摘要
改革开放以来,我国城市化进入快速发展阶段,2019年城市化率已高达60.6%。随着城市化的发展,城市洪涝灾害频率也随之增加,近年来,城市洪涝问题成为影响我国城市安全与可持续发展的主要瓶颈。为实现对城市洪涝灾害的提前预警,减少人员伤亡和经济损失,深入理解与认识城市降雨径流过程变化规律显得尤为重要,成为城市水文学研究的重点方向。为此,本研究以北京市温榆河流域为例,利用流域1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年土地利用数据,结合流域数字高程模型、土壤类型数据、土地利用变化数据、流域水文气象资料等,基于HEC-HMS水文模型构架建立温榆河流域水文模拟系统,开展城市化流域暴雨洪水过程模拟。在此基础上,利用水文模拟技术与情景分析方法,基于历史暴雨洪水事件与设计暴雨情景,综合评估城市化对流域降雨径流过程的影响。本文主要研究内容和结论如下:(1)城镇化背景下的温榆河流域土地利用变化研究下垫面变化是评价城市化发展的重要指标,了解温榆河流域土地利用类型变化特征有利于探究流域城市化程度对流域土地利用变化的影响。本文基于温榆河流域6期土地利用数据(1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年),通过对流域土地利用类型变化和子流域不透水面积变化特征,综合分析流域土地利用变化规律。结果表明:在1990-2015年年间,温榆河流域在2005年之前以耕地、林地为主,2005年之后以耕地、林地和建设用地为主;在这25年土地利用变化中,以耕地和林地面积减少,建设用地面积增加为主要特征,流域部分子流域下垫面不透水面积增加较快,城市化进程主要集中在流域南部区域。(2)基于HEC-HMS平台的温榆河流域水文模拟系统构建与应用基于温榆河流域水文气象资料与地形数据,利用Arc GIS和HEC-Geo HMS模块完成流域水系特征提取和计算单元划分,基于不同时期的土地利用数据和研究区土壤类型数据,采用SCS曲线法、SCS单位线法以及马斯京根河道演算方法进行流域产汇流计算,建立适合不同时期下垫面特征的温榆河流域水文模拟系统,并基于典型的6场暴雨洪水过程(“198408”、“199407”、“199807”、“201207”、“201507”和“201607”)开展模型应用研究。研究结果表明,建立的温榆河流域水文模型系统能够较好地模拟流域暴雨洪水过程,经参数优化后典型场次洪峰流量误差与水量误差均小于20%,Nash效率系数均达到0.6以上,经检验表明本文所建立的模型适用于研究区域,可用于温榆河流域降雨径流过程模拟与洪水预报。(3)城市化对降雨径流过程影响研究利用本文建立的温榆河流域水文模拟系统,采用情景分析方法,基于六场不同大小的历史暴雨洪水资料(“198408”、“199407”、“199807”、“201207”、“201507”和“201607”)和不同重现期的日设计暴雨资料,分析城市化背景下不同土地利用情景下(1990年、1995年、2000、2010年、2015年)温榆河流域降雨径流过程变化规律,定量评估下垫面变化对洪水过程的影响程度,为变化环境下的流域防洪排涝设计提供科学依据。研究结果表明:以1990年土地利用背景下的模拟结果为基础,6场暴雨洪水事件在其他土地利用情境下洪峰流量(1.5-39.2%)和洪量(2.1-31.7%)呈现不同程度增加,峰现时间有所提前(1-3h);在设计暴雨条件下,研究结果与历史洪水分析结果类似,即城市化引起土地利用变化使得流域洪水过程线整体“变高变窄”;此外,设计暴雨条件下的模拟评估结果表明,相较于高重现期而言,低重现期设计降雨情境下,土地利用变化对洪峰流量和洪量影响较大。