日地水文学与灾害预测

研究地球水文变化的日地物理成因和规律的日地水文学（Solar-TerrestrialHydrology），用于水、旱灾害预测多次获得证实.本文从日地水文物理基础、长江淮河22年周期性大洪水、黄河大洪水和太阳活动关系、太阳活动双重衰减期北方大旱、17世纪日地水文异常变化、太阳活动对暴雨洪水中短期影响、台湾海峡两侧大暴雨洪水落区转移、全球最大洪水日地水文研究以及学科发展和应用前景九个方面，对中国近70多年来的主要成果加以回顾和总结.基础科学、高科技和应用紧密结合，促成对国民经济发展直接相关的新学科，是当代科学进步的一个显著标志，这里又是一个例证．     

1840年以来长江大洪水演变与气候变化关系初探

长江洪水灾害是我国频率高、为患严重的自然灾害之一.本文依据可靠资料,选择1840年至2000年间32次大洪水记录,探讨其演变与气候变化的关系.认知1910s前的19世纪冷期出现大洪水13次(包括1870年的极值大洪水事件)频率为1.9次／10a.1921-2000年间出现了大洪水19次,频率为2.4次／10a.20世纪暖期又分出两个变暖时段,前一变暖时段的峰值期1920s-1940s出现大洪水9次,包含1931年全流域大洪水.后一变暖时段,即1980s与1990s出现大洪水8次.实测记录到的最大洪水1954年位于前一变暖时段结束阶段.1990s是全球,也是我国近百年中最暖年代,受东南季风影响大的中下游地区夏季降水量是近百年最多的,大暴雨频率也是有较多记录的40年来最高的.以此出现了10年5次大洪水高频率现象,包含1998年全流域型大洪水,表明了全球变暖的显著影响.也指示30-40年问周期性振荡中多雨年代.如此可预期21世纪初期降水会有小幅度下降与大洪水频率在短期内降低的可能性.长江上游受西南季风影响较大,19世纪下半期与20世纪上半期为多降水期,大洪水频率较高.20世纪下半期为少降水期,大洪水频率较低.关于气候变化研究有待深入,前景不易预估.     

鄱阳湖汇流顶托对长江汉口水位影响的量化分析

为定量评估汇流顶托对水位变化的影响,本文从水文过程仿真及顶托响应评价入手,提出了一种汇流顶托对水位影响的量化分析方法,并以长江汉口江段为例,开展了鄱阳湖汇流顶托对长江汉口江段水位影响的量化评价,结果表明:改进提出的长江汉口江段水文仿真模型,经参数优选后确定性系数可达0.98以上,总量相对误差绝对值在3%以内,较好地再现了水文变化过程;通过响应指数定义及水文过程模拟,研制了汉口多值型水位流量关系响应特征曲线,揭示了鄱阳湖与长江水位变化的关联性机制;经2016和2020年洪水实例分析,汉口江段长历时高洪水位主要受长江来水及鄱阳湖汇流顶托共同驱动,二者合力贡献可达83.3%以上,其中鄱阳湖汇流顶托贡献率在35%左右.其余因素(如区间洪水、沿江排涝等)亦助推高洪水位形成,部分时段贡献可达近34.4%.本文提出的顶托量化分析方法,可定量评估因顶托效应引起的水位变化,为解析河段高洪水位成因机制提供了有效的技术支撑.     

近100年来长江与洞庭湖汇流河段水文特征演变

洞悉长江洞庭湖汇流河段的水文关系及其变化规律对确保长江中下游的防洪安全至关重要.为了掌握汇流河段水文特征演变情况,本文结合汇流河段处监利、城陵矶、螺山等国家重要水文控制断面的近百年水文资料,通过M-K检验、Morlet小波分析等方法研究了该河段逐日水位、流量等水文数据,分析了汇流河段年内分配、年际变化、变化趋势、突变点及变化周期等水文特征,并探讨了具体成因.研究结果表明:①长江与洞庭湖汇流河段年最高水位一般出现在7月,年最低水位一般出现在1、2月;②汇流河段年径流量主要集中在59月,占年径流总量的63.64%~73.44%;③近50年城陵矶水位高、中、低水分别约抬升0.98、0.56、1.46 m;④近10年城陵矶与监利年径流比降至0.66.⑤在长江中下游水利开发历程中,经突变检验表明,下荆江裁弯取直和三峡蓄水175 m对江湖水文特征的影响较为明显.⑥城陵矶站和螺山站的年径流量、水位平均周期约为16 a,监利站的年径流量、水位平均周期约为8 a.⑦19542017年间,汇流比最大值一直在降低,其发生时间在逐渐提前.以上成果为深入研究流域复杂的江湖演变规律提供了科学参考.     

全球大陆末次盛冰期气候和植被研究进展

略述了鄱阳湖围垦的简要历史和现状,分析了近５０年来洪水水位的演变趋势,指出围垦使鄱阳湖面积和容积缩小,调蓄功能衰退,以致水情不断恶化,洪峰水位逐渐上升,高水位的出现频率明显加大,致灾洪水越来越频繁,在此基础上,将围垦对洪水位的影响进行了分析计算,得出了各典型年洪水在不同围垦背景下的围垦效应值。     

3万年前长江大洪水沉积的初步分析

选择长江三峡出口部位的红花套断面,对现代长江主流线相沉积、泛滥沉积与三万年前的洪水沉积物粒度进行比较,据粒径大于1mm的粗颗粒粒度分析,发现三万年前的大洪水水动力强度可能是近现代大洪水水动力强度的1.5倍左右.据粒径大于80mm的巨砾粒度分析,三万年前的长江大洪水底流水动力可能是近现代大洪水底流水动力强度的1.35倍左右.因此推测三万年前的长江大洪水比近现代洪水大得多.     

汉江上游安康东段全新世古洪水沉积学与水文学研究

通过沿汉江上游河谷深入的考察,在安康东段发现了典型的古洪水滞流沉积剖面.通过采集样品、实验分析,确定它们是古洪水在高水位滞流环境当中的悬移质沉积物.根据地层对比、OSL测年和相关文化层年代,确定它们分别记录了发生在BL+AL与YD事件转折阶段(12500 a B.P.)的古洪水事件和发生在1000-900 a B.P.(1000-1100AD),即北宋后期的洪水事件.根据古洪水SWD的高程恢复其洪峰水位,结合相关参数,利用面积比降法计算恢复流量.结果表明在万年尺度,汉江上游古洪水洪峰流量介于35970~47400 m³/s之间.同时,利用2010年大洪水洪痕恢复计算洪峰流量,对古洪水洪峰流量计算结果进行了验证.进而结合历史洪水和观测洪水数据,获得了汉江上游万年尺度洪水洪峰流量与频率关系.这为汉江上游的水利水电和交通工程建设以及沿岸城镇防洪减灾提供了基础性数据.     

1993年太湖流域的洪涝灾害及水利工程的作用

1993年汛期太湖最高水位高居建国以来的第3位,仅次于1991年和1954年,达到4.51m(平均水位,下同),局部地区发生了洪涝灾害。本文对1993年太湖流域汛期的雨情和水情做了论述,并对1993、1991、1954年三个典型大水年的降雨和洪水特征作了比较。同时,还对洪涝灾害和水利工程的作用进行分析。太湖流域的雨季一般为5—7月,但是1993年汛期的降雨在时间上的分布有些异常。降雨集中在8月,而河道最高水位则出现在8月下旬。降雨的空间分布有以下3个特征:(1)上游地区的降雨集中在浙西山区;(2)太湖湖区的降雨量很大;(3)下游地区的降雨集中在淀泖和杭嘉湖地区。淀泖和杭嘉湖地区一些水位站的实测河道水位,比发生大洪水的1991年还要高。发生洪涝灾害的原因可归纳为,上游地区洪水来量大,当地的降雨强度高,以及下游河道排水不畅通。为了改进防汛调度和完善治理规划,需要对不同典型洪水年份的降雨和洪水模式做进一步研究。     

洪泽湖历史洪水分析(1736─1992年)

根据1736－1911年文献记载的洪泽湖年最高水位及1914－1992年湖区水文测站的水位、流量资料，进行了长、短序列的入湖洪峰流量及不同时段洪量的频率分析，进而推求出不同重视期的设计入湖洪量和洪水年份相当的重现期，并分析洪水的灾害特征，结果表明：1）洪泽湖历史上洪水发生频繁，1786、1851、1906年均发生过特大洪水，高堰志桩分别至163、23．4、16．1尺。2）1953年建库后，湖水位上升。年最高水位历年平均值较建库前升高了1．22m；多年平均水位升高了1．72m。3）1916－1992年淮河蚌埠站年入湖洪峰流量、最大3日洪量、最大30日洪量和年平均流量频率分析显示。1954年分别相当于20、20、45．5和30．3年一遇洪水。1991年分别相当于7．1、7．1、10和14．7年一遇洪水。1991年洪水总体上小于1954年，但灾情超过1954年．表明湖区受灾程度有加剧趋势。     

1952-2011年鄱阳湖枯水变化分析

利用鄱阳湖区1952-2011年水文监测资料,分析鄱阳湖近60 a来枯水特征及其变化规律;从流域降水、五河来水、长江上中游来水、湖盆形态等方面的变化,探讨鄱阳湖枯水变化原因.结果表明,进入21世纪后的近11 a鄱阳湖枯水程度显著加剧,尤其是近5 a来最低水位不断被刷新;造成鄱阳湖枯水变化的最主要原因是流域降水和五河来水的相应变化,其次是长江上中游来水变化,湖盆形态变化对于近10 a来枯水加剧起到了推波助澜的作用;三峡大坝蓄水以后,长江上中游来水变化对鄱阳湖枯水变化的控制作用呈现逐渐加强态势.     

Flood coincidence analysis of Poyang Lake and Yangtze River: risk and influencing factors

We build copula function-based joint distribution models for the annual maximum flood peaks of the Yangtze River and Poyang Lake, to analyze the coincidence probabilities, using scenarios that combine with the impoundment of three Gorges, define influencing indexes and relative contribution rates on flood coincidence at varying frequencies. The study shows the probabilities for coincidence of floods with 1000, 100, and 10-year return periods in both Yangtze main stem and Poyang Lake are respectively 0.02, 0.19 and 2.87%, with higher coincidence probabilities for shorter return periods; when 1000-year flood occurs in the Yangtze, the probabilities for Poyang Lake to encounter flood of the 1000, 100, or 10-year magnitude are higher than 16.08, 42.48 or 74.77% respectively; Poyang–Yangtze flood coincidence is affected by operation of the hydraulic engineering. The lowering of flood peaks caused by the Three Gorges impoundment and regulation of the lake have respectively reduced the probabilities of Poyang–Yangtze flood coincidence by about 7.0 and 1.97%, with average relative contribution rates ? 33.82 and ? 17.1%; influenced by hydrological projects in Poyang basin, variations in Poyang’s inflow flood have displayed an average contribution rate of 20.4% for the negative effect on extreme (P < 5% or P > 90%) flood coincidence, while having a positive contribution rate of 38.2% on floods of other return periods. The results can help increase our understanding of flood coincidence, and support flood control efforts in Poyang Lake; its analytical approach may also be useful to other applications of copula functions.     

Lake flooding sensitivity to the relative timing of peak flows between upstream and downstream waterways: A case study of Poyang Lake,China

The relative timing of peak flows (RTPF) from tributaries has significant influence on flood occurrence at their confluence. This study is aimed at (1) analysing the characteristics of the RTPF of the 5 recharging rivers in the Poyang Lake catchment and the Yangtze River during the period of 1960–2012, and (2) employing a physically‐based hydrodynamic model (MIKE 21) to quantify the effects of RTPF on flood behaviour in the Poyang Lake (the largest freshwater lake in China). The results show that short RTPF, or close occurrence of peak flows, triggers flood in the Poyang Lake more easily. More than 75% of total flood events in the study period occurred with RTPF less than 60 days, and more than 55% of the events occurred with RTPF less than 30 days. The hydrodynamic simulation revealed that the date of flood peak in the lake was postponed by 4–7 days and the flood stage raised by 0.69 m because of the delay of peak flows from the upstream rivers/tributaries. On the other hand, earlier start of the Yangtze River peak flow led to flood peak in the lake 6–13 days earlier. Additionally, the duration of high lake water levels was extended by 9–12 days when the RTPF shortened, and the flood hydrograph of the Poyang Lake changed from a flat to a flashy type. These results indicate that an enlarged RTPF between the upstream rivers and the Yangtze River could be an effective way to prevent flood disasters in the Poyang Lake, a method apparently being adopted in the operation of the Three Gorges Dam. The RTPF should be considered and integrated when developing flood prevention and management plans in the Poyang Lake, as well as in other similar regions in the world.     

1960-2012年鄱阳湖流域旱涝急转事件时空演变特征

基于鄱阳湖流域五河7个主要入湖控制站19602012年的实测径流资料,通过短周期旱涝急转指数,结合TFPW-MK趋势检验法及集合经验模态分解法,分析了鄱阳湖流域旱涝急转事件的时空分布、演变趋势、强度及周期变化等,并探讨了旱涝急转指数的不确定性及旱涝急转事件的成因.结果表明:鄱阳湖流域旱涝急转事件主要分布在310月,其中36月主要表现为“旱转涝”,710月主要表现为“涝转旱”,且不同年代间存在一定的时空差异;五河以轻度旱涝急转事件为主,重度旱涝急转事件发生频率较低,主要发生在抚河、信江和饶河流域,且多以“涝转旱”事件为主;在年代际上,鄱阳湖流域旱涝急转事件在1990s发生的频率最高,在2000s最低.同时,除饶河外,鄱阳湖流域年最强“涝转旱”事件的发生强度呈减弱趋势,而年最强“旱转涝”事件的发生强度在赣江和修水北支有减弱趋势,在饶河和修水南支有增强趋势.五河旱涝急转的变化存在2个特征时间尺度,分别为1 a和21~35 a,而年最强旱涝急转事件的发生强度具有3 a左右的周期变化特征.这些变化与流域降水的不均匀性及强烈的人类活动等有关.本研究结果有助于全面系统认识鄱阳湖流域在全球变暖背景下极端水文事件的发生机制和变化规律,可为鄱阳湖区防汛抗旱减灾提供重要的科学依据.     

鄱阳湖区洪涝灾害规律分析

根据1950-2002年的鄱阳湖洪水与洪水灾害损失资料,建立年最高洪水位与洪灾损失的相关模型;运用概率统计的理论与方法,研究了鄱阳湖区洪涝灾害与灾害损失的统计规律,将鄱阳湖洪水、鄱阳湖区洪涝灾害的受灾面积划分为6个等级.揭示鄱阳湖区洪水主要集中于10年一遇(3级)以下;一般洪水为2-5年一遇,在统计资料内,共发生过24次,造成的损失只占到历年总损失量的约l/3;5年一遇以上的洪水虽然只发生过7次,但是其损失却占历年洪灾总损失的约2/3.采取综合治理措施.降低鄱阳湖洪水位,并进一步提高鄱阳湖区圩堤防洪能力是减轻鄱阳湖区洪涝灾害损失的有效途经.     

Spatio-temporal patterns of hydrological processes and their responses to human activities in the Poyang Lake basin,China

Abstract

Poyang Lake is the largest freshwater lake in China, and plays a major role in flood mitigation, restoration and conservation of the ecological environment in the middle Yangtze River basin. Sediment load and streamflow variations in Poyang Lake basin are important for the scouring and deposition changes of this lake. However, these hydrological processes are heavily influenced by human activities, such as construction of water reservoirs, and land-use/land cover changes. By thorough analysis of long series of sediment and streamflow obtained from five major hydrological stations, we systematically investigated the spatial and temporal patterns of these hydrological processes and the hydrological responses to human activities using the Mann-Kendall trend test, the double cumulative mass curve and the linear regression method. The results show: (1) no significant change in streamflow followed by an increasing tendency after the 1990s that turns to be decreasing about 2000; and (2) a sharp increase of sediment load during the late 1960s and 1970s triggered by extensive deforestation (during the “Cultural Revolution” in China) followed by a tendency to decrease after the early 1980s. Construction of water reservoirs has greatly reduced the sediment load of the Poyang Lake basin, and this is particularly the case in the Ganjiang River, where the sediment load changes may be attributed to the trapping effects of the Wan'an Reservoir, the largest water reservoir within the Poyang Lake basin. There is no evidence to corroborate the influence of water reservoirs on the streamflow variations. It seems that the streamflow variations are subject mainly to precipitation changes, but this requires further analysis. The current study may be of scientific and practical benefit in the conservation and restoration of Poyang Lake, as a kind of wetland, and also in flood mitigation in the middle Yangtze River basin that is under the influence of human activities.

Citation Zhang, Q., Sun, P., Jiang, T. & Chen, X.-H. (2011) Spatio-temporal patterns of hydrological processes and their hydrological responses to human activities in the Poyang Lake basin, China. Hydrol. Sci. J. 56(2), 305–318.     

Monitoring the impact of backflow and dredging on water clarity using MODIS images of Poyang Lake,China

Backflow from the Yangtze River to Poyang Lake occurs frequently due to their different flood seasons. Based on the reasons for and time period of backflow, this study estimated the spatial‐temporal extent and the change of water clarity influenced by sediments within the backflow and northern Poyang Lake using time‐series Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) images. The results revealed that the sediments from backflows together with dredging activities in the northern Poyang Lake not only affected the northern Poyang Lake, but also influenced the central and southern Poyang Lake and the Poyang Lake national nature reserve, and resulted in great decline of water clarity in the regions influenced, which could seriously affect the lake ecosystem. The results indicated that MODIS images have potential for monitoring the distribution of sediments from backflows and dredging activities. However, the potential is limited because of the frequent cloud cover in the study area and the characteristics of backflow itself. The dredging activity combined with backflows might have great negative impacts on the Poyang Lake ecosystem, and it would be worthwhile to explore the possible impacts in order to develop scientific knowledge to support the decisions, which need to be made by the responsible authorities for deciding how to rationally manage this unique lake ecosystem Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

太湖北岸湖滨带观测场水生植物群落特征及其影响因素分析

研究了鄱阳湖流域在1955-2002年间的径流系数的变化,重点分析了它与水循环的两个基本要素:降水量和蒸发量的关系,同时对其原因进行了初步的探讨.经分析,在鄱阳湖流域中,径流系数较大的是饶河流域和信江流域,较小的是抚河流域;在年内变化上,4-6月为五河流域径流系数比较大的月份,这与鄱阳湖流域降水集中期相对应.在空间上,4-6月仍然以饶河流域和信江流域相对较大,而抚河流域较小,特别是8月份的径流系数远小于其他四河;年代际变化上,1990s径流系数增加较为显著.尽管鄱阳湖流域的径流系数除了受气候因子的影响外,还受到水土流失和地形等因素的影响,但是降水量的增加,特别是暴雨频率的增加仍然是其主要影响因素,蒸发量的减小对径流系数的增加也有一定程度的影响.径流系数与气温并无明显的线性相关关系.     

风场对鄱阳湖丰水期表层蓝藻密度的影响

目前,在风场对蓝藻的影响研究方面,国内针对太湖、滇池、巢湖等浅水湖泊的研究较多,针对鄱阳湖的研究则多集中于蓝藻群落特征及其与营养盐之间的关系。近年来,作为长江流域重要的通江湖泊,处于轻度富营养化状态的鄱阳湖水体蓝藻水华在局部库湾和部分水域出现,风场如何影响鄱阳湖表层蓝藻密度是一个值得探讨的问题。2019-2021年,在鄱阳湖布设13~49个采样点,于平水期、丰水期和枯水期现场采集各个点位表层水样、藻类、风场和流场数据,分析风场对鄱阳湖丰水期表层蓝藻密度的影响。结果表明,2019-2021年鄱阳湖丰水期风速与表层蓝藻密度呈显著正相关性,风场对水体的充分混合及驱动水体形成的风生流是促进蓝藻生长的原因之一。在流速较高(>0.05 m/s)的区域,无论风速高于还是低于临界风速(3~4 m/s),鄱阳湖表层蓝藻密度的空间分布受流场的影响更大;在流速较低(<0.05 m/s)的区域,风速在临界风速以下时,鄱阳湖表层蓝藻密度的空间分布受风场影响更大。2019-2021年鄱阳湖丰水期蓝藻密度超过水华暴发的阈值,但在高风速高流速的共同作用下未能发生大范围的蓝藻水华,仅能在风速适宜(<3~4 m/s)、流速较低(<0.05 m/s)的内湾、尾闾区等区域发生小面积的蓝藻水华。鄱阳湖丰水期水体处于长江顶托的低流速且微风条件下时,发生大面积蓝藻水华的概率可能会明显上升。     

近百年鄱阳湖湿地格局演变研究

鄱阳湖是我国最大淡水湖和长江中游仅存的两个通江湖泊之一,重建其近百年自然通江的湖泊湿地演变过程,对于鄱阳湖湿地生态修复与保护具有重要意义.本研究基于两期历史时期地形图和遥感产品,构建了 1930s、1970s、1990s、2000s和2010s鄱阳湖湿地格局变化数据集,探究了土地利用方式改变和水文连通变化对鄱阳湖湿地变...     

鄱阳湖浮游植物时空变化特征及其对极端洪枯事件的响应

鄱阳湖作为中国最大的淡水湖泊,其水生态健康状态始终是人们关注的热点。近些年,鄱阳湖极端洪旱灾害频发,浮游植物生长受极端洪旱的影响发生了明显变化。为分析浮游植物时空变化特征、探究环境因子对鄱阳湖浮游植物影响机制以及极端洪枯事件对浮游植物的影响,利用结构方程模型(SEM)构建浮游植物与环境因子的影响路径模型,定量分析环境因子对浮游植物的影响程度。结果表明,鄱阳湖浮游植物以蓝藻、绿藻为主且有明显的季节特征,在7月丰水期浮游植物密度达到最高;由结构方程模型(SEM)可知,影响浮游植物密度最关键的因子为物理因子(水温>pH>透明度>溶解氧),其次为营养物质(总氮>硝态氮>总磷>磷酸盐),浮游植物对高温、高营养和高pH较偏好。2020年极端洪水和2022年极端高温干旱,浮游植物密度主要受水温、溶解氧、透明度等物理因子的影响;在影响较小的营养物质中,主要的限制性因素分别为磷和氮。与正常年份相比,极端洪水年鄱阳湖受入湖来水及降雨的增多,湖区水量急剧增加,“稀释”作用超过水温和透明度对浮游植物生长的促进作用造成浮游植物密度和生物量有所下降;在营养物质中,磷成为主要限制性因素。而极端高温干旱年受入湖来水的减少及湖水的快速蒸发,“浓缩”作用超过水温和透明度对浮游植物生长的抑制作用造成浮游植物密度和生物量显著增加,同时,营养物质对浮游植物的作用更加凸显。研究结果表明极端洪枯事件导致鄱阳湖浮游植物变化明显,确定其对浮游植物的影响机制,可以为极端洪枯事件下浮游植物监测、管理提供一定的理论基础。