潖江滯洪區森林植被覆蓋率與防洪減災的耦合關系1)

叢沛桐 于慧敏 韋 未 郭鳳清

(廣東省水利水電科學研究院，廣州，510610) (天津師范大學) (華南農業大學)

潖江滯洪區森林植被覆蓋率與防洪減災的耦合關系1)

叢沛桐 于慧敏 韋 未 郭鳳清

(廣東省水利水電科學研究院，廣州，510610) (天津師范大學) (華南農業大學)

采用森林水文學、陸地水文學及3S技術原理與方法，基于遙感影像NDVI指數與水文學模型參數的關聯，構建森林植被覆蓋率與洪水淹沒耦合關系模型，計算了現狀和高植被覆蓋率情景下潖江滯洪區可能出現的洪水災害。當潖江口分洪百年一遇洪水時，70％植被覆蓋率情景與現狀條件相比，淹沒面積減少32.8％，農業損失減少40％，固定資產投資減少13.4％，提高了人員生命安全的保障程度。

森林水文效應;洪災評估;潖江滯洪區

目前有關森林植被與洪水淹沒數量關系的研究還比較少，現有的研究主要集中于河川徑流的水文觀測和野外定位觀測。而對于滯洪區來說，是很難獲得實際觀測數據的，使得森林植被與洪水減災的關系研究比較多的限于定性分析[1]，缺乏量化評價，主要問題在于難以界定兩者之間是通過哪些參數進行量化銜接，目前還未見有這方面的研究和報道。為此，本文從森林生態學與水文學的學科特點出發，結合廣東省重點科技計劃項目，以北江流域潖江滯洪區為研究對象，解析滯洪區森林植被主要通過影響洪水淹沒的幾何形態、糙率、泥沙侵蝕、沖刷和淤積特性[2]，來改變洪水演進路徑、推進速率，降低破壞力，從而達到抑制洪水破壞程度的作用機理和減災功效。

1 研究區概況

潖江是北江的支流之一，主要流經廣東省清遠市佛岡縣境(圖1)，全長100多km，流域面積903.5km2，豐水年徑流量23.87×108m3，枯水年徑流量11.89×108m3。匯集了耀洞水、誠遷水、龍南河、黃花河、四九河、熬頭水、民安河等支流，在清新縣飛來峽鎮附近匯入北江[3]。

潖江滯洪區地理位置東經 113°12′～113°47′、北緯 23°33′～23°58′，是廣東省重要的林業基地和珠江三角洲綠色生態屏障，有林地面積83 532.21 hm2，2010年森林覆蓋率56.6％。本區境內以低山丘陵為主，總體地勢東北和南部較高，山地丘陵海拔在1 000m以下，中間河谷地帶較低，低洼地地面高程12～15m(珠基，下同)。25m 以下面積100.8km2，耕地0.568萬hm2(其中水田0.447 hm2)。滯洪區受北江洪水影響明顯，當北江上游來水達到2 000m3/s時，北江干流部分水流在飛來峽鎮附近的潖江口倒灌入潖江滯洪區，進入滯洪區后洪水演進運動規律復雜。

圖1 研究區地理位置及河流水系

2 研究方法

本文采用3S技術與方法，將森林植被層與水文層在GIS平臺上耦合。通過遙感方法解譯出滯洪區森林植被覆蓋率指標(NDVI指數)，該指數是淹沒區水文學模型中糙率和渦黏性系數的直接表現，通過二者之間相關關系分析后，將NDVI指數轉化為河床糙率和渦黏性系數，輸入水文模型，從而建立森林植被覆蓋與淹沒區洪水相互耦合的模型技術方法。

2.1 遙感植被指數提取技術

在ENVI遙感影像處理平臺上，對研究區進行歸一化植被指數計算，采用資料包括近期TM遙感影像圖及1∶5萬地形圖。圖像數據預處理包括遙感影像的幾何校正、研究區的裁剪等基礎工作。根據佛岡縣1∶5萬地形圖，對遙感影像進行幾何校正，采用二次多項式擬和法進行影像配準，然后運用鄰近點插值法進行重采樣，誤差控制在一個像元內。

歸一化植被指數NDVI采用TM影像2個波段值，第一波段(近紅外)和第二波段(紅外波段)[4]。

計算公式:

式中:Xnir為近紅外波段;Xred為紅外波段。

2.2 MIKE21水文學模型技術

MIKE21是丹麥水動力學研究所開發的二維水動力學計算模型，潖江滯洪區水文學模型洪水演算采用該平臺提供的平面二維非恒定流[5]，基本控制方程為:

x方向運動方程:

y方向運動方程:

式中:x、y、t分別為空間、時間坐標;U為x方向流速;V為y方向流速;Z為水位;h為水深;u、v分別為垂線平均流速在x、y方向的分量;n為曼寧糙率系數;c為謝才系數，c=(1/n)h1/6;vt為紊動黏性系數;g為重力加速度。

采用有限差分法對上述方程進行求解。

2.3 耦合模型

將NDVI指數轉化為坡面糙率及沿程摩阻與局部摩阻系數，輸入MIKE21水文模型中，基于水文模型分析計算森林植被覆蓋率對滯洪區洪水淹沒的影響。

3 結果與分析

在遙感軟件平臺上解譯出研究區現狀NDVI指數分布(圖2)，按70％植被覆蓋率情景解譯出高覆蓋率模擬NDVI指數分布(圖3)。

圖2 研究區現狀NDVI指數分布(植被覆蓋率56.6％)

基于潖江滯洪區歷史洪水進行模型驗證、率定和計算，以分洪區入口水位15m、流速2m/s為邊界條件，2010年9月為基準，百年一遇洪水在潖江口分洪進入滯洪區，按現狀和模擬2個情景計算。計算結果表明:洪水在模擬植被高覆蓋率(70％)情況下，淹沒范圍主要集中在潖江干流及支流熬頭河等水系，淹沒水深大部分小于2m。該水深主要淹沒地勢低平的河流沿岸農田，分洪時大部分農業造成損失(圖4)。

圖3 研究區高覆蓋率模擬情景NDVI指數分布(植被覆蓋率70％)

圖4 高植被覆蓋率(70％)洪水淹沒水深

圖5 現狀植被覆蓋條件下洪水淹沒水深

相比而言，按現狀條件計算，洪水危害性增加，大部分淹沒區水深在2～3m之間(圖5)，已對村民人身安全造成危險，應按防洪預案指定人員轉移路線和避險方案[6]，對于分布在可能淹沒范圍內的村鎮和企業，以及重要工業和基礎設施的建設應充分考慮防洪安全標準，避免出現嚴重的財產損失。分析洪水計算成果，結合電子地圖計算兩種方案的淹沒范圍，評估淹沒區企業和農田受損狀況[7]，統計淹沒區財產損失(表1、表2)。經統計，當遭受百年一遇洪水時，以2010年9月為準，當潖江滯洪區植被覆蓋率達到70％時，淹沒面積比現狀減少了32.8％，農業損失減少40％，固定資產投資減少13.4％。因此，通過植樹造林，提高森林覆蓋率，可有效減少滯洪區財產損失，尤其是提高了人員生命安全的保障程度。

表1 滯洪區主要鎮投資及產值(2010年9月) 萬元

表2 不同植被覆蓋方案洪災損失評估(2010年9月)

4 結論

采用遙感影像NDVI指數圖模擬森林植被覆蓋情景，可構建森林覆蓋率數量化評價技術方法。

在GIS平臺上，通過糙率等參數與NDVI指數關聯，耦合植被覆蓋層與水文層，定量分析評價不同植被覆蓋率對滯洪區洪水的調節作用。

基于電子地圖，在地理信息平臺上實現了快速評估不同森林覆蓋率情景下，特定洪水造成的淹沒區財產損失。

[1] 李少華，沈冰.地理信息系統在洪水預報中的應用[J].西北水力發電，2002，18(1):9-12.

[2] 劉仁義，劉南.一種基于數字高程模型DEM的淹沒區災害評估方法[J].中國圖像圖形學報，2001，6A 版(2):118-122.

[3] 白景昌.基于遙感與地理信息系統的洪災風險區劃研究[D].北京:中國科學院研究生院，2004.

[4] 羅亞，徐建華，岳文澤，等.植被指數在城市綠地信息提取中的比較研究[J].遙感技術與應用，2006，21(3):212-219.

[5] 叢沛桐，黃錦林，王瑞蘭.潖江滯洪區洪災風險區劃研究[J].廣東水利水電，2005(6):10-12.

[6] 丁志雄.基于RS與GIS的洪澇災害損失評估技術方法研究[D].北京:中國水利水電科學研究院，2004.

[7] 徐雨清，王兮之，梁天剛，等.遙感和地理信息系統在半干旱地區降雨—徑流關系模擬中的應用[J].遙感技術和應用，2000，15(1):28-31.

Coupling Relationship Between Forest Coverage Rate and Flood Control and Disaster Reduction in the Detention Basin of Pajiang River

/Cong Peitong(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower，Guangzhou 510610，P.R.China);Yu Huimin(Tianjin Normal University);Wei Mo，Guo Fengqing(South China Agricultural University)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-104～105，111

Hydrological effects of forest;Flood disaster assessment;Detention basin of Pajiang River

S715.7

1)廣東省重點科技計劃項目(2003C32601)，廣東省水利科技計劃項目。

叢沛桐，男，1965年2月生，廣東省水利水電科學研究院，現工作于華南農業大學水利與土木工程學院，教授。E-mail:congpeitong@163.com。

2011年3月29日。

責任編輯:張 玉。

A study was conducted to develop a coupling model between the forest coverage rate and flood submerged area according to the principles of forest hydrology，land hydrology and 3S technology，based on the relationship between Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)for remote sensing images and parameters of hydrology models.The possible flood disasters in Pajiang River were analyzed under the current situation as well as at a high forest coverage rate.When a flood with a frequency of one hundred years occurs，the floor submerged area，the agricultural loss，and the fixed assets investment will reduce by 32.8 percent，40 percent and 13.4 percent respectively at a coverage rate of 70 percent，compared with those under the current situation.This results show that the guarantee of life safety can be improved in the detention basin of Pajiang River when the forest coverage rate is 70 percent.