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2010年  第21卷  第2期

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河型转化机理及其数值模拟——Ⅰ.模型建立
周刚, 王虹, 邵学军, 假冬冬, 胡德超
2010, 21(2): 145-152.
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为研究河型转化过程机理,建立了考虑弯道二次流影响与边岸崩塌过程的平面二维河流数学模型,包括水流模型、泥沙模型和边岸崩塌模型。通过在水流动量守恒方程中增加弥散应力项以考虑弯道二次流的影响,并采用室内水槽实验结果对水流模型进行了验证;利用上荆江沙市至石首天然长河段的水沙过程和河道演变资料,对泥沙模型进行了验证;结果表明本模型数值计算量合适,有较好的适应范围。模型中提出了边岸崩塌过程的模拟技术,相对于传统平面二维水沙模型而言,可以更好地模拟天然河道的横向摆动以及洲滩消长过程。
河型转化机理及其数值模拟——Ⅱ.模型应用
周刚, 王虹, 邵学军, 假冬冬, 胡德超
2010, 21(2): 153-160.
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采用平面二维河流数学模型,系统研究概化河道的河型转化过程及其控制因素,成功模拟得到了初始比降、流量、入口含沙量增大和河岸抗冲性减弱时,河流从弯道向分汊、游荡河型转化的过程。根据模拟得到的河道平面形态、横断面形态、河床纵剖面,沿程水面线及沿程输沙率的变化,分析了河床初始比降、入口含沙量、流量和河岸抗冲性等各种因素对河型转化的影响。结果表明,模型计算得到的河型转化过程,与经典的河型成因及河型转化理论给出的趋势较为一致。
单一贴壁四面体框架绕流场三维数值模拟
高柱, 殷杰, 唐洪武, 郭红民
2010, 21(2): 161-166.
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四面体透水框架群作为一种新型的防冲促淤措施已经在各种河流工程中得到推广应用,由于其特殊的几何形状,仅依靠常见的量测手段确定其绕流场结构存在较大困难,使得对该类方法防护机理的理解受到限制。在CFD通用程序Fluent平台上建立三维水动力数值模型,对单一贴壁四面体透水框架的清水流场进行模拟,并与超声测速仪(ADV)实测结果进行对比验证。研究表明该数值模型有效地补充了三维复杂流场的物理实验结果,有助于理解四面体框架的防护机理。改变水力参数,计算得到阻力系数CD相对于雷诺数Re的变化曲线,当Re>105时,单一贴壁四面体框架的阻力系数CD为一常数值,大小为1.557。
基于Godunov格式的溃坝水流数学模型
张大伟, 程晓陶, 黄金池, 何晓燕
2010, 21(2): 167-172.
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为了更好地把握溃坝洪水风险,减小因溃坝洪水而造成的人员生命和财产损失,建立了基于Godunov格式的一维、二维溃坝水流耦合数学模型。一维溃坝水流模型采用HLL格式的有限体积法求解,二维溃坝水流模型采用基于非结构网格的Roe格式离散求解,在一维、二维模型的链接处采用重叠计算区域的方法实现一维模型和二维模型之间的水力要素信息交换。经弯道溃坝算例和断面突变溃坝算例验证,该耦合模型具有良好的可靠性和适用性,验证后的耦合模型为大尺度的溃坝水流数值模拟打下了基础。
基于CA的小流域分布式降雨径流模拟
汤富平, 李满春, 秦奋
2010, 21(2): 173-178.
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构建基于元胞自动机(CA)模型的分布式水文模型,模拟小流域内降雨径流过程。从元胞状态、转换规则与时间步长3个方面扩展普通CA模型,包括5个子状态、5个元胞系数及两条转换规则,并实现模型与GIS的集成。以黄土高原岔巴沟流域的降雨径流观测数据对模型进行了验证分析。试验结果表明,确定性系数、峰现时差与洪峰误差3个评价指数都达到一定精度,实现了流域内径流过程的可视化。结合CA模型与GIS技术可以较为有效地模拟流域次降雨径流过程,模型在该试验区是基本适用的。
洪水频率分析的次序统计量
刘九夫, 谢自银, 鲍振鑫, 朱元甡
2010, 21(2): 179-187.
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系统阐述了洪水频率分析涉及的洪水次序统计量和广义次序统计量及其抽样分布,并通过数学实验和统计试验两种途径研究了洪水次序统计量、频率次序统计量和重现期次序统计量抽样分布的统计特征及其关系。研究得到的次序统计量和广义次序统计量抽样分布的期望值和中值关系为系统分析和评价适线法奠定了理论基础。
基于copula函数的区域干旱分析方法
陆桂华, 闫桂霞, 吴志勇, 康燕霞
2010, 21(2): 188-193.
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提出不同网格干旱等级影响下的区域干旱指数。采用copula函数,建立了区域干旱历时和干旱强度的联合分布,计算联合分布的重现期,并对实际重现期作区间估计。所提出的区域干旱指数能够反映研究区域内发生干旱的严重程度和该区内不同干旱等级所影响面积的大小,且联合分布同时考虑了干旱历时和干旱强度,更全面地反映区域的干旱状况。重庆市2006年干旱实证分析表明,区域干旱指数能够较好地描述本次干旱的发生发展过程,并计算出联合分布的重现期为118年。
近60年来东北地区参考作物蒸散量时空变化
曾丽红, 宋开山, 张柏, 王宗明, 杜嘉
2010, 21(2): 194-200.
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利用东北地区106个站点1951～2007年的逐日气象资料,采用Penman-Monteith公式计算得到各站点的逐日、逐年ET0,并通过反距离插值得到逐年ET0及多年平均ET0网格数据,最后通过墨西哥帽小波变换、Mann-Kendall检验、REOF、倾向率等方法探讨了全区平均ET0及多年平均ET0的时空变化特征。研究结果表明:①全区平均ET0总体上表现较小幅度的增长趋势,其倾向率为3.89 mm/(10a),分别在1982、1953年取得最大、最小值;②在8-16年时间尺度上,全区平均ET0的周期振荡非常明显,期间经历了"少→多→少→多"4个循环交替过程,其中又以8～10年周期内的振荡最为强烈;③多年平均ET0在600～1160 mm之间,空间分异明显,其总体分布特征为:南高北低,西高东低,从东北向西南逐渐增加,等值线呈半环状;④从倾向率来看,ET0增加、减少的面积比例分别为72.61%、26.39%,其中嫩江的增加趋势最明显,倾向率为30.6 mm/(10 a),叶柏寿的下降趋势最明显,倾向率为-24.4 mm/(10 a)。
干旱半干旱区土壤含水量反演与验证
李琴, 陈曦, Frank Veroustraete, 包安明, 刘铁, 王金林
2010, 21(2): 201-207.
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基于MODIS遥感影像和表观热惯量法,以新疆为研究区,建立了适用于干旱半干旱区1 m土体的土壤含水量反演模型。模型根据高表观热惯量,高土壤含水量,低表观热惯量,低土壤含水量这一理论,通过日地表温差和宽波段反照率确定土壤含水量的时空变化。假设通过1 m土体的土壤水通量正比于上下底层土壤含水量的差值,利用水平衡方程建立土壤表面和底层土壤含水量关系方程,并利用中国土壤类型特点确定优化模型。通过验证结果表明,壤土和壤质粘土这两类土壤含水量接近真实值,砂土在区域验证中,模拟与实测差值为2.16%,整个模型模拟精度较好,能够准确地从时空上反演干旱半干旱地区1 m土体的土壤水分情况。
土壤水分空间插值的克里金平滑效应修正方法
杨雨亭, 尚松浩, 李超
2010, 21(2): 208-213.
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地统计学的普通克里金法是研究土壤水分空间变异特性和描绘其空间分布的有效方法。但与其它建立在最小二乘标准上的插值方法一样,普通克里金法也存在着平滑效应问题,即估计值的变异程度比实际要小,从而导致估计值往往不能反映出土壤水分真实的空间变化特征。结合实际的土壤水分监测数据,采用Yamamoto提出的一套针对普通克里金估计值进行后处理的方法,较好地解决了普通克里金法平滑效应的问题,在保证局部估计值精度的同时,重现了土壤含水率在空间的分布与变化特征。
土壤入渗特性的空间变异性及土壤转换函数
刘继龙, 马孝义, 张振华
2010, 21(2): 214-221.
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以在杨陵一级阶地上进行的入渗试验为基础,利用多重分形和联合多重分形方法,研究分析了土壤入渗特性在多尺度上的空间变异性及与土壤物理特性的相关性,并在此基础上建立了土壤入渗特性的土壤转换函数。研究表明:土壤入渗特性具有多重分形特征,观测尺度上,稳定入渗率、前30 min累积入渗量的空间变异都主要由粗粉粒和粘粒含量的空间变异造成。在多尺度上,稳定入渗率的空间变异受土壤容重、粗粉粒和粘粒含量的空间分布影响显著,前30 min累积入渗量的空间变异受粗粉粒和粘粒含量的空间分布影响显著,与观测尺度上的影响因素相同。基于联合多重分形分析建立的稳定入渗率的土壤转换函数的计算误差较小,前30 min累积入渗量的土壤转换函数的计算误差较大。
多源遥感数据反演土壤水分方法
张友静, 王军战, 鲍艳松
2010, 21(2): 222-228.
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基于ASAR-APP影像数据和光学影像数据,根据水云模型研究了小麦覆盖下地表土壤含水量的反演方法。利用TM和MODIS影像构建的植被生物、物理参数与实测小麦含水量进行回归分析,发现TM影像提取的归一化水分指数(NDWI)反演精度较好,相关系数达到0.87。根据这一关系,结合水云模型并联立裸露地表土壤湿度反演模型,建立了基于多源遥感数据的土壤含水量反演模型和参数统一求解方案。反演结果表明:该方案可得到理想的土壤水分反演精度,并可控制参数估计的误差。反演土壤含水量和准同步实测数据的相关系数为0.9,均方根误差为3.83%。在此基础上,分析了模型参数的敏感性,并制作了研究区土壤缺水量分布图。
紫色土坡地壤中流特征
徐勤学, 王天巍, 李朝霞, 蔡崇法, 史志华
2010, 21(2): 229-234.
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壤中流是紫色土坡地径流的重要组成部分。通过野外人工模拟降雨试验,研究了不同降雨条件下紫色土坡地壤中流特征和地表状况变化对壤中流的影响,结果表明:①未扰动荒坡地壤中流径流系数是裸露坡耕地的3～15倍,平均流量是坡耕地的7～33倍,荒坡地和坡耕地壤中流特征差异在大雨强条件下表现更为明显;②坡耕地壤中流径流系数随降雨强度的增加而显著减少,但荒坡地壤中流受雨强的影响不明显;③荒坡地壤中流随地表状况变化而改变,植被覆盖的减少和降雨对疏松地表的压实导致壤中流明显减少。
控制灌溉对稻田CH4和N2O综合排放及温室效应的影响
彭世彰, 杨士红, 徐俊增
2010, 21(2): 235-240.
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采用静态箱-气象色谱法对控制灌溉稻田CH4和N2O排放进行了观测,研究控制灌溉模式对稻田CH4和N2O排放的影响,并对其温室效应进行了评估。结果表明,控制灌溉稻田CH4排放通量明显低于淹水灌溉稻田,且主要集中在分蘖前期和中期,全生育期CH4排放量比淹水灌溉稻田减少73.2%～85.0%。控制灌溉稻田N2O排放通量在水稻全生育期大部分时间都要大于淹水灌溉稻田,稻季N2O排放量分别为106.65 mg/m2和96.40 mg/m2,控灌稻田较淹灌稻田增加了10.6%。控制灌溉稻田稻季排放CH4和N2O的全球增温潜势(GWPs)为726 kg/hm2,较淹水灌溉稻田减少了59.1%。控制灌溉模式能显著降低CH4和N2O综合排放的全球增温潜势。
悬浮泥沙对藻类生长影响的实测与分析
朱伟, 姜谋余, 赵联芳, 田涛
2010, 21(2): 241-247.
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通过对长江下游镇扬段的牛轭湖—内江的泥沙、水质、光强、藻类等进行现场监测和数据分析,探讨了内江悬浮泥沙对水下光强的衰减规律以及对藻类生长的影响。结果表明:内江水体中存在80%以上的粒径小于75μm的微细悬浮颗粒,其中不易沉降的粘土颗粒占到20%～50%左右,枯水期平均含量为40 mg/L,丰水期平均含量为70 mg/L,而藻细胞生物总量基本都在100万个/L以内,其中绿藻、硅藻为优势种。数据分析表明:泥沙对水下光强的衰减遵循指数函数衰减规律,光衰减系数与泥沙含量呈较好的线性相关性,内江的优势种绿藻、硅藻的生物量与泥沙含量呈显著的指数相关。认为,泥沙通过衰减光强间接地抑制藻类繁殖,这一抑制作用可以由泥沙含量和藻细胞密度之间的关系进行定量。
淮河流域水环境综合承载能力
窦明, 左其亭, 胡瑞, 李桂秋
2010, 21(2): 248-254.
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在界定水环境综合承载能力概念的基础上,建立了能定量反映出经济社会系统、水资源系统、水环境系统之间相互作用关系的"经济社会-水资源-水环境"复合系统模型;以"支撑最大经济社会规模"为目标函数,以"维系良好水环境状况"为约束条件,并考虑复合系统模型约束、水量约束和其它约束条件,建立了分区式水环境综合承载能力计算模型;提出承载程度的评价方法和标准;运用上述模型和方法,计算和评价了淮河流域71个单元的水环境综合承载能力和承载程度。
扩散边界层对沉积物盐分释放的阻滞影响
高增文, 郑西来, 赵全升
2010, 21(2): 255-260.
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扩散边界层是水环境沉积物与上覆水之间物质交换的必经区。通过无风和有风条件下两组沉积物盐分释放实验,研究海湾水库砂质沉积物-水界面扩散边界层的形成情况,并通过水动力扰动下穿过扩散边界层的实测盐分通量与Fick第一定律理论计算通量的比较,以及扰动与无扰动时通量的比较,探讨扩散边界层对沉积物盐分释放的影响。研究结果表明,在稳定风场条件下,沉积物-水界面处存在厚度约3.5 cm的扩散边界层,有风条件下的界面盐分交换通量略大于无风时的通量;分子扩散是边界层内盐分运移的主要机制,扩散边界层对沉积物盐分释放具有阻滞作用,并且边界层越厚,阻滞效应越显著。另外,由于扩散边界层的存在,限制了水动力对沉积物与上覆水之间物质交换的增强作用,所以海湾水库沉积物中蓄积盐分对上覆水的影响将是长期的过程。
混合浪中长波对短波的位相调制
丛培秀, 郑桂珍, 裴玉华
2010, 21(2): 261-266.
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为研究长波对短波尤其是风浪高频成分的调制,在实验室风浪水槽中产生混合浪,分析风浪受规则长波的调制。采用本征模态方法分解出不同尺度的风浪模态,计算各模态位移平方关于长波位相的平均。结果表明,风浪主要波、小尺度波和介于二者之间的中等尺度波,其能量沿长波位相的分布具有不同特征:风浪主要波的能量随长波波陡增加而减少,其分布与长波同相且关于长波波谷对称;中等尺度波的能量则随长波波陡增加而增加,在长波波峰迎风面略高于背风面;小尺度风浪的能量随着风速和长波波陡的增加而增加,随着风区长度的增加而减少,在长波波峰迎风面明显高于背风面。
南黄海辐射沙洲趋势性演变的动力机制分析
陈可锋, 陆培东, 王艳红, 喻国华
2010, 21(2): 267-273.
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摘要:
南黄海辐射沙洲区水道及其之间的沙洲普遍存在逐渐向南偏移的趋势,对这种趋势性演变机理及驱动力的认识成为辐射沙洲区海岸开发过程中亟待解决的问题。在恢复黄河北归以来苏北黄河三角洲海岸不同发育阶段的岸线位置和水下地形的基础之上,通过所建立的潮波数学模型,研究了在苏北黄河三角洲不同演变阶段南黄海潮波系统的特征及其变化。研究表明,随着岸线后退和水下三角洲的夷平,辐射沙洲地区潮差不断增大;水动力不断加强,而且加强的区域逐渐向南偏移,这种大范围区域性水动力主轴的向南偏移有可能是导致辐射沙洲整体南移的主导因素之一。
基于贝叶斯理论的水文不确定性分析研究进展
梁忠民, 戴荣, 李彬权
2010, 21(2): 274-281.
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水文过程受众多自然和人为因素影响,决定了其变化的极端复杂性,表现为确定性的动态规律与不确定性的统计规律共存。水文不确定性分析的理论和方法在认识水文规律中发挥着重要作用,其中贝叶斯作为一种主要理论方法在水文水资源相关问题的研究中得到了较广泛的应用。本文评述了贝叶斯理论在水文频率分析、水文预报、确定性和不确定性方法耦合等研究中的进展,对基于贝叶斯理论的水文不确定性重点研究内容进行了展望。
河口生态需水研究进展
孙涛, 徐静, 刘方方, 赵芮, 杨志峰
2010, 21(2): 282-288.
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摘要:
针对陆海交互作用下河口生态需水影响因素多且时空差异性显著的特点,在系统分析淡水输入对河口生态系统水环境过程和生物过程影响的基础上,按生态需水目标的差异,将河口生态需水分析方法划分为基于典型生物资源保护目标、基于生境保护目标以及基于多目标整合分析3种类型。从生态需水目标筛选、生态需水目标对淡水输入响应关系以及生态需水计算方法实用性方面探讨了河口生态需水研究中面临的主要问题。结论认为生态系统健康综合表征指标的确定应成为分析河口生态需水的关键科学基础,筛选控制性生态要素构建河口关键生态水文过程模型可成为有效提高生态需水计算方法实用性的主要技术手段。

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