基于水文水動力耦合模型的渾河流域排澇區(qū)土地利用變化對排澇模數(shù)的影響分析

董 湃

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人類改造生態(tài)自然環(huán)境能力的提升，渾河流域土地利用變化日益顯著，如城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展和圍湖造田等措施的實(shí)施對河流的產(chǎn)匯形成過程造成了嚴(yán)重的不利影響，并明顯改變了防洪排澇系統(tǒng)的排澇模數(shù)[1]。據(jù)此，開展土地利用變化條件下排澇模數(shù)的變化規(guī)律研究研究，對定量分析渾河流域防洪排澇能力具有重要意義[2]。當(dāng)前，排澇模數(shù)影響因素和計(jì)算方法的研究是有關(guān)排澇模數(shù)研究的主要方面[3]。在西班牙、意大利、法國和希臘等國主要側(cè)重于對排澇模數(shù)的計(jì)算方法研究，如采用綜合流量過程線法SCS、連續(xù)法和運(yùn)動法等在小流域農(nóng)業(yè)排澇區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用并取得了理想的效果；而在國內(nèi)進(jìn)行排澇模數(shù)的計(jì)算經(jīng)常采用的方法主要有單位線法、平均排除法、水量平衡法、經(jīng)驗(yàn)公式法和河網(wǎng)水力學(xué)模型法等[4]。在影響因素方面主要集中排澇模數(shù)與對水旱比、綜合徑流系數(shù)、地面硬化率、水面率、排澇面積、調(diào)蓄容積等的定量關(guān)系的研究；眾多學(xué)者分別對各個影響因素進(jìn)行研究并獲得了一定的成果，如排澇模數(shù)分別與地面硬化率、徑流系數(shù)等參數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與水旱比、水面率和調(diào)蓄容積等參數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[5]。

由此可見，有關(guān)研究主要側(cè)重于對單因素的作用影響研究，而對多個因素的共同作用下土地利用變化所引起的排澇模數(shù)的改變的研究相對較少[6]。相關(guān)研究表明，利用平均排除法和經(jīng)驗(yàn)公式法不能很好的揭示出不同排澇區(qū)的植被覆蓋率、水面和地面硬化程度對排澇區(qū)的產(chǎn)匯流作用影響，對排澇模數(shù)受土地利用變化的作用影響機(jī)理不能進(jìn)行深刻全面的探討[7]。據(jù)此，本文通過構(gòu)建SCS-MIKE11耦合模型對渾河流域排區(qū)進(jìn)行排澇模數(shù)的計(jì)算研究，定量的對排澇模數(shù)受土地利用變化的作用進(jìn)行分析，并對防洪排澇關(guān)鍵技術(shù)措施利用模型進(jìn)行了模擬和優(yōu)化[8]。

1 構(gòu)建SCS-MIKE11耦合模型

1.1 研究區(qū)域概況

渾河流域發(fā)源于清原縣，流域面積11481km2，全長415km，年平均降水量約718.3mm，年蒸發(fā)量約為1805.4mm，年平均徑流量為30.52億m3。排區(qū)內(nèi)屬于不對稱水系，東部坡陡谷深支流密集，而西部支流較少水量較低，其降雨規(guī)律為自東至西逐級遞減，徑流洪水受降雨量影響顯著，暴雨降雨較為集中，短期暴雨是造成該流域洪水的主要原因，汛期主要集中在7月和8月[9]。區(qū)域內(nèi)支流主要細(xì)河、萬泉河、蒲河、章黨河等，排渠地勢較低，排水不暢，在降雨集中的汛期極易形成洪澇。排區(qū)內(nèi)主要有2個一級排水泵站和多個二級泵站，總裝機(jī)流量約為351m3/s，總排水面積為946.5km2。

1.2 土地利用變化

考慮到資料的真實(shí)性和數(shù)據(jù)的可獲取性，本文選取了具有一定代表性的1998年和2015年的土地利用資料進(jìn)行研究，不同土地利用方式見表1。

表1 典型年份渾河流域土地利用方式統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

由表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，渾河流域排區(qū)在18年內(nèi)的土地利用發(fā)生了明顯的變化。其中土地利用方式面積增幅由大到小的依次為建筑用地和水田用地，而減幅由大到小依次為其他用地、水域和旱地用地，面積增幅和減幅最大的土地利用方式分別為建設(shè)用地和其他用地。水域和其他用地的面積表現(xiàn)出明顯的降低趨勢，且二者的減少幅度均十分明顯。水面率由1998年的20.7降低至2015年的9.8；建設(shè)用地面積由1.0%增加值32.3%，而其他面積由40.9%降低至17.2%。耕地面積的總體變化不明顯，而旱地和水田相對于其他方式利用類型變化相對較低，水旱比由0.65增加值0.78。綜上所述，渾河流域派去在1998～2015年的土地利用變化主要趨勢是建設(shè)用地的明顯增大和其他、水域用地的顯著降低。土地利用方式轉(zhuǎn)換主要是其他、水田、水域用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，旱地轉(zhuǎn)化為水田。影響排區(qū)土地發(fā)生變化的因素很多，主要有城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展、人口的增加、區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和土地政策等，多種因素的共同作用引起土地利用的明顯改變[10]。

1.3 SCS-MIKE11耦合模型的構(gòu)建及驗(yàn)證

本文結(jié)合MIKE11模型在河網(wǎng)匯流模擬中的強(qiáng)大功能和SCS模型在產(chǎn)流計(jì)算的廣泛適用性，通過將二者進(jìn)行耦合實(shí)現(xiàn)了渾河流域排區(qū)的產(chǎn)匯流模擬預(yù)測分析。本文參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，并根據(jù)研究區(qū)域徑流特點(diǎn)和土地利用現(xiàn)狀，分別對模型的閘泵和水面產(chǎn)流進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，并以此提高模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。本研究主要對糙率系數(shù)和CN參數(shù)進(jìn)行率定，并利用土壤類型和土地利用對CN值進(jìn)行確定。首先依據(jù)排區(qū)產(chǎn)流特點(diǎn)將土地利用類型主要分為5類，各土地利用方式見表1，然后分別對不同土地利用方式的CN值進(jìn)行計(jì)算，并采用比例加權(quán)法對各方式所占總面積的比例進(jìn)行綜合CN值的計(jì)算。結(jié)合排區(qū)內(nèi)土地利用實(shí)際狀況進(jìn)行土壤前期濕潤狀況的等級條件劃分，并利用相關(guān)資料和經(jīng)驗(yàn)確定渾河流域排區(qū)的CN值的初始范圍。模型經(jīng)過率定最終得到土壤在干旱、平均和濕潤三種濕潤程度下的CN值，分別為30、45和61。經(jīng)過率定的河道糙率為0.02。模型驗(yàn)證和率定結(jié)果顯示，本研究所構(gòu)建的模型表現(xiàn)出較強(qiáng)的適用性和可靠性，可以用于對排區(qū)進(jìn)行排澇模數(shù)的計(jì)算研究[11]。

1.4 確立排澇標(biāo)準(zhǔn)

對排澇時間、暴雨歷時和暴雨重現(xiàn)期進(jìn)行設(shè)計(jì)是排澇標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容，其中排澇時間的設(shè)計(jì)往往受設(shè)計(jì)暴雨歷時的作用影響，通常情況下農(nóng)作物和水稻分別為1～3d、3～5d；而暴雨歷時設(shè)計(jì)通常為1、3、7d三個時段；暴雨重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)通常為5～10a一遇為標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)渾河流域排區(qū)的排澇標(biāo)準(zhǔn)，分別選取10年一遇3d暴雨5d排除和1d暴雨3d兩個設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排區(qū)的排澇模數(shù)的計(jì)算分析[12]。

1.5 計(jì)算排澇模數(shù)

對渾河流域排區(qū)10a一遇重現(xiàn)期下的暴雨進(jìn)行設(shè)計(jì)可通過對排區(qū)內(nèi)撫順、沈陽和鞍山3個雨量站在1998～2015年的日降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行排頻所得。通過對典型雨型進(jìn)行推導(dǎo)求解，可對暴雨過程進(jìn)行設(shè)計(jì)；而排區(qū)的分區(qū)應(yīng)依據(jù)研究區(qū)域土地利用狀況和河網(wǎng)水系特點(diǎn)進(jìn)行劃分，對各分區(qū)內(nèi)的產(chǎn)流采用SCS模型進(jìn)行模擬，然后利用匯流單位線將各分區(qū)內(nèi)的產(chǎn)流匯至河道入口，而MIKE11模型的河網(wǎng)入流量利用河道入口的匯流量即旁側(cè)入量并進(jìn)行排澇計(jì)算[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化對排澇模數(shù)的影響

通過對近18年的土地利用變化分析可知，在渾河流域排區(qū)內(nèi)具有較大調(diào)蓄能力水域面積的減少以及具有較大不透水面積較大城市建設(shè)用地的急劇增大改變排區(qū)內(nèi)原有的排澇特性。據(jù)此，有必要開展土地利用變化條件對排澇模數(shù)的定量分析。在1998和2015年不同土地利用方式下的10年一遇重現(xiàn)期的1d暴雨強(qiáng)度3d排除和3d暴雨強(qiáng)度5d排除的排澇模數(shù)利用構(gòu)建的水動力學(xué)與水文耦合模型進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 對重現(xiàn)期為10年一遇不同時期的排澇模數(shù)計(jì)算結(jié)果表

由2表計(jì)算結(jié)果可知，在不同暴雨強(qiáng)度下1998年排澇模數(shù)的0.08m3/(s·km2)和0.22m3/(s·km2)分別增大至0.21m3/(s·km2)和0.30m3/(s·km2)，增加比例高達(dá)162.5%和36.4%。由此可見，以2015年土地利用方式為基礎(chǔ)相同排澇標(biāo)準(zhǔn)下2015的排澇模數(shù)明顯大于1998年的計(jì)算結(jié)果。結(jié)合文中上述分析，水域面積的明顯縮減和城鎮(zhèn)建設(shè)用地的急劇增大時排區(qū)土地利用變化的主要方式，具體表現(xiàn)為水田、水域和其他建設(shè)用地向建設(shè)用地、旱地轉(zhuǎn)化為水田[14]。排澇模數(shù)增大的原因，一方面為水田、水域和其他建設(shè)用地具有良好的徑流調(diào)蓄能力，所引起的產(chǎn)流量較低，而三種土地利用類型分別朝著土地朝著經(jīng)徑流系數(shù)較大的城鎮(zhèn)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致了降雨產(chǎn)流量的明顯增大；另一方面，雖然旱地在一定程度上朝著水田轉(zhuǎn)化，而在汛期水田對徑流可發(fā)揮一定的調(diào)蓄能力，并引起產(chǎn)流量的減低，但是其轉(zhuǎn)化面積相對較低，徑流量總體上呈增大趨勢，即徑流量和洪峰流量在2015年的土地利用條件下均明顯大于1998年的計(jì)算結(jié)果，從而引起在不同暴雨強(qiáng)度下的排澇模數(shù)在2015年計(jì)算結(jié)果均大于1998年。排水工程的排澇能力應(yīng)隨著土地利用類型的改變和排澇模數(shù)的增大而提高。因此，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，局部地區(qū)表現(xiàn)出的排澇能力不足問題，其主要原因與土地利用變化相關(guān)。

2.2 澇災(zāi)治理措施模擬分析

降雨徑流量和洪峰流量的增大引起了排澇工程防洪能力的下降，據(jù)此開展不同土地利用方式下的排澇措施研究對于防洪減災(zāi)，提高排澇能力技術(shù)措施具有十分重要的意義。據(jù)此，本文以2015年的土地利用類型為依據(jù)，采用所構(gòu)建的模型分別對種植結(jié)構(gòu)、城鎮(zhèn)化和蓄泄格局變化條件下對排澇模數(shù)的影響進(jìn)行研究，通過對不同指標(biāo)進(jìn)行取值建立了27種組合方案，并對各方案進(jìn)行模擬優(yōu)選分析。各指標(biāo)的組合狀況和計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同參數(shù)指標(biāo)的取值

以排澇模數(shù)作為因變量y，以上述參數(shù)x1、x2、x3分別為自變量可構(gòu)建多元回歸方程，通過對回歸方程進(jìn)行求解，揭示和要素參數(shù)對排澇模數(shù)的作用影響規(guī)律。研究表明各回歸方程的結(jié)構(gòu)形式大致相同而作用系數(shù)存在一定差異，排澇模數(shù)與水面率和水旱比呈負(fù)相關(guān)，而與地面硬化率呈正相關(guān)特征，排澇模數(shù)受水面率的影響作用明顯大于其他兩個參數(shù)的作用影響，此研究結(jié)果與其他相關(guān)研究結(jié)論保持一致。圖1為在現(xiàn)狀水旱比和排澇能力作用下的地面硬化率與水面率的變化關(guān)系圖。

圖1 不同暴雨強(qiáng)度下水面率和地面硬化率之間的變化關(guān)系圖

由圖1可知，在2015年地面硬化率為30.6時的不同暴雨強(qiáng)度下的水面率分別為12.8%和24.6%，即在2015年土地變化條件下的水面率分別增加了3.5%和14.7%；在10.2%水面率條件下的1d暴雨的地面硬化率為15.5%，即保持其他用地不變的的條件下即使減少14.7%的地面硬化率，而無法保證在3d暴雨時的排澇能力保持不變，其排澇模數(shù)為0.182m3/(s·km2)比當(dāng)前增大了15.1%。結(jié)合相關(guān)歸回方程進(jìn)行計(jì)算可知，每增加1%的地面硬化率，其1d和3d暴雨的排澇模數(shù)分別增加了0.004、0.002m3/(s·km2)；在現(xiàn)有條件下，每增加1%的水面率，排澇模數(shù)在1d和3d暴雨條件下分別減少0.015、0.011m3/(s·km2)；每增加0.1%的水旱比，則排澇模數(shù)在1d和3d暴雨條件下分別減少0.006、0.002m3/(s·km2)。據(jù)此，為了降低洪澇災(zāi)害的危害性，有效的防洪減災(zāi)措施主要除了降低地面硬化率、增加排澇流量外，還應(yīng)保持水旱比和水面率的增加。同時水面率的增加對緩解排澇壓力的作用明顯大于水旱比的增大和地面硬化率的作用[15]。

3 結(jié)語

本文以渾河流域排區(qū)為典型區(qū)進(jìn)行研究，利用所構(gòu)建的SCS-MIKE11耦合模型對研究區(qū)域進(jìn)行排澇計(jì)算，并定量的對土地變化方式對排澇模數(shù)的作用影響。得出的主要結(jié)論如下：

(1)水域面積的明顯縮減和城鎮(zhèn)建設(shè)用地的急劇增大時排區(qū)土地利用變化的主要方式，具體表現(xiàn)為水田、水域和其他建設(shè)用地向建設(shè)用地、旱地轉(zhuǎn)化為水田。

(2)各回歸方程的結(jié)構(gòu)形式大致相同而作用系數(shù)存在一定差異，排澇模數(shù)與水面率和水旱比呈負(fù)相關(guān)，而與地面硬化率呈正相關(guān)特征，排澇模數(shù)受水面率的影響作用明顯大于其他兩個參數(shù)的作用影響。

(3)每增加1%的地面硬化率，其1d和3d暴雨的排澇模數(shù)分別增加了0.004、0.002m3/(s·km2)；在現(xiàn)有條件下，每增加1%的水面率，排澇模數(shù)在1d和3d暴雨條件下分別減少0.015、0.011m3/(s·km2)；每增加0.1%的水旱比，則排澇模數(shù)在1d和3d暴雨條件下分別減少0.006、0.002m3/(s·km2)。