热示踪法对广州城市化地下温度影响的辨识

浅层地温和近地表空气温度之间存在内在能量交换,随着时间推移,地表温度变化的信息会向下传播,并叠加到稳态地温场上。因此,可通过当前地温剖面,反过来重建地面温度变化的历史。为评估全球变暖和城市化对广州地下温度的综合影响,本文收集了广州站自1958—2022年的气温数据并对这段时期的气温数据进行回归分析和距平分析,获得了广州16个观测钻孔的温度-深度剖面;再利用温度-深度剖面下段进行回归分析,得到地温梯度以及偏离恒定地温梯度的深度;最后,结合气温数据得到开始增温时间和增温幅度,运用解析解方程得到广州地表增温下温度-深度剖面的理论曲线。结果显示广州气温在1958—2022年间的增温速率为0.33℃/10a,开始增温的时间为1987年,增温幅度为2.6℃。广州区域观测到的地温梯度值为0.036℃/m,而地温偏离恒定地温梯度的深度为54.8 m,与通过解析解计算得到的理论深度57.6 m基本一致。研究发现城市化导致的地表变暖开始时间越早,地下温度与恒定地温梯度偏离的深度越大,表明城市区域地温偏离恒定地温梯度的深度可作为描述城市化进程的一个指标。

基于层次分析法的天津滨海新区生态风险评估研究

为明确经济高速发展过程中区域生态风险变化以及风险防控方向,以天津市滨海新区为研究对象,结合滨海新区实际,运用层次分析法从自然环境、经济环境、社会环境3个方面选取了23项指标构建区域生态风险评估指标体系和生态风险评估模型,并对研究区2004~2018年生态风险水平进行评估。结果表明:2004~2013年滨海新区生态风险呈现增加趋势,2013年以后整体维持在较高风险等级(Ⅳ级),主要受自然环境和社会环境因素影响,建议在地面硬化率、人口自然增长率、人均年用水量比例等权重占比较大的因素方面采取相应措施来降低生态风险。

暴雨型山洪灾害链监测预警研究与展望

暴雨型山洪及其链生过程是山区常见的致灾隐患,因其点多面广、成因复杂,加之相关过程常表现显著的突发性、局地性与隐蔽性等特点,增加了灾害早期识别与监测预警的难度。目前,山洪灾害链转化机理与监测预警研究是防灾减灾领域具有综合交叉特色的国际前沿与热点问题。为此,通过梳理暴雨型山洪灾害链国内外研究现状与趋势,分析了相关研究中亟需突破的关键科学与技术问题,并针对性提出了研究方向和研究展望。其中亟待突破的关键科学与技术问题有:如何揭示暴雨-洪水-滑坡(崩塌)-泥石流的同源链生转化机理,如何建立灾害链精准监测与稳定传输技术,如何构建灾害链预警指标体系与动态预警平台。建议研究方向为:暴雨型山洪灾害链致灾因子辨识研究,暴雨型山洪灾害链关键要素监测预警技术研发,山区小流域山洪灾害链监测预警平台研发,暴雨型山洪灾害链监测预警技术集成与示范。研究展望包括:突出多科学交叉、多手段融合,以“致灾因子辨识-关键技术研发-软件平台构建-集成应用示范”为研究主线,最终在灾害链驱动演化机理、精准监测与动态预警技术等方面取得突破和创新,预期成果可为提升山洪灾害链防御能力、推动生态可持续和流域高质量发展提供科技支撑。

暴雨山洪监测技术研究进展与发展趋势

山区局地降雨是诱发暴雨山洪的最主要因素,加强山区小流域雨量监测,分析致灾临界雨量指标值并及时发布有效预警信息,是降低山洪灾害损失的有效非工程手段。目前针对暴雨山洪灾害研究主要集中在短时临近预报预警领域,对山洪监测技术适用性研究不足,山洪暴发的时空尺度具有特异性,传统监测站网无法满足山区暴雨高强度短历时的监测需求,当前构建跨尺度山洪监测体系仍具有一定难度。针对山洪监测技术中雨量监测研究现状,评述了国内外雨量计、测雨雷达、卫星遥感、微波链路测雨及降雨融合技术研究进展。暴雨山洪监测技术虽然在不断发展,但单一监测传输手段及信息源将无法满足复杂山区环境的山洪监测要求,通过构建山洪立体监测技术体系,可为山洪过程模拟、洪灾风险评估及山洪预报预警提供实时雨量监测数据和技术支撑。

太阳黑子和ENSO对日本吉野川流域水文要素影响

剖析"太阳-气候-水资源"体系作用机制对区域水资源科学管理具有重要科学意义。利用相关分析、主成分分析和小波分析方法,探究太阳黑子运动和厄尔尼诺(ENSO)对日本吉野川流域降雨、地表径流和地下水位影响。研究结果表明:太阳黑子活动和ENSO对研究区域水文过程显著影响分别发生在11 a和2~7 a周期上;太阳黑子运动能量以ENSO为"媒介"作用于流域降水和河川径流,但对地下水位波动影响不明显;太阳黑子活动在不同时频域对研究区域水文过程产生"直接"和"间接"影响,太阳黑子的"直接"影响可能通过调制ENSO外的气候模态来实现,其"间接"作用则通过"ENSO-西太平洋副高-东亚环流-水汽运动"系统作用实现。

西江流域径流与气象要素多时间尺度关联性研究

使用水文统计和交叉小波方法对西江流域1961-2005年径流变化特征及其与气象要素的多时间尺度的关联性进行分析。结果表明,径流量总体呈现减少的变化趋势,可能是人类活动引起流域内蒸发和入渗增加,使径流对降水的响应减弱造成的,径流丰枯变化基本与降水的波动相一致。气温对径流的显著作用主要集中在1990-2000年3-5 a周期上,径流对气温变化的响应时间为6-12个月;降水与径流在大部分时频域中呈同相相位变化,其相互作用主要集中在1992-2003年3-4 a和1980-2000年11-12 a周期上;大气环流变化对径流的影响主要集中在1965-1975年2-3 a及1993-2000年3-5 a周期上,对径流的影响可能是通过对区域降水影响实现的,径流对前一次环流变异响应时间为6-12个月,对后一次响应时间较快,时间的差异可能是下垫面的改变引起流域产汇流机制变化造成的。

山洪灾害监测预警技术研究及发展趋势综述

山区城市化进程加快、生态环境恶化、极端水文事件增加造成山洪灾害日益严重,已成为制约山丘区社会经济发展的重要因素。针对当前山洪灾害监测预警技术研究现状,综述了山区暴雨洪水过程模拟、山洪灾害监测预警技术研发和防灾减灾模式构建的最近进展。在综述国内外研究现状的基础上,提出了山洪灾害监测预警技术研究的发展趋势,包括从机理研究、技术研发、模式构建和应用示范等方面开展监测预警关键技术攻关;充分发挥物联网技术在山洪灾害防治领域的作用;采用"自然-社会"二元山洪灾害防治范式。研究成果可为山洪灾害防治体系升级改造提供科技支撑。

珠海小规模溪流水温与气温关系研究

使用最小二乘曲线拟合法、相关分析和互相关分析法，对中山大学珠海校区滨海水循环综合试验基地监测的2006年8月-2009年6月溪流水温、水位及气温数据进行分析。发现小规模溪流水温-气温可以用线性模型和logistic模型较好拟合，水温波动相对气温存在2．0h位相延迟，水温一气温相关程度与水位值呈负相关关系；使用Moflet小波滤波、功率谱分析及小波方差计算等方法对水温与气温的日周期、半日周期及季节性周期成分进行研究，探讨其周期大小以及周期成分能量等问题。

山洪灾害调查评价过程实践问题刍议

结合贵州省、云南省和湖南省县级山洪灾害调查评价过程实践经验,探讨了项目实施过程遇到的科学问题。分析表明:(1)山洪灾害调查评价名录的确定是工作开展的核心问题,应结合基础信息收集和现场排查等手段,排除调查评价对象中的地质灾害点;(2)山洪灾害调查的断面测量工作在实施过程中,遇到沿河村落所在河道河漫滩过大和以坡面径流形式存在的山洪灾害情景,需根据实际情况调整和制定相应的山洪灾害测量技术规范,务必科学分析和评价不同情境下的山洪灾害危害;(3)无资料地区山洪灾害调查评价是当前工作的难点,可采用遥感解译、无人机航测和水文计算等方法解决资料匮乏地区洪水演算和山洪灾害危险区识别与划定问题。

气候变化对降雨侵蚀力的影响研究综述

以全球变暖为主要特征的全球气候变化导致降雨侵蚀力改变,从而影响区域土壤流失过程。因此,研究气候变化对降雨侵蚀力的影响,对适应和预防全球气候变化、争取环境外交主动权、制定农业发展战略具有积极作用。对相关研究成果进行了总结:国外相关研究由侧重单一的降雨量变化对降雨侵蚀力的影响,发展为气候变暖和土地利用类型的变化对土壤侵蚀环境的综合影响;国内相关研究起步较晚,侧重于不同区域降雨侵蚀力的计算,在长江流域,气候变化对降雨侵蚀力影响的相关研究较少。加强相关研究,既可为长江流域降雨侵蚀力的研究提供理论依据,又可为长江流域降雨侵蚀的防治和气候变化下水保措施的制定提供技术支撑。

基于温度和电导的地下水-海水交互作用研究

以中山大学珠海校区滨海水循环综合试验基地2006年12月到2007年3月地下水排泄区井群井水和海水温度、电导数据为基础,计算井水和海水温度平均值及变差系数,发现研究区域地下20m处存在含水层与海洋联通现象。使用混合比（End member mixing analysis,EMMA）、Mallet小波分解重构、互相关计算以及频谱分析等方法,对D5井水中混合海水含量以及海水对D5井作用机制进行研究,结果表明：D5井水中海水所占比例为9%~16%,海水对D5井能量贡献比为31%（其中12%通过海水-井水混合实现,19%通过介质传导实现）;D5中海水混合比的变动相对潮汐站水位变化存在5.5h相位延迟,其变化趋势及显著周期大致与潮汐站水位变化情况一致。

地表暖化影响下温度示踪地下水流速方法

为构建温度示踪方法测算地下水流速技术体系,并应用于区域地下水资源评价,基于最小二乘法和垂向一维非稳定流水-热运移方程数值解法,提出地表暖化情形下地下水流速计算方法,并对雷州半岛东北部地下水流速进行测算。结果表明:研究区域地下水补给速度为0.796m/a,入渗以西北部降水和运河渗漏为主;地下水排泄速度为0.269m/a,排泄入海主要发生在东海岛、南三岛和硵州岛附近。温度示踪解析区域地下水流动情况与地下水位分布情况基本一致,观测和计算地温数据具有较强相关性(R^2>0.50)和较低均方根误差(均值0.748),表明提出方法率定得到的地下水流速具有较强的可靠性。参数敏感性分析结果表明,地质体热扩散率和地表温度均对地温计算结果产生较明显的影响,参数的准确率定对利用地温计算地下水流速十分重要。

地温示踪技术在地下水科学中的应用研究进展

对含水层流场与温度场耦合作用原理及地温示踪技术在地下水科学中的应用进行评述,总结了地温示踪技术在前沿地下水科学中的应用进展:(1)探究地表暖化-地下水流动对地温的影响;(2)计算含水层水文地质参数;(3)解析滨海含水层地下水循环过程。温度示踪法具有低成本、无污染、易于连续观测等优点,在地下水科学研究中具有广阔的前景,但利用温度示踪技术解析地下水科学问题目前仅适用于各向同性含水层,关于地下水气相和固相的交互过程中温度变化的研究亟待加强。

地温示踪地表暖化过程中的气候变化和城市热岛效应

对日本熊本平原城区和郊区28口观测井温度进行测量,利用一维非稳定水-热流运移方程解析解反演地表温度变化率,同时与研究区域7个气象站气温数据进行对比验证。结果表明:1987-2012年研究区域城区地表温度增加1.51°C,近地表气温增加1.13°C;郊区地表温度增加0.81°C,近地表气温增加0.59°C。研究区域气候变化和城市热岛效应对地表暖化过程的贡献率基本一致,通过对城区和郊区地温进行测量分析,能有效量化区分两者对地表暖化过程的影响。

温度示踪界面水文过程研究进展及发展趋势

界面水文过程涉及不同圈层间物质循环与能量交换,是区域资源-生态-环境保护的关键环节。温度示踪工具具有成本低、易操作、无污染等优点,能够有效示踪水文过程,但界面能量交换机理复杂、影响因素多,温度示踪界面水文过程是研究的重难点。综述了降水—土壤水—地下水、地表水—地下水和地下水—海水界面水文过程的水热运移机理、温度示踪方法和应用案例,提出今后研究发展趋势:研究应充分考虑温度示踪界面水文过程的尺度效应;温度示踪方法计算结果具有一定不确定性,需多手段进行验证;引入新型温度监测技术,解决界面能量变化的大范围、长时间精准监测是提高示踪结果准确度的有效手段;构建适用于不同尺度、不同类型的多维水热运移模型是今后研究的重点方向。

广州市近50年气温变化特征研究

气候变化对自然界和人类的影响都十分巨大,关于气温变化的研究是气候变化研究中的热点。本文以1961年1月1日到2008年12月31日广州市日平均气温数据为基础,运用滑动平均法、小波分析等方法研究发现:近50年来,广州市年平均气温与年最高气温有较明显的增长,年最高气温和最低气温具有2～4年的震荡周期,其变化均以4年为限交替出现高—低变化的趋势。

小尺度山洪灾害区下垫面特征分析——以官山河流域为例

为响应国家加强小区域山洪灾害建设和防范预警要求,给小尺度山洪灾害区域建设和预警提供基础数据支撑,以官山河流域为例,采用地学统计、植被指数计算、面向对象与人机交互解译、空间叠加分析、野外调查等方法,获取流域地形、坡度、植被覆盖度、土地利用类型等下垫面特征,分析潜在受灾村落和人口。结果表明:官山河流域地势中间低、边缘高,最低点为流域出水口,平均历史受灾海拔、坡度分别为415 m和21°;平均植被覆盖度为71%,主要土地利用类型为林(草)地,历史受灾主要在低植被的沿河、沟、道路周边;居民房屋为山洪灾害重点承灾体,占总面积的1%,裸地、坡耕地占总面积的2%;潜在受灾房屋主要集中在官山河、袁家河、吕家河、西河两侧地势低的位置,受灾总人口为8106人,2023户。官山河流域出口处的弯曲、窄河段、上下游卡口区条件,不利于快速泄洪,易引发山洪灾害。在强降雨下,裸地、低植被陡坡地易产生山洪,沿河、道路周边低植被覆盖的村落易遭受山洪灾害。官山河流域共有12个村存在潜在受灾威胁,需做好山洪灾害预警和防范建设;五龙庄、大河湾、赵家坪、吕家河、马蹄山、西河、官亭村是山洪灾害防御建设的重点。

基于Hurst指数与相关系数的降雨侵蚀力变异识别与分级方法

变化环境下区域降雨侵蚀力的时空变化问题对区域水土流失防治工作提出了新的挑战。降雨侵蚀力序列不再是纯随机序列,往往存在趋势、跳跃或者周期的变化,在对降雨侵蚀力序列分析与计算时,现有研究往往采用单一的检验方法,缺乏对降雨侵蚀力序列各类成分的综合比较,所得到的结果可信度及其程度如何无法判断。该研究提出了基于Hurst系数和相关系数的降雨侵蚀力序列联合分析方法。该方法首先计算降雨侵蚀力序列的Hurst系数,引用水文序列变异的概念,从统计学角度将降雨侵蚀力序列确定性成分分为三级(无变异、弱变异和强变异)。然后通过多种检验方法综合检验,将得到的结果与原序列进行相关性分析提取相关系数最大的确定性成分(趋势、跳跃和周期),对其进行剔除,重复上述步骤,将降雨侵蚀力序列中的确定性成分进行一一分解,最终得出的降雨侵蚀力序列将是一个随机序列与确定性序列的组合。实际应用中,根据长江流域174个气象站点1961—2014年逐日降雨资料,对流域内各气象站点年降雨侵蚀力序列进行确定性成分分析与分级结果表明:长江流域174个气象站点中有130个站点降雨侵蚀力序列无明显变异,有31个站点降雨侵蚀力序列出现弱变异,有13个站点降雨侵蚀力序列出现强变异。以重庆奉节站为例进行综合检验,分析结果为整体强变异,该站年降雨侵蚀力序列存在复合周期和跳跃成分,其中复合周期为5 a和16 a,向下的跳跃点为2011年。该研究为变化环境下区域降雨侵蚀力预测提供理论依据。

华南滨海小流域降雨入渗对地下水的补给分析

以华南滨海小流域——中山大学滨海水循环试验基地(试验基地)作为研究区,在对该流域地下水和雨水分别进行采样、实验分析的基础上,利用氯量平衡法(CMB)与地下水动态法计算了该流域的降雨入渗补给系数与给水度。研究发现,试验基地地下水主要受降雨补给,地下水埋深在雨季(4—9月)、旱季(10—3月)的变动范围大致为0～1.5 m与0～0.5 m。根据CMB计算结果,补给区、中间区雨季降雨入渗补给系数分别为旱季的1.3～1.6倍和1.3～2.0倍,且补给区大于中间区(M5井除外)。利用地下水动态法计算次降雨入渗补给系数,所得雨季、旱季的均值(7.6%和4.6%)与CMB计算结果(7.7%和5.3%)较为接近。给水度、雨强与入渗补给系数均存在一定的线性关系。将地下水埋深分别与降雨入渗补给量及潜水蒸发量进行多项式拟合对比,发现降雨入渗对地下水的最大入渗补给埋深约为2.3 m,当埋深为3.1 m时,地下水可获得最大净补给量。

珠江三角洲滨海小流域离子化学特征及来源分析

在分析中山大学滨海小流域水循环综合试验基地内雨水、河水和地下水离子组分的基础上,讨论了该小流域内水体离子化学组分的特征及来源。结果显示:①河水中TDS变化范围为28.97～44.64 mg/l,平均值为33.90 mg/l;在离子化学组成中,阳离子以Na++K+为主,阴离子以Cl-和HCO3-为主;雨水中TDS的变化范围为0.88～26.07 mg/l,平均值为8.42 mg/l,离子含量变化幅度较大;地下水TDS变化范围为39.49～113.16 mg/l,均值为58.11 mg/l,约为流域河水的2倍,雨水的7倍;②海盐沉降中Ca2+、Mg2+、Na+、K+、SO42-的贡献率:雨季分别为6%、60%、47%、2%和15%,旱季分别为3%、41%、54%、2%、9%;③硅酸盐风化中,雨季:(Ca/Na)sil=0.31,(Mg/K)sil=0.21;旱季:(Ca/Na)sil=0.36,(Mg/K)sil=0.27;CO2消耗率为12.4 t/(km2.a);④河水中的NO3-和(SO42-)res主要来源于大气酸沉降,且具有旱季含量低、雨季含量高的特点;⑤R1潜水井受到一定程度的NO3-污染,NO3-的含量平均值达3.12 mg/l,且呈现出旱季含量大于雨季的特点。