闽江上游生态环境改变对山洪过程的影响研究

李 青，孙东亚 ，刘荣华 ，李昌志，刘 云

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100038）

1 研究背景

易灾地区生态环境综合治理是山洪地质灾害防御工作的重要环节。我国易灾地区一般地处江河上游的生态脆弱区和生态敏感地带，森林植被和草地生态系统具有破坏易、恢复难的特点，森林、草地、湿地的生态功能减弱，加剧了自然灾害程度[1]。生态环境变化改变了植被生态条件，促使流域的降雨截留和洼蓄作用发生变化，并在一定程度上改变流域坡面的阻力特性，影响流域汇流时间及洪峰流量。因而，生态环境条件是洪涝灾害的主要孕灾环境之一，对洪涝灾害的致灾过程具有重要影响[2]。众多学者通过研究生态环境变化与洪涝灾害的耦合关系，分析自然流域的生态环境变化对地表粗糙程度、容蓄水量和行洪路径产生的影响，揭示控制地表径流的速率、影响洪水演进的路径和速度的规律[3-5]。

本研究以福建闽江上游地区为研究区域，重点研究生态环境变化与山洪过程的耦合关系。以闽江上游生态系统分类结果为本底数据，设置典型小流域不同生态环境条件的情景，模拟计算小流域暴雨洪水过程，分析生态优化及生态退化条件下山洪过程的变化情况，为易灾地区生态环境评估提供理论支撑。

2 研究区域概况及数据来源

2.1 研究区概况闽江是福建省最大的河流，自西向东流入东海。闽江主流上源为沙溪，在沙溪口汇入富屯溪后为干流，至南平一段称西溪，南平以下即为闽江[6]。南平以上河段是闽江上游，本研究闽江上游流域包含光泽县、邵武市、顺昌县等13个县，面积共计2.8万km2（图1（a））。

闽江上游流域由于陆海之间热力差异造成的季风气候十分显著，夏半年湿润多雨，冬半年干燥少雨，降雨量的季节变化及地域分布是造成水旱灾害的主要因素。每年5—6月梅雨期是闽江上游流域暴雨多发期，暴雨中心多出现在武夷山脉、杉岭山脉和仙霞山脉的迎风面，24 h最大暴雨量可达200～400 mm。闽江上游年最大6 h暴雨均值呈现东西分异的特征，以光泽、建宁、宁化、清流为界，西部区域为高值区，统计均值约为75 mm，东部区域为低值区，统计均值约为65 mm（图1（b））。

闽江上游水系发达，流域面积占整个闽江流域的70%，水量占整个闽江水量的75%。从流域面积和水量来看，建溪为3个源流之首，沙溪最小。由于三大溪流多发源于1000米以上的武夷山，而南平海拔仅70 m，故河床坡度很大，水流湍急，险滩星罗棋布。闽江上游地区森林茂密，因此含沙量与年输沙量都比中下游少得多[7]。

闽江上游地区山洪较易发生，主要集中于南平市、三明市。据不完全统计，1985—2012年间，闽江上游发生山洪灾害最多的是沙县，其次是宁化县、顺昌县。闽江上游流域山洪灾害事件的主要类型为溪沟洪水和滑坡，泥石流发生较少（图1（c））。

图1 闽江上游流域

2.2 数据来源研究区基础地理信息数据采用国家基础信息地理中心1∶5万、1∶25万数字线划数据，主要包含行政边界、水系、道路、地名注记等地理要素。地形地貌数据采用SRTM数字高程模型数据。

研究区基本概况及灾害情况，来源于山洪灾害防治非工程措施项目县级实施方案，以及山洪灾害防治项目省级实施方案和年度实施方案。水文资料来源于福建省水文手册，径流实测资料时间序列为1970—1992年。生态环境资料来源于中国环境科学研究院2013年生态系统分类结果[8]。

3 小流域山洪过程模拟方法

小流域暴雨洪水模拟计算假定暴雨洪水同频率，在设计暴雨成果基础上，采用HEC-HMS模型计算不同频率的设计洪水，得到洪峰、历时等洪水要素[9-10]。考虑到参数率定及方法合理性分析，选取有实测径流资料的司前小流域进行模拟计算，以验证方法的合理性。

3.1 资料收集收集小流域影像、DEM、气象水文、河段控制断面、土壤资料等基础数据，划分子流域及河段，提取模型计算需要的流域形状、面积与坡度、河道长度、土壤类型等参数（图2），以满足建立模型及模拟计算所需的输入条件。

图2 司前小流域基础数据

3.2 降雨模拟根据引发山洪灾害的降雨特点，参考当地的水文基础资料，选取设计暴雨的历时、频率和雨型，计算设计暴雨[11]，模拟降雨条件。由于流域汇流时间是小流域暴雨洪水特性的重要特征参数，因此应计算出流域的汇流时间，将其作为设计暴雨历时，计算对应时段的设计暴雨及设计洪水。

由司前小流域汇流时间计算结果可得出，洪水频率越小，流域汇流时间越短，但大致保持在5 h左右（表1）。考虑到安全因素，将汇流时间设定为5 h。计算设计洪水时，暴雨主要考虑历时为5 h的时段雨量及时程分配。

表1 司前小流域汇流时间计算结果

表2 司前小流域设计暴雨（5h）时程分布

因司前小流域毗邻江西第六分区，故选用江西省第六分区的各时段雨量均值、变差系数Cv、Cs/Cv和各时段相应频率的雨量值H5等关键参数，计算汇流时段雨量及时程分布，时间间隔为1 h（表2）。

3.3 山洪过程模拟山洪过程模拟主要采用由设计暴雨推求设计洪水的方法进行计算。假定暴雨与洪水同频率，基于设计暴雨成果，计算前述5种频率设计洪水，得到洪峰、洪量、上涨历时、洪水历时等洪水要素信息[12]。

根据设计暴雨计算成果，利用点面转换后的流域面雨量及时程分配数据，按照蓄满产流模型及参数进行产流计算，通过参照当地暴雨洪水查算手册，计算汇流时间内设计暴雨的净雨。设计洪水采用分布式水文模型进行计算[13-14]。

根据司前小流域流域的河网特征及其分布的空间位置，将流域划分为8个子流域、8个河段、6个合流点，建立流域概念模型[15-17]（图3和表3）。离司前村最近的计算对象是4#合流点，因此，设计洪水主要参考4号合流点处的计算值。司前小流域各子流域产流、坡面汇流分别采用了蓄满产流模型、小流域单位线模型。在山洪分析中，因基流量很小，通常忽略。为了反映山丘区河道与岸边以上糙率的差异，故各河段的洪水演进采用了马斯京根-康吉方法，断面概化采用抛物线形断面设置法。

图3 司前小流域分布式模型示意

表3 子流域及河段形状特征

3.3.1 产流计算 产流计算采用蓄满产流模型，可用方程式R=P-（Wm-Wo）表示。式中，R为一次降雨形成的径流总量；P为一次降雨总量；Wm为包气带蓄水容量；Wo为降雨前包气带的蓄水量。表明降水量满足缺水量（Wm-Wo）后，稳定下渗部分形成地下径流，雨强超过稳定下渗的部分则形成直接径流，可描述径流在这种情况下产生的条件及其形成的过程和数量。

3.3.2 分布式单位线提取原理 对于山丘区的小流域，降雨强度是单位线综合时要考虑的最主要因素，在小流域设计洪水计算时根据时段净雨大小，采用了分级概化单位线。分布式单位线，在分析流域（小流域或计算单元）单位线时，充分考虑了流域内地形、植被等的空间分布特性，又称标准化单位线。其理论依据与地貌单位线类似，即流域各点到达流域出口汇流时间的概率密度分布等价于瞬时单位线，基本原理是利用流域的时间——面积关系分析单位线，关键内容是计算流域各点到达流域出口的汇流时间。在此基础上，得到小流域汇流时间的概率密度分布——瞬时单位线。利用瞬时单位线向时段单位线的转换方法，将瞬时单位线转换成所需时段的时段单位线。

3.3.3 动态马斯京根演进 马斯京根法是一种基于槽蓄方程和水量平衡方程的河道流量演算法。主要基于槽蓄方程，通过流量比重因素调节流量，使其与槽蓄量成单一关系，并以现行假定来建立槽蓄方程。本研究采用对流扩散理论改进后的方法，即马斯京根—康吉法进行河道演进。采用8点横断面形状法概化河道形状，确定河段长度、糙率系数等参数后，代入模型进行计算。

3.4 合理性分析用实测降雨资料作为降雨数据，将模型计算的洪水过程模拟结果与实测流量对比，检验模型结果。由于司前小流域布设有水文监测站点，可收集到一定时间序列的水文资料，因此选取司前小流域进行参数率定结果检验，以验证方法和模型的合理性。司前站以上流域所选降雨数据约为1970—1992年数据，以确定性系数、洪峰相对误差、径流深相对误差等最优为原则，选出13场次洪水，进行验证。根据结果，除仅1981年场次确定性系数较低，其余12场次洪水，其中8场确定性系数在0.9以上，1场为0.81，2场为0.78，1场为0.6。11场次洪峰相对误差在10%以内，9场次径流深误差在15%以内（表4），表明模型参数在该地区具有一定的适用性，同时也说明选取方法较为合理，可用作后续计算。

表4 司前站参数率定结果

4 小流域山洪过程模拟方法

生态系统分类的变化主要体现在地表地类的差异，植被的变化必然能对流域的水文状态产生巨大的影响，尤其影响流域降水的汇水过程和径流的产量。研究流域的植被变化对洪水过程的影响，揭示生态变化与山洪灾害之间的耦合关系[18]，对易灾地区生态环境功能评估具有重要作用。本节以闽江上游为例，模拟生态最优、生态退化两种情景下小流域洪水过程，采用洪峰峰值、峰现时间等洪水特征指标，分析生态变化对小流域洪水过程的影响。

4.1 生态变化情景模拟

4.1.1 生态最优情景生态最优情景选择退耕还林、矿山恢复、生态封育3种情况[19-20]（表5）。

表5 生态最优情景模拟小流域基本情况

（1）退耕还林。退耕还林是指从保护和改善生态环境出发，将易造成水土流失的坡耕地和易造成土地沙化的耕地，有计划、分步骤地停止耕种[21]。本着宜乔则乔、宜灌则灌、宜草则草，乔灌草结合的原则，因地制宜地造林种草，恢复林草植被[22]。根据闽江上游流域的地形地貌条件，选择下八沙小流域，将其坡耕地和裸土设置为“常绿阔叶林”，模拟退耕还林生态情景（图4）。

下八沙小流域属西溪流域，流域面积为133.92 km2。该小流域常绿针叶林占小流域面积的44%；其次是水田，占小流域面积的23%；稀疏林居第三位，占小流域面积的20%。将该流域的全部水田及稀疏林设为常绿阔叶林，常绿阔叶林所占小流域面积比例由8%增长为50%，其他类型所占小流域面积比例不变。

图4 下巴沙小流域退耕还林情景模拟

（2）矿山恢复。矿山活动，尤其是露天开采，严重破坏了山坡土体结构，加之大型采矿设备的重压导致地面塌陷，土壤裂隙产生。而土壤中的营养元素也随着裂隙、地表径流流入采空区或洼地，造成土地贫瘠、植被破坏，最终导致矿区形成大面积人工裸地，使水土更易移动，水土流失加剧。矿山恢复即对矿业废弃地污染进行修复，实现对土地资源的再次利用。

沙溪支流小流域呈扁长形，流域面积为51.93 km2，常绿针叶林占小流域面积的45%，常绿阔叶林占小流域面积的38%。将该流域的采矿用地设置为“常绿阔叶林”，常绿阔叶林所占小流域面积比例增长为45%，其他类型所占小流域面积比例不变（图5）。

（3）生态封育。生态封育是一种很有效的自然恢复方法[23]，本研究中将稀疏林设置为“常绿阔叶林”，稀疏灌丛设置为“常绿灌木林”，模拟生态封育情景（图6）。

寺前小流域属西溪支流流域，流域面积为22.1 km2。该小流域稀疏林占小流域面积的44%，常绿针叶林占小流域面积37%，水田占小流域面积的11%。将寺前流域的全部稀疏林及水田设置为常绿阔叶林，模拟生态封育的生态最优情景。

4.1.2 生态退化情景 司前小流域位于闽江上游流域光泽县西北部，属于富屯溪水系。该流域上游无水库调洪，由汇流而成，流域内的村庄分布较多，主要有碗厂、司前、长庭、岱坪等行政村，流域面积约为132 km2。根据2013年生态系统分类结果，司前小流域植被茂密，以林地居多，植被覆盖面积约87.8%，生态环境较好。将2013年生态系统分类结果中14%的常绿针叶林及2%常绿阔叶林更改为裸地，以模拟生态分类退化的情景（图7）。

图5 沙溪支流小流域矿山恢复情景模拟

图6 寺前小流域生态封育情景模拟

图7 司前小流域生态退化情景模拟

4.2 洪水过程模拟及结果分析计算退耕还林、矿山恢复、生态封育三种最优情景及生态退化情景下小流域洪水过程，重点分析不同生态环境条件下洪峰峰值、峰现时间等洪水特征要素的差异，分析生态变化对洪水过程的影响。考虑到植被和生态条件主要影响山洪汇流过程，因此，小流域单位线主要根据不同植被类型和流速系数的关系进行计算。

表6 不同生态情景洪水过程模拟结果

图8 下八沙小流域退耕还林情景洪水过程对比

4.2.1 生态最优情景

（1）退耕还林。采用模型计算后，得到下八沙小流域两种不同生态情景100年一遇、50年一遇、20年一遇、10年一遇、5年一遇5种重现期的洪水过程。从洪峰流量上看，100年一遇退耕还林情景比现状条件下洪峰削减14.55%，50年一遇削减14.59%，20年一遇削减15.12%，10年一遇削减21.25%（表6），5年一遇削减8.54%。从洪峰峰现时间上看，5种频率退耕还林情景的峰值峰现时间比现状下均有延迟（图8）。

（2）矿山恢复。沙溪支流小流域采取矿山恢复措施后，100年一遇、50年一遇、20年一遇、10年一遇4种重现期下洪峰峰值明显减少，峰现时间也均滞后（图9）。100年一遇矿山修复情景比生态系统分类现状洪峰削减10.28%，50年一遇削减10.32%，20年一遇削减10.59%，10年一遇削减10.65%（表6）。

（3）生态封育。寺前小流域采取生态封育措施，100年一遇生态封育情景比生态系统分类现状洪峰削减18.28%，50年一遇生态封育情景比生态系统分类现状洪峰削减18.04%，20年一遇生态封育情景比生态系统分类现状洪峰削减22.05%，10年一遇生态封育情景比生态系统分类现状洪峰削减22.11%，5年一遇生态封育情景比生态系统分类现状洪峰削减22.21%（表6），削峰效果较为明显。对比两种情景的峰现时间可以发现，生态优化情景下峰现时间有所延迟（图10）。

图9 沙溪支流小流域矿山恢复情景洪水过程对比

图10 寺前小流域生态封育情景洪水过程对比

图11 司前小流域生态退化情景洪水过程对比

4.2.2 生态退化情景 司前小流域生态类型由14%常绿针叶林及2%常绿阔叶林退化为16%的裸土，洪水重现期100年一遇，生态退化比现状条件下洪峰增加11.11%（表6），洪水重现期为50年一遇，增加洪峰17.46%。峰现时间均提前1 h（图11）。

5 结论及展望

本文以闽江上游为例，将2013年生态分类结果作为本底数据，选取4个小流域分别模拟了退耕还林、矿山恢复、生态封育3种生态最优情景以及生态退化情景，通过模拟计算，分析生态条件变化对于小流域洪水过程的影响。

下八沙小流域采取退耕还林措施，水田全部变化为常绿阔叶林，不同频率下，削减洪峰为8.54%～21.25%；沙溪支流小流域采取矿山恢复措施，采矿场全部转化为常绿阔叶林，不同重现期下，均可削减10%的洪峰；寺前小流域采取生态封育措施，生态类型由稀疏林及水田全部转化为常绿阔叶林，不同频率下可削减18.04%～22.21%的洪峰。司前小流域生态退化后，常绿针叶林及常绿阔叶林退化为裸土，不同重现期增加洪峰11.11%～17.46%。

通过模拟结果可见，生态类型优化对洪水削峰滞时作用显著。当洪水峰值减小时，洪水集中度减小、冲击力减弱，不易成灾；而洪峰滞后，不仅可削弱洪水的冲击，同时也增加了预警转移时间，对于山洪防御具有重要作用。因此，通过采取退耕还林、矿山恢复、生态封育等生态优化手段，改善生态类型，优化植被种类，是减轻山洪威胁的有效手段。

致谢：感谢中国环境科学研究院张林波研究员、刘成程研究员对于研究思路和基础资料方面给予的建议，感谢王东生、张竞楠先生对于模型计算、参数率定方面给予的帮助，感谢王雅莉博士、马美红博士给予本论文的支持。