3-长江中下游洪水灾害成因及洪水特征模拟分析
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收稿日期 :2005203207 ;修回日期 :2005206214 作者简介 :许有鹏 (1956~ ) ,男 ,江苏省南京人 ,博士 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事地表水文 、水资源教学和研究工作.
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第 5 期 许有鹏等 :长江中下游洪水灾害成因及洪水特征模拟分析
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势 ,其中春 、夏每 10 年增加 3. 9 mm 和 2. 7 mm ,秋 、 冬每 10 年增加少于 1. 0 mm ,尤其 20 世纪 60 年代 以后 ,夏季降水气候变率显著增大 ,洪水灾害频繁发 生 。因此 ,对于长江中下游地区而言 ,季节的变暖都 伴随着多雨 ,变暖越明显 ,增温也越明显 。
其次 ,长江中下游地区由于温室效应产生的气 候变化主要体现在地表温度和降水两方面[2] ,根据 1885~1998 年长江中下游年 、季平均气温及降水量 的统计分析可以看出[3] :自 1885 年以来 ,长江中下 游四季气温都呈增加趋势 ,平均每百年增加温度从 0. 59 ℃(秋季) ~0. 92 ℃(冬季) 不等 ,但自 20 世纪 60 年代以后 ,春 、夏增温趋势则显著高于秋 、冬 ; 并 且在此历史时段内 ,长江中下游降水也呈增加趋
第 14 卷第 2005 年 9
5期 月
Reso urces
长江流域资源与环境 and Enviro nment in t he
Ya n gt ze
百度文库
Ba si n
Vol . 14 No . Sep . 2005
5
文章编号 :100428227 (2005) 0520638206
长江中下游洪水灾害成因及洪水特征模拟分析
2 长江中下游水系特征对洪水的影响
河流水系形态是河流地貌的宏观体现 ,水系形 态受河流地貌发育的控制 ,河流地貌对洪水的影响 是客观存在的 ,即洪水的产生与发展要受到河流地 貌的制约[5] 。河流水系形态特征可以通过河流的分 形特征来反映 ,分形维数则是河流分形特征的量化 表示 ,其与河流洪水之间存在着一定的关系 。河流 的分维有两种 :河长的分维与河网的分维 ,前者是针 对某一条河流来说的 ,后者则是针对某一流域所有 干支流组成的河网来说的 ,因此前者又称河道的分 维 ,后者又称河系的分维 。长江中下游水系形态对
许有鹏 , 于瑞宏 , 马宗伟
(南京大学城市与资源学系 ,江苏 南京 210093)
摘 要 :长江中下游地区洪水灾害的发生是自然地理条件及人类活动共同作用的结果 。流域水系构造和地理特征 决定了其洪水多发性 ,气候变化和土地利用/ 地表覆盖变化导致该地区水循环过程发生较大改变 ,而大量水库 、堤防 的建设以及城市化的发展使得洪水过程发生显著变化 ,因此在各种因素的综合作用下 ,长江中下游地区近年来洪水 灾害频繁发生 。综述了气候变化对长江中下游降水的影响 ,探讨了长江中下游水系特征与洪水灾害的关系 ,分析了 人类活动对洪水灾害的影响规律 ,在此基础上 ,开展了气候和下垫面特征变化条件下的暴雨洪水模拟研究 ,以长江 下游太湖东苕溪流域的南苕溪为研究区 ,进行了流域降雨径流过程的动态模拟验证和特征分析 ,并取得了较满意的 成果 ,从而为长江中下游地区防洪减灾研究打下了基础 。
关键词 :气候变化 ;土地利用/ 地表覆盖变化 ;人类活动 ;洪水灾害 ;长江中下游 文献标识码 :A
长江流域自然地理条件多样 ,大地构造较为复 杂 ,演变形成了多种地质 - 生态环境类型[1] ,长江流 域的地质构造轮廓是自然灾害的基础条件 ,而气候 变化则是长江流域环境演变中最活跃的自然因素 。 近年来 ,气候变化导致全球大气环流过程发生变异 , 从而使得长江流域暴雨 、干旱等异常天气现象不断 发生 。
1 气候变化对长江中下游降水的影响
气候变化对长江中下游洪灾的影响 ,首先表现 为降水分布的时空变化 ,而影响长江中下游降水时 空变化的气候因素很多 ,其中主要包括暖湿气流 、温 室效应 、厄尔尼诺现象等 。
首先 ,长江中下游地处亚热带季风气候区 ,通常 情况下 ,洪水高频发期与气候相对暖湿期相对应 ,但 有时也与气候由暖到冷 (或者由冷到暖 ) 的气候转 型期相关 ,因此在历史时段上气候的频繁波动期往 往也与洪水的频发期相对应 。长江中下游地区降水 变化表明 ,虽然变暖情况下降水的变化在模式之间 有差别 ,但平均来说还是降水偏多的趋势占优 。
纵观近 50 年来长江中下游的降水情况 ,冬季赤 道东太平洋海温 、夏季西太平洋副热带高压和南海 夏季风等气候因子的年际变化和长期趋势变化在 20 世纪 90 年代均表现出异常强的有利于长江中下 游夏季降水偏多的振幅 ,而且对与夏季降水异常直 接相关的环流进行分析发现 ,发生严重洪水的时期 , 在江南有偏强的向北经向风速及水汽输送异常 ,而 在华北及偏北地区有向南经向风异常 ,它们在长江 中下游地区的辐合造成降水的异常偏多 。
以上气候因素所造成的降水频率增多和降水变 幅增大 ,使长江中下游地区极易形成严重的暴雨洪 涝灾害 。20 世纪 80 年代以来 ,长江中下游地区汛 期暴雨日数呈增加趋势 ,而且中下游地区的暴雨季 节相对推迟 ,造成上中下游洪水遭遇 ,洪峰叠加 ,易 形成较大洪水 。此外 ,由于长江干流比降相对平缓 , 洪水安全泻量相对较小 ,遇农历大潮又使下游江水 受到顶托 ,往往造成长江中下游积蓄的洪水宣泄缓 慢 ,如果遇此情况 ,则这种暴雨的时空分布特点可造 成长江全线长时间维持高水位 。
省内长江干流长 干流洪次
省份
( km)
(年次)
干流均洪次 (次/ 百 km)
省内长江段 省内长江流域面积 流域洪次
主河道分维
(万 km2)
(年次)
流域均洪次 (次/ 万 km2)
省内长江流 域河网分维
湖北
787
湖南
-
江西
152
安徽
416
江苏
418
25
3. 18
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18. 6
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2. 10
1. 35
对长江中下游水系形态进行分析时 ,以省份为 单元 ,将研究区域选择在长江中下游干流流经的五 省 (湖北 、湖南 、江西 、安徽 、江苏) 位于长江流域内的 部分 ,然后 ,对各省份内河网分维以及长江主河道河 长的分维分别进行计算[5] 。由于河流分维反映的是 某段河流的平均蜿蜒程度或某区域平均河网密度 , 而各地区洪水发生次数是一个总的统计数 ,不同省 份的长江干流长度与流域面积大小不一 ,河流越长 或流域面积越大 ,洪水发生次数会越多 ,这就使得各 省发生洪水次数并不具备可比性 。因此 ,为了更好 地反映洪水与河网及河道河长分维之间的关系 ,对 洪水分析采用了均值的概念 ,即计算每个省的每百 万千米河道与每万平方千米流域平均发生洪水的次 数 ,并把它与该省位于长江流域内的分维进行比较 , 在相同的长度或面积下 ,统计历史上洪水发生年的 次数[7] ,这样可以较好地说明各省份洪水发生可能 性的大小 (见表 1) 。
洪水的次数比中游省份大 ,即两者成负相关关系 。
表 1 长江中下游各省份河流分维与洪水统计 (1900~1998) Tab. 1 Statistics of Flood Times in Various Provinces in Middle and Lower Reaches of Yangtze River (1900~1998)
长江中下游干流具有比较稳定的巨大河槽 ,有 利于大量洪水的宣泄 ,加上沿江湖泊众多 ,使得其对 洪水有天然的调节作用 ,但长江中下游尤其是中游 地区的地质构造和水系特点 ,决定了长江是一条雨 洪多发河流 ,加上流域环境遭到人类活动破坏等原 因 ,导致该区洪水灾害的威胁加剧 。同时 ,全球气候 变暖导致的海面上升 ,以及厄尔尼诺现象的频繁发 生 ,使长江中下游地区洪水发生的机率加大 。长江 中下游洪水灾害是在自然因素和人为因素的双重影 响下发生的 ,而且随着人类活动的加剧 ,人为因素将 在洪灾发生中起着愈益显著的作用 。因此 ,如何协 调人类活动与洪水之间的关系 ,以及如何在全球气 候变暖条件下防治洪水灾害等将是亟待解决的问 题 ,而进行流域气侯和下垫面特征变化条件下的洪 水规律模拟分析则是该问题的基础 。
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20
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3 人类活动对长江中下游洪水的影响
20 世纪以来 ,随着人口的膨胀和经济的发展 , 人类为了满足自身日益增长的需求 ,致使土地利用 范围不断扩张 ,土地利用强度不断增大 ,从而改变了 地表的形态 ,土地利用/ 覆盖变化目前已经被公认为 导致全球环境变化的两大主要因素之一 。纵观长江 流域历史时期洪灾发生频率 ,汉代平均约 42. 7 a 一 次 ,唐代约 18 a 一次 ,明清时代则增加到 4 a 左右一 次 ,近年发展到几乎每 1~2 a 一次[8] ,表明长江洪 灾发生的频率越来越高 ,周期越来越短 ,究其原因 , 人类活动 (土地利用方式的转变 、区域开发力度的加 大 、生态环境的严重破坏) 对洪水周期因子的影响不 容忽视 。
洪水的影响 ,可通过统计历史洪水及定量计算河流 分维来进行探讨与分析 。
长江中下游地区的地形 、水系分布决定了这个 地区是洪水高发区 。长江中游位于中国第二和第三 级地貌台阶的过渡地带 ,基本上由两个湖盆地貌单 元组成 ,水系呈辐辏型分布 :湘 、资 、沅 、澧向洞庭湖 汇聚 ,而赣 、抚 、信 、饶 、修向鄱阳湖汇聚 。长江出三 峡后从宜昌开始进入中游的冲积平原 ,河床比降锐 减 ,地势较低而且平坦 ;长江荆江段自藕池口到城陵 矶之间的直线距离仅 80 km ,但由于河道迂回曲折 , 河道长度却有 247 km ;此外 ,长江 181 ×104 km2 的 流域面积中 ,有 168 ×104 km2 的流域径流集中在湖 口下泄 ,其径流总量占长江入海径流量的 86 %。综 上所述 ,长江流域水的来路甚多 ,而去路只有一条 , 加之中下游地势低 ,河道多弯 ,泄水不畅 ,极易酿成 洪涝灾害 。据 统计 , 公 元 1644 ~ 1820 年 间 , 湖 北 129 次自然灾害中水灾占 64. 3 % ,湖南 92 次自然灾 害中水灾也占到 65. 2 %[6 ] 。
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长江流域资源与环境 第 14 卷
水发生的可能性与洪水强度就会降低 。如长江下游 的江苏和安徽河网分维数小 ,其单位河网面积发生
再次 ,20 世纪以来长江中下游洪水频发期与厄 尔尼诺现象 ( EL Nino) 的频繁发生有着密切的联系 。 许多研究结果表明 ,赤道太平洋东部海域的水温异 常偏高 ,容易使得夏季中国雨带位置偏南 ,从而导致 长江中游地区梅雨明显 , 进而出现洪灾 。20 世纪 90 年代 ,赤道太平洋东部海域出现了本世纪最强的 EL Nino 事件 ,导致 1998 年夏季长江中游出现特大 洪灾[4 ] 。
从表 1 可以看出 ,区域河道河长分维越高 ,河道 越曲折 ,其行洪泄洪就越困难 ,因而洪水发生的可能 性就越高 。如湖北河道分维高 ,单位河道发生洪水 机率也大 ;而长江江西段是个例外 ,即河道分维不 高 ,但每百千米洪水发生次数多 ,这主要由于辐辏型 水系特征所致 ,水的来路甚多 ,去路只有湖口一个 , 造成了长江江西段极易发生洪水 ,自古以来就有“险 在荆江 ,灾在九江”的说法 。在河网分维中 ,由于河 网分维越高则河网密度越大 ,流域调节能力越强 ,洪