姚 原，顧正華，李 云，辜樵亞，范子武

(1. 浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

洪水對人類發(fā)展產(chǎn)生極其重要的影響，森林對流域的產(chǎn)匯流過程有著復(fù)雜的影響機(jī)制，從而具有諸多生態(tài)功能[1-2]。河南駐馬店地區(qū)1975年8月洪水爆發(fā)，在森林覆蓋率僅20%的板橋、石漫灘地區(qū)，大壩決堤，而在森林覆蓋率90%的東風(fēng)水庫上游，大壩完全脫險(xiǎn)。陜西省留壩縣上南河流域和火燒店流域的地質(zhì)情況相同，在1981年暴雨期間，兩地降雨量均為830 mm，森林植被高強(qiáng)度砍伐的上南河流域40%河壩地被沖毀，而森林植被良好的火燒店流域，在持續(xù)4 h的漲水中，水勢緩慢，農(nóng)田、公路等均狀況良好。這表明森林植被覆蓋率對水文過程的影響十分顯著。為充分了解森林的防洪作用，開展森林覆蓋率變化對流域洪水特性的影響研究對流域防洪減災(zāi)具有重要意義。

目前關(guān)于森林植被的水文效應(yīng)研究主要有以下3種方法：試驗(yàn)流域法、水文參數(shù)分析法和水文模型法。試驗(yàn)流域法對森林水文效應(yīng)的評估最為準(zhǔn)確，但因試驗(yàn)周期長，難以應(yīng)用于較大尺度流域而受到限制[3-4]。水文參數(shù)分析法對代表性的水文參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，操作簡單，意義明確，僅對流域水文資料有較大的精度要求，但該方法缺少對物理過程的描述，只能對森林的水文效應(yīng)做簡單描述[5]。水文模型法通過對自然界的水文現(xiàn)象進(jìn)行抽象概括，通過建立準(zhǔn)確的模型來模擬水文過程。自20世紀(jì)50年代中期斯坦福流域模型被開發(fā)出來后，水文模型開始快速發(fā)展。從集總式的HBV模型、SAC模型等到半分布式或分布式的SWAT模型、TOPMODEL模型、SHE模型等[6]，諸多模型的應(yīng)用大大加快了流域水文過程的研究進(jìn)展。進(jìn)入21世紀(jì)后，基于DEM的分布式水文模型是水文模型發(fā)展的重點(diǎn)方向[7-9]。

水文界關(guān)于森林覆蓋對洪水影響的定性研究成果豐碩，多數(shù)研究成果表明森林具有攔蓄降雨、降低徑流系數(shù)和削減洪峰的功能[10-11]，但關(guān)于定量化分析不同森林覆蓋率對流域洪水特性影響的研究成果仍較少。本文以浙江麗水市的小溪流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，利用分布式水文模型MIKE SHE建立小溪流域生態(tài)水文模型，設(shè)計(jì)了不同的模擬工況來模擬森林覆蓋變化下的洪水過程，研究森林覆蓋率定量增長對該流域洪水特性的影響規(guī)律。

1 小溪流域分布式水文模型的建立

1.1 研究區(qū)概況

小溪流域位于浙江省麗水市青田縣、慶元縣及景寧縣境內(nèi)，流域面積1 800 km2，平均坡降為1.2%。流域干流上自沙灣水電站，從鶴口入青田縣境，下至巨浦水文站，干流長近120 km，間有6條較大支流交匯于小溪。流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候帶，臨近東海，受海洋影響較大，具有較明顯的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候特征。麗水市1971—2017年多年平均氣溫17.9 ℃，多年平均降雨量1 599 mm。土壤以紅壤土為主，森林多為常綠闊葉林和針葉林。流域內(nèi)的主要水文站有沙灣水文站和巨浦水文站（圖1）。

圖 1 小溪流域方位及水文站空間分布Fig.1 Spatial distribution of Xiaoxi watershed and hydrological stations

1.2 模型構(gòu)建

1.2.1 流域分布式水文模型 采用的MIKE SHE模型是丹麥水利研究院在20世紀(jì)90年代初開發(fā)并發(fā)展的分布式流域水文模型。模型主要由6個(gè)獨(dú)立并且相互聯(lián)系的子模塊組成來描述產(chǎn)匯流：截留/蒸發(fā)（ET）、坡面漫流（OL）、河道匯流（OC）、非飽和帶流（UZ）、飽和帶流（SZ）和融雪（SM）。對每一個(gè)水文過程都可以用1個(gè)子模塊來進(jìn)行描述，根據(jù)具體需要可將不同模塊進(jìn)行組合，建立符合自身研究需要的水文過程[12]。進(jìn)行模擬時(shí)，MIKE SHE將主要的水流過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合，采用Richard方程一維模擬水分入滲過程，根據(jù)具體地面流情況選用水量平衡方程進(jìn)行二維模擬，對飽和帶的飽和水流采用地下水流模型進(jìn)行三維模擬，以非線性的Boussinesq方程進(jìn)行模擬計(jì)算，將地表水與地下水在空間與時(shí)間上進(jìn)行耦合。區(qū)別于其他分布式模型，MIKE SHE在空間信息的分布式采集時(shí)對森林的生長特性描述和融雪過程模擬等具有較明顯的優(yōu)勢，并能完全與GIS數(shù)據(jù)庫耦合。

1.2.2 計(jì)算條件 （1）地形數(shù)據(jù)：流域坡面采用來自STER GDEM V2的高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品（DEM），分辨率為30 m。利用Arc GIS10.2合并圖幅，截取小溪流域水系，經(jīng)過填洼并矢量化后生成流域水系和邊界，形成數(shù)字高程模型。流域河道地形采用CAD格式的20 m間距等高線，利用MIKE11進(jìn)行建模，并將其與MIKE SHE坡面地形進(jìn)行耦合。

（2）網(wǎng)格設(shè)置：模擬區(qū)域平面尺寸長約81 km，寬約58 km，平面網(wǎng)格設(shè)置為正方形規(guī)則網(wǎng)格，X方向網(wǎng)格數(shù)量為81個(gè)，Y方向網(wǎng)格數(shù)量為58個(gè)，網(wǎng)格大小為1 km × 1 km。垂向上通過多個(gè)水平層處理土壤剖面的差異性，垂直網(wǎng)格劃分為50層，每層厚度為1 m。河道匯流中每個(gè)實(shí)測斷面位置為水位計(jì)算點(diǎn)（h點(diǎn)），兩個(gè)水位計(jì)算點(diǎn)中點(diǎn)處為流量計(jì)算點(diǎn)（q點(diǎn)）。計(jì)算過程中，h點(diǎn)和q點(diǎn)按照順序交替進(jìn)行計(jì)算。

（3）潛在蒸散發(fā)計(jì)算：通過資料收集與整理得到流域的風(fēng)速、大氣壓、相對濕度、日最大溫度、日最小溫度、日均溫度、日照時(shí)數(shù)、海拔與經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，根據(jù)1943年英國學(xué)者彭曼提出的FAO Penman-Monteith公式計(jì)算得到流域潛在蒸散發(fā)序列。

（4）其他計(jì)算條件：降雨采用麗水市水文站的實(shí)際數(shù)據(jù)，流域上游入口流量采用沙灣水文站實(shí)際數(shù)據(jù)；麗水市市域范圍內(nèi)土壤覆蓋主要為紅壤土，在模型中統(tǒng)一設(shè)置為細(xì)粒徑的紅壤土；根據(jù)麗水市城市總體規(guī)劃報(bào)告(2013—2030年)，一般地下水位埋深0.6～1.2 m，模型中地下水位均取離地表1 m。森林覆蓋率按照2017年麗水市實(shí)際森林覆蓋情況設(shè)置為81.7%，其他參數(shù)如表1所示。

表 1 模型參數(shù)Tab. 1 Parameters of model

1.3 模型率定及驗(yàn)證

Joanna Doummar等學(xué)者的研究表明，模型的輸出結(jié)果依賴幾個(gè)主要參數(shù)[13]。通過對敏感性較低的參數(shù)參考使用經(jīng)驗(yàn)值，對敏感性較高的參數(shù)進(jìn)行率定來獲得最優(yōu)參數(shù)組合。利用小溪流域下游巨浦水文站2013—2014年的數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，并采用徑流相關(guān)系數(shù)R和納什有效系數(shù)Ens來評價(jià)模型的模擬效果。其中R反應(yīng)變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度，取值范圍在0～1，R值越大，變量之間的線性相關(guān)程度越高；Ens可以定量表征整個(gè)徑流過程擬合的優(yōu)劣程度，取值范圍在0～1，越接近1擬合效果越好。模型率定的模擬結(jié)果如圖2所示，率定參數(shù)的范圍和率定結(jié)果見表1，R和Ens值分別為0.87和0.81，相關(guān)性較好，說明率定后的模型可用于計(jì)算。

使用參數(shù)率定后的模型模擬小溪流域2014—2015年的徑流過程。將模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較，二者之間的R和Ens值分別為0.82和0.79，這表明模型在模擬的時(shí)間段內(nèi)具有良好的適用性，可以用于小溪流域與徑流相關(guān)的模擬分析中。模型驗(yàn)證的模擬結(jié)果如圖3所示。

圖 2 率定模擬徑流量Fig.2 Calibration of simulated runoff

圖 3 驗(yàn)證模擬徑流量Fig.3 Validation of simulated runoff

2 森林覆蓋率變化對流域洪水特性的影響

2.1 模擬工況設(shè)計(jì)

在流域范圍內(nèi)模擬洪水過程并研究其特性，選取合適的降雨量和降雨過程非常重要。降雨量應(yīng)足夠充沛以滿足形成一定規(guī)模的流域洪水[14]；降雨過程應(yīng)從第2天或第3天開始，并持續(xù)1～2天，最后留下足夠的時(shí)間形成洪水消退過程。選取流域2010年10月3—10日連續(xù)7天的實(shí)際雨量過程，森林覆蓋率的變化設(shè)計(jì)從無森林覆蓋（覆蓋率為0）到全森林覆蓋（覆蓋率為100%），變化幅度10%，共11組工況。使用率定后的MIKE SHE模型模擬流域洪水過程。

2.2 模擬結(jié)果分析

通過對11組工況的模擬得到7天同次降雨條件下，從無森林覆蓋逐漸增長到全森林覆蓋的流域洪水過程的變化。采用MIKE SHE模擬不同森林覆蓋率下的洪水過程線，分析這些曲線的峰值和形態(tài)，研究森林覆蓋率變化對流域洪水特性的影響。

2.2.1 洪峰流量分析 比較各模擬工況下的洪峰流量大小如表2所示，森林覆蓋率小于40%的條件下，洪峰流量并沒有明顯的下降，主要是森林覆蓋率較小時(shí)，森林的林冠稀疏，幾乎不截留雨水，森林密度太小也無法有效攔蓄坡面水流；當(dāng)森林覆蓋率大于40%以后，洪峰流量開始出現(xiàn)明顯下降，平均森林覆蓋率每增長10%，可削減洪峰流量2%，并且在森林覆蓋率為100%時(shí)達(dá)到最大，相比無森林覆蓋洪峰流量削減了13.2%。這表明森林削減洪峰的作用在森林覆蓋率小于40%時(shí)很小，大于40%之后才明顯，并且森林覆蓋率越大，削減洪峰的能力越大。

表 2 森林覆蓋率變化對流域洪水特性影響Tab. 2 Influence of different forest coverage rates on basin flood

2.2.2 洪水形態(tài)分析 由圖4和表2可知，森林覆蓋通過重新分配洪水期間流量對洪水形態(tài)產(chǎn)生一定影響，且森林覆蓋率越大，對洪水形態(tài)影響越大。不同森林覆蓋率下的洪水形態(tài)差別較大，無森林覆蓋或森林覆蓋率較低時(shí)，洪峰起勢急而大，隨著森林覆蓋率的增大，明顯看到洪峰起勢變緩，這是因?yàn)樯值牧止诮亓粲晁约跋虏康目葜β淙~層對水流產(chǎn)生阻滯作用，延緩了水流匯入河道；在洪水消退期間，相比無森林覆蓋，有森林覆蓋的條件下會(huì)出現(xiàn)較大的流量波動(dòng)幅度和較多波動(dòng)次數(shù)。隨著森林覆蓋率的增大，洪水形態(tài)呈現(xiàn)從單峰到雙峰的變化趨勢，可以看到在森林覆蓋率90%和100%的工況下，已經(jīng)形成了較為明顯的次洪峰。分析形成次洪峰的原因是，不同森林覆蓋條件對雨水的阻滯能力有差異，各支流最大匯流量出現(xiàn)時(shí)間差。森林覆蓋率對洪峰到來時(shí)刻（峰現(xiàn)時(shí)間）和洪水歷時(shí)也有相應(yīng)影響，森林覆蓋率增大，森林延緩洪峰越久，洪水歷時(shí)越長，達(dá)到全森林覆蓋時(shí)，森林延緩洪峰到達(dá)時(shí)刻最多可達(dá)到4 h左右，延長洪水歷時(shí)最長約13 h。

圖 4 不同森林覆蓋率下小溪流域洪水模擬過程Fig. 4 Runoff simulation of Xiaoxi watershed flood under different forest coverage rates in Xiaoxi basin

3 結(jié) 語

采用分布式水文模型MIKE SHE研究了森林覆蓋率變化對浙江省麗水市小溪流域洪水特性產(chǎn)生的影響?；诹饔駾EM數(shù)據(jù)、格網(wǎng)生成及潛在蒸散發(fā)計(jì)算等建立了小溪流域分布式水文模型，模型率定和驗(yàn)證的評價(jià)參數(shù)R和Ens均取得理想結(jié)果。采用驗(yàn)證后的模型模擬計(jì)算得到7日同次降雨條件下，從無森林覆蓋逐漸增長到全森林覆蓋的流域洪水過程的變化。通過對不同森林覆蓋率下的洪峰流量分析表明，當(dāng)森林覆蓋率低于40%時(shí)，森林對洪峰削減作用有限，當(dāng)森林覆蓋率高于40%，森林對洪峰削減作用開始大幅度提升，森林覆蓋率平均每增長10%，可削減洪峰流量約2%，當(dāng)森林覆蓋率達(dá)到100%時(shí)，削減洪峰流量達(dá)13.2%。通過對不同森林覆蓋率下的洪水形態(tài)分析表明，森林覆蓋率越大，對洪水形態(tài)影響越大，隨著森林覆蓋率的增大，洪水形態(tài)呈現(xiàn)從單峰到雙峰的變化特點(diǎn)，當(dāng)森林全覆蓋時(shí)延緩峰現(xiàn)時(shí)間最長，約為4 h，延長洪水歷時(shí)最長，約13 h。