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2010年  第21卷  第5期

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黄河干流泥沙优化配置综合评价方法
陈绪坚, 胡春宏, 陈建国
2010, 21(5): 585-592.
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按照泥沙优化配置评价指标应满足的科学性、系统性、层次性、代表性、定量性和可比性等筛选原则,初步构建了黄河泥沙配置评价指标体系框架,针对黄河泥沙空间优化配置的技术子目标和经济子目标,筛选了河道平滩流量、"二级悬河"高差、入海排沙比、水库拦沙投入、人工(机械)放淤投入和排沙入海投入等6个主要评价指标,提出了各个评价指标和综合评价函数的计算方法,并提出了黄河泥沙配置方案的综合评价方法。通过对12个黄河泥沙空间优化配置方案进行综合评价,建议了较优的配置方案。方案中各种配置方式平均配置沙量比例分别为:水库拦沙量41.0%、河口造陆沙量18.0%、深海输沙量17.8%、引水引沙量10.4%、人工(机械)放淤沙量6.9%、主河槽冲淤沙量3.8%、洪水淤滩沙量2.1%。
不同植被类型的坡面径流侵蚀产沙试验研究
于国强, 李占斌, 李鹏, 张霞, 陈磊, 贾莲莲
2010, 21(5): 593-599.
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利用野外模拟降雨试验,研究不同植被类型的侵蚀产沙、径流、地表糙度和入渗规律以及相关关系。结果表明,植被对水沙调控作用大小依次为:植物根系,整个坡面植被,坡面下部植被和坡面上部植被。林草地具有蓄水减沙的水土保持措施功效,该机制通过植物根系对水沙的调控作用实现;草地具有直接拦沙的水土保持功效,该机制通过地表植被对水沙的调控作用体现。累计产沙量随累计径流量呈幂函数递增趋势,具有很好的相关性;坡面径流产沙过程分为发育期、活跃期和稳定期3个阶段。植被覆盖度越大,地表糙度变化越小。
弯道水流对下游回水响应特征试验研究
孙一, 赵小娥, 王协康
2010, 21(5): 600-605.
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弯道水面横比降及断面环流是弯道水流的显著特性。通过U形弯道水流壅水试验,对弯道水面横向比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速沿程的变化进行了试验研究。结果显示,随着下游回水的抬高,弯道水面横比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速将发生明显的改变。为深入探讨下游回水对弯道水流结构的影响提供了科学依据。
水文地质参数反演的Hooke-Jeeves粒子群混合算法
江思珉, 朱国荣, 施小清, 周念清
2010, 21(5): 606-612.
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水文地质参数寻优结果的好坏会直接影响到地下水数值模拟的精度,而参数寻优结果很大程度上取决于寻优方法的选择。粒子群算法是一种基于群智能的随机全局寻优方法,算法的缺陷是后期搜索效率低劣。基于随机寻优算法的混合策略,引入有效的约束处理手段和粒子群算法惯性因子的动态非线性调整技术,有机融合粒子群算法与Hooke-Jeeves方法,提出一种适用于水文地质参数反演的HJPSO混合算法。应用研究表明,HJPSO混合算法在参数反演计算中求解精度高、收敛速度快、寻优性能强,是一种值得推广的水文地质参数识别方法。
集合卡尔曼滤波估计水文地质参数的局域化修正
南统超, 吴吉春
2010, 21(5): 613-621.
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集合卡尔曼滤波(Ensemble Kalman Filter,EnKF)作为一种有效的数据同化方法,在众多数值实验中体现优势的同时,也暴露了它使用小集合估计协方差情况下精度较低的缺陷。为了降低取样噪声对协方差估计的干扰并提高滤波精度,应用局域化函数对小集合估计的协方差进行修正,即在协方差矩阵中以舒尔积的形式增加空间距离权重以限制远距离相关。在一个二维理想孔隙承压含水层模型中的运行结果表明,局域化对集合卡尔曼滤波估计地下水参数的修正十分有效,局域化可以很好地过滤小集合估计中噪声的影响,节省计算量的同时又可以防止滤波发散。相关长度较小的水文地质参数(如对数渗透系数)更容易受到噪声的干扰,更有必要进行局域化修正。
沿海地区地下水模拟优化管理模型
高玉芳, 陈耀登, 张展羽
2010, 21(5): 622-627.
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针对中国一些沿海地区地下水超采及由此带来的海水入侵问题,将地表水补给、抽水量及地下水位等相嵌在一起,建立了沿海地区地下水模拟优化管理模型。将人工鱼群算法和基于MODFLOW2000的变密度地下水流及溶质运移模型耦合起来,对沿海地区地下水模拟优化管理模型进行求解。以山东省威海市节水示范区为例,验证模型的有效性和可靠性。结果表明,10、11、12月份抽水量最大,以后至第2年5月份依次是减少的;从区域分布上看,在临海区域1号井处抽水量是3500～1120m3/月,在其它井处是6540～2920m3/月;与现行方案相比,增加总有效供水1990m3,地下水平均水位升高0.29m,海水入侵问题能够得到解决。计算结果合理可行,为沿海地区地下水资源的科学管理和持续利用提供可靠依据。
重庆岩溶地下河水文地球化学特征及环境意义
蒲俊兵, 袁道先, 蒋勇军, 苟鹏飞, 殷建军
2010, 21(5): 628-636.
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岩溶地下河系统是岩溶地区重要的地下水资源,重庆地区分布有岩溶地下河380条,是重庆市重要的地下水资源。为宏观掌握重庆地区岩溶地下河水化学特征,了解区域岩溶地下河水化学影响因素及分布规律,研究了重庆不同地区61条岩溶地下河水文地球化学特征。结果表明,重庆地区岩溶地下河的溶解组分主要来源于碳酸盐岩的溶解,水化学类型为Ca-HCO3型或Ca(Mg)-HCO3型,但部分地下河水化学受到人类活动影响变为Na+Ca-HCO3型、Na+Ca-SO4型、Na+Ca-Cl型或Ca-SO4+HCO3型,且农业活动或城市废水对地下河水化学的影响比工矿业活动普遍。地下河水温度随海拔升高而逐渐降低。在相同的地质背景下,地下河Ca2+、Mg2+、HCO3-等离子由于受不同区域岩溶作用强度差异的影响呈现出明显的区域性,SO42-、NO3-、Cl-等指标由于受不同区域人类活动强度和方式的影响也显示出明显的区域性。总体来看,岩溶地下河水质正在恶化。
中国农作物绿水占用指数估算及时空差异分析
孙才志, 陈丽新, 刘玉玉
2010, 21(5): 637-643.
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从农作物生长消耗的绿水量入手,构造了农作物绿水占用指数,选取中国31个省区作为研究对象,通过对农作物绿水占用指数的计算,揭示中国各省区农业生态系统对绿水资源占用情况的空间分布特征,发现农作物绿水占用指数高的地区以黄淮海平原为核心集中分布,低的地区则主要分布在中国的西部。利用空间自相关分析方法,对中国1997～2007年农作物绿水占用指数的总体空间区域差异及时间演变趋势进行研究,结果显示,中国农作物绿水占用指数空间上存在着显著的集聚现象,但该现象逐年呈减弱趋势。结合局部自相关分析,对中国31个省区11年间的农作物绿水占用指数区域分异的时空演变规律进行探索,并对演变原因做出解释。
Angstrom公式参数对ET0的影响及FAO建议值适用性评价
胡庆芳, 杨大文, 王银堂, 杨汉波
2010, 21(5): 644-652.
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作为计算太阳总辐射(Rs)的主要公式,Angstrom公式参数(a、b)的合理取值是计算参照腾发量(ET0)的重要前提。针对FAO所提出的a、b建议值(a=0.25、b=0.5)在中国无辐射观测资料地区被大量使用,而其合理性尚未得到系统评价的情况,基于中国104个地面站的观测数据,在逐月时间尺度上,讨论了a、b变化对ET0的影响,分析了a、b的地区分布规律,评价了FAO建议值所导致的ET0计算误差,进而阐明了该建议值在中国7个区域的适用性。提出了无辐射资料情况下a、b的地区综合取值方法。主要研究结论是:①参数a、b偏差对ET0的计算有重要影响,在中国无资料地区采用FAO建议值将导致较大的太阳总辐射(Rs)和ET0计算误差。②大多数站点,a的率定值较FAO建议值明显偏小,而b的率定值明显偏大。新疆地区和华南地区a、b率定值分布比较集中,而在其它区域比较分散。③FAO建议参数值在东北、西北和新疆3个区域计算ET0的适用性较好,而在西南和华南两个区域的适用性很差,计算的ET0偏高较大。④提出的地区综合取值方法,能使Rs和ET0的计算精度较FAO建议值显著提高。
新疆山区低层云水资源时空分布特征
彭宽军, 陈勇航, 王文彩, 邱学兴, 林雄, 白鸿涛
2010, 21(5): 653-659.
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采用云与地球辐射能量系统(CERES)2003～2007年的CERESSSF Aqua MODIS云资料,选取新疆阿尔泰山、天山和昆仑山三大山区,通过考察云量和云液态水柱含量分析了低层云水资源的多年空间分布和季节变化特征。结果表明,三大山区多年平均的云量年平均区域值在24.4%～27.5%之间,云液态水柱含量在51～56.3g/m2之间。三大山区低层云量和云液态水柱含量有明显的季节变化特征。综合云量和云水柱含量来看,春季是三大山区低层云量资源最丰富的季节,冬季是三大山区低层云中的含水量最丰富的季节。
北京地区强降水极端气候事件阈值
李庆祥, 黄嘉佑
2010, 21(5): 660-665.
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根据北京地区1951～2008年逐日降水量资料,采用排序法、插值法、正态变换法、平方根变换法和立方根变换法等5种计算阈值的方法,对强降水极端气候事件阈值的确定问题进行研究。研究结果表明,确定日降水量百分位阈值的方法,在5种计算阈值的方法中,平方根变换方法得到最好的效果。在阈值确定的样本中,可以使用30年滑动气候阶段的样本得到的阈值平均值,作为极端气候事件阈值。
基于WEAP模型的西苕溪流域水质安全保障方案
李燕, 李恒鹏
2010, 21(5): 666-673.
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针对西苕溪流域水质安全问题,基于WEAP建模平台,构建了西苕溪流域水资源评估与规划模型。在模型验证基础上,分析了西苕溪流域2001～2020年河道水功能目标满足度及水供需关系,识别了流域水资源利用存在的问题,并探讨了水源地和中下游区水质安全保障措施及其改善水质的效用,在此基础上提出了西苕溪流域水质安全保障方案。研究表明:TN是影响水源地供水安全的限制性因素,TN、TP是影响河道水功能的重要指标。通过综合实施废水处理厂、节水型设备、退耕还林等水资源管理措施能起到较好地削减TN产出的效果,水源地河道TN浓度降低,基本上能保证全年实现河道Ⅲ类水功能目标,中下游河道TP、TN浓度亦能达到Ⅲ类水功能要求。
五台山区地形雨减少对水资源量的影响
杨汉波, 杨大文, 雷志栋
2010, 21(5): 674-680.
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海河流域水资源量减少的原因倍受关注,以五台山地区为例分析地形雨减少对水资源量的影响,分析五台山站与山下周边的5个站点年降水量之比——地形强化因子(Ro)的减少趋势以揭示地形雨的减少;并利用水热耦合平衡方程定量评估地形雨减少对该地区水资源量的影响。结果表明,近50年间Ro减少了0.53(27%),即地形雨大幅度减少;导致南庄水文站控制的五台山地区天然年径流量减少了1.9亿m3/a,占径流总减少量的70%,为多年平均年径流量的26%。中国很多地区的降水观测站网都缺少位于山上的雨量站,难以估计山区地形雨的减少,导致根据降水进行径流计算时,会低估水资源的减少量。
灌溉水利用效率随尺度变化规律分布式模拟
谢先红, 崔远来
2010, 21(5): 681-689.
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为评价农田灌溉水利用状况并揭示灌溉水利用效率的尺度变化规律,应用改进的分布式水文模型(SWAT)模拟了漳河灌区三干渠灌域的水循环过程和作物产量。以子流域嵌套方式将研究区划分为9个尺度来计算灌溉水利用效率指标,并分析其随尺度变化的特征及原因。结果表明,灌溉水分生产率受降雨、气候条件的时空分布特征影响较大,而且随尺度增大明显,其尺度关系可以近似应用幂函数描述,函数的形式和参数与分形思想接近。排水率在中等尺度上的数值最大,但随尺度变化不显著。因此,在一定精度条件下,灌溉水分生产率的尺度转换模式可以尝试应用幂函数形式。漳河灌区在中等尺度上的节水潜力最大。
基于数据包络分析的统计预测模型有效性评价
毛晓敏, 尚松浩
2010, 21(5): 690-695.
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统计预测模型是进行中长期水文预报的主要手段之一,在统计预测模型建模过程中面临的一个重要问题是如何从诸多待选模型中挑选出一个预测投入较低、预测精度较高的模型。针对这一多属性综合评价问题,提出了利用数据包络分析中的CCR模型进行水文统计预测模型综合评价的方法。模型的输入指标包括预测因子指标和模型参数指标,输出指标为模型精度评价指标,评价结果为模型的相对效率。作为典型案例,对参考作物腾发量预测的20个径向基函数网络模型的有效性进行了评价,结果表明该评价方法是可行的。模型中预测旬参考作物腾发量的关键因子是最高、最低温度,其次是风速,再次是日照时数;将预测时段所属的旬序号作为网络输入可显著提高模型预测精度和相对效率。
基于微分对策理论的多沙河流水库调度
钟德钰, 申晓东, 丁赟
2010, 21(5): 696-700.
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水库的排沙问题一直是多沙河流水库调度研究的重点之一。由于大部分多沙河流的来水来沙主要集中于汛期,因此水库汛期的蓄水兴利与泄水排沙的矛盾十分突出,具有典型的博弈关系,该关系可以利用博弈的相关理论进行描述。基于微分对策理论,将多沙河流水库汛期的供水兴利与泄水排沙看作博弈的双方,建立起以排沙和供水的综合效益作为性能指标函数的多沙河流水库汛期调度模型,研究了多沙河流水库汛期的调度问题,并通过陕西黑河某水库的实测资料对该模型进行了验证计算。计算结果表明,建立的调度模型能够较好地反映多沙河流水库汛期调度中的主要矛盾,实现对供水与排沙综合效益的优化。
大风浪影响下海域泥沙输运异变数值模拟
刘桂卫, 黄海军, 丘仲锋
2010, 21(5): 701-707.
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摘要:
基于实测的水深、潮流、悬浮体、底质数据及历史气象资料等,采用导入SWAN波浪参数的ECOMSED三维模型,模拟大风浪对小清河口附近海域悬浮体浓度和底床冲淤变化的影响程度。并利用全潮水文观测资料对水动力和输沙率模拟结果进行检验,对比分析表明计算值与实测值吻合良好。模拟结果表明,大风浪影响下近岸海域泥沙输运变化较大,悬浮体浓度可达一般天气的10倍左右,而底床冲淤变化可达平时的百余倍。大风浪期间剧烈的底床冲淤变化对河口拦门沙演化影响较大。
南极中山站附近固定冰生消过程观测
雷瑞波, 李志军, 窦银科, 程言峰
2010, 21(5): 708-712.
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2005～2006年对南极中山站附近固定冰区海冰生消过程进行了系统观测。基于观测数据比较了2005年和2006年冰季固定冰生消过程的差异,分析了冰厚增长速率的日内变化和季节变化,讨论了积雪对固定冰生消的影响。2005年尽管冰生长期的负积温较大,但由于雪厚较大,其冰厚增长速率和最大冰厚都小于2006年的观测值;极夜期间冰厚增长速率的日内变化不明显,但极夜前和极夜后都存在明显的日内变化;中山站以北16km范围内的冰/雪厚度随离岸距离没有明显的变化趋势,但冰脊形成和冰山存在都会对局部的冰/雪厚度分布产生较大影响。
水力与热力耦合的开河判别准则
王军, 何亮, 陈胖胖
2010, 21(5): 713-718.
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寒带河流在春季往往会由于水力和热力因素的剧烈变化而引发冰盖溃决,国内俗称为"武开河"。这一现象会导致冰坝形成,造成巨大的自然灾害。通过冰盖断裂机理的力学分析,耦合热力对冰盖材料性质的影响,提出了一种开河判别方法。应用黄河河曲段实测原型资料进行验证分析,结果表明该准则判定结果与实际相符,是一种行之有效的判别准则。
农田排水沟渠的环境效应与生态功能综述
陆海明, 孙金华, 邹鹰, 朱乾德, 丰华丽
2010, 21(5): 719-725.
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摘要:
农田排水沟渠作为农业景观中重要的景观单元,能够调节农田生态系统水分平衡,改变流域水文情势。农田养分可以随排水过程迅速流失,也可以通过沉淀与吸附机制被农田沟渠所截留或者通过植物吸收后收割与反硝化去除等机制脱离农田生态系统。作为农田生态系统边缘的交错带,农田排水沟渠较高的植物多样性可以提供动物栖息地和避难场所,增加农田生态系统生物多样性。清淤、收割和控制排水等管理措施对于农田排水沟渠的环境效应和生态服务功能有着不同的影响。今后应加强从多个学科研究农田排水沟渠的环境效应和生态功能,探索生态排水沟渠的构建和管理技术,实现农田排水沟渠水利功能和生态功能的"双赢"。
城市非点源污染管理的制度、信息和决策支撑
郑一, 王学军, 吴斌, 韩峰
2010, 21(5): 726-732.
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摘要:
城市非点源污染对中国水环境的威胁日益加剧。制度不健全、信息基础薄弱和缺少决策支撑是当前城市非点源污染管理的主要制约因素。短期内,改善城市非点源污染管理的首要任务是夯实信息基础。从长远来看,制度的完善是落实城市非点源污染管理的根本保障。发达国家在信息基础建设和制度设计方面的成果和经验对于中国城市非点源污染管理工作有重要的参考价值。此外,先进的决策支撑技术是管理获得预期成效的重要保障。国际上决策支撑技术研究的最新发展动态值得国内相关领域借鉴。

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