1. 研究背景
随着我国经济的快速发展，城市化进程不断加快，人类活动对河流的影响也随之增大 [1] [2]。由于城市发展的影响，城市下垫面性质发生变化，不透水面积增大，同时天然河道受到破坏，河网水系数量也不断减少 [3]，导致近年来城市洪涝灾害频频发生。
不少学者认为城市化发展所带来的土地利用变化是洪涝灾害频发的重要原因之一 [4] [5]。李慧等 [6] 与王慧亮等 [7] 研究发现城市河流径流量在近几十年中均存在突变点，且与城市化发展时间阶段相吻合。Brandes等 [8] 发现，当流域的不透水面积达到20%时，暴雨流量才会相应增加。
浙江地处我国东南沿海，素有“七山一水二分田”地势地貌特点，改革开发后经济发展迅猛，加速当地城市化进程。而因城市化开发带来水文效应变化对人们生产生活带来一定影响，故我们需要多要素综合考虑城市化发展对水文效应变化，因此选择浙江省较为典型山区楠溪江流域作为研究范围。
本文所选取研究的楠溪江流域是一个保存较为完好、较为典型的天然流域，域内径流特征受人类活动影响较小，拥有较为完整的降雨、蒸发、气温、植被覆盖率等资料。通过分析流域径流变化来反映流域内水文效应变化，并利用MIKE SHE对楠溪江流域不同场景下垫面变化的径流及场次洪水模拟，寻求一个更好的楠溪江径流变化与下垫面之间的关系；为流域城镇开放土地利用规划提供参考，进而提升水灾害的防御能力，具有一定实际应用价值。
2. 研究区概况
楠溪江古名瓯水，位于28˚00'N~28˚34'N，120˚19'E~120˚59'E之间。楠溪江主流源头位于括苍山脉，源头海拔1192 m。河道纵横贯穿永嘉县及部分市区的一些乡村，最终在瓯北镇清水埠汇入瓯江，流域面积达到2436 km2，主流河长142 km，平均比降6.0‰。
楠溪江流域内的降水资料及径流资料均来自于域内的站点观测资料并对其进行整编、校对等处理后的数据；由于本流域的水文站实际情况，加之搭建MIKE SHE模型对数据的种类的要求较为繁杂，包括同一时期必须具有降雨、蒸发、径流等资料，因此本文研究选取的拥有完整的实测降雨资料、蒸发资料及径流资料的年份较短且集中在20世纪80年代。该时期所有数据种类较为完整，利于对径流预报模型的应用研究。
3. 水文效应分析研究
3.1. 降雨对径流的影响
1) 降雨径流相关性分析
七条支流上降雨和径流之间具有较强的相关性，降雨径流相关系数见表1。
Table 1. Correlation between rainfall and runoff of typical tributaries
表1. 典型支流降雨径流相关关系
通过分析可知，楠溪江流域上降雨和径流具有密切的关系，即径流的变化特征主要依赖于降雨的变化特征，因此降雨是导致径流发生变化的主要因素。
2) 降雨的周期性分析
楠溪江流域上降雨资料来源于整编过的实测资料，取楠溪江沙头断面进行面雨量统计计算(见表2)。
Table 2. Statistical values and associated probability values of rainfall groups in Nanxi River
表2. 楠溪江降雨组间统计值及相伴概率值表
上表是对应分组2、分组3、……、分组30的29个分组变量的楠溪江降雨序列的统计量F及相伴概率ρ值，可见仅在分组组数b = 15时，ρ = 0.01 < α = 0.05，通过信度α = 0.05的F检验，说明存在长度为15 (年)的第一周期，也即是主周期。
参照同样的方法，利用SPSS对楠溪江降雨的新序列1 (剔除第一周期)进行第二周期分析，以此类推进行计算。结果表明，楠溪江降雨序列存在一个主周期，即b = 15 (年)，不存在其他周期；楠溪江降雨序列与楠溪江径流序列具有同样的周期波动。
3) 降雨的趋势性分析
Figure 1. Rainfall tendency chart of Nanxi River
图1. 楠溪江降雨趋势变化图
从楠溪江降雨变化趋势(图1)可以看出，楠溪江沙头断面多年降雨平均值为1843.2 mm，其最小降雨量出现在1967年，其值为1161.4 mm，最大降雨量出现在1990年，其值为2695.1 mm。楠溪江降雨的总体变化趋势呈现缓慢增加的态势，表明楠溪江流域内降雨随着时间的推进，缓慢增加。
从上述分析看，流域的径流主要由降雨产生，因此不论是从周期性还是趋势线，降雨和径流均具有高度的一致性，但是楠溪江降雨的增加趋势要明显强于其径流的增加趋势，说明流域内还有其它因子抵消了部分由于降雨增加而增加的径流，而且该因子一定与降雨一样，具有流域面分布特征。
3.2. 气温对径流的影响
本次选择永嘉站为代表，并对气温数据进行摘录整理，分析其变化特征。
1) 趋势分析
研究1961~2017年年平均气温变化趋势，如图2所示。
通过年平均气温变化过程图可以看出，年平均气温有比较明显的上升趋势，年平均气温倾向率为0.176℃/10a，表明永嘉县随着时间的推进，气温呈现上升趋势。
2) 突变性分析
对永嘉县年平均气温进行M-K突变检测(见图3)。
Figure 2. Change process of annual average temperature in Yongjia County
图2. 永嘉县年平均气温变化过程图
Figure 3. Annual average temperature M-K mutation discrimination curve
图3. 年平均气温MK突变判别曲线图
根据分析可知，通过M-K突变点检测法得出年平均气温突变年份发生在1997年左右。气温对径流的影响，主要是加大了水面和陆面蒸发量，即在同样的降雨和产流条件下，流域所产生的径流应随着气温的升高呈现减少的趋势。
3.3. 植被对径流的影响
永嘉县森林生态休闲资源丰富，全县森林植被在浙江植被分区中属中亚热带常绿阔叶林南部亚地带。林区由于树冠截留后叶面蒸发以及森林的蒸腾等所消耗的水量，大于无林区，而森林又不能增加降水量，因此从成因来看，林冠截留减小了入河的水量、土壤入渗减小了地表径流但增加了壤中流和地下径流、植物根系有利于水土保持、植物蒸腾和蒸发加大了水分的消耗，因此森林覆盖率的减小，增大了洪峰流量及加快和缩短了洪水的汇流时间，植被的蒸散发量减少使得径流总量增多了。
3.4. 土地利用对径流的影响
土地是各种自然因素相结合的综合体，自然因素的变化在一定程度上会影响土地利用变化，尤其是地貌、气候、自然灾害等。由于近几年永嘉县没有低山缓坡项目，故自然地貌对永嘉县的土地利用变化的影响不是很大；气候的变化需要持续较长的一段时间才能改变，短时间内几乎不会对土地利用造成影响，可以忽略不计。
人口是影响永嘉县土地利用变化的一个重要驱动力，永嘉县2010~2020年间总人口数由78.91万人上升到86.95万人，十年共增加80,394人，增长10.19%，年平均增长率为0.98%。而人口的增加必然会增加居住用地和交通运输用地等建设用地的面积，大量的建设用地改变了土地原有的功能，也使土地利用结构发生变化。1985年至2020年间建设用地面积由10.9 km2增长为231.5 km2，增长率为2024%，与实际的社会经济指标相一致。建设用地的增加，直接导致了城市不透水面积的增大，流域滞洪能力减弱，洪峰流量增大，洪峰时间提前。
4. MIKE SHE模型流域水文效应分析
4.1. 参数率定结果
率定参数的年份选用1980~1982年的实测水文资料，图4是楠溪江率定径流与实际径流的对比图。
Figure 4. Correlation analysis diagram of measured and simulated runoff
图4. 实测与模拟径流相关分析图
从率定效果来看，参数的设置较为合理，能较好地模拟出楠溪江径流。因此采用此参数设置，模拟1983~1985的径流，并据此模拟不同径流影响因素对楠溪江径流的影响程度。
4.2. 模型计算结果
将三个场次洪水分别输入1985年下垫面条件和2020年下垫条件下MIKE SHE模型，20040813场次洪水下流域出口洪峰流量由4980 m3/s增至5390 m3/s，增幅达7.63%，流域出口洪量由3.69亿m3 增至3.92亿m3，增幅达6.3%；20050720场次洪水下流域出口洪峰流量由5380 m3/s增至5850 m3/s，增幅达8.7%，流域出口洪量由4.66亿m3增至4.96亿m3，增幅达6.5%；20190813场次洪水下流域出口洪峰流量由5420 m3/s增至6060 m3/s，增幅达11.8%，流域出口洪量由3.34亿m3增至3.685亿m3，增幅达10.4%。三场洪水洪峰流量平均增大9.4%，洪量平均增大7.7%，平均峰现时间提前约1.7 h，城市化扩张致使研究区整体性洪涝风险增强，模型计算成果对比情况见表3。
Table 3. Comparison table of model calculation results
表3. 模型计算成果对比表
5. 结论
通过上述研究结果表明：楠溪江流域作为浙江省典型的山区性流域，城市化开发程度虽然总体占流域面积比重较小，不透水面积的变化，对流域径流影响较小，但从洪水样本模拟情况看会导致洪量增加、洪峰时间提前等现象。
1) 研究发现楠溪江流域降雨径流存在很强的相关关系，即降雨的增加势必带来径流的增加，但是由于植被覆盖率、气温升高与径流存在负相关关系，所以总体保持原趋势。通过模型模拟结果对比来看，保持其他因素不变，增加10%的降雨量，径流量增加6.16%。根据降雨量的长期增长趋势，径流量平均每年理论上可增加0.15%。
2) 通过对楠溪江流域MIKE SHE模型计算，在保持其他因素不变，将象征森林覆盖率的叶面积指数增加10倍，对径流量影响为4.44%。
3) 随着城市的下垫面性质发生变化，不透水面积增大。相同的三场洪水分别输入不同年份的下垫面条件，洪水洪峰流量平均增大9.4%，洪量平均增大7.7%。城市化进程与林地、草地保护之间的矛盾日益突出，对整体性洪水风险有所增大。
基金项目
本论文研究为浙江省水利厅科技计划项目，项目编号：RC2042。
参考文献