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2011年  第22卷  第5期

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基于分布式水文模型的区域“四水”转化
张俊娥, 陆垂裕, 秦大庸, 刘淼
2011, 22(5): 595-604.
摘要:
根据天津市现状,利用中国水利水电科学研究院水资源研究所近期针对强人类活动地区,尤其是复杂的农田系统开发的分布式水文模型——MODCYCLE模型,构建了天津市MODCYCLE模型,并对天津市"四水"转化特征进行了定量分析。结果表明:天津市"四水"转化过程受社会侧支水循环的影响较大,有地表产流少、土壤补给大消耗量大、地下水超采以及入境水和外调水利用率高等特点。当地地表水已不能满足区域用水需求,现状条件下通过消耗上游来水量和外调水量保证区域用水,未来虽然还有南水北调工程补水,但仍需要执行严格的水资源管理制度才能逐步减少地下水超采,增加入海水量。
气候变化下淮河流域极端洪水情景预估
郝振纯, 鞠琴, 王璐, 王慧敏, 江微娟
2011, 22(5): 605-614.
摘要:
利用IPCC第4次评估公开发布的22个全球气候模式在A1B、A2和B1三种典型排放情景下的未来气温和降水预测结果,结合新安江月分布式水文模型,在对模型验证效果良好的基础上,参照集合预报方法,对未来90年(2010~2099年)气候变化下淮河流域的极端洪水进行预估。研究结果表明,从出现概率来看,淮河流域未来可能发生极端洪水年份的密集程度从大到小依次为A2情景、A1B情景、B1情景。A1B情景下,21世纪下半叶出现极端洪水的可能性增大,A2情景在2035~2065年以及2085年以后是极端洪水发生较为集中的时期。B1情景在21世纪70年代左右发生极端洪水的可能性较大。综合各种极端事件的定义方法,将极端洪水划定3个洪水量级。A2情景预估极端洪水的平均洪量在3种情景中最大,B1情景最小。3种情景未来一级极端洪水发生比例都比历史上偏大,A2情景下增加最多。二级极端洪水都较历史略有减少,三级极端洪水减少最显著。3种情景下各个量级极端洪水所占比例各不相同,A1B和A2情景二级以上极端洪水出现比例较大,B1情景下极端洪水量级多为三级,超1954年的一级极端洪水所占比例较小。
区域气候模式分辨率对夏季降水模拟的影响
刘向培, 王汉杰, 刘金波
2011, 22(5): 615-623.
摘要:
利用最新发布的区域气候模式RegCM4,选取3种水平分辨率,3种垂直分辨率,对2001~2003年6~8月气候状况进行模拟,将模拟降水与GPCP降水资料在季、月、日尺度进行对比分析,研究分辨率对夏季降水模拟的影响,得到主要结论:RegCM4模拟结果能较好地反映模拟区域降水由东南向西北递减的分布趋势,模拟降水量随水平、垂直分辨率的增加而减小,当水平分辨率为30 km,垂直分辨率为14层时,全区域模拟降水偏差最小;不同区域、不同月份区域平均降水对分辨率的敏感性存在明显差异;在高海拔区域,分辨率对降水模拟影响显著,随着水平分辨率的提高,模拟降水更接近观测值;模拟日降水强度分布的峰值随着垂直分辨率的提高,向弱降水方向移动显著;分辨率配置主要影响模拟降水偏差的低频分量及24 d周期分量,通过合理调整分辨率配置可以有效减小模拟系统误差。
马粪沟流域不同景观带水文过程
杨永刚, 肖洪浪, 赵良菊, 邹松兵, 尹振良
2011, 22(5): 624-630.
摘要:
目前高寒水源区完整水文过程规律研究还非常薄弱。应用同位素技术与水化学分析模拟方法来甄别高寒区马粪沟流域不同景观带冰川、积雪、冻土、地表水、地下水和降雨等水体对出山径流的贡献组合与路径,旨在揭示各景观带的水文过程。据端元混合模型计算,在湿季出山径流52%来自地下水补给,其地下水主要是由冻土融水、冰雪融水和降雨下渗转化形成;冰雪带融水占11%;高山寒漠带和灌丛带地表径流占20%;高山草原带约占9%;降雨直接补给占8%。整个流域降雨很少直接产生地表径流,而是在各个景观带转化成壤中流或地下径流,然后汇入河道。
平原河网地区河流曲度及城市化响应
赵军, 单福征, 杨凯, 吴阿娜
2011, 22(5): 631-637.
摘要:
河流曲度是河流平面形态的重要表征指标,以平原河网地区典型区域——上海为例,分析了20世纪50年代中心城区高密度河网的河流曲度特征,诊断了近60年以来快速城市化对区域河网及河流曲度的影响。研究认为:①近60年来上海中心城区河网密度下降幅度达67.22%,高强度人类活动导致区域河网水系分枝结构与自然规律完全相反;②平原河网地区是顺直型河流的典型发育区域,研究初期上海中心城区顺直型河流占85.40%,进一步分析表明曲度小于1.1的河流比例高达70.57%,河流形态接近于直线型;③上海中心城区消亡河流以顺直型为主,其消亡速率约为较高曲度河流的12倍,采用加权平均曲度指标描述区域河网萎缩对河流曲度的影响具有更好的直观性和科学性;④上海城市河流综合整治实践中,工程水利的倾向性强于生态水利,60.9%的河流整治项目开展了裁弯取直工程措施。
天然河湾几何形态统计分析
李志威, 秦小华, 方春明
2011, 22(5): 638-644.
摘要:
天然河湾是弯曲河流重要的地貌组成单元,研究河湾的几何形态和演变规律具有较高的理论价值。运用Google Earth卫星图像和AutoCAD软件相结合的方法,选取不同区域的8条河流的136个山区河湾和325个冲积河湾作为统计样本,定义和测量河湾几何形态参数。统计分析表明,山区河湾弯曲度变化区间为[1.7,14.8],冲积河湾弯曲度变化区间为[1.6,38.5]。冲积河湾的弯曲度均值和标准方差都大于山区河湾。山区河湾的弯顶偏向角无明显的趋向性,弯顶向上游发育和向下游发育的机率基本是相同的。冲积河湾的弯顶偏向角大于85°的河湾占65.5%,表明大多数冲积河湾的弯顶是偏向上游发育的。冲积河湾平均河宽与弯顶河宽成较好的线性关系,平均河宽与颈口宽度具有一定程度的正相关关系。天然河湾的横向相对偏移度与弯曲度成较好的线性关系,两者表征河湾平面弯曲形态具有一致性。
曹妃甸老龙沟潮汐通道拦门沙演变机制
季荣耀, 陆永军, 左利钦
2011, 22(5): 645-652.
摘要:
渤海湾曹妃甸老龙沟海区属于泻湖型潮汐通道体系,口门附近发育有大规模拦门沙浅滩。由于沿岸泥沙供给不足,近几十年来东坑坨等沙坝外侧海区整体呈侵蚀冲刷态势,等深线向陆蚀退。老龙沟西支深槽也以侵蚀作用为主,而拦门沙地区滩槽冲淤变化则与东坑坨演变密切相关。其中东槽冲刷发展主要是东坑坨西南尾端淤长压迫老龙沟口门,引起岬角效应增大、潮流动力增强所致,而西槽的摆动现象则主要与东槽发展所产生的挤压作用有关。由于泥沙供给不足,近年来东槽发展和西槽摆动的速度都有明显减缓。
基于能量耗散关系的黄河内蒙段河床形态调整分析
孙东坡, 杨真真, 张立, 李彬
2011, 22(5): 653-661.
摘要:
从河流能量耗散角度研究河床形态调整规律,引入河流功与纵、横向能坡等指标,对50年实测资料进行了研究。黄河内蒙河段受上游水库影响,出现如漫滩洪水减小等水沙过程变化,导致河床宽深比增大,平面活动性增强。在河床形态调整过程中,受水库运用影响的来沙系数与河相系数之间、主槽摆动速率与水沙特征值之间均存在密切联系。分析该河段断面形态变化、平面摆动特性与能量耗散的关系表明:反映河流功的径流量及其过程对河槽过流面积的塑造有直接影响;径流因子与河床形态因子间的相关性受河流能量耗散结构的制约;在研究河段,与来沙系数S/Q有关的河流总功率跟与河段平面摆动速率、月径流离差系数有关的能量分配耗散组合,在不同时期总保持近似制衡关系。
床面粗糙形态的二元分形插值模拟
钟亮, 许光祥
2011, 22(5): 662-667.
摘要:
针对床面粗糙形态具有自相似性的特点,应用二元分形插值迭代函数系统,对床面粗糙形态进行了分形插值模拟,模拟中分形插值邻域Ak根据Kriging空间插值方法的变异函数球状模型确定,垂直比例因子sm,n通过基于插值点数据的多元统计分析确定。结果表明:分形插值重构的床面粗糙形态与原床面形态的相似程度将随着插值点信息量ic的增加而提高,且ic仅需达到某一较小值(如ic≥0.0625),得到的床面粗糙形态即可具有较高的逼真度,其分维数也与理论值接近。因此,在测量数据不足的情况下,采用二元分形插值模拟方法可获得逼真度较高的精细床面粗糙形态。
流动环境中圆孔水平热射流三维数值模拟
张健, 杨立, 张士成, 吕事桂
2011, 22(5): 668-673.
摘要:
根据计算流体动力学理论,采用Realizable k-ε紊流模型和SIMPLEC算法,考虑浮力作用,利用有限体积法来离散求解流动环境中圆孔水平热射流的流动与传热控制方程,对流动环境中圆孔水平热射流进行了三维数值模拟,比较了不同流速比和不同射流出口温度条件下的流动特性和温度分布特性,得到了热射流轨迹的速度和温度衰减规律,分析了流速比和射流出口温度对热射流轨迹温度分布的影响。
粘土心墙坝漫顶溃坝过程离心模型试验与数值模拟
陈生水, 钟启明, 曹伟
2011, 22(5): 674-679.
摘要:
利用作者研制成功的溃坝离心模型试验系统,对粘土心墙坝漫顶溃决过程进行了试验研究,结果发现粘土心墙坝与均质坝溃决机理与溃口发展规律明显不同,随着漫坝水流对下游坝壳冲蚀程度的增加,粘土心墙发生剪断破坏,溃口洪水流量迅速增大。基于上述试验结果,提出了一个描述粘土心墙坝漫顶溃坝过程的数学模型,并建议了相应的数值计算方法。该模型基于不同土体陡水槽冲蚀试验结果,提出了一个模拟漫坝水流对下游坝壳料冲蚀的经验公式,并给出了下游坝壳的冲蚀程度与心墙发生剪断破坏间的数学关系,利用宽顶堰公式计算溃坝流量过程。数值模拟与试验结果的对比,验证了建议数学模型的合理性。
三峡库区不同厚度紫色土坡耕地产流机制分析
付智勇, 李朝霞, 蔡崇法, 郭忠录
2011, 22(5): 680-688.
摘要:
土层厚度是影响坡面水文过程的决定性因素之一。通过野外模拟降雨试验(设计雨强60 mm/h),在小区尺度上研究了一个完整坡面上典型土层厚度紫色土坡耕地坡面产流机制。结果表明:对于地表径流,土层厚度为23 cm小区表现为饱和产流,而土层厚度为45 cm和76 cm小区均表现为超渗产流;对于壤中流,土层厚度为76 cm小区以基质流为主,而土层厚度为23 cm小区则表现出明显的优先流特征,45 cm小区则在A层以基质流为主,在AC层以优先流为主。不同厚度紫色土坡面水文土壤学性质的差异是导致小区间水文过程不同的主要原因。
黄河三角洲地下水关键水盐因子及其植被效应
安乐生, 赵全升, 叶思源, 刘贯群, 丁喜桂
2011, 22(5): 689-695.
摘要:
为了解黄河三角洲地下水生态环境功能,采用数理统计、地统计和同位素方法及3S技术,对"地下水-陆生植被"系统中关键水盐因子及其植被效应进行了深入研究。结果显示,区域典型植被主要以埋深普遍较浅(1.0~3.0 m)的地下水为水源,说明地下水是生态环境的敏感要素。潜水c(Cl-)与c(TDS)均呈显著的方向性空间变异(沿地下水流向二者浓度递增),且二者具有空间分布一致性(R=0.999),表明Cl-是潜水水质的主控离子。归一化植被指数(INDVI)与潜水c(Cl-)间呈较显著的Logistic关系,揭示潜水c(Cl-)是地下水这一生态环境敏感要素中的关键因子,其对上覆植被强烈的胁迫和驱动作用引发了区域典型的生态环境效应。在黄河三角洲高效生态经济区的开发建设过程中,应特别重视植被与潜水c(Cl-)间极为密切的作用与反作用关系,积极采取有效的人为调控措施。
基于水量平衡的农业节水潜力计算新方法
刘路广, 崔远来, 王建鹏
2011, 22(5): 696-702.
摘要:
农业节水潜力是进行节水改造方案评估、用水效率评价及水资源优化配置的重要依据。在回顾和总结农业节水潜力评价指标和计算方法的基础上,综合考虑取水、耗水和回归水3个方面,提出了农业理论节水潜力的概念,并利用水量平衡原理对相应计算方法进行了推导。同时根据不同的节水措施,提出了农业耗水理论节水潜力、农业回归水理论节水潜力和农业取水理论节水潜力的概念及计算方法。基于新方法对柳园口灌区农业理论节水潜力进行了计算,结果表明柳园口灌区农业理论节水潜力为4636.59万m3;其中,农业耗水理论节水潜力最大,农业取水理论节水潜力次之,农业回归水理论节水潜力最小。相关结论为该灌区制定合理的节水灌溉措施和水资源高效利用策略提供了理论依据。
基于DRAINMOD的农田地表径流氮素流失动态模拟
洪林, 罗文兵
2011, 22(5): 703-709.
摘要:
为了解水旱农田地表径流氮素流失机理及过程,于2008年6~9月在湖北省漳河灌区开展了田间试验,并利用DRAINMOD模型对其进行模拟。研究结果表明:水田地表径流铵态氮和硝态氮的流失率均高于旱地,水田地表径流以铵态氮为主,而旱地以硝态氮为主。水旱农田地表径流氮素流失模拟值与实测值都非常接近,水田地表径流硝态氮和铵态氮模拟的相对误差分别为8.35%和10.99%,旱地分别为5.45%和14.11%;水田硝态氮和铵态氮模拟的效率系数分别为0.961和0.974,旱地的分别为0.993和0.938,效果都很好。因此,利用DRAINMOD模型进行该地区农田氮素流失动态模拟是可行而有效的。
太湖月亮湾湖泛发生过程模拟及水土物化性质的响应
申秋实, 邵世光, 王兆德, 范成新
2011, 22(5): 710-719.
摘要:
太湖湖泛具有在非确定区域非特定时间突发的特性,在野外很难进行及时有效的跟踪。利用Y-型沉积物再悬浮发生模拟装置,进行了风浪作用下太湖月亮湾藻源性湖泛发生过程的室内模拟,研究了湖泛发生过程中上覆水体及沉积物基本指标的变化特征。结果表明:湖泛发生过程中,上覆水体经历了显著的好氧-缺氧-厌氧阶段,溶解氧(DO)水平从起始阶段的大于6 mg/L下降到湖泛发生前后的小于0.5 mg/L;水体色度呈现出显著的升高趋势,但水体变成明显的黑色并发生湖泛却具有突发性;上覆水体NH4+-N及PO43--P呈现出不断升高的趋势,并形成明显的氮磷负荷污染;受湖泛区域氧化还原环境的影响,表层沉积物Fe(Ⅲ)开始向Fe(Ⅱ)转化,形成Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)<1的还原环境,同时表层沉积物酸可挥发性硫化物(AVS)显著升高,并呈现垂向递减分布,表层最高值达到135.80μmol/g。
水库静水结冰过程及冰盖热力变化的模拟试验研究
滕晖, 邓云, 黄奉斌, 脱友才
2011, 22(5): 720-726.
摘要:
为研究水库水体结冰及冰盖热力变化规律,在恒温实验室中进行了不同水深、不同负气温条件下的静水结冰试验,对结冰历时、垂向温度分布、冰盖厚度等要素进行观测,研究静水条件下水深与气温对结冰过程、冰盖热力变化及水温、冰温分布的影响。试验表明:在静水条件下,气温是影响冰情的主要因素,冰盖厚度与累积小时负气温线性相关;水深对初冰开始时间有所影响,但对冰盖热力变化过程的影响不明显;冰盖生长过程中,冰内温度基本呈线性分布,冰温斜率随气温降低而增大;融冰期冰盖下水温分布基本保持不变。
多模型方法在非点源污染负荷中的应用展望
王慧亮, 李叙勇, 解莹
2011, 22(5): 727-732.
摘要:
对非点源污染进行定量化和有效控制的方法是通过非点源污染负荷模型对各类非点源的形成、迁移转化以及负荷量进行模拟。然而,流域非点源污染模型的不确定性是单一模型模拟污染负荷面临的重大挑战。借鉴多模型方法在降低水文模型不确定性方面的优越性,通过分析水文模型与非点源污染模型的相通性,提出多模型方法在非点源污染负荷中应用的基本思路并分析了多模型方法在非点源污染负荷估算中面临的挑战,总结了多模型方法在非点源污染负荷应用中的重点和难点问题。
地下水温度示踪理论与方法研究进展
吴志伟, 宋汉周
2011, 22(5): 733-740.
摘要:
对地下水温度示踪理论与方法的相关研究做了评述,介绍了当前地质体中温度场与渗流场耦合作用模型、数值模拟技术和渗流参数反演方法,并从温度示踪方法的两个主要应用领域:地表水与地下水交换和工程地下水渗漏探测(以堤坝为例),说明地下水温度示踪的应用研究。在地质体中温度场与渗流场耦合模型方面,裂隙介质、非饱和带、复杂边界条件和非Darcy流是研究的难点和热点。在未来的研究中,需要改进相关模型及求解方法,使之能够适应复杂介质特征、复杂水动力条件、复杂热环境等问题。在温度示踪的应用研究方面,采用数理统计方法来处理海量的时间序列观测资料,更有效地确定地表水与地下水的交换速率,以及如何利用温度资料定量化确定堤坝区地质体中集中渗漏通道的位置和特性是未来进一步研究的方向。