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标题 城镇化和闸坝对沙颍河流量的影响
范文 张多纯+张幼宽
基金项目:国家自然科学基金（41272260）；国家水体污染控制与治理科技重大专项“淮河流域地表与地下水氮源补排及防控关键技术研究与示范”（2012ZX07210004）
作者简介:张多纯（1988），男，安徽六安人，主要从事地表地下水模拟和污染治理研究。Email：zhangduochun_2008@163.com
通讯作者:张幼宽（1951），安徽蚌埠人，教授，主要从事地下水数值模拟及污染治理研究。E-mail:ykzhang@nju.edu.cnDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.
摘要：分布式水文模型PRMS（The Precipitation Runoff Modeling System）考虑了降水、气候和土地利用等因素，可模拟产流、产沙等描述流域水和物质循环的重要变量。利用沙颍河实测流量资料对建立的PRMS模型进行了校正和验证，据此模拟了该流域城镇化和闸坝工程对沙颍河流量的影响，结果表明：城镇化使地面不透水面积增加，导致流域蒸散量和降雨入渗减少，产流量增加，而闸坝等水工建筑物改变了流域水资源的时空分配，减弱了自然径流量的波动性，增加了水面蒸发，使流域径流量峰值减小，径流洪峰滞后。城镇化和闸坝对河流径流的影响在枯水年尤为明显。
关键词：PRMS;城镇化；闸坝；产流量；沙颖河流域
中图分类号：P343文献标志码：A文章编号：16721683（2014）04000605
Impacts of Urbanization and Dams on River Runoff in the Shaying River Basin
ZHANG Duochun1,ZHANG Youkuan2
(1.School of Earth Sciences and Engineering,NanJing University,Nanjing,210093,China;
2.Center for Hydrosciences Research,NanJing University,Nanjing,210093,China)
Abstract:The distributed hydrological model,Precipitation Runoff Modeling System (PRMS),takes into account of precipitation,climate,and land use,and can be used to simulate the important variables representing the water and mass cycle in a basin such as water and sediment.In this paper,the PRMS model was calibrated and validated with the observed runoff data,and then the validated model was used to simulate the impacts of urbanization and dams on runoff in the Shaying River basin.The results showed that the evaporation and infiltration decrease whereas runoff increases in the basin due to the expansion of impermeable land surface as a result of urbanization.The presence of dams can change the spatial and temporal distribution of water resources in the basin,dampen the variation of natural runoff,increase the water surface evaporation,decrease the peak runoff,and then delay the time of peak flow.The impacts of urbanization and dams on runoff were more obvious in the dry years.
Key words:PRMS;urbanization;dam;runoff;Shaying River basin
淮河流域是我国闸坝最多、人口最密集、水污染较严重的流域之一。全流域已修建闸坝11 000 多座，总库容303 亿m3，占多年平均径流量的51%［6］。沙颍河是淮河的最大一级支流，也是淮河众多支流中闸坝分布最为密集的支流，人工控制程度较高［15］，建有颍上闸、阜阳闸、槐店闸等众多水闸。近年来，沙颍河流域的城镇化率也在不断提高。据2008年亚洲土地利用和植被覆盖分布图（08_Globcover_200412_200606_V2.2_Central_Asia），沙颖河流域城镇化水平已达到4.6%，远高于20世纪60年代的1.5%［45］。
已有研究表明，人类活动对流域地表覆盖类型及水循环过程的干扰，必然会影响流域水量的时空分布和河流的天然径流特征［12］。但是以往对闸坝的研究多侧重于其对水环境的影响，比如鲍全盛等（1997）研究了沙颖河闸上重污染水体集中下泄事件，并分析了其与淮河干流突发性污染事故的关系［7］；淮河流域水资源保护局（1998）研究了闸门启闭时监控断面有机污染物浓度变化规律,并据此阐述了闸坝工程对河流稀释扩散作用的影响［8］；左其亭等（2010）研究了考虑底泥之后闸坝对重污染河流的水质水量作用规律［9］；此外，Karra（1991）系统的分析了闸坝的修建对河流水文学及其相关领域包括物理、能源、化学、生物、生态方面的影响［10］；Huang（2003）通过分析监测数据评价了阿斯旺大坝的修建对尼罗河流域水环境的负面影响［11］；Munoz 等(2006)研究了Sanomera大坝在河网中的环境作用，提出了对水库及下游区同时满足水量和水质需求的方法［12］。而关于闸坝对河道水量及水流规律方面研究，国内外均很少，只有张永勇等（2009、2010）分别在温榆河流域、淮河流域选取典型闸坝利用swat模型模拟在有闸和无闸情况下流域年径流量的变化，认为闸坝的调蓄作用随年降雨量变化并影响流域的年径流量［1314］。美国地质调查局开发的分布式水文模型PRMS（The Precipitation Runoff Modeling System）可用来评价降水、气候和土地利用等综合因素对流域产流、产沙及水循环的影响。因此，本文采用该模型模拟沙颖河流域1962年-1965年的降雨径流过程，在此基础上，从流域尺度上定量地研究该流域城镇化、闸坝等人类活动对流域年径流总量的影响。
1研究区概况
本文的研究区为淮河流域的沙颖河子流域。沙颍河位于淮河北岸，河长616 km，是淮河的最大支流，流域面积约4万Km2。沙颍河发源于河南省伏牛山区，经河南流入安徽，于安徽省颍上县沫河口汇入淮河。流域高程-132～1 912 m见图1。西北部为山区，高程一般在600～1 500 m；东南部为平原，地势较为平坦，一般在30～100 m。流域地处暖温带向亚热带的过渡地带，属暖温带半湿润大陆性气候区。冬春干旱少雨，夏秋闷热多雨，年平均气温14℃～16℃，多年平均降水769.5 mm，流域多年平均径流量为162 m3/s。2数据来源
本文采用的日降雨量和日径流量数据时间段分别为1962年-1965年和2007年-2009年，均来源于水文年鉴［22］；日最高和最低气温、数字高程图(Digital elevation model DEM)（30 m*30 m）、土地利用类型、土壤类型则来源于互联网。
3模型校正和验证
选用1962年-1965年间流域闸坝较少的实测水文数据进行模型识别，其中1964年-1965年为模型的校正阶段，1962年-1963年为模型的验证阶段。模型参数的获取主要
图1沙颍河流域地形
Fig.1Topography of Shaying River Basin
有三种方式：利用ArcGIS等工具；查找文献；后期模型校正。表1为模型的重要参数取值［2021］。
根据1962年-1965年间沙颍河流域河流及下垫面条件，将沙颖河流域划分成178个水文响应单元（HRU），采用PRMS模型对流域产流量进行拟合和验证。模拟结果采用NashSuttcliffe (NS)系数进行评价，该系数的计算公式为
Ens=1-∑ni=1(Oi-Pi)2∑ni=1(Oi-Oavg)2(1)
式中：Oi为实测值；Pi为模拟值；Oavg为实测值的平均值。NS系数的取值范围为负无穷到1。NS系数值越大表明模拟值与观测值之间越匹配，当NS系数的值为1时（即模拟值等于实测值）表明模拟结果非常好；当NS系数的值小于0时，说明模拟值比直接使用实测平均值的可信度更低。
在1964年-1965年的模型校正阶段，除部分峰值外，模拟的日径流量（图2a中的虚线）与实测值（图2a中的实线）吻合较好，日模拟的Ens值达到0.72（表2），模拟的日平均流量为373.70 m3/s，而观测的日平均流量为366.76 m3/s，总体校正结果较好。在1962年-1963年的模型验证阶段,模拟的日径流量（图2b中的虚线）与实测值（图2b中的实线）相比有一定的差别，但也较好地体现了日径流的变化，日模拟Ens亦达0.64，模拟的日平均流量为242.64 m3/s，观测的日平均流量为254.52 m3/s,验证结果亦较令人满意。因此，经过校正和验正的模型应可用来预测沙颖河流域在自然状态下的降雨径流过程。表1PRMS模型重要参数取值范围
Table 1Range of key parameters used in PRMS model
参数名称参数说明单位参数范围优化值epan_coef月平面蒸散发系数无量纲0.2~31.0~2.1soil_rechr_max土壤可交换层饱和含水率inchs0.0~10.00.032~0.83soil_moist_max土壤表层饱和含水率inchs0.0~20.02.73~3.73pref_flowden土壤区用于地下水优先流的水分比例无量纲0.0~1.00.1ssr2gw_exp计算重力排泄到地下水水库指数无量纲0.0~3.03.0ssr2gw_rate计算重力排泄到地下水水库线性系数inchs/d0.0~1.00.037~0.06slowcoef_lin慢速壤中流线性系数/d0.0~1.00.015slowcoef_sq慢速壤中流非线性系数/inch*d0.0~1.00.001fastcoef_lin快速壤中流线性系数/d0.0~1.00.1fastcoef _sq快速壤中流非线性系数/inch*d0.0~1.00.4gwflow_coef地下水库水流向河流的线性系数/day0.0~1.00.05imperv_stor_maxHRU不透水区最大滞留储量inchs0.0~10.01.0carea_max地表径流的最大可能贡献面积无量纲0.0~1.00.08smidx_coef非线性贡献面积算法系数无量纲0.0001~1.00.01smidx_exp非线性贡献面积算法指数/inch0.2~0.80.2表2PRMS径流拟合与验证的确定性系数Ens
Table 2Coefficients of model fit efficiency (Ens)
during calibration and validation periods
水文年份日模拟Ens月模拟Ens1964-1965水文年拟合0.720.831962-1963水文年验证0.640.821962-1965水文年0.690.83图2采用PRMS模型模拟的沙颖河
日径流量和实测的日径流量
Fig.2Comparison of measured and simulated daily
runoff using PRMS model
4城镇化和闸坝工程对径流量的影响
根据已有研究［45］，经过整理计算得出1962年-1965年沙颍河流域林地覆盖面积为1.1%,城镇化水平为1.53%。根据2008年全球土地利用类型分布图，使用ArcGIS计算得出2007年-2009年年林地覆盖面积为1.5%,城镇化水平为4.60%（表3）。
表3沙颍河流域1962年-1965年和
2007年-2009年土地利用情况
Table 3Land use and land cover from 1961 to 1965 and
from 2007 to 2009 in Shaying River Basin
土地利用森林
(%)农作物，草地
和荒地(%)城市和
其它用地(%)流域汇水
面积/km21962-19651.197.371.5341 9412007-20091.593.94.6041 9414.1城镇化的影响
利用前文建立的模型，采用2007年-2009年的土地覆
表4沙颍河流域土地利用变化对流域径流量的影响
Table 4Effects of land use and land cover
on runoff in the Shaying River Basin
年份采用6265地表
覆盖/（m3·s-1）采用0709地表
覆盖/（m3·s-1）增幅(%)1964-1965373.70378.931.401962-1963242.64256.785.82盖分别模拟1964年-1965和1962年-1963年两个时期的河流径流量，结果见表4。由该表可以看出，由于城镇率的提高，沙颍河1964-1965年，日平均径流量由373.70 m3/s增至378.93 m3/s，增幅1.40%；1962年-1963年由242.64 m3/s增至256.78 m3/s，增幅5.82%。枯水年份（1962年-1963年）的增幅（5.82%）大于丰水年份（1964年-1965年，1.40%）。径流量增加的主要原因是随着城镇区域扩大，耕地等农用土地面积减少，从而使得流域降雨入渗和蒸散发减少。这种影响在枯水年表现更加明显。
4.2闸坝工程的影响
根据已有资料，20世纪60年代之前沙颍河流域闸坝稀少（图3a）［2223 ］；60年代以后，为了防洪排涝，发展航运，沙颖河流域闸坝数量迅速增加；至2005年，沙颖河流域已建成大小闸坝80多座（图3b）。 因此，可近似将1962年-1965年作为未受闸坝影响的时期，而将2007年-2009年作为受到闸坝影响的时期。图3不同时期沙颖河流域闸坝分布
Fig.3Distribution of dams in different times
in Shaying River Basin
在不考虑闸坝的情况下，根据2007年-2009年的土地覆盖条件模拟的河流径流量，可视为无闸坝影响的天然径流量，将其与受闸坝调控影响的实测径流量进行对比分析可得
图4沙颍河无闸坝影响的模拟径流量与
有闸坝影响的实测径流量
Fig.4Comparison of simulated runoff without dam
and measured runoff with dam
出闸坝对流域产流量的影响，模拟结果见图4。由该图可见，2007年-2009年期间实测径流量（图4中的实线）峰值小、出现的时间滞后于降雨；而模拟的径流量（图4中的虚线）峰值大、与降雨的时间相对应。三年的实测日均径流量（19704 m3/s、10886 m3/s、6724 m3/s）均小于相应年份的模拟日均径流量（22575 m3/s、17143 m3/s、13649 m3/s）,各年分别减少了127%、365%、507%。枯水年（2009年）径流量减少的幅度较丰水年（2007年）大。
为了分析上述现象的原因，对沙颖河流域具有代表性的上游（马湾闸）、中游（周口闸）及下游（阜阳闸）闸坝的调蓄特征进行了分析，发现流域内闸坝群调蓄的共同特征是丰水年开闸放水更多，而枯水年关闸蓄水更多。篇幅所限，下面只对资料更详细的阜阳闸的调蓄特征进行具体分析。
图5浅孔闸（左）与深孔闸（右）闸孔断面对比
Fig.5Schematic diagram of sections of shallow
floodgate (left) and deep floodgate (right)
阜阳市沙颖河河段现有两座大闸，分别为12孔的浅孔闸和4孔的深孔闸。浅孔闸每孔宽12 m，闸底高程25.76 m。深孔闸每孔宽10.6 m，闸底高程20.5 m。图5为浅孔闸（左）与深孔闸（右）闸孔断面对比示意图，图中hs、ds为浅孔闸门可开启高度和闸孔宽度；hd、dd为深孔闸门的可开启高度和闸孔宽度。两座大闸通过不同的调度方式见表5控制河段的下泄流量。表中ns1、ns2、hs1、hs2为浅孔闸闸门开启孔数和闸门开启高度，nd1、nd2、hd1、hd2为深孔闸闸门的开启孔数和闸门开启高度。利用2007年-2009年阜阳闸逐日的闸门开启状态，根据表5中闸孔过水面积的计算公式计算出2007年-2009年逐日的闸孔过水面积情况见图6。
由图6可以看出，2007年-2009年的闸孔过水面积逐年减小，各年日平均过水面积分别为29.71 m2（2007年）、
表5闸坝不同调蓄特征下的闸孔过水面积
Table 5Discharge area across floodgate
under different dispatching modes
闸坝名称调蓄特征浅孔闸全关ns1（孔）hs1(m)全关ns2(孔)hs2(m)深孔闸全关全关nd1(孔)hd1(m)nd2(孔)hd2(m)闸孔过水
面积/m20hs1dsns1hd1ddnd1hs2dsns2+
hd2ddnd2图62007年-2009年阜阳闸逐日闸孔过水面积及闸上水位
Fig.6Daily discharge area across the floodgate and stage
in upstream of Fuyang dam from 2007 to 2009
18.48 m2（2008年）、8.85 m2（2009年），其中丰水年（2007年）的日平均闸孔过水面积远大于枯水年（2009年），究其原因是为了保证上游航运及用水需求，通过闸坝调蓄，使得闸上水位基本稳定在28～29 m之间，这样就会形成在丰水季水位增加时，闸坝连续大量开闸放水；而在枯水季，闸孔开启面积很小，甚至持续的关闸蓄水。因此，越是枯水年，流域出口径流量减少的幅度越大。另外在枯水年，除了闸坝等水工建筑物的控制外，流域内大规模提水灌溉也是径流量减少的重要影响因素。
表6对模拟结果进行了统计分析，可以看出在无闸坝自然状态下，模拟的三年最大日径流量（4 543 m3/s、3 318 m3/s和1 434 m3/s）远远大于实测的最大日径流量（2 070 m3/s、1 230 m3/s 和629 m3/s），而模拟的最小值（10.3 m3/s、表6模拟无闸坝影响的日均产流量与实测有闸坝影响的日均产流量
Table 6Simulated daily runoff without dam and measured daily runoff with dam
年份降雨量
/mm模拟日均流量
/（m3·s-1）观测日均流量
/（m3·s-1）模拟流量最大
值/（m3·s-1）观测流量最大
值/（m3·s-1）模拟流量最小
值/（m3·s-1）观测流量最小
值/（m3·s-1）模拟流量
方差观测流量
方差2007869.9225.75197.044 5432 07010.317.5230 767.52119 773.22008847.2171.43108.863 3181 2305.313.086 946.1220 088.062009791.0136.4967.241 4346292.44.631 539.897 910.965.3 m3/s和2.4 m3/s）却小于观测的最小值（17.5 m3/s、13.0 m3/s和4.6 m3/s），这是因为闸坝在雨季拦蓄洪水，削减河流的洪峰流量；而在枯水季，为了满足工农业和生活用水，闸坝放水，增大了河流的流量。模拟流量的方差大于观测流量的方差表明在无闸坝的自然状态下，日平均径流量的变化大于受闸坝影响的实测流量变化。原因主要是闸坝的调控，其次是由于闸坝上游水面的增加，水面蒸发和渗漏损失增加。闸坝调蓄使得径流曲线形状由“高瘦”变得“矮胖”。这一现象在干旱地区或干旱时节表现更明显［6］。
5结论
本文采用分布式水文模型PRMS定量地研究沙颍河流域城镇化、闸坝等人类活动对其年径流总量的影响，得出以下主要结论：
1）在模型校正阶段，除部分峰值外，模拟的日径流量与实测值吻合较好，日模拟的Ens值达到0.72。在模型验证阶段,模拟的日径流量与实测值相比有一定的差别，但也较好地体现了日径流的变化，日模拟Ens亦达0.64。
2）采用经过校正和验证的模型模拟了城镇化和闸坝对沙颍河流量的影响，结果表明：由于城镇化率增大，地面不透水面积增加，导致流域蒸散量和入渗减少，产流量增加，而闸坝调蓄使流域径流量峰值被坦化，径流洪峰滞后。闸坝等水工建筑物的修建与使用，改变了流域水资源的时空分配，减弱了自然径流量的波动性，但使得水面和蒸发增加，河流径流量减少。城镇化和闸坝对径流的影响在枯水年表现更加明显。
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［16］郭渠，孙卫国，程炳岩，等.重庆市气温变化趋势及其可能原因分析［J］.气候与环境研究,2009，14(6)：646656.(GUO Qu,SUN Weiguo,CHENG Bingyan,et al.The Trend of Temperature Variation and Its Possible Cause in Chongqing［J］.Climatic and Environmental Research.2009,14(6):646656.(in Chinese))
［17］任国玉，姜彤，李维京，等.气候变化对中国水资源情势影响综合分析［J］.水科学进展,2008,19(6)：772779.(REN Guoyu,JIANG Tong,LI Weijing,et al.An Integrated Assessment of Climate Change Impacts on Chinas Water Resources［J］.Advances in Water Science.2008,19(6):772779.(in Chinese))
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［19］王云琦，齐实，孙阁，等.气候与土地利用变化对流域水资源的影响［J］.水科学进展,2011,22(1)：5158.(WANG Yunqi,QI Shi,SUN Ge,et al.Impacts of Climate and LandUse Change on Water Resources in a Watershed ,A Case Study on the Trent River Basin in North Carolina,USA［J］.Advances in Water Science.2011,22(1):5158.(in Chinese))
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更新时间：2025/3/10 16:04:34