流域土地利用變化對不同重現期洪水的影響
——以奉化江皎口水庫流域為例

雷超桂,許有鵬,張倩玉,王躍峰,李　 廣

南京大學地理與海洋科學學院, 南京　210023

?

流域土地利用變化對不同重現期洪水的影響
——以奉化江皎口水庫流域為例

雷超桂,許有鵬*,張倩玉,王躍峰,李 廣

南京大學地理與海洋科學學院, 南京210023

土地利用變化對流域洪水過程產生顯著影響,并導致設計洪水發生變化。為進一步指導流域防洪及水庫洪水設計,以浙東沿海奉化江皎口水庫流域為例,應用HEC-HMS水文模型模擬分析土地利用/覆被變化(LUCC)對不同重現期暴雨洪水事件的影響。結果表明,流域內1985—2003年土地利用變化引起不同重現期洪水過程與洪水量級發生改變,其中,洪量和洪峰均增加,洪量較洪峰變化明顯。LUCC對小洪水過程影響更明顯,5年一遇以上洪水的洪峰和洪量分別平均增加3%和7.6%,而小于2年一遇洪水的洪峰和洪量分別平均增加5.41%和11.91%。同時,LUCC使100年、50年和25年一遇洪水重現期分別提前了15、6a和2a,即其對量級最高的特大洪水的重現期影響最大。此外,不同的土地利用轉變方式對洪水的影響程度不一,其中,林地向裸地轉變對洪水影響最大,林地向灌草地轉變次之,林地向耕地變化對洪水影響最小,且這種差異性在低重現期洪水表現更明顯。

土地利用/土地覆被變化;HEC-HMS模型;降雨徑流;洪水重現期

土地利用/覆被變化(LUCC)是人類活動改造下墊面的主要結果之一,它通過影響冠層截流、地表入滲、蒸散發和地表徑流,引起流域水文過程發生改變。近些年來,特大洪水在城市或城郊地區頻繁發生,給人們帶來巨大的生命和經濟損失,而土地利用方式改變成為“放大”洪災的主要因素[1- 3]。LUCC引起水文要素和水文循環各參量產生不同的變化[4- 9],并通過影響暴雨徑流過程改變洪水特性,對洪水事件產生作用[10-14]。相比氣候因素的單獨影響,城市用地擴張會加大洪水概率和洪水強度的變化[14- 15],農用地的增加會減小下游洪水發生可能性[6],而上游森林的退化將使洪水洪量、洪峰均增加[9]。目前,國內外圍繞LUCC的暴雨洪水效應已開展了較多研究[5- 10],但關于LUCC對設計洪水影響的定量研究還較少見[16]。由于土地覆被對產匯流的作用機制與降雨強度和前期土壤蓄水量相關[17- 18],所以其對不同強度的暴雨洪水會產生不同的影響,其與設計洪水和水工建設以及防洪規劃密切相關,亦應受到關注。受特殊地理環境和快速經濟發展的影響,地處浙東沿海的奉化江流域常年遭受不同等級的暴雨洪水侵襲,所造成的損失也日趨嚴重。因此,迫切需要定量開展奉化江流域LUCC對不同量級洪水的動態影響研究。

考慮到流域覆被格局變化會使得流域洪水特性發生變化并最終對設計洪水產生影響,而設計洪水的大小和變化對水庫的正常運行至關重要,因此,本文借助HEC-HMS降雨徑流模型來模擬分析奉化江支流鄞江上游皎口水庫流域1985—2003年土地利用變化(LUCC)對典型重現期洪水的影響,研究結果可為流域的防洪減災提供有力參考,也將為水庫調度以及安全運行提供支持。

1　研究區概況

皎口水庫流域位于浙江省寧波市西部奉化江支流鄞江的上游,流域總面積為259km2,主干水系有大皎溪和小皎溪,其中主流大皎溪長44.3km。流域地處沿海地區,以低山丘陵為主,地勢自西南向東北傾斜,屬亞熱帶季風性濕潤氣候。受地理位置和氣候條件的影響,該地區于每年6—9月頻發梅雨與臺風,伴隨而來的連日大暴雨容易形成洪水。流域土壤主要為紅壤及黃壤,大面積分布林地、山地灌草地及耕地,水域、建設用地和裸地僅占少部分,植被覆蓋度較高,但自20世紀90年代以來,土地利用開發加快,流域覆被情況發生了一定程度的變化。

2　數據與方法

2.1基礎數據

本研究采用的基礎數據包括四大類：土地利用數據是基于流域內1985年和2003年Landsat TM遙感影像經計算機以及人工解譯分類而獲取,為了提高分類精度,解譯時借助研究區歷史土地利用圖件、SPOT4影像進行修正,結合野外實地抽樣調查結果進行驗證;數字高程模型(DEM)數據來源于國際科學數據服務平臺,其分辨率為30m;土壤類型數據是參照1∶50萬寧波市紙質土壤圖獲取;氣象水文資料主要是雨量站和水文站自動監測獲取的小時段雨量和徑流數據。

2.2研究方法

HEC-HMS模型是一種廣泛用于模擬降雨—徑流過程的分布式水文模型,并綜合考慮了下墊面時空變化。本文擬運用該模型模擬歷史發生過的年最大場次暴雨洪水以率定參數,并基于歷史土地利用變化,模擬不同量級暴雨徑流過程,分析不同地類轉變對典型重現期暴雨洪水事件的影響。

圖1　HEC-HMS模型中皎口水庫整體流域構架　Fig.1　The overall framework of the Jiaokou Reservoir watershed in HEC-HMS model

2.2.1HEC-GeoHMS模型提取參數、構建流域結構

本文運用嵌入ArcGIS的HEC-GeoHMS工具進行流域構建、水系提取、子流域劃分,并提取流域物理、水文參數,計算確定HEC-HMS模型模擬參數的初始值,然后將建立好的流域屬性數據導入到HEC-HMS模型。其中,本研究利用流域的DEM進行流域描繪與劃分,并結合研究區具體情況選定水庫壩址出口點(121.28°E,29.83°N)作為流域出口,以此確定流域范圍與位置,同時將流域自動劃分為2條主干河道、1個出口點、1個水庫和多個子流域的格局,最后依據流域水系和高程特征,合并為4個大的子流域(圖1)。

2.2.2HEC-HMS模型模擬暴雨洪水過程

HEC-HMS模型具有模塊化的結構,可依次計算每個子流域(單元)的產流量,匯流(包括坡面匯流和河道匯流),最后演算至流域的出口斷面。本文采用初損穩滲法(Initial and Constant Loss)計算徑流量和損失量,Snyder單位線計算坡面匯流,Muskingum法進行河道洪水演進,并采用退水指數模型模擬基流。通過對1974—2003年8場暴雨洪水進行降雨徑流模擬,參數率定以及結果驗證,模擬分析流域土地覆被變化對不同量級歷史洪水的影響。為避免流域上游周公宅水庫(2003年)修建前后水文資料不一致性的影響,本次只收集、統計分析研究區1974—2003年同場暴雨年最大24h降雨量資料,運用P-III適線法計算流域面平均最大24h的暴雨頻率曲線,在此基礎上,選取頻率為1%(100年一遇)、10%(10年一遇)、2%(50年一遇)、4%(25年一遇)及20%(5年一遇)的5種暴雨類型,用暴雨衰減指數法計算生成暴雨時程分布,運用HEC-HMS模型模擬不同的土地利用情況下典型重現期的暴雨洪水過程。

3　結果分析

3.1土地利用變化分析3.1.1土地利用類型的提取

基于研究區1985年和2003年Landsat TM 影像,進行最大似然法分類處理[19- 20]。根據流域實際情況,將流域用地分為林地(毛竹、高大喬木等)、灌草地(低矮灌木、山地草地等)、耕地、建設用地(其中包括居民地、交通用地、獨立工礦用地和水利設施用地等)、裸地和水體六大類,如圖2所示。結合地形圖、流域航片、影像圖件以及野外實地抽樣調查驗證結果進行人工解譯修正,對1985和2003年的解譯結果進行精度評價,總體精度分別達到84%和89%,解譯精度符合研究要求。

圖2　1985年與2003年土地利用分布圖Fig.2　Distribution of land use types in 1985 and 2003

3.1.2土地利用變化趨勢分析

在ArcGIS9.3軟件的支持下,計算得出1985年和2003年皎口水庫流域各土地利用類型的面積,并分析其總體變化情況(表1)。

表1　皎口水庫流域1985—2003年各土地利用類型面積及變化

從表1可以看出,研究區主要覆被是林地、灌草地和耕地,且三者的總面積均達到92%以上,而水域和建設用地相對偏少。在用地類型的轉變上,林地變為灌草地最顯著,這主要是由于經濟的發展,流域內以茶園、果園為主的經濟林及灌叢林的大面積種植,使矮小經濟樹種取代常綠與落葉闊葉混交林,同時,當地為發展旅游,部分景點的竹林用地被改造成為旅游經營空閑地。此外,流域內耕地與建設用地小幅度增加,水體呈微弱減少趨勢。總體來說,從1985年至2003年,該流域土地覆被均有所變化,變化較大的是林地、灌草地和裸地,其中,林地轉變為耕地、灌草地、裸地的統計情況見表2,轉變率在3%—30%之間。

3.2土地利用變化對洪水的綜合影響分析

流域降雨徑流過程是受氣候變化與下墊面共同作用的結果,而流域LUCC過程必然要對洪峰、洪量以及洪水量級產生影響[21-23]。為此,在分析土地利用轉變的基礎上,利用HEC-HMS模型來模擬分析皎口水庫流域1985—2003年LUCC對年最大暴雨洪水的影響,并討論不同地類轉變對不同重現期暴雨洪水的影響程度及差異。

表2　林地在1985至2003年主要轉變情況

3.2.1模型率定與檢驗

基于流域1985年和2003年土地利用數據、土壤分布特征、高程屬性數據及場次降雨特征,參考相關研究[24-26],采用單因素梯度法(Univariate Gradient)率定模型的產匯流參數,主要參數率定范圍及結果見表3,其中,初損(Initial Loss)、穩定下滲率(Constant Loss Rate)、流域滯時(Tp)是關鍵參數。同時,利用皎口水庫流域歷史上獲取的小時段流量數據對模型結果進行評價,共選取8場暴雨洪水進行模擬分析。考慮所選洪水過程的代表性,選用79823等5場暴雨洪水進行模型率定,74819等3場用于模型驗證分析,模型率定和驗證的結果見表4。

表3　HEC-HMS模型主要參數率定結果

表4　HEC-HMS模型模擬研究區8場洪水評價結果

峰現時差中以“-”表示模擬時間提早;“+”表示模擬時間推遲

圖3　驗證期次降雨徑流模擬值與實測值的比較Fig.3　Comparison of observed and simulated hydrographs during validation period

從表4可以看出,率定期5場洪水平均確定性系數為0.83,模擬的峰現時差均在±1.5h內,洪峰、洪量平均相對誤差分別為9.26%和8.38%,最小誤差為-0.86%,誤差范圍大部分在±10%以內。但是,87912場次洪水的洪峰流量相對誤差達30.7%,這主要是由于該暴雨洪水時段為9月9日至16日,產匯流過程歷時長達7d,而HEC-HMS模型對長歷時暴雨過程的模擬精度較差所致。驗證期3場洪水洪峰流量和總洪量的相對誤差均在±15%內,平均確定性系數達到0.9,且有兩場洪水的確定性系數在0.9以上,模擬的總體效果較好。同時,降雨徑流過程模擬值與實測值擬合良好(圖3)。總體看來,該模型能夠較真實反映皎口水庫流域的產匯流過程,可以用來分析土地利用變化對洪水的影響。

3.2.21985—2003年土地利用變化對歷史洪水的影響

(1) 對洪水過程的影響

對皎口水庫流域的場次暴雨進行最大24h暴雨量頻率計算,按最大24h降雨強度將洪水分為5年一遇以上(>250mm)、2—5年一遇(160—250mm)和2年一遇以下(<160mm)3個量級,對選擇的歷史場次洪水分別在1985年和2003年土地利用情況下進行模擬,得到的結果見表5。

由表5可以看出,2003年與1985年土地利用情況下模擬的洪水相比,洪峰和洪量均有不同程度的增加,且LUCC使同一量級洪水的洪峰變化小于洪量。對比分析發現,5年一遇以上、2—5年一遇、2年一遇以下這3種重現期條件下的洪水峰值與洪量二者平均變化的差異值分別為4.6%,5.21%,6.5%。由此可知,重現期越低的洪水,其洪量與洪峰的差異越大。從洪水量級來看,5年一遇以上的洪水在1985年至2003年土地利用變化下平均增加最小,重現期為2—5年一遇的洪水增加較大,而小于2年一遇的洪水其增加程度最大。如大于5年一遇的洪水,其洪峰和洪量的平均增加幅度分別為3%和7.6%;而小于2年一遇的洪水,其洪峰和洪量的平均增加幅度分別為5.41%和11.91%,即在同等土地利用變化條件下,2年一遇以下重現期的洪水較5年一遇以上洪水改變更明顯。

(2) 對洪水量級的影響

運用歷史暴雨資料計算得到流域洪水頻率,參考研究區設計洪水及2003年洪水頻率復核情況,選擇5年一遇(250mm)、10年一遇(300mm)、25年一遇(380mm)、50年一遇(440mm)和100年一遇(500mm)這5個典型重現期,結合1985年、1993年和2003年的土地利用和洪水重現期變化進行設計實驗的模擬計算,結果如表6所示。

表5　皎口水庫流域在1985—2003年土地利用情況下的洪水模擬結果

表6　研究區不同重現期及土地利用下洪峰模擬

從表6可以看出,不同年份的土地利用情況使不同重現期洪水的峰值發生一定幅度的改變。借助克里格線性插值技術統計分析等值洪峰的變化趨勢,可以推算出,自1985年起至2003年隨著下墊面條件變化,流域內不同等級暴雨洪水的重現期均在一定程度上有所提前,其中,100年、50年和25年一遇洪水分別提前了15、6a和2a,即流域土地利用/覆被變化(LUCC)會使洪水重現期發生一定變化,其中對量級最高的特大洪水的重現期影響最大。

3.2.3土地利用轉變對不同重現期洪水的影響差異

由上述分析可知,洪水洪峰和洪量在2003年土地利用條件下均有增加的趨勢,但是該趨勢是所有LUCC共同作用的結果。為了區分各土地利用類型的貢獻程度,假定一種土地利用類型向另一種轉變,其它土地利用不變,利用模型模擬的方法來進行研究。有研究表明,由于不同土地利用類型的下滲率和不透水率存在差異,對同一場降雨的洪水響應截然不同[8,24]。由于流域內建筑用地和水體面積比例較少,其變化對降雨徑流關系影響不大,因此本文只根據林地向耕地、灌草地或裸地轉變的實際情況,模擬林地從1985年開始以10%、20%、30%、40%、50%比例分別轉變為以上3種地類時不同重現期暴雨洪水過程的變化,其中,100年一遇、50年一遇和5年一遇洪水變化情況如圖4所示。

結果表明,當林地向裸地、耕地和灌草地轉變時,洪水洪峰與洪量均發生了不同程度的增加,且洪量較洪峰增加幅度大、增加更快。對于所有量級洪水而言,林地轉變影響程度呈現普遍規律：林-裸地>林-灌草地>林-耕地,即林-裸地轉變對洪峰和洪量影響最大,林-灌草地轉變的影響次之,由于皎口水庫流域內耕地的蓄水作用和較大的下滲率,因此在三者之中,林地變為耕地使洪水增加最少。此外,隨著轉變率增大,以上3種地類轉變方式使洪水變化的差異性增大：當林地以10%轉變時,裸、灌草地,灌草、耕地以及裸、耕地引起100年一遇洪水洪峰增加的差異分別為0.21%、0.11%和0.32%;當林地以50%轉變時,影響差異變為1.01%、0.52%和1.53%;當林地以10%—50%轉變時,以上三者使徑流總量增加差異由0.38%、0.2%和0.58%變為1.88%、0.95%和2.83%。隨著林地從10%變為50%轉出,三者對5年一遇洪水峰值影響差異由0.52%、0.24%和0.76%變為2.52%、1.19%和3.71%,洪量由0.98%、0.55%和1.53%變為4.93%、2.59%和7.52%。對比分析可知,三者地類轉變使5年一遇洪水變化的差異較100年一遇洪水更明顯。

對于不同重現期洪水,量級最小的洪水對土地轉變響應最敏感。當林地從1985年開始以10%—50%轉變為裸地時,100年一遇、50年一遇、25年一遇和5年一遇洪水峰值相對于1985年分別增加0.88%—4.3%、1.02%—4.96%、1.2%—5.84%和2.18%—10.67%,平均增加2.6%、3%、3.53%和6.45%;洪量變化1.61%—7.91%、1.8%—9.16%、2.22%—10.95%和4.15%—20.62%,平均變化4.77%、5.5%、6.6%和12.4%。即在同樣土地利用變化下,低重現期較高重現期洪水事件改變程度更大,且隨著林地轉出比率增大,低重現期洪水變化更迅速。

圖4　土地利用類型轉變對典型重現期洪水的影響Fig.4　Impacts of land use change (LUCC) on storm floods with typical return periods

4　結論與討論

本研究應用Landsat TM 遙感影像進行人機交互解譯提取土地利用信息,進而結合皎口水庫流域下墊面的實際情況,統計分析1985—2003年期間流域內土地利用變化。運用HEC-HMS模型對流域內1974—2003年的8場年最大暴雨的洪水過程進行模擬分析,對不同重現期洪水-土地利用變化的關系進行實驗設計,探究該流域土地利用變化對不同量級洪水事件的影響。根據以上分析,可以得出以下結論與討論:

(1)1985—2003年,流域內主要覆被為林地、灌草地,土地利用轉變主趨勢為林地向耕地、裸地、灌草地轉變。

(2)在1985—2003年土地利用條件下模擬,流域內歷史洪水的洪峰和洪量均有不同程度的增加,洪量較洪峰變化明顯,土地利用變化對低重現期暴雨洪水事件的影響程度最大。隨著土地利用變化,流域內典型場次暴雨洪水的重現期均有不同程度地提前,量級最大暴雨洪水的重現期變化最明顯。

(3)不同的土地利用轉變方式對洪水的貢獻程度不一,其中林地向裸地轉變使洪水增加最大、最快,林地向灌草地轉變次之,林地向耕地轉變影響最小。隨著林地以10%—50%比例轉變為裸、灌草、耕地,以上三者轉變方式對洪水影響的差異性增大,且這種差異性在低重現期洪水表現最明顯。

(4)本研究運用的洪水資料是歷史年最大場次暴雨洪水,設計洪水分析有利于為流域特大洪水防洪標準調整提供詳細參考。流域內歷史洪水重現期集中在10年一遇以下,而小量級洪水對土地利用變化較為敏感,因此,應加強土地利用變化的暴雨洪水響應研究,這將有利于提高流域洪水預報精度與防洪減災能力[27-28]。在流域防洪規劃修訂中,應長遠并且全面地考慮引起洪水徑流變化的各個影響因素,重視土地利用變化導致的徑流量和洪峰變化,并及時將預測結果反饋到實際的改造建設中去。

[1]Priess J A, Schweitzer C, Wimmer F, Batkhishig O, Mimler M. The consequences of land-use change and water demands in Central Mongolia. Land Use Policy, 2011, 28(1): 4- 10.

[2]Moss T. The governance of land use in river basins: prospects for overcoming problems of institutional interplay with the EU Water Framework Directive. Land Use Policy, 2004, 21(1): 85- 94.

[3]Masek J G, Lindsay F E, Goward S N. Dynamics of urban growth in the Washington DC metropolitan area, 1973- 1996, from Landsat observations. International Journal of Remote Sensing, 2000, 21(18): 3473- 3486.

[4]王根緒, 張鈺, 劉桂民, 陳玲. 馬營河流域1967—2000年土地利用變化對河流徑流的影響. 中國科學: D輯 地球科學, 2005, 35(7): 671- 681.

[5]Li J Z, Feng P, Wei Z Z. Incorporating the data of different watersheds to estimate the effects of land use change on flood peak and volume using multi-linear regression. Mitigation and Adaption Strategies for Global Change, 2013, 18(8): 1183- 1196.

[6]Schilling K E, Gassman P W, Kling C L, Campbell T, Jha M K, Wolter C F, Arnold J G. The potential for agricultural land use change to reduce flood risk in a large watershed. Hydrological Processes, 2014, 28(8): 3314- 3325.

[7]陳瑩, 許有鵬, 尹義星. 土地利用/覆被變化下的暴雨徑流過程模擬分析——以太湖上游西苕溪流域為例. 地理科學, 2009, 29(1): 117- 123.

[8]Wijesekara G N, Gupta A, Valeo C, Hasbani J G, Qiao Y, Delaney P, Marceau D J. Assessing the impact of future land-use changes on hydrological processes in the Elbow River watershed in southern Alberta, Canada. Journal of Hydrology, 2012, 412- 413: 220- 232.

[9]Naef F, Scherrer S, Weiler M. A process based assessment of the potential to reduce flood runoff by land use change. Journal of Hydrology, 2002, 267(1/2): 74- 79.

[10]林峰. 晉江西溪流域土地利用/覆被變化的洪水響應研究[D]. 福州: 福建師范大學, 2010.

[11]Olang L O, Furst J. Effects of land cover change on flood peak discharges and runoff volumes: model estimates for the Nyando River Basin, Kenya. Hydrological Processes, 2011, 25(1): 80- 89.

[12]萬榮榮, 楊桂山, 李恒鵬. 流域土地利用/覆被變化的洪水響應——以太湖上游西苕溪流域為例. 自然災害學報, 2008, 17(3): 10- 15.

[13]Mao D Z, Cherkauer K A. Impacts of land-use change on hydrologic responses in the Great Lakes region. Journal of Hydrology, 2009, 374(1/2): 71- 82.

[14]Reynard N S, Prudhomme C, Crooks S M. The flood characteristics of large UK rivers: potential effects of changing climate and land use. Climatic Change, 2001, 48(2/3): 343- 359.

[15]Wang Y L, Yang X L. Land use/cover change effects on floods with different return periods: a case study of Beijing, China. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2013, 7(5): 769- 776.

[16]黃曉敏. 基于分布式水文模型的歷史暴雨洪水重現技術研究[D]. 上海: 東華大學, 2014.

[17]李建柱, 馮平. 降雨因素對大清河流域洪水徑流變化影響分析. 水利學報, 2010, 41(5): 595- 600, 595- 600+607.

[18]李建柱, 馮平. 紫荊關流域下墊面變化對洪水的影響. 地理研究, 2011, 30(5): 921- 930.

[19]馮仕超, 高小紅, 顧娟, 亢健, 郭麗峰, 吳國良, 鄒嬋. 基于CLUE-S模型的湟水流域土地利用空間分布模擬. 生態學報, 2013, 33(3): 985- 997.

[20]南穎, 吉喆, 董葉輝, 倪曉嬌. 30年來圖們江跨國界地區土地利用/覆蓋動態變化研究. 湖南師范大學自然科學學報, 2012, 35(1): 82- 89.

[21]張曉明, 余新曉, 武思宏, 張滿良, 李建勞. 黃土丘陵溝壑區典型流域土地利用/土地覆被變化水文動態響應. 生態學報, 2007, 27(2): 414- 423.

[22]郭軍庭, 張志強, 王盛萍, Strauss P, 姚安坤. 應用SWAT模型研究潮河流域土地利用和氣候變化對徑流的影響. 生態學報, 2014, 34(6): 1559- 1567.

[23]Huang S Y, Cheng S J, Wen J C, Lee J H. Identifying peak-imperviousness-recurrence relationships on a growing-impervious watershed, Taiwan. Journal of Hydrology, 2008, 362(3/4): 320- 336.

[24]Du J K, Xie S P, Xu Y P, Xu C Y, Singh V P. Development and testing of a simple physically-based distributed rainfall-runoff model for storm runoff simulation in humid forested basins. Journal of Hydrology, 2007, 336(3/4): 334- 346.

[25]周敏敏, 瞿思敏, 石朋, 王鴻杰. 淮河上游大坡嶺流域土地利用方式變化引起的流域滯時變化. 河海大學學報: 自然科學版, 2015, 43(2): 100- 106.

[26]丁杰, 李致家, 郭元, 黃鵬年. 利用HEC模型分析下墊面變化對洪水的影響——以伊河東灣流域為例. 湖泊科學, 2011, 23(3): 463- 468.

[27]鄭鵬, 林韻, 潘文斌, 鄧紅兵. 基于HEC-HMS 模型的八一水庫流域洪水重現期研究. 生態學報, 2013, 33(4): 1268- 1275.

[28]Ali M, Khan S J, Aslam I, Khan Z. Simulation of the impacts of land-use change on surface runoff of Lai Nullah Basin in Islamabad, Pakistan. Landscape and Urban Planning, 2011, 102(4): 271- 279.

Impacts of land-use change on flood process and frequency of various return periods: a case study of Jiaokou Reservoir watershed in Fenghua River

LEI Chaogui, XU Youpeng*, ZHANG Qianyu, WANG Yuefeng, LI Guang

SchoolofGeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing210023,China

The effects of land-use/land-cover change (LUCC) on the watershed flood process have become one of the major hydrological concerns in the world. A change in the flood process leads to the alteration in flood design and control system, which has caused serious problems to human life and urban security. In this study, we take Jiaokou Reservoir watershed as a sample area to analyze the LUCC effects on storm floods of different return periods based on the hydrological model (HEC-HMS) and GIS-related support. Jiaokou Reservior is located in the west of Ningbo city, Zhejiang Province, and is controlled by the plum rains and typhoon storms with various return periods during rainy seasons. Due to rapid economic development and intensive human activity, the land utilization pattern has changed in recent years. The spatial data of land use of the study area during 1985—2003 was obtained from Landsat TM (Thematic Mapper) image data, and the images from different periods were interpreted and overlapped to setup the transfer matrix of the land-use types. The land-use types were dominated by forest land, bush grassland, and cultivated land, which covered 92% of the watershed. The main LUCC in this area is the conversion of forest to bare land, grassland, and agricultural land. The analysis of the LUCC impacts on flood shows that (1) during 1985—2003, 3%—30% of the forest land was changed to bare land, bush grass, or agricultural land, and the LUCC has different effects on floods of different return periods. Both flood runoff and peak increased for all flood magnitudes, but the runoff changed at a higher range as compared to the flood peak. (2) Low magnitude flood was found to be more sensitive to the LUCC, the increase of the total runoff and flood peak of a 5-year flood increased by 3% and 7.6%, respectively, while those of less than 2-year return period floods increased by 5.41% and 11.91%, respectively. From the perceptive of flood classification, the flood return periods of 100, 50, and 25 years were reduced by 15, 6, and 2 years, respectively, during the study period. (3) Different land-use change patterns lead to flood variations. Along with the forest being characterized by a change ratio of 10%—50% since 1985, forest-bare land-use change pattern impacts flooding most intensively, and the forest-grassland change pattern has stronger effects than the forest-agricultural change pattern. Compared with a simulated flood in 1985, when forest was converted into bare land with a ratio of 10%—50%, the flood peak increased by 0.88%—4.3% and the total runoff increased by 1.61%—7.91% in the 100-year-return-period flood. While, the widened range of the flood peak and total runoff under the same condition were 2.18%—10.67% and 4.15%—20.62%, respectively, in the 5-year-return-period flood. As the change ratio gets bigger, the difference in impacts of different patterns of forest transformation to other lands on floods became more distinct, especially to the low-magnitude flood. The results of this study can provide scientific supports for the flood control and water resource management.

land-use/land-cover change; HEC-HMS model; runoff; flood return periods

國家自然科學基金面上項目(41371046, 41371044);水利部水利公益專項項目(201201072);江蘇省自然科學基金項目(BK20131276);江蘇水利科技基金重大項目(2015003)

2015- 01- 22; 網絡出版日期:2015- 12- 01

Corresponding author.E-mail: xuyp305@163.com

10.5846/stxb201501220183

雷超桂,許有鵬,張倩玉,王躍峰,李 廣.流域土地利用變化對不同重現期洪水的影響——以奉化江皎口水庫流域為例.生態學報,2016,36(16):5017- 5026.

Lei C G, Xu Y P, Zhang Q Y, Wang Y F, Li G.Impacts of land-use change on flood process and frequency of various return periods: a case study of Jiaokou Reservoir watershed in Fenghua River.Acta Ecologica Sinica,2016,36(16):5017- 5026.