(一)洪水
在我国,洪水一词最早见于《尚书·尧典》,相传虞夏时期黄河流域连续出现特大洪水,该书记载:“汤汤洪水方割,荡荡怀山襄陵,浩浩滔天,下民其咎。”中华人民共和国水利行业标准《水利水电工程技术术语》(SL 26—2012)将洪水定义为“由降雨、冰雪消融或堵塞等原因使河道水位在较短时间内明显上涨的大流量水流”。一般情况下,洪水通常是指由于暴雨、冰雪融化、水库垮坝、台风风暴潮等原因,造成江河湖泊水库水量迅速增加及水位急剧上涨的现象。洪水通常可分为暴雨洪水、融雪洪水、冰川洪水、冰凌洪水、雨雪混合洪水、溃坝洪水等类型。受季风气候影响,我国的河流洪水大都是暴雨洪水,且多发生在汛期所在的夏、秋季节,一些地区在春季也可能发生融雪洪水。如果以地区划分,我国中东部地区以暴雨洪水为主,西北部地区则多发生融雪洪水和雨雪混合洪水。
我国地域辽阔,洪水在时间和空间的分布千差万别。有些地区洪水频繁发生,有些地区则较少发生洪水;有的季节常发生洪水且程度较严重,有的季节较少发生洪水。总的来说,我国洪水的形成和特性主要取决于所在流域的气候条件和下垫面自然地理条件。此外,人类活动对洪水的形成有着显著的影响。
1.影响洪水发生的气候因素
(1)季风气候
我国所处的特殊海陆位置和地形地貌使我国深受季风气候的影响。季风气候,是指受季风支配地区的气候,是大陆性气候与海洋性气候的混合型。夏季受来自海洋暖湿气流的影响,高温潮湿多雨,气候具有海洋性;冬季受来自大陆的干冷气流影响,气候寒冷,干燥少雨,气候具有大陆性。季风气候的特征主要表现为冬夏盛行风向有显著变化。随着季风的进退,降雨量的多寡具有明显的季节性特征。在我国,冬季盛行来自大陆的偏北气流,水汽不足,气候干冷,降水很少,表现为寒冷干燥;夏季盛行来自海洋的偏南气流,水汽充沛,气候湿热多雨,表现为高温多雨。我国气候总的特征是冬干夏湿,降雨主要集中在夏季。季风气候的另一个重要特征是,随着季风的进退,雨带的出现和降雨量的大小有明显的季节变化。在我国,盛行的气团在不同季节产生了各种天气现象,其中与洪水关系最密切的是梅雨和台风。梅雨是长江中下游和淮河流域每年6月上中旬至7月上中旬一段时间的大范围的降水天气,一般是连续性降水间有暴雨,形成持久的阴雨天气。台风是发展强盛的热带低压气旋。台风所挟带的狂风暴雨,一方面会造成江河洪水暴涨;另一方面,在沿海地区还会引起风暴潮灾害。
(2)降水
降水是形成洪水的要素,尤其是暴雨和连续性降水对于灾害性洪水的形成尤为重要。我国境内降水的水汽主要来自太平洋和印度洋,所以夏季风(包括东南季风和西南季风)的强弱对我国降水的地区分布与季节变化有着显著的影响。此外,来自北冰洋的水汽也会对我国新疆北部降水有一定影响。我国多年平均年降水量地区分布的总趋势是从东南沿海向西北内陆递减。400 mm等降水量线由大兴安岭西侧向西南延伸至我国与尼泊尔边境。以此线为界,东部明显受季风影响,降水量多,属湿润地区;西部不受或受季风影响较小,降水稀少,属干旱地区。降水对洪水的影响主要表现为降雨历时和降水强度。我国各地高强度的降水一般发生在雨季,往往一个月的降水量可占全年降水量的1/3以上,甚至超过一半;而一个月的降水量往往由几次或一次大的降水过程决定。各地历年最大年降水量与最小年降水量相差悬殊,而且年降水量越小的地区,二者相差越大。据统计,西北地区(除新疆西北山地外)最大年降水量与最小年降水量比值大于8;华北地区一般为4~6;华南地区较小,一般为2~3。如甘肃敦煌1979年降水量为105.5 mm,约为1956年降水量6.4 mm的16.5倍;新疆托克逊站1979年降水量为23.8 mm,为1968年降水量0.5 mm的47.6倍;河北保定1954年降水量为1316.8 mm,约为1975年降水量202.4 mm的6.5倍。
(3)气温
气温对洪水最明显的影响主要表现在融雪洪水、冰凌洪水和冰川洪水的形成、分布和特性方面。融雪洪水和冰川洪水在春、夏两季常发生在中高纬度地区和高山地区,冰凌洪水主要发生在春季北方封冻的河流。另外,气温对蒸发影响很大,间接影响着暴雨洪水的产流量。
2.影响洪水发生的下垫面因素
流域的下垫面自然地理条件是影响洪水发生及洪水量级大小的重要因素。流域的下垫面因素包括地形、地质、土壤、植被以及流域面积大小、流域形状等。下垫面因素可能直接对径流产生影响,也可能通过影响气候因素间接地影响流域的径流。
流域地形主要通过影响气候因素对年径流量产生影响。暖湿气流在运行过程中遇到地形的阻挡,被迫沿着山坡爬行上升,从而引起水汽凝结而形成降水,称为地形雨。地形雨一般只发生在山地迎风坡,背风坡气流下沉或者下滑,温度不断增高,形成雨影区,不易形成地形雨。一个典型的例子就是印度东北部梅加拉亚邦(Meghalaya)的乞拉朋齐(Cherrapunji)。在6—9月的雨季,来自印度洋的暖湿西南季风从恒河三角洲一路进入孟加拉国的低地平原,在向北前行300~400 km后,突然受到卡西山地的阻挡,被迫在2~5 km的范围内上升至1370 m的高度。气流被迫抬升时,发生绝热降温,其中的水蒸气凝结为水滴,在山地的迎风坡乞拉朋齐形成降雨。1860年8月—1861年7月,乞拉朋齐一年降水量为20447 mm,夺得了世界“雨极”的称号;5—9月雨季中,月平均降雨日数为25~28天,居世界首位。
植物覆被(如树木、森林、草地、农作物等)能阻滞地表水流,同时植物根系使地表土壤更容易透水,加大了水的下渗。植物还能截留降水,加大陆面蒸发。增加植被会使年际和年内径流差别减小,延缓径流过程,使径流变化趋于平缓,增加枯水期径流量。张建云等人(2021)在黄淮海地区的研究表明,流域内植被覆盖指数(NDVI)每增加10%,黄淮海流域径流量平均减少8.3%;植被变化对径流的影响具有显著的空间差异性:气候越干旱、植被条件越差的地区,NDVI的变化对径流的影响越显著。秦甲等人(2021)在针对祁连山北坡降雨径流的研究中发现,森林、草地及冰川是祁连山区影响河川径流量的主要景观要素。森林有“减少”径流的作用,而草地、冰川有“增加”径流的作用,并且随着森林、草地覆盖率的增高,相应的河川径流量“减少”或“增加”的速率变缓。
流域的土壤岩石状况和地质构造对径流下渗具有直接影响。如流域土壤岩石透水性强,降水下渗容易,会使地下水补给量加大,地面径流减少。同时,因为土壤和透水层起到地下水库的作用,会使径流变化趋于平缓。当地质构造裂隙发育,甚至有溶洞的时候,除了会使下渗量增大外,还可能会形成不闭合流域,影响流域的年径流量和年内分配。
流域大小和形状也会影响年径流量。流域面积大,地面和地下径流的调蓄作用强,而且由于大河的河槽下切深,地下水补给量大,加上流域内部各部分径流状况不容易同步,使得大流域径流年际和年内差别相对较小,径流变化比较平缓。流域的形状会影响汇流状况。比如流域形状狭长时,汇流时间长,相应径流过程线较为平缓;而支流呈扇形分布的河流,汇流时间短,相应径流过程线则比较陡峻。此外,流域内的湖泊和沼泽相当于天然水库,也具有调节径流的作用,会使径流过程的变化趋于平缓。在干旱地区,由于水分蒸发量大,径流量则较小。