土地利用变化对流域洪水风险的影响及其不确定性分析

Flood risk of watershed has increased greatly due to the rapid change of land use, and quantitative assessment of the effect of land use change on flood risk is of great importance for regional sustainable development.However,the key problem of unceratinty assessment in this issuse has been rarely investigated by scholars at home and abroad.The project will select Jinjiang Xixi watershed in Fujian Province which has been undergoing intensive land use change and also has good research basis as the study area, and combine the distributed hydrological model, hydrologic frequency analysis, uncertainty method to discuss the impact of land use change on flood risk and its uncertainty. The organization of the project is as follows. Firstly, SWAT model will be set up, calibrated and validated to model the rainfall-runoff process in the study area, and model uncertainy of SWAT be analyzed using Generalized Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) method and Markov Chain Monte Carlo (MCMC) method,then the uncertainty of flood reponse to land use change be obtained. Next, the methods of Bayesian factor and MCMC will be combined to assess the uncertainty of flood frequency analysis. And the coupling analysis of model simulation uncertainty and flood frequency analysis uncertainty will be realized as a result. Finally, the impact of land use change on flood risk and its uncertainty will be examined by the comparison of the differences in the characteristic values and confidence intervals for different land use scenarios. The study can enhance the scientific understanding on the evolution law of flood risk under the influences of land use change, and the methods applied here may provide a useful tool for the study on flood risk under land use changes.

土地利用的快速变化导致流域洪水风险日趋加剧，定量评价土地利用变化所引起的洪水风险对于区域可持续发展具有重要意义。然而，当前国内外在土地利用变化洪水风险影响的不确定性这一关键问题的研究方面依然较薄弱。本项目选取土地利用变化剧烈、研究基础较好的东南沿海晋江西溪流域为研究区，综合运用分布式水文模型、水文频率分析、不确定性分析等方法，探求土地利用变化对流域洪水风险的影响及其不确定性。首先建立研究区SWAT模型，在GLUE、MCMC方法评价和优选的基础上，分析土地利用变化洪水响应模拟的不确定性；进而采用贝叶斯因子法和MCMC技术评估洪水频率分析的不确定性，从而实现水文模拟不确定性和洪水频率分析不确定性的耦合，获得不同土地利用情景下洪水频率分布的特征值和置信区间，以综合识别土地利用变化对洪水风险影响的不确定性。本研究将深化土地利用变化下洪灾风险演变规律的认识，所构建方法将为防灾研究提供有力的技术支持。

土地利用变化对流域水循环、洪水和干旱的影响已成为当前全球变化与水文学研究的重点与热点。如何定量评估土地利用变化水文响应研究中的不确定性，是当前研究的难点所在。本项目选取土地利用变化剧烈、研究基础较好的晋江流域和西苕溪流域为研究区域，开展流域土地利用变化对不同时间尺度径流的影响研究，探求半分布式水文模型结构和参数的不确定性对土地利用变化水文响应的影响，并进一步揭示土地利用变化对流域洪水风险的影响及不确定性。项目已取得以下进展：①提出分季节、多目标的模型率定方法，解决SWAT模型在枯水季节模拟精度低的难题。②年径流的增加量最小；月径流变化速率居中；日径流的变化速度最大，且洪水期径流增加，枯水期径流减少，这主要是由于截留/蒸散发损失、下渗和前期土壤水存储的差异。此外，不同时间尺度的指标（年径流量、月径流量、年最大1d和连续最大5d径流量，年连续最小7d径流量）适用于土地利用变化水文效应的影响研究。③模型结构不确定性对土地利用变化水文响应的影响，在年、月时间尺度上不影响径流相对变化率的变化方向，仅影响其大小；对于丰、枯极值径流的影响，尤其是枯水径流，会导致径流相对变化率变化方向的不同；相对于SWAT模型，HSPF模型对土地利用变化更为敏感。④模型参数不确定性对土地利用变化水文响应的影响不可忽视，尤其是对丰、枯径流的影响，土地利用变化对水文过程的影响可能被模型参数的不确定性所掩盖。⑤土地利用变化强度的增加，会导致更加频繁的洪涝发生；模型参数不确定性对洪水风险的影响大于极值模型不确定性的影响，然而，随着重现期的增大，极值模型不确定性的影响会增加。本项目深化了土地利用变化对不同时间尺度径流影响的认知，为不确定性条件下水资源管理和决策提供了准确有效的理论和技术支持。