基于燕尾洲生态护堤模式的金华江流域防洪效应研究

ＡＣＴＡＥＣＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡ

生态学报

Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１６Ａｕｇ．，２０１９

ＤＯＩ：１０．５８４６／ｓｔｘｂ２０１８１２０５２６６７

ＬｉＹＱ，ＷａｎｇＣＬ．ＹａｎｗｅｉｚｈｏｕｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｙａｎｄｉｔｓｅｆｆｅｃｔｓｏｎｆｌｏｏｄｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｈｅＪｉｎｈｕａＲｉｖｅｒＢａｓｉｎ．ＡｃｔａＥｃｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１９，３９（１６）：５９５５⁃５９６６．

郦宇琦，王春连．基于燕尾洲生态护堤模式的金华江流域防洪效应研究．生态学报，２０１９，３９（１６）：５９５５⁃５９６６．

基于燕尾洲生态护堤模式的金华江流域防洪效应研究

郦宇琦１，３，王春连２，４，∗

１北京大学建筑与景观设计学院，北京　１００８７１３华盛顿大学城市设计与规划学院，西雅图　９８１０５２北京大学景观设计学研究院，北京　１００８７１

４北京土人城市规划设计股份有限公司，北京　１０００８０

摘要：气候变化背景下，洪水灾害发生频率增加，在全球范围内造成了破坏性影响。以金华江流域为研究区，以燕尾洲公园生态护堤设计模式为典型，探究不同生态护堤模式替代水泥堤防产生的流域防洪效应。研究利用ＳＷＡＴ模型，模拟不同设计形式和面积比例的生态护堤，在金华江流域洪水过程的流量调控、洪峰削减与水位调节３个方面所产生的效应。研究发现，随着流域范围内更多的水泥堤防被生态护堤所取代，洪水过程线变得更为平缓，年最大一日洪峰削减率最高可达６３％，燕尾洲公园生态护堤模式较水泥堤防有良好的洪水削减作用。燕尾洲公园水位调控效果表明，公园生态护堤能够成功抵御模拟年份内所有场次洪水，且能够有效避免河道的硬化和白化，具有较强的推广应用价值。关键词：生态护堤设计；ＳＷＡＴ模型；洪峰削减；退水过程；水位调节；燕尾洲公园

ＹａｎｗｅｉｚｈｏｕｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｙａｎｄｉｔｓｅｆｆｅｃｔｓｏｎｆｌｏｏｄｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｈｅＪｉｎｈｕａＲｉｖｅｒＢａｓｉｎ

１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＬａｎｄｓｃａｐｅＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＰｅｋｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７１，Ｃｈｉｎａ２ＴｈｅＧｒａｄｕａｔｅＳｃｈｏｏｌｏｆＬａｎｄｓｃａｐｅＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＰｅｋｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７１，Ｃｈｉｎａ３ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＵｒｂａｎＤｅｓｉｇｎａｎｄＰｌａｎｎｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＷａｓｈｉｎｇｔｏｎ，Ｓｅａｔｔｌｅ９８１０５，ＵＳＡ

ＬＩＹｕｑｉ１，３，ＷＡＮＧＣｈｕｎｌｉａｎ２，４，∗

４ＢｅｉｊｉｎｇＴｕｒｅｎＵｒｂａｎＰｌａｎｎｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８０，Ｃｈｉｎａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒａｐｉｄｕｒｂａｎｉｚａｔｉｏｎｈａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｆｌｏｏｄｄｉｓａｓｔｅｒｓ，ｃａｕｓｉｎｇｄｅｖａｓｔａｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓｇｌｏｂａｌｌｙ．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｔｙｐｉｃａｌｍｏｄｅｌｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｆｌｏｏｄｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓ．ＴｈｅＳＷＡＴ（Ｓｏｉｌ＆ＷａｔｅｒＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔｓｅｌｅｃｔｅｄｔｈｅＪｉｎｈｕａＲｉｖｅｒＢａｓｉｎａｓｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａａｎｄｕｓｅｄｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｏｆＹａｎｗｅｉｚｈｏｕＰａｒｋａｓａ

Ｔｏｏｌ）ｍｏｄｅｌｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｆｌｏｗｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ，ｐｅａｋｆｌｏｗｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄｐｅａｋｓｔａｇｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｉｎｔｈｅＪｉｎｈｕａＲｉｖｅｒＢａｓｉｎ

ｕｎｄｅｒ１２９ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓｃｅｎａｒｉｏｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｓｉｇｎｆｏｒｍｓａｎｄａｒｅａｒａｔｉｏｓ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｆｏｕｎｄｔｈａｔａｓｍｏｒｅｃｏｎｃｒｅｔｅｍａｘｉｍｕｍａｎｎｕａｌｐｅａｋｆｌｏｗｒｅｄｕｃｔｉｏｎｒａｔｅｏｆ６３％．Ｙａｎｗｅｉｚｈｏｕｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｈａｖｅｂｅｔｔｅｒｐｅａｋｆｌｏｗｒｅｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｓｔｈａｎｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓ．ＴｈｅＹａｎｗｅｉｚｈｏｕｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｃａｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｒｅｓｉｓｔｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓｗｅｒｅｒｅｐｌａｃｅｄｂｙｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｆｌｏｗｄｕｒｉｎｇｔｈｅｆｌｏｗｈｙｄｒｏｇｒａｐｈｙｗａｓｓｍｏｏｔｈｅｒ，ｗｉｔｈａ

ｓｔｒｏｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅ．

ａｌｌｆｌｏｏｄｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｙｅａｒ，ａｎｄｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｐｒｅｖｅｎｔｔｈｅｈａｒｄｅｎｉｎｇａｎｄｂｌｅａｃｈｉｎｇｏｆｔｈｅｒｉｖｅｒ，ａｎｄｔｈｕｓｈａｖｅａ

基金项目：国家重点研发计划（２０１６ＹＦＣ０４０１１０５）；国家自然科学基金面上项目（５１６７８００２）收稿日期：２０１８⁃１２⁃０５；　　修订日期：２０１９⁃０５⁃３０

∗通讯作者Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ：４０２２０８９３２＠ｑｑ．ｃｏｍ

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５９５６　生　态　学　报　　　３９卷　

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ；ＳＷＡＴｍｏｄｅｌ；ｐｅａｋｆｌｏｗｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｒｅｃｅｓｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ；ｐｅａｋｓｔａｇｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ；ＹａｎｗｅｉｚｈｏｕＰａｒｋ

洪灾等自然灾害，造成巨大的经济损失［２⁃３］。在由不同自然灾害造成的全球经济损失中，洪灾成为困扰人类的首要自然灾害［４⁃６］。

近一个世纪，全球气候持续变暖。在全球变暖背景下，极端天气事件频发［１］，引发了地震、泥石流、旱灾、

人类防治洪水灾害可采取水利工程和生态护堤两种措施。水利工程措施如修筑、加固堤防通常被视作抵

防洪堤，能够在保护或拓宽海滩的同时削弱风浪，降低沿海风暴潮风险，并减少建筑物和基础设施的破坏［１３］。

持续性与成本效益，并具有额外的优势和较少的负作用［９］。又如纽约市构建的沿海绿色基础设施－有生命的

种更可持续的防洪战略。近期在欧洲的实践表明，与传统堤防的防洪效果相比，采取生态护堤具有更高的可

能力，使其丧失本应具备的天然防洪能力［９⁃１２］。生态护堤能够弥补水利工程产生的诸多生态、环境问题，是一

御洪水的最终方案，然而，这些防御措施不仅建设成本高、维护费用昂贵［７⁃８］，并且降低河岸对洪水的自适性

生态护堤依据生态工法思路，采用天然材料、人工材料或混合材料构筑沿河护堤，既能发挥自然堤岸的生

同，可分为立式，斜式和阶式［１６⁃１７］；或可依据护堤材质的差异，分为自然原式，自然式与人工自然式［１８］。在生态护堤防洪效应方面，国内外研究多以定性描述其防洪功能为主，仅少数学者对生态护堤相较水泥堤防的防洪效果进行对比研究。在定量对比研究中，Ａｃｒｅｍａｎ等对现状河道、经恢复河道和渠化河道三种情景进行洪峰削减量的计算，得出相较现状河道，洪峰在经恢复河道内削减了１０％，而洪峰在渠化河道内增加了５０％—１５０％［１９］。刘静［２０］研究了河道糙率对河道水位、流速的影响，并分别建立水位、流速与河道糙率的拟合公式。结果表明，河道内植被越密集，糙率越大，植被对流水的阻力越大，水流流速越低、水位越高［２０］。定性对比研究方面，仅Ｔｅｍｍｅｒｍａｎ等对沿海传统工程堤防和生态护堤分别进行了优劣分析与案例综述，提出沿海建设生

态系统作用，又能抵御洪水灾害、防止堤岸侵蚀［１０，１４⁃１５］。生态护堤依据河道断面形式及承接河流类型的不

定量对比研究不同生态护堤相较水利工程措施的洪水削减能力。

态护堤的可行性与潜在价值［９］。综上，国内外研究多以定性探讨生态护堤类型、防洪效果为主［１４，１６，１８，２１］，较少

在生态护堤的防洪设计实践方面，位于金华市金华江流域出口的燕尾洲公园打破了公园传统设计手法，

提出以可淹没的梯田式生态护堤替代传统水泥防洪堤方案。这一方案不仅能有效缓解防洪压力，更使得公园成为兼具防洪功能与休憩娱乐的美丽景观［２２］。

为探究不同设计模式生态护堤的防洪效应，研究以燕尾洲公园生态护堤设计手法为依据，选择以燕尾洲

公园所属金华江流域为研究区，通过单独或同时改变护堤植被覆盖、坡度和改造护堤所占面积比例三个护堤设计参数，设计流域尺度不同生态护堤模式。利用ＳＷＡＴ流域水文模型，模拟研究流域不同生态护堤模式的流量调控、洪峰削减与水位调节效应。研究深入揭示了护堤模式变化下的洪水响应机制，为流域尺度推广燕尾洲护堤模式提供理论依据。同时，在全国探索建设海绵城市、推进河长制背景下，研究河流生态护堤取代水泥堤防有重要的实践意义。１　研究区域概况与研究方法１．１　研究区概况

研究以燕尾洲公园所在流域———金华江流域为研究区（图１）。金华江流域位于浙江省最大的金衢盆地东部，流域地势南北高，中间低，属于亚热带季风气候，四季分明，雨热同季，光温互补［２３］。流域降水受地形影别受梅雨和台风控制，全年存在两个雨季［２５］。流域汛期为５—９月，汛期降水量可达年降水量的５５％［２６］。响，空间分布不均，年平均降水量１４５８ｍｍ，年降水量变化范围１３００—２０００ｍｍ［２４］。流域４—６月和７—９月分

燕尾洲公园位于金华市多湖片区东市街以西，三江国际花园以北，义乌江和武义江汇合处，面积约７５万

ｍ２。公园将场地原有的硬质驳岸改造为具有不同安全级别的可淹没的防汛堤，采用梯田形式，并在台地上种

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图１　研究区位置图Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅｓｔｕｄｙｓｉｔｅ

１．２　ＳＷＡＴ模型与数据预处理

植乡土植物，从而实现洪水削减与生态多样性的恢复［２２］。

ＳＷＡＴ（ＳｏｉｌａｎｄＷａｔｅｒＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔＴｏｏｌ）模型是由美国农业部（ＵＳＤＡ）开发的新一代分布式流域水文模型。

据（月尺度）等。本研究通过实地调研、文献获取和相关部门数据库查询等获取数据资料，后用Ｍａｔｌａｂ、ＡｒｃＧＩＳ等软件进行预处理，编入数据库。预处理后数据如图２。１．３　模型校正与验证

ＳＷＡＴ模型待输入数据包括ＤＥＭ、土壤类型图、土地利用类型图、气象数据（降水、气温数据等）、水库出流数

方体抽样和多元回归方法进行ＳＷＡＴ模型参数敏感性分析，并利用金华站和对家地站的实测月流量数据，对模型进行参数率定与模型校准。选取纳什系数ＮＳ（Ｎａｓｈ⁃Ｓｕｔｃｌｉｆｆｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）和偏差百分比（ＰＢＩＡＳ）两个指标果见表１和图３。

来评价模型的适用性，相关研究认为ＮＳ＞０．５、｜ＰＢＩＡＳ｜＜２５％时模拟结果良好［２７⁃２８］。模型校正期与验证期结

表１　模型校正期与验证期评价结果对比

Ｔａｂｌｅ１　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｖａｌｕａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｂｅｔｗｅｅｎｍｏｄｅｌｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄａｎｄｖａｌｉｄａｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄ

流量站

Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌｓｔａｔｉｏｎ

金华站　对家地站

模型校正期（２００７—２０１０年）Ｍｏｄｅｌｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄ

模型验证期（２０１１—２０１５年）

Ｍｏｄｅｌｖａｌｉｄａｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄ

ＳＷＡＴ模型在初次运行完毕后，需要对模型进行校正与验证。本文在ＳＷＡＴ⁃ＣＵＰ模型中，利用拉丁超立

纳什系数ＮＳ

０．８９０．８２

偏差百分比ＰＢＩＡＳ

－１３．９－０．６

纳什系数ＮＳ

０．７９０．７５

偏差百分比ＰＢＩＡＳ

－６．５４．３

由表１和图３可知，模型校正期、验证期ＮＳ系数均大于０．６５，ＰＢＩＡＳ绝对值均小于２５％（表１），模型验证期模拟值与实测值吻合度高（图３），模型模拟效果很好，可被用于情景模拟。

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图２　ＳＷＡＴ模型预处理后数据：（Ａ）研究区土地利用类型图；（Ｂ）研究区土壤分布图；（Ｃ）研究区水文站分布图；（Ｄ）研究区子流域划分图

Ｆｉｇ．２　ＰｒｅｐｒｏｃｅｓｓｅｄｄａｔａｉｎＳＷＡＴｍｏｄｅｌ：（Ａ）ｌａｎｄｕｓｅｍａｐ；（Ｂ）ｓｏｉｌｍａｐ；（Ｃ）ｈｙｄｒｏｇｒａｐｈｉｃｓｔａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍａｐ；（Ｄ）ｓｕｂ⁃ｗａｔｅｒｓｈｅｄｄｉｖｉｓｉｏｎｍａｐ

２　生态护堤模式设计及模型模拟２．１　燕尾洲公园生态护堤设计模式

替以梯田式生态护堤，减缓护堤坡度的同时，于梯田台地上种植乡土植物（池衫、水杉、吉祥草等），将护堤改缓解对岸城市一侧的防洪压力，同时满足了人们的日常休闲活动和对景观美的需求。

燕尾洲公园的生态护堤模式包括以下两类：１）护堤材质由水泥改为梯田种植带，２）护堤形态由直壁改为梯田式缓坡。前者包括拆除水泥堤防，种植乡土植物，修复河堤自然生境，建立群落层次；后者指减缓护堤坡度，改斜式堤防为阶梯式。公园生态护堤改造概念图如图４所示。２．２　流域尺度生态护堤模式设计

以燕尾洲公园生态护堤设计模式为参照（图４），通过单独或同时改变护堤植被覆盖、坡度和改造护堤所占面积比例３个护堤设计参数，设计流域尺度不同生态护堤模式。研究提取河道覆被参数（Ｃ）、河道形态参

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　　燕尾洲公园位于东阳江和武义江的交汇之处，占地面积约为７５万ｍ２。生态护堤将原有水泥堤防拆除，

造为可被洪水淹没的梯田种植带，实现与洪水为友的弹性防洪。这一生态护堤模式不但能够增加行洪断面、

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图３　水文站月径流量实测值与模拟值对比图

Ｆｉｇ．３　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｏｂｓｅｒｖｅｄａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｍｏｎｔｈｌｙｆｌｏｗｉｎｔｗｏｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌｓｔａｔｉｏｎ

图４　公园生态护堤改造概念图

Ｆｉｇ．４　ＴｈｅｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｇｒａｐｈｉｃｏｆＹａｎｗｅｉｚｈｏｕＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＥｍｂａｎｋｍｅｎｔ

数（Ｓ）和面积比例参数（Ａ）三组参数进行护堤模式设计与情景模拟。２．２．１　河道覆被参数设定

生态护堤与水泥堤防在植被覆盖度、土壤下渗性能上均存在明显差异。研究选取河道覆被参数（Ｃ）———主河道曼宁系数与主河道有效水力传导率两个参数，共同表达不同护堤的植被覆盖差异。

宁系数值可通过查阅美国霍尔顿编制的河渠与天然河道糙率表［２９］获得。参照糙率表，结合燕尾洲生态护堤植被类型，与ＳＷＡＴ用户手册建议曼宁系数取值范围［３０］，设定研究流域曼宁系数取值。选取０．０１４（模型默认０．１００（植被茂密，伴以抛石）作为植被覆盖率高的生态护堤曼宁系数值。

值）作为水泥堤防的曼宁系数值，０．０５０（植被稀疏，伴以抛石）作为植被覆盖率低的生态护堤曼宁系数值，

主河道有效水力传导率指单位水力梯度下，单位时间内流经单位面积土壤剖面的水量，反映土壤下渗性主河道曼宁系数（又名糙率）是当河道内的水通过过流边界表面时所受的综合阻力［２０］。不同表面的曼

能。参考ＳＷＡＴ用户手册中主河道有效水力传导率取值范围［３０］，可得研究区１４种土壤对应有效水力传导

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率值。

２．２．２　河道形态参数设定

燕尾洲公园将原本硬质堤防拆除，以缓坡梯田式生态护堤替代，河道岸线后退，坡度减缓。研究沿用燕尾洲生态护堤设计思路，改变河道断面形态，设定河道形态参数（Ｓ）。研究选取３个坡度梯级：９０°（垂直护堤），４５°（高坡护堤），和１８°（缓坡护堤）进行情景模拟。

在确定护堤坡度后，需要相应在ＳＷＡＴ模型中调整该坡度下河道溢出时齐岸宽度。在护堤坡度为９０°

２．２．３　面积比例参数设定

１８°时，河道溢出时齐岸宽度＝河底宽度＋２×３×河道深度。

时，河道溢出时齐岸宽度等于河底宽度；坡度为４５°时，河道溢出时齐岸宽度＝河底宽度＋２×河道深度；坡度为

研究同时考虑上述河道覆被因子、形态因子在不同空间尺度上的应用效果。换言之，研究设定面积比例参数（Ａ），在东阳江、武义江的３２个子流域中，从上游至下游逐步增加参与生态护堤情景模拟的子流域个数，两条江同步开始增加。Ａ取值为１—１６。Ａ值每增加１，代表两条江上各有１个子流域进行生态护堤改造。Ａ２．２．４　护堤模式设计小结

＝１６代表两条江３２个子流域全部完成生态护堤改造。

考虑原始情景与三组因子（Ｃ、Ｓ、Ａ）的单一及组合效果，设计不同生态护堤模拟情景共计１２９种（如表２）。在ＳＷＡＴ模型中，在流域尺度，对每种生态护堤情景进行水文过程模拟，模拟次数共计１２９次。结合燕尾洲建成时间（２０１４年５月），与所获气象资料（日尺度，截止至２０１６年１２月３１日），研究设定情景模拟时间为２０１２年１月１日—２０１６年１２月３１日，模拟精度为日。３　流域尺度燕尾洲不同护堤模式防洪效应３．１　不同护堤模式流量过程分析

研究以初始情景（垂直水泥堤防模式）作为基准情景，在此基础上改变参数Ｃ、Ｓ和Ａ进行２０１２—２０１６年日流量过程模拟。模拟方案共计１２９种。按照表２，将除初始情景０之外的１２８种情景，每１６种情景分为一组，共计８组，分别对应于参数Ａ由小至大变化下：情景１—１６：只改变参数Ｃ，植被稀疏，伴以抛石；情景１７—坡度；情景６５—８０：同时改变参数Ｃ、Ｓ，４５°坡度，稀疏生态护堤，伴以抛石；情景８１—９６：同时改变参数Ｃ、Ｓ，４５°坡度，茂密生态护堤，伴以抛石；情景９７—１１２：同时改变参数Ｃ、Ｓ，１８°坡度，稀疏生态护堤，伴以抛石；情景１１３—１２８：同时改变参数Ｃ、Ｓ，１８°坡度，茂密生态护堤，伴以抛石。加之初始情景，９种生态护堤模式设计下的流量过程线见图５。

由图５可知，ａ为初始情景，ｂ—ｆ为在某种Ｃ、Ｓ设定值下，由小至大改变参数Ａ取值时，流域出口断面的流量。ｂ—ｆ中曲线簇的最低流量过程线代表Ａ取值最小时的日尺度流量过程线；曲线簇的最高流量过程线代表Ａ取值最大（即所有子流域均参与生态护堤改造）的日尺度流量。图中阴影面积代表在退水过程中，Ａ的不同取值对同场降水的洪峰削减。由图５可明显看出在Ａ取值变化下，退水曲线变化对河流水量的影响：生态护堤相较水泥堤防而言，能够减小洪峰流量，增加退水过程时洪水流量，从而使洪水过程线更平缓。对于初始情景（水泥垂直堤防模式，图５ａ），五年日尺度最大洪峰流量发生于２０１３年１０月，接近５ａ一遇最大洪量；在只改变参数Ｃ，Ａ取最大值时，随着主河道曼宁系数由０．０５０（图５ｂ）增加至０．１００（图５ｃ），退水过程时的流量增加值由６７．９６ｍ３／ｓ增加至８３．７０ｍ３／ｓ，五年最大洪峰削减率由７０％增至８７％。植被覆盖率越高（Ｃ值越大），洪水过程线越平缓；在只改变参数Ｓ，Ａ取最大值时，随着护堤坡度由９０°减为４５°（图５ｄ）和１８°（图量与洪水过程线均无明显影响。

５ｅ），流量过程线与初始情景一致，退水过程流量和洪峰流量未发生明显改变。说明改变参数Ｓ对河道洪峰流

同时改变参数Ｃ与Ｓ，Ａ取最大值，逐渐增大Ｃ值（增大植被覆盖率）：曼宁系数由初始情景０．０１４逐渐增

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３２：只改变参数Ｃ，植被茂密，伴以抛石；情景３３—４８：只改变参数Ｓ，４５°坡度；情景４９—６４：只改变参数Ｓ，１８°

　１６期　　　郦宇琦　等：基于燕尾洲生态护堤模式的金华江流域防洪效应研究　５９６１

加值变化率介于１９．２７％—２３．１６％。结果显示对于退水过程流量的增加，两组参数同时改变较单独改变某一组参数的效果更明显。其中以退水过程平均流量增加值为评价指标，在控制Ｓ一定，逐渐增大Ｃ值，参数Ｃ９９．０２％）。

对退水过程增加的贡献率在９７％以上，且在Ｓ取１时减小（９９．８８％→９９．５２％），在Ｓ取３时增大（９７．８０％→

为０．０５０（图５ｆ，ｈ）和０．１００（图５ｇ，ｉ）时，退水过程时的流量增加值明显增加约１５ｍ３／ｓ，退水过程平均流量增

表２　研究区不同护堤模式情景设定

Ｔａｂｌｅ２　Ｄｅｓｉｇｎｅｄｓｃｅｎａｒｉｏｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａ

情景序号Ｓｃｅｎａｒｉｏｎａｍｅ０１—１６１７—３２３３—４８４９—６４６５—８０８１—９６９７—１１２１１３—１２８

河道覆被参数（Ｃ）Ｒｉｖｅｒｃｏｖｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒ

０

对应土壤Ｋ值对应土壤Ｋ值００

对应土壤Ｋ值对应土壤Ｋ值对应土壤Ｋ值对应土壤Ｋ值

河道形态参数（Ｓ）Ｒｉｖｅｒｓｈａｐｅｐａｒａｍｅｔｅｒ０００１３１１３３

面积比例参数（Ａ）

情景描述

Ａｒｅａｒａｔｉｏ

Ｓｃｅｎａｒｉｏｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ

ｐａｒａｍｅｔｅｒ全部子流域１—１６１—１６１—１６１—１６１—１６１—１６１—１６１—１６

模型默认设定，河道坡度为９０°，材质为硬质堤防只改变河道覆被因子，生态护堤植被稀疏

ＣＨ＿Ｎ０．０１４０．０５００．１０００．０１４０．０１４０．０５００．１０００．０５００．１００

ＣＨ＿ＫＣＨ＿ＳＩＤＥＣＨ＿Ｗ

河底宽度河底宽度河底宽度河底宽度＋２∗河道深度河底宽度＋６∗河道深度河底宽度＋２∗河道深度河底宽度＋２∗河道深度河底宽度＋６∗河道深度河底宽度＋６∗河道深度

只改变河道覆被因子，生态护堤植被茂密

只改变河道形态因子，坡度为４５°，材质为硬质堤防只改变河道形态因子，坡度为１８°，材质为硬质堤防同时改变河道覆被、形态因子，坡度为４５°，堤防为稀疏生态护堤

同时改变河道覆被、形态因子，坡度为４５°，堤防为茂密生态护堤

同时改变河道覆被、形态因子，坡度为１８°，堤防为稀疏生态护堤

同时改变河道覆被、形态因子，坡度为１８°，堤防为茂密生态护堤

ｃｈａｎｎｅｌａｌｌｕｖｉｕｍ；ＣＨ＿ＳＩＤＥ：护堤坡度ＣｈａｎｎｅｌＳｉｄｅＳｌｏｐｅ；ＣＨ＿Ｗ：河道溢出时齐岸宽度Ａｖｅｒａｇｅｗｉｄｔｈｏｆｍａｉｎｃｈａｎｎｅｌａｔｔｏｐｏｆｂａｎｋ

　　ＣＨ＿Ｎ：主河道曼宁系数Ｍａｎｎｉｎｇ′ｓ＂ｎ＂ｖａｌｕｅｆｏｒｔｈｅｍａｉｎｃｈａｎｎｅｌ；ＣＨ＿Ｋ：主河道有效水力传导率Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｉｎｍａｉｎ

同时改变参数Ｃ与Ｓ，Ａ取最大值，逐渐增大Ｓ值（减缓护堤坡度）：坡度由垂直９０°，逐渐变为陡坡４５°（图５ｆ，ｇ）和缓坡１８°（图５ｈ，ｉ）时，退水过程流量增加值变化率介于０．０８％—２．２％，变化率不如逐渐增大Ｃ值时的退水过程流量增加值的变化效果明显。以退水过程平均流量增加值为评价指标，在控制Ｃ一定，逐渐增大Ｓ时，参数Ｃ对退水过程增加的贡献率在９７％以上，但逐渐减小（９９．８８％→９７．８０％；９９．５２％→９９．０２％）。３．２　不同护堤模式洪峰削减

研究绘制８组情景洪峰流量箱线图（图６）和洪峰流量削减表（表３）。图６中每个子图的第一列为初始情景。

由图６和表３可知，在单独改变参数Ｃ、Ｓ，或组合改变Ｃ与Ｓ情况下，逐渐增大Ａ值，洪峰流量逐渐降低，年变化范围逐渐减小，当流域内全部采用燕尾洲梯田式生态护堤时，洪峰削减率最大可达５３％—６３％。参数贡献率分析表明，流域范围内全部以生态护堤替代水泥堤防时，河道覆被参数对年最大一日洪峰削减率的贡献率在８４％以上，且随植被覆盖率增大、坡度减缓而减小。

对于图６ａ—ｄ：（１）只改变参数Ｃ时，随着主河道曼宁系数由０．０５０（图６ａ）增加至０．１００（图６ｂ），洪峰年最大削减率分别为５５％和５３％，均在５０％以上，Ｃ的不同取值对应年最大洪峰削减值较为接近（２％以内）；中间模式（６—１４）年平均洪峰削减量增大，但全年５０％洪峰流量（四分位距内）变化幅度增加，河道调蓄能力增

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ

５９６２　生　态　学　报　　　３９卷　

图５　研究流域９组情景日尺度流量过程线（２０１２—２０１６年）Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅｄａｉｌｙｆｌｏｗｈｙｄｒｏｇｒａｐｈｙｏｆ９ｓｃｅｎａｒｉｏｓｉｎ２０１２—２０１６

景１１３—１２８

ａ）：初始情景；ｂ）：情景１—１６；ｃ）：情景１７—３２；ｄ）：情景３３—４８；ｅ）：情景４９—６４；ｆ）：情景６５—８０；ｇ）：情景８１—９６；ｈ）：情景９７—１１２；ｉ）：情

大，不稳定性同时增加。在只改变参数Ｃ，Ａ取最大值时，河道调蓄能力增强，且能够在相同雨强下，将流域洪１８°（图６ｄ），洪峰流量未发生明显改变，故改变水泥堤防坡度对河道洪峰流量削减无明显作用。

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峰流量变化范围严格控制在１５５０ｍ３／ｓ以内。（２）在只改变参数Ｓ时，随着护堤坡度由９０°减为４５°（图６ｃ）和

　１６期　　　郦宇琦　等：基于燕尾洲生态护堤模式的金华江流域防洪效应研究　５９６３

图６　研究流域８组情景洪峰流量箱线图

Ｆｉｇ．６　Ｔｈｅｆｌｏｏｄｐｅａｋｄｉｓｃｈａｒｇｅｏｆ８ｇｒｏｕｐｓｉｎｓｔｕｄｙａｒｅａ

ａ）：情景１—１６；ｂ）：情景１７—３２；ｃ）：情景３３—４８；ｄ）：情景４９—６４；ｅ）：情景６５—８０；ｆ）：情景８１—９６；ｇ）：情景９７—１１２；ｈ）：情景１１３—１２８；横坐标中，０为初始情景，１－１６为Ａ取不同值

（图６ｆ，ｈ）时，结果显示，除Ｃ＝０．０１４时洪峰流量未有明显削减，Ｃ取值为０．０５０和０．１００时，洪峰流量变化趋势相同，对应年最大洪峰流量削减率分别为５８％、５７％（ＣＨ＿ＳＩＤＥ＝１），和６１％、６３％（ＣＨ＿ＳＩＤＥ＝３）。可见Ｓ取值一定，逐渐增大Ｃ时（Ｃ≠０．０１４），年最大洪峰削减率在２％范围内波动，但均在５７％以上。（２）在同时改变参数Ｃ与Ｓ，坡度由垂直９０°逐渐变为陡坡４５°（图６ｅ，ｆ）和缓坡１８°（图６ｇ，ｈ）时，洪峰流量变化趋势相同，对应年最大洪峰流量削减率分别为５５％、５８％、６１％（ＣＨ＿Ｎ＝０．０５０），和５３％、５７％、６３％（ＣＨ＿Ｎ＝０．１００）。可见Ｃ取值一定，逐渐增大Ｓ时，年最大洪峰削减率逐渐增大，且均在５０％以上。

若考虑生态护堤改造成本，则可根据所需洪峰削减率目标值或洪峰流量设定值，参考表３，减少被改造护堤数量。

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对于图６ｅ—ｈ：（１）在同时改变参数Ｃ与Ｓ，曼宁系数由初始情景０．０１４逐渐增为０．０５０（图６ｅ，ｇ）和０．１００

５９６４　生　态　学　报　　　

表３　不同护堤设计情景下洪峰削减表

Ｔａｂｌｅ３　Ｆｌｏｏｄｐｅａｋｒｅｄｕｃｔｉｏｎｔａｂｌｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｄｅｓｉｇｎｓｃｅｎａｒｉｏｓ

情景１—１６Ｓｃｅｎａｒｉｏ１—１６

情景１７—３２Ｓｃｅｎａｒｉｏ１７—３２

情景６５—８０Ｓｃｅｎａｒｉｏ６５—８０

情景８１—９６Ｓｃｅｎａｒｉｏ８１—９６

情景９７—１１２Ｓｃｅｎａｒｉｏ９７—１１２

３９卷　

改变子流域个数Ｃｈａｎｇｅｄｎｕｍｂｅｒｏｆｓｕｂｂａｓｉｎｓ

０２４６

年最大１日年最大１日年最大１日年最大１日年最大１日年最大１日

比基准比基准比基准比基准比基准比基准

洪峰流量／洪峰流量／洪峰流量／洪峰流量／洪峰流量／洪峰流量／

情况削减情况削减情况削减情况削减情况削减情况削减

（ｍ３／ｓ）（ｍ３／ｓ）（ｍ３／ｓ）（ｍ３／ｓ）（ｍ３／ｓ）（ｍ３／ｓ）３２７９３２６７３１６２

０

３２７９３２６７

４％

３１６１

０４％

３２６６３２７９３１５４

０

３２７９３２６６３１５２３１３５３０８４

４％

０

３２７９３２６５

４％

３１３９

０

３２７９３２６５

４％

３１３７

０４％

情景１１３—１２８

Ｓｃｅｎａｒｉｏ１１３—１２８

１０

８

３１４６

３０９９

４％

１２

３０６３

５％

３１４５

１４

２８２１

１６

２６４５

１４％

７％

３０９７

４％

３０６０

６％

３１３７

１８

２５２４

１９％

２８１８

２２

２０

２４９６

２３％

２６５７

１４％

７％

３０８８

４％

３０５０

６％

４％

２４

２２０２

２２９９

２４％

２５３８

１９％

２７９５

２６

２１５７

３３％

３０％

２５０５

２３％

２６１０

１５％

７％３０４５

６％

３１２０

２８

１８７０

３４％

２２２２

２３１７

２４％

２４８３

２０％

２７８７

３０

１８５７

４３％

２１８０

３２％

２９％

２４５２

２４％

２６００

１５％

７％

３０６４

５％

３０２１

７％

３１１８

３２

１５８１

４３％

１８９７

３４％

２１４３

２２４４

２５％

２４７０

２１％

２７４３

１４６５

５２％

１８８４

４２％

２０９５

３５％

３２％

２４３３

２５％

２５４０

１６％

８％

３０６１

５％

３０１７

７％

５５％

１６２３

４３％

１７９８

３６％

２１３６

２２３４

２６％

２３９７

２３％

２７３６

１５２５

５１％

１７８３

４５％

２０９０

３５％

３２％

２３６２

２７％

２５３１

１７％

８％

５３％

１４９５

４６％

１７９５

３６％

２０６３

２１３１

２８％

２３８６

２３％

１３９３

５４％

１７８１

４５％

２００９

３７％

３５％

２３４５

２７％

５８％

１５０６

４６％

１６８２

３９％

２０１３

２１２０

２８％

１４０４

５４％

１６６６

４９％

１９６１

３９％

３５％

５７％

１３５７

４９％

１６４２

４０％

１２７７

５９％

１６２５

５０％

６１％

１３２３

５０％

１２１４

６０％

６３％

３．３　不同护堤模式洪水水位调节

研究进一步利用金华江洪峰流量—水位拟合公式，计算１２９种不同生态护堤情景下流域出口水位。研究区流域出口断面的洪峰流量—水位经验拟合公式如下［３１］：

Ｈ＝３５．６８８８＋０．０００６Ｆ

口最高水位。研究时段选取洪水频发的汛期（５—９月），可得汛期洪峰流量对应最高水位（表４）。

表４　情景１—１２８汛期最高水位表

Ｔａｂｌｅ４　

１—１６３７．６４３７．６２３７．５６

１７—３２３７．６４３７．６２３７．５８

３３—４８３７．６４３７．６４３７．６４

Ｆｌｏｏｄｐｅａｋｓｔａｇｅｉｎｆｌｏｏｄｓｅａｓｏｎｆｏｒｓｃｅｎａｒｉｏｓ１—１２８

水位Ｆｌｏｏｄｐｅａｋｓｔａｇｅ／ｍ４９—６４３７．６４３７．６４３７．６４

６５—８０３７．６４３７．６２３７．５５

８１—９６３７．６４３７．６２３７．５５

９７—１１２３７．６４３７．６２３７．５４

式中，Ｈ为水位（ｍ），Ｆ为洪峰流量（ｍ３／ｓ）。根据识别后洪峰流量值，参照上述公式，计算不同情景下流域出

１１３—１２８３７．６４３７．６２３７．５４

３７．５５

３７．５２

３７．５７

３７．５０

３７．５４

３７．６４

３７．３６

３７．５２

３７．６４

３７．６４

３７．２６

３７．３８

３７．６４

３７．６４

３７．５４

３７．１９

３７．２８

３７．６４

３７．６４

３７．５２

３７．５４

３７．１８

３７．２１

３７．６４

３７．６４

３７．４９

３７．５１

３７．５３

３７．０１

３７．０６

３７．１９

３７．６４

３７．６４

３７．３５

３７．４９

３７．５０

３７．５３

３６．９８

３７．０２

３７．０８

３７．６４

３７．６４

３７．２４

３７．３５

３７．４７

３７．５０

３６．８１

３７．００

３７．６４

３７．６４

３７．６４

３７．１７

３７．２５

３７．３１

３７．４７

３６．８０

３６．８３

３７．６４

３７．６４

３７．６４

３７．１５

３７．１７

３７．２０

３７．３１

３６．６３

３６．８２

３７．６４

３７．６４

３６．９７

３７．０３

３７．１５

３７．１２

３７．２０

３６．５６

３６．６６

３７．６４

３７．６４

３６．９４

３６．９７

３７．０３

３７．１０

３７．１２

３６．６０

３７．６４

３７．６４

３６．７７

３６．９４

３６．９０

３６．９６

３７．０９

３７．６４

３７．６４

３６．７６

３６．７７

３６．８７

３６．９０

３６．９６

３７．６４

３６．５８

３６．７６

３６．６８

３６．８７

３６．５２

３６．５９

３６．６７

３６．６７

３６．５３

３６．４７

３６．６６

３６．４６

３６．４８

３６．４２

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　１６期　　　郦宇琦　等：基于燕尾洲生态护堤模式的金华江流域防洪效应研究　５９６５

当以生态护堤逐步替代水泥堤防时，流域出口洪峰水位最大值可减小至３６．４２ｍ，小于危急水位。４　讨论

４．１　生态护堤较水泥堤防的洪水削减优势

　　由表４可知，在初始情景下，流域出口断面洪峰水位最大值为３７．６４ｍ，大于金华站危急水位３７．００ｍ［３２］。

洪水退水过程时流量计算结果表明，在研究流域内利用生态护堤代替水泥堤防，洪水过程线更为平缓（图５ｂ，ｃ，ｆ—ｉ），经生态护堤处理过的洪峰流量较水泥堤防更低。随着流域范围内全部以生态护堤替代水泥雨水，从而利于修复自然生境，恢复河堤自然系统。此外，河道覆被参数（Ｃ）对退水过程平均流量增加值的贡献率在９７％以上，调节该参数对控制退水过程更为有效。

洪水流量削减结果表明，在流域内沿用燕尾洲生态护堤模式代替水泥堤防，可显著削减年最大一日洪峰流量。在研究流域内，相较水泥堤防，采用生态护堤的洪峰削减率最高可达６３％，说明燕尾洲公园护堤模式较水泥堤防有极好的洪水削减作用。Ａｃｒｅｍａｎ等人的研究结果也表明，相较生态护堤，洪峰在渠化河道内增水泥堤防时，河道覆被参数（Ｃ）对年最大一日洪峰削减率的贡献率最高，可达８４％，且随植被覆盖率增大、坡度减缓而减小。因此，可通过调控Ｃ参数来显著减小流域洪峰流量。４．２　汛期燕尾洲公园水位调节验证

在获得１２９种护堤情景下的汛期流域最高水位后，研究参考燕尾洲生态护堤的ＤＥＭ，结合模拟水位结果，绘制以生态护堤替代水泥堤防的水位调控效果。燕尾洲公园位于流域出口，其在不同情景下的淹没范围可由研究流域出口水位估算得出。不同情景下燕尾洲公园（即流域出口）淹没范围如图７所示。

如图７，以燕尾洲公园红线为边界，其内淹没区可

加了５０％—１５０％［１９］。本研究结果与Ａｃｒｅｍａｎ等人的研究结果相似。此外，流域范围内全部以生态护堤替代堤防，日尺度退水过程的洪水流量增加值介于６７．９６—８３．７０ｍ３／ｓ，即生态护堤能在洪水退水过程时蓄积更多

分为三类：（１）一级淹没区：该区域会被所有情景下研究时段内最大洪水淹没。表明公园生态护堤及内部场地在所有情景的最大洪峰下均保持完好，仅洲头湿地被淹没；（２）二级淹没区：该区域会被１０８种情景下研究时段内最大洪水淹没。此时仅有第四层梯田和洲头被淹没，内部场地和其余梯田台地保持完好；（３）三级淹

没区：该区域在所有情景下均不会被淹没。即护堤第三级以上及所围合中心区在所有情景下均不会被淹没。该结果表明，燕尾洲公园生态护堤能够成功抵御模拟年份内所有场次洪水，且能够有效避免河道的硬化和白化，具有较强的推广应用价值。５　结论

本研究以金华江流域为研究区，以燕尾洲公园生态护堤设计模式为典型，自行设计流域不同生态护堤模式，运用ＳＷＡＴ模型模拟不同护堤模式下退水过程的流量改变、洪峰削减与水位调节效果。研究结果表明，利用生态护堤代替水泥堤防，洪水过程线更为平缓，流域内年最大一日洪峰削减率最高可达６３％，燕尾洲公园生态护堤模式较水泥堤防有良好的洪水削减作用。在未来研究中，如何模拟燕尾洲护堤形态外其他护堤模式的流域防洪效应，需要进一步探讨。这方面的研究成果将为“生态治水”和“国土海绵”建设提供科学依据［３３，３４］。

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ｓｃｅｎａｒｉｏｓ　

图７　不同情景下燕尾洲公园淹没范围图

　Ｆｉｇ．７　ＴｈｅｓｕｂｍｅｒｇｅｄａｒｅａｏｆＹａｎｗｅｉｚｈｏｕＰａｒｋｕｎｄｅｒ１２９

５９６６　生　态　学　报　　　３９卷　

参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：

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