, 许有鹏, 张倩玉, 李广, 雷超桂, 杨柳, 韩龙飞, 邓晓军南京大学地理与海洋科学学院,南京 210023
Influence of stream structure change on regulation capacity of river networks in Taihu Lake Basin
WANGYuefeng, XUYoupeng, ZHANGQianyu, LIGuang, LEIChaogui, YANGLiu, HANLongfei, DENGXiaojun通讯作者:
收稿日期:2015-08-4
修回日期:2016-01-1
网络出版日期:2016-03-25
版权声明:2016《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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1 引言
河网结构反映了一个流域或地区的水系空间分布,是分析河流形态与功能的重要基础.受人类活动影响,尤其是城镇化的不断加剧,许多河流被掩埋,消失,导致河流水系大量减少,河网发育也表现出由复杂到简单,由多元到单一的变化趋势[1-2].从目前国内外研究成果来看,快速城镇化引起的土地利用方式变化与不透水面积的增加,是导致河流水系减少的直接原因,以及由此引发的洪涝灾害,水质恶化等问题也日趋严重.Elmore等研究表明,1990-2000年巴尔迪摩市不透水面积的迅速增加导致河流水系减少了约66%[3];Jason等指出1942-2011年城市化发展与水库修建是导致美国Lake Thunderbird流域河流水系减少的主要原因[4];Zhang等探讨了河网水系复杂程度与城市洪水频次的关系[5].国内研究则主要集中于城镇化迅速,河网密集的长三角和珠三角平原水网区[1, 6].杨凯等从水环境的角度对上海市河网水系变化开展了一系列研究[7];周洪建等分析了近30年来深圳市河流水系变化的生态环境效应[8].河网调蓄能力是水系在水文方面的重要功能之一,尤其在削减洪峰,降低洪水危害中具有重要的作用[9].而城镇化过程引起的河流数量与面积的持续减少,河道结构简单化使得河网调蓄能力不断削弱,这已成为区域洪涝灾害程度不断加剧的重要因素之一[10].近些年来,太湖流域水系衰减对河网蓄泄功能产生了较大影响,使得河网的平均水位和汛期水位均呈现上升趋势,加大了流域的洪涝风险[11].目前,多借助河道容蓄指标与水系结构参数的相关关系,来分析河网结构对调蓄能力的影响.程江等研究表明,河网水系减少导致上海地区的河网槽蓄容量较百年前减少了近80%[12].袁雯等研究了调蓄能力与河流结构之间的关系,探讨了上海市不同水利片区的水系结构对河网调蓄能力的影响,并基于数理统计方法,提出了河网调蓄能力的估算方法[13].然而,这类方法只能根据河道容蓄来对河网调蓄能力作出简单解释,对于更深入了解河网结构对调蓄能力的影响显得不足.由于受城市发展等人类活动影响,平原水网区的河流正发生着深刻的,不可逆的变化,加之洪涝灾害的频发,都将严重制约着社会经济的发展,因此水系结构对河网调蓄能力的影响仍需进一步研究.
2 研究区概况
太湖平原水网区是中国重要的经济增长区,快速城镇化所导致的河流水系结构剧烈变化是该地区洪涝频发的主要因素之一.本文以REW(Representative Elementary Watershed)概念为基础[14],利用其原理推导出一种相对简便的方法来描述河网调蓄能力.该方法本身并不需要使用整个水文模型,而是根据"河网结构--降雨径流关系--调蓄能力"的过程来间接推导,利用REW概念的能量守恒方程分析得出河网结构参数与调蓄能力的关系式.这种方法相对简便有效,对于深入认识河网调蓄机制,以及水系结构变化对调蓄能力的影响具有重要作用.太湖流域位于长江三角洲地区,北纬30°5'~32°8',东经119°8'~121°55',北滨长江,南濒钱塘江,东临东海,西至天目山,茅山一界,流域面积3.69×104 km2.太湖流域地处亚热带季风气候区,降水丰沛,但季节分配不均匀,其中汛期雨量约占总降雨量的60%,该区域地势平坦,平原面积约占80%,且水系发达,为中国典型的平原水网地区[11].随着中国经济社会的高速发展,太湖流域20世纪80至90年代洪涝灾害日趋频繁,最高水位,受灾面积与降雨量不成比例的增长,也表明城市不透水面的增加,水系数量减少及调蓄能力下降是主要原因.因此,研究城镇化背景下水系结构对河网调蓄能力的影响具有重要意义.
本文以太湖流域的武澄锡虞水利片区为例,总面积约为3840 km2(图1).该区域河网水面积较少,一遇暴雨河网水位上涨很快,极易成灾,主要包括无锡,常州等经济发达地区,一旦受灾,经济损失严重.
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1武澄锡虞地区河网及水位站点示意图
-->Fig. 1Locations of river network and water level stations in the Wuchengxuyu region
-->
3 研究数据与方法
3.1 数据基础
水系数据主要有1960s,1980s,2010s三期,其中1960s,1980s是借助1:50000的纸质地形图,通过对其扫描,配准,数字化得到;2010s水系来自1:5万的数字线画图(DLG),并结合遥感影对其进行校正.太湖平原水网区地势低平,河道受人类活动影响较大,尤其小河道渠化明显,多呈现顺直状,上下游河道宽度差异不大,因此本文依据河流宽度对水系进行分级,即宽度大于20 m的为一级河道,同时也是区域主干河流,起到行洪排涝作用;宽度小于20 m的为支流,其中10~20 m为二级河道,小于10 m的为三级河道,在防洪中主要起调蓄作用[15].同时,为了与三期水系的时间相对应,分别选取主干河道上的无锡,常州和陈墅水位站1960-1970年,1980-1990年和2000-2010年的旬平均水位来反映该地区不同水系格局下的水位特征.3.2 水系结构指标
常用的水系变化指标包括数量特征参数和复杂性参数,选取河网密度(Rd),水面率(WP)来描述水系的数量特征,河网盒维数描述水系的复杂性特征,各指标计算方法及内涵见表1[16].Tab. 1
表1
表1河网水系指标的描述
Tab. 1Definition of the stream structure indices
| 参数 | 计算方法 | 内涵 |
|---|---|---|
| 河网密度(Rd) | Rd = LR/A,LR为区域内河流的总长度;A为区域总面积 | 河流长度发育,反映各区河流的集中程度 |
| 水面率(WP) | WP = (Aw/A)×100%,Aw为区域内河流的总面积 | 河流水系面积的发育,反映水系的调蓄能力 |
| 盒维数(D) | 用边长r的网格覆盖河网,统计包含河流网的格数,记为N(r).变换盒子尺寸,得到一系列r-N(r). | 河网空间分布的复杂性,其值越大,表明河网分布越复杂 |
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3.3 REW原理与河网调蓄能力分析
3.3.1 河网调蓄作用河网水系的形态结构与调蓄功能密切相关,一般在气象,降水,地形等自然条件相同或相似的情况下,流域水系越复杂,其河网调蓄能力越强.在太湖流域,平原水网不仅可存蓄水量,还在水系连通与行洪排涝方面发挥着重要作用,因而河网的调蓄能力对缓解流域性的洪涝灾害具有重要作用[7].
3.3.2 REW概念
将一个流域离散为代表性单元流域,并按照流域上发生的水文过程将其划分为不同的功能子区,这是REW的基本思想[17].一般情况,落在坡面不同区域上的降雨存在超渗产流,蓄满产流机制,以地下水位为分界,可将土壤水划分为饱和与非饱和区.基于此,Reggiani等将每个REW划分非饱和子区,饱和子区,河道子区,蓄满产流子区和超渗产流子区,而REW尺度的质量守恒与动量守恒方程也是基于5个子区建立的[18].
一般来看,平原水网区河网调蓄能力主要由河网水系规模控制,即REW中河道子区的变化情况.本文主要是借助REW中河道子区的方程关系,将其简化并推导出河网结构参数与调蓄能力的关系.由REW原理可知,河网水系变化对于除河道子区以外的四个子区面积影响都很小,它所体现的主要是河道子区与其余四个子区的边界变化,如果仅是河网结构发生变化,则主要引起河道子区的质量守恒方程变化.根据河道子区的质量守恒方程,其蓄水量变化源于四部分:旁侧入流,与饱和子区的水流通量,入流与出流量,自由水面的降雨和蒸发.而旁侧入流,自由水面的降雨与蒸发均属于产流过程,与河道调蓄能力关系不大,这里可不考虑.因此,河道子区的质量守恒方程可以简化为:
式中:ρ为水体密度;m为单位河道长度的体积;ξ为河道长度;B为物质交换的线性系数;上标o表示河道子区;上标s表示饱和子区;上标r表示取平均值;v为速度参数;A代表水量交换的有效边界面积;p为压强;φ为重力头;e为单位面积的物质交换量.由式(1)可知,河网调蓄能力主要与水面面积和洪水通过能力相关,其左边表示河道蓄水量的变化率,即调蓄能力.将其改写为式(2),令M代表河道蓄水量,当ξr不随时间变化时,河网调蓄能力相当于水位变化率和水面面积的乘积.
3.3.2 水系结构指标与河网调蓄能力
为使用REW概念来描述河网结构变化,需要将河网密度Rd与水面率Wp与上述式(1)中的未知量结合起来,从而将方程用这两个参数表示出来.由Rd与河道子区与饱和子区的边界面积Asr的几何关系分析可知,它们之间成正比.
由式(1)中河道入流与出流量关系式可知,出入流速度首先与河道表面积成正比,也就是与水面率的平方成正比,其次还与河道和REW的边界相交点的数量有关.由量纲关系可得,它与Rd的1/2次方成正比,同时与Wp的平方成正比.因此可得式:
因此,将(3),(4)式代入式(2),把不变常量合并,得式(5),a,b,d为比例系数,Qio为河道子区入流与出流量.
此外,水系分维可以反映河网水系的复杂程度,分维越大说明水系越复杂.太湖流域受人类活动以及自然演变影响,河道数量难以确定,因此本研究采用河网盒维数方法进行水系分维的计算.由于Qio和河道与REW的边界交界面积成正比,根据分形维数的定义,河道与REW边界交界的水面宽度为[19]:
即它直接与边界周长(Al)的D/2次方成正比.基于水系分维结构的假设,REW可以通过适用于在任何尺度下,既能应用于整个流域,也能将其分散为很多小流域,把每一个都视为一个REW.由于河网水系并非无限可分,REW也存在一个最小的分辨尺度,这个尺度也就是水系自相似性质消失的尺度.当流域水系被细分到某一个尺度时,水系的自相似性质消失,流域可以被简单的看作一条河道与其它子区的结合.
式中:e为比例系数.因为分维的性质由节点的分支数决定,最小的自相似性分辨尺度单元也就是刚好包含一个分支的平均尺度,这个尺度与Wp的1/2次方成反比,因此这个总周长与河网密度成正比,将得到的宽度对河网密度作平均,即可得到与REW边界交界的水面宽度为:
因此,式(5)还可表示为:
式中:a,b,M与式(5)相同;D为盒维数.
3.3.3 Hurst指数与河网调蓄能力
基于REW的概念,上文已推导出河网调蓄能力与水系结构指标的关系式,但为了确定关系式中的比例系数,需要寻找一个能代表调蓄作用的参数,以便将其运用到实际计算中去.一般来看,径流过程经过河网调蓄作用,相当于经过了低通滤波处理,剔除了短期波动,保留了长期的发展趋势.而时间序列R/S分析的Hurst指数可以反映时间序列的长期趋势,它是由英国水文学家Hurst在大量实证研究的基础上提出的一种方法,后来经Mandelbro等进一步补充和完善将其发展成为研究时间序列的分形理论,目前已得到广泛应用,计算过程见文献[20].同时,Hurst指数还能反映时间序列的复杂程度,即时间序列的分维Dt与Hurst(H)指数存在如下关系:Dt =2-H [19].马宗伟等[20],Zhang等[5]研究表明,流域河网水系越复杂,其径流时间序列Hurst指数越高,即流域的径流变化过程越平缓,发生洪旱灾害的可能性越小.为此,本文也采用Hurst指数来表征河网调蓄能力,即Hurst指数就越大,河网调蓄能力越强.同时,利用1960s,1980s的水系与水位数据,推导出式(5)和(9)中的比例系数a,b,再利用2010s的数据验证这样计算出的调蓄能力是否符合实际.
4 结果分析与讨论
4.1 研究区城镇化进程
武澄锡虞地区城镇化速度快且程度高,在太湖流域乃至中国具有代表性.基于研究区1991,2001和2010年Landsat TM遥感影像解译,得到了不同时期的土地利用分布.结果表明,快速城镇化导致该地区下垫面发生了较大改变(图2).城镇用地和旱地面积不断增加,水田,林地和水域面积都呈减少趋势.1991-2010年,城镇规模显著扩大,城镇面积从705 km2增加到了1533 km2,扩大了1倍之多;水田呈快速减少,1991-2001年减少约200 km2,但随后10年减少约1000 km2,减幅达46.59%;旱地面积则明显增大,20年间增加了约600 km2.同时,林地和水域面积分别下降了48.17%和13.30%.
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图21991-2010年武澄锡虞地区各类土地利用类型变化
-->Fig. 2Changes of land use area in the Wuchengxuyu region from 1991 to 2010
-->
4.2 研究区河网水系变化分析
基于不同时期地形图,电子地图提取水系要素,并结合遥感影像及野外调研核实,得到1960s,1980s,2010s共3个时期的水系图,提取的水系分为线状水系和面状水系,由此来计算各水系指标.分析表明,武澄锡虞地区河流水系减少呈现一定的环湖特性,且与城镇化扩张的部分相对应.自1960s至2010s以来,该地区线状与面状水系均不断减少,减幅分别达35.74%,27.60%;就不同等级河道而言,减少率均表现为:三级水系>二级水系>一级水系.1960s-2010s,研究区各水系指标呈现不同程度减小(表2),其中河网密度与水面率均分别减少18.87%,24.59%,盒维数下降了7.60%.1980s-2010s,各水系指标的变化率比1960s-1980s的变化更加剧烈,这表明1980s以来,随着城市规模的不断扩张,导致河流衰减速度明显加快,水系结构趋于主干化和简单化.Tab. 2
表2
表21960s-2010s武澄锡虞地区水系河网结构变化
Tab. 2Changes of stream structure in the Wuchengxuyu region from the 1960s to 2010s
| 河网水系指标 | 1960s | 1980s | 2010s | 1960s-1980s变化率(%) | 1980s-2010s变化率(%) | 1960s-2010s变化率(%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 河网密度(km/km2) | 3.55 | 3.35 | 2.88 | -5.63 | -14.03 | -18.87 |
| 水面率(%) | 6.10 | 5.60 | 4.60 | -8.20 | -17.86 | -24.59 |
| 盒维数 | 1.71 | 1.68 | 1.58 | -1.75 | -5.95 | -7.60 |
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4.3 研究区水位Hurst指数变化与调蓄能力分析
太湖平原水网地区河流综合交错,缺乏流量资料,水位成为地区防洪的重要依据.而城镇化在加速河流水系减少的同时,同样也对水位过程产生较大影响[21].选取旬水位序列的Hurst指数来反映河网调蓄能力,并借助不同时期Hurst指数的变化来比较河网调蓄能力的改变.以主干河道上的常州,陈墅,无锡站1960-1970年,1980-1990年和2000-2010年旬水位资料进行Hurst指数计算,其结果可反映不同城镇化与不同水系结构影响下的河网调蓄特征(表3).Tab. 3
表3
表3各站点旬水位年均Hurst指数与时间分维数
Tab. 3Annual Hurst index of water level and time fractal dimension at different stations in Taihu Lake Basin
| 时间段(年) | 常州站 | 陈墅站 | 无锡站 | |
|---|---|---|---|---|
| Hurst指数 | 1960-1970 | 0.762 | 0.713 | 0.801 |
| 1980-1990 | 0.741 | 0.662 | 0.778 | |
| 2000-2010 | 0.577 | 0.674 | 0.608 | |
| 时间分维Dt | 1960-1970 | 1.238 | 1.287 | 1.199 |
| 1980-1990 | 1.259 | 1.338 | 1.222 | |
| 2000-2010 | 1.423 | 1.326 | 1.392 |
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常州,陈墅,无锡三个水位站各年代的Hurst指数均位于0.5~1.0之间(表3),说明研究区的水位变化存在一定的持续性.1960-2010年三站的Hurst指数分别减少了0.185,0.039,0.193,表明该地区的水位过程持续性降低.而且,Hurst指数在1980-1990年至2000-2010年的减幅明显高于1960-1970年至1980-1990年,这说明随着城镇化加快与河流水系衰减,河网调蓄能力下降明显.同时,1960-2010年,常州,陈墅,无锡站的水位序列的时间分维分别增加了14.9%,3.0%,16.1%,这表明河流水系的衰减引起了水位过程变化逐渐趋于剧烈,导致河网调蓄功能发生了改变,加大了洪涝灾害的可能性.
Tab. 4
表4
表4武澄锡虞地区汛期/非汛期各站点旬水位序列Hurst指数统计
Tab. 4Hurst index of water level of different stations in wet and dry seasons in the Wuchengxuyu region
| 时间段(年) | 常州站 | 陈墅站 | 无锡站 | |
|---|---|---|---|---|
| 汛期 | 1960-1970 | 0.898 | 0.879 | 0.896 |
| 1980-1990 | 0.854 | 0.793 | 0.835 | |
| 2000-2010 | 0.658 | 0.705 | 0.645 | |
| 非汛期 | 1960-1970 | 0.703 | 0.675 | 0.774 |
| 1980-1990 | 0.820 | 0.807 | 0.817 | |
| 2000-2010 | 0.748 | 0.821 | 0.772 |
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表4为三个水位站汛期,非汛期的Hurst指数统计结果.汛期时,各站Hurst指数均在0.65以上,尤其是前两个阶段,水位变化均表现出较高的持续性,表明该时期流域的河网调蓄能力较强.2000-2010年,水位Hurst指数明显偏小,这主要是由于城镇化发展导致流域水系大量衰减,河道骨干化显著,造成河网调蓄能力降低.相比之下,1960-2010年汛期各站水位Hurst指数的变化特征与表3中的年均变化过程基本一致.对于非汛期而言,各站水位变化的持续性有所差异,陈墅站的Hurst指数逐渐增大,水位变化的持续性表现为不断增强,这表明非汛期期间,该站周边河网调蓄能力有增加的可能,而常州,无锡站的水位Hurst指数则呈现出先增加后降低.总的来看,在不同水文情势条件下,平原水网地区的水位变化对于河网调蓄能力的反映是有差异的,汛期的变化规律相对明显,非汛期表现出一定的不确定性.
上述分析表明,快速城镇化导致武澄锡虞地区河流水系衰减,引发了河网调蓄能力下降.其中,年均及汛期的水位Hurst指数变化所反映的河网调蓄能力与该地区的水系变化过程基本一致.本文主要是借助REW概念推导出水系结构指标与河网调蓄能力之间的关系,从整个区域层面探讨不同水系格局下的河网调蓄能力变化.已有研究表明,河网调蓄能力与Hurst指数存在正相关关系,因此选择Hurst指数来表征河网调蓄能力,将已推导出的水系结构指标与调蓄能力的关系式转化为与Hurst指数的关系,并基于此来验证水系结构变化能否准确反映Hurst指数的变化,从而来反映水系变化对河网调蓄能力的影响.本文主要以表3中年均Hurst指数的变化为例,来反映武澄锡虞地区河网调蓄能力的整体水平,将表3中各水位站的Hurst指数取平均,依次为0.759,0.727,0.620,并结合表2中各期的河网水系指标,利用1960s,1980s两期的Rd,Wp,D与Hurst值对式(5)和(9)中的参数a,b进行率定,得下式:
利用2010s的河网水系指标对两式进行验证,得Hurst指数分别约为0.623,0.618,与2000-2010年计算值0.620相当.因此,借助REW概念推导出的水位Hurst指数与河网水系指标的关系式基本可信,能够用于评价不同河流水系格局下的河网调蓄能力.
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3武澄锡虞地区年均Hurst指数与河网水系指标的相关分析
-->Fig. 3Correlation between annual average Hurst index and stream structure indices in the Wuchengxuyu region
-->
4.4 讨论分析
水文过程对降雨的响应很大程度上依赖于流域的河网特征,而河网结构也在一定程度上决定了其调蓄功能的发挥,从而直接影响到城市的防洪排涝能力[13].在太湖平原水网地区,城镇化对水系结构的影响是局部的,渐变的,而对河网调蓄能力的影响则是整体的,显著的,因此,河网调蓄能力对于区域防洪减灾尤其重要[22].据统计[23-24],整个20世纪太湖流域共发生流域性大洪水13次,其中9次出现在后半世纪.仅1990s就发生了大小洪水6次,以1991,1999年的洪水造成的经济损失最为严重.除气象因素外,这可能与太湖流域近几十年的剧烈人类活动有关.自20世纪80年代以来,太湖流域的土地利用发生较大变化,主要表现为耕地减少与建设用地的增加,产生了大量的不透水层,导致流域产水量增加[25].同时,河网水系的快速衰减,也从整体上降低了流域的调蓄能力,加剧了流域的洪涝风险[13].图3为武澄锡虞区各年代水位Hurst指数均值与Wp,Rd,D等水系指标的相关性统计.1960s-2010s,武澄锡虞地区的水位Hurst指数与各水系指标均成高度正相关关系,这表明二者的变化过程是同步的.同时,水位Hurst指数与各水系指标的斜率关系有所差异,其中与Wp的最大,其次是D,与Rd最小.然而,随着城镇化进程加快与河流水系的大量衰减,该地区的河网调蓄能力呈现逐渐下降的趋势,这与其他****的研究结论也是相一致的[13, 26].
5 结论与展望
基于1960s,1980s和2010s不同城市化发展时期的河网水系和水位资料,分析了太湖流域武澄锡虞地区河网密度(Rd),水面率(Wp)以及盒维数(D)的变化,从河网调蓄的物理机理出发,采用水位Hurst指数来代表河网调蓄能力,借助REW域概念,分析了河网结构参数与调蓄能力的关系.主要结论如下:(1)受快速城镇化影响,1960s-2010s,武澄锡虞地区Rd,Wp和D均出现不同程度减小.其中,Rd由3.55 km/km2下降到2.88 km/km2,Wp由6.10%减少为4.60%,减幅达24.59%,D由1.71下降为1.58,这一变化也是导致该地区河网调蓄能力下降的主要原因.
(2)基于REW概念和水位Hurst指数值,初步构建了水系结构参数与河网调蓄能力的关系,并在武澄锡虞区进行了推导与验证,在一定程度上揭示了该地区剧烈人类活动下河网水系结构变化引起了河网调蓄能力的变化.
总的来讲,受城镇化等人类活动剧烈影响,太湖平原区河网水流变化复杂.本文主要对平原水网区的河网调蓄能力总体情况给出了宏观描述,在今后更广阔的数据背景下,可以将水利工程,下垫面等人类活动资料考虑进来,并结合不同水文情势条件,对河网调蓄能力的描述更加细化,从而更有效地为流域防洪减灾工作提供支持.
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献 原文顺序
文献年度倒序
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被引期刊影响因子
| [1] | . . |
| [2] | . The Yangtze River Delta is one of the most developed regions in China and the rapid development of urbanization have greatly influenced regional hydrology and water resources. Taking several typical urbanizing areas in the Yangtze River Delta as examples, this paper probes into the impacts of urbanization on hydrologic cycle and hydrological process with the support of RS, GIS and hydrological model. The research centers on the impacts of urbanization on precipitation, hydrological process, river networks, and water environment in some typical cities. The results show that: (1) Urban rain island effect is not evident when the process of urbanization is slow, while the differences of annual precipitation and flood season precipitation between urban and suburban areas increased to a certain extent in the booming stage of urbanization. (2) The annual runoff depth and the runoff coefficient increased with the development of urbanization, and the effect will be more notable when the urban areas expand to a certain size; (3) River network systems, especially low-grade rivers have been greatly destroyed in the process of urbanization, which increases the risk of flood and water degradation, so it is very important to protect natural river systems. Based on the results, some proposals of sustainable utilization and protection of water resources is also addressed. |
| [3] | . Headwater streams provide important ecosystem services, including clean drinking water, habitat for aquatic life, and rapid processing and uptake of nutrients, which can reduce delivery of nitrogen and phosphorus to downstream coastal waters. Despite their importance to ecosystem functioning, very little research has addressed the extent to which headwater streams are buried beneath the land surface during urbanization. We measured the occurrence of stream burial within a major tributary to the Chesapeake Bay, for streams with catchment areas ranging from 10 ha to 104 ha. We used hydrologic modeling to identify where streams should be and then calibrated a map of impervious surface area, using high-resolution aerial photography to build a stream channel decision-tree classification. We found that 20% of all streams were buried, with streams in low-residential and suburban areas outside Baltimore City exhibiting 19% burial rates. Smaller headwater streams were more extensively buried than larger streams, a... |
| [4] | . Land cover change and stream channel loss are two related global environmental changes that are expanding and intensifying. Here, we examine how different types and transitions of land cover change impact stream channel loss across a large urbanizing watershed. We present historical land cover in the 666-km 2 Lake Thunderbird watershed in central Oklahoma (USA) over a 137聽year period and coinciding stream channel length changes for the most recent 70聽years of this period. Combining these two datasets allowed us to assess the interaction of land cover changes with stream channel loss. Over this period, the upper third of the watershed shifted from predominantly native grassland to an agricultural landscape, followed by widespread urbanization. The lower two-thirds of the watershed changed from a forested landscape to a mosaic of agriculture, urban, forest, and open water. Most channel length lost in the watershed over time was replaced by agriculture. Urban development gradually increased channel loss and disconnection from 1942 to 2011, particularly in the headwaters. Intensities of channel loss for both agriculture and urban increased over time. The two longest connected segments of channel loss came from the creation of two large impoundments, resulting in 46聽km and 25聽km of lost stream channel, respectively. Overall, the results from this study demonstrate that multiple and various land-use changes over long time periods can lead to rapid losses of large channel lengths as well as gradual (but increasing) losses of small channel lengths across all stream sizes. When these stream channel losses are taken into account, the environmental impacts of anthropogenic land-use change are compounded. |
| [5] | . Urban flooding is a combined product of the climate and watershed geomorphology. River system is one of the vital components of watershed geomorphology. The geomorphic characteristics of rivers have important effect on the formation of flooding. However, there have been few attempts so far to investigate the relationship between flooding frequency, the probability of flooding, and the geomorphological complexity of river system. Such relationship is essential in order to predict likely responses of flooding frequency to the large-scale changes in the complexity of the rivers network induced by accelerating urbanization around rivers. In this study we investigate the correlation between geomorphological characteristics of river system and the probability of flooding. Hangzhou city in China, which has suffered severe flooding, is chosen as a case study to evaluate this correlation and to investigate the impact of changes of drainage networks morphology on the local flooding. The fractal dimension, which is used to quantitatively assess geomorphological complexity of rivers network, is calculated by using box-counting method based on fractal geometry for eight sub rivers network in Hangzhou. A model based on the correlation of flooding frequency and fractal dimension is established. The model is applied to investigate the effect of the rapid urbanization induced changes of river geomorphology on the local flood frequency in two typical regions in Hangzhou. The results show that the flood frequency/event increases with the decrease of fractal dimension of the rivers network, indicating that the geomorphologic complexity of rivers network has an important effect on flooding. This research has great referential value for future flood quantitative investigations and provides new method for urban flood control and river system protection. |
| [6] | . 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 km<sup>2</sup>,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/km<sup>2</sup>,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。 . 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 km<sup>2</sup>,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/km<sup>2</sup>,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。 |
| [7] | . <p>根据20世纪80年代初以及90年代末上海水资源普查的数据，尝试以水利片作为河网地区流域水系结构的基本单元, 类似Strahler水系分级，采用上海水资源管理信息系统中的河道分级体系作为水系分级方案，探讨了感潮河网地区的水系结构特征及城市化响应。研究表明：(1) 非高度城市化地区河网水系总体上具有Horton表现，反映在非高度城市化地区不同水利片的河道数目及河道平均长度随河道级别呈几何级数变化，不同等级水系的发育具有自相似特征。(2) 城市化是改变感潮河网地区水系结构的重要因素，在高度城市化的城区水利片，不同等级河网水系发育的自相似性特征已受到破坏，其影响集中表现为对河网水系分枝比和水面率的削弱，即高度城市化地区河网水系结构趋于简单，非主干河道减少，河网水面率与城市化水平成反比，反映出城市化过程中未能充分与河网结构保护相协调。(3) 河网水系的结构与功能参数之间具有显著的相关水平，说明河网地区水系形态结构与功能密切相关。由于城市化进程表现为对水面率以及分枝比的削弱，指示水面率和分枝比等指标具有表征城市化对水系结构影响的意义，在河网水系保护和结构恢复过程中应高度重视水面率、分枝比以及河网结构自然度等指标。</p> . <p>根据20世纪80年代初以及90年代末上海水资源普查的数据，尝试以水利片作为河网地区流域水系结构的基本单元, 类似Strahler水系分级，采用上海水资源管理信息系统中的河道分级体系作为水系分级方案，探讨了感潮河网地区的水系结构特征及城市化响应。研究表明：(1) 非高度城市化地区河网水系总体上具有Horton表现，反映在非高度城市化地区不同水利片的河道数目及河道平均长度随河道级别呈几何级数变化，不同等级水系的发育具有自相似特征。(2) 城市化是改变感潮河网地区水系结构的重要因素，在高度城市化的城区水利片，不同等级河网水系发育的自相似性特征已受到破坏，其影响集中表现为对河网水系分枝比和水面率的削弱，即高度城市化地区河网水系结构趋于简单，非主干河道减少，河网水面率与城市化水平成反比，反映出城市化过程中未能充分与河网结构保护相协调。(3) 河网水系的结构与功能参数之间具有显著的相关水平，说明河网地区水系形态结构与功能密切相关。由于城市化进程表现为对水面率以及分枝比的削弱，指示水面率和分枝比等指标具有表征城市化对水系结构影响的意义，在河网水系保护和结构恢复过程中应高度重视水面率、分枝比以及河网结构自然度等指标。</p> |
| [8] | . <p>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/km<sup>2</sup> 降低到0.65 km/km<sup>2</sup>; 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/m<sup>2</sup> 降低到2.34 元/m<sup>2</sup>, 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%。</p> . <p>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/km<sup>2</sup> 降低到0.65 km/km<sup>2</sup>; 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/m<sup>2</sup> 降低到2.34 元/m<sup>2</sup>, 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%。</p> |
| [9] | . 洞庭湖是承纳湘、资、沅、澧四水和吞吐长江的洪道型调蓄湖泊。由于湖区发展过程中忽视了环境整治与生态建设,没有协调好人地、人湖关系,中上游干支流水土流失加剧、湖泊泥沙淤积与过度围湖垦殖、高水位地段农业布局与种植制度不合理等人为因素导致湖区调蓄能力下降,洪水位抬升且历时持久;垸高田低,外洪内涝交织,灾害频率上升,灾情增大。为抗御洪水,堤防越筑越高,出现了“水涨堤高水再涨堤再高”的恶性循环现象,造成抬高洪水位、延长洪水过程、降低垸田内排涝能力等副作用。根据人类和自然协调发展原理,提出6条生态减灾和流域管理对策：1)将生态减灾列为国家安全战略体系的重要内容之一。2)将非蓄洪性质的围垦,调整为蓄洪性质的围垦,迁出聚落,正常年份继续耕种,较大洪水年份则用来蓄洪;适度退田还湖,弃耕从渔,将封闭式围垦种植,改造成为半封闭型的筑垸养殖与留湖调蓄。3)环境移民城镇安置,农业与工商业就业并举,缓解人口对土地、湖泊的压力。4)调整湖区农业布局与种植制度,进行适应洪涝灾害发生规律的避洪、耐渍型生态设计,建立适应浅水水体、湖洲和低湖渍害田的复合高效生态工程模式。5)调整丘岗地利用结构与重建山区植被是减灾的治本措施。量大、面广的水土流失发生在丘陵坡地.治理水土流失的关键是建立上中游丘陵生态经济型土地利用格局.6)选育与推广耐涝渍品种. . 洞庭湖是承纳湘、资、沅、澧四水和吞吐长江的洪道型调蓄湖泊。由于湖区发展过程中忽视了环境整治与生态建设,没有协调好人地、人湖关系,中上游干支流水土流失加剧、湖泊泥沙淤积与过度围湖垦殖、高水位地段农业布局与种植制度不合理等人为因素导致湖区调蓄能力下降,洪水位抬升且历时持久;垸高田低,外洪内涝交织,灾害频率上升,灾情增大。为抗御洪水,堤防越筑越高,出现了“水涨堤高水再涨堤再高”的恶性循环现象,造成抬高洪水位、延长洪水过程、降低垸田内排涝能力等副作用。根据人类和自然协调发展原理,提出6条生态减灾和流域管理对策：1)将生态减灾列为国家安全战略体系的重要内容之一。2)将非蓄洪性质的围垦,调整为蓄洪性质的围垦,迁出聚落,正常年份继续耕种,较大洪水年份则用来蓄洪;适度退田还湖,弃耕从渔,将封闭式围垦种植,改造成为半封闭型的筑垸养殖与留湖调蓄。3)环境移民城镇安置,农业与工商业就业并举,缓解人口对土地、湖泊的压力。4)调整湖区农业布局与种植制度,进行适应洪涝灾害发生规律的避洪、耐渍型生态设计,建立适应浅水水体、湖洲和低湖渍害田的复合高效生态工程模式。5)调整丘岗地利用结构与重建山区植被是减灾的治本措施。量大、面广的水土流失发生在丘陵坡地.治理水土流失的关键是建立上中游丘陵生态经济型土地利用格局.6)选育与推广耐涝渍品种. |
| [10] | . <h2 class="secHeading" id="section_abstract">Abstract</h2><p id="">Vulnerability of river channels to urbanization has been lessened by the extensive construction of artificial water control improvements. The challenge, however, is that traditional engineering practices on isolated parts of a river may disturb the hydrologic continuity and interrupt the natural state of ecosystems. Taking the Xiaoqinghe River basin as a whole, we developed a river channel network design to mitigate river risks while sustaining the river in a state as natural as possible. The river channel risk from drought during low-flow periods and flood during high-flow periods as well as the potential for water diversion were articulated in detail. On the basis of the above investigation, a network with “nodes” and “edges” could be designed to relieve drought hazard and flood risk respectively. Subsequently, the shortest path algorithm in the graph theory was applied to optimize the low-flow network by searching for the shortest path. The effectiveness assessment was then performed for the low-flow and high-flow networks, respectively. For the former, the network connectedness was evaluated by calculating the “gamma index of connectivity” and “alpha index of circuitry”; for the latter, the ratio of flood-control capacity to projected flood level was devised and calculated. Results show that the design boosted network connectivity and circuitry during the low-flow periods, indicating a more fluent flow pathway, and reduced the flood risk during the high-flow periods.</p> |
| [11] | . <p>为探讨近年来城镇化快速发展等对太湖流域腹部地区平原河网水系的影响，选取城镇化快速发展且城镇化程度很高的武澄锡虞区为例开展了研究。以1960年代、1980年代和2003年水系为基础，依据河道宽度对水系分级，并从河流地貌学角度定量分析了河网密度、水面率、河网复杂度、河网结构稳定度、分维数等结构特征及长时间序列的水位变化。结果表明：研究区水系要素基本上都在减小；不同等级的河流长度和河湖面积除一级河流面积增加外，均呈减少趋势。河网密度、水面率、分维数均变小，河网复杂度、河网结构稳定度下降，河网演化趋于主干化、单一化，河湖连通性下降。城镇化前后变化显著，且1980年代以来变化加快。同时城镇化背景下的水系衰减对河网蓄泄功能也产生了较大影响，使得年平均水位和汛期水位呈现上升趋势，导致洪灾风险增大。故在城镇化过程中应遵循河网演变规律，促进水系的保护</p> . <p>为探讨近年来城镇化快速发展等对太湖流域腹部地区平原河网水系的影响，选取城镇化快速发展且城镇化程度很高的武澄锡虞区为例开展了研究。以1960年代、1980年代和2003年水系为基础，依据河道宽度对水系分级，并从河流地貌学角度定量分析了河网密度、水面率、河网复杂度、河网结构稳定度、分维数等结构特征及长时间序列的水位变化。结果表明：研究区水系要素基本上都在减小；不同等级的河流长度和河湖面积除一级河流面积增加外，均呈减少趋势。河网密度、水面率、分维数均变小，河网复杂度、河网结构稳定度下降，河网演化趋于主干化、单一化，河湖连通性下降。城镇化前后变化显著，且1980年代以来变化加快。同时城镇化背景下的水系衰减对河网蓄泄功能也产生了较大影响，使得年平均水位和汛期水位呈现上升趋势，导致洪灾风险增大。故在城镇化过程中应遵循河网演变规律，促进水系的保护</p> |
| [12] | . 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 km<sup>2</sup>,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2 029×10<sup>4</sup>m3、单位面积可调蓄容量减少5.06×10<sup>4</sup>m<sup>3</sup>/km<sup>2</sup>。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。 . 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 km<sup>2</sup>,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2 029×10<sup>4</sup>m3、单位面积可调蓄容量减少5.06×10<sup>4</sup>m<sup>3</sup>/km<sup>2</sup>。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。 |
| [13] | . <p>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。</p> . <p>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。</p> |
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| [15] | . <p>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（<i>Dd</i>）、水面率（<i>WSR</i>）、干流面积长度比（<i>R</i>）、支流发育系数（<i>K</i>）和盒维数（<i>D</i>）,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。</p> . <p>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（<i>Dd</i>）、水面率（<i>WSR</i>）、干流面积长度比（<i>R</i>）、支流发育系数（<i>K</i>）和盒维数（<i>D</i>）,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。</p> |
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| [17] | . Reggiani等提出的代表 性单元流域方法是应用热力学理论构建尺度协调水文模型的最初尝试,Tian等扩展了Reggiani等的代表性单元流域定义,在此基础上构建的流域热力学 系统水文模型能够物理地模拟流域上发生的各种主要水文过程,方便了新子区和相物质的增加,增强了模型的可扩展性.针对Tian等建立的基本方程,初步建立 了其中质量交换项和动量交换项的本构关系及几何关系,形成了闭合的常微分方程组,使模型可应用于流域水文模拟的实践. . Reggiani等提出的代表 性单元流域方法是应用热力学理论构建尺度协调水文模型的最初尝试,Tian等扩展了Reggiani等的代表性单元流域定义,在此基础上构建的流域热力学 系统水文模型能够物理地模拟流域上发生的各种主要水文过程,方便了新子区和相物质的增加,增强了模型的可扩展性.针对Tian等建立的基本方程,初步建立 了其中质量交换项和动量交换项的本构关系及几何关系,形成了闭合的常微分方程组,使模型可应用于流域水文模拟的实践. |
| [18] | . The balance equations are derived for water, solid and air phases in the unsaturated zone, water and solid phases in the saturated zone and only the water phase in the two overland flow zones and the channel. In this way REW-scale balance equations, and respective exchange terms for mass, momentum, energy and entropy between neighbouring subregions and phases, are obtained. Averaging of the balance equations over time allows to keep the theory general such that the hydrologic system can be studied over a range of time scales. Finally, the entropy inequality for the entire watershed as an ensemble of subregions is derived as constraint-type relationship for the development of constitutive relationships, which are necessary for the closure of the problem. The exploitation of the second law and the derivation of constitutive equations for specific types of watersheds will be the subject of a subsequent paper. |
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| [20] | . <p>以赣江流域中上游的8个水文站点所控制的流域为研究对象，以水系分形维数为指标来描述流域水系特征，以Hurst指数为指标来描述流域径流序列复杂性，研究两者之间的关系，并分析流域水系特征、水系变迁对流域旱涝灾害的影响。研究表明，流域水系分维数越高，水系越复杂，其径流深序列Hurst指数则越高，其径流过程则越简单，反之亦然。径流序列的复杂程度在一定程度上可以反映出洪涝干旱灾害发生的可能性，径流越复杂，则洪涝干旱灾害发生可能性越高。因此，一般来说水系分维越高，水系越复杂，则洪涝干旱灾害发生的可能性也就越低。各流域水系分维与径流深序列的关系，可以在一定程度上说明水系变迁对洪涝干旱灾害的影响：在气温、降水、地形、植被等要素变化不大的情况下，水系、河网消亡将增加洪涝灾害和干旱灾害发生的可能性。</p> . <p>以赣江流域中上游的8个水文站点所控制的流域为研究对象，以水系分形维数为指标来描述流域水系特征，以Hurst指数为指标来描述流域径流序列复杂性，研究两者之间的关系，并分析流域水系特征、水系变迁对流域旱涝灾害的影响。研究表明，流域水系分维数越高，水系越复杂，其径流深序列Hurst指数则越高，其径流过程则越简单，反之亦然。径流序列的复杂程度在一定程度上可以反映出洪涝干旱灾害发生的可能性，径流越复杂，则洪涝干旱灾害发生可能性越高。因此，一般来说水系分维越高，水系越复杂，则洪涝干旱灾害发生的可能性也就越低。各流域水系分维与径流深序列的关系，可以在一定程度上说明水系变迁对洪涝干旱灾害的影响：在气温、降水、地形、植被等要素变化不大的情况下，水系、河网消亡将增加洪涝灾害和干旱灾害发生的可能性。</p> |
| [21] | . <p>针对杭嘉湖地区洪涝灾害日益加剧的现状, 基于1960~2007 年日降水和日水位资料, 采用Spearman 检验、有序聚类分析和线性模拟方法, 研究了近50 a 来降水和水位变化, 在此基础上探讨了降水和人类活动对特征水位变化的贡献率。结果表明, 区域近50 a 降水变化未见明显趋势, 水位呈增加趋势, 年最高水位、年平均水位和年最低水位增率分别为0.03 m/10a、0.05 m/10a 和0.09 m/10a, 且平均水位和最低水位增加达到显著性水平。8 个代表站点特征水位均呈增加趋势。空间上沿水流方向, 线性坡度值增大。水位降水响应率和平水年水位序列分析显示人类活动是水位变化的重要原因。人类活动对最高水位、平均水位和最低水位变化的贡献值分别为39.0%、56.2%和82.9%。</p> . <p>针对杭嘉湖地区洪涝灾害日益加剧的现状, 基于1960~2007 年日降水和日水位资料, 采用Spearman 检验、有序聚类分析和线性模拟方法, 研究了近50 a 来降水和水位变化, 在此基础上探讨了降水和人类活动对特征水位变化的贡献率。结果表明, 区域近50 a 降水变化未见明显趋势, 水位呈增加趋势, 年最高水位、年平均水位和年最低水位增率分别为0.03 m/10a、0.05 m/10a 和0.09 m/10a, 且平均水位和最低水位增加达到显著性水平。8 个代表站点特征水位均呈增加趋势。空间上沿水流方向, 线性坡度值增大。水位降水响应率和平水年水位序列分析显示人类活动是水位变化的重要原因。人类活动对最高水位、平均水位和最低水位变化的贡献值分别为39.0%、56.2%和82.9%。</p> |
| [22] | . 平原地区一般河网密度高,河道 比降小,水流流泄不畅,极易造成内涝灾害.但由于河流众多,水面面积大,河网的调蓄能力也相当可观.以太湖流域1991年特大洪涝灾害为例,采用河道非恒 定流的计算方法,分析太湖河网的调蓄水量.经计算表明,太湖流域的河网调蓄水量约为太湖调蓄水量的50%,对缓解太湖洪涝灾害起着重大的作用 . 平原地区一般河网密度高,河道 比降小,水流流泄不畅,极易造成内涝灾害.但由于河流众多,水面面积大,河网的调蓄能力也相当可观.以太湖流域1991年特大洪涝灾害为例,采用河道非恒 定流的计算方法,分析太湖河网的调蓄水量.经计算表明,太湖流域的河网调蓄水量约为太湖调蓄水量的50%,对缓解太湖洪涝灾害起着重大的作用 |
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| [24] | . 洪涝是太糊流域最大的自然灾害.其形成和演变除了与充沛而集中的雨量和碟形洼地地势有关外,还与海平面的相对上升、长江三角洲向海推进以及人口的激增有关.史料中统计口径的差异是影响灾害记录的因素之一.下一世纪洪涝的威胁呈增长趋势. . 洪涝是太糊流域最大的自然灾害.其形成和演变除了与充沛而集中的雨量和碟形洼地地势有关外,还与海平面的相对上升、长江三角洲向海推进以及人口的激增有关.史料中统计口径的差异是影响灾害记录的因素之一.下一世纪洪涝的威胁呈增长趋势. |
| [25] | . 根据1986年和1996年土地资源调查和土地详查资料,分析了太湖流域土地利用的数量变化和空间变化,揭示了该区土地利用变化的幅度、速度、区域差异,以及土地利用变化的驱动力。根据1991年汛期(5～9月)降雨,分别计算了1986、1996年下垫面状况下的产水量,比较了二期产水数量和空间分布的差异,分析了20世纪90年代以来流域水位连续偏高的原因,进而分析洪涝是如何对土地利用的变化作出响应的。太湖流域土地利用变化的特征是耕地面积快速减少和建设用地迅速增加,土地利用变化的驱动力是政策因素、经济发展和人口增长。太湖流域10年间土地利用变化使流域产水量增加,洪涝过程缩短,增加的产水分布在流域的上游,加重了流域的洪涝灾害。 . 根据1986年和1996年土地资源调查和土地详查资料,分析了太湖流域土地利用的数量变化和空间变化,揭示了该区土地利用变化的幅度、速度、区域差异,以及土地利用变化的驱动力。根据1991年汛期(5～9月)降雨,分别计算了1986、1996年下垫面状况下的产水量,比较了二期产水数量和空间分布的差异,分析了20世纪90年代以来流域水位连续偏高的原因,进而分析洪涝是如何对土地利用的变化作出响应的。太湖流域土地利用变化的特征是耕地面积快速减少和建设用地迅速增加,土地利用变化的驱动力是政策因素、经济发展和人口增长。太湖流域10年间土地利用变化使流域产水量增加,洪涝过程缩短,增加的产水分布在流域的上游,加重了流域的洪涝灾害。 |
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