沩水流域中上游径流对不透水面扩张的响应

蒋昌波， 钟 量， 隆院男， 刘 婕

(1.长沙理工大学 水利工程学院， 湖南 长沙 410114； 2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室， 湖南 长沙410114； 3.长沙水文水资源勘测局， 湖南 长沙 410001)

1 研究背景

不透水面是指经过人为改造的、具有阻止水下渗特性的非天然地表面，如屋顶、道路、停车场等[1]。随着城镇化高速发展，引起了不透水面的持续扩张[2-3]。流域不透水面的大幅扩张改变了下垫面物理特征，导致流域降雨径流过程的变化[4-6]，表现在同等降雨强度下，汇流时间缩短，径流强度增加，从而导致内涝和洪水等极端水文事件发生频率增高[7-10]。

国内外学者对不透水面扩张及城市化与径流响应进行了大量研究，主要集中在不透水面扩张及城市化对径流量及基流的影响等方面。Brun等[11]基于HSPF模型研究美国Gwynns Falls 流域上游城市化的径流响应，得到当不透水面百分比由13%增长到18%时，基流下降20%；当不透水率超过20%时，基流系数变化剧烈。Choi等[12]构建Milwaukee River流域未来土地利用情景，并采用HSPF模型研究城市扩张对径流的影响，认为当城市面积增幅较小时，不会引起明显的径流变化。Du等[13]基于HEC-HMS模型研究深圳龙华流域城市不透水面位置对洪峰流量的影响，结果表明在上下游增加相同不透水面情况下，上游不透水面扩张引起的洪峰流量比下游不透水面扩张引起的洪峰流量大14倍，并且不同子流域新增的不透水面对洪峰流量的影响不同。刘珍环等[14]基于L-THIA模型对深圳市不透水面扩张的径流响应进行研究，结果表明当不透水面百分比由26.5%扩张至49.3%时，不同日降雨强度和典型水文年的径流量显著增加。司巧灵等[15]基于HEC-HMS模型对城市化流域洪水进行模拟，研究结果表明不透水面积明显增加会导致雨量下渗减少，产流量增加，同时使得坡面汇流和河道汇流时间缩短，进而导致洪峰流量增加，峰现时间提前。目前在不透水面扩张及城市化的径流响应研究中，大多从土地利用变化的角度开展研究，其模拟结果易受不同土地利用类型相互转化的影响。为消除不透水面扩张以外的其他土地利用相互转化对径流的影响，本文以沩水流域中上游为研究区，通过构建研究区2000-2015年不透水面扩张情景，采用HSPF模型来探讨研究区及其主城区不透水面扩张对径流的影响规律，为研究区域水资源开发提供决策参考。

2 数据来源与方法

2.1 水文气象数据

本文以宁乡(二)水文站以上控制流域为研究区，宁乡(二)水文站位于湖南省宁乡市城郊乡沩丰坝村(东经112°34′、北纬28°16′)，沩水流域中上游及其主城区地理位置如图1。

流量数据采用2006-2012年宁乡(二)水文站日流量数据，气象数据采用1980-2012年宁乡气象观测站日降雨量、日均气温、日最高气温、日最低气温、日均风速以及巷子口、流沙河、石坝子站日降雨量，其余气象数据(太阳辐射、云层覆盖、潜在蒸散发等)由WDMUtil生成。

2.2 下垫面数据

下垫面数据包括DEM数据、土地利用和土壤数据。DEM数据来源于地理空间数据云平台，分辨率为30 m×30 m(图2)。土地利用数据采用中国科学院资源环境数据云平台2000、2005、2010、2015年4期土地利用数据，比例为1∶100000；根据研究区土地利用特点，对土地利用类型进行重新分类，主要分为：不透水面、耕地、林地、水域/湿地以及裸地(图3)。土壤数据采用中国科学院资源环境数据云平台1:1000000土壤类型分布图，对土壤类型图进行重新分类，共分5类：红壤、黄壤、紫色土、石质土、水稻土(图4)。

图1 研究区位置及子流域划分示意图

图2 研究区DEM图

图3 研究区土地利用类型分布

2.3 研究方法

HSPF模型于1981年由Robert Cart Johanson基于SWM(斯坦福模型)提出，主要基于气象和下垫面异质性划分水文响应单元，采用物理定律与经验公式模拟水文响应单元中水体运动，使模型既具有分布式水文模型的特点，又减少了计算冗余[16-17]。HSPF模型中水文响应单元的水文模拟由按照水量平衡原理计算入流与出流的5个蓄积层完成，分别为截留蓄积层、上土壤层蓄积层、下土壤层蓄积层、浅层地下水蓄积层、深层地下水蓄积层。河段径流演算通过建立水深、体积、水表面积与出流量的函数关系来完成[18-19]。随着HSPF模型的发展与完善，美国环保署于1988年将该模型开发成WinHSPF软件，并与WDMUtil工具、GIS工具、GenScn工具集成到Basins平台中，可快速、方便建立HSPF模型。其中，WinHSPF用于参数调整与气象异质性划分，GIS用于子流域划分、河网提取与下垫面异质性处理，WDMUtil用于气象数据的批量输入、时间步长的转换、缺测数据的插补，GenScn用于模拟结果分析与输出[20]。HSPF模型不仅能用于水文过程模拟，还能用于面源污染和点源污染演进过程的模拟，被广泛用于流域尺度的水文水环境研究[17]。

图4 研究区土壤类型分布

3 HSPF模型的建立与校准

3.1 模型的建立

考虑流域下垫面特性、水文气象测站分布等情况，进行下垫面异质性处理(图5)和气象异质性处理(表1)，并基于DEM数据将沩水流域中上游划分23个子流域(图1)和282个水文响应单元。

表1 子流域气象站点分配

图5 研究区下垫面异质性处理

3.2 模型的适用性评价

采用宁乡水文站(二)实测月均流量数据进行模型率定与验证，率定期为2006-2009年，验证期为2010-2012年，图6为实测值与模拟值对比图。采用相关系数R2和纳什效率系数Ens对模型进行适用性评价，其表达式见公式(1)与公式(2)。率定期与验证期的相关系数分别为0.92、0.97，纳什系数分别为0.85、0.90，模拟结果表明模型在沩水流域中上游有良好的适用性。

(1)

(2)

图6 2006-2012年宁乡水文站(二)月均流量实测值与模拟值对比

4 研究区不透水面扩张对径流的影响

4.1 研究区不透水面扩张情景设置

本文以2000年土地利用数据为基准期，将2005、2010、2015年的不透水面分别叠加到2000年的土地利用上，分析沩水流域中上游径流对不透水面扩张的响应，具体情景设置见表2，各情景研究区不透水面扩张情况见图7。

4.2 研究区不透水面扩张情景下的土地利用变化

表3为沩水流域中上游各情景下土地利用面积，由表3可知，林地面积最大，耕地面积次之，以上两类土地利用类型面积占研究区面积的90%以上，其余土地利用类型面积依次为不透水面、水域/湿地、裸地；其中，不透水面面积占比虽小，但是增长迅速，由A0情景的32.79 km2增长到A3情景的79.12 km2，增幅达141%，年均增长9.4%。

表2 研究区不透水面扩张情景设置

图7 研究区不透水面扩张情景

土地利用类型A0情景/km2占总面积比例/%A1情景/km2占总面积比例/%A2情景/km2占总面积比例/%A3情景/km2占总面积比例/%耕 地 779.4434.7775.5834.5765.7134.1755.1233.6裸 地 8.990.48.990.48.870.48.870.4森 林 1397.1662.31394.5162.11383.7261.61375.3661.3不透水面32.791.439.31.860.172.779.123.5水域/湿地27.581.227.581.227.491.227.491.2合计2245.961002245.961002245.961002245.96100

4.3 研究区不透水面扩张对年径流的影响

表4和图8给出了研究区不同情景下年均径流深的变化规律，在A0、A1、A2、A3情景下，研究区年均径流深分别为549.2、550.6、554.9、558.9 mm，研究区A1、A2、A3情景较A0情景年均径流深分别增长0.25%、1.03%、1.76%。综上所述，2000-2015年沩水流域中上游不透水面扩张会引起年径流小幅增长。

表4 研究区不透水面扩张情景下年均径流深

注：(1)增长率指各土地利用情景年均径流深较A0情景年均径流深的增长率。(2)不透水率指不透水面积与研究区面积之比，下同。

4.4 研究区不透水面扩张对汛枯期径流的影响

本文对研究区不透水面扩张情景下的汛期(4-9月)和枯水期(1-3月和10-12月)径流深进行模拟研究，结果见表5和图9。由图9、表5可知，在同一研究区不透水面扩张情景下，研究区枯水期年均径流深增长率比汛期年均径流深增长率大。在汛期，研究区A1、A2、A3情景年均径流深较A0情景年均径流深分别增长0.23%、0.95%、1.63%；在枯水期，研究区A1、A2、A3情景年均径流深较A0情景年均径流深分别增长0.29%、1.20%、2.04%；且随着不透水面扩张，研究区枯水期与汛期年均径流深增长率差值越来越大，研究区枯水期年均径流深增长率与汛期年均径流深增长率的差值由A1情景的0.06%增长到A3情景的0.41%。综上所述，2000-2015年研究区不透水面扩张会引起汛期和枯水期径流深增大，但枯水期径流深增大快于汛期的径流深增大，即研究区不透水面扩张对枯水期径流的影响大于对汛期径流的影响。

表5 研究区不透水面扩张情景下汛枯期年均径流深

注：增长率指各土地利用情景年均径流深较A0情景年均径流深的增长率。

4.5 研究区不透水面扩张对典型水文年径流的影响

采用P-Ⅲ型概率曲线对研究区1980-2012年降水资料进行频率分析，确定降水量频率10%、50%、90%分别对应丰、平、枯水年，其年降水量分别为1 798、1 415、1 104 mm，选取实测年降水量与降水量频率10%、50%、90%对应的降水量最接近的年份作为本文的典型水文年，即丰、平、枯水文年为1994、2005、1986年。研究区不透水面扩张情景典型水文年年径流深增长率见图10和表6。

由图10可知，在典型水文年不透水面扩张情景下，研究区枯水年年径流深增长率最大，平水年年径流深增长率次之，丰水年年径流深增长率最小。由表6可知，在A1情景下，丰水年、平水年、枯水年的年径流深分别为772.9、522.0、424.5 mm，相对A0情景年径流深分别增长0.19%、0.31%、0.34%；在A2情景下，丰水年、平水年、枯水年的年径流深分别为777.6、527.0、429.0 mm，相对A0情景年径流深分别增长0.81%、1.27%、1.42%；在A3情景下，丰水年、平水年、枯水年的年径流深分别为782.2、531.4、433.2mm，相对A0情景年径流深分别增长1.40%、2.13%、2.42%。综上所述，在2000-2015年研究区透水面扩张情景下，典型年年径流深增幅总是枯水年>平水年>丰水年，即2000-2015研究区不透水面扩张对枯水年径流的影响最大，平水年次之，丰水年最小。

5 主城区不透水面扩张对径流的影响

沩水流经宁乡市区，其主城区划分为子流域1和23(见图1)，通过对主城区不透水面数据分析，发现2000-2015年主城区的不透水面共新增32.15 km2，占整个研究区不透水面新增面积的70%，不透水率由10.2%增长到42.7%(表7)，年均增长21.1%，由此可见研究区不透水面扩张最为剧烈的区域在主城区。为了探究主城区不透水面扩张对径流的响应，本文采用4.1节构建的不透水面扩张情景，对主城区不透水面扩张的年径流及汛枯期径流响应进行分析。

5.1 主城区不透水面扩张对年径流的影响

表8和图11给出了主城区不同情景下年均径流深的变化规律。由图11可知，在不透水面扩张情景下，主城区年均径流深的趋势为：A0

表6 研究区不透水面扩张情景下典型水文年年径流深

注：增长率指相同水文年各土地利用情景年径流深较A0情景年径流深的增长率。

表7 主城区不透水面扩张情景土地利用面积统计

表8 主城区不透水面扩张情景下年均径流深

注：增长率指各土地利用情景径流深较A0情景径流深的增长率。

5.2 主城区不透水面扩张对汛枯期径流的影响

由表9、图12可知，主城区枯水期年均径流深增长率比汛期年均径流深增长率大；在汛期，主城区A1、A2、A3情景年均径流深增长率分别为4.22%、16.23%、23.58%，在枯水期，主城区A1、A2、A3情景年均径流深增长率分别为5.10%、19.48%、28.31%。

图8研究区不透水面扩张情景年均径流深增长率 图9研究区不透水面扩张情景汛枯期年均径流深增长率

图10研究区不透水面扩张情景典型水文年年径流深增长率 图11主城区不透水面扩张情景年均径流深增长率

由表10可知，在研究区不透水面扩张情景下，研究区不透水率由1.46%增长到3.52%，主城区不透水率由10.52%增长到42.75%；在枯水期，主城区径流深增长率与研究区径流深增长率差值分别为4.81%、18.28%、26.27%；在汛期，主城区径流深增长率与研究区径流深增长率差值分别为3.99%、15.28%、21.95%。综上所述，主城区不透水面的扩张会引起汛枯期径流深的增加，这与研究区汛枯期的径流响应是一致的，但是，在同一研究区不透水面扩张情景下，主城区不透水面扩张引起的汛枯期径流增加幅度明显大于研究区的增加幅度。

表9 主城区不透水面扩张情景汛枯期年均径流深

注：增长率指各土地利用情景径流深较A0情景径流深的增长率。

表10 不透水面扩张情景下研究区与主城区汛枯期年均径流深增长率对比 %

图12 主城区不透水面扩张情景汛枯期年均径流深增长率

6 结 论

本文以沩水流域中上游为研究区，利用气象、水文及下垫面数据建立了HSPF模型；通过构建2000-2015年不透水面扩张情景，探讨研究区及其主城区不透水面扩张对径流的影响，主要结论如下：

(1)2000-2015年研究区不透水面由32.79 km2增长到79.12 km2，增幅达141%，年均增长9.4%，不透水率由1.46%增长到3.52%；2000-2015年主城区不透水面由10.14 km2增长到42.29 km2，年均增长21.1%，不透水率由10.2%增长到42.7%，主城区新增不透水面面积占研究区新增不透水面面积的70%。

(2)采用宁乡(二)水文站月均流量实测数据对HSPF模型进行率定与验证，率定期与验证期相关系数R2分别为0.92、0.97，纳什系数Ens分别为0.85、0.90，表明HSPF模型在沩水流域中上游有良好的适用性。

(3)2000-2015年研究区不透水面扩张会引起年径流深的小幅增长，在汛枯期，会导致汛枯期径流深均出现增长，但是，随着不透水面的扩张，枯水期径流深增长率与汛期径流深增长率的差值为正且有扩大趋势，即2000-2015年研究区不透水面扩张对枯水期径流深的影响大于对汛期径流深的影响。在典型水文年，同一研究区不透水面扩张情景下，2000-2015年研究区不透水面扩张对枯水年径流深的影响最大，平水年次之，丰水年最小。在2000-2015年不透水面扩张情景下，主城区与研究区不透水面扩张对径流深的影响在趋势上是一致的，但是在影响程度上，主城区大于研究区。