域的坡面汇流；选用马斯京根法进行河道汇流计算；选用退水曲线法进行基流计算；跟众多研究相似，流域的蒸散发损失相对于暴雨洪水时的径流量可忽略不计[13-14]。

3 模型构建

3.1 数据处理

3.1.I DEM处理

考虑到人类活动的影响，基于研究区2004年的实际水系图，首先利用HEC-GeoHMS中的“DEM Recon-ditioning"命令对初始DEM进行修正，同时根据流域出口（岔河水文站）的设定，将研究区划分为49个子流域（见图3），并对各子流域进行平均坡度计算；然后利用HEC-GeoHMS对DEM进行进一步水文分析，建立研究区HEC-HMS基本模型（见图4）。

3.1.2 遥感影像处理

相比其他遥感解译软件，ENVI不仅可以对遥感影像进行精确解译，而且还可以将数据导入GIS，利用其强大的数据处理功能，方便用户的数据分析。研究区土地利用分类参考中国土地资源分类标准，并结合SCS CN方法进行综合考虑，具体划分为耕地、建设用地、林地、水域及草地5类。由于研究区的两期遥感影像分属不同的两景，考虑到不同景影像拍摄的时相可能会导致影像色彩有所区别，因此首先对不同景的影像进行解译，然后再进行转换拼接，进而分别得到研究区1985年、2008年的土地利用图（见图5）。

3.1.3 土壤数据处理

研究区的土壤分为褐土、黄垆土和潮土（见图6），其与SCS CN方法中的土壤类别不太相同，为了保持一致，方便CN值的计算，需将研究区的土壤类型根据其不同属性进行重分类（见表1，其中D、A均为SCSCA方法中的土壤分类代号）。

3.1.4 雨量流量资料处理

研究区内雨量站和水文站的分布在1985-2008年变化很小（见图7）。考虑实测雨量、流量资料的完整性和可获取性，同时为保证次降雨均处于AMCⅡ情况下，针对1985年下垫面条件选择了19800628、19820616、19830727、19840713及19850811共5场次洪过程，针对2008年下垫面条件选择了20060626，20060803、20070718、20070815及20080717共5场次洪过程（见表2）。实测降雨径流时间序列数据大部分是不规则的，利用HEC-DSSVue中的数学函数功能可以对不规则的数据进行时间插值，进而转换时间间隔同为1h的雨量和流量数据。

3.2 模型率定与验证

将计算出来的各子流域的两期CN2S值分别录人HEC-HMS模型基本文件，即可分别建立基于1985年和2008年下垫面条件的HEC-HMS模型，再根据对应选择的次洪过程，便可分别对模型进行率定与验证，具体参数对比见表3。若仅考虑CN，则说明研究区的产流能力变强；若仅考虑im，则说明研究区的直接径流量增大；若仅考虑tp，则说明研究区的汇流速度变大；若仅考虑Qp则说明研究区的洪峰损失变小，峰值变大；若仅考虑K，则说明研究区的河道汇流速度变快。

為了对实测值与模拟值进行量化比较，保证参数率定验证的正确性，利用式（3）中的评价指标——洪量相对误差（Dv）、洪峰流量相对误差（Dp）、峰现时间误差（△T）及确定性系数（E）对模型参数进行约束（见表4）。

Dp=（Qsp-Qop）/Qop×100（3）

ΔT=Tsp-Top式中：Qoi、Qsi分别为i时刻径流的实测值和模拟值，m3/S；Qop、Qsp分别为时间段内实测和模拟的洪峰流量值，m3/S；Top、Tsp分别为时间段内实测和模拟的峰现时间；Qo为时间段内实测流量的平均值，m3/s。

基于1985年下垫面条件的HEC-HMS模型，对于其率定期的3场洪水，E均大于0.850，平均值为0.913；Dv和Dp的绝对值平均值均小于10%；ΔT的绝对值平均值为1h。对于验证期的两场洪水，模型计算结果和率定期的基本类似，Dv和Dp的绝对值平均值略有增大，但也均在合理范围之内。基于2008年下垫面条件的HEC-HMS模型，对于其率定期的3场洪水，E均大于0.850，平均值为0.917；Dv和Dp的绝对值平均值均小于10%；ΔT的绝对值平均值为2h。对于验证期的两场洪水，模i卿计算结果和率定期的也基本类似，Dv的绝对值平均值略有增大，但也在合理范围之内。

总体来说，基于1985年和2008年下垫面条件构建的HEC-HMS模型，其率定和验证结果均能满足要求，可以较好地模拟研究区的降雨径流过程，利用其模拟不同降雨所产生的径流过程，具有一定的可靠性和合理性。

4 结果分析与讨论

4.1 土地利用及子流域CN2S值变化分析

根据ENVI的解译结果，可分析计算出研究区1985-2008年土地利用变化情况（见图8）。1985年以来研究区受人类活动影响强烈，建设用地面积由1138.84km2增长为2 416.82km2，增长112.22%，这与实际的社会经济指标相一致。耕地面积由2262.35km2缩减为1538.06km2，缩小32.01%；草地面积由1521.62km2缩减为879.89km2，缩小42.17%，城市化与耕地、草地保护之间的矛盾日益突出。研究区内水库、湖泊等的建设使水域面积由47.13km2增长为63.22km2，增长34.14%，这与流域防洪的需求相一致。研究区内的林地面积由481.10km2增长到554.17km2，增长15.19%，这反映了研究区内退耕还林、恢复森林植被等措施实施效果良好。

考虑研究区土地利用、土壤类型、地形坡度等因素，在计算各子流域CN2S值的基础上，可对比分析其从1985年至2008年的变化情况（见图9）。子流域CN2S值变化率从-8.08%至32.33%n不等，平均增长率为4.78%，平均增加3.1%。CN2S值负增长的子流域包括B1、B2、B3、B5、B7、B8、B22、B24，8个子流域均位于小清河沿岸不Nzs值减小的主要原因是这些区域进行过综合整治，被开发为湿地公园，子流域内建设用地、耕地面积减小，草地、林地面积增加。CNZs值增长率介于0～5%的子流域个数为26个，占子流域总数的53.1%。CN2S值增长率大于5%的子流域主要集中在济南市区、淄博市区以及邹平和章丘的中部，这也是城市化后建设用地增大的必然结果。

4.2 下垫面变化对研究区洪水特性的影响分析

将20060626、20060803、20070718、20070815、20080717共5场次降雨数据调入1985年下垫面条件下的HEC-HMS模型，可模拟“未来"5次降雨在1985年下垫面条件下的产流（见图10）。将19800628、19820616，19830727、19840713、19850811共5场次降雨数据调入2008年下垫面条件下的HEC-HMS模型，可模拟计算过去5次降雨在2008年下垫面条件下的产流（见图11）。

根据所选10次降雨在不同下垫面条件的径流模拟结果，可得研究区30余a来下垫面变化对次洪特性的影响（见表5）：①对于洪峰流量，除19820616次降雨在2008年下垫面条件下的洪峰流量比在1985年下垫面条件下的小之外，其他9场降雨在2008年下垫面条件下的洪峰流量均比在1985年下垫面条件下的大，增幅为9.3%～35.3%，10场降雨的平均增长率为14.6%。②对于洪量，10场降雨在2008年下垫面条件下的洪量均比在1985年下垫面条件下的大，增幅为0.3%～41.0%，平均增长率为16.4%；③对于峰现时间，10场降雨在2008年下垫面条件下的峰现时间均比在1985年下垫面条件下的提前，平均提前5h。

10场降雨在两种下垫面条件下模拟的次洪特性的变化值均不相同，可以认为次洪的基本特性除受下垫面的影响之外，降雨（强度、空间分布、持续时间等）影响也较大。总体来说，1985年之前，研究区内城市化活动尚未大规模展开，流域的滞蓄能力相对较强，不透水面积所占比重较小；经过大规模城市化之后，研究区内土地利用类型的比例发生变化，不透水面积比重和CN2S值增大，导致同样降雨条件下所产生的洪峰变大、洪量增大、峰现时间提前。

5 结论

（1）研究区共划分为49个子流域，CN巧值平均增长率为4.78%，其中：41个子流域的CNZs值有不同程度增大，增幅为0.10%～32.33%，增幅大于5%的主要集中在济南市区、淄博市区等处，是城市化后建设用地增大的结果川Nzs值减小的子流域主要分布在小清河

（2）利用洪量的相对误差Dv、洪峰流量的相对误差Dp、峰现时间误差OT以及确定性系数E共4个指标同时对1985年和2008年下垫面条件下的HEC-HMS模型进行了检验，结果表明经率定验证后的模型均能较好地模拟研究区的降雨径流过程，构建的模型在研究区有较好的适用性。利用其模拟不同降雨产生的径流过程，具有一定的可靠性和合理性。

（3）根据10场降雨在两种下垫面条件下径流的的模拟结果，可知相对于1985年下垫面，2008年下垫面条件更容易产流，洪量平均增大16.4%、洪峰平均增大14.6%、峰现时间平均提前5h。总体来说，研究区在1985年之前，城市化活动尚未大规模展开，不透水面积所占比重较小，滞蓄能力相对较强；经过大规模城市化之后，土地利用类型的比例发生变化，不透水面积比重增大，流域的CN器值增大，导致同样降雨条件下所产生的洪量增大、洪峰变大、峰现时间提前。

（4）对于研究区子流域，由于降雨空间分布及下垫面自身情况的不同，因此其表现出来的径流响应是不同的。在本文基础上分析下垫面变化对子流域径流响应特性正、负效应的影响，阐明子流域降雨量、直接径流量、下垫面变化之间的关系，将是笔者下一步的研究内容。

参考文献：

[1]詹道江，叶守泽.工程水文学[M].北京：中国水利水电出版社，2000：13.

[2]李永乐，昊群，舒帮荣.城市化与城市土地利用结构的相关研究[J].中国人口·资源与环境，2013，23（4）：104-110.

[3]李丽娟，姜德娟，李九一，等.土地利用/覆被变化的水文效应研究进展[J].自然资源学报，2007，22（2）：211-224.

[4]DELGADO J，LLORENS P，NORD G，et al.Modelling theHydrological Response of amediterraneanmedium-SizedHeadwater Basin Subject to Land Cover Change：The Car-dener River Basin（NE Spain）[J].Journal of Hydrology，2010，383（1）：125-134.

[5]陳晨，罗军刚，解建仓，等.径河流域近80a径流变化趋势及特征分析[J].人民黄河，2013，35（1）：26-28，38.

[6]ALI A，NOSHEEN G，KHAN K A.The Unforgettable IndusRiver Flood-2010：A Review[J].Hydro Nepal Journal ofWater Energy and Environment，2011，9：48-51.

[7]罗鹏，宋星原.基于栅格式SCS模型的分布式水文模型研究[J].武汉大学学报（工学版），2011，44（2）：156-160.

[8]董国强，杨志勇，史晓亮，等.基于SWAT模型的滦河流域径流模拟[J].人民黄河，2013，35（6）：46-49，52.

[9]徐祥功.小清河流域中上游段城市化对水环境影响研究[D].济南：山东大学，2015：11-15.

[10]张海坤.小清河防汛决策支持系统研究[D].济南：山东大学，2009：5-14.

[11]YUAN Y P.Urbanization Impacts on flooding in the KansasRiver Basin and Evaluation of Wetlands as Amitigationmeas-ure[J].Transactions of the Asabe，2012，55（2）：849-859.

[12]SANYAL J，DENSMORE A L，CARBONNEA U P.Analy-sing the Effect of Land-Use/Cover Changes at Sub-Catchment Levels on Downstream Flood Peaks：A Semi-Distributedmodelling Approach with Sparse Data[J].Cate-na，2014，118：28-40.

[13]MCCOLL C，AGGET G.Land-Use Forecasting and Hydro-logicmodel Integration for Improved Land-Use DecisionSupporl[J].Journal of Environmentalmanagement，2007，84（4）：494-512.

[14]CHEN Y，XU Y，YIN Y.Impacts of Land Use Change Sce-narios on Storm-Runoff Generation in Xitiaoxi Basin，China[J].Quaternary International，2009，208（1）：121-128.