青藏高原东南部来古冰湖变化及其溃决洪水评估

冰湖溃决洪水(Glacial lake outburst flood,简称GLOF)灾害是冰川区最常见、危害最大的灾害类型之一,历来是国内外学者研究的关键科学问题。在全球变暖的大背景下,冰川退缩加剧,其下游冰湖扩张快速,湖面升高,溃决风险提高。青藏高原尤其是东南部地区孕育着大量的冰湖,在过去的几十年间,冰湖溃决洪水威胁着当地人民的生产生活。基于LANDSAT遥感影像,本文获取了青藏高原东南部雅弄冰川和来古冰湖1986年、1990年、1994年、1997年、2000年、2003年、2005年、2011年、2013年和2017年共10期湖面面积,并结合实地测量的冰湖水深资料,计算了冰湖对应年份的储水量,建立冰湖面积与储水量变化序列;结合野外调查从冰湖面积与水量变化趋势和突发事件两方面探讨冰湖溃决可能性;利用BREACH模型和SMPDBK模型估算和模拟来古冰湖溃决洪水,做灾害预警分析。结果表明,1986~2017年冰湖上湖变化不大,而来谷下湖处于持续扩张中,面积由1986年的1.151±0.070 km^2扩张至2017年的3.148±0.097 km^2,水量由0.645×10^8 m^3增加至2.143×10^8 m^3,雅弄冰川在1986~2013年持续后退,在2013~2017年突然前进;经讨论其溃决风险得出冰川滑动入湖导致湖水瞬时涌出从而造成溃坝的可能性较高;利用BREACH模型及SMPDBK模型对来古冰湖溃决洪水模拟结果表明,当来古下湖湖水受冰体挤压抬升发生溃决时,溃决洪水将严重威胁然乌镇及其上游居民的生命和财物安全。     

藏东南冰湖溃决泥石流灾害及其发展趋势

冰湖溃决泥石流是高山冰湖溃决洪水引起的突发性泥石流,是一种自然灾害现象.西藏冰湖溃决泥石流集中分布于东南部的雅鲁藏布江、波曲及朋曲流域等.冰湖溃决泥石流常形成灾害链对藏东南社会、经济危害严重.分析了气温和降水对冰湖溃决和及其所形成的泥石流的影响,认为冰湖的溃决大部分是由于异常气候条件造成的,冷湿的气候有利于冰川的积累,当气候转为湿热和干热或气温突然升高0.6～1.2 ℃时最易引起冰湖溃决泥石流.通过对西藏地区气候变化的研究,对未来50 a藏东南冰湖溃决泥石流的发展趋势作了预测探讨.一般来讲,气温升高,冰川融水的增加有个临界点,当过了临界点后其冰川融水将会减少,冰湖溃决可能性减少,冰湖溃决泥石流也将减少.也就是说,未来西藏东南部冰湖溃决泥石流的发展趋势,将呈倒"U"字型.冰湖溃决泥石流的发生更多地依赖于突发性的降雨增多.     

我国西藏地区冰湖溃决灾害综述

冰湖溃决是我国西藏地区典型的地质灾害类型之一,具有突发性强、规模大、破坏力强和危害范围广等特点,往往造成下游地区遭受惨重的生命财产损失。冰湖溃决成因特征是形成机制、早期识别和危险性评价等冰湖溃决研究的基础,受客观条件限制,我国西藏冰湖溃决的基础调查工作存在资料分散甚至缺失的局限性。为解决这个难题,通过资料收集、遥感解译和野外调查等技术手段,重新梳理了我国西藏地区的冰湖溃决事件及基本特征,共调查出33个冰湖37次溃决事件,其中2个为冰川阻塞湖（简称冰川湖）,划定了冰湖溃决高发地带的地理分布位置,分析出冰崩/冰滑坡、埋藏冰融化、冰川融水、强降水、泥石流和上游冰湖溃决洪水6种诱发原因,为我国西藏冰湖溃决研究提供基础调查成果和参考依据。     

新疆阿克苏河流域洪水演变趋势研究

全球气候变暖将加剧水循环,增大洪水风险。阿克苏河流域位于天山南坡,是北半球中纬度典型的高山流域。本流域不仅有暴雨洪水、冰川和积雪融水造成的洪水,而且还有冰川溃决突发洪水。以阿克苏河的两条支流库玛拉克河和托什干河为研究对象,利用块最大值抽样方法（block maximum）和超定量阈值（peak over threshold,POT）抽样方法提取出1958—2011年的洪水事件,其中基于POT方法在两条支流分别提取106次和112次洪水事件,主要集中在6月、7月和8月份。研究表明：阿克苏河的两条支流库玛拉克河和托什干河的年最大洪水强度分别以8.48 m³?s^-1和3.40 m³?s^-1的速率增加;在洪水发生时间上,以冰川融水补给为主的库玛拉克河,洪水发生时间有提前的趋势,而以降雨和融雪水补给为主的托什干河,洪水发生时间变得更加分散,表现为春季最大洪水提前、秋季最大洪水推后。     

近20a来西藏朋曲流域冰湖变化及潜在溃决冰湖分析

全球气候变暖,青藏高原冰川普遍处于退缩趋势,由此引发的冰湖溃决洪水的灾害也随之增加.通过对2000/2001年度卫星遥感数据解译结果和1987年国际联合考察的朋曲流域冰湖溃决洪水结果的分析,研究了近20a来朋曲流域内冰湖的变化.结果显示,该流域中的冰湖数量有减少,但冰湖的面积却在增加,这是同期全球气候变暖的结果.在提供了冰湖编目数据的基础上,识别了有潜在危险的冰湖,为冰湖溃决洪水早期预警系统提供了科学依据.     

西藏嘉黎吉翁错冰湖溃决机制特征

正在全球气候变暖背景下,青藏高原及周边地区的冰川整体处于快速退缩状态,导致冰川的不稳定性增加,冰川灾害的风险程度加剧,如冰崩、冰川跃动、冰湖溃决洪水和冰川泥石流等灾害事件频发(邬光剑等,2019)。据不完全统计,自20世纪以来,西藏冰湖溃决灾害呈增加趋势,已有33个冰湖前后发生37次溃决,主要分布于海洋性和大陆性冰川的过渡带,以及帕隆藏布流域的海洋性冰川地带,溃决机制也呈多样化发展(刘建康等,2019)。     

亚洲高山区冰湖溃决洪水事件回顾

冰湖溃决洪水是由冰湖快速大量释水所导致的自然灾害。在全球变暖背景下,亟待建立完整的冰湖溃决洪水数据库,以进一步对冰湖进行危险性评估和风险管理。整理了亚洲高山区（青藏高原及周边地区）的冰湖溃决洪水资料,得出冰湖溃决洪水主要分布在天山山脉、喀喇昆仑山、喜马拉雅山脉、念青唐古拉山、横断山等区域。20世纪以来,亚洲高山区共计发生冰湖溃决洪水277起,其中冰碛湖溃决洪水113起,冰坝湖溃决洪水164起。导致冰碛湖溃决的诱因以冰-雪崩或冰川滑塌为主导,占50.1%,埋藏冰融化或管涌、强降水或上游来水、滑坡-岩崩以及地震占比分别为23.1%、18.5%、7.4%和0.9%。1980年以来,冰碛湖溃决洪水的发生频率呈较弱的增长趋势;但由于发生溃决的冰湖趋于小型化,其溃决水量与洪峰流量在喜马拉雅山脉、天山山脉等地区呈显著下降趋势。2010—2018年间喜马拉雅山脉中段发生8起冰湖溃决洪水事件,远高于天山山脉、喜马拉雅山脉东段和念青唐古拉山等地区,成为新的高发区,是未来重点关注的地区。在未来冰湖溃决洪水频率可能增加的状况下,相关国家和地区在应对冰川灾害、实现区域防灾减灾等方面需要加强沟通交流,共同建立跨区域协调的防灾体系。     

新疆冰川、积雪对气候变化的响应(II):灾害效应

新疆地区冰川、积雪广泛分布,在其融水补给河川径流的同时,也常伴有冰川洪水、融雪洪水、冰湖突发洪水、冰川泥石流、冰雪崩和风吹雪等冰雪灾害发生,这些灾害对当地居民居住地以及重要国防干线的安全运营形成较大威胁.冰川、积雪变化直接影响到冰雪灾害发生的程度与影响范围,新疆的冰川洪水和冰湖突发洪水灾害主要发生在塔里木河流域的喀喇昆仑山、昆仑山以及天山南坡西部一带,融雪洪水灾害主要发生在新疆北部的阿勒泰地区、塔城地区和天山北坡一带,冰川泥石流、冰雪崩灾害主要发生在帕米尔高原、天山西段和西昆仑山地区,风吹雪主要在天山中、西段地区.随着全球气候变暖,尤其是新疆从1987年开始的气候由暖干向暖湿的转型,冰川退缩加剧,融水量增大,冰川洪水和冰川泥石流灾害随着冰川融水径流的增加而增多;而融雪洪水、雪崩和风吹雪随着气候变化引起的冬季积雪增加和气温升高,其灾害强度在增强;冰崩灾害随着气温升高引起的高山冰体崩解而呈增加趋势.在新疆地区,冰雪灾害主要表现为冰雪洪水,已观测到近十几年来在气候变化影响下冰雪洪水发生的频次和强度有增加的趋势,塔里木河流域的冰湖溃决洪水和冰川洪水及北疆春季的冰凌和融雪洪水已对当地的生命财产和社会经济发展带来巨大危害,新疆的水资源安全、灾害等问题日益凸显.预计未来,随着气候增温引起的冰雪融水径流的增加,相关的冰雪灾害增多,因而增加了冰雪灾害的危险程度,并可能形成若干新的灾害点.面对气候变化诱发的众多冰川、积雪灾害,目前还缺乏对灾害监测、预测预警方面的适应对策.因此,在全球气候变化不断加速的趋势下,冰雪灾害应引起有关方面的足够重视,加强气候变化对冰雪灾害的影响评估和适应性管理对策研究,使科学技术在减灾方面发挥主导作用.     

藏东南冰湖溃决泥石流形成的气候因素与发展趋势

冰湖溃决泥石流是高山冰湖溃决洪水引起的突发性泥石流,是一种自然灾害现象,对藏东南社会、经济危害严重。文中根据实地调查及相关资料,分析了气温和降水对冰湖溃决和冰湖溃决泥石流的影响以及冰湖溃决泥石流年内和年际的形成规律,并认为冰湖的溃决往往是由于异常气候条件造成的,冷湿的气候环境有利于冰川的积累。当气候转为湿热或干热,特别是气候突变异常年代,最易引起冰湖溃决泥石流。受西藏气候变化的影响,未来40年藏东南冰湖溃决泥石流的发展趋势呈抛物线"∩"型。     

冰湖溃决泥石流形成的临界条件

随着全球气候的变暖, 在世界上许多高山峡谷区的冰湖溃决及其溃决洪水引发的泥石流, 经常对下游居民及其他基础设施造成极为严重的危害. 使用水槽试验的方法, 从单宽流量和库容、沟道纵坡、堆积物粒径3个方面探讨了冰湖溃决泥石流形成的影响因素和临界条件. 结果显示: 冰湖溃决泥石流形成与否不仅与溃决洪水提供的能量有关, 还与参与泥石流活动的沟床物质特性紧密相关. 通过对试验数据的分析, 当泥石流形成的特征参数K>2.66时, 冰湖溃决洪水可以演化为泥石流. 该种方法可以对危险性冰湖的预测提供理论参考.     

影响阿克苏河年径流量变化的前期大气环流指数因子研究

应用阿克苏河两条支流的年径流量和国家气候中心发布的74类大气环流月指数资料,分析了年径流量与前一年大气环流月指数之间的关系.用滑动相关法提取初始因子库,建立回归模型和集合分析,得到超级集合回归模型.托什干河年径流量监测序列与超级集合拟合(预测)序列的相关系数达0.8766,而库玛拉克河达到0.8122.用逐级反推法,确定影响两条支流年径流量年际变化的前一年环流指数因子.影响托什干河年径流量年际变化的前期环流指数都以持续1个月的因子居多;影响库玛拉克河年径流量年际变化的前期环流指数都以持续2个月的因子居多,其次是4个月、1个月.影响两条支流年径流量的前期大气环流指数因子的种类、空间分布、时间分布、持续影响时间等差异很大,这些不同与阿克苏河两条支流的流域参数、地表水来源组成、地表径流形成的气象条件等多方面的差异有关.     

阿克苏河洪水类型及其形成的500hPa环流特征

利用阿克苏河两条支流和干流的月径流量以及年最大洪峰流量资料,分析了阿克苏河的洪水特征.阿克苏河西支托什干河主汛期在5~8月,北支库玛拉克河与阿克苏河干流的主汛期在7~8月,库玛拉克河的洪水对阿克苏河干流洪水作用更大.托什干河洪水以融雪型、融雪叠加暴雨型两种类型为主,库玛拉克河洪水以融雪(冰)型、融雪(冰)叠加冰湖溃坝型为主,阿克苏河干流洪水以混合型最多见,其次是融雪(冰)型.年最大流量排名前15位的洪水中,阿克苏河两条支流与干流在1987年以后分别出现了7~9a,在此基础上分析归纳了三类形成阿克苏河流域主要洪水的500hPa环流模型.阿克苏河流域主汛期形成混合型洪水的500hPa环流特征为:新疆高压脊稳定在天山山区中部及以东地区,5880gpm等高线北界稳定在天山上空或天山以北,西部边界在帕米尔高原以东的南疆盆地上空,中亚地区为副热带低槽活动区,环流形势相对稳定.主汛期形成融雪(冰)型洪水的500hPa环流特征为:新疆高压脊向北发展且稳定维持3d以上,5880gpm等高线北界稳定在天山以北,西部边界在帕米尔高原以西.春季形成融雪型洪水的500hPa环流特征为:帕米尔高原及西天山受新疆高压脊控制,稳定维持3d以上,高压脊内5840gpm等高线北边界维持在40°N以北.     

基于遥感技术估算藏东南山区地下水径流模数方法

如何科学评估野外场地条件下的地下水径流模数对于满足工程水文地质需求具有重要应用价值.结合现场调查、遥感解译和气象水文观测等技术手段,通过建立线性回归模型,开展了帕隆藏布流域场地条件下的地下水径流模数估算研究.结果表明:研究区具有典型的季节性积雪融雪规律.冬季积雪在夏季大量融化产流,作为地下水的一个额外补给源.去除融雪产流对径流模数影响后,研究区岩浆岩裂隙型、变质岩裂隙型、碎屑岩裂隙型、碳酸盐岩-碎屑岩裂隙溶隙型含水介质地下水径流模数分别在1.081~2.792 L/s·km2、1.833~3.225 L/s·km2、1.128~2.889 L/s·km2、3.455~3.879 L/s·km2之间.估算结果显示本文所建立的地下水径流估算模型可作为藏东南地区及类似条件区域地下水径流模数估算新方法,为雅鲁藏布江下游梯级开发等大型基础工程提供重要的水文地质参数支撑.      

塔里木河干流上游中、下段河床淤积和耗水对生态环境的影响

塔里木河干流上游中、下段河床一直呈淤积状态, 新渠满站1965-2007年总淤积厚度达120 cm, 平均年淤积3.0 cm. 其中: 1965-1990年25 a淤积50 cm, 年均淤积2.0 cm, 1991-2007年17 a中河床淤积加快, 总淤积70 cm, 年均淤积4.7 cm. 由于河床淤积, 河道行洪断面缩水, 洪水漫溢不断增大, 导致上游段耗水量呈不断增加趋势, 2001年起上游段己成为干流最大的耗水区. 阿克苏河、和田河和叶尔羌河3条源流出山口多年平均年输沙量为6310×10~4t, 进入塔里木河干流龙头站--阿拉尔站多年平均年输沙量为2050×10~4t, 干流上游段多年平均年泥沙淤积量为1462×10~4t, 占塔里木河阿拉尔站多年平均年输沙量的71.3%, 是干流最大的泥沙淤积区, 也是现今最大的洪水漫溢区和耗水区. 塔里木河干流上、中、 下游各水文点年输沙量呈急剧減少趋势, 泥沙淤积河道主要是上游段的沙雅二牧场至英巴扎318 km河段. 塔里木河上游段河长495 km, 多年平均区间耗水量14.48×10~8m~3, 占阿拉尔站多年径流量的31.5%;中游河长398 km, 多年平均区间耗水量24.84×10~8m~3, 占阿拉尔站年径流量的54.0%;下游河长428 km, 多年平均区耗水量6.68×10~8m~3, 占阿拉尔站年径流量的 14.5%. 上、 中游段多年平均区间耗水量39.32×10~8m~3, 占阿拉尔站年径流量的85.5%. 上游耗水量从2001年起成为塔里木河干流最大的耗水区, 导致2002、 2005和2006年上、中游耗水量达到50.0×10~8m~3, 占阿拉尔站年径流量的88%, 成为历史最大值.     

中国西部特殊地貌区地下水开发利用与生态环境功能保护研究

西北内陆流域平原区降水稀少、蒸发强烈,近50 a来各流域下游区天然绿洲面积不断萎缩。以石羊河流域、艾丁湖流域为研究区,针对下游区天然绿洲退变主因与机制问题,基于农田面积、出山地表径流量及灌溉引用水量、地下水开采量和流入下游区地表径流量调查统计、潜水埋深及包气带水理指标原位监测和地下水水位统测,以及植被类型、分布范围、覆盖度和NDVI指数等遥感解译获得的资料,应用流域水循环和水量均衡理论、时间序列分析和地学多元相关分析方法开展研究,得出如下认识:（1）近50 a来,西北内陆流域下游区天然绿洲严重退化的根源是天然水资源匮乏,主因是人口数量不断增加和上、中游区拦用出山地表径流水量大。（2）灌溉耕地不断扩大是下游区天然绿洲面积萎缩的主要驱动因素,每增加1.0 km2灌溉耕地导致石羊河流域下游、艾丁湖流域平原区的天然绿洲面积分别减少1.35~2.07 km2和1.57~3.83 km2;气候越干旱、上游出山年径流水量越少,灌溉引用出山径流水量占当年总径流量的比率越大,流入下游区地表径流水量越少,由此造成下游区天然绿洲面积减少越大。（3）西北内陆流域天然绿洲退化可控,但是由于水资源不足,制约了天然绿洲退化的可控性。在水资源匮乏背景下,现状人口数量驱动的农田用水规模难以继续调减,需要有序促进经济社会用水规模与天然绿洲修复供水规模之间的和谐程度。因此,本研究成果为西北内陆流域水资源合理开发利用和天然绿洲退化修复提供了重要科学依据。     

甘肃河西走廊西大河中游湿地成因与保护对策研究

干旱的河西走廊永昌县境内分布有弥足珍贵的刘克庄、焦家庄、北海子、圣容寺等4块面积达20.38 km²的湿地,均分布于西大河中游的永昌盆地。湿地的形成是地貌-构造所控制的水文地质条件及地表水、地下水（泉水）相互转化共同作用的结果。受20世纪以来气候变暖趋势及人类过度开发利用水资源的影响,西大河中游湿地面积呈逐步减少的萎缩状态,目前较大的泉眼仅有879个,近30年来湿地面积减少40%以上。加强西大河上游祁连山径流形成区和水资源涵养区的生态环境保护,减少出山地表水的引用量,控制中游地下水开采量及地下水位,是保护有限湿地资源的主要对策措施。     

1975-2011年渭河上游径流演变规律及对气候驱动因子的响应

为探讨渭河上游径流的变化特征及其对气候变化的响应,选取1975-2011年河流实测径流量进行计算和分析. 结果表明：近40 a来,渭河上游径流总体呈明显下降趋势,其中,20世纪90年代前处于丰水期,90年代后进入枯水期,进入21世纪有明显增多趋势. 径流年际丰枯变化激烈,枯水年的发生概率高、持续性强,最长的连枯年份达8 a. 径流量集中在汛期,各年代的分配峰型有所不同,在70、80年代为7、9月双峰,之后变为单峰型分布. 流域内气候增暖明显,降水减少,蒸发加剧;90年代为明显的暖干型气候,21世纪初期气候向暖湿型转变的过程对径流的增加十分有利. 径流对气候变化有较强响应,但响应程度随时间变化而变化. 通过定量分析气候因子对径流变化的贡献值,发现由于气候增暖导致潜在蒸散量的加剧对径流变化的负贡献达60%以上,绝对值高于降水量的正贡献.     

坡地径流入渗机制对水文模拟的影响分析

建立了适用于栅格单元系统的基于运动波理论的降尺度新安江模型(KWXAJ)。在栅格单元中采用新安江模型计算产流,运动波模型进行坡面汇流演算。模型中,为考虑上游坡地单元入流的径流入渗(run-on)效应,在进行坡地产流计算时,降雨及上游坡面流及壤中出流被同时作为来水输入新安江模型。在运动波模型中,糙率系数依据土地利用方式及洪水量级确定。选取淮河史灌河流域黄泥庄以上集水区域,作为研究区域。用流域历史上的13次洪水过程来率定和验证此模型。研究表明,run-on机制对流域产汇流预测有重要影响,其显著影响流域内土壤蓄水量时空分布,进而改变产汇流机制。数据分析还显示,不考虑run-on机制将导致模拟洪峰滞后。     

Utilising South Africa's largest river: The physiographic background to the Orange River scheme

The Orange River, with an average annual runoff of 11 500 million m³, is the largest among South Africa's rivers, drains 48% of the total area of the country and provides for 22% of the total South African downflow. Not only does the average annual precipitation of the drainage basin vary from 2 000 mm in the upper reaches to 40 mm at the river's mouth in the Atlantic, but large deviations from the average are the rule rather than the exception over most of the area. The correspondingly low reliability in the discharge of the Orange master stream is demonstrated by a 0,6 coefficient of variability. For utilising the river's water efficiently, periodic and seasonal runoff deficits may be overcome by building large storage dams. This is the purpose of the H.F. Verwoerd Dam, near the confluence of the Caledon and the Orange Rivers, and the P.K. le Roux Dam 130 km lower downstream. They form part of the R490 million (1974 estimate) Orange River Project by which water is stored and distributed in canals and tunnels (one 82 km long) reaching beyond the basin boundaries to Bloemfontein in the north and Port Elizabeth in the south. The implementation of the Orange River and Tugela-Vaal Schemes shifted the spatial focus of water development upstream along the Orange, Caledon and Vaal Rivers towards the plateau blocks of Lesotho.     

大通河流域土地利用/覆被变化的水文响应

以大通河流域为研究区域,利用1985年和2005年土地利用数据,结合SWAT分布式水文模型定量评估了流域土地利用/覆被变化的水文效应。结果表明：1985-2005年大通河流域的土地利用变化主要表现为草地向耕地、居工地转变,草地所占比例由46.7%骤降至20.9%,而耕地面积由1985年的1065.8km²增加到2005年的3243km²;相较于1985年的土地利用情景,2005年土地利用情景下的模拟的多年平均径流增加了1.92×10⁸m³,由于上中下游主要的土地利用/覆被变化不同,导致流域径流变化增加程度由西北至东南逐渐增大;大通河流域年径流的增加主要表现为汛期径流增加,讯期月平均径流增幅达到了0.40×10⁸m³·mon^-1;非汛期径流则呈不明显减小趋势,平均降幅为0.024×10⁸m³·mon^-1。合理规划大通河流域土地利用方式,提高水源区涵养能力,对流域水资源可持续发展具有重要意义。