北方土石山区典型流域不同类型洪水的水沙关系差异及归因

基于水文站的降水、径流和泥沙数据,采用聚类分析、含沙量-流量(SSC-Q)滞回曲线等方法,从事件尺度研究北方土石山区弥河流域不同类型洪水事件的径流、输沙特征,揭示各类洪水水沙关系及输沙贡献情况及水土保持措施影响机制。结果表明:(1)弥河流域1951-2021年的261次洪水事件可划分为小型、中型、大型和特大型四类,洪水事件的滞回曲线类型主要为8字形。随着洪水量级的增加,洪水事件的洪水历时和径流输沙量均呈增长趋势,径流和泥沙变率增加,复合型滞回曲线的占比逐渐加大。(2)大型与特大型洪水事件发生频次最低,但输沙贡献率高达86.9%,是北方土石山区输沙的主要洪水类型,主导弥河流域的水土流失灾害,在流域治理中需重点关注。(3)水土保持措施和人类活动对中、小型洪水事件的影响较大,其水沙关系变率超过10%;但对大型洪水事件的影响相对较小,水沙关系变率仅为1.2%。通过合理配置流域中的水土保持措施,当地中小型洪水事件的水沙关系可得到调节,从而达到拦蓄洪水、调控泥沙的目的。同时,亟需持续加强特大暴雨的水土流失及洪水防控措施,避免其给北方土石山区的生态环境等造成严重破坏。研究结果可为该区域水土保持工作的开展及特大暴雨洪水事件的应对提供理论和实践依据。

中国极端降水事件的时空变化及趋势预测

基于622个站点的逐日降水数据,利用Mann-Kendall检验、Sen’s斜率和R/S分析等方法,探究了中国极端降水事件的时空变化特征及未来变化趋势。结果表明:(1)近60年来,中国极端降水量指数呈不显著增加趋势(p>0.05),最大一日降水量(RX1day)、最大五日降水量(RX5day)、强降水量(R95p)、总降水量(PRCPTOT)的增加速率分别为0.52、0.10、0.64和6.00 mm/10 a。极端降水强度指数(SDII)以0.13(mm/d)/10 a的速率显著增加(p<0.05);而极端降水日数指数呈不显著增加趋势(p>0.05),R20和R50的增加速率分别为0.13和0.06 d/10 a。(2)从分区来看,除持续湿润日数(CWD)外,极端降水事件的其他指数在华南、华中、西北和西南地区存在显著增加趋势(p<0.05),在东北和华北地区呈现显著减少趋势(p<0.05)。其中,RX1day在华南、华中、西北和西南地区的增加速率分别为0.62、0.52、0.21和0.49 mm/10 a,在东北和华北地区的减少速率分别为-0.48和-0.63 mm/10 a。而CWD在华南以外的地区均以低于0.05 d/10 a的速率显著减少(p<0.05)。(3)除R95p和PRCPTOT外,其余极端降水指数未来将延续历史变化趋势(H>0.5)。极端降水量指数和极端降水强度指数总体都将呈现增长趋势,且在华南、华中、西北和西南地区延续显著增加的趋势。而极端降水日数指数总体虽为增长趋势,但CWD仍将在华南以外的地区呈现持续性较强的下降趋势。研究结果可以为我国暴雨灾害预警与区域水资源利用提供参考。

中国设计暴雨量变化及其对降水变化的响应

为探究气候变化对水利工程防御洪水标准及其自身安全性的潜在威胁,根据639个站点的日值降雨数据,综合Pearson-III型曲线、最小二乘法及F检验等方法,研究了1958-2017年的中国设计暴雨量的变化及其对降水变化的响应。结果表明:(1)多年平均降水量、日最大降水量及不同重现期下的设计暴雨量在空间上均沿东南向西北逐渐减少。(2)华南、华中、西北和西南地区的多年平均降水量和日最大降水量均呈显著增加趋势(p<0.05),年降水量的增加速率分别为0.82、0.46、0.24和0.21 mm/a,而日最大降水量的增加速率为0.02~0.06 mm/a。(3)在20 a一遇的重现期下,华中、西北、西南地区的设计暴雨量呈显著增加趋势(p<0.05),增加速率分别为0.19、0.05和0.15 mm/a,华南(0.03 mm/a)和华东地区(0.10mm/a)呈不显著增加趋势。华北地区呈显著减少趋势(p<0.05),减少速率为-0.08 mm/a,而东北地区不显著减少(-0.03mm/a)。随重现期的增长,设计暴雨量的变化速率具有“增的愈增,减的愈减”的基本特征。(4)设计暴雨量变化与日最大降水量变化呈显著的正相关关系。在特定重现期下,设计暴雨量会随日最大降水量的增加而增加,可能造成工程实际防洪标准下降,亟需对已建工程的防御标准进行校核修订。研究结果可以为我国工程设计标准的更新及防洪减灾工作提供理论与实践支撑。