基于环境DNA宏条形码的汉江上游黄金峡段鱼类多样性研究

2020年,采用环境DNA宏条形码对汉江上游黄金峡鱼类多样性进行研究,并对比历史调查数据,构建汉江上游黄金峡段鱼类名录。从9个采样点中共检测出20种鱼类,占名录的45.45%;鲤鱼(Cyprinus_car-pio)、鲫鱼(Carassius_auratus)、圆吻鲴(Distoechodon_tumirostris)和银鮈(Squalidus_argentatus)为优势种;黄金峡上、下游Shannon指数存在显著性差异(P<0.01,n=9),上游鱼类Shannon指数明显大于下游,黄金峡水利枢纽是造成鱼类多样性空间差异的主要原因。环境DNA检测出的鱼类组成与过去传统方法监测的结果相近。环境DNA宏条形码技术是一种新兴的生物监测手段,可以辅助传统鱼类监测方法,快速检测汉江上游鱼类多样性及其空间分布。

Reconstructing the extraordinary palaeoflood events during 3200-2800 a BP in the upper reaches of Hanjiang River Valley, China

Palaeoflood hydrology study is a leading subject in global change study. Through field investigation in the upper reaches of Hanjiang River, palaeoflood slackwater deposits （SWD） were found in the bedrock gorges of the Yunxi reach. The results of field observation, laboratory analysis including particle-size distribution and magnetic susceptibility, and com- parison with modern flood deposits, the SWD were identified as the most typical Holocene palaeoflood deposits of the Hanjiang River. By using stratig;aphic correlation and OSL dating method, the palaeoflood event was dated to be 3200-2800 a BP at the turn from the middle to late Holocene. According to the palaeoflood peak stage and hydraulic parameters, the peak discharges of the palaeoflood were reconstructed as 48,830-51,710 m3/s by using the slope-area method. At same time, the flood peak discharges of 1983, 2005 and 2010 severe floods were reconstructed with the same method and hydraulic parameters in the same cross section. The error between the reconstructed and gauged discharges was 1.99%-4.21%. This showed that the reconstructed palaeoflood peak discharges were reliable. The flood peak discharge-frequency relationship at 10,000-year time scale was established by a com- bination of the gauged flood, historical flood and palaeoflood hydrological data. These results are very important for hydraulic engineering and flood mitigation on the Hanjiang River.

汉江上游水体表层沉积物重金属污染特征评价

为了探明汉江上游干流水体沉积物重金属污染特征及来源,分析了汉江上游干流33个样点沉积物样品中Cd、Pb、Cu、Zn、As、Cr和Ni 7种重金属含量及分布特征,并运用地累积指数法(Igeo)和污染负荷指数法(PLI)评价沉积物中重金属的潜在生态风险。结果表明:汉江上游干流水体表层沉积物中Cd含量超标较严重,有15个样点含量超过土壤重金属的风险筛选值(0.3 mg·kg^-1),占总数的45.45%,其余6种金属:Cu、Zn、Pb、As、Cr和Ni所有样点含量均低于风险筛选值。由地累积指数法和污染负荷指数法评价可知:Cd是污染最严重的重金属,达到极强污染水平,Cu、Ni和Cr为中等污染水平,Pb、Zn和As为无污染,汉江上游沉积物重金属的综合污染指数为0.79,属于无污染等级。相关性分析和主成分分析表明,Cu、As和Cr来源于本身岩石构成,Pb、Zn和Cd主要来源于矿产开发和冶炼活动,Ni的存在既有本身区域矿物质影响存在,也有区域人为活动的贡献。汉江上游沉积物重金属总体生态污染风险较小,但不能忽视Cd的潜在污染风险。

汉江上游现代大洪水滞流沉积物的粒度分布特征研究

对汉江上游现代大洪水高水位滞流沉积物(SWD)系统地采样测试分析,结果表明:汉江上游现代大洪水SWD沉积物性质是沙质粘土或粘土质沙、沙质粉沙或粉沙质沙。其分布特征大致分为两大类:安康段以上基本是以粉沙质沙或沙质粉沙为主,安康段以下基本是沙质粘土或粘土质沙。粒度成分和粒度参数都反映现代洪水SWD经过充分的分选,但是受多种因素影响,其粒径组成具有明显的空间变化。水库或大坝对大洪水SWD的粒度自然分布频率单峰曲线尖窄的形状没有明显的影响,而更多与其沉积的微地貌环境和水动力条件有关。

汉江上游全新世特大古洪水事件光释光测年研究

古洪水事件对中国古代文明的演变进程产生过重大影响,古洪水水文学研究是全球变化研究的前沿课题。通过野外深入考察,在汉江上游河谷阶地上,发现典型的全新世剖面中赋存古洪水滞流沉积层,记录了古洪水事件的气候水文信息。选择三个剖面系统采样,应用SAR法的Post-IR OSL技术对样品进行测年研究,获得了14个OSL年龄数据。结合样品的粒度成分和磁化率等气候替代指标测定分析,获得了全新世洪水事件与气候变化关系的记录。证明在距今9.5~8.5 ka和3.2~2.8 ka前,汉江上游经历了2个特大洪水期。该流域黄土—古土壤剖面记录了全新世早期气温回升增湿的气候,由于大气波动失稳,出现了9~8 ka前的全球降温事件;中期土壤成壤强烈,记录了温暖湿润的气候;晚期形成的现代黄土和表土层,记录了相对干旱的气候。由此揭示了在全新世早期气候波动失稳和中期向晚期过渡的气候转折时期,气候变化剧烈,降水变率增大,是导致特大古洪水事件频发的主要原因,这也是该区域气候水文事件对全球气候变化响应规律的具体表现。

汉江上游归仙河口剖面地球化学特性及其意义

对汉江上游谷地归仙河口剖面的常量元素分布进行研究,结果显示：归仙河口剖面风成黄土的化学成分以SiO2、Al2O3和Fe2 O3为主,Ca、Na、Mg、Si相对于K表现为迁移淋失,Fe、Al相对富集,元素的活动性及迁移序列为Ca＞N a＞ Mg＞ Si＞ K＞ Al＞ Fe,Ca、Na、K的迁移特征说明其达到中等风化阶段.化学蚀变指数、K2O/Na2 O、SiO2/Al2O3、（CaO＋K2O＋Na2 O）/Al2O3和（Al2O3 ＋ Fe2O3）/（MgO＋ CaO＋ Na2O）等地球化学参数,说明古土壤S0形成时期的化学风化最强烈,黄土L1、Lt和L0形成时期的风化作用相对较弱;揭示汉江一级阶地抬升（18.0 ka B.P.前后）以来气候干冷,11.5 kaB.P.开始气候转向暖湿,8.5 kaB.P.开始气候最为暖湿,3.0 kaB.P.开始气候骤然恶化;并记录到4次洪水事件,分别发生在12.5～12.4 kaB.P.、7.5～7.0 ka B.P.、3.1～3.0ka B.P.和1.0～0.9 ka B.P.期间.

汉江上游郧西段归仙河口剖面全新世古洪水事件研究

对汉江上游郧西段一级阶地上归仙河口剖面的磁化率、烧失量和粒度等进行系统分析，用OSL方法对地层进行断代。结果表明：黄土剖面中夹有4层古洪水滞流沉积物（SWD），其颜色呈灰白色或浊黄橙色，结构和质地均匀且松散，与相邻上下层呈突变接触关系；磁化率和烧失量均显著低于相邻上下黄土或古土壤层；在粒度特征上，古土壤S属于粘土质粉砂，黄土L1、L0和MS属于砂质粉砂，古洪水SWD1、swD2和SWD4属于砂质粉砂，古洪水SWD3属于粉砂质砂；与上下相邻层相比，古洪水SWD的颗粒整体偏粗，中值粒径和平均粒径偏大，粘粒含量低，砂粒含量大。这4期的古洪水事件分别发生在1000～900aB．P.，3100～3000aB．P．．7500～7000aB．P．和12500～12000aB．P．，对应于晚更新世末期以来气候波动、转折时期，同时也是对全球气候变化的区域响应。

历史时期以来汉江上游洪涝灾害研究

通过对汉江上游历史时期以来（208BC2010AD）历史资料的搜集和整理，运用最小二乘法、小波分析和克里格插值等方法，对该区域洪涝灾害等级、时间（阶段、季节、周期等）和空间变化规律及成因进行了研究。结果表明，近2220a间，汉江上游共发生洪涝灾害336次，平均6．6a发生1次，集中发生在夏秋季节（59月份）。该区域洪涝灾害划分为轻度洪灾、中度洪灾、重度洪灾和特大洪灾，分别占洪涝灾害总数的24．7％，29．5％，40．5％和5．3％。小波分析显示各级洪灾分别存在2～5a，38～40a，120a，160a的周期。洪涝灾害发生频率的变化呈现波动上升趋势，大致可分为3个阶段，清代道光年间前期、清代光绪年间和民国后期至20世纪末为洪涝灾害多发期。洪涝灾害空间分布差异明显，以安康盆地为中心向南、向北、向东、向西递减，存在两个高频中心和两个低频中心。大气环流异常，特殊地形条件，河流本身的水系特征，河道的弯曲程度及人类活动的影响是造成该区域洪涝灾害频发的主要原因。

秦岭南北河流不同尺度特大洪水对比研究

以秦岭南北的汉江上游、渭河为例,对比分析了万年以来洪水发生的时间、流量的差异,并探讨了气候变化与洪水发生的联系。结果表明：在长时间尺度上,秦岭南北的汉江上游、渭河均有古洪水事件的沉积记录,汉江上游的洪水流量远大于渭河流域的洪水流量,洪水发生时间主要集中在4 200~4 000 a BP和3 200~3 000 a BP这两个时间段内;对季风气候变化分析表明,4 200~4 000 a BP和3 200~3 000 a BP是季风突变气候恶化的两个转折期,气候突变使得秦岭南北河流在这个时间段均有古洪水事件记录,但因测年分辨率的限制,似乎秦岭南北洪水发生时间具有一致性。在短时间尺度上,对秦岭南北实测洪水分析发现,虽然大多数年份秦岭南北没有洪水同时发生,但在个别年份内秦岭南北还是有洪水同时发生情况;从华西秋雨角度分析表明,秦岭南北的汉江上游、渭河处于华西秋雨核心区,但因多种因素的影响,在多数情况下秦岭南北洪水发生的时间并不都是完全相同。研究成果有助于从水文学角度在长时间尺度上揭示秦岭南北地区主要河流洪水发生规律,深化特大洪水事件与季风气候的关系;同时也加深了对秦岭地理分界作用的认识,对秦岭南北因地制宜的进行防洪减灾和水资源的合理调度开发有重要的实践意义。

汉江上游庹家湾剖面化学风化特征及其意义

通过对庹家湾黄土剖面元素的分析,揭示汉江上游地区黄土中常量元素的地球化学行为及对气候变化的响应。用XRay荧光光谱仪、MS-2型磁化率仪分别测量了庹家湾剖面元素含量及磁化率值,实验结果显示:庹家湾剖面的风成黄土化学成分以SiO_2、Al_2O_3和Fe_2O_3为主,三者含量分别为355.83 g/kg、79.62 g/kg、62.64 g/kg;以Ti为参比,Na、Ca、Mg、Si、K表现为迁移淋失,Fe、Al元素相对富集,元素的活动性及其迁移序列为Na>Ca>Mg>Si>K>Al>Fe;Fe和Al元素含量曲线及CIA曲线在228~260 cm(L_1~S_1)和294~370 cm(L_1~S_2)深度处出现明显的峰值,并与磁化率曲线呈现出高度一致性,指示该层化学风化程度明显高于典型黄土,接近于古土壤(S_0),OSL年龄在27.5~21.5 ka B.P.之间。庹家湾剖面常量元素在剖面的变化,表明在汉江上游地区晚更新世末期的气候并非是持续干燥寒冷,而是存在一定的气候波动,在27.5~21.5 ka B.P.期间风化成壤作用较为明显,气候相对温暖湿润。

1960-2011年汉江上游降水量变化特征和区域差异

依据1960-2011年汉江上游31个气象站数据,采用线性回归分析方法、Mann-Kendall突变检验法、空间插值法及Matlab软件小波分析法对汉江上游地区降水时空变化特征以及区域内4个典型亚区(汉中、安康、商州和十堰)间的差异进行分析。结果表明,(1)汉江上游地区的年降水量呈南多北少分布特点,且汉中最大,商州最小;各亚区间差异趋于减小。受季风气候与地貌形态等综合因素的影响,春、冬季降水量呈东南多、西北少的分布特点,夏、秋季降水量呈西南多、东北少的特点;且各区域内部也略有不同。(2)全区与各区年降水量的线性变化趋势均不显著;全区春季降水量呈显著递减趋势(P<0.05),其中商州、十堰对其贡献率最大。(3)全区和各区的年降水量突变均不显著。全区春秋季,商州、十堰春季和安康秋季降水量均发生由多到少的显著突变。(4)全区和各区的年降水量及春、秋季降水量的第一主周期均为30a左右;而局部夏、冬季降水量的周期与此不一致。汉江上游降水量的变化对南水北调中线工程正常运行有一定参考意义。

气候变化对汉江上游径流的影响

根据汉江上游安康以上流域1961—2005年历年逐月气温和降水量资料,统计分析了近45a流域气候变化的基本特点。同时,通过对各站气温、降水量与安康站径流量的相关计算,建立了天然径流量气候模型,并分析了径流量对气候变化响应的敏感性。结果表明:1)近45a来汉江上游安康以上流域的年平均气温呈上升趋势;降水量呈递减趋势,90年代以后减少更为显著。2)在过去45a中,汉江上游径流量总体呈下降趋势;1961年以来,汉江上游径流量大体经历了两个丰水段和两个枯水段;1985年发生跃变,以前呈微弱的上升趋势,以后呈下降趋势。3)径流量与区域年平均气温呈负相关,而与年降水量呈较显著的正相关,年径流量对降水变化的响应较其对气温变化的响应更为敏感。

气候变化对汉江上游径流特征影响预估

为了预测水文站逐月径流,对该流域水资源变化进行评估,运用小波神经网络建立汉江上游流域气象因子与径流过程模拟预测模型,并依据未来气候变化增量情景,对石泉水文站以上流域径流变化响应过程进行不同时间尺度分析。由已知汉江上游流域的月降水量和月平均温度,经小波神经网络自动"学习"训练获得石泉水文站精度较高的逐月径流数据。模拟计算结果表明:在不同未来气候变化设定情景下,该区域径流变化过程较为明显,年平均径流量最大变化范围为-34.7%~21.4%。在降雨量不变、气温升高的情况下,年平均径流的响应变化范围为-5.1%^-13.3%。温度升高引起冬季径流增加较为明显,春季及秋季径流则存在减小趋势,秋季明显减少,而降雨量变化对夏季径流的影响最显著。

汉江上游梯级水电站水库优化运行研究

根据汉江上游石泉、喜河、安康梯级水电站水库群的特点和任务,分别以梯级水电站发电量最大和发电效益最大为目标函数建立优化模型,将逐次逼近动态规划法(DPSA)与逐步优化算法(POA)相结合求解模型,获得梯级水电站长系列优化运行结果。结果表明,梯级水电站水库群优化运行能够充分发挥水库的补偿作用,相比梯级水库群常规调度和单一水库优化运行获得更大的效益;与发电量最大模型相比,发电效益最大模型增加了梯级水电站的发电效益和枯水期出力,调整了水电站的负荷分配,减少了水电站弃水,提高了水资源利用率。研究成果为汉江上游梯级水电站的优化运行提供了理论依据和技术支持。

汉江上游郧县尚家河段全新世古洪水水文学研究

通过对汉江上游实地调查,在郧县尚家河一级阶地前沿发现了含有4个古洪水滞流沉积层的典型全新世黄土-古土壤剖面,对采集的沉积物样品进行磁化率、粒度和烧失量等沉积特征分析,并与现代洪水沉积物特征比较,判定该剖面中的洪水沉积物为典型的古洪水滞流沉积物,记录了汉江上游全新世4期古洪水事件。通过地层对比和OSL测年,确定这4期古洪水事件分别发生在12600-12400aB.P.,11600-11400aB.P.,5500-5000aB.P.和1000-900aB.P.。在确定了古洪水洪峰水位和相关水文参数的基础上,采用比降法恢复了这4期古洪水最大洪峰流量在46 280～63 720m3/s之间,符合流域面积与洪水洪峰流量关系;同时采用相同的河流断面和水文参数,计算了剖面附近的2010年7月18日洪痕流量,与实测流量相比,误差为1.74%,说明古洪水水文参数选择与洪峰流量计算结果是合理的。

汉江上游郧县庹家洲河段全新世古洪水研究

通过对汉江上游的实地调查，在湖北省郧县庹家洲段发现了含有4期古洪水滞流沉积层的典型全新世黄土古土壤剖面。结合野外观察和室内粒度、磁化率和烧失量等指标的测定，判定为典型的古洪水滞流沉积物（SWD），记录了汉江上游4期古洪水事件。通过地层对比、OSL断代等方法，确定这4期古洪水事件分别发生在12600-12400aB．P．，4200—4000aB．P．，3200-2800aB．P．和东汉时期1900-1800aB．P．。然后利用沉积学和水文学原理恢复了洪峰水位，并选择合适的水文参数，采用比降法水文模型推算出了这4期特大古洪水洪峰流量。同时。根据相同的方法，推算了剖面附近1983，2005和2010年洪痕对应的洪峰流量，与实测流量相比，误差在1．99％～4．21％，说明计算古洪水洪峰流量的水文参数选择与计算结果是合理的，而且古洪水洪峰流量计算结果也符合洪峰流量与流域面积关系。

汉江上游弥陀寺剖面风化成壤特征及其对气候变化的响应

对汉江上游弥陀寺发现的完整黄土-古土壤剖面进行了沉积学特征以及磁化率、粒度、烧失量和w(Rb)/w(Sr)等气候替代性指标的分析及研究,结果表明:弥陀寺剖面自下而上具有马兰黄土(L_1)→过渡层黄土(L_t)→古土壤层(S_0)→近代黄土(L0)→表土层(TS)地层序列,记录了自晚更新世以来的气候变化;不同地层单元之间风化成壤差异显著,古土壤层(S_0)的风化成壤强度明显高于其它地层,马兰黄土(L1)的风化成壤强度最弱。剖面风化成壤强度的变化揭示了自马兰黄土堆积以来记录的气候变化,马兰黄土形成时期气候干燥寒冷,过渡层黄土的存在则说明气候由干冷向暖湿转变,古土壤层形成时期气候最为温暖湿润,近代黄土形成时期气候由暖湿向干冷转变。此外,弥陀寺剖面还记录了在全新世大暖期期间的一次气候变冷事件,结合光释光(OSL)测年数据,确定此事件发生于6.48 ka BP左右。

汉江上游近50a来降水变化与暴雨洪水发生规律

使用EOF分解、滑动平均和线性回归趋势分析,对汉江上游流域1960—2009年逐月及全年降水量变化进行时空分析。结果表明,汉江上游在近50a来,年降水量在总体上呈现出减少的趋势。各月份降水量变化以4月和9月降水量减幅最大,而6月和8月降水量则有所增加。1980—1988年是汉江上游流域气候转型期。由于大气环流形势发生变化,春季和秋季西南季风环流减弱,夏季东南季风环流增强。西南季风在6—7月中旬和9月通常会在汉江上游造成暴雨洪水,该阶段降水量的减少,可能会导致洪水发生几率减小。东南季风在7月下旬和8月会在汉江上游造成暴雨洪水,此期间季风的增强,可能会使该阶段暴雨洪水的发生几率增大。这些结果对于指导汉江上游水资源水能源开发和防洪减灾具有重要的意义。

湖北弥陀寺汉江段北宋时期古洪水研究

对湖北汉江郧县弥陀寺河段的地貌进行了考察,在该河段一级阶地上发现了黄土-古土壤剖面。对剖面进行了样品采集和详细的分析。结果表明,剖面中记录了一期古洪水事件。通过OSL断代及地层对比,确定此期古洪水事件发生于北宋时期(公元900-1000年)。用两种方法确定了古洪水的水位高程,并对两种方法所得的结果进行了对比。这次古洪水事件的洪峰流量在58620~64270 m3/s之间。研究结果可供汉江上游的防洪工程建设参考。

基于CFS的汉江上游梯级水库系统月入库径流预测

将天气预报产品引入水文模型是提高长期径流预测精度的有效途径,但引入方法仍存在难度。为此,以汉江上游梯级水库系统为例,引入智能算法及相似典型放缩,构建基于分预见期校正的CFS与SWAT耦合径流预测模型,首先甄选智能算法校正CFS降雨,然后基于相似典型放缩对其进行时空展布,最终将其输入分区率定的梯级水库SWAT模型,从而实现月径流预测。结果表明,随机森林和人工神经网络更适合于CFS预测校正且不受预见期影响,基于相似典型时空分布的耦合模型预测效果较好,能为梯级水库系统提供更为可靠的径流预测。