气候变暖与人类活动加剧了水循环过程，快速城镇化导致不透水面大规模扩张，显著改变了产汇流机制。本文提出了一种集成多源时空数据、景观格局分析与分布式水文模型的综合框架，在子流域尺度量化城镇用地扩张的综合模式，解析洪水径流组分，定量揭示不同扩张模式对各径流组分的影响机制，为中小流域防洪减灾与空间规划提供科学依据。
中小河流洪涝灾害频繁、突发性强，而快速城镇化改变了自然下垫面，进一步加剧了洪水风险。
气候变暖与人类活动加剧了水循环过程，改变了水循环要素的时空分布，增加了极端水文事件的发生概率。
相比大江大河，面积在 200~3000 km² 的中小河流洪涝灾害破坏力集中，且往往缺乏实测水文资料。
快速城镇化导致不透水面（如沥青、水泥）大规模扩张，取代了自然下垫面，导致洪峰增高、洪量增大、峰现时间提前。
现有研究多将城镇用地视为均质整体，缺乏对扩张强度、速度与空间形态等综合模式的系统量化，对径流组分解析不足。
提出一种集成多源时空数据、景观格局分析与分布式水文模型（HEC-HMS）的综合框架。
选取总城镇用地面积 (TA)、面积增速 (TAR) 和最大斑块指数 (LPI) 量化发展水平、扩张速度和空间形态。采用 K-means 算法对子流域进行聚类。
采用 SCS-CN 法计算产流，Snyder 单位线法计算汇流。针对中小流域资料匮乏问题，采用水文模型与经验公式推求洪峰流量法进行交叉验证率定。
将模拟得到的洪水径流拆分为三个组分：总损失雨量（截留、下渗等）、净雨量（用于产生地表径流的雨量）和直接径流量（出口断面流量）。
TA 衡量发展水平，TAR 衡量扩张速度，LPI 衡量空间形态（高 LPI 表示聚合式扩张）。
τ 为汇流时间，通过粒子群优化算法估算 Q_mp，并插值得到对照洪水过程线以率定模型参数。
以浙江省皇天畈流域为例，识别出三种城镇扩张模式，并定量揭示了其对洪水要素和径流组分的非线性影响。
| 扩张模式 | 景观特征 | 损失雨量占比 | 净雨量占比 | 直接径流特征 | 洪水风险 |
|---|---|---|---|---|---|
| 模式 1 | 低占比、破碎化、高透水性 | 较高 | 较低 | 低均值、高标准差 | 较低 |
| 模式 2 | 中占比、过渡型、不透水面增加 | 中等 | 中等 | 中均值、较高标准差 | 中等 |
| 模式 3 | 高占比、聚合式、不透水面显著 | 较低 | 较高 | 高均值、低标准差 | 显著加剧 |
| 情景 | 城镇用地占比 | 平均洪峰增幅 | 洪峰变幅标准差 |
|---|---|---|---|
| 2006 (情景1) | 8.0% | - | - |
| 2013 (情景2) | 11.7% | 2.3% | 1.0% |
| 2021 (情景3) | 14.0% | 5.7% | 1.8% |
研究系统解析了中小流域城镇用地扩张对洪水组分的定量影响，特别强调了“聚合式扩张”模式在极端降雨下的高风险性。
TA-TAR-LPI 指数组合法能有效量化城镇扩张模式，识别出破碎化向聚合式转变的过程。
聚合式扩张（模式3）对洪水风险的贡献最大，其损失占比显著降低，产流量大幅提升。
水文模型与经验公式结合的方法解决了中小流域资料匮乏的难题，提升了参数率定的可靠性。