RCP8.5情景下流域景观水文与泥沙动态连通变化研究

赵天逸

成玉宁*

由于气候变化对降雨量和流域水文过程影响的复杂性和不确定性，使量化流域的水文循环演变规律成为风景园林学学科中景观水文的重点关注内容。降水、洪水发生数量和频率的增加，都将极大威胁位于洪泛区的城市和农村基础设施。水文连通是调节区域供水、防洪抗旱及维护区域生态安全的重要保障，在风景园林学学科中，水文连通性已被广泛运用于描述河流、湿地景观的空间连接。

目前，国内现有的水文连通研究主要集中于结构与功能连通[1]。模型多数仅对水系结构进行分析，将流域河网视作“黑箱”，忽略水流的物理运动状态，这就指向了一种静态的水文连通。地形地貌作为影响水文连通的主要因素之一，由于泥沙冲淤和地表景观演变的时间尺度比水文水动力变化更长[2]，以往研究将河底地形看作静态要素，忽略泥沙对于水文连通的影响，因此对于气候变化影响下沉积物通量较高地区的长期评估，现有的景观水文连通研究并不准确。

1989年，沃德(Ward)从四维角度诠释了河流水系的连通机制不仅包括三维空间变化，还包括时间上的动态性[3]。Merenlende和Matella提出综合水文生境连通模型框架，基于物理和生态模型量化了地形改变、流量恢复、气候变化等对水文生境连通性的影响[1]。目前，国内外对于水文连通性的定量评估方法主要有原位水文监测、水文模型[4]、连通性函数[5]和图论[6]等。计算设备和地形数据的发展，提供了使用流体动力学建模工具以高时空分辨率估算洪水泛滥和湿地连通性的机会[7]。近期的研究用水文模型和地理信息系统(GIS)分析来量化流量对淹没模式和水文连通的影响，包括卡里姆(Karim)等开发了使用二维水动力模型来量化湿地连通性的方法[8]，但均没有考虑河床的动态变化。

洪泛区域的水文连通是水生和陆生生物的栖息地保障，促进了水体间的营养流通[9]。高水平的连通性促进鱼类移动[10]，连通性的降低会导致生物多样性减少[11]，气候变化将改变河道的流动状态，并且导致连通性的下降[12]。因此，研究水文连通性变化对于维持生境质量和生态功能至关重要。

在威尔士地区，塞文河凯尔苏斯流域是一段横向不稳定的砾石床曲流河，根据吉廷斯(Gittins)[13]的研究表明，塞文河河流系统对洪水频率和洪水强度变化高度敏感，泥沙通量高，河段紧邻村落及农田，长期处于高强度洪水威胁中。目前对于塞文河流域的研究多集中于洪水[14]、古洪水历史地貌及沉积学演变方面[15]。

研究的主要目的是通过考察凯尔苏斯流域气候变化情景影响下的淹没模式、泥沙与水文连通性变化，为凯尔苏斯区域的水文管理提供建议与参考。研究方法综合水动力地表景观演变模型与景观连通性指数法，通过评估流域内几种关键水文过程，如淹没面积、侵蚀与沉积速率、地貌景观形态、水流水量等，分析流域内的景观水文动态连通状况，通过构建IIC、PC指数，探讨气候变化下流域水文与地表景观动态变化对水文连通功能与过程的影响与规律。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

塞文河是英国最长的河流，全长354km，位于威尔士中部。研究区面积为1 584.6hm2(图1)。威尔士地区河流系统的地貌多样性高，呈高地特征，在山前和低地河段，威尔士河流系统多具有发达的冲击谷层，河流系统研究数据易于留存、便于校验。

图1 赛文河凯尔苏斯流域研究区位与用地性质

1.2 数据来源

数字地形模型数据来自威尔士地理门户网站A Geo-Portal for Wales(https://lle.gov.wales)。研究选择分辨率2m的激光雷达数据集和数字地形模型(LiDAR Composite Dataset-DTM，Version: 2m)，并使用ArcGIS 10.5软件处理地形数据，用于CAESAR-Lisflood模型的输入模拟。

降雨气候数据来自英国哈德利气候预测与研究中心Met Office Hadley Centre(https://ukclimateprojections-ui.metoffice.gov.uk/ui/home)的区域气候模型(RCM-PPE)中RCP8.5情景下2021—2030年每日降雨数据mm(day)，分辨率为12hm。

2 研究方法

2.1 UKCP18气候预测

英国气候预测(UK Climate Projections)UKCP18使用单一气候模型的物理扰动组(Perturbed Physics Ensemble，PPE)模拟，为英国提供降水、温度和其他变量的概率预测，每个模型在专家指定范围内采用不同参数设置[16]。

依据联合国政府气候变化委员会IPCC(Intergovermental Panel on Climate Change)的研究，选取典型浓度路径RCP8.5(Representative Concentration Pathways，RCPs)的最高温室气体排放情景，研究极端气候变化情况对景观水文连通的影响，为英国赛文河流域集水区生成2021—2030年的日降雨气候数据，模型预测英国降水量冬季平均变化范围为-1%～+35%，夏季范围为-47%～+2%。

2.2 水动力地表景观演变模型

凯撒二维水动力地表景观演变模型(CAESAR-Lisflood)[17]综合元胞自动机及流体动力学模型，根据河流的侵蚀和沉积过程，在规则的单元网格上路由水并更改高度。CAESARLisflood模型的主要特征是在子事件时间步长上运行组合水文和水力的流模型，且具有多粒度侵蚀、沉积及斜坡过程，适合长期评估沉积物通量较高的地区[18]。

本案例使用CAESAR-Lisflood的集水模式①共同运行。此外，模型将数字地形模型(DTM，2m)栅格重采样为20m×20m网格，以维持计算稳定性。土壤粒度参数[15]作为初始条件。降雨落在地表上驱动水流和斜坡过程，这些过程决定了给定时间步长的侵蚀和沉积的空间分布，成为下一个时间步骤的起点。模型输出空间与时间上的高程、径流深度、沉积物分布，以及出口处的流量和沉积物通量等。

在集水区模式下运行时，CAESARLisflood模型使用TOPMODEL[19]的改编方法计算得出降雨输入在集水区产生的径流，当土壤水分存储超过阈值时产生地表径流，根据流量模型进行路由，使用曼宁方程计算水流深度和流速，而后模拟沉积物的传输和沉积。CAESARLisflood模型区分9种不同粒度的沉积物，这些沉积物作为河床荷载与悬浮荷载运输(表1)。

表1 模型主要输入参数

2.3 景观连通性变化指数

基于图论及数学算法基础，Pascual-Hortal等[20]开发了用以评价景观连接度及斑块重要性的Conefor Sensinod软件，能定量计算栖息斑块对于维持及改善景观连接度的重要程度，给风景园林规划及栖息地保护工作提供技术支持[21]。

本文采用整体连通性指数(IIC)与可能连通性指数(PC)来评价斑块的结构重要性，反映景观的连接度与各斑块对景观连接度的重要值[22]。通过ArcGIS 10.5和Conefor Inputs for ArcGIS 10.X插件模块，以水体作为生境斑块，生成连接与节点数据。连接数据包含连接距离及概率，节点数据包括水体斑块面积特征。运用Conefor Sensinode 2.6软件，基于两节点之间距离递减指数函数的连接概率模型，计算每2个节点之间的连接概率[23]。

IIC范围从0到1，随连接性的提高而增加。IIC＝0，表示各生境斑块之间无连接；IIC＝1，表示整个景观都是生境斑块[24]。公式如下：

PC范围从0到1，随连接性的提高而增加。公式如下：

式中，ai、aj为斑块i、j的面积；nlij为斑块i、j最短路径上的连接数；n为景观节点总数；AL为景观总面积；为斑块i、j间扩散途径的最大概率值。本研究基于研究区域的尺度及节点间平均距离，设置扩散距离阈值为400m，连通扩散概率为0.5[25]。

3 结果与分析

3.1 RCP8.5情景水文动态淹没模拟

通过模拟气候变化影响下赛文河流域的水文过程，研究增加沉积物动力学后，对未来10年间(2021—2030年)淹没范围的动态影响。选取2018年典型年水位数据①与模型模拟2018年历史降雨②影响下的水位数据进行季节性变化校验，由于计算机运算稳定性限制，选用短历时及粗精度数据，受校准期影响，CAESARLisflood中的土壤模型、水文淹没范围和景观水文连通指数精度会有一定影响。

研究发现，赛文河流域洪泛区从旱季到雨季的平均淹没面积为458.52～776.76km2(图2)，雨季洪泛区的淹没面积是旱季的0.6倍。由于研究区域范围较小，部分洪泛区域变化不显著，1—3月，淹没面积小幅增长；4—8月，淹没面积大幅下降；9—12月，淹没面积再次大幅提高，持续维持在较高水平。月平均水量在18.57万～21.91万m3(总体平均值：20.21万m3；图3)。

图2 1—12月平均淹没/连通淹没区面积(2021—2030年)

图3 1—12月平均水量变化(2021—2030年)

赛文河流域洪泛区的连通淹没区面积为454.4～769.4km2(图2)，孤立淹没区面积为2～8km2(图4)。8月独立淹没区面积最小，9月独立淹没区面积大幅增长至最高点。在雨季9月—次年3月，小型独立淹没区增多。赛文河洪泛区的水深范围在0.01～5.5m。总体上看，洪泛区水深大部分集中在0.01～0.4m，小部分区域局部水深较深，范围为1.4～5.5m(图5)。

图4 1—12月平均孤立淹没区面积(2021—2030年)

图5 2021—2030年1—12月每月平均淹没范围水深空间分布

CAESAR-Lisflood模型结果表明，泥沙含量改变使河底高程发生了变化。大部分沉积物沉积在河道中，河道发生改道，侵蚀作用多发生在河道两侧。侵蚀作用高差范围为-1.20～0m，沉积作用高差为0～5.66m(图6)。总体沉积作用面积(2.67km2)是侵蚀作用面积(1.47km2)的2倍，2021—2030年总沉积量为96 398.13m3，远高于总侵蚀量20 900.85m3，总沉积量是总侵蚀量的4.6倍。与河道区域相比，洪泛区域沉积作用更明显。

图6 2021—2030年10年间侵蚀与沉积空间分布

在模拟中加入侵蚀与沉积作用后，对比模拟终止点(2030年12月31日)数据，加入泥沙后的淹没面积为5.87km2，略低于无泥沙作用的淹没面积6.12km2，流域总水量206 889.61m3远低于341 986.26m3，加入泥沙数据后的流域总水量减少了40%。结果表明，泥沙输移导致的河底高程变化使淹没面积减小，也导致流域总水量降低。

3.2 RCP8.5情景景观水文动态连通指数

赛文河凯尔苏斯流域的泥沙侵蚀与沉积改变了洪水路径和水深，导致水文连通情况的改变。由于案例研究区面积较小，部分月份水文斑块数为1，这一情况IIC、PC指数设置为0。在RCP8.5情景下，2021—2030年1—3月与9—12月IIC、PC指数波动幅度较大；4—8月IIC、PC指数变化趋于平稳(图7)。

图7 1—12月每月IIC、PC指数(2021—2030年)

其中，1月IIC与PC指数从2021年起由高点大幅下降至低位，在2025—2030年于低位小幅波动；2月IIC、PC指数在2021—2027年剧烈波动；3月IIC、PC指数在2025年达到最高点，其余年份数值趋于低位且变化幅度小；4—8月在2021—2030年除水文斑块数为1的情况外，IIC、PC指数基本处于较低水平；9月IIC、PC指数在2027年达到最高点，其余年份均处于低位小幅波动；10—12月3个年份变化规律相似，IIC、PC指数均在2025和2027年达到高点。

总体看来，景观水文可能连通性指数略高于整体连接度指数。水文整体连接度在2021—2030年除4—8月相对平稳、处于较低水平外，其余月份多在2025和2027年前后连通度大幅提升。2021—2030年，整体连接度指数及可能连通性指数呈现总体下降趋势。

气候模型的长期气候平均值比极端事件或日/次日值的时间序列置信度更高。2月平均水文连通度最高；除8月斑块数为1的情况外，1—3、9—12月平均IIC、PC指数较高，水文连通度较高；4—7月平均IIC、PC指数较低，水文连通度较低。

连续10年模拟加入了侵蚀与沉积作用过程后，对比模拟终止点(2030年12月31日)上的数据，加入泥沙后的IIC、PC指数分别为0.237、0.239，略低于无泥沙数据的IIC、PC指数0.252、0.254，表明在加入泥沙数据后，水文整体连接度与可能连通性略有降低。

4 讨论

在气候变化背景下，10年间动态淹没模式的变化能够了解在RCP8.5情景下的动态变化趋势，通过小时降雨率，得出10年间3 600d淹没模式逐天的动态变化，而不止于静态时间点上的连通性数据评价与统计。如Karim等[26]研究不同气候条件下连通时长变化，则是通过量化百分比时长统计连通总时长的增减。对水文连通连续性的评价描述，能够了解水文条件淹没模式的变化趋势，为水生物的生存环境、生物多样性评估提供更为精确的条件。但在目前研究中使用的气候模型无法对模型中所有已知的过程进行描述。

Ward等利用遥感卫星图像与水深记录仪相结合研究淹没区域动态变化来估计淹没时长[27]，其在量化水文连通的连续性方面有较大限制，而本文利用分布式水文模型以其物理机制得出的连续性淹没模式面积区域变化能够为利用遥感获取的淹没信息提供补充，预估在流量快速变化及云层覆盖时段的淹没区域变化信息。

赛文河流域河道高泥沙通量和高洪灾发生频率之间具有正相关性[28]，表明洪泛区动态与泥沙输移有极大关系，本文进一步证实泥沙动态变化对洪泛区水文连通性的影响，凯尔苏斯流域在整体沉积作用增加的情况下，洪灾发生的可能性增大。因此，在评估具有高泥沙通量的河漫滩系统中景观水文连通性时，应考虑泥沙动力学。

5 结论

研究结合CAESAR-Lisflood模型与景观连接指数模型，整合气候模型、沉积动力学和淹没模式，对气候变化下的赛文河凯尔苏斯流域水文动态连通变化趋势进行研究，结果表明，2021—2030年凯尔苏斯流域淹没范围对气候变化(RCP8.5情景)的响应较明显，淹没范围的时空变化特征与降雨量的变化特征有一致性。结果显示了沉积物动力学对赛文河淹没的总体影响。

气候变化给平均季节性淹没区域带来更多不确定性，研究推动了地表景观演化模型在风景园林学学科中景观水文领域的运用，为评估淹没模式提供一种定量方法，能够预测淹没区域和景观水文动态连通季节性变化，对全面了解气候变化情景下凯尔苏斯流域与景观水文连通性有关的生态过程至关重要。

研究为在泥沙动力学影响下洪泛区洪水对人类活动产生的威胁提供参考，帮助设计师了解空间上的设计如何规避泥沙输移量与洪泛风险较大的生态敏感区域，为规划设计提供指导。此外，为深入理解流域洪泛区域水文斑块与景观斑块间长时间轴上的格局变化规律提供参考，凯尔苏斯流域河道泥沙凸岸沉积、凹岸侵蚀，形态演化较快，洪泛区季节性敏感，建议发展农业用地，不宜发展建设用地。

由于流域研究区尺度小，降雨数据对于淹没模式的响应不够明显，后期研究可从提高区域气候模式精度，或优化研究区尺度范围方面加以完善。当前风景园林行业普遍缺乏针对未来长期的规划设计考量，尤其在滨水河道、湿地等区域忽视地质地貌变化，将自然环境视作静态本体，忽略自然规律，这一问题导致实践项目的使用期限变短，生态系统紊乱，激化生态资源保护与社会经济发展间的矛盾。研究为未来气候变化下的水文连通预测提供更为精准的定量方案，为规划设计提供了顺应自然规律的长期科学指导。

注：文中图片均由赵天逸绘制。

注释：

① 来源：凯尔苏斯监测站(https://riverlevels.uk/)。

② 来源：历史气象站：Aberporth，地点: 224100E 252100N, Lat 52.139 Lon -4.570。