近50年长三角地区水系时空变化及其驱动机制

基于1960s、1980s以及2010s三期1:5万地形图中水系数据,选取河网密度(Dd)、水面率(WSR)、干流面积长度比(R)、支流发育系数(K)和盒维数(D),探讨了长江三角洲地区水系近50年的时空格局及变化特征,并分析了城市化对水系结构的影响.结果表明:①近50年来,长三角水系河网密度、水面率数量特征呈下降趋势,其中武澄锡虞、杭嘉湖和鄞东南地区河网密度减少近20％;结构特征发生变化,秦淮河流域干流面积长度比增加显著,杭嘉湖地区支流发育系数衰减达46.8％;河网复杂度衰退,武澄锡虞和杭嘉湖地区的盒维数衰减分别达7.8％和6.5％.②城市化影响水系的空间分布,高度城市化地区河网密度、水面率、支流发育系数以及盒维数最低.③城市化深刻改变着水系的演化过程.1960s-2010s期间,高度城市化地区的河网密度、水面率衰减剧烈达27.2％和19.3％,河网主干化趋势加剧,河网复杂度下降4.91％.1980s-2010s期间,低度城市化地区支流衰减达53.3％,河网密度大幅下降14.6％.④城镇用地的扩张、水利工程的修建和农田水利活动是改变长三角水系的主要方式.     

近50年杭—嘉—湖平原水系时空变化

基于1960s、1980s和2000s地形图水系数据,采用河网密度、水面率、河网发育系数、干流面积长度比和盒维数等指标,对杭嘉湖地区近50年水系空间分布和时间演化进行了研究。结果表明:(1)杭嘉湖地区1960s-2000s期间水系长度和面积呈衰减趋势。近50年河流长度减少了11023.33 km,衰减了38.67%,水面积减小了151.58 km2,衰减了18.83%,且这种趋势在加剧;(2)支流发育系数呈下降的趋势,河网随着城市化的发展逐渐主干化。1960s二级支流发育系数为1.41,至1980s下降到1.35,下降了3.9%;1980s-2000s期间急剧下降至0.15,下降了88.6%;(3)水系变化的空间差异明显,河网密集的南部区水系衰减最为剧烈;(4)在不同下垫面条件下水系变化有各自特点。城市区水面率较小,约4.9%~9.4%,1960s以来水面率、河网密度呈减小的趋势,伴随城市化过程出现较重要的城市防洪疏浚、新挖河道工程。河网区河网密集,约2.1~5.3 km/km2,支流下降明显,干流有增加趋势以致河网主干化。典型湖区水面率较大,约17.8%~19.7%,水系格局变化相对不明显。     

平原河网区水利工程调控下水文连通变化

在水利工程建设及其人为调度的影响下,平原河网水系连通程度发生了巨大变化。为此,针对平原河网区水文连通难以模拟的问题,在现有水系结构连通的基础上,将水利工程的运行纳入水文连通的评价体系,提出一种适用于平原河网区水利工程调控下的水文连通评价指数（SLCI）。该指数从水闸通过概率、水流分流能力及河网连通程度,从点—线—面分尺度逐步评价不同调度规则下汛期与非汛期水文连通的动态变化。并且,该指数以格网为评价单元,结合反映地理要素空间集聚性的Getis-Ord G_i^*指数,相比行政单元、水利片区等大尺度评价单元,能够更精细地描述水文连通空间上的分异性。太湖流域武澄锡虞区是一个典型的平原河网区,本指数在该区域进行了应用,得到以下结果：受到水闸调控的作用,武澄锡虞区非汛期时平均水文连通指数为0.66,汛期时平均水文连通指数则为0.50。另外,非汛期时水文连通集聚空间范围比汛期时高5%。其中,非汛期与汛期连通高值区SLCI值分别为0.93与0.87,低值区SLCI值分别为0.25与0.16。本文提出的水文连通评价指数可为有关部门开展长三角地区水系建设工作提供理论支撑,也为开展人为调控下平原河网区水文连通评价提供新思路。     

城市化背景下嘉兴市河流水系的时空变化

基于1960s,1980s和2010s的三期水系数据,通过构建定量描述河流水系变化特征的指标体系,对嘉兴市河流水系的时空变化特征及其与城市化的关系进行研究.结果表明:① 近50年来,嘉兴市的河流水系呈现出剧烈衰减的趋势,其中河流发育系数,河网密度和水面率分别减少了58.91%,28.49%和14.09%,但在城市化不同阶段,河流水系衰减的程度并不完全一致.② 在整个城市化进程中,河流发育系数和干流面积长度比变化的空间差异非常大,河网密度和水面率变化的空间差异相对较大,而盒维数和河流曲度变化的空间差异相对较小.③ 河流发育系数,盒维数和河网密度的衰减趋势为城区>近郊>远郊,水面率的衰减趋势为远郊>近郊>城区,河流曲度的衰减趋势为近郊>城区>远郊,但干流面积长度比的空间变化趋势不明显.④ 城市化对河流水系变化的影响十分显著,且城市化水平越高的地区河流水系的变化越剧烈,而城市化对干流面积长度比与河流曲度的影响大于其对河流发育系数与河网密度的影响.     

水利工程对长江荆南三口水系结构变化的影响

利用1954、1975、1990、2008和2016年5期长江荆南三口水系图进行解译,并运用灰色关联度模型定量评价区内外水利工程对水系结构变化的影响。结果表明：① 近60 多年来,荆南三口在水系结构一般特征上,河流数量由264条缩减为132条,河流长度由2 183.6 km缩短为1 560.6 km,河频率与水面率分别由0.084条/km ²、17.45%减小为0.042条/km ²、14.33%;在水系结构发育特征上,河网密度、面积长度比和河网发育系数由1954年的0.687 km/km ²、3.96 km/km ²、6.902,依次减小为2016年的0.475 km/km ²、3.17 km/km ²、4.165;从分形特征上看,三口水系4个河区的分维数都在1.5~2.0之间波动,但均呈下降趋势。这表明随着水利工程的不断建设,荆南三口水系自然发育过程受到严重干扰;② 水系结构特征变化受水库总库容影响最大,内部水利工程次之,外部水利工程影响最小,各项指标的灰色关联度均大于0.5。其中,区外水利工程与河频率、水面率、河网密度、河网发育系数、分形维数的灰色关联度分别为0.571 8、0.592 2、0.585 8、0.577 1、0.634 0;区内水利工程数量与各项指标的灰色关联度分别为0.632 5、0.652 7、0.646 5、0.630 6、0.693 7;水库总库容与各项指标的灰色关联度依次为0.707 0、0.729 4、0.722 6、0.712 7和0.728 4。③ 水利工程对水系结构的影响在不同时段呈现出不同的状态,在不同时期水利工程相继运行的叠加影响下,水系受到水利工程影响逐渐增大,水系结构逐步呈现简化趋势。     

平原河网地区河流结构特征及其对调蓄能力的影响

平原河网地区是河流高度发育并受到城市化深刻影响的区域。本文以上海为例,基于上海及周边城市普遍采用的河流分类和水利片管理系统,分析不同城市化水平地区河流结构的共同特征及其差异性,探讨河流结构对河网调蓄能力的可能影响,提出估算河网调蓄能力的方法。研究表明,平原河网地区河流结构指标反映了该地区河流数量、长度以及低等级河流高度发育的自然地理特征,城市化在达到一定程度后即会干扰河流结构的自身发育规律,并表现为河流发育能力的下降;河流结构在城市化影响下表现出由复杂到简单、由多元到单一的变化趋势;河网调蓄能力受低等级河流数量及结构的影响更大,并随着城市化水平的提高而下降;就整体而言,城市化对河网调蓄能力的影响大于对河流结构的影响;以水面数量和河流结构两项指标作为参数能够更准确地估算河网调蓄能力。     

上海中心城区河流水系百年变化及影响因素分析

分析上海中心城区河流水系1860~2003年变化情况,研究表明:①140余年来中心城区有历史记载河流消失至少310条段,总长超520 km,水面积减少约10.46 km²,水面率下降3.61%。中心城区所在水利片河流水系结构破坏,水系分枝比受河道消亡影响明显降低,水系分维数异常;②中心城区河流水系阶段性集中消亡,消亡驱动力因消亡时期而异;③初步估算,140余年来中心城区河道槽蓄容量减少超过2 029×10⁴m3、单位面积可调蓄容量减少5.06×10⁴m³/km²。河道槽蓄容量较百年前减少超过80%,城市河网调蓄能力明显削弱,且1950~1990年市政雨水泵站累积增加数目与同期区域内河道累积消失数量、长度和槽蓄容量间均呈显著正相关性。     

20世纪30年代珠江三角洲平原河网结构重建及最大槽蓄容量

基于1954年美国陆军制图局编制的中国地形图、1930―1934年日军参谋本部所绘中国地形图、广东省水文志和研究区各县县志等历史文图资料,重建研究区20世纪30年代的河网模型,对传统农业末期平原河网水系进行高精度复原,计算其最大槽蓄容量并分析其区域特点。结果表明：1）20世纪30年代珠三角河网（除干流河道）的最大槽蓄容量为6.78亿~20.75亿m³,其极值为20.75亿m³,平均值为13.38万m³/km²。其中1级河道最大槽蓄容量占总量的33.5%~49.1%,对于整个河网的容蓄洪水能力及水资源调度能力影响更大。与现阶段不同,传统农业时代末期（20世纪30年代）珠三角河网的槽蓄容量与河网密度呈正相关,槽蓄容量的大小受河网密度的影响较为明显。2）20世纪30年代珠三角河网的形成与传统时期的农业开发有着密切的关系,当时的河网水系是自然发育与该时期围田业对其开发、围垦的共同结果,围田开发的兴修堤围、挑挖河道等活动对于河网的扩展及其最大槽蓄容量的增加具有客观上的促进作用。     

旅游季节性测度指标的敏感度研究

常用的旅游季节性测度指标有季节性强度指数（R_sd）、基尼系数（G）、泰尔系数（T）、季节性比率（R_sr）、不均匀系数（R_hl）等,国内外学者对其相互关系、客流变动对各项指标的影响程度仍存在争议。构建旅游季节性测度指标的敏感度指标客流量变动效应（s_i）和客流量相对变动效应（p_i）,通过蒙特卡洛方法计算不同旅游季节性强弱尺度（Int）下的各项旅游季节性测度指标的相关系数、以及不同旅游季节性强弱尺度（Int）和不同客流量变动大小尺度（Δ）的组合条件下各项旅游季节性测度指标对各个月份的μ_si、μ^*_si和μ^*_pi,发现：① R_sd、G、T这3项指标相关系数极高,R_sr与R_sd、G、T 3项指标的相关系数随着Int的增大而增大,R_hl与R_sd、G、T、R_sr 4项指标间的相关系数随着Int的增大而减小;② R_sr和R_hl对各月份的s_i以及R_sd、G、T、R_sr对不同月份的μ_si、μ^*_si及μ^*_pi均受Int和Δ的影响,其大小及排序相应产生变动,即在不同的旅游地,其季节性的强弱和客流量变动的大小都会导致各项旅游季节性测度指标对不同月份客流量变动的敏感度及排序存在差异,因此不能简单的认为某项指标对淡旺季客流或平季客流量变动更敏感。     

湘江流域城市群的水系形态格局演变规律分析

针对城镇扩张引起的水系衰减、结构单一化等问题,以湘江流域城市群为例,基于2001年、2015年两期同时期遥感数据,采用ENVI和ArcGIS等技术手段,运用拓扑学原理,选取河网密度、水面率、支流发育系数和面积长度比等水系数量、形态格局指标,研究湘江流域城市群水系形态格局演变规律。基于此,再结合三维城镇化,分析其水系形态格局时空演变规律。结果表明:(1)近15年来,湘江流域城市群河流长度、河流数量、水面率和河网密度都呈现衰减趋势,河流长度衰减最为明显;(2)研究区一二级支流的支流发育系数下降,二级支流的衰减受人类活动影响最大,主干河流面积长度比变化相对较小;(3)河流衰减有明显的区域分异规律,城市化程度越高,河流水系衰减越明显。研究区中,长沙市水系衰减最为严重,湘潭市水系变化不大。     

黄河玛曲砾质网状河段河间湿地形态特征及发育程度

河间湿地是网状河流体系中与多河道系统同等重要的地貌单元,其特征和发育程度与河道系统共同决定着网状河流的特性。本文以黄河玛曲网状河段作为研究对象,利用高分辨率Google Earth影像对研究河段河道与河间湿地等微地貌单元进行提取,利用湿地面积与湿地数对河间湿地的组成进行了分析,利用河间湿地面积占比、岸线密度、分汊点密度3个地貌参数,对河间湿地群体（河间湿地与分支河道特定组合体）的平面形态及多河道发育程度进行了研究。结果表明,河间湿地个体以中小型的为主,河间湿地群体则以大型和巨型的为主。河间湿地群体的发育程度与河间湿地群体面积（S_u）明显相关,河间湿地面积占比（P）随S_u的增大而增大,P值70%是河间湿地发育成熟的指标,而P值80%基本是河间湿地发育的上限值,此时河间湿地与分支河道基本达到动态平衡态。岸线密度、分汊点密度随S_u的增加呈减小趋势,这种变化主要是由于不同大小河间湿地群体中河道发育过程差异导致。黄河玛曲段河间湿地群体的形成在于弯曲主河道的主导作用、地形限制因素削弱导致的河道带的发育,以及植被维护的河岸使得河间湿地群体得以较长时间保存。     

Degrading river network due to urbanization in Yangtze River Delta

Evolution of river systems under the background of human activities has been a heated topic among geographers and hydrologists. Spatial and temporal variations of river systems during the 1960s–2010s in the Yangtze River Delta (YRD) were investigated based on streams derived from the topographic maps in the 1960s, 1980s and 2010s. A list of indices, drainage density (Dd), water surface ratio (WSR), ratio of area to length of main streams (R), evolution coefficient of tributaries (K) and box dimension (D), were classified into three types (quantitative, structural, and complex indices) and used to quantify the variations of stream structure. Results showed that: (1) quantitative indices (Dd, WSR) presented decreasing trend in the past 50 years, and Dd in Wuchengxiyu, Hangjiahu and Yindongnan have decreased most, about 20%. Structurally, the Qinhuai River basin was characterized by significant upward R, and K value in Hangjiahu went down dramatically by 46.8% during the 1960s–2010s. Decreasing tendency in D was found dominating across the YRD, and decreasing magnitude in Wuchengxiyu and Hangjiahu peaks for 7.8% and 6.5%, respectively in the YRD. (2) Urbanization affected the spatial pattern of river system, and areas with high level of urbanization exhibited least Dd (2.18 km/km²), WSR (6.52%), K (2.64) and D (1.42), compared to moderate and low levels of urbanization. (3) Urbanization also affected the evolution of stream system. In the past 50 years, areas with high level of urbanization showed compelling decreasing tendency in quantitative (27.2% and 19.3%) and complex indices (4.9%) and trend of enlarging of main rivers (4.5% and 7.9% in periods of the 1960s–1980s and the 1980s–2010s). In the recent 30 years, areas with low level of urbanization were detected with significant downward trend in Dd and K. (4) Expanding of urban land, construction of hydraulic engineering and irrigation and water conservancy activities were the main means which degraded the river system in the YRD.     

中国中西部地区就近城镇化空间分异格局及机理

就近城镇化是中国中西部地区破除异地城镇化模式弊端、推进新型城镇化健康发展的现实路径选择。通过构建就近城镇化率、贡献力和贡献势指标,从本省、本县和本镇3个城镇化尺度,系统分析2000—2015年中国中西部地区就近城镇化空间分异特征,并深入剖析其驱动机制。研究发现：① 2000—2015年中西部地区就近城镇人口总数从1.96亿增加到3.47亿,就近城镇化率从28.16%上升到46.89%。② 从贡献力看,中西部地区就近城镇化的主要来源是本镇户籍人口,但本镇贡献力呈下降趋势,本县贡献力波动上升,本省贡献力变化不大。③ 从贡献势看,本县贡献势>本省贡献势>本镇贡献势,县域尺度是中西部大部分地区就近城镇化的优势空间单元。④ 中西部地区就近城镇化空间分异是自然环境背景、经济增长和非农产业发展、城市公共服务供给、交通运输条件和地方行政力量等多重因素的综合作用结果。     

近30 年来深圳河网变化及其生态效应分析

在地形图、河道普查数据、遥感影像等多源数据支持下, 分析了深圳近30 年河网的时空变化规律及其与城市化水平的关系, 在此基础上通过分析植被盖度、生产有机物质的价值、生态系统服务价值、生态资产等指标的变化规律探讨了深圳观澜河流域河网变化的生态效应。 结果表明: (1) 近30 年深圳市河网结构趋于简单化、主干化, 河流支流发展受到较大限制; 河网总长度减少355.4 km, 总条数减少378 条, 河网密度从0.84 km/km² 降低到0.65 km/km²; 以区/ 街道办驻地为圆心, 半径为1-2 km 的圆环区成为河网萎缩、河网消失的主要 区域; 依据流域城市化水平和河流主干是否直接入海等2 个指标可将深圳市9 大流域/ 水系 分为4 种不同的河网变化类型; (2) 当城市化水平低于30%时, 城镇用地扩展与河网萎缩, 尤其是河网支流的萎缩存在显著相关; 当城市化水平大于30%时, 城镇用地扩展对河网的影响较小; (3) 2000-2005 年观澜河流域生态系统功能显著降低, 以生产有机物质价值降低幅度最 大(41%), 植被盖度次之(24%), 单位面积生态资产从2.79 元/m² 降低到2.34 元/m², 总生态 资产减少3136 万元; (4) 河网变化和城市化成为影响生态系统功能的主要因素, 其中河网变化因素和城市化因素对植被盖度降低的贡献率分别为23.1%和35.8%, 对生产有机物质价值减少的贡献率分别为25.1%和32.7%, 对生态系统服务价值减少的贡献率分别为7.7%和 56.2%, 对生态资产减少的贡献率分别为10.6%和52.2%。     

HIMS模型参数的不确定性及其影响因素

模型参数的不确定性及影响因素分析对无资料流域水文预报具有重要意义。本文以澳大利亚3 个流域为例,采用GLUE方法分析HIMS模型参数的不确定性,在此基础上探讨流域物理属性对参数取值的影响。研究发现:① HIMS模型9个参数的不确定性都比较大,属于敏感参数;② 降雨量、森林覆盖度和表层土壤最大有效蓄水量大的流域,土壤蓄水容量W_sm取值大;土壤饱和导水率和森林覆盖度高的流域,产流系数R、r的取值较大;温度低、森林覆盖度小的流域,实际蒸散发系数ε取值大;易透水、森林覆盖度高的流域,马斯京根汇流系数C₂取值大。这些结论能为今后在无资料流域应用HIMS模型进行水文预报提供一定参考。     

欧亚大气环流对中国北方春季沙尘天气的影响

根据1960-2010年全国701个地面站沙尘观测资料分析了中国春季沙尘天气的空间分布和年际变化,发现南疆和内蒙古两个沙尘源区的沙尘指数51年来都呈现出减小的趋势,其中内蒙古沙尘指数总体较小、年际变化较大,而南疆沙尘指数的波动较小。通过分析南疆和内蒙古沙尘指数典型高、低值年春季环流场发现,控制两个沙尘源区的环流场存在明显差异:南疆沙尘指数低值年时,西路入侵的冷空气减少,受此影响蒙古气旋和南疆热低压减弱,导致南疆地区近地面西风减弱,最终导致南疆沙尘天气减少;内蒙古沙尘指数低值年时,西北路和北路冷空气入侵次数减少,地面场上西伯利亚冷高压和蒙古高压减弱,并且蒙古气旋的发生发展受到限制,导致内蒙古西部近地面西北风和偏西风减小,最终导致内蒙古地区沙尘天气减少。     

平原水网地区快速城市化对河流水系的影响

为了揭示平原水网地区快速城市化对河流水系的影响,基于1:50000地形图和30 m空间分辨率遥感影像数据,采用格网化河网密度、支流发育系数和分形维数等水系指标,分析了20世纪80年代至21世纪10年代苏州市河流水系的时空变化特征,探讨了土地城市化水平与河网密度变化之间的定量关系。结果表明：① 苏州市河流长度衰减了10.55%,其中干流长度增加了3.24%,一级支流与二级支流的长度分别减少了18.87%和11.76%;河网密度在空间上以减小为主,其中干流河网密度在空间上以增加为主,支流河网密度在空间上以减少为主。② 支流发育系数由3.36下降至2.78,水系结构趋于主干化;水系分形维数由1.70下降至1.63,水系形态趋于简单化。③ 土地城市化率高于40%时,河流水系衰减趋于明显,且土地城市化水平越高,河流减少的越多。为满足不同的经济社会发展需要,不同等级河流对土地城市化的响应不尽相同：为提高城市防洪排涝能力,一级河流总体上有所增加;土地城市化率小于40%时,部分二级河流被侵占以增加耕地面积,并新开挖了许多三级河流以提高农田排涝与灌溉能力;土地城市化率大于40%时,大量支流被填埋并转换为建设用地,而且等级越低的河流衰减的越严重。     

基于灰色关联模型对江苏省PM2.5浓度影响因素的分析

采用克里金插值法分析2014年江苏省PM_2.5浓度空间分布特征,运用灰色关联模型计算PM_2.5浓度与影响因素间关联度,分析主要影响指标因子与PM_2.5浓度空间分布的相互关系。结果显示：① 江苏省PM_2.5浓度具有沿海低、内陆高,南部高、北部低的空间分布特征;② PM_2.5污染来源指标层的权重值最大（w_i = 0.4691）,空气质量与气象要素指标层的权重稍大（w_i = 0.2866）,城市化与产业结构层的权重值最小（w_i = 0.2453）;③ 在27个指标因子中,与PM_2.5浓度关联度为中度的仅有公路客运量、房屋建筑施工面积、园林绿地面积、人口密度等4个指标因子,PM_2.5与其余指标因子均呈强度相关联,其中与PM₁₀、O₃、降雨量、公路货运总量、地区工业总产值和第二产业占地区生产总值比重等指标的关联度较高;④ PM_2.5污染源指标层与PM_2.5浓度关联度值较大的城市分别是南京、无锡、常州、南通、泰州市;城市化与产业结构指标层与PM_2.5浓度关联度值较大的城市分别是徐州、苏州、盐城、常州市;空气质量与气象要素指标层与PM_2.5浓度关联度值较大的城市分别是盐城、扬州、常州、南通市。综合分析可知,影响指标因子关联度值与PM_2.5浓度空间分布有较好相关性。研究表明,灰色关联模型可有效分析影响PM_2.5浓度的主要因素,能对PM_2.5浓度影响指标进行定量分析与评价。     

Comparison and Analysis of Estimation Methods for Heavy Metal Pollution of Farmland Soils

Heavy metal pollution of farmland soils is a serious environmental problem. The accurate estimation of heavy metal pollution levels of farmland soils is very crucial for sustainable agriculture. Concentrations of heavy metal elements (As, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, and Zn) in farmland soils at 186 sampling sites in the Baghrash Lake Basin, NW China, were determined and analyzed based on the pollution index (P_i), the geo-accumulation index (I_geo), the enrichment factor (EF), the ecological risk index (ER), and the environmental risk index (I_er). The results of these five different estimation methods were compared and discussed. The obtained results indicated that the average concentrations of all the heavy metals in the farmland soils of the study area were lower than the Soil Environmental Quality of China (GB 15168-2018) levels, but the average concentrations of Cd, Cr, Ni, Pb, and Zn exceed the corresponding background values. Significant differences in estimation results existed between the five estimation methods. Based on the identified concentrations, the average P_i, I_geo, and EF values of the heavy metals in farmland soils decreased in the order of: Zn > Pb > Cd > Cr > Ni > Cu > As, whereas the average ER values decreased in the order of: Cd > As > Cu > Pb > Ni > Cr > Zn, and the average I_er values decreased in the order of: Cd > Cu > Zn > As = Pb > Cr > Ni. The pollution class values with different estimation methods were ranked as: P_i > I_geo = EF > ER = I_er. The obtained results suggest that the most appropriate estimation method and soil background values of farmlands should be used for better understanding the environmental quality of farmland soils. Overall, the EF and ER methods are recommended for assessing heavy metal pollution risks of farmland soils.