下垫面变化对不同重现期暴雨洪水的影响研究

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城镇化对下垫面的重新塑造及其引发的一系列洪涝灾害问题,是当前国内外水文科学研究的热点问题。近几十年来,国内外学者围绕河流水系演变、土地利用变化及洪水风险等问题已开展了众多研究,取得了一批卓有成效成果。但综合河流水系与土地利用格局分析下垫面变化对不同量级洪水的影响研究还处于探索阶段,相关思路及方法相对还不够完善。然而,随着城镇化发展,下垫面的不断硬化引起不透水面剧增,加快暴雨—洪水过程,导致洪水灾害渐趋严重。因此,开展下垫面变化对不同重现期暴雨洪水的动态影响研究,在一定程度上可丰富区域防洪治水研究的思路和内容,能提供更精确、有力的的防洪支持,具有重要的科学意义和应用价值。  太湖流域不仅是中国经济、城镇化水平最高的地区之一,也是河流、湖泊最为密集的地区之一,尤以腹部地区最为典型。自从上个世纪八十年代以来,太湖流域城镇化高速发展,引起河流和湖泊的数量与结构不断衰减,以及建设用地等不透水面快速扩张,并通过改变降雨—产汇流条件影响暴雨洪水过程。近年来,太湖流域常年遭受一系列不同强度的洪水侵袭,“小(中)雨大灾”等现象尤其严重,使得流域水资源安全和可持续发展承受越来越大的压力。因此,开展城镇化背景下水系演变与土地利用变化对不同量级暴雨洪水的影响研究,可为太湖地区的防洪减灾提供更精确的支持,有利于提高流域水安全保障能力,该研究具有重要的应用价值和实际意义。  本文以太湖腹部地区(武澄锡虞区和阳澄淀泖区)为例,以RS和GIS技术做支撑,综合运用河流地貌学、数理统计学、水文地理学和空间统计学等多学科方法和手段,以“城镇化背景下暴雨—水位响应变化→暴雨、洪水重现期变化→河流水系、城镇化等下垫面要素对不同量级洪水的影响差异→下垫面变化对不同等级洪水的综合作用”为主线,分析了城镇化背景下暴雨洪水量级的变化差异,揭示了下垫面变化对不同等级洪水的洪峰水位和洪水频次的影响规律。论文的主要研究内容及成果如下:  (1)特征时段暴雨—水位的响应变化  以汛期连续最大1日、3日、7日和15日雨量和年最高水位为基础,对特征时段雨量与年最高洪水位进行相关分析,在此基础上,对比分析1960-2014年特征时段降雨和洪峰水位的变化趋势,揭示了城镇化过程中洪水位和雨量响应特征的演变规律。结果表明:①在武澄锡虞区,年最高洪峰水位与汛期连续最大3日降雨相关性最好;在阳澄淀泖区,年最高洪峰水位与连续最大7日降雨相关性最好;②2000s以来,在降雨有所减少的条件下,年最高水位居高不下,同强度降雨产生的洪峰水位越来越高;③城镇化发展引起降雨—洪水位响应加快,洪峰水位逐步上升,高值水位发生频次明显增多。  (2)暴雨洪水重现期变化  通过运用PIII适线法模拟计算历年最大暴雨洪水频率,借助克里格插值技术对洪峰水位(年最大24h降雨)—重现期进行线性插值,绘制了1960-2014年暴雨洪水重现期在的变化趋势图,定量分析了洪峰水位和对应最大24h降雨的重现期变化规律。结果表明:①洪峰水位与降雨的重现期变化趋势一致,表现出明显的阶段性特征。在1960s-1980s、2000s-2010s两个时段,降雨和峰值水位的重现期变化剧烈。在1980s-2000s期间,暴雨洪水频率波动相对较小;②与最大24h降雨相比,洪峰水位的重现期变化更明显;③城镇化发展使得量级越大的暴雨洪水的重现期变化幅度越大;④下垫面变化对小洪水事件影响更显著、更复杂,低等级暴雨洪水的重现期变化趋势性相对较弱。  (3)下垫面单要素对暴雨洪水的影响  通过构建水面率、河网密度、盒维数、河网发育系数以及不透水率、城镇用地年均扩展强度指数等指标描述下垫面主要特征,分析了太湖腹部区河流水系、城镇化特征等下垫面要素对洪峰水位、超警戒水位频次、洪水频次的影响,并总结了各下垫面因素对不同量级洪水的影响差异。结果表明:①河网水系数量、结构衰减均会引起洪峰水位上升,超警戒水位与高值水位发生频次增加;②不透水率增加、城镇扩张加快,同量级暴雨产生的洪峰水位逐步上涨,高量级洪水发生的概率越大;③在1960-2014年间,随着河流水系衰减、城镇化率增加、城镇扩张加快,2年一遇以上洪水频次增加,相应地,2年一遇以下洪水频次有所减少,从而致使洪水风险增加。  (4)下垫面变化对不同等级洪水的综合作用  运用灰色关联度分析法定量分析了太湖腹部区各下垫面要素与洪峰水位及其发生频次的关联大小,并探究了下垫面要素对不同等级洪水的贡献差异,对比总结出了与洪水事件关联性最好的影响因子。在此基础上,运用逐步多元回归法揭示了降雨、水系演变、城镇化发展对不同量级洪水的综合影响及差异。结果表明:①河网密度、盒维数与不透水率对洪峰水位、洪水频次的贡献性较大,而下垫面对小量级洪水事件的贡献更明显;②降雨、不透水面增加与水系衰减均会引起洪峰水位上升,对于10年一遇以下的洪水,与水系衰减率相比,不透水率增加对洪峰水位影响幅度更大;③下垫面对不同量级洪水发生风险的作用存在显著差异:1960-2014年期间,不透水率增加主要引起2年一遇以下洪水频次增加,而水面率减少会导致5年一遇以上洪水频次增加,而2年一遇以下洪水频次则有所减少,从而增加洪水危害性。
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