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2009年  第20卷  第4期

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基于TRMM卫星雷达降雨的流域陆面水文过程
杨传国, 余钟波, 林朝晖, 郝振纯, 王振龙, 李敏
2009, 20(4): 461-466.
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利用热带降雨观测计划(TRMM)卫星雷达降雨数据驱动分布式陆面水文模型,研究流域尺度陆面水文过程,评估该数据在水文模拟与预报等研究领域的性能。通过与实测雨量资料比较,验证TRMM卫星雷达降雨数据的质量。分别将TRMM卫星雷达降雨与观测降雨作为耦合模型的气象输入,模拟和研究淮河流域1998~2003年的陆面水文过程时空变化。结果表明,TRMM卫星雷达降雨数据能够很好地描述降雨的时空分布,利用TRMM降雨模拟的结果与利用观测降雨模拟的结果精度相当;模拟流量与实测资料基本吻合。卫星雷达降雨数据在陆面水文过程研究中具有广泛的应用前景。
坡地径流入渗机制对水文模拟的影响分析
刘金涛, 梁忠民
2009, 20(4): 467-472.
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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。
基于三方向搜索的DEM中洼地处理方法
李辉, 陈晓玲, 张利华, 李长安
2009, 20(4): 473-479.
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数字高程模型(DEM)是流域参数提取的基础,然而DEM中普遍存在的洼地和平地影响了流域水系的自动提取,因此洼地去除方法成为研究的热点。针对现有洼地去处方法存在的问题,提出了一种基于"三方向搜索"的洼地处理方法。该方法通过对洼地及其周围网格高程值增减来达到去除洼地的目的,避免了传统填洼方法大规模的对DEM进行增高处理。实验结果表明,该算法简单易行,能有效的去除洼地,消除DEM提取的河网中的伪河道及"平行线"现象;且对DEM中高程值的改动较小,从而较大限度的保留了原始地形信息。
颗粒沉降的格子Boltzmann模拟与PIV实验验证
张金凤, 张庆河, 卢昭
2009, 20(4): 480-484.
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在格子Boltzmann方法中引入大涡模拟,对球形颗粒在静水中沉降引起的紊动流场进行了数值模拟。数值模拟沉速与理论值以及粒子图像测速系统(PIV)实验结果吻合,验证了模型的合理性。同时分析比较了颗粒沉降过程中尾部紊动流场分布以及尾流流速值,发现数值模拟结果与实测结果趋势、数值基本一致,进一步说明了利用格子Boltzmann方法与大涡模拟技术相结合可以合理模拟泥沙颗粒在紊流区的沉降。
90°支流入汇区域时均流速分布特征试验研究
刘同宦, 郭炜, 詹磊
2009, 20(4): 485-489.
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通过多组次水槽试验,应用声速多普勒测速仪研究入汇角为90°时,不同汇流比水流条件下支流入汇区域及其附近的水面比降变化和时均流速分布特征。试验表明,入汇口上游的干支流水面坡降取决于干支流相互顶托影响,而入汇口处及其下游合流掺混区水面坡降随干流流量增大而增大,随汇流比增大而有所减小。不同位置垂线时均流速分布主要受主支汇流比和水流流态的双重影响,随着汇流比的增大,入汇口上游断面时均流速逐渐减小,而入汇口下游断面产生了明显的高、低流速带,形成回流分离区。
三棱柱形网格下自由表面流的三维数值模拟
王昆, 金生, 马志强, 高述峰
2009, 20(4): 490-494.
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为了模拟自由表面流动问题,建立了基于三棱柱形网格的三维Navier-Stokes方程的半隐式动压离散模型。出流边界采用在动量方程右端附加线性衰减项的海绵层处理方式来消减波能。引入k-ε双方程紊流模型求解涡黏性系数,使方程达到封闭。用规则周期波通过淹没障碍物的传播变形和复合明渠流动算例,验证了当遇到短波高频问题时,所述模型模拟结果与测量值吻合良好,体现了模型的精确性和有效性。
基于氢氧同位素的华北平原降水入渗过程
王仕琴, 宋献方, 肖国强, 王志民, 刘鑫, 王鹏
2009, 20(4): 495-501.
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华北平原地下水浅埋区水循环主要以垂直方向上的入渗、蒸发和蒸腾的方式存在,同位素可以作为一种有效"示踪剂"揭示降水入渗补给地下水的过程。选择华北平原中、东部地下水浅埋区的衡水和沧州为典型实验点,研究不同降水特征、土壤质地和植被条件下入渗过程的差异性。结果表明,土壤非均质条件下(沧州),降水入渗补给过程中伴随着蒸发、植被蒸腾作用以及与土壤前期水分的强烈混合作用,活塞流入渗的同时土壤100 cm深度可能还存在大孔隙优先流;土壤均质条件下(衡水),降水向下均匀入渗,入渗速度较快,土壤水运动以新水基本代替老水的活塞流为主要形式,并经过强烈的蒸发浓缩作用补给地下水。
土壤中空气对土结构和入渗过程的影响
梁爱民, 邵龙潭
2009, 20(4): 502-506.
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分析了土壤表面积水入渗过程中压缩气体对土体结构的影响理论,并通过二维土柱入渗试验对其进行了分析及验证。在积水深度为2.8 cm的条件下,对2个初始含水量、3个孔隙率下的土柱进行了试验,测量出其在试验过程中的气体压力和入渗量,并同时观察土体结构的变化。理论和试验结果表明,气体出现突破之前,土壤内气体压缩产生的气压对湿润区土体的顶托作用会破坏土体的平衡,从而在湿润锋处产生水平裂缝,破坏入渗土体的连续性。试验还发现,入渗过程中土体结构变化大小受土壤初始结构和含水率的影响,初始结构越牢固、含水量越大,结构和气压变化越小,根据结构变化不同,可以划分出两种不同的试验过程。同时入渗土体内出现裂缝时,气压的减渗作用尤为显著,甚至会导致试验过程的停止。
广义水资源高效利用核算
裴源生, 赵勇, 张金萍, 秦长海
2009, 20(4): 507-512.
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广义水资源高效利用核算是从更广泛的视角进行区域/流域尺度的水资源核算,以水资源循环模拟揭示区间、行业、部门间的水利联系为基础,在核算水源上为广义水资源;在核算对象上为区域自然生态系统和人工系统;在核算指标上包括行业、部门和区域的广义水资源利用效率和效益。界定了不同用户蒸发蒸腾消耗水分的高效和低效部分,提出了包括人工系统和天然生态系统的不同用户、不同部门和区域整体的广义水资源利用核算指标体系。以宁夏平原区为例,进行了现状区域广义水资源利用效用核算研究。
基于水量水质双控制的流域水资源分配模型
刘丙军, 陈晓宏, 江涛
2009, 20(4): 513-517.
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随着流域水资源分配实践的不断深化,水资源分配的概念、内涵、原理和方法逐步丰富完善。针对中国南方丰水典型地区——东江流域出现的发展性缺水、季节性缺水和水质性缺水并存的问题,以枯水期为重点,以取水量和污染物排放量为对象,提出了一种基于水量水质双控制的流域水资源分配模型框架,并研究探讨了其相应原则、指标和方法,旨在为南方丰水地区水资源科学管理和合理调配提供理论和借鉴作用。
流域水安全预警评价的智能集成模型
吴开亚, 金菊良, 魏一鸣
2009, 20(4): 518-525.
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提出用基于加速遗传算法的模糊层次分析法筛选指标体系、确定各评价指标和各子系统的权重,用BP神经网络模型滚动预测评价指标,用集对分析方法构造评价指标样本值隶属于可变模糊集"水安全评价标准等级"的相对隶属度函数,建立了流域水安全预警评价的智能集成模型(IMI-FEM)。IMI-FEM对巢湖流域水安全系统未来5年的预警评价结果说明:水资源、水环境和水灾害防治安全子系统的安全状况将分别处于2.73~2.74级、3.30~3.32级和2.54~3.43级,社会经济安全子系统的安全状况将维持在3.33级,流域水安全系统的总体安全状况将处于2.98~3.20级,处于临界安全;主要限制指标为水资源开发利用率、人均水资源量、单位面积水资源量、万元农业产值用水量、单位面积化肥施用量、生态环境用水率、环保投资占GDP比例、单位面积蓄水工程总库容、水利工程投资占GDP比例、区域开发指数、人口密度和科技教育投入占GDP比例。
三峡大坝下游溶解氧变化特性及影响因素分析
陈永灿, 付健, 刘昭伟, 程香菊, 朱德军
2009, 20(4): 526-530.
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根据三峡工程坝区水域实测数据,分析了水库蓄水以后大坝上、下游断面溶解氧浓度和溶解氧饱和度的变化特性,探讨了水位、流量因素对大坝下游水体溶解氧量的影响。结果表明,坝身孔口过流水体大量掺气后进入下游河道导致下游水体溶解氧浓度和饱和度显著增加,甚至达到超饱和状态。由于电站过流基本不改变水体溶解氧量,在电站和坝身孔口同时过流时,两种水体掺混后,下游溶解氧量主要受流量比的影响。此外,下游溶解氧量随流量的增加和下游水位的升高而增大。过坝总流量超过35 000 m3/s,下游水位超过68 m以及坝身孔口过流流量占总流量的绝大部分时,需特别重视溶解氧超饱和现象对水生生物可能造成的影响。
坡地氮磷流失过程模拟
王建中, 刘凌, 宋兰兰
2009, 20(4): 531-536.
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根据农田坡面氮、磷流失的主要过程,建立了基于次降雨事件的坡面氮、磷迁移模型。模型采用改进的Green-Ampt方程和运动波方程计算下渗与坡面流,土壤侵蚀采用修改的欧洲土壤侵蚀模型计算,用考虑了侵蚀影响与扩散作用的迁移模型计算坡面氮、磷迁移过程,采用一维对流扩散方程计算氮、磷在土壤中的迁移过程。利用室内人工降雨资料对模型进行了率定及验证。结果表明,模型可以较好地模拟地表径流中氮、磷浓度,率定期与验证期模型效率系数均在0.89以上。根据坡地氮、磷流失机理,分析了降雨强度与地表坡度对坡面径流中氮、磷浓度的影响。
Na+对河流溶解性物质解吸规律影响的试验研究
许文盛, 陈立, 赵德招, 刘欣桐
2009, 20(4): 537-543.
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以Ca2+解吸总量和解吸平衡溶液的pH值作为溶解性物质解吸的特征指标,采用静态试验方法,初步研究了解吸溶液中的Na+对溶解性物质解吸规律的影响。结果表明,颗粒物成分和粒径相同时,随着解吸溶液中Na+初始浓度的升高,溶解性物质解吸总量逐渐增大,并趋于一极大值,溶解性物质解吸总量的增加值逐渐减小;颗粒物成分相同而粒径不同或颗粒物粒径相同而成分不同时,同一Na+初始浓度下,溶解性物质解吸总量不等。解吸溶液中Na+初始浓度相同时,对于不同种类的溶解性物质,其解吸总量随颗粒物成分或粒径变化的规律不同。颗粒物成分和粒径相同时,在同一Na+初始浓度下,不同种类溶解性物质的解吸过程具有较好的伴随特性。
河流污染混合区的解析计算方法
武周虎, 贾洪玉
2009, 20(4): 544-548.
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以顺直宽矩形明渠中垂向线源等强度排放物质浓度分布的解析解为基础,探讨了污染混合区的计算方法,推导了污染混合区最大长度、最大宽度与相应纵坐标、面积以及最大允许污染负荷的理论计算公式,进行了污染混合区的算例分析。其结果可以作为河流污染混合区允许范围和最大允许污染负荷的计算依据,解析计算方法比采用二维水质模型进行污染混合区的计算更加快捷灵活、方便实用。给出了非保守物质污染混合区最大长度的理论计算公式和忽略反应降解作用按保守物质处理的条件:降解数De≤0.027。
挥发性毒物水气耦合扩散模型
陈丽萍, 蒋军成, 韩冬梅
2009, 20(4): 549-553.
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摘要:
挥发性毒物泄漏进入天然水体造成水污染,因其挥发又造成空气污染。为反映水污染与空气污染的耦合影响,以体积比函数方法建立的体现气液交界面流动的水气动力学模型为基础,根据挥发作用中的双膜理论,利用量纲一亨利常数,建立挥发性毒物水气耦合扩散模型,以描述毒物在水体、空气及气液交界面的迁移过程。对挥发性毒物泄漏实例和水气交换实验进行数值模拟,模拟结果与实测结果较吻合。同时,还分析了水流湍动、风速及量纲一亨利常数对挥发性毒物在气液交界面上传质过程的影响。
三峡水库生态调度目标研究
郭文献, 夏自强, 王远坤, 韩帅
2009, 20(4): 554-559.
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水库生态调度研究是当前国内外河流生态恢复研究中的热点问题。针对三峡水库具体情况,指出了现行水库调度存在的生态问题,进而以水库下游宜昌站作为分析对象,主要从维持天然河道内环境流量和有利于水库下游中华鲟和四大家鱼产卵繁殖的角度,确定了三峡水库生态调度目标,主要包括三峡水库下游河道内环境流量调度目标以及中华鲟和四大家鱼产卵繁殖期水库调度目标。三峡水库生态调度目标的确定可为三峡工程正式运行后制定合理的调度运用方案提供参考。
滦河下游河道生态需水量
王伟, 杨晓华, 王银堂
2009, 20(4): 560-565.
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摘要:
为量化水库下游河道生态修复所需水量,以滦河下游潘家口水库—滦河口为研究样区,采用逐月频率法和生态水力学法估算河道生态需水量,既具有水文学方法的简便,又考虑生物学特性,强调了水文-生态的联系。通过对研究区河道1956~2000年生态、水文及水力资料的分析计算,结果表明:①逐月频率法和生态水力学法在计算滦河下游河道生态需水中均合理;②最小、适宜、理想等级年生态需水量分别为4.29亿,8.93亿和16.29亿m3,分别占河道天然径流量的10.18%、21.21%和38.68%;③年内汛期8月份及生物繁殖期(4~6月)需水量分别达到年度总量的33.5%和11.5%。
生态环境与社会经济复合系统的协同进化
马向东, 孙金华, 胡震云
2009, 20(4): 566-571.
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在系统分析水资源约束下生态环境与社会经济复合系统的竞争与合作关系的基础上,以协同学理论为基础,建立了复合系统的有序度模型和复合系统的协同进化模型,给出了相应的计算方法。论文对模型进行了相应分析,指出在不同情况下复合系统的协同进化分为3种情况:部分竞争替代、部分竞争共存、完全独立共存。以黑龙江垦区1986~2006年生态环境和社会经济复合系统的统计数据为基础,建立了相应的协同进化模型并进行分析计算,结果符合实际。
开河期冰盖横向冰缝形成机理
茅泽育, 赵雪峰, 胡应均, 刘颖
2009, 20(4): 572-577.
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摘要:
春季随着流量或水位增加,冰盖底部受水流上举力作用发生弯曲,首先在岸壁附近形成纵向冰缝,破坏冰盖与岸壁的冻结,导致冰盖体中间部分与岸壁脱落分离。采用弹性基础梁的理论及计算方法,通过对冰盖体弯矩及弯曲应力分析,针对平面弯曲和垂直弯曲两种弯曲形式导致冰盖体横向冰缝形成机理进行了研究,并提出了横向冰缝间距的计算表达式。计算结果得到了实测资料的验证。研究结果表明,横向冰缝间距与开河初期冰盖宽度、厚度、冰的抗弯强度及地貌特征有关。
基于水库防洪预报调度图的洪水资源化方法
刘招, 黄文政, 黄强, 张永永
2009, 20(4): 578-583.
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摘要:
为有效调节利用洪水资源,探讨以水库防洪预报调度为途径的洪水资源化方法,在分析水库调洪过程和洪水过程特性的基础上,拟定了基于3 h预报信息的水库防洪预报调度图,并以安康水库为例,采用模拟结合遗传算法进行优化计算,绘制了安康水库以洪水资源化为目标的防洪预报调度图,通过对其应用并与常规洪水调度过程进行对比分析表明,预报调度的调洪结果在消减洪峰和抬高调洪末水位两个目标上明显优于常规调度。
水土保持的水文效应分布式模拟
何长高, 董增川, 石景元, 陈卫宾
2009, 20(4): 584-589.
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摘要:
以半分布式地形指数模型为基础,提出了水土保持措施地形指数的概念,对TOPMODEL进行了改进。利用植被指数NDVI进行了植被截留的时空差异分析。利用1992~1995年和1997年的逐日流量资料,对修河流域清江站以上水土流失较为严重的地区进行了梯田、经济果林、种草及水土保持林4种水土保持措施的水文效应模拟,该模型取得了较好的模拟效果。
灌溉水利用效率指标研究进展
崔远来, 熊佳
2009, 20(4): 590-598.
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摘要:
回顾了灌溉水利用效率评价指标的发展历史,分析了现有灌溉水利用效率评价指标的不足,总结了其适用条件。结果表明,目前还没有一套在任何条件均适用的灌溉水利用效率评价的量化指标,原因在于:一是不同灌溉水利用效率指标术语内涵不明确,导致在不同条件下很多指标被混用;二是部分指标即使理论框架比较清晰,但在实际运用时,许多计算要素难以确定或是无法确定,不利于在灌区水管理中推广。指出对现有灌溉水利用效率指标进行科学的界定和评价,规范不同指标的使用范围,研究它们之间的相互关联规律、影响因素,探讨节水潜力评价方法的重要性。
黄河中游区重力侵蚀研究综述
薛海, 王光谦, 李铁键
2009, 20(4): 599-606.
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摘要:
在对黄河中游区重力侵蚀宏观规律分析、实验观测、计算模型及新技术应用4个方面研究进展进行评述的基础上,就重力侵蚀机理模型构建的难点和重点、3S技术及非线性方法等新技术用于重力侵蚀研究的可行性和应用方式等进行了探讨。分析了重力侵蚀观测水平较低的原因及其对理论和计算模型研究的严重制约作用。提出重力侵蚀研究应在流域观测站点布设、数据自动测报和积累、计算模型合理概化及与其它类型侵蚀研究结合方面进一步开展工作。

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