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2012年  第23卷  第2期

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气候自然变异在气候变化对水资源影响 评价中的贡献分析——Ⅰ.基准期的模型与方法
刘艳丽, 张建云, 王国庆, 刘九夫, 贺瑞敏, 王鸿杰, 金君良
2012, 23(2): 147-155. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2003.010
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基于气候变化影响的水资源评价对水资源规划和管理具有重要意义,随着全球气候变化影响的加剧,这一研究显得越来越紧迫。在目前的气候变化研究中,很少考虑气候自然波动的影响(气候自然变异),常将所有的变化单独归因于气候变化的影响,这在气候变化的影响评价中可能导致错误的理解与判断。气候自然变异分析由于缺乏超长系列的数据资料而长期被人为避开。针对这一问题,本研究提出模型方法体系,通过历史基准期的长系列模拟来分析气候自然变异的影响。选取常用的1961~1990年水文系列作为基准期,提出一种基于拉丁超立方体抽样技术的季节分段抽样模拟方法,实现对气候自然变异的模拟。应用水文模型TOPMODEL对基准期的径流系列进行模拟,基于不确定性分析GLUE方法对基准期内水文模型参数不确定性进行分析,并探讨了气候自然变异的影响。研究结果表明,在气候变化影响评价中,气候自然变异的影响不可忽略,应在气候变化的影响中加以区分和界定。
气候自然变异在气候变化对水资源影响 评价中的贡献分析——Ⅱ.未来期应用分析
刘艳丽, 张建云, 王国庆, 刘九夫, 贺瑞敏, 王鸿杰, 金君良
2012, 23(2): 156-162. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2003.011
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基于模型率定期(基准期)气候自然变异的模拟方法及气候自然变异引起的径流变化的可能情况分析,此部分研究未来期(2021~2051年,2061~2091年)气候变化下径流变化情况及气候自然变异的影响。基于CSIRO、NCAR、MPI三种气候模式及A1B、A2、B1三种排放方式共7种未来气候情景,应用和基准期相同的水文模型和研究流域,引入基准期模型率定出的参数,考虑气候自然变异的影响,对未来气候变化对水资源的影响进行分析。为消除气候模式本身的系统误差,采用δ差值方法得到各模式各排放情景下的未来气候情景。该项研究主要说明如何在气候变化的影响评价中将气候自然变异的贡献分离出来,从而实现更客观的气候变化的影响评价。研究结果表明,气候变异的影响在整个气候变化进程中的贡献随时间的推移将有所不同。未来2021~2051年期间,气候自然变异的影响相对较大;未来2061~2091年期间,由温室气体引起的气候变化的影响占主导。
新构造运动影响下的雅鲁藏布江水系发育和河流地貌特征
余国安, 王兆印, 刘 乐, 黄河清, 巩同梁
2012, 23(2): 163-169. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2003.012
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雅鲁藏布江(雅江)水系发育和河流地貌演变受新构造运动的强烈影响。通过野外调查,结合SRTM(航天飞机雷达地形测绘使命)数据分析和Google Earth三维地图功能,对雅江河网形态及河流地貌特征进行了分析,并采用EH4电磁成像系统测量了雅江及其支流宽谷河道淤沙深度。研究发现,雅江河网呈现格状水系特点,同时具有枝状河网的拓扑性质,这主要是由于新构造运动的影响,河网发育过程中受到南北向挤压和东西向拉伸所至。青藏高原阶段性不均匀抬升形成了宽窄相间的藕节状河道形态,宽阔河段河道为辫状河型,而窄深河段为深切的V型河谷、单一顺直河型,纵剖面上构成裂点。裂点河段地块相对上升较快,阻滞了水流和泥沙,上游河段大量卵石和泥沙在河谷里淤积深达800多米,形成了平整而宽阔的U型河谷。整个雅江宽谷段泥沙淤积量约0.9万亿m3。
虚拟流域环境中河道演变的整体自动 建模及可视化分析
冶运涛, 蒋云钟, 梁犁丽, 王 浩
2012, 23(2): 170-178. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2003.013
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将三维虚拟仿真技术和科学计算可视化技术相结合应用于河道泥沙冲淤分布规律分析中,提出了基于虚拟现实技术的泥沙冲淤过程三维可视化技术框架并构建了相应系统。提出并研究了河道边界自动识别、河道演变过程数据模型的自适应生成、动态河道与大范围场景的无缝嵌套建模、多层细节层次与无缝拼接、时空过程可视化与控制显示模式、动态河道的交互、基于局部插值的断面提取等系统中使用的关键技术。以三峡坝区河道为例,研发了三峡坝区河道演变时空过程可视化表达系统,证明了提出方法的实用性和可行性。
基于尖点突变的河型稳定性判定方法
肖 毅, 邵学军, 周建银
2012, 23(2): 179-185. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2003.014
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冲积河道的自我调整过程是多因素相互作用的复杂响应过程,对冲积河道河型的稳定性和调整方向进行判定是河流动力学的基本问题之一。根据突变理论中的尖点突变模式,采用影响河道稳定性的控制变量与状态参量,建立河道平衡状态方程,并推导得到河流状态判别式。通过对100多条天然河流及实验河段进行验证,结果显示这一方法能判定冲积河流的河型稳定状态,并对其调整方向作出预测,为实际工程中的河流整治提供一定的参考。
基于三维copula函数的多水文区丰枯遭遇分析
谢 华, 罗 强, 黄介生
2012, 23(2): 186-193. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2003.015
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不同水文区的丰枯遭遇概率分析属于多变量概率分布问题,涉及的水文区越多,变量的维数就越高,问题就越复杂.为找到一种简单通用的多变量(n≥3)水文概率问题的求解方法,以不同水文区丰枯遭遇概率分析为例,引入三维copula函数构建多变量联合概率模型,将其用于分析长江、淮河及黄河流域的径流量的联合概率和条件概率问题。研究结果表明,当变量维数n≥3时,由copula函数可以很容易地构建多变量概率分布模型;对一组水文数据系列,有多个不同copula函数可以选择,可采用拟合优度检验方法择优;copula函数构建的多变量概率模型,可以计算各种条件下的联合概率分布,可以分析各种不同量级水文变量的遭遇概率和条件概率;通过与多维转换为一维方法的比较,三维Frank copula函数具有更优良的拟合优度、无偏性及有效性,且计算更简便。
耦合融雪的分布式流域"降雨-径流"数值模型
黄金柏, 王 斌, 桧谷治, 山本晋一
2012, 23(2): 194-199. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2003.016
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针对中国对耦合融雪的"降雨-径流"过程数值计算模型方面的研究较少,本文联合应用能量平衡方程及运动波理论的基础方程式,结合GIS技术构建分布式流域耦合融雪的"降雨-径流"数值计算模型,并应用流域实测资料进行了有效性验证。研究结果表明:在不考虑融雪条件下,实测流量与计算结果之间存在着较大的误差;在考虑融雪条件下,实测流量与计算结果之间的误差在基准允许范围之内(小于3%);在积雪与融雪区,对流域"降雨-径流"过程的数值计算须考虑融雪。该研究为积雪融雪区提供了一种耦合融雪的"降雨-径流"过程数值计算的新方法。
土壤饱和导水率空间预测的不确定性分析
廖凯华, 徐绍辉, 吴吉春, 施小清
2012, 23(2): 200-205. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2003.017
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当土壤转换函数应用于土壤水力性质估计时,对于预测值的不确定性往往容易被忽视。为了有针对性地提出减少这种不确定性的方法和措施,提高土壤转换函数的实际应用能力,以两种现有的土壤转换函数(Vereecken和HYPRES模型)为例,将其应用于山东省平度市土壤饱和导水率的空间预测,并利用拉丁超立方抽样(LHS)方法对预测结果的不确定性进行了分析。结果表明,饱和导水率空间预测的不确定性主要来源于土壤基本性质的空间插值误差和土壤转换函数自身的预测误差。当Vereecken模型应用于饱和导水率空间预测时,预测结果的不确定性主要由土壤基本性质空间插值误差所决定,土壤转换函数预测误差的影响较小,而HYPRES模型则是受二者的双重影响。
多孔介质油水两相k~s~p关系数学模型的实验研究
窦 智, 周志芳, 李兆峰
2012, 23(2): 206-213. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2003.018
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数学模型是研究相对渗透率与饱和度关系曲线的重要方法。采用自行开发设计的人工平面多孔介质模型,测定了相对渗透率与饱和度的关系曲线。多孔介质选择粒径为0.5~1mm、1~2mm的标准砂,纯净的水为湿润相,用3号苏丹红染色的93#汽油为非湿润相,组成多孔介质油水两相流动系统。采用Van Genuchten and Mualeum(VGM)和Brooks-Corey-Burdine(BCB)两种数学模型计算相对渗透率与饱和度的关系曲线,通过比较两种数学模型计算结果之间和模型计算结果与实测结果的差异以及模型的应用、多相渗流系统自身特征,得出VGM、BCB两种数学模型计算结果符合实际情况,VGM模型应用过程更为简便,但VGM模型具有一定适用条件;在砂性多孔介质中,BCB模型计算相对渗透率与饱和度关系曲线更准确。
基于黎曼近似解的溃堤洪水一维-二维耦合数学模型
姜晓明, 李丹勋, 王兴奎
2012, 23(2): 214-221. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.019
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采用一维-二维耦合数学模型对溃堤洪水进行模拟,可以发挥两者优势,提高计算效率。将基于黎曼近似解Godunov格式的一维、二维水流数学模型通过堰流公式进行耦合,实现交界面的水力要素交互;一维、二维模型均采用中心形式的有限体积法求解,分别采用HLL格式和Roe格式计算界面通量,具有一致的空间同步性。通过经典算例验证了模型的可靠性和稳定性,应用耦合模型对1998年松花江干流胖头泡溃堤洪水进行了模拟计算,较好地模拟了溃堤洪水的演进过程与淹没范围,对200年一遇洪水的分洪效果进行了分析,为此区域的分洪利用及松花江中上游防洪调度提供参考依据。
感潮河段丁坝局部冲刷三维数值模拟
张新周, 窦希萍, 王向明, 王惠民, 赵晓冬, 徐雪松
2012, 23(2): 222-228. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2002.001
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针对局部冲刷和一般冲刷的不同,建立了考虑垂向水流作用的局部冲刷三维紊流泥沙数学模型,并对往复流和单向流作用下的丁坝局部冲刷进行了验证计算和数值模拟。结果表明,往复流作用下丁坝局部冲刷在冲刷过程和冲淤形态上与单向流有明显不同,若采用单向流作用下的局部冲刷模型试验结果来指导往复流作用下丁坝头防护工程的设计和施工是不利的。
模拟降雨条件下坡面流水动力学特性研究
张宽地, 王光谦, 吕宏兴, 王占礼, 刘俊娥
2012, 23(2): 229-235. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2002.002
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为探明降雨条件下沙黄土坡面水流水动力学特性,以流体力学和泥沙运动力学理论为依据,通过5个坡度和5个雨强组合条件下室内模拟降雨试验,系统研究了坡面水流水力参数的变化规律。结果表明,降雨条件下坡面薄层水流雷诺数均小于580,处于层流失稳区;水流流型随雨强和坡度的变化而发生转捩,当坡度较缓、雨强较小时,床面形态处于低能态区和过渡区,床面出现沙纹现象,水流宏观上呈缓流,反之,坡度较陡、雨强较大时,床面由沙纹和沙垄向动平床过渡,宏观上多呈急流;并根据薄层水流阻力组成特点,推导出沙黄土坡面薄层水流阻力计算公式。验证结果表明,该式误差较小,可为坡面侵蚀预报模型的构建提供参考。
明渠交汇水流阻力对平面二维数值模拟的影响
杨青远, 周苏芬, 卢伟真, 王协康
2012, 23(2): 236-242. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2002.003
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与顺直明渠水流相比,明渠交汇水流由于存在分离区和自由剪切面,其紊动特性引起的阻力较为复杂,交汇水流除床面阻力外还受到较强的阻力。基于数值模拟与实验比较分析表明,分离流与自由剪切流所产生的阻力(紊动粘性阻力)对于交汇水流数值模拟具有重要影响。同时,由于平面二维模型对二次流影响的忽略,断面环流较强时数值模拟会产生较大的阻力(环流阻力),而断面环流较弱时,交汇水流的三维特性相对较弱,采用平面二维模型和k-ε紊流模型能达到较好的模拟效果。因此,紊动及环流阻力的计算对交汇水流数值模拟的精度至关重要。
宽尾墩消力池透水底板脉动压力试验研究
刘安富, 杨 敏, 李会平, 董天松
2012, 23(2): 243-248. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2002.004
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与不透水底板相比,透水底板能够降低作用在其上的动水荷载,达到防护结构安全稳定的目的。为了更好地认识透水底板这种新型防护结构形式,基于阿海水电站宽尾墩底流消力池水工模型试验,系统地研究了消力池平底透水底板表、底面脉动压力特性在板块开孔前后的变化规律。试验结果包括脉动压力沿程分布规律、概率密度分布的正态性、板块表、底面时空相关性、积分尺度以及脉动压力功率谱密度,并初步探讨了透水底板减压降载机理。试验成果可为消力池透水底板设计提供参考。
淤泥质浅滩泥沙临界起动切应力剖面确定
庞启秀, 白玉川, 杨 华, 张瑞波, 贾志博
2012, 23(2): 249-255. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2002.005
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为了确定淤泥质浅滩泥沙的临界起动切应力垂线剖面,采用音叉密度计在淤泥质连云港徐圩浅滩进行了定点密度垂线分布测量,并针对该海域的泥沙利用长水槽和环形槽开展了泥沙起动室内试验。淤泥密度现场结果表明,浅滩泥沙密度与深度满足对数型关系;室内试验得出密度1 050~1 400 kg/m3的泥沙临界起动切应力值为0.1~1.0 Pa,泥沙临界切应力与密度呈指数关系;进而确定了临界起动切应力与深度的关系即临界起动切应力剖面,该剖面关系式可供数学模型模拟淤泥质浅滩的泥沙起动过程参考。
波浪渗流力对泥沙起动的影响
程永舟, 蒋昌波, 潘 昀, 李青峰
2012, 23(2): 256-262. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2002.006
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海岸泥沙起动的力学机理十分复杂。首先理论分析了波浪作用下床面泥沙颗粒所受的主要作用力,然后将上举力和有效重力分别与渗流力进行比较分析。计算结果表明渗流力随着波高的变化其方向也发生向上或向下的变化,渗流力与上举力和有效重力之间存在着相位差,不同粒径的泥沙在一个周期内均有一时段渗流力远大于上举力;对于渗透系数小的细颗粒泥沙,渗流力远大于泥沙颗粒的上举力和有效重力。进一步通过水槽试验分析了不同波浪参数作用下孔隙水压力梯度对泥沙起动的影响,试验结果表明波浪渗流力对海床细颗粒泥沙的起动有着重要作用,特别是在分析长周期波浪作用下细颗粒泥沙起动规律时,需考虑波浪引起的渗流力影响。
用氡-222评价五缘湾的地下水输入
郭占荣, 李开培, 袁晓婕, 章 斌, 马志勇
2012, 23(2): 263-270. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2002.008
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海底地下水排泄(SGD)近年来成为陆-海相互作用的研究热点,地球化学示踪方法是其主要研究手段,尝试用天然示踪剂氡-222评价厦门五缘湾的SGD。为了评价五缘湾SGD的入海通量及其变化,对五缘湾海水中222Rn和226Ra活度、大气中222Rn活度、风速、水温和水深进行了连续2 d的测量,对沉积物进行了培养实验用以获得其222Rn扩散通量和孔隙水中222Rn活度。基于海水中222Rn通量的质量平衡,对实测的海水中222Rn活度实施了母体支持、涨落潮影响、大气逃逸损失、沉积物扩散输入、混合损失的校正,保守估计SGD输入的222Rn通量在0~126.7 Bq/(m2·h)范围内变化,对海水中222Rn的平均贡献达54%。以井水和孔隙水中222Rn的加权平均值作为SGD端元的代表,获得SGD的输入速率为0~29.3 cm/d,平均输入速率9.3 cm/d。SGD输入速率的动态变化基本围绕12 h的周期波动,是对本海域正规半日潮的具体响应。假设SGD以平均速率在五缘湾海底输入,则五缘湾海底的SGD输入量为1.86×105 m3/d。以陆源地下淡水占SGD输入量的10%考虑,五缘湾的陆源地下淡水输入量约为1.86×104 m3/d。
大型浅水湖泊水动力模型不确定性和敏感性分析
李一平, 唐春燕, 余钟波, Acharya Kumud
2012, 23(2): 271-277. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2002.009
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摘要:
选取国内外常用的水动力学模型(EFDC)和典型的浅水湖泊(太湖),采用拉丁超立方取样(LHS),研究湖泊水动力模块中常用的5个重要参数(风拖曳系数、床面粗糙高度、涡粘性系数、紊流扩散系数以及风遮挡系数)对湖体水位和流速的影响。结果表明:针对大型浅水湖泊,湖泊岸线形状和湖底地形、湖泊周围地形、湖泊水面风场对模拟结果产生决定性影响。尤其是在湖湾区和周边地形比较复杂的地区,风场参数对水动力模拟结果不确定性的贡献率最大。在垂向上,表层流速受到参数不确定性的影响最大,底层次之,中层最小。床面粗糙高度对水动力模拟结果不确定性贡献率较风场参数要小,水体涡粘滞系数和扩散系数影响则更小。故在选择大型浅水湖泊水动力模型参数时,要充分考虑湖泊岸线和周围地形,着重率定风场参数以及床面粗糙高度。
气候变化与人类活动对水文影响的研究进展
董磊华, 熊立华, 于坤霞, 李 帅
2012, 23(2): 278-285. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2005.020
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摘要:
气候变化与人类活动对水文过程产生了重大影响,估计和区分二者的影响是水科学研究中的热点问题。针对气候变化和人类活动(土地利用/覆盖变化)两个驱动因素,分别综述了气候变化、人类活动和两者综合对水文影响的研究进展;介绍了未来的气候情景和人类活动情景;阐述了区分气候变化和人类活动对水文要素过去和未来影响的研究方法,并总结了方法中常用的分布式水文模型。提出当前研究中存在气候和人类活动情景重复交叉、缺乏两者对水文极值事件的影响研究等问题。
HJ]Key words:climate change, human activities, hydrological influences, driving factors河口与海岸滩涂动力地貌过程研究进展
侯庆志, 陆永军, 王 建, 季荣耀, 王艳红, 陆 彦
2012, 23(2): 286-294. doi: CNKI: 32.1309.P.20120224.2005.021
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摘要:
动力地貌过程是河口与海岸滩涂研究的基础和关键。从动力地貌作用过程、数值模拟技术应用、遥感技术应用等方面综述了近年来河口与海岸滩涂动力地貌过程研究的主要进展,并强调采用先进仪器进行现场原型观测、加强人类活动与全球变暖协同作用下的滩涂动力地貌过程及灾害研究、加强当前滩涂开发已移至中低滩背景下的滩涂动力地貌过程演变趋势研究、加强不同因素综合影响下的滩涂区域粘性泥沙运动特性的基础理论研究和重视国内外滩涂动力地貌过程的对比研究为未来进一步研究的方向。

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