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2011年  第22卷  第2期

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中国西北地区地表干湿变化及影响因素
黄小燕, 张明军, 贾文雄, 王圣杰, 张宁
2011, 22(2): 151-159.
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摘要:
采用1960～2009年112个观测站逐日气象资料,利用FAO Penman-Monteith模型,计算出西北地区各气象站的潜在蒸散量,由此计算出各站点的湿润指数.采用反距离加权插值、Mann-Kendall检测等方法对全区湿润指数的时空变化特征及影响其变化的气象要素进行了探讨.结果表明:西北地区近50年来有变湿趋势,湿润指数平均每10年增加0.006;季节上以春、冬两个季节的增加趋势最明显.该区湿润指数的空间分布自西北向东南大致呈先减少后增加的趋势.由湿润指数变化的空间差异,将全区划分为3个区域:显著增加区、轻度增加区、持续减少区.影响湿润指数变化的气象要素在不同年代对其影响程度不同,湿润指数与降水量和相对湿度存在明显的正相关性,与日照时数、潜在蒸散量、风速存在显著的负相关性.
Hargreaves公式的全局校正及适用性评价
胡庆芳, 杨大文, 王银堂, 杨汉波
2011, 22(2): 160-167.
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Hargreaves公式是计算参考作物腾发量(ET0)最为简便的经验公式之一,但目前对于该公式在不同气候类型区域的适用性及误差影响因素尚缺乏系统评价.在月时间尺度上,以Penman-Monteith公式计算的ET0为基准值,利用洗牌复合形进化算法(SCE-UA),在中国105个气象站对Hargreaves公式进行了全局校正.分析了校正后Har-greaves公式参数的地区分布规律和影响因素;同时,从长系列过程和年内季节性过程两方面,综合说明了校正后Hargreaves公式在中国7个区域的适用性;讨论了影响Hargreaves公式计算精度的气象因素.结果表明:校正后Hargreaves公式可以有效提高计算精度,但计算精度的地区差异仍然比较明显.校正后的Hargreaves公式,对于青藏高原及毗邻区和西南、西北地区大部分站点,在年内各月均具有较强的适用性;对于东北、华北和新疆地区,夏秋季节的计算精度较高,而在冬春季节计算精度较低;对于华南地区的绝大多数站点,仅在年内2～3个月份具有较高计算精度.同时,对于大部分站点,Hargreaves公式无法有效描述ET0中的空气动力学项是计算误差产生的主要原因.校正后Hargreaves公式在年内各月计算精度与空气动力学项占ET0的比例(K)、月平均降水量(P)具有显著相关性.一般而言,K值越大,Hargreaves公式计算精度越低;P越大,Hargreaves公式计算精度越高.各月计算精度与风速、相对湿度的关系则比较复杂,在不同区域表现各异.
土壤数据对分布式流域水文模型模拟效果的影响
李润奎, 朱阿兴, 秦承志, 陈腊娇, 刘军志
2011, 22(2): 168-174.
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基于空间半分布式的SWAT模型和全分布式的WetSpa Extension模型,分析了高分辨率的SoLIM数字土壤数据和美国SSURGO传统土壤数据对流域径流空间分布式模拟和总量模拟的影响.结果显示:利用不同土壤数据得到的产水模拟结果在空间上差别明显,但模拟径流总量的差别随着模拟面积的增大而逐渐减小.根据实验结果,对于注重空间分布的模拟目的,需要较详细输入数据的支持;对于总量模拟,则可随模拟面积的增大而适当放宽对输入数据分辨率的要求.
气候变化对伊逊河流域水资源量的影响
杨志勇, 于赢东, 王建华, 严登华
2011, 22(2): 175-181.
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海河流域作为中国水资源最为紧张的流域,其水资源对气候变化非常敏感.以海河流域中受人类活动影响较小的伊逊河流域为对象,基于海河流域未来气候变化研究成果构建了20种气候变化情景,应用具有物理机理的分布式流域水文模型模拟了不同气候变化情景下的流域水循环情景,对气候变化对伊逊河流域水资源量的影响进行了分析,结果表明气温升高1℃将使流域内3.8mm的径流转化为蒸散发,降水的增加将使流域的蒸发和径流都有所增加,其中新增降水50%转化为蒸发,30%转化为径流.同时径流和蒸散发对于高温和强降水更为敏感.未来气候变化的不确定性使未来水资源量的变化也有很大的不确定性,在以升温为主、降水变化存在很大不确定性的情况下,伊逊河流域天然径流量可能进一步衰减.
基于样本熵理论的自适应小波消噪分析方法
尚晓三, 王式成, 王振龙, 王栋
2011, 22(2): 182-188.
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小波消噪方法的核心问题是阈值的选择及确定.依据样本熵的特性,将样本熵与小波分析方法耦合起来,提出了一种自适应确定阈值的小波消噪分析方法.该方法计算了不同阈值对应噪声序列的样本熵值,得到阈值与样本熵值之间的关系曲线,当样本熵值达到最大时,此时阈值为所求阈值.通过算例加以验证分析,结果表明,自适应小波消噪分析方法能较好地实现水文序列的信噪分离,其消噪结果符合序列本身的特性及评价指标的要求,这为合理确定阈值提供了一种新的途径和方法.
一维畦灌施肥地表水流与溶质运移耦合模型——Ⅰ.模型建立
章少辉, 许迪, 李益农, 白美健
2011, 22(2): 189-195.
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提高畦灌施肥地表水流与溶质运移数值模型的稳定性、收敛性及计算精度,有利于改善地面畦灌施肥系统的设计与评价工作.在利用隐-显混合时间格式对一维畦灌地表水流与溶质运移耦合模型中包含的各矢量项进行时间离散基础上,借助有限差分法、有限体积法和有限单元法分别对由隐时间格式生成的物理矢量线性近似式空间导数、物理矢量空间导数、溶质扩散矢量和地形矢量项进行空间离散,对最终形成的控制方程代数方程组进行数值求解,构建起基于混合数值解法的一维畦灌施肥地表水流与溶质运移耦合模型.
一维畦灌施肥地表水流与溶质运移耦合模型——Ⅱ.模型验证
章少辉, 许迪, 李益农, 白美健
2011, 22(2): 196-202.
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基于典型畦灌施肥试验观测结果及其模拟结果,对比分析利用混合数值解法和Roe有限体积法分别求解一维畦灌施肥地表水流与溶质运移过程控制方程在数值稳定性与收敛性、计算精度与效率上的差异,验证混合数值解法的计算性能与模拟效果.结果表明,混合数值解法比Roe有限体积法表现出更佳的数值稳定性和收敛性,产生的水平衡误差和平均相对误差较低,同样度量环境下的计算效率提高2.5倍以上.基于混合数值解法的一维畦灌施肥地表水流与溶质运移耦合模拟方法可明显增强数值计算的稳定性和收敛性,有效提高计算精度和效率,为开展畦灌施肥系统设计与评价提供了有效的数值模拟工具.
复杂河网水动力数值模型
朱德军, 陈永灿, 王智勇, 刘昭伟
2011, 22(2): 203-207.
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利用汊点水位预测-校正(junction-point water stage prediction and correction,JPWSPC)法处理缓流河网汊点处的回流效应,采用Preissmann格式离散Saint-Venant方程组,并采用Newton-Raphson方法求解非线性离散方程,构建了非恒定河网水动力模型.模型既无需特殊的河道编码,又避免了建立和求解总体矩阵.与常用的分级解法模型相比,保留了其既适用于树状又适用于环状河网的优点,同时克服了分级解法需要建立和求解河网总体矩阵的缺点,显著提高了稳定性和计算效率.
蒸发条件下土壤水分响应模拟
杨德军, 张土乔
2011, 22(2): 208-214.
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基于有限元(FEM)和改进的积分型Richards方程解法(IRE方法)对蒸发条件下5种土体土壤水分响应进行了研究.数值实验结果表明:在土壤表面潜在蒸发量0.50 cm/d的情况下,5种土体土壤含水率变化曲线均呈现单拐点两阶段的特点,拐点出现在地表下20cm左右,拐点上部区域曲线曲率大于下部区域,两阶段的划分以15d左右为界,前阶段比后阶段的土壤水分变化快;蒸发模拟结果很好的证明了蒸发三阶段理论.总蒸发量和下边界排水量与土壤结构密切相关,而总水量变化量和变化率与土壤质地有关.IRE方法与FEM模拟结果基本一致,解法相对简单,模拟结果可靠性高.
渗流边界上推移质输沙率
陆彦, 陆永军, 李寿千
2011, 22(2): 215-221.
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天然河道边界上常由于地下水和地表水的水位不同而产生渗流,引起水流的非静水压力分布,进而影响推移质输移规律,也使得常用的推移质输沙率公式不再适用.利用水槽试验测定沙波的尺寸及运动速度与床面渗流水力梯度的关系,结果表明沙波的高度及运动速度随着向下渗流强度的加大而增加,随着向上渗流强度的加大而减少;进而结合理论分析,利用沙波运动特点估算推移质输沙率,并推导出推移质输沙率随床面渗流的引入而变化的计算公式,分析渗流引起非静水压力分布下推移质输沙率的变化.
无粘性均质土石坝漫顶溃决试验研究
张大伟, 黄金池, 何晓燕
2011, 22(2): 222-228.
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针对当前土石坝溃决机理试验研究中泥沙粒径取值偏小、各砂样粒径相差不大的现状,采用粒径对比明显的两组砂样进行了土石坝漫顶溃决试验.试验表明,在给定的较强的初始冲刷条件下,粗细两种颗粒坝体的溃决过程基本一致,均是以水流的下切侵蚀为主,在坝顶下缘位置有溯源冲刷现象出现.整个溃决过程可明显分为3个阶段,第1阶段为坝顶下缘处陡坎形成阶段;第2阶段为陡坎坍塌,冲刷加剧阶段;第3阶段为出现逆行沙垄的冲刷终止阶段.试验还发现,下游坝坡对溃决过程的影响比较显著,坝坡越陡,坝顶侵蚀速率越快,洪峰值越大.另外,由于粗颗粒抗冲刷性强,同等条件下粗颗粒坝体溃决洪水过程偏矮胖,洪峰值偏小,但是值得注意的是,相比于较大的颗粒粒径差距而言,其洪峰值的差异并不是太大.
植被影响下坡面侵蚀临界水流能量试验研究
肖培青, 姚文艺, 申震洲, 杨春霞
2011, 22(2): 229-234.
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坡面侵蚀临界水流能量是反映土壤抗蚀作用强弱的重要特征值.利用人工模拟降雨试验,定量研究了在45mm/h、87 mm/h和127 mm/h降雨强度下、20°陡坡面裸地、草地和灌木地的坡面侵蚀临界水流能量.结果表明,不同植被条件下坡面输沙率随径流切应力、单位水流功率和断面比能的增大而增大,有良好的响应关系.裸地、草地和灌木地坡面侵蚀的临界径流切应力分别为0.86 N/m2、2.86 N/m2和1.65 N/m2,临界单位水流功率分别为0.0036 m/s、0.0127 m/s和0.0169 m/s,临界断面比能分别为0.074 cm、0.11 cm和0.13 cm.在具有植被条件下,只有当水流具有更大的能量时,才会引起坡面土壤侵蚀.该研究对于揭示植被调控坡面产流产沙机理,为生态修复工程建设提供科学依据具有一定的科学意义.
确定Brooks-Corey土壤水力特性模型参数的垂直入渗方法
马东豪, 张佳宝, 黄平
2011, 22(2): 235-241.
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在水平入渗方法的基础上,提出了一种不需测定饱和导水率,仅利用一维垂直入渗试验即可确定Brooks-Corey模型参数的新方法.利用封丘县两种质地土壤的入渗资料,对所提出的方法进行了检验.结果表明,只要入渗历时足够长,基质势和重力势作用相当,垂直入渗方法确定的土壤水力参数与水平吸渗方法的预测结果相近;利用预测的参数,数值解和提出的近似解均能很好模拟土壤水分入渗过程.相对于水平吸渗方法和反推参数法,垂直入渗方法省时省力,且能避免数值弥散和参数不唯一问题.
渠道分水扰动可预知算法设计与仿真
尚毅梓, 吴保生, 李铁键, 王光谦
2011, 22(2): 242-248.
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维持控制点水位稳定是保证输水渠道安全有效运行的前提.以控制点水位偏差为主要抑制因子,基于线性二次型(LQR)指标,构建了渠道系统水位偏差、偏差变率和流量控制的全状态空间模型,将加入预测模块的线性二次型算法在渠道系统的全状态空间中进行分析和综合,提出了扰动可预知模型的构造方法.通过脉冲响应测试来加深对算法结构的理解,使用南水北调中线电子渠道平台对算法有效性进行验证,验证结果表明,该算法在渠道运行工况改变后,仍能够维持渠道的稳定运行,算法设计极具潜在的应用价值.
流域虚拟仿真中水沙模拟时空过程三维可视化
冶运涛, 蒋云钟, 梁犁丽
2011, 22(2): 249-257.
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摘要:
将计算机图形学领域的粒子系统引入数字流域研究,研发了基于通用网格的水沙模拟时空过程三维可视化系统.该系统建立数据结构描述粒子信息和计算或者虚拟网格单元信息传递关系;采用网格控制粒子随机生成;提出局部搜索定位方法来快速确定粒子位置;通过反距离加权平方插值提取水流信息;利用自适应龙格-库塔方法实现粒子的动态变化;设计了附有更多水流属性的水体粒子;研究了流场变化过程中粒子分布不均的问题.将上述方法应用于三峡与葛洲坝间河道水流的动态可视化模拟,验证了该系统的有效性和实用性.
径向点插值法在波浪传播数值模拟中的应用
季小强, 冯卫兵, 张俞
2011, 22(2): 258-265.
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针对波浪数值模拟中基于矩形网格的数值方法在深水到浅水的网格间距选择与复杂边界处理上的缺陷,以及基于正交曲线网格和无结构网格的数值方法前处理工作复杂的问题,引入最近在计算力学中发展起来的无网格法——径向点插值法,对经典的双曲型缓坡方程进行空间离散,并在时间上采用四阶Adams-Bashforth-Moulton格式求解建立近岸波浪传播数学模型,通过椭圆形浅滩地形和环形河道的波浪传播计算验证,表明该无网格方法可较为有效地模拟近岸波浪的传播变形,且在处理复杂边界时具有较高的精度.
环渤海海冰弯曲强度的试验测试及特性分析
季顺迎, 王安良, 苏洁, 岳前进
2011, 22(2): 266-272.
摘要
摘要:
在渤海冰区油气开发中,海冰物理力学性质对海洋结构设计、海冰动力学过程均有重要影响.目前,随着渤海冰区锥体海洋平台的增加,对海冰弯曲强度的研究具有重要意义.对环渤海沿岸9个测点的海冰弯曲强度进行了现场和室内测试,同时对影响海冰弯曲强度的海冰盐度、温度进行了测试;分析了莱州湾、辽东湾西岸和辽东湾东岸等不同测点海冰弯曲强度的特性,讨论了海冰弯曲强度与卤水体积(温度和盐度)、应力速率的对应关系;依据海冰弯曲强度与卤水体积的平方根呈负指数关系,与加载速率呈线性关系的特点,确定了海冰弯曲强度的双参数推算公式,为冰区锥体、斜面结构海冰弯曲破坏时的冰荷载设计提供了参考依据.
波浪扰动对太湖底泥磷释放影响模拟
丁艳青, 朱广伟, 秦伯强, 王永平, 吴挺峰, 申霞, 洪大林
2011, 22(2): 273-278.
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摘要:
为揭示波浪扰动对湖泊底泥磷释放的影响,在波浪水槽中模拟了不同波高情况下扰动对水体、水土界面、底泥间隙水的磷、溶解氧等的影响.结果显示,在大波扰动下,沉积物大量悬浮,水体总磷随之增加,溶解性磷增加却不显著;波浪扰动显著增加了水体和沉积物界面的溶解氧浓度,并增加了溶解氧在沉积物的侵蚀深度;波浪扰动降低了沉积物表层10 cm内间隙水中的磷浓度,而10 cm以下沉积物中间隙水中磷浓度基本保持不变.研究表明,波浪扰动可迅速增加水体中颗粒态的营养盐,但是对于溶解态营养盐,尤其是水体中活性磷浓度的影响,则受沉积物性质、水-沉积物间隙水磷浓度差,以及水-沉积物中氧含量等多方面因素的影响.
气候变化下水文极端事件变化预测研究进展
杨涛, 陆桂华, 李会会, 何海, 王晓燕
2011, 22(2): 279-286.
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摘要:
全球气候变化对洪水、干旱等极端水文事件的影响已成为一个亟待解决的科学问题.针对国内外在气候变化下采用统计降尺度和降雨径流模型对水文极端事件进行预测的研究进展进行了系统分析,在分类阐述的基础上,总结了国内外最新的研究进展及在预估过程中存在的问题和解决方案,试图凝练出一些气候变化背景下水文极端事件预估的新思路.结果表明:为有效降低极端水文事件预估的不确定性,各种集合模拟技术、数据同化方法、强化观测技术及水文模型的尺度转换理论将是有效的解决途径.
低影响发展的雨洪资源调控措施研究现状与展望
孙艳伟, 魏晓妹, POMEROY C A
2011, 22(2): 287-293.
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摘要:
低影响发展(Low Impact Development,LID)作为新兴的雨洪资源调控设计策略,对城市雨水资源化利用及生态环境保护具有重要的作用.系统论述了LID的定义、产生背景、设计目标及理念;分析了LID在主要技术措施、设计方法、效果监测、模型模拟等方面的研究进展,归纳总结了LID的优点及局限性;在此基础上,分析了LID的推广及应用前景,指出实地监测、介质试验、模型模拟及其与区域可持续发展的融合研究是目前LID研究的关键问题.国外LID的雨洪资源调控技术和方法对中国城市雨水资源化利用和生态环境保护具有借鉴意义.
纪念著名水文测验专家王锦生先生
刘国纬
2011, 22(2): 294-294.
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摘要:
王锦生先生离开我们已经5年了.我虽与王总共事的时间不多,但他对水文测验事业的执着、工作之勤奋与严谨,以及对中国水文测验科学技术发展的贡献,一直在我记忆中留有深刻的印象.王锦生先生是山东诸城人,1928年出生于辽宁省锦州.

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