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2013年  第24卷  第3期

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关于中国北方水资源问题的再认识
张建云, 贺瑞敏, 齐晶, 刘翠善, 王国庆, 金君良
2013, 24(3): 303-310.
摘要:
特殊的地理地形和气候条件决定了中国洪涝干旱灾害频发。由于客观的禀赋条件,中国北方降水量小,水资源供需矛盾突出。在变化环境条件下,中国北方河川径流量呈现减少趋势,且随着经济社会的快速发展,区域需水较大幅度的增加,进一步加剧了北方水资源的供需矛盾;径流变化归因分析表明,人类活动导致的流域下垫面变化、工农业的快速发展及其他经济社会活动是北方河川径流减少的主要原因。实行最严格的水资源管理,加强节水型社会建设是解决北方水资源问题的根本出路。
黄河源区水文模拟中地形和融雪影响
郝振纯, 张越关, 杨传国, 李嘉薇, 达娃顿珠
2013, 24(3): 311-318.
摘要:
为分析地形和融雪对水文模拟影响,利用SWAT模型在黄河源区进行1960—1990年水文模拟。二者的影响分别通过对子流域划分高程带和运用融雪模块来体现。研究表明,单独考虑融雪影响或考虑融雪、地形的共同影响下,模拟结果均能达到合格;单独考虑地形的影响下能达到良好。相比融雪影响,地形对流域水量平衡的模拟起主要作用。划分高程带对子流域的气温影响较大,对降水影响小。子流域气温的降低使得蒸散发减小,从而增加产水量,其中地下水增加最多,其次是地表径流和壤中流。地形和融雪的影响使地下水的补给来源改变,调整地下水参数后,最终模拟结果达到优秀。地形和融雪在黄河源区水文模拟中的影响可以为其他高山地区水文研究提供参考。
冻土退化对海拉尔河流域水文过程的影响
陆胤昊, 叶柏生, 李翀
2013, 24(3): 319-325.
摘要:
利用海拉尔河流域内气象站点1974—2006年冻土冻结深度资料和水文站点1974—2008年的径流资料,通过建立冻结深度和径流的关系,研究了区域近30年来冻土变化对径流变化的影响。结果表明:近30年来,海拉尔、坝后和红花尔基水文站1~3月份径流量有13%~20%的增长,牙克石水文站径流量增长不显著。退水曲线由陡峭趋于平滑,冬季2月份径流量与秋季11月份径流量比值呈增大趋势,同期流域冻土的最大冻结深度减小了50 cm左右。这表明海拉尔河流域冬季退水过程有减缓趋势且冻土的退化是导致退水变慢的主要原因。冻土退化的这一水文效应主要是由于:① 随着冻土年内隔水效应减弱,流域内有更多的地表水入渗变成地下水,造成流域地下水储水量加大,导致冬季径流增加; ② 随着春夏季冻土平均厚度的减薄,流域地下水库库容增加,地下水枯季径流补给能力增强,导致流域退水时间延迟;③ 冻土对气候变暖的响应是一个缓慢的过程,因此冻土退化对径流过程的影响也是一个渐变过程。
新疆冬季雪水资源估算及分布特征
胡列群, 黄慰军, 殷克勤, 熊玲, 何亚萍
2013, 24(3): 326-332.
摘要:
应用2004—2010年EOS/MODIS遥感积雪监测资料,结合新疆89个气象站雪深、雪密度50年的观测记录,估算新疆冬季雪水当量,并对时空特征进行研究。结果表明:① 2004—2010年新疆年雪水当量最大峰值为368.83亿m3(2009—2010年)、最小峰值为93.91亿m3(2006—2007年),最大峰值是最小峰值的4倍左右,且6年中峰值出现的最早和最晚时间相差5旬。② 新疆雪水资源分布存在4个区域:南疆、东疆、伊犁和博州、北疆东北部,不同区域雪水当量峰值出现时间不同。新疆雪水当量峰值应该是4个区域峰值之和。③ 新疆雪水当量50年来呈现年际间的大幅波动,发展趋势沿着斜率为0.083 2的直线上升,表明雪水资源在逐年增多;波动幅度逐步加大,表明雪水资源偏少的年份有时也会发生。
黄河上游干支流交汇区沙坝淤堵形成条件
张原锋, 王平, 侯素珍, 吴保生
2013, 24(3): 333-339.
摘要:
针对黄河上游干、支流交汇区形成的沙坝淤堵事件,利用野外观测资料,分析了支流高含沙洪水特性及交汇区沙坝淤堵特点,探讨了汇流比(支流流量与干流流量之比)、支流洪水水量、支流洪水沙量等因素对沙坝淤堵形成的影响;根据动量原理建立了交汇区形成沙坝淤堵的判别关系,结合黄河上游干、支流洪水输移特性,得出了基于汇流比与支流洪水水量关系及支流洪水沙量与支流洪水水量关系的沙坝淤堵判别条件。由此,可根据汇流比、支流洪水水量及沙量判断交汇区能否形成沙坝淤堵,可为暴雨洪水期黄河上游交汇区形成沙坝淤堵灾害的预报及防治提供参考。
土壤入渗特性的空间变异规律及其变异源
何丹, 马东豪, 张锡洲, 张佳宝, 郑子成
2013, 24(3): 340-348.
摘要:
以封丘地区典型的4种土地利用类型(传统耕作地、免耕地、金银花地和杨树林地)为例,系统研究了不同土地利用方式下土壤入渗特性的空间变异强度、空间变异结构及其主要变异源。结果表明,频繁的耕作会降低土壤异质性,弱化土壤特性空间变异结构,扰动较小的免耕地和金银花地的土壤入渗特性则具有相对明显的空间变异结构,扰动最小的杨树林地土壤的入渗特性具有最为明显的空间变异结构和最小的变程。容重、有机质含量和初始含水量是耕作地入渗的最主要变异源,初始含水量则是金银花地入渗的唯一显著性变异源;杨树林地入渗变异的主要变异源是有机质和初始含水量;影响免耕地入渗特性变异的变异源并不显著。在有些情况下,水温也可能成为入渗特性空间变异研究的重要干扰因素。
改进时间分数阶模型模拟非Fick溶质运移
夏源, 吴吉春, 张勇
2013, 24(3): 349-357.
摘要:
通过将经典时间分数阶对流-弥散方程的等待时间分布函数的尾部修改为指数型,推导出了改进时间分数阶对流-弥散方程,并提出有效的时空算子分裂数值求解方法。对两个理想算例和一个实际算例进行计算,结果表明,改进的时间分数阶对流-弥散方程继承了时间分数阶对流-弥散方程能模拟穿透曲线幂率型拖尾分布的优点,还可模拟穿透曲线尾部由幂率型转换到指数型的过程;特征时间λ、分数阶指数γ和两相容量比例系数β共同决定了运移行为。改进的新模型可以区分非均质介质中流动相和非流动相中的溶质浓度, 更细微地模拟非Fick溶质运移行为。
可变网格下的堤防溃口展宽二维数学模型
袁晶, 张为, 张小峰
2013, 24(3): 358-365.
摘要:
传统固定结构的计算网格不适于处理计算边界动态变化的问题,利用动网格技术,结合土力学中粘性土河岸的崩塌机理,建立了可变网格下的堤防溃口展宽二维数学模型,在对模型进行验证对比的基础上,对北江下游的大塘围蓄滞洪区口门处的崩塌展宽过程进行了模拟,模型计算结果表明:随着溃堤水流对堤防土体的冲蚀,堤防发生崩塌破坏,溃口洪水流量迅速增大,与实际相符,说明通过采用可变网格与土力学中粘性土河岸崩塌机理相结合的计算方法,使得模型具备准确模拟蓄滞洪区口门处横向崩塌展宽过程的优点。
太湖平原圩区河网演变模式探析
徐慧, 杨姝君
2013, 24(3): 366-371.
摘要:
以汾湖镇为研究区,采用GIS和RS方法分析了全镇及典型圩区近15年来河网结构的变化特征。结果表明:等级最低的圩内河道的河网结构变化显著,而村级以上的骨干河网结构基本没有变化,河网结构趋于稳定;不同圩区河网结构变化存在明显的时空差异。快速城镇化过程中,经过及时规划和治理的圩区河网结构得到了一定的改善,反之,河网结构受到了较大破坏;根据河网结构演变特征及原因,快速城镇化圩区河网结构演变的主要原因是对水系的保护、整治和破坏等人类活动的影响,据此识别圩区河网演变的几种主要模式为:主动引导型、被动改造型、修复完善型和保护优先型。
一种新型掺气设施的试验研究
牛争鸣, 南军虎, 洪镝
2013, 24(3): 372-378.
摘要:
设置在泄洪洞竖井内的环形掺气设施是不同于传统掺气技术的新创意。为了更好地认识这种新型的掺气技术,基于公伯峡水平旋流泄洪洞原型和模型试验,对环形掺气坎的通风和掺气特性进行了研究。结果表明环形通气孔的通风是由通气孔进出口的压差引起的,通风量与相对空腔长度的关系服从线性分布;环形掺气坎掺气减蚀的作用明显,其掺气是由于射流冲击竖井水体形成大尺度旋涡并挟带气泡所致,且掺气浓度沿高程呈乘幂分布;模型通风和掺气特性的缩尺效应明显。在结构设计满足要求的前提下,有必要在旋流泄洪洞的竖井段设置掺气设施,可改善水流流态,并增加消能效果。
卵砾石沙波临界水流条件的水槽试验
付旭辉, 杨胜发
2013, 24(3): 379-385.
摘要:
以往对沙波的研究多针对河流中下游、河口海岸段的细沙(粒径D<1 mm),而长江上游等卵砾石输移河段(D>2 mm)是否会出现沙波以及卵砾石沙波的临界条件,尚需开展进一步研究。通过长江上游九堆子、筲箕背等卵石滩的现场踏勘,观察到明显的天然沙波形态。采用中值粒径D50=1.8 mm和5.3 mm的天然沙和D50=4.8 mm的轻质沙进行水槽试验,成功模拟出砾石沙波。根据恒定均匀流条件下,产生沙波的比降、水位、流量等水流条件及试验沙的粒径、比重,提出卵砾石沙波的临界条件公式。结果表明,卵砾石沙波的临界条件可以用量纲起动功率w*R/D及比降S表达,并据此提出判别系数GDcr。当研究河段的卵砾石输移带上的水流条件满足判别系数GDcr,则可以判断能够产生沙波现象。
渤海海冰断裂韧度试验
季顺迎, 刘宏亮, 许宁, 马红艳
2013, 24(3): 386-391.
摘要:
海冰的断裂韧度是近海结构冰荷载分析的重要参数,也是影响海冰断裂、重叠和堆积等动力行为的主要力学特性。2011—2012年冬季现场采集了渤海莱州湾的海冰试样,在室内低温环境下通过三点弯曲试验测得了不同温度、盐度和加载速率下的海冰断裂韧度KIC。结果表明,卤水体积(温度和盐度)和加载速率对KIC的影响比较显著。随温度和加载速率的降低,KIC值均会增大,且与卤水体积的平方根呈负指数关系。为极限破坏状态下海冰的断裂过程和冰荷载分析的参数选用提供了依据。
变化环境下武江超定量洪水门限值响应规律及影响
叶长青, 陈晓宏, 张丽娟, 庞园, 张家鸣
2013, 24(3): 392-401.
摘要:
世界众多江河洪水超定量(POT)系列门限值已发生变化,门限值选取不当会影响频率分析合理性。结合历史洪水资料,采用洪水POT理论分析变化环境下武江门限值响应规律及影响。结果表明:武江流域下垫面植被和径流系数在1991年明显改变,变化环境下不仅洪水门限值显著增大,且超过特定量级洪水的发生次数也在增加,POT模型能捕捉洪水在量级和发生次数方面的变化信息。分别选用变化环境前后门限值来推算设计洪峰,当重现期大于200年时,坪石站差异度达19.21%,犁市站达8.12%以上。选用变化环境后高门限值可有效提高线型对大洪水的拟合程度和设计洪水计算精度。
基于优化-模拟技术的生态库容
吕孙云, 许银山, 兰岚, 杜亚平, 梅亚东
2013, 24(3): 402-409.
摘要:
为发挥水库在水资源开发利用与河流生态环境问题之间的协调作用,以丹江口水库为例,探讨了综合利用水库生态库容划分方法。以丹江口水库下游襄阳和仙桃为控制断面,采用Tennant法计算下游河道生态流量的参考值。在考虑丹江口水库的防洪、生态、供水、调水、发电、航运等综合任务和汉江中下游水量联系的基础上,建立了综合利用水库的生态库容优化模型,拟定了4组调度规则,应用自适应遗传算法和模拟调度方法进行求解。计算结果表明:设置生态库容后的调度图能较好地满足控制断面对生态流量的需求,获得较佳综合利用效益。
水气混合洞塞泄流溶解氧输移扩散的数值计算
尹则高, 赵强, 曹先伟
2013, 24(3): 410-417.
摘要:
为研究水气二相混合洞塞泄流欠饱和溶解氧输移扩散行为特性,揭示气体体积分数、进口溶解氧浓度、雷诺数等流动特征参数和洞塞尺寸等几何参数对溶解氧浓度恢复的影响规律,开展了水气二相混合洞塞泄流溶解氧输移扩散的室内模型试验,观测流速、压力和溶解氧浓度分布。建立了水气二相混合洞塞泄流溶解氧输移扩散数学模型,并利用物理模型试验数据对数学模型进行了验证。利用验证后的数学模型,分别计算不同进口气体体积分数、溶解氧浓度、雷诺数、洞塞长度和洞塞直径条件下水气二相混合洞塞泄流溶解氧浓度恢复情况。结果发现:气体体积分数越大,进口溶解氧浓度与饱和溶解氧浓度差值越大,雷诺数越小,溶解氧浓度增量越大;洞塞长度越长,洞塞直径越小,溶解氧浓度增量越大。
硫和氧同位素示踪黄河及支流河水硫酸盐来源
张东, 黄兴宇, 李成杰
2013, 24(3): 418-426.
摘要:
为了准确识别河水硫酸盐受自然风化和人为活动影响的过程,做好地表水资源管理,选择黄河小浪底水库以下干流和支流河水为主要研究对象,分期采集河水样品,采用硫酸盐硫和氧同位素,结合水化学组成及潜在硫酸盐来源硫和氧同位素范围,判定黄河及支流河水硫酸盐的来源及混入比例。结果表明:① 研究区黄河河水硫酸盐主要来源于第四纪黄土中易溶硫酸盐,干流河水SO42-含量均值为2.23 mmol/L,δ34SSO4和δ18OSO4均值分别为+8.9‰和+10.4‰;② 研究区沁河丰水期河水硫酸盐24%来源于大气降水,61%来源于土壤硫酸盐溶解,15%来自于石膏溶解;平水期河水硫酸盐39%来源于大气降水,36%来源于土壤硫酸盐溶解,25%来源于石膏溶解。沁河河水SO42-含量均值为2.44 mmol/L,δ34SSO4和δ18OSO4均值分别为+9.8‰和+9.7‰;③ 研究区洛河河水硫酸盐受生活污水影响较大,伊河河水硫酸盐受到土壤硫酸盐溶解和化学肥料溶解的共同影响,伊洛河河水SO42-含量均值为1.27 mmol/L,δ34SSO4和δ18OSO4均值分别为+10.4‰和+6.5‰。蒸发盐类矿物溶解以及土壤硫酸盐溶解等自然风化过程是控制区域河水硫酸盐来源的重要过程,人为活动对伊洛河河水硫酸盐的贡献不容忽视。
模糊逻辑在物理栖息模拟中的应用
赵越, 周建中, 常剑波, 张勇传, 宋利祥, 毕胜
2013, 24(3): 427-435.
摘要:
为了克服已有物理栖息地模型仅能在具有较完善监测资料河流使用的局限性,介绍了一种应用模糊逻辑的物理栖息地模拟方法。该方法以河道平面二维流场模拟结果为基础,将鱼类学和生态学专家的知识经验融入物理栖息地模型中,运用模糊逻辑推理计算栖息地各单元适宜度,最后根据加权可用面积、高适宜度面积比例与流量的关系曲线确定生态需水量。运用该方法对葛洲坝坝下中华鲟产卵栖息地进行模拟。研究结果表明,中华鲟产卵期适宜生态需水量为10 000~17 000 m3/s。分析认为该方法对监测资料依赖程度低,使用专家知识经验能够弥补数据不足造成的不利影响,具有一定的可行性及实用性。该研究有助于监测资料不足的河流开展生态保护及河流管理工作,并且能够为模糊数学理论在水生态学中的应用提供参考。
杭州西湖生态系统服务价值评估
徐洪, 赵鹏大, 武俊梅, 李新宁, 吴振斌
2013, 24(3): 436-441.
摘要:
基于市场价格法、影子工程法、污染防治成本法、旅行费用法、成果参照法、等效益替代法和条件价值法等方法,对杭州西湖物质生产、涵养水源、水质净化、休闲旅游、文化科研教育、蒸腾吸热、栖息地、存在价值、选择价值和遗产价值等进行货币化评估。计算得杭州西湖生态系统服务总价值为7 357 624.7万元/a,是杭州市国民生产总值的10.5%。其中休闲旅游价值量最大(7 315 760.2万元/a),占生态系统服务总价值的99.431%,其次是蒸腾吸热价值(13 864.2万元/a),占0.188%。杭州西湖的生态系统服务功能主要是休闲旅游,其经济价值的核算有利于城市生态经济账户的构建,为城市的可持续发展提供科学参考。
三峡高重力坝技术实践综述
钮新强
2013, 24(3): 442-448.
摘要:
三峡工程重力坝最大高度181 m,目前已蓄水至设计水位。大坝设计和施工过程中,通过特殊地质勘探、多种稳定计算方法对比分析、综合工程措施解决左岸坝段深层抗滑稳定问题;布置多层大孔口解决大流量、多任务的泄洪要求,运用钢筋混凝土有限元方法计算孔口配筋;运用二次风冷骨料、个性化动态通水、表面保温等技术进行温控防裂;采用富浆混凝土防渗、预埋冷却水管等技术进行碾压混凝土施工;采用封闭抽排方案、无盖重固结灌浆技术进行坝基处理。分析了大坝运行过程中纵缝开度变化、水位影响下坝踵应力变化的规律,提出了高重力坝在纵缝结构整体性、坝踵应力与应力控制标准、强震作用下大坝破坏机理及抗震措施等方面有待进一步研究的问题。
干旱演变驱动机制理论框架及其关键问题
裴源生, 蒋桂芹, 翟家齐
2013, 24(3): 449-456.
摘要:
干旱演变驱动机制是科学认识干旱问题和制定有效防旱抗旱政策的理论基础。针对气象干旱、水文干旱和农业干旱3种干旱类型,分别分析了其形成过程,并阐述了其之间的关系;采用"驱动力-压力-状态-响应"模式构建了干旱演变驱动机制总体研究框架,并探讨了干旱演变驱动力系统构成、干旱演变驱动机制、变化环境下干旱演变规律及其响应等关键科学问题。
怀念陈家琦教授
刘国纬
2013, 24(3): 457-458.
摘要:
2010年仲夏,我收到陈家琦先生寄给我一本他的新作《云烟札记》。我一口气读完后在给他的回信中写道:"你所‘札记’的不是团团絮絮的云烟,而是一条绚丽的彩带。沿着这条彩带,我看到你气宇轩昂地从北京拐棒胡同走来,看到你风华正茂的少年和意气奋发的青年时代,钦佩你在战火纷飞年代投身革命的胆识,分享了你多彩的留苏生活,也勾起了自20世纪60年代以来我们相处的历历回忆。"2012年1月11日,我去北京宣武医院看望陈家琦先生,那时他已久卧病床,靠鼻饲维持生命,可当他见到我时,目光里依然闪烁着他那固有的乐观和幽默,而那时,他还不知道与他相濡以沫50余载的爱妻已在另一家医院先他而去了。我顿时难忍酸楚,背过脸去,然后才默默地和他对视着,许久,许久。2012年6月22日,陈家琦先生去世的消息传到了南京。痛哉!人生的最后时刻是多么脆弱和无奈啊!然而这都是因为在漫漫一生中,为事业已付出了全部的生命力,乃至弥留之际再也没有一丁点气力了。