极端降水和城市土地扩张对湘江流域洪水径流过程的影响研究

The hydrologic cycle has changed significantly at both a local and global scale under the current global environmental change. The disturbance of hydrologic processes from extreme precipitation and urban land expansion and the frequently associated flood events have raised significant concern in recent years. However, how to employ an effective methodology to quantitatively reveal its impacts on flood discharge process is one of the research questions that need to be solved at the present stage. This project will select the Xiang River basin in Hunan Province as the study area to investigate the influence of extreme precipitation and landscape urbanization on flood discharge in this region, which is experiencing climate change and intensive human interventions. The project will detect the spatio-temporal trends and abrupt change in extreme precipitation and flood discharge by using the geospatial statistics and time series analysis. The project will also systematically analyze the characteristics and the change trend of urban expansion in Xiang River basin during the past 30 years, and explore the driving mechanism behind the phenomenon. Furthermore, the project will develop and use an integrated modeling system, coupling a distributed hydrologic model and a dynamic urban expansion model, to examine the change law of flood discharge under the different extreme precipitation and urbanization scenarios. The results can provide the scientific basis to decision makers for flood disaster prevision and rational urban planning in the future.

在当前全球环境变化下流域水循环已经发生巨大变化，极端降水和城市土地扩张对水文演化过程的干扰以及伴生的洪水灾害事件频繁发生已引起了广泛的重视。如何采取有效的方法定量揭示其对流域洪水径流过程的影响，是现阶段亟待解决的问题之一。本项目选择受气候变化和高强度人类活动影响下的湖南湘江流域为研究对象，结合地理空间统计和历史时间系列分析法，系统评价湘江流域近50年来极端降水的时空演变特征，并对湘江流域过去30年来的城市扩张特征进行系统分析，探讨其背后的驱动机制。集成分布式水文模型和用于模拟城市土地扩张的元胞自动机模型，定量评估不同极端降水和城市土地扩张情景下洪水径流的变化规律。研究结果可为流域洪水灾害防治和城市合理规划提供科学依据。

极端降水增加和城市扩张加剧被广泛认为是导致洪水灾害风险增大的两个重要因素。研究极端降水和城市扩张对洪水径流的影响，对人类认识暴雨洪水事件的发生规律，科学地进行城市规划和洪水风险管理具有十分重要的意义。本项目以湘江流域为研究区，系统评价了该流域近45年来极端降水和极端径流的时空演变特征，研究了极端降水对极端径流的影响。集成半分布式水文模型（HEC-HMS模型）和用于模拟城市扩张的元胞自动机模型（CA模型），定量评估了不同城市扩张情景对洪水过程的影响。研究取得了以下三方面的成果：. （1）完成了湘江流域极端降水的时空变化特征分析及其对极端径流的影响评估。结果显示流域上游极端降水和极端径流之间的信号变化呈现高度相似的变化模式，而中下游的极端降水的变化并不总是与极端径流一致。极端降水和径流之间相似的信号模式表明极端降水的变化会对洪水流量产生重要影响，但是在流域下游城市化剧烈的区域，极端降水和极端径流信号表现出明显的差异性。. （2）定量评估了湘江上、中、下游不同河段子流域城市扩张对洪水径流的影响。结果显示湘江流域的城市用地面积比例呈现从上游到下游逐渐增加的空间分异规律，城市空间结构开始由单中心城市向多中心城市转变。洪峰和洪量随城市化的加剧而增大，下游子流域增长最为显著。在不同下垫面条件的子流域，城市化所导致的洪水风险不同。在上游永州子流域城市化对洪量的影响大于对洪峰的影响，在中下游衡阳和株洲子流域，城市化对洪峰的影响大于对洪量的影响。. （3）模拟了未来自然增长情景和政策约束情景下城市扩张对湘江下游洪水过程的影响。结果表明自然增长情景下的洪峰和洪量均大于政策约束情景。未来城市扩张加剧对洪峰的影响将大于对洪量的影响。城市扩张加剧对不同量级洪水的影响存在差异，在不考虑其它水利工程影响的条件下，城市扩张加剧对小量级的洪水影响较大。