多种机器学习模型对不同洪水类型特征指标模拟效果评估

洪水过程的特征指标不仅包括洪水量级,还包括时间、形态、动力学等指标。现有模型和方法重点关注洪水量级指标的模拟,对其他指标的模拟仍有待深入。如何实现对洪水过程所有特征指标的模拟已成为目前洪水预报的技术瓶颈。论文采用4种机器学习模型(多元线性回归、多层感知器、随机森林和支持向量机)对淮河上游长台关流域59场降雨—洪水场次7个特征指标(洪水总量、洪峰流量、洪水历时、洪峰时间偏度、高流量历时占比、涨洪和落洪速率)进行模拟,评估不同模型对不同洪水类型和特征指标的模拟效果。结果显示：(1)长台关流域洪水过程可分为3类,第1类洪量中等、历时长且洪峰出现时间偏前(16场);第2类洪量低、形态矮胖且洪峰出现时间靠后(34场);第3类洪量大、涨落水迅速、形态尖瘦(9场)。(2)时间指标模拟效果最优,动力学指标模拟效果最差。多元线性回归和随机森林模拟效果随所有特征指标数值的增加而增强;支持向量机的模拟效果随着洪水历时指标数值的增加而降低,随着其余特征指标数值的增加而增强;多层感知器模拟效果随着洪水总量、洪峰流量、高流量历时占比和涨洪速率等指标值的增加而增强。(3)从各类型洪水特征模拟精度来看,4种模型对第3...     

鄱阳湖流域洪水变化特征及气候影响研究

为探讨鄱阳湖流域洪水过程的变化特征和规律,系统分析流域洪水量级、频率、发生时间的变化特征,利用核密度估计分析洪水发生率的非平稳性,运用月频率法评价洪水集聚性特征,并探讨低频气候因子对洪水变化的影响。研究表明：① 鄱阳湖流域各水文站点年、秋季和冬季最大洪水及POT超阈值洪水以增加趋势为主。② 洪水发生率年内集聚性显著,主要集中在4~7月;年际洪水发生次数呈现非平稳泊松分布,洪水发生率出现明显的年际集聚性特征。③ ENSO、IOD对下年洪水量级及洪水发生次数有明显影响,洪水发生次数与年最大洪水量级异常现象通常是ENSO和IOD协同作用结果。     

淮河中上游浮游植物时空分布特征及关键环境影响因子识别

浮游植物是水生态系统的初级生产者,直接影响着水生态系统的结构、功能与稳定性。基于2012-2014年淮河流域沙颍河—淮干中游浮游植物和水质4次汛期和非汛期采集数据,利用物种优势度和多样性指数对浮游植物的时空分布进行表征,并利用冗余度分析、偏相关性分析等方法探索了淮河中上游流域的多种水环境因子对浮游植物时空分布的影响。结果表明,从时间变化上看,2012-2014年浮游植物密度呈现逐年递减趋势;从空间变化上看,物种丰度呈现从上游至下游逐渐减少趋势。从时空变化的影响因素上看,非汛期总磷和电导率影响最大,其解释度分别为：10.96%和8.36%;汛期总磷、总氮和氨氮影响最大,其解释度分别为9.47%、8.08%和6.96%。     

汉江上游晏家棚段古洪水沉积物粒度空间分布特征

对汉江上游流域进行了深入的地层学及地貌学调查,在郧县河段河流一级阶地上覆黄土-古土壤沉积剖面中发现了典型的古洪水沉积层。对其进行了系统采样和粒度分析,结果表明,古洪水沉积层的粒度在空间上有明显的变化。水平方向上,相同层位的粒度自然分布曲线、概率累积曲线和平均粒径基本相同;垂直方向上,从上向下粒度自然分布曲线、概率累积曲线和平均粒径明显不同,粒径逐渐变细。水平方向上的粒度特征说明,古洪水同层位的样品可以相互替代;垂直方向上的变化与前人在泾河以及渭河流域等地研究发现的古洪水沉积层呈从下向上逐渐变细的沉积模式不同,说明古洪水沉积层的沉积模式并非只有一种,而是存在多种沉积模式,这种变化可能与洪水过程有关。     

黄河下游地区堌堆遗址时空分布特征及其与黄河洪水关系

通过对考古资料和古文献的查询、总结,阐释了黄河下游地区堌堆遗址的形成及其时空分布特征,利用地理学和统计学的方法,分析了该地区堌堆遗址分布与黄河洪水之间的关系。研究表明,堌堆遗址时间分布为大汶口文化、龙山文化、岳石文化、商周与汉时期,且主要分布在龙山文化时期,可能反映了古人类向黄河下游迁移及洪水相对频发的情势;汉代以后由于国家和黄河两岸居民抵御黄河洪水的策略转为筑堤,且此后一段时期黄河长期安流,致使堌堆被逐渐废弃。堌堆遗址空间分布为鲁西南,豫东北地区,位于历史时期黄河频繁改道与泛滥的重点区域,这些地区地势较低,容易发生洪水泛滥事件。研究认为黄河洪水是影响堌堆遗址分布的主要因素,洪水的出现迫使人类避往高处,而生活在平原地区的居民主要采取加高居住地的策略避洪,从而形成了堌堆—今日的堌堆遗址。     

淮河上游卢庄段全新世古洪水水文恢复研究

通过沿淮河上游野外考察,在毛集河口卢庄找到了一典型全新世古洪水滞流沉积物剖面,进行了系统采样和沉积学粒度分析及水文学恢复的研究工作。粒度分析表明,古洪水滞流沉积物（SWD）与上下层黄土-古土壤区别明显,粒度参数Q型聚类层次分明,其粒级组分以砂质为主,而黄土古土壤粒度以粗粉砂为主,SWD其粒度分形维数明显偏低,各沉积单元粒级组分端元特征明显,通过粒度特征能够很好地鉴别古洪水滞流沉积物层。水文学研究结果表明,自8 500 a以来,在淮和上游至少发生了6次特大洪水,根据各层SWD的厚度和产状关系推求出了其最大可能的洪峰水位,高于水平位10.03~14.36 m之间,据滞流回水环境状态下淮河河道相应的洪峰水位,采用恒定均匀流比降-面积法求得各期洪峰流量介于7 062.18~16 040.94 m³·s^-1之间。研究结果对古洪水滞流沉积物鉴别和古洪水洪峰水位的恢复提供新的思路和方法,同时有效地延长了淮河上游洪水数据序列,可为淮河上游卢庄段全新世时间尺度上洪水流量-频率关系的建立提供参考数据。这对于淮河上游水利水电工程洪水设计和洪水资源化开发管理具有重要的现实意义。     

近55年淮河上中游流域气候要素多时间尺度演变特征及关联性分析

选取1960~2014年淮河上中游流域19个气象站点的月降水量、气温和日照时数等数据,采用气候倾向率、Mann-Kendall、Morlet小波和相关系数法,对流域年和四季降水、气温和日照时数的变化趋势、多时间尺度演变特征以及相关性进行了研究。结果表明：① 降水在年和四季线性变化趋势不显著;气温除夏季不显著外,年和春、秋、冬季变暖趋势显著;日照时数除春季不显著外,年和夏、秋、冬季节变短趋势显著;② 降水、气温、日照时数在年和四季分别表现出多个时间尺度的相对丰枯、冷暖和长短交替特征;第一主周期尺度及其相应的平均变化周期在年和四季有的较接近有的相差较大,第一主要平均周期介于2~10 a之间;③ 气温的复相关系数均小于降水和日照时数;除冬季气温复相关系数较小外,其他季节各要素均较大。降水-日照的偏相关系数绝对值在年和四季均最大。降水-日照时数、降水-气温大部分情况呈反相关系,冬季气温和日照时数在主周期尺度28 a下呈同相变化。     

黄河中上游流域降水量的时空特征及其对三门峡库区水沙量的影响

根据气象和水文资料,采用自然经验正交函数、相关分析等方法,对黄河中上游流域年降水量的时空特征及其对三门峡库区水沙来量的影响进行分析。分析表明：黄河中上游流域年降水量具有3种典型的空间分布结构;在不同的降水空间结构下,三门峡库区各水文站水沙变化差异显著;3种空间结构具有不同的变化趋势和周期;三门峡库区沙源可分为四级源区,水源分为三级源区;未来20年,库区水沙来量有增加趋势。     

敦煌绿洲地下水微量元素分布特征及其成因

采用多元统计和水文地球化学分析对中国西北地区敦煌绿洲地下水微量元素分布特征及其成因进行了研究.结果表明:地下水中大多数微量元素含量较低,水质总体良好.地下水微量元素具有明显的地带分布规律,从山前洪积扇扇顶补给地带,到中下游细土平原径流排泄区,多数金属元素含量增加,部分在中游出现极大值.蒸发浓缩作用和水岩相互作用控制了研...     

粤北小流域河漫滩沉积物的粒度与磁性特征及其古洪水识别意义

随着全球气候变化加剧,台风和强降雨等导致的洪涝灾害频发。如何在沉积记录中有效识别洪水事件,对于查明洪水频发规律具有重要意义。文章对粤北小流域的河漫滩沉积断面（秀丰断面）的沉积物进行了系统的粒度分析和磁性测量,深入分析洪水期沉积层和平水期沉积层不同的粒度和磁学特征,试图为沉积记录的古洪水识别提供新途径。结果表明：1）沉积物粒度组成主要为粉砂,从洪水期沉积层往平水期沉积层有变细的趋势。其中,洪水期沉积层识别出3层含砂量和平均粒径（Mz）表现为较高峰值的洪水事件记录。2）不同沉积层中磁性矿物的组成和来源基本一致,以磁铁矿为主,含有部分赤铁矿。矿物来源除流域内母质自然风化产物外,还包含大宝山尾矿库的输入。3）沉积物主要为悬浮沉积,前汛期持续的长期高水位有利于沉积物分选和沉积,导致处于洪水期沉积层的磁性矿物偏细;随着水动力的增强,洪水期沉积层中识别出的3个洪水事件记录中细粒磁铁矿和赤铁矿含量从河漫滩中部向顶部方向依次增加,同时磁性颗粒粒径变粗。因此,结合磁性参数与对磁性矿物组分的分析能更准确地识别洪水事件。研究区域细颗粒磁铁矿和赤铁矿对饱和等温剩磁的贡献高值叠加粗颗粒磁铁矿贡献降低的磁学特征可作...     

黄河中上游流域夏季异常降水的变化特征及环流分析

 从中国气象局信息中心提供的全国地面台站逐日观测资料中选取黄河中上游流域66 个台站资料,结合NCEP/NCAR再分析资料,运用小波分析等统计方法,对黄河中上游流域夏季降水异常的变化特征、周期分布及影响降水的因子进行分析,研究结果表明：（1）流域旱涝年夏季降水空间分布上差异显著,易涝区位于河套平原,易旱区位于黄土高原东北部;（2）1960-2008年,流域夏季降水量线性趋势变化不明显,但年际间波动较大,多雨年少雨年相间出现,近50 a中降水整体呈现平稳—少雨—多雨—平稳—多雨—少雨的过程;（3）黄河中上游流域降水变化周期复杂多样,总体以2 a周期振荡为主,异常少雨年多表现为9 a周期振荡,异常多雨年多表现为15 a周期振荡,且流域主周期的空间分布可能与地形地貌、海拔高度及流域分布等地理因素有关;（4）丰、枯雨年环流形式差异显著,影响流域降水的环流系统有季风,西太平洋副高,温带气旋及贝加尔湖低压。     

黑河中上游气象要素单调变化趋势分析

分析水文气象要素的长期变化趋势,对于理解气候变化和人类活动对水文过程的影响起着重要的指导和启示作用。本文采用Mann-Kendall非参数检验方法对黑河中上游分布均匀的8个气象站点5个气象要素的长期变化趋势进行分析。结果表明：各个站点的多年年平均气温、日最高气温及日最低气温均呈现显著的上升趋势;对于多年年降水量序列,只...     

淮河流域单季稻气候风险研究

综合考虑单季稻气候适宜性水平及其变率变化,构建单季稻的风险度模型,运用滑动建模技术对淮河流域单季稻的气候风险性进行了动态分析与评估。根据风险分布将淮河流域单季稻温度、降水、日照和气候风险大致分为三种类型:低风险型、中风险型和高风险型;在时间变化上,近几十年来,淮河流域单季稻气候风险度有逐渐增加的趋势;并随着时间的推移,在空间上东部风险较低的区域有逐渐降低的趋势,而西部气候风险高的地区有进一步增大并向东部沿海扩展的趋势。     

1961-2010年长江中下游地区农业洪涝灾害时空变化

为揭示长江中下游地区农业洪涝灾害的发生、分布及时空演变特征,基于1961-2010年研究区内426个气象站点的逐日降水数据,以湖北省单站洪涝等级标准为初始指标,对该指标临界值在-50~100 mm范围内进行同步增减,结合该区7省（市）的洪涝历史灾情记载和农业洪涝受灾面积,采用逐步剔除的方法筛选指标,构建分省农业洪涝等级指标并验证指标的合理性,分析该区近50年农业洪涝灾害的时空变化。结果表明：① 近50年长江中下游地区的农业洪涝灾害发生总体呈增加的趋势,但不同区域和不同年代际差异明显;② 20世纪60年代至80年代农业洪涝发生次数相对平稳,90年代洪涝明显增多,21世纪初洪涝又相对减少;③ 区域农业洪涝灾害明显呈现出江南多、江北少的分布特征。农业洪涝多发区主要集中在江西中北部、江汉平原、浙江沿海,以及安徽、江西和浙江三省交界地带。     

长江中下游流域旱涝急转事件特征分析及其与ENSO的关系

基于长江中下游流域75个雨量站1960-2015年的日降水资料,通过对原有的旱涝急转指数加以改进,定义了日尺度旱涝急转指数（Dry-Wet Abrupt Alternation Index, DWAAI）,全面分析长江中下游流域夏季（5-8月）旱涝急转事件的时空演变特征,并讨论了旱涝急转事件与事件发生前太平洋海表温度的关系。结果表明：① 改进的DWAAI综合考虑了事件前后期旱涝差异与急转快慢程度,筛选事件更加全面。② 总体来说,自20世纪60年以来,流域内发生旱涝急转事件的区域范围越来越广,事件频率和强度均具有逐年增长趋势。旱涝急转事件主要发生在5月和6月,且汉江水系、中游干流区间、洞庭湖水系北部和鄱阳湖水系西北部地区为事件高发区。③ 旱涝急转事件与事件发生前Nino 3.4区域海温持续异常偏低存在一定关系。在发生时间上,La Ni?a现象具有一定的先兆作用,41.04%的事件发生在La Ni?a现象衰亡期或现象结束后8个月内;在事件强度上,流域内站点的DWAAI与事件发生前第1~6个月的Nino 3.4区域海温异常值存在显著的负相关性,尤其是在鄱阳湖水系和中游干流区间,二者负相关性最强。研究结果可以为长江中下游流域防洪抗旱工作提供一定的依据。     

Investigation on flood event variations at space and time scales in the Huaihe River Basin of China using flood behavior classification

Journal of Geographical Sciences - Flood is one of the severest natural disasters in the world and has caused enormous causalities and property losses. Previous studies usually focus on flood...     

黄河中游马莲河历史与现代洪痕沉积与水文学研究

通过对马莲河流域深入调查研究,在马莲河下游峡谷峭壁发现了一组4个显著的洪痕。洪痕沉积物分析看出,马莲河洪水悬移质泥沙以粉沙为主,粘粒和沙粒含量都较低,磁化率值也很低。将这些数据与流域内马家原剖面黄土土壤的的分析结果对比,可知马莲河现代洪痕沉积物是暴雨洪水对于流域内黄土和土壤侵蚀、搬运沉积形成。采用面积－比降法对该组洪痕所记录的4次洪水事件进行了洪峰流量恢复计算。表明高于常水位3.3 m、5.5 m、6.7 m洪痕洪峰流量分别为1 170m³/s、4 060 m³/s、5 690 m³/s。它们与雨落坪水文站观测2005、2003、1977年的洪水洪峰流量值相当,误差小于5 %。最高洪痕高出常水位10～12 m,计算恢复其洪峰流量为13 980 m³/s,洪水发生年代为1841年（清代道光21年）。这些研究结果对于马莲河流域的防洪减灾、水利水电工程设计和水土流失防治具有重要科学意义。     

洮儿河流域中上游水循环要素变化及其原因

选取洮儿河流域中上游地区为研究区,分析1961～2000年期间径流、降水、气温等水文气象要素的演化趋势.采用特征参数时间序列法,初步探讨了气候变化与土地利用/覆被变化的径流效应,并通过洮南站40年天然径流与实测径流的比较,定量分析水资源开发利用对径流的影响.结果表明:降水、气温均呈一定的上升趋势,径流表现出先减少、后增加、再减少的趋势;年降水、年气温分别与天然年径流呈正相关和负相关的关系,然而这种影响随着时间序列的延长均有所减弱;近30年间,植被覆盖度降低可能是天然年径流增加的主要原因;水资源的开发利用导致1986～2000年期间的年径流减少5.8亿m3,占天然年径流量多年均值的37.1%.     

Characteristics of dry-wet abrupt alternation events in the middle and lower reaches of the Yangtze River Basin and the relationship with ENSO

During recent decades, more frequent flood-drought alternations have been seen in China as a result of global climate change and intensive human activities, which have significant implications on water and food security. To better identify the characteristics of flood-drought alternations, we proposed a modified dry-wet abrupt alternation index (DWAAI) and applied the new method in the middle and lower reaches of the Yangtze River Basin (YRB-ML) to analyze the long-term spatio-temporal characteristics of dry-wet abrupt alternation (DWAA) events based on the daily precipitation observations at 75 rainfall stations in summer from 1960 to 2015. We found that the DWAA events have been spreading in the study area with higher frequency and intensity since 1960. In particular, the DWAA events mainly occurred in May and June in the northwest of the YRB-ML, including Hanjiang River Basin, the middle reaches of the YRB, north of Dongting Lake and northwest of Poyang Lake. In addition, we also analyzed the impact of El Niño Southern Oscillation (ENSO) on DWAA events in the YRB-ML. The results showed that around 41.04% of DWAA events occurred during the declining stages of La Niña or within the subsequent 8 months after La Niña, which implies that La Niña events could be predictive signals of DWAA events. Besides, significant negative correlations have been found between the modified DWAAI values of all the rainfall stations and the sea surface temperature anomalies in the Nino3.4 region within the 6 months prior to the DWAA events, particularly for the Poyang Lake watershed and the middle reaches of the YRB. This study has significant implications on the flood and drought control and water resources management in the YRB-ML under the challenge of future climate change.     

疏勒河中下游土地荒漠化敏感性评估

土地荒漠化是疏勒河流域面临的关键环境问题,加强该区域的荒漠化敏感性评估对有效控制荒漠化至关重要。通过集成多源GIS与遥感数据,构建土壤、植被、气候和管理定量评估指标,利用地中海荒漠化与土地利用模型（MEDALUS）计算环境敏感性指数,识别荒漠化敏感区,在此基础上分析荒漠化敏感性的成因,并引入变异系数法确定荒漠化敏感性的主要影响因素。结果表明：目前疏勒河中下游荒漠化态势严峻,17.70%的区域属于极高敏感区,54.34%属于较高敏感区。荒漠化敏感性的空间格局是中部高、北部低,主要由与人类活动有关的管理质量指数决定。从绿洲内至绿洲外荒漠化敏感性逐渐升高,大致呈层状分布,表明人类活动对荒漠化影响显著,建议加强和巩固绿洲外围的防护体系建设。