气候变化背景下洪涝灾害对流域生态水文环境影响研究

关键词：气候变化；洪涝灾害；流域生态；SPEI指数；水文环境

前言

在全球变暖的严峻挑战下，气候变化对流域生态水文环境的影响成为科学界关注的焦点。流域降雨径流关系复杂，受自然条件影响甚大，动态变化与下垫面特性、降雨时空分布紧密相关。气候变化不仅重塑了水文循环模式，还显著影响流域水资源总量及流量分配，加剧了极端水文事件的强度和频度。因此，深入探究流域生态水文环境的演变规律，对于维护良性循环、提升系统韧性至关重要。

赵宇寒等指出，壤中流作为水循环关键要素，对流域产流、水源保持及营养循环至关重要。其研究趋势反映了流域生态水文环境受土壤、地形、植被及降水等因素的综合影响。李宗杰等针对长江源区的研究揭示，降水源自西风与季风环流，冰雪融水特性受消融条件调控，且不同形态融水间存在物质交换。冻土区水文复杂，受多重水源影响，土壤水化学特性波动显著。随海拔递增，河流化学元素受雨水稀释，冰雪融水补充增强，共同塑造流域独特的水文生态效应。

然而，现有研究多侧重于气候因素的单一考量，忽略了人类活动，尤其是工业与农业排放物在洪涝过程中的扩散效应，导致对流域生态水文环境影响的评估存在局限。因此，提出了气候变化背景下洪涝灾害对流域生态水文环境影响研究。

1研究区域概况

此研究聚焦于一特定流域，其地形东南高峻、西北平缓，西部相对开阔。地貌上，上游至水库段为中山、低山区，中游则转变为曲折平缓的低山丘陵，下游西北侧延伸为广阔低地平原，植被茂密，是农业、工业及防洪要地。气候属温带湿润亚湿润型，受西风及季风影响，冬干冷、夏暖湿，年均温4.5℃，降水集中于夏季，时空分布不均，年总量689mm。水系依地形分为河源、上游、丘陵区及下游四段，各段特征鲜明：河源段长235公里，集水广，植被覆盖好；上游段电站密集；丘陵区段农业发达；下游段水流平稳，利于工业生产。流域内春、夏汛明显，冰封期较长。

2材料和数据分析方法

2.1采样

气象数据由气象中心提供，采用NOAA官网公布的Nin03.4海区的海温距平，获得并统计该某市的月平均温度、月降水量的SPEI指数（标准化降水蒸散指数）。

洪水消退后，在受到洪涝灾害的6个区域进行取样，用0.45um滤膜对样品进行现场过滤，以去除其中的不溶性颗粒物。将金属元素测定试样滤出，放人500mL的聚乙烯瓶中，用HN03使pH值小于2；将阴离子过滤，并贮存于500mL的聚乙烯瓶中；收集的样本在4℃冰箱内冷藏。

采用便携式多参数仪器原位测定pH值，用电感耦合等离子体发射光谱仪测定钠，铝，锌，铅，镉，镍，锰，铁，铬，磷，钾，COD；用紫外可见分光光度计测定氨氮。

2.2研究方法

为更好分析气候变化温度对用水需求的影响，采用SPEI指数对洪涝灾害进行研究。利用SPEI指数综合考虑降雨P与潜在蒸散发PEI对洪涝的影响，利用彭曼公式估算潜在蒸散发。SPEI指数算法的基本思想就是以降雨和蒸散量之差偏离平均情况为指标，描述区域内的洪涝状况。求出潜在蒸散量，利用式（1）获得月降雨量与蒸散之差：

在原数据序列D中含有负值的情况下，SPEI指数取3个参数的对数逻辑概率分布。对数逻辑概率分布的累积函数表达式为式（2）-式（3）：

对这些序列归一化正态处理，获得对应的SPET指数：

式（4）-式（5）中，C、d描述的是不同的参数值；W描述的是经过标准化处理后的降水量值；W描述的是降水量子集；假设P≤0.5，则P=F（x）；若是Pgt;0.5，则P=1-F（x）。SPEI按表1标准进行洪涝灾害等级划分。

2.3洪涝灾害对流域生态水文环境影响

洪涝灾害对流域生态水文环境会产生一系列的影响，具体如下：

洪涝灾害作为极端气候事件的典型代表，对流域生态水文环境构成多维度的复杂影响。首先，在灾害过程中，泥沙、垃圾及动物尸体等污染物被大量冲刷人流域，显著提升水体中悬浮物、有机物及重金属浓度，加剧水质恶化，并促使污染物在上下游间快速扩散，扩大污染范围。其次，洪水携带的低温水体降低了流域整体水温，干扰了水温的季节性变化模式，尤其在频发或持续性洪涝区域尤为显著。

溶解氧水平在洪涝期间因有机物降解而急剧下降，危及水生生物生存，引发窒息或死亡事件，深刻影响流域生态平衡。同时，洪涝灾害破坏生物栖息地，导致植被覆盖减少，动物种群迁移或消失，食物链断裂，养分循环受阻，生态系统结构与功能遭受重创。湿地、河流与湖泊等关键生态单元受损，系统稳定性与恢复力削弱，长期生态后果难以预测。

此外，洪涝还显著改变水文特征．如河流流向临时改变，流量激增，峰值流量攀升，加剧河道冲刷与淤积，水位急剧上升甚至泛滥，对流域防洪安全构成严峻挑战。这些水文变化不仅影响流域内自然生态系统，也威胁到人类社会的生产生活安全，凸显了气候变化背景下洪涝灾害管理的紧迫性与复杂性。综上所述，洪涝灾害对流域生态水文环境的综合影响深远且广泛，需采取科学有效的措施加以应对。

3流域生态水文环境影响实验

为了验证洪涝灾害对流域生态水文环境的影响，在正常天气条件下与洪水过后的流域水样中，检测了多种元素（钠、铝、锌、铅、镉、镍、锰、铁、铬、磷、钾）以及氨氮和化学需氧量（COD）的浓度，进行实验，见表2。

通过表2可以观察到，洪水过后流域中的钠、铝、锌、铅、镉、镍、锰、铁、铬、氨氮和化学需氧量指标均发生了显著变化。在正常天气下，流域水样中各种元素的浓度维持在一个相对稳定的范围内。钠、铝、锌、铅、镉、镍、锰、铁、铬、磷和钾浓度相对较低。同时，氨氮和COD的浓度也保持在较低水平，表明流域水质相对较好。

洪水前后流域水文变化情况，具体见表3。

通过表3能够观察到，洪水对流域的水文环境产生了显著的影响。在正常情况下，流域的水温维持在25°，而在洪水期间，水温下降到21°，这可能是由于洪水带来的大量低温水体所致。洪水期间溶解氧含量也有所下降，从正常的50g/L减少到46g/L，这可能是由于洪水带来的泥沙和有机物质增加，导致溶解氧的消耗增加。尽管洪水期间生物种类数量有所增加，从162种增加到171种，但生物的总数量却有所减少，从15×107个下降到13×107个。这可能是由于洪水带来的环境压力，如水流速度增加、水位上升等，导致部分生物无法适应新环境而死亡或迁移。洪水期间流域流量明显增加，从183000m3/S增加到201000m3/S，这是因为降雨量的增加以及洪水带来的大量水体所致。流域水位也从19.63m上升到21.89m，会对流域的生态环境和人类活动产生一定的影响。

4结束语

气候条件的不同，导致水资源总量与流量等发生改变，进而影响到区域生态经济的正常运转。在全球气候变化及变暖背景下，世界范围内的水资源配置已呈现不平衡状态，旱灾、洪涝等自然灾害频发，对流域生态水文环境造成破坏。因此，提出气候变化背景下洪涝灾害对流域生态水文环境影响研究。以某流域为研究区，通过彭曼公式计算潜在蒸散发，获得月降水量和蒸散量的差值，并结合标准化降水蒸散指数分级洪涝灾害风险。通过实验数据分析，洪水后流域水体中重金属及有机污染物的浓度显著提升，水温下降、溶解氧减少及生物数量锐减，凸显了生态系统的脆弱性。同时，洪水引发的流量与水位激增，进一步加剧了水质恶化与生态平衡的失衡。