森林覆盖率变化对流域洪水特性影响的数值模拟

姚 原，顾正华，李 云，辜樵亚，范子武

(1. 浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058；2. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

洪水对人类发展产生极其重要的影响，森林对流域的产汇流过程有着复杂的影响机制，从而具有诸多生态功能[1-2]。河南驻马店地区1975年8月洪水爆发，在森林覆盖率仅20%的板桥、石漫滩地区，大坝决堤，而在森林覆盖率90%的东风水库上游，大坝完全脱险。陕西省留坝县上南河流域和火烧店流域的地质情况相同，在1981年暴雨期间，两地降雨量均为830 mm，森林植被高强度砍伐的上南河流域40%河坝地被冲毁，而森林植被良好的火烧店流域，在持续4 h的涨水中，水势缓慢，农田、公路等均状况良好。这表明森林植被覆盖率对水文过程的影响十分显著。为充分了解森林的防洪作用，开展森林覆盖率变化对流域洪水特性的影响研究对流域防洪减灾具有重要意义。

目前关于森林植被的水文效应研究主要有以下3种方法：试验流域法、水文参数分析法和水文模型法。试验流域法对森林水文效应的评估最为准确，但因试验周期长，难以应用于较大尺度流域而受到限制[3-4]。水文参数分析法对代表性的水文参数进行分析计算，操作简单，意义明确，仅对流域水文资料有较大的精度要求，但该方法缺少对物理过程的描述，只能对森林的水文效应做简单描述[5]。水文模型法通过对自然界的水文现象进行抽象概括，通过建立准确的模型来模拟水文过程。自20世纪50年代中期斯坦福流域模型被开发出来后，水文模型开始快速发展。从集总式的HBV模型、SAC模型等到半分布式或分布式的SWAT模型、TOPMODEL模型、SHE模型等[6]，诸多模型的应用大大加快了流域水文过程的研究进展。进入21世纪后，基于DEM的分布式水文模型是水文模型发展的重点方向[7-9]。

水文界关于森林覆盖对洪水影响的定性研究成果丰硕，多数研究成果表明森林具有拦蓄降雨、降低径流系数和削减洪峰的功能[10-11]，但关于定量化分析不同森林覆盖率对流域洪水特性影响的研究成果仍较少。本文以浙江丽水市的小溪流域为研究区域，利用分布式水文模型MIKE SHE建立小溪流域生态水文模型，设计了不同的模拟工况来模拟森林覆盖变化下的洪水过程，研究森林覆盖率定量增长对该流域洪水特性的影响规律。

1 小溪流域分布式水文模型的建立

1.1 研究区概况

小溪流域位于浙江省丽水市青田县、庆元县及景宁县境内，流域面积1 800 km2，平均坡降为1.2%。流域干流上自沙湾水电站，从鹤口入青田县境，下至巨浦水文站，干流长近120 km，间有6条较大支流交汇于小溪。流域属中亚热带季风气候带，临近东海，受海洋影响较大，具有较明显的亚热带海洋性季风气候特征。丽水市1971—2017年多年平均气温17.9 ℃，多年平均降雨量1 599 mm。土壤以红壤土为主，森林多为常绿阔叶林和针叶林。流域内的主要水文站有沙湾水文站和巨浦水文站（图1）。

图 1 小溪流域方位及水文站空间分布Fig.1 Spatial distribution of Xiaoxi watershed and hydrological stations

1.2 模型构建

1.2.1 流域分布式水文模型 采用的MIKE SHE模型是丹麦水利研究院在20世纪90年代初开发并发展的分布式流域水文模型。模型主要由6个独立并且相互联系的子模块组成来描述产汇流：截留/蒸发（ET）、坡面漫流（OL）、河道汇流（OC）、非饱和带流（UZ）、饱和带流（SZ）和融雪（SM）。对每一个水文过程都可以用1个子模块来进行描述，根据具体需要可将不同模块进行组合，建立符合自身研究需要的水文过程[12]。进行模拟时，MIKE SHE将主要的水流过程进行动态耦合，采用Richard方程一维模拟水分入渗过程，根据具体地面流情况选用水量平衡方程进行二维模拟，对饱和带的饱和水流采用地下水流模型进行三维模拟，以非线性的Boussinesq方程进行模拟计算，将地表水与地下水在空间与时间上进行耦合。区别于其他分布式模型，MIKE SHE在空间信息的分布式采集时对森林的生长特性描述和融雪过程模拟等具有较明显的优势，并能完全与GIS数据库耦合。

1.2.2 计算条件 （1）地形数据：流域坡面采用来自STER GDEM V2的高程数据产品（DEM），分辨率为30 m。利用Arc GIS10.2合并图幅，截取小溪流域水系，经过填洼并矢量化后生成流域水系和边界，形成数字高程模型。流域河道地形采用CAD格式的20 m间距等高线，利用MIKE11进行建模，并将其与MIKE SHE坡面地形进行耦合。

（2）网格设置：模拟区域平面尺寸长约81 km，宽约58 km，平面网格设置为正方形规则网格，X方向网格数量为81个，Y方向网格数量为58个，网格大小为1 km × 1 km。垂向上通过多个水平层处理土壤剖面的差异性，垂直网格划分为50层，每层厚度为1 m。河道汇流中每个实测断面位置为水位计算点（h点），两个水位计算点中点处为流量计算点（q点）。计算过程中，h点和q点按照顺序交替进行计算。

（3）潜在蒸散发计算：通过资料收集与整理得到流域的风速、大气压、相对湿度、日最大温度、日最小温度、日均温度、日照时数、海拔与经纬度数据，根据1943年英国学者彭曼提出的FAO Penman-Monteith公式计算得到流域潜在蒸散发序列。

（4）其他计算条件：降雨采用丽水市水文站的实际数据，流域上游入口流量采用沙湾水文站实际数据；丽水市市域范围内土壤覆盖主要为红壤土，在模型中统一设置为细粒径的红壤土；根据丽水市城市总体规划报告(2013—2030年)，一般地下水位埋深0.6～1.2 m，模型中地下水位均取离地表1 m。森林覆盖率按照2017年丽水市实际森林覆盖情况设置为81.7%，其他参数如表1所示。

表 1 模型参数Tab. 1 Parameters of model

1.3 模型率定及验证

Joanna Doummar等学者的研究表明，模型的输出结果依赖几个主要参数[13]。通过对敏感性较低的参数参考使用经验值，对敏感性较高的参数进行率定来获得最优参数组合。利用小溪流域下游巨浦水文站2013—2014年的数据进行率定，并采用径流相关系数R和纳什有效系数Ens来评价模型的模拟效果。其中R反应变量之间相关关系密切程度，取值范围在0～1，R值越大，变量之间的线性相关程度越高；Ens可以定量表征整个径流过程拟合的优劣程度，取值范围在0～1，越接近1拟合效果越好。模型率定的模拟结果如图2所示，率定参数的范围和率定结果见表1，R和Ens值分别为0.87和0.81，相关性较好，说明率定后的模型可用于计算。

使用参数率定后的模型模拟小溪流域2014—2015年的径流过程。将模拟结果与实际结果进行比较，二者之间的R和Ens值分别为0.82和0.79，这表明模型在模拟的时间段内具有良好的适用性，可以用于小溪流域与径流相关的模拟分析中。模型验证的模拟结果如图3所示。

图 2 率定模拟径流量Fig.2 Calibration of simulated runoff

图 3 验证模拟径流量Fig.3 Validation of simulated runoff

2 森林覆盖率变化对流域洪水特性的影响

2.1 模拟工况设计

在流域范围内模拟洪水过程并研究其特性，选取合适的降雨量和降雨过程非常重要。降雨量应足够充沛以满足形成一定规模的流域洪水[14]；降雨过程应从第2天或第3天开始，并持续1～2天，最后留下足够的时间形成洪水消退过程。选取流域2010年10月3—10日连续7天的实际雨量过程，森林覆盖率的变化设计从无森林覆盖（覆盖率为0）到全森林覆盖（覆盖率为100%），变化幅度10%，共11组工况。使用率定后的MIKE SHE模型模拟流域洪水过程。

2.2 模拟结果分析

通过对11组工况的模拟得到7天同次降雨条件下，从无森林覆盖逐渐增长到全森林覆盖的流域洪水过程的变化。采用MIKE SHE模拟不同森林覆盖率下的洪水过程线，分析这些曲线的峰值和形态，研究森林覆盖率变化对流域洪水特性的影响。

2.2.1 洪峰流量分析 比较各模拟工况下的洪峰流量大小如表2所示，森林覆盖率小于40%的条件下，洪峰流量并没有明显的下降，主要是森林覆盖率较小时，森林的林冠稀疏，几乎不截留雨水，森林密度太小也无法有效拦蓄坡面水流；当森林覆盖率大于40%以后，洪峰流量开始出现明显下降，平均森林覆盖率每增长10%，可削减洪峰流量2%，并且在森林覆盖率为100%时达到最大，相比无森林覆盖洪峰流量削减了13.2%。这表明森林削减洪峰的作用在森林覆盖率小于40%时很小，大于40%之后才明显，并且森林覆盖率越大，削减洪峰的能力越大。

表 2 森林覆盖率变化对流域洪水特性影响Tab. 2 Influence of different forest coverage rates on basin flood

2.2.2 洪水形态分析 由图4和表2可知，森林覆盖通过重新分配洪水期间流量对洪水形态产生一定影响，且森林覆盖率越大，对洪水形态影响越大。不同森林覆盖率下的洪水形态差别较大，无森林覆盖或森林覆盖率较低时，洪峰起势急而大，随着森林覆盖率的增大，明显看到洪峰起势变缓，这是因为森林的林冠截留雨水以及下部的枯枝落叶层对水流产生阻滞作用，延缓了水流汇入河道；在洪水消退期间，相比无森林覆盖，有森林覆盖的条件下会出现较大的流量波动幅度和较多波动次数。随着森林覆盖率的增大，洪水形态呈现从单峰到双峰的变化趋势，可以看到在森林覆盖率90%和100%的工况下，已经形成了较为明显的次洪峰。分析形成次洪峰的原因是，不同森林覆盖条件对雨水的阻滞能力有差异，各支流最大汇流量出现时间差。森林覆盖率对洪峰到来时刻（峰现时间）和洪水历时也有相应影响，森林覆盖率增大，森林延缓洪峰越久，洪水历时越长，达到全森林覆盖时，森林延缓洪峰到达时刻最多可达到4 h左右，延长洪水历时最长约13 h。

图 4 不同森林覆盖率下小溪流域洪水模拟过程Fig. 4 Runoff simulation of Xiaoxi watershed flood under different forest coverage rates in Xiaoxi basin

3 结 语

采用分布式水文模型MIKE SHE研究了森林覆盖率变化对浙江省丽水市小溪流域洪水特性产生的影响。基于流域DEM数据、格网生成及潜在蒸散发计算等建立了小溪流域分布式水文模型，模型率定和验证的评价参数R和Ens均取得理想结果。采用验证后的模型模拟计算得到7日同次降雨条件下，从无森林覆盖逐渐增长到全森林覆盖的流域洪水过程的变化。通过对不同森林覆盖率下的洪峰流量分析表明，当森林覆盖率低于40%时，森林对洪峰削减作用有限，当森林覆盖率高于40%，森林对洪峰削减作用开始大幅度提升，森林覆盖率平均每增长10%，可削减洪峰流量约2%，当森林覆盖率达到100%时，削减洪峰流量达13.2%。通过对不同森林覆盖率下的洪水形态分析表明，森林覆盖率越大，对洪水形态影响越大，随着森林覆盖率的增大，洪水形态呈现从单峰到双峰的变化特点，当森林全覆盖时延缓峰现时间最长，约为4 h，延长洪水历时最长，约13 h。