田傳沖 黃冬菁 馬海波

摘要：下墊面的改變直接影響流域的洪水特性。以山東省西北部的小清河中上流域為研究對象，在利用SCS Curve Number方法對比計算1985年和2008年下墊面考慮坡度修正的曲線數(shù)（CN乏，）的基礎(chǔ)上，利用HEC-HMS模型模擬了兩種下墊面條件下的徑流，并分析量化了下墊面變化對研究區(qū)洪水特性的影響。結(jié)果表明：研究區(qū)2008年的建設(shè)用地面積比1985年增長了112.22%，除8個子流域的CNZS值減小之外，其余41個子流域的CN2S值都不同程度增大，增幅為0.10%～32.33%；在相同降雨條件下，2008年的下墊面條件更容易產(chǎn)流，對于出流口而言，洪峰平均增大14.6%，洪量平均增加16.4%，峰現(xiàn)時間平均提前5h。

關(guān)鍵詞：下墊面；小清河流域；HEC-HMS模型；洪水特性

中圖分類號：TV122 文獻標志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.004

下墊面是多種因素的綜合體，主要是指流域的土地利用類型、地形、地質(zhì)構(gòu)造、土壤和巖石性質(zhì)等情況[1]。聯(lián)合國開發(fā)計劃署預測2050年世界人口的70%將生活在城市地區(qū)[2]，城市化進程會使下墊面條件產(chǎn)生劇烈的變化，如土地利用類型、土地覆蓋種類等，從而影響流域的洪水特性。許多學者就城市化導致的下墊面變化對流域洪水特性的影響進行了探索，結(jié)果表明：隨著城市化的快速發(fā)展，流域內(nèi)建設(shè)用地（居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)等）不斷擴張，使相當一部分面積為不透水表面覆蓋，而不透水面積的增大導致降雨入滲減少、降雨徑流響應速度加快、小洪水重現(xiàn)期變短等現(xiàn)象，使得暴雨洪水風險大大增加[3-8]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)DEM、土壤類型、遙感影像、雨量及次洪等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，首先利用SCS Curve Number方法定量評估不同下墊面條件的變化，然后根據(jù)其計算結(jié)果選用HEC-HMS水文模型模擬計算不同降雨在不同下墊面條件下的產(chǎn)匯流情況，進而量化下墊面變化對洪水特性的影響，以期進一步揭示下墊面變化對水文過程的影響機制，為科學合理地推進城市化、防治城市洪澇災害提供科學依據(jù)及決策支持。

1 研究區(qū)情況

1.1 研究區(qū)概況

把位于山東省西北部的小清河中上流域（岔河水文站以上）作為研究區(qū)，流域面積約為5450km2。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，多年平均降水量為617.2mm，主要集中于每年的6-9月，其降雨量約占全年的75.5%。研究區(qū)內(nèi)地勢南高北低、西高東低，海拔高程為5～892m（1956年黃海高程）（見圖1）。研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋受地形變化影響，南部高海拔地區(qū)主要是落葉闊葉林，中部低山丘陵區(qū)以用材林和經(jīng)濟林為主，平原地區(qū)的農(nóng)作物主要包括小麥、玉米、馬鈴薯等。

小清河作為流域內(nèi)的干流，是研究區(qū)內(nèi)重要的防洪排澇河道。由于地形特殊，因此研究區(qū)內(nèi)的支流絕大部分由南至北匯人小清河，呈典型的單側(cè)梳齒狀分布（見圖1）。研究區(qū)包括濟南、淄博、章丘、鄒平以及桓臺的全部或大部分地區(qū)，其城市化進程始于20世紀80年代初期，90年代之后城市化進程逐年加快，到2010年左右達到高峰[9]。在2007年遭遇嚴重的洪災之后，政府加大了研究區(qū)內(nèi)防洪排澇工程的資金投入，對研究區(qū)進行了大規(guī)模治理，包括航道整治、水庫維護及蓄滯保護等[10]。

1.2 數(shù)據(jù)集

應用的數(shù)據(jù)主要包括DEM、遙感影像、土壤類型、雨量站及水文站的分布和雨量流量資料。研究區(qū)在2008年之后經(jīng)歷過大規(guī)模整治，為了保證匯流過程不會受到水利工程和骨干河網(wǎng)變化的較大影響，同時考慮研究區(qū)的城市化進程及數(shù)據(jù)獲取的完整性、準確性，本文選用的是2004年的30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)和1985年、2008年的兩期遙感數(shù)據(jù)，均可從地理空間數(shù)據(jù)云（www.gscloud.cn）上獲取。土壤類型分布根據(jù)山東省第二次土壤普查資料進行統(tǒng)計繪制。雨量站、水文站位置及對應的19800628、19820616、1983072719840713、19850811、20060626、20060803、20070718、20070815、20080717共10場次洪的雨量、流量資料均通過中國水文年鑒中的黃河流域水文資料進行獲取分析。

2 模型介紹

2.1 SCS Curve Number計算方法

Curve Number（CN）值是反映流域降雨前下墊面特征的一個綜合無因次參數(shù)，它與流域前期土壤濕潤程度（AMC）、土地利用狀況、坡度、土壤類型等有關(guān)。SCS CN計算方法根據(jù)次降雨前的5d總降雨量將流域土壤濕潤程度（AMC）劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個等級。同時，考慮土地利用、土壤類型等因素，給出了AMC Ⅱ條件下流域的CN2值賦值標準。根據(jù)式（1），可將AMCⅡ條件下的CN2值換算成AMCⅠ和AMCⅢ條件下的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分別為AMCⅠ、Ⅱ、Ⅲ條件下未考慮坡度的曲線數(shù)。

由于研究區(qū)高程變化明顯，子流域的平均坡度不等，因此根據(jù)式（2）對CN2值進行坡度修正，計算得到各子流域CN2s：式中：CN2S為坡度調(diào)整后AMCⅡ條件下的徑流曲線數(shù)；s為子流域平均坡度，%。

2.2 HEC-HMS模型

選用由美國陸軍工程師團水文工程中心開發(fā)研制的The Hydrologic Engineering Centers HydrologicalModel System （HEC-HMS）來模擬計算研究區(qū)的徑流過程。HEC-HMS為半分布式水文模型，其基本原理是將研究流域劃分成若干子流域，對每一個子流域在根據(jù)其自身下墊面條件估算有關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上進行降雨徑流過程模擬計算，然后將各子流域的計算結(jié)果演算到流域出口處，進而得到整個流域的降雨徑流過程[11-12]。HEC-HMS模型包括流域模塊、控制設(shè)置模塊、氣象模塊及數(shù)據(jù)輸入模塊（見圖2）。HEC-GeoHMS嵌入在ArcGIS之中，可以對DEM、土地利用及土壤數(shù)據(jù)進行預處理。HEC-DSSVue為模型對應的數(shù)據(jù)存儲軟件，方便模型的數(shù)據(jù)調(diào)用。

流域模塊是HEC-HMS模型的核心，為模擬計算流域的產(chǎn)匯流過程，該模塊提供一套水文建模選項，可根據(jù)流域的具體特性和數(shù)據(jù)資料來進行選擇。本文選用反距離平方加權(quán)計算法（Inverse distance）來計算流域內(nèi)降雨量；選用SCS CN方法計算流域的產(chǎn)流，因為CN值不僅可以對流域的下墊面情況進行定量描述，而且還方便對下墊面的變化進行對比分析；選用Snyder單位線法計算流域的坡面匯流；選用馬斯京根法進行河道匯流計算；選用退水曲線法進行基流計算；跟眾多研究相似，流域的蒸散發(fā)損失相對于暴雨洪水時的徑流量可忽略不計[13-14]。

3 模型構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)處理

3.1.I DEM處理

考慮到人類活動的影響，基于研究區(qū)2004年的實際水系圖，首先利用HEC-GeoHMS中的“DEM Recon-ditioning"命令對初始DEM進行修正，同時根據(jù)流域出口（岔河水文站）的設(shè)定，將研究區(qū)劃分為49個子流域（見圖3），并對各子流域進行平均坡度計算；然后利用HEC-GeoHMS對DEM進行進一步水文分析，建立研究區(qū)HEC-HMS基本模型（見圖4）。

3.1.2 遙感影像處理

相比其他遙感解譯軟件，ENVI不僅可以對遙感影像進行精確解譯，而且還可以將數(shù)據(jù)導入GIS，利用其強大的數(shù)據(jù)處理功能，方便用戶的數(shù)據(jù)分析。研究區(qū)土地利用分類參考中國土地資源分類標準，并結(jié)合SCS CN方法進行綜合考慮，具體劃分為耕地、建設(shè)用地、林地、水域及草地5類。由于研究區(qū)的兩期遙感影像分屬不同的兩景，考慮到不同景影像拍攝的時相可能會導致影像色彩有所區(qū)別，因此首先對不同景的影像進行解譯，然后再進行轉(zhuǎn)換拼接，進而分別得到研究區(qū)1985年、2008年的土地利用圖（見圖5）。

3.1.3 土壤數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)的土壤分為褐土、黃壚土和潮土（見圖6），其與SCS CN方法中的土壤類別不太相同，為了保持一致，方便CN值的計算，需將研究區(qū)的土壤類型根據(jù)其不同屬性進行重分類（見表1，其中D、A均為SCSCA方法中的土壤分類代號）。

3.1.4 雨量流量資料處理

研究區(qū)內(nèi)雨量站和水文站的分布在1985-2008年變化很?。ㄒ妶D7）?？紤]實測雨量、流量資料的完整性和可獲取性，同時為保證次降雨均處于AMCⅡ情況下，針對1985年下墊面條件選擇了19800628、19820616、19830727、19840713及19850811共5場次洪過程，針對2008年下墊面條件選擇了20060626，20060803、20070718、20070815及20080717共5場次洪過程（見表2）。實測降雨徑流時間序列數(shù)據(jù)大部分是不規(guī)則的，利用HEC-DSSVue中的數(shù)學函數(shù)功能可以對不規(guī)則的數(shù)據(jù)進行時間插值，進而轉(zhuǎn)換時間間隔同為1h的雨量和流量數(shù)據(jù)。

3.2 模型率定與驗證

將計算出來的各子流域的兩期CN2S值分別錄人HEC-HMS模型基本文件，即可分別建立基于1985年和2008年下墊面條件的HEC-HMS模型，再根據(jù)對應選擇的次洪過程，便可分別對模型進行率定與驗證，具體參數(shù)對比見表3。若僅考慮CN，則說明研究區(qū)的產(chǎn)流能力變強；若僅考慮im，則說明研究區(qū)的直接徑流量增大；若僅考慮tp，則說明研究區(qū)的匯流速度變大；若僅考慮Qp則說明研究區(qū)的洪峰損失變小，峰值變大；若僅考慮K，則說明研究區(qū)的河道匯流速度變快。

為了對實測值與模擬值進行量化比較，保證參數(shù)率定驗證的正確性，利用式（3）中的評價指標——洪量相對誤差（Dv）、洪峰流量相對誤差（Dp）、峰現(xiàn)時間誤差（△T）及確定性系數(shù)（E）對模型參數(shù)進行約束（見表4）。

Dp=（Qsp-Qop）/Qop×100（3）

ΔT=Tsp-Top式中：Qoi、Qsi分別為i時刻徑流的實測值和模擬值，m3/S；Qop、Qsp分別為時間段內(nèi)實測和模擬的洪峰流量值，m3/S；Top、Tsp分別為時間段內(nèi)實測和模擬的峰現(xiàn)時間；Qo為時間段內(nèi)實測流量的平均值，m3/s。

基于1985年下墊面條件的HEC-HMS模型，對于其率定期的3場洪水，E均大于0.850，平均值為0.913；Dv和Dp的絕對值平均值均小于10%；ΔT的絕對值平均值為1h。對于驗證期的兩場洪水，模型計算結(jié)果和率定期的基本類似，Dv和Dp的絕對值平均值略有增大，但也均在合理范圍之內(nèi)。基于2008年下墊面條件的HEC-HMS模型，對于其率定期的3場洪水，E均大于0.850，平均值為0.917；Dv和Dp的絕對值平均值均小于10%；ΔT的絕對值平均值為2h。對于驗證期的兩場洪水，模i卿計算結(jié)果和率定期的也基本類似，Dv的絕對值平均值略有增大，但也在合理范圍之內(nèi)。

總體來說，基于1985年和2008年下墊面條件構(gòu)建的HEC-HMS模型，其率定和驗證結(jié)果均能滿足要求，可以較好地模擬研究區(qū)的降雨徑流過程，利用其模擬不同降雨所產(chǎn)生的徑流過程，具有一定的可靠性和合理性。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 土地利用及子流域CN2S值變化分析

根據(jù)ENVI的解譯結(jié)果，可分析計算出研究區(qū)1985-2008年土地利用變化情況（見圖8）。1985年以來研究區(qū)受人類活動影響強烈，建設(shè)用地面積由1138.84km2增長為2 416.82km2，增長112.22%，這與實際的社會經(jīng)濟指標相一致。耕地面積由2262.35km2縮減為1538.06km2，縮小32.01%；草地面積由1521.62km2縮減為879.89km2，縮小42.17%，城市化與耕地、草地保護之間的矛盾日益突出。研究區(qū)內(nèi)水庫、湖泊等的建設(shè)使水域面積由47.13km2增長為63.22km2，增長34.14%，這與流域防洪的需求相一致。研究區(qū)內(nèi)的林地面積由481.10km2增長到554.17km2，增長15.19%，這反映了研究區(qū)內(nèi)退耕還林、恢復森林植被等措施實施效果良好。

考慮研究區(qū)土地利用、土壤類型、地形坡度等因素，在計算各子流域CN2S值的基礎(chǔ)上，可對比分析其從1985年至2008年的變化情況（見圖9）。子流域CN2S值變化率從-8.08%至32.33%n不等，平均增長率為4.78%，平均增加3.1%。CN2S值負增長的子流域包括B1、B2、B3、B5、B7、B8、B22、B24，8個子流域均位于小清河沿岸不Nzs值減小的主要原因是這些區(qū)域進行過綜合整治，被開發(fā)為濕地公園，子流域內(nèi)建設(shè)用地、耕地面積減小，草地、林地面積增加。CNZs值增長率介于0～5%的子流域個數(shù)為26個，占子流域總數(shù)的53.1%。CN2S值增長率大于5%的子流域主要集中在濟南市區(qū)、淄博市區(qū)以及鄒平和章丘的中部，這也是城市化后建設(shè)用地增大的必然結(jié)果。

4.2 下墊面變化對研究區(qū)洪水特性的影響分析

將20060626、20060803、20070718、20070815、20080717共5場次降雨數(shù)據(jù)調(diào)入1985年下墊面條件下的HEC-HMS模型，可模擬“未來"5次降雨在1985年下墊面條件下的產(chǎn)流（見圖10）。將19800628、19820616，19830727、19840713、19850811共5場次降雨數(shù)據(jù)調(diào)入2008年下墊面條件下的HEC-HMS模型，可模擬計算過去5次降雨在2008年下墊面條件下的產(chǎn)流（見圖11）。

根據(jù)所選10次降雨在不同下墊面條件的徑流模擬結(jié)果，可得研究區(qū)30余a來下墊面變化對次洪特性的影響（見表5）：①對于洪峰流量，除19820616次降雨在2008年下墊面條件下的洪峰流量比在1985年下墊面條件下的小之外，其他9場降雨在2008年下墊面條件下的洪峰流量均比在1985年下墊面條件下的大，增幅為9.3%～35.3%，10場降雨的平均增長率為14.6%。②對于洪量，10場降雨在2008年下墊面條件下的洪量均比在1985年下墊面條件下的大，增幅為0.3%～41.0%，平均增長率為16.4%；③對于峰現(xiàn)時間，10場降雨在2008年下墊面條件下的峰現(xiàn)時間均比在1985年下墊面條件下的提前，平均提前5h。

10場降雨在兩種下墊面條件下模擬的次洪特性的變化值均不相同，可以認為次洪的基本特性除受下墊面的影響之外，降雨（強度、空間分布、持續(xù)時間等）影響也較大。總體來說，1985年之前，研究區(qū)內(nèi)城市化活動尚未大規(guī)模展開，流域的滯蓄能力相對較強，不透水面積所占比重較??；經(jīng)過大規(guī)模城市化之后，研究區(qū)內(nèi)土地利用類型的比例發(fā)生變化，不透水面積比重和CN2S值增大，導致同樣降雨條件下所產(chǎn)生的洪峰變大、洪量增大、峰現(xiàn)時間提前。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)共劃分為49個子流域，CN巧值平均增長率為4.78%，其中：41個子流域的CNZs值有不同程度增大，增幅為0.10%～32.33%，增幅大于5%的主要集中在濟南市區(qū)、淄博市區(qū)等處，是城市化后建設(shè)用地增大的結(jié)果川Nzs值減小的子流域主要分布在小清河

（2）利用洪量的相對誤差Dv、洪峰流量的相對誤差Dp、峰現(xiàn)時間誤差OT以及確定性系數(shù)E共4個指標同時對1985年和2008年下墊面條件下的HEC-HMS模型進行了檢驗，結(jié)果表明經(jīng)率定驗證后的模型均能較好地模擬研究區(qū)的降雨徑流過程，構(gòu)建的模型在研究區(qū)有較好的適用性。利用其模擬不同降雨產(chǎn)生的徑流過程，具有一定的可靠性和合理性。

（3）根據(jù)10場降雨在兩種下墊面條件下徑流的的模擬結(jié)果，可知相對于1985年下墊面，2008年下墊面條件更容易產(chǎn)流，洪量平均增大16.4%、洪峰平均增大14.6%、峰現(xiàn)時間平均提前5h。總體來說，研究區(qū)在1985年之前，城市化活動尚未大規(guī)模展開，不透水面積所占比重較小，滯蓄能力相對較強；經(jīng)過大規(guī)模城市化之后，土地利用類型的比例發(fā)生變化，不透水面積比重增大，流域的CN器值增大，導致同樣降雨條件下所產(chǎn)生的洪量增大、洪峰變大、峰現(xiàn)時間提前。

（4）對于研究區(qū)子流域，由于降雨空間分布及下墊面自身情況的不同，因此其表現(xiàn)出來的徑流響應是不同的。在本文基礎(chǔ)上分析下墊面變化對子流域徑流響應特性正、負效應的影響，闡明子流域降雨量、直接徑流量、下墊面變化之間的關(guān)系，將是筆者下一步的研究內(nèi)容。

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