城镇化下流域不透水面扩张对洪峰的影响*
——以南京秦淮河为例

孙延伟,许有鹏,高 斌,王 强，李升峰

(南京大学地理与海洋科学学院，南京 210023)

城市化是社会经济发展的必然趋势，城市地区社会经济和人口高度集中. 快速城市化导致以沥青、水泥路面和墙体等为代表的不透水面大规模扩张，取代了透水性较好的林地和草地等自然下垫面，改变了区域水文循环过程. 随着城市化地区暴雨洪水事件频发，洪涝灾害威胁增大，探讨城市化暴雨洪水过程影响成为了水文、地理和大气等学科关注的热点及前沿科学问题之一[1-3].

针对城市化背景下的暴雨洪水频发等问题，国内外学者主要基于观测实验[4-6]和数值模拟[7-8]等方面开展研究. 从流域整体上的洪水过程响应来看，相关研究结果均表明城市化过程中不透水面的不断扩张影响了雨水截留、下渗、蒸发等产汇流过程，从而导致了洪峰流量增大、洪量增多和汇流速度加快[9-14]. 其中针对城市化下不透水面率的洪水效应，国内外学者认为随着不透水率的增加，洪峰流量和洪量变化显著并呈线性增长关系[15-17]. 然而，由于气象和下垫面条件分布的不均匀性，洪水响应在流域空间上也存在一定差异性[18-19]. 随着水文观测资料的丰富以及分布式水文模型的发展，相关学者进一步探讨了城市化空间格局对洪水的影响. 相关研究表明流域内部相比流域出口的城市化带来的洪水差异更为显著[20]，其中流域上游城市化的影响尤为突出[21-22]. 深入系统研究不透水面对洪水的影响对于城镇化的合理发展、水资源管理和防洪减灾都具有重要的意义，但由于城市化地区洪水响应的复杂性，城市化的空间扩张格局对洪水的影响机制尚不明确[6]，其中不透水面积与洪水特性关系的深层次规律还有待进一步揭示.

因此，本文以长三角地区典型城市化流域——南京秦淮河流域为例，基于流域水文模拟模型，考虑流域不透水面扩张的不同情景，重点研究城市化空间格局的洪水效应差异，分析不透水面扩张发生在流域不同位置时对流域洪峰增长的影响，揭示秦淮河流域不透水面积与洪水特征之间的关系，研究结果将为秦淮河流域及类似快速城市化地区防洪减灾和可持续发展提供理论依据.

1 研究区概况

秦淮河流域地处长江下游三角洲地区，整个流域呈扇形，流域面积约为2631 km2. 流域位于亚热带半湿润季风气候区，多年平均气温为15.4℃，降水丰沛(图1)，年降水量在1988-2015年间总体呈增加趋势，年均降水量1131.84 mm. 流域雨季时间较长，有3个明显多雨期，分别为4月-5月上旬，6月下旬-7月上旬的梅雨期及8-9月[23]. 秦淮河有溧水河和句容河两源，在南京市江宁区汇合为秦淮河干流，干流在江宁区东山镇发生分流，流域为双出口流域，东侧支流由武定门出水口汇入长江，西侧支流为人工开凿河流秦淮新河，在秦淮新河闸出水口入长江. 流域内大部分河道为山丘河道，上游支流众多且多分布在山区，暴雨后流量涨幅较大，汇流速度快，中下游地区由于地势平坦，内涝难排，防洪压力大. 流域洪涝灾害主要受气象因素、水系特征、过境洪水、地形条件等自然因素和包括下垫面变化、河道整治和闸泵圩垸等在内的人类活动的共同影响[24-26]，本文的目标是探讨在秦淮河流域城市化快速崛起的背景下，不透水面扩张对洪水洪峰流量带来的影响.

图1 研究区位置(a)和降水量(b)Fig.1 Location of study area (a) and the amount of precipitation (b)

2 数据与研究方法

2.1 数据资料

本文选取1996-2015年间发生的10场涵盖不同量级大小的暴雨洪水事件，各场次洪水过程的持续时间为2～12天不等. 降雨站点为前垾村、天生桥闸等7个雨量站，数据间隔为小时尺度；径流量数据为秦淮新河闸和武定门闸两个站点的径流量作为整个流域的径流实测资料. 数字高程模型(DEM)来源为地理空间数据云平台，并根据流域DEM数据与水系资料将秦淮河流域划分成19个子流域. 土地利用数据来源于解译流域1988-2015年间的8幅Landsat系列的TM、ETM+和OLI遥感影像，结合遥感影像地物光谱并考虑流域内土地利用实际现状利用决策树分类法进行不透水面的提取[27]，不透水面是指由各种不透水建筑材料所覆盖的表面，如由瓦片、沥青、水泥混凝土等材料构成的屋顶、道路和广场.

2.2 研究方法

2.2.1 秦淮河流域水文模型建立 基于HEC-HMS(hydrologic engineering center’s hydrologic modeling system)水文模拟模型，根据秦淮河流域实际情况构建了秦淮河流域水文模型，主要由流域模块、气象模块、时间序列数据模块和控制运行模块组成，将降雨径流的形成过程分为降雨损失、直接径流、基流、河道汇流4个部分. 模型考虑了秦淮新河闸和武定门闸流域双出口的处理，同时对流域内较大的圩垸考虑其运行规则综合到模型中[28]，以反映流域的实际情况. 由于初损后损法计算模型产流适用于短历时强降雨、洪峰为单峰的情况，Snyder单位线法、马斯京根法、退水曲线法参数较少，易于建立和使用，且在洪涝模拟方面已经得到了很好的应用[29-30]，因此本研究中根据流域情况产流计算采用初损后损法，河道汇流演算选用马斯京根法，直接径流采用Snyder单位线法，基流采用退水曲线法.

2.2.2 模型率定和检验 流域水文模型需要率定的参数包括流域滞时、峰值系数、衰减系数、峰值比R、蓄量常数K和流量比重X等(表1，2). 模型依据秦淮河流域的实测数据资料，在已有研究基础上[8,19]，采用人工

表1 各子流域率定参数

表2 河道汇流率定参数

试错法对参数进行优化率定和检验. 首先将10场洪水随机分成两组，以其中4场洪水数据来率定模型参数，然后利用其余6场洪水实测数据检验参数，得到模型率定与检验结果(表3)，部分场次洪水的模拟过程与实测过程比较见图2. 可以发现，率定期内的4场洪水模拟结果的纳什系数平均为0.82，相关系数(R2)平均达到0.86；检验期6场洪水模拟结果的纳什系数平均为0.83，相关系数平均为0.87，总体模型验证效果较好.

表3 洪水事件的模型率定及检验结果

图2 部分场次洪水模拟过程与实测过程的比较Fig.2 Comparison between simulated and measured flood processes of some stations

3 结果与讨论

3.1 流域不透水面扩张的时空变化分析

近30年来，秦淮河全流域不透水面显著扩张，不透水率从3.92%增长到19.11%(表4). 全流域在2006-2015年的不透水面年均增长率为6.19%，大于2006年之前；研究区内各行政单元的城市化进程也有所差异，图3为研究时段内各行政单元不透水面扩张的空间分布情况：南京城区和江宁区在1988-2006年间不透水面的扩张明显，年均增长率为8.04%，2006年之后不透水面虽然持续扩张，但年均增长率略有下降，为5.44%；而溧水区和句容市在2006年之前不透水面的扩张则较慢，从2006年开始不透水面扩张速度显著加快，且年均增长率超过了南京城区和江宁区. 南京城区和江宁区作为城市化进程开始较早的区域，随着未来不透水面渐趋饱和，其扩张速度可能会继续放缓，而溧水区和句容市还处于城镇化较早时期，未来不透水面扩张潜力较大.

表4 秦淮河流域历年不透水率及不透水面年均增长率统计

图3 1988-2015年流域不透水面空间分布Fig.3 Spatial distribution of impervious surface in the basin from 1988 to 2015

3.2 不透水面扩张对洪峰的影响

3.2.1 全流域的不透水面扩张对洪峰的影响 为分析近30年来不透水面扩张对流域洪峰带来的影响，利用1988-2015年间的1988、1994、2001、2006、2009、2011、2013和2015年8期土地利用构建只有不透水面积随年份变化，非不透水面保持1988年结构相应减少的8个不透水面扩张情景，以此保证流域洪峰的变化仅受到不透水面扩张影响. 模拟10场洪水在上述城市化情景下的洪水过程结果，得到不同年份情景下10场洪水的平均洪峰流量(图4)，同时再根据10场洪水在1988年土地利用情景下的洪峰流量大小进行分级，将洪峰在700 m3/s以上的洪水划分为大洪水事件，洪峰小于700 m3/s的洪水划分为小洪水事件，分析不同量级洪水在不同年份不透水面情景下的洪峰及其与1988年洪峰相比的涨幅，结果见表5.

图4 1988-2015年8个不透水面扩张情景下 10场洪水平均洪峰流量变化Fig.4 Changes in average peak discharge of 10 floods under 8 urbanization scenarios from 1988 to 2015

在不透水面扩张的情况下，10场洪水的洪峰均呈现增长趋势(表5)，在2015年不透水面情景下的10场洪水洪峰相较于1988年平均增加了27.21%，说明不透水面的扩张会使流域洪峰流量显著增加. 全流域不透水面的扩张对不同量级洪水的影响有明显的差异，当不透水面增加相同幅度时，小洪水对不透水面扩张响应的敏感度较高，2015年不透水面情景下的洪峰相较于1988年平均涨幅达到31.96%；而大洪水的敏感度则低于小洪水，平均涨幅为22.45%. 同时由图4可知，在2006年前后洪峰流量增速有明显变化，前期年均增长率为0.67%，后期为1.24%，2006-2015年的洪峰流量增长速度明显大于1988-2006年. 这与全流域不透水面扩张速度的变化趋势一致，全流域在2006-2015年的不透水面年均增长率大于2006年之前，可见伴随着整个秦淮河流域的不透水面扩张，城市化后期带来的洪峰增长速度大于城市化初期.

表5 不同量级洪水的洪峰涨幅对比

3.2.2 不透水面扩张分布位置对洪峰的影响 进一步分析秦淮河流域不透水面扩张的分布位置对洪水的影响差异，首先根据流域各支流主要汇水单元，按照溧水河流域、句容河流域和主干河流域将秦淮河流域划分为3个流域单元(图5)，分析不透水面扩张发生在流域上、下游时对洪峰影响的差异. 利用1988-2015年间不透水面空间分布数据，实现下述3种不透水面扩张情景下的洪水洪峰变化情况分析，即：不透水面扩张分别只发生在溧水河流域、句容河流域和下游主干河流域，且在相应单元内只发生不透水面的扩张，其他单元内不透水面则保持1988年的情形不变.

图5 上下游空间格局划分Fig.5 Spatial pattern division of upper and lower reaches

模拟10场洪水在上述情景下垫面状况下的洪水过程(表6)，可以发现：1988-2015年间各流域单元的不透水面扩张均导致洪峰流量的增加. 在控制只有1个单元发生不透水面扩张时，近30年来下游主干河流域的城市化带来的洪峰涨幅最为显著，10场洪水洪峰的涨幅平均为14.98%；句容河流域次之，城市化带来的洪峰流量平均增长6.34%；溧水河流域最低.

然而各单元不透水面扩张带来的洪峰涨幅与其不透水面增长幅度并不一致(表6). 如下游主干河流域的不透水面增加量约为句容河流域的3倍多，但其对应的洪水的洪峰流量平均涨幅仅为句容河流域的两倍多，可见各流域单元城市化对洪水要素的影响大小不仅与其不透水面积增长量有关，可能还受到不透水面分布位置的影响.

表6 各流域单元洪峰流量平均涨幅与不透水面积变化对比

在1988-2015年研究时段内，秦淮河流域两河源地区和下游主干河流域的洪峰流量与不透水面积均呈线性增长关系(图6). 溧水河流域、句容河流域的单位不透水面扩张的洪峰涨幅十分接近，且均显著大于下游主干河流域，即两河源流域的单位面积不透水面扩张的洪峰效应更为显著，为流域洪峰的主要贡献区，大于流域出口处的单位面积不透水面扩张带来的洪峰效应.

图6 流域空间格局情景下不透水面 面积和洪峰流量变化Fig.6 Changes in impervious surface area and flood peak discharge under the spatial pattern of the basin

洪峰在空间上对不透水面变化的响应差异与产汇流特性有关，上游地区的不透水面积增加导致地表径流增大，汇流至出口处加大了洪峰流量，而下游主干河流域增加的地表径流很快汇入出口断面，致使洪峰流量响应减弱. 这与Marsh等、Shuster等和李倩的研究结论一致[21-22,31]，更靠近流域源头的城市开发对洪水的影响尤为明显，大于流域下游地区城市化的洪水效应. 同时因为秦淮河流域内溧水河源和句容河源流域主要地形为丘陵山区，下游主干河流域主要位于平原地区，可能由于山区特殊的地形地貌特点，洪水来临时往往流速较大[32]. 曾杉通过实验发现随着沟道坡度的增加，各重现期下洪峰流量有明显增大的趋势[33]，秦淮河流域的地形特征可能加剧了洪峰对上下游不透水面变化的响应差异.

因此对秦淮河流域来说，其上游溧水河和句容河两河源流域的单位面积不透水面扩张对洪峰影响大于下游主干河流域，而两河源流域还处于城市化和不透水面扩张的早期，自2006年以来不透水面扩张速度较快，扩张潜力较大，未来洪峰增长潜力较大，给秦淮河流域带来一定的防洪压力，因此在城市化过程中应更加注意结合其发展制定防洪减灾与可持续发展对策.

3.3 不同量级洪水对流域不透水面空间扩张的响应差异

由3.2.1节分析可知1988-2015年全流域的不透水面扩张对不同量级洪水的影响有差异，小洪水在2015年不透水面情景下的洪峰相较于1988年平均涨幅大于大洪水. 为分析不同量级洪水对秦淮河流域不同位置上的不透水面扩张的敏感度差异，分别计算了当不透水面扩张只发生在溧水河流域、句容河流域和主干河流域时大、小洪水与1988年相比的洪峰涨幅随不透水面积的变化情况(图7).

图7 流域空间格局情景下不同量级洪水洪峰流量变化Fig.7 Changes in flood peak discharge of different magnitudes under the spatial pattern of the basin

当不透水面扩张发生在溧水河流域、句容河流域和主干河流域不同位置时，研究时段内大、小洪水的洪峰涨幅与不透水面积均呈线性正相关关系，且下游主干河流域的大、小洪水洪峰涨幅差距略大于溧水河流域、句容河流域. 对于秦淮河全流域及不同位置的不透水面扩张情景，均发现小洪水的洪峰涨幅大于大洪水的涨幅，这主要是由于洪水过程是受气象因素和下垫面共同作用的结果[34]，而大洪水是气象因素占主导，从而弱化了下垫面不透水面积的作用，因此当不透水面增加相同幅度时，大洪水对土地利用变化响应的敏感度低于小洪水. Du等和Kaspersen等[15,35]的研究也都得出城市化对小洪水影响更大的结论，并认为其原因主要是规模较大的洪水一般有强度大与持续时间长的降雨条件，降雨强度远超出土壤的下渗能力，使降雨事件后期土壤的性质类似于不透水面，从而弱化了不透水面积大小对大洪水的影响.

4 结论

1)随着城市化的快速发展，秦淮河全流域不透水面显著扩张，其中溧水区和句容市近年来不透水面扩张速度明显加快，超过了南京城区和江宁区；全流域的不透水面扩张情景下洪水洪峰流量呈现逐年增加的趋势，2015年城市化情景下的10场平均洪峰流量相比于1988年增长27.21%，伴随着不透水面扩张，洪涝威胁日益加剧.

2)在全流域不透水面扩张的影响下，研究时段内在2006年前后的洪峰年均增长率有明显变化，整个秦淮河流域在2006-2015年的不透水面扩张带来的洪峰增长率大于城市化相对较早时间.

3)流域不同位置的单位面积不透水面扩张带来的洪峰涨幅不同. 由于上下游位置和下垫面地形的共同影响，秦淮河流域上游溧水河和句容河两河源流域的单位面积不透水面扩张对洪峰的影响大于下游主干河流域，且在研究时段内洪峰流量随着不透水面增加呈线性增长，未来不透水面扩张给秦淮河流域带来的防洪压力较大.

4)不同量级洪水对秦淮河流域各不透水面扩张情景下的洪峰响应有所差异：在全流域及不同位置的不透水面扩张情景下，小洪水的敏感程度均大于大洪水，且下游主干河流域不透水面扩张情景下的大、小洪水洪峰涨幅差距略大于溧水河、句容河两河源流域.