江淮下游典型平原水网区下垫面变化对水文过程及洪涝风险的影响

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江淮下游多平原水网,以里下河地区最为典型。里下河位于江苏省东部沿海,在自然过程和人类活动双重影响下逐步形成四周高、中间低的碟形洼地的地形特点。近年来洪涝灾害逐步加剧,洪涝损失波动上升,资源环境压力持续增大,土地利用方式出现剧烈变化。因此,在我国新一轮城市化的背景下,以该区域为例,研究江淮下游水网地区下垫面变化驱动下径流变异规律及对洪涝影响,丰富和完善江淮下游平原水网区下垫面变化导致水文变异研究,为区域水灾害治理与水资源配置提供支撑,具有较大的科学意义和应用价值。  研究综合运用GIS空间分析、遥感分析、模型模拟、层次分析法以及统计分析法等方法,运用BDS(Basin Dynamic System)模型,围绕区域下垫面变化的径流响应,在年径流和短历时暴雨两个层次上,探讨了下垫面变化的径流响应机制,初步揭示出径流系数在研究时段内的变化过程及规律。在此基础上,定量计算了区域规划特征水位的变化,分析汛期径流系数变化对洪水风险的影响。主要内容有以下几个方面:  (1)研究区下垫面变化分析。利用遥感解译与GIS技术,分析了研究区1991年~2001年~2006年两阶段下垫面变化情况,发现研究期内建设用地快速增加,旱地、水田及水面向建设用地转移的趋势,说明受经济社会发展的驱动,我国江淮下游平原建设用地持续增加,其他用地持续减少,这一土地利用单向发展模式仍在持续。与我国近20年来城市化进程以及土地利用格局变化的总体趋势一致。伴随土地利用方式发生变化的湖泊湖荡面积明显减少和水利工程大量兴建。  (2)平原水网区水文模型研究与应用。受区域独特的自然地理条件、水系特征以及人类活动等多重因素的影响,里下河地区径流计算模拟无论在理论上还是实践上都在存在一些亟待解决的难题:首先,由于里下河地区独特的地形地貌独特,没有独立封闭出口,径流计算结果没有可靠的验证方法,暂时缺乏可行可靠的径流计算理论支撑;其次,流域高度人工化,流域陆面水文过程复杂,水文过程受到强烈干扰;再次,流域面积大且水系复杂,水文模拟十分困难。本文以河海大学开发的BDS模型为基础,从以下几方面解决了区域水文模拟的困难:运用分布概念模型,既考虑大尺度流域模拟中下垫面空间的异质性,又充分利用区域经验积累,减少模型的复杂性;通过对分布式单位线的改进,有效解决了平原区坡面汇流计算的困难;根据里下河地区独特的地区特点,将水文模拟与河道演进模拟耦合,从流域陆面水文过程考察水文产流;最后,考虑了人类干扰因素,将水利工程与圩区的调度控制等引入模型。模型验证结果显示,经改进后的模拟模型可以适应研究区复杂应用条件与要求,可为区域下垫面变化的水文效应研究提供模拟计算支持。  (3)径流对下垫面变化的响应研究。设置多种情景组合,通过在同样降雨系列条件下,来排除气候变化的影响,分别用P=2%、5%、20%、50%、75%五个典型年降雨和P=1%、2%和5%三个典型最大15日降雨,与1991、2001和2006年土地利用资料,计算分析各种组合下径流过程及径流系数,分析径流的变化规律,揭示径流过程对土地利用变化的响应。结果显示:从径流量来看,1991~2006年期间,年径流均呈现出增长态势;从径流系数演化过程看,占总数50%的情景径流系数呈线性增长;年最大15日暴雨条件下径流变化模拟结果与年径流类似,径流系数都呈增长状态,且2001~2006期间增长速度明显快于1991~2001年期间;年最大15日暴雨条件下各典型期径流系数均呈现出线性演化发展态势,1991(1%)、2003(2%)以及1969(5%)三种典型年型线性决定系数R2分别为0.9978、0.9978和0.795,表现均较满意。  (4)下垫面变化影响下区域洪涝规划参数分析。在径流变异分析研究的基础上,采用里下河区域治理规划中的径流计算经验公式,计算不同场次暴雨径流,保持分析数据与原洪涝特征参数计算的一致性。然后对通过经验公式计算获得的暴雨径流数据进行修正还现计算(还现至2006年水平年),将修正还现后的径流深与代表站水位建立相关相关关系,作为推求代表站水位的基础。计算结果表明,《江苏省里下河水利规划》确定的兴化二十年一遇、五十年一遇以及一百年一遇最高水位分别为2.57m、3.04m和3.36m,对应修正条件下水位分别为2.58m、3.05m和3.37m,各年型均提高1cm。该结果说明由于径流变异导致近年降雨~径流~水位变化,在下垫面变化背景下洪涝规划参数有进一步深入研究的必要。  (5)径流变异影响下洪涝灾害风险。根据汛期(最大15日)径流变异分析结论,针对里下河地区洪涝孕灾环境的特点,将常用降雨指标,转换成径流深指标,结合其他危险性与易损性指标,构建了洪水灾害危险性评价体系,利用GIS空间分析方法探讨了研究区在2003年最大15日降雨,1991年下垫面和2006年下垫面条件下的洪水灾害综合风险变化,编制了洪水风险图。结果表明在2006下垫面条件下,区域整体风险程度有所增加,且高风险区发生转移。  本文以研究区流域下垫面变化为切入点,将改进后的平原水网区水文模型成功应用于里下河地区,进行下垫面变化对水文过程的影响分析,进而开展了变化环境下区域洪涝规划参数变化分析与区域洪涝灾害风险评价,结果显示上世纪90年代以来,区域下垫面变化显著,城镇建设用地急剧增加,区域不同水平年径流系统均有变异反应,导致洪涝规划参数失真,洪涝风险加剧。
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