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2013年  第24卷  第1期

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中国降水演变趋势诊断及其新事实
姚惠明, 吴永祥, 关铁生
2013, 24(1): 1-10.
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利用动态泰森多边形模型,计算评价了中国1951-2006年全国尺度及各区域尺度的月、季、汛期、年等时段的降水量,并分析了年、季、汛期等降水量的时空分布、区域特征及其年际年内(月、季)变化等基本规律;分析诊断了年、季、汛期降水量的演变趋势、突变趋势、震荡周期等特性;对比分析了长期(1961-2006年)、近期(1980-2006年)以及近期与前期(1961-1979年)降水量的变化特征及其空间变化分布。结果表明,中国近期年降水量在环渤海湾600 mm等值线有所南移,100°E以西地区年降水量普遍增多;内蒙古中西部、海河沿海、黄河中部、淮河北部近期降水量比前期偏少10%以上,嫩江中部、长江下游、闽南沿海、西藏中北部、新疆中西部则偏多10%以上,而塔里木河、伊犁河上游偏多达30%以上。
淮河流域致洪暴雨的异常水汽输送
陆桂华, 何健, 吴志勇, 杨扬, 黄嘉佑
2013, 24(1): 11-17.
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摘要:
为了从多方面提取对致洪暴雨有指示意义的异常信息,进一步提高对致洪暴雨的判别能力,利用Box-Cox变换将信号场方法引入致洪暴雨水汽条件气候异常的诊断,并具体分析了2003年、2005年和2007年淮河流域致洪暴雨850 hPa水汽通量场的气候异常特征。结果表明:淮河流域致洪暴雨期间,850 hPa经向水汽通量信号场105°E~125°E易形成以淮河流域为中心南正北负的双极型配置;850 hPa纬向水汽通量信号场低纬的显著信号反映出各条水汽输送通道的相对重要性因致洪暴雨而异。
基于清代故宫旱灾档案的中国旱灾时空格局
万金红, 谭徐明, 刘昌东
2013, 24(1): 18-23.
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摘要:
气候变化背景下的旱灾时空格局研究受到政府和学术界的高度重视。利用清代故宫旱灾档案建立了清代旱灾数据库,运用GIS技术重建了1689-1911年中国旱灾时空格局。研究表明:① 从旱灾发生的时间上看,受灾范围呈现3次较大波动,出现了9个干旱灾害典型年;② 从旱灾发生的空间上看,旱灾频发中心主要集中在3个区域,即西北地区的甘肃、宁夏,华北地区的山东、河北、河南、天津,以及江淮地区的安徽、江苏;③ 从干旱灾害发生的季节上来看,夏季旱灾是清代干旱灾害的主导类型。研究结果认为利用故宫旱灾档案复原的清代旱灾时空格局基本符合史实。
卫星降雨数据在高山峡谷地区的代表性与可靠性
杨云川, 程根伟, 范继辉, 孙建, 李卫朋
2013, 24(1): 24-33.
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以长江上游金沙江流域典型高山峡谷地区为研究对象,用该区域地面观测降雨量数据对TRMM PR 3B42 V6产品进行了3 h、日、月3个时间尺度的有效性评估,旨在为开展区域卫星与地面降水数据融合的流域水文模拟及预报奠定数据基础。分别采用了线性回归方法分析降雨量相关性、经验正交函数-奇异值分解方法(EOF-SVD)分析降雨量主要模态空间分布特征、相对偏差Bias、错报率RFA和探测率PD指标对该卫星产品进行了精度评定。研究结果表明:研究区该卫星产品与地面观测数据在3个时间尺度存在显著的线性时间和空间相关性,但相关程度随时间尺度的减小而减弱;二者在空间分布上总体具有一致性特征,但在高海拔、大坡度区域表现出较为显著的差异;相对偏差指标显示2008-2010年降雨量均值相对偏差在±10%的概率密度百分数为36.08%;随高程的增加,卫星数据RFA呈逐渐增加趋势变化,PD呈逐渐减小趋势变化;总体上小雨对误差的贡献最大,大雨峰值误差贡献次之,时段降雨量偏差随时间尺度的增加逐渐减小,而随高程的增加卫星数据的探测精度下降。因此,对于类似的高山峡谷流域,要应用该卫星产品进行日、3 h尺度水文模拟及预报,有必要对流域卫星数据和地面观测数据进行融合,充分发挥两种数据的优势。
著作权使用说明
《水科学进展》编辑部
2013, 24(1): 33-33.
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1961年以来海河流域干旱时空变化特征分析
严登华, 袁喆, 杨志勇, 王勇, 于赢东
2013, 24(1): 34-41.
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以干旱易发区海河流域为例,利用流域内及其周边地区58个气象站点1961-2010年逐日气象观测数据,结合累积相对湿润度指数和模糊集对评价法,考虑了干旱的累积效应以及评价标准等级边界的模糊性和评价因子的时程分配,分析了海河流域干旱时空变化特征。结果表明:①近50年来流域主要干旱类型为中旱和重旱,平均面积分别约为7.30万km2和7.78万km2,重旱面积呈现出显著的增加趋势;②近25年来,重旱易发区范围表现出扩张的态势,1985-2010年重旱易发区面积达到14.9万km2,为1961-1985年的1.6倍。
基于数学模型的陕西黑河水源区植被过滤带效果评估
杨寅群, 李怀恩, 杨方社
2013, 24(1): 42-48.
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为探讨运用数学模型进行植被过滤带效果评估的方法,以陕西黑河水源区为例,通过植被过滤带水文及泥沙输移模型,分析了植被过滤带的带宽及坡度对入流泥沙净化效果的影响,确定适宜的植被过滤带设置方法,并采用污染负荷~泥沙关系法对植被过滤带的流域非点源污染负荷削减效果进行估算。结果表明:草地植被过滤带带宽以3~5 m为宜,且应设置于坡度小于60°的河岸岸坡;在黑河水源区内的可设带区域全部设置植被过滤带后,将削减泥沙负荷的21.7%,TP负荷的12.4%和TN负荷的14.3%,植被过滤带能够在黑河水源区的水质保护中起到重要作用。
石津灌区冬小麦水分生产率的尺度效应
陈皓锐, 伍靖伟, 黄介生, 杨金忠, 王少丽
2013, 24(1): 49-55.
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摘要:
以河北省石津灌区为研究对象,以2007-2009年两季冬小麦生育期为研究时段,基于Hydrus-1D和Modflow模型模拟分析了井渠结合灌溉模式下冬小麦的净入流量水分生产率和净灌溉水分生产率的尺度效应(作物、田间、分干、干渠和灌区尺度)。结果表明:①从作物尺度到灌区尺度,损失水量越来越多,使得净入流量水分生产率和净灌溉水分生产率分别减少了9.49%和16.59%;②由于研究区地下水埋深较大,冬小麦生育期内渗漏补给地下水库的重复利用水量很小,而净灌溉水分生产率因为考虑了这一小部分重复利用水量,比传统的灌溉水分生产率有了小幅提升;③在多年时间尺度上,由于渗漏水量能够全部进入地下水库被重复利用,净入流量水分生产率随尺度增大而增大,而不同空间尺度的净灌溉水分生产率也比冬小麦生育期时间尺度上提高37%~65%。
地下水更新能力评价指标问题刍议——更新周期和补给速率的适用性
翟远征, 王金生, 滕彦国, 左锐
2013, 24(1): 56-61.
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地下水更新能力是近些年地下水科学与工程领域的一个研究热点,其定义目前尚未统一,评价指标也较多,其中较常用的有地下水更新周期、补给速率、年龄和滞留时间等。尽管这些参数间大都存在一定的数量关系,但由于它们代表的物理意义不同,所以得到的地下水更新能力的结论也会不同。以北京市平原区地下水为例验证了这种不同,并对更新周期和补给速率这两个存在密切数量关系的参数作为地下水更新能力评价指标的适用性进行了对比分析。结果表明:① 分别用更新周期和补给速率作为评价指标,得到的各地区(北京市平原区各区、县)之间地下水更新能力相对强弱的结论是不同的;② 与更新周期相比,由补给速率得到的评价结论具有较好的稳定性;③ 在作为地下水更新能力评价指标时,补给速率比更新周期具有更重要的实际意义。
科尔沁沙地土壤水分动态分析及其概率密度函数模拟
姚淑霞, 张铜会, 赵传成
2013, 24(1): 62-72.
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基于Laio土壤水分动态随机模型(Laio模型),利用2006-2010年5~9月土壤水分连续监测数据及日降水资料,分析科尔沁沙地固定沙丘和沙质草地生长季根系层土壤水分动态及其与降水格局的关系,研究点尺度土壤水分概率密度函数,并对Laio模型涉及的13个参数进行了敏感性分析。结果表明:① 研究区年降水的季节分配极不均匀,主要集中在4~10月的生长季,占全年降水量的93%;0~5 mm降水事件占全年降水事件的73%,但其降水量只占全年降水量的25%;降水间隔期以0~10 d为主,占全年无降水期的38%,其频数最高,占全年间隔期频数的87%。② 固定沙丘和沙质草地根系层厚度分别为0~100 cm和0~70 cm,沙质草地根系层土壤水分显著高于固定沙丘;两类沙地7月份的土壤水分都显著高于生长季其他月份。③ 两类沙地生长季根系层土壤水分均服从正态分布;通过Laio模型得到了两类沙地生长季根系层土壤水分概率密度函数p(s),其峰值及峰值出现的位置和峰的阔度均与观测结果很接近,说明Laio模型能对科尔沁沙地土壤水分概率密度函数进行较好的模拟。④ Laio模型涉及的13个参数中,对p(s)最为敏感的参数是降水频率λ、平均降水量α、最大蒸散量Emax、水分胁迫点s*和凋萎系数sw,主要影响p(s)曲线的峰值。
华北平原地下水补给量计算分析
谭秀翠, 杨金忠, 宋雪航, 查元源
2013, 24(1): 73-81.
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采用溴示踪法研究华北平原山前冲积平原和中部平原有灌溉和无灌溉区域的地下水补给,得到研究区平均地下水补给量为126.10 mm,平均补给系数为0.185 2,有灌溉实验点的补给量和补给系数大于无灌溉实验点。同时对示踪剂运移深度和含水量分布、降雨灌溉量和地下水埋深等影响因素进行分析。将各实验点计算结果与国内有关学者采用示踪剂法所得到的补给系数进行对比分析,论证了研究结果的可靠性,此研究成果可为华北平原地下水资源分析提供重要参考。
水沙调节后荆江典型河道横向调整过程的响应——Ⅰ. 二、三维耦合模型的建立
假冬冬, 邵学军, 张幸农, 冶运涛
2013, 24(1): 82-87.
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三峡水库蓄水运用后,下游河道来水来沙条件均会发生改变,从而影响河道河势演变过程(包括垂向冲淤变化以及横向调整过程)。为解决长河道因岸滩崩塌引起的河势演变模拟问题,依据水位、流量及输沙量守恒和河床及河岸变形连续等条件,提出虚拟断面连接法构建了考虑岸滩崩塌的二、三维嵌套河势研究数值模型。采用1996年10月~1998年10月沙市至新厂河段实测资料对模型进行了验证,模拟结果与实测结果吻合较好,从而为定量研究水沙条件变化对荆江河道横向调整过程的影响提供了技术支撑。
海啸波作用下泥沙运动——Ⅲ. 数学模型的建立与验证
蒋昌波, 陈杰, 程永舟, 邓斌, 隆院男
2013, 24(1): 88-94.
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基于Boussinesq方程耦合泥沙运动和地形演变模型,建立海啸作用下泥沙运动数学模型。地形演变模型采用WENO差分格式,并将WENO差分格式与Lax-Wendroff格式和FTBS格式进行对比分析。运用Synolakis、Kobayashi和Young的实验数据分别对水动力模块和地形演变模块进行验证,数值模拟结果与实验数据吻合良好,模型能够很好地模拟海啸波的传播、破碎、上爬、回落过程以及岸滩的冲淤变化过程,该数学模型能够运用到海啸作用下的岸滩演变研究和预测中。
基于模式匹配法的明渠紊流涡结构分析
陈启刚, 李丹勋, 钟强, 王兴奎
2013, 24(1): 95-102.
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对涡结构进行识别是紊流涡动力学研究的难题,为了降低涡识别方法对流速测量空间分辨率的要求,消除阈值对涡识别结果可能产生的影响,提出了基于二维平面流场的涡结构模式匹配方法。应用该方法对明渠紊流中涡结构的密度、涡量、半径和强度等特征参数和涡动力学特征进行了分析。结果表明,涡结构的密度和涡量沿水深逐渐减小,涡半径沿水深逐渐增大,涡结构的环量在近壁区迅速增大而随后基本维持稳定;在相同水深处,顺向涡密度大于逆向涡且具有更强的旋转运动;顺向涡的平均流场具有典型的发夹涡群特征,部分逆向涡与顺向涡在空间上具有相关关系。
基于非结构混合网格求解二维浅水方程的一种数值方法
董炳江, 卢新华, 袁晶
2013, 24(1): 103-110.
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复杂边界下的流场数值模拟常基于非结构化网格进行求解,建立一种在非结构混合网格上求解水深平均的二维浅水方程的模型,以便精确模拟复杂边界、提高计算效率。该模型时间项离散采用隐格式使得模型具有较好的稳定性,对流项和扩散项分别采用总变差减小(Total Variation Diminishing,TVD)格式和构造辅助点的方法来离散,同时采用水深平均的标准k-ε模型来封闭湍流模型。选用两个经典验证算例检验模型,计算结果表明,基于非结构混合网格开发的模型具有较高的精度,且收敛性能较好。
论文优先数字出版说明
《水科学进展》编辑部
2013, 24(1): 110-110.
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沙粒当量粗糙度的分形表达
钟亮, 许光祥, 曾锋
2013, 24(1): 111-117.
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沙粒当量粗糙度ks的准确确定是计算沙粒阻力的关键。针对沙粒轮廓剖面具有自相似精细结构的特点,提出采用分形维数对其复杂性及不规则性进行定量描述;通过粘沙平整床面、初始静平整床面和清水冲刷粗化床面的沙粒阻力试验研究ks的分形表达方法,建立了静平整床面时ks的分形表达式,并对公式进行了验证、比较和讨论;结果表明,公式引入的中值粒径d50、分形维数D和弗劳德数Fr 3个参数,可定量地综合反映床沙颗粒大小、级配组成、随机排列以及水流条件对ks的影响。
弯曲河岸侧向潜流交换试验
林俊强, 严忠民, 夏继红
2013, 24(1): 118-124.
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为揭示河岸形态引起的侧向潜流交换规律,利用地表水与地下水双循环水槽系统,通过10组正弦型微弯河岸与4组直线型河岸的潜流交换对比试验,研究不同河岸振幅a、地表水流速u、河流水深h条件下的潜流交换特性。试验结果表明,与垂向潜流交换机理类似,侧向潜流交换也存在对流(泵吸交换)、扩散和微循环3种交换形式。河流雷诺数Re的增大,将加强紊动扩散与微循环作用。河岸弯曲形态的出现,将引起泵吸效应,大大加剧了河岸的潜流交换,且随着河岸振幅与河流流速的增大,河岸形态引起的泵吸交换将逐渐成为潜流交换前期的主要形式。
2012年审稿专家名单
《水科学进展》编辑部
2013, 24(1): 124-124.
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低温水入渗条件下土壤水分温度动态变化
任杰, 沈振中, 赵坚, 杨杰
2013, 24(1): 125-131.
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自制土槽试验装置,室内模拟低温水在河岸带土壤中非饱和入渗的过程。以填装中细砂为研究对象,进行了3种不同水头下的低温水入渗试验,对低温水在土壤中的入渗过程和水分、温度时空动态作了连续监测,分析了水头对入渗参数、水分场与温度场的影响规律。试验结果表明:在相同时间内,入渗水头越高,湿润锋垂直(水平)运移距离越大,垂直湿润锋的运移速度随入渗时间的增加有逐渐减少的趋势,最后逐渐趋于稳定;水头5 cm作用时入渗率波动较大,稳定时间大于水头25 cm和45 cm作用时土壤达到稳定入渗率所需的时间;入渗水头越高,平均温度下降越快,温度场也更快地达到相对稳态,水头25 cm在低温水入渗420 min后基本上达到稳态,水头45 cm在240 min后基本达到稳态。
城市纳污河流沉积物微生物群落结构特征
朱亮, 孙凌宇, 储如花, 钱静
2013, 24(1): 132-137.
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以南京市运粮河沉积物为研究对象,通过磷脂脂肪酸(PLFA)技术分析了不同水期城市纳污河流沉积物微生物群落结构特征。结果表明:在不同的水期运粮河沉积物微生物量出现了显著差异,温度是导致微生物量在丰、平、枯三期出现显著差异的主要因素(P<0.05);在相同水期,营养物质含量高的地方对应着高的微生物量;16:0 iso、17:0 anteiso、15:0 iso这几种PLFA所指示的革兰氏阳性菌(G+)是影响运粮河沉积物微生物群落构成的主要菌落,导致沉积物微生物群落结构出现显著差异的环境因素是水期;单不饱和/支链脂肪酸比值可以作为反映水环境系统整体营养水平的指标,在C/N比值升高时微生物会将单不饱和脂肪酸转变成环丙基或者饱和脂肪酸以适应新的环境;PLFA含量比[c(i15:0)+c(i17:0)]/[c(a15:0)+c(a17:0)]可以作为指示水环境碳素含量的标志。
填海造陆区水环境演变与对策研究进展
许士国, 许翼
2013, 24(1): 138-145.
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摘要:
填海造陆区普遍存在次生盐渍化、地下结构物腐蚀等生态环境问题,尤其在中国北方沿海地区年蒸发量远大于降雨量的水循环条件下,此类问题更为突出。在简要回顾了填海现状和发展趋势的基础上,总结了填海后地下水系统和土体环境的演变趋势,并分析了造成上述影响的主要原因。通过对比湿润地区与半干旱地区的气候差异,认为利用集雨措施来引导自然淡化过程从而构建长效淋盐机制是半干旱填海区盐渍化防治的关键。同时指出,因地制宜地规划土体结构、提升排盐能力和种植绿化植物,是搭建和维持填海造陆区健康稳定生态系统的必要之举。
融雪侵蚀研究进展
范昊明, 武敏, 周丽丽, 贾燕锋
2013, 24(1): 146-152.
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摘要:
融雪侵蚀在中国及世界上许多地区都有发生,其对表层土壤的破坏作用越来越为人们所认识,已成为土壤侵蚀研究中的重要问题之一。在总结相关研究成果的基础上,分析了影响积雪和融雪的气候、海拔、地形地貌及土地利用等因素。在融雪侵蚀影响因素方面,认为融雪径流、表层土壤解冻深度、解冻期表层土壤可蚀性是影响融雪侵蚀发生的特殊因素。同时指出,融雪侵蚀预报模型中冻融作用对土壤水分迁移的影响、未完全解冻层对表层土壤水分的影响以及坡面融雪过程研究是未来融雪侵蚀研究中应重点解决的问题。

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