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2014年  第25卷  第4期

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水库拦沙对长江水沙态势变化的影响
王延贵, 史红玲, 刘茜
2014, 25(4): 467-476.
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为探讨水库建设对水沙变化态势的影响，通过引入来沙系数、输沙模数和流域水库调控系数，深入分析了长江水库拦沙对水沙态势变异的作用。长江干支流水沙参数与流域水库库容参数之间有重要关系，主要水文站年输沙量随流域累积库容增加而逐渐减少，来沙系数和输沙模数随流域水库调控系数成指数关系衰减，表明水库蓄水拦沙是长江水沙态势变异的主要因素。长江干支流输沙量衰减规律有一定差异，支流来沙系数和输沙模数衰减规律相对独立，而干流上游站衰减幅度大于下游水文站，且干流各站输沙模数的衰减规律比较接近。
江心洲平衡形态水动力条件的理论分析
刘晓芳, 黄河清, 邓彩云
2014, 25(4): 477-483.
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江心洲在何种水动力条件下具有稳定的形态一直是河床演变学中的核心问题，采用河道形态变分分析方法，综合分析分汊型河流在水流连续方程、阻力方程、推移质输沙方程和总流能量方程控制下的自动调整机理。以长江中下游两汊不对称的江心洲为研究对象，将其形态概化为规则的等腰三角形，详细数理分析发现，主汊的分沙比大于分流比是这类江心洲达到平衡的必要条件。当分汊河道达到平衡状态时，江心洲的形态会随着汊道间水沙分配比例的调整而变化，且分流比与分沙比越接近，江心洲越窄长。另外，利用长江中游监利汊道的实测水沙资料对理论分析进行验证，结果表明，江心洲形态的理论计算值与相应的实测值符合程度较好，相对误差为9.0%左右。
未来气候情景下长江上游区域积雪时空变化分析——基于CMIP5多模式集合数据
陆桂华, 杨烨, 吴志勇, 何海, 肖恒
2014, 25(4): 484-493.
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基于21个CMIP5全球气候模式集合数据，耦合VIC模型，预估了未来30年（2011-2040年）RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5 三个情景下长江上游区域积雪的时空变化。结果表明：与基准期1970-1999年相比，长江上游区域未来30年的多年平均气温和各月平均气温都将升高1~2℃，其中冬季和春季升温较大；平均年降水量将增加3%~4%，但秋、冬季降水有所减小。未来30年平均积雪深相对于基准期将减小37.8%左右，在积雪过程中达到最大积雪深的时间与基准期基本相同，而融雪开始的时间略有延后；从空间变化来看，冬季（1月份）长江上游区域大部分地区的积雪深都呈现减小趋势，部分地区积雪深减小超过了50%。
1961-2010年中国400mm和800mm等雨量线时空变化
袁喆, 严登华, 杨志勇, 尹军, 袁勇
2014, 25(4): 494-502.
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以中国1961-2010年逐日降水数据为基础，利用等值线加权平均位置的方式对400 mm和800 mm等雨量线的空间位置进行定量化处理。采用Kendall 秩次相关检验法、Morlet小波分析法、滑动t-检验法和Yamamoto法时间序列分析方法，对全国50年来 400 mm和800 mm等雨量线的空间位移特征进行了系统揭示：1961-2010年期间，400 mm和800 mm等雨量线加权平均位置坐标分别为（106°07'12"E，39°25'13"N）和（110°16'31"E，34°12'04"N）。趋势性结果表明，全国400 mm和800 mm等雨量线有向西和向南发生移动的趋势，其中400 mm等雨量线向西移动明显，800 mm等雨量线向南移动明显；周期性结果表明，全国400 mm等雨量线在经向和纬向上发生迁移的主周期分别为9年和 12年，800 mm等雨量线在经向和纬向变化均存在7年的主周期；突变性结果表明，400 mm等雨量线空间位置的突变年为1995-1996年（纬度），800 mm等雨量线空间位置的突变年为1975年、2002年（经度）和1980年、1982年和1987年（纬度）。
淮河流域近500年洪旱事件演变特征分析
杨传国, 陈喜, 张润润, 胡琪, 余钟波, 郝振纯, 林朝晖
2014, 25(4): 503-510.
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为了认识淮河流域过去500年洪旱事件发生规律并鉴别当前的洪旱情势，收集并对比分析了流域实测降雨资料、重建历史雨季降雨资料、历史旱涝等级资料、历史洪旱文献记录和历史调查洪水资料等多源洪旱灾害数据。以重建历史雨季降雨资料和历史旱涝等级资料为主要依据，通过滑动平均、频率计算、小波分析和突变检验等方法，分析流域过去500年洪水干旱时空分布特征和演变规律。结果表明，17世纪淮河流域洪旱灾害最严重，但20世纪极端洪旱事件发生频次最多。淮河流域洪旱事件存在40年左右的稳定长周期，主周期从18世纪的15~20年逐渐减少到19世纪的5年周期，近20年来出现2~3年的主周期，洪旱灾害事件呈增加趋势，流域社会经济发展面临着严峻的洪旱灾害威胁。
塔里木河下游胡杨林耗水数值模型
苏里坦, 关东海, 王兴勇, 赵天宇
2014, 25(4): 511-517.
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基于SHAW（Simultaneous Heat and Water）模型，以基本观测要素、植被参数和土壤剖面水热观测数据为模型的输入，对河岸胡杨林的耗水过程、土壤剖面水分变化和能通量进行了较小时间尺度上的模拟研究。结果表明，采用SHAW模型模拟的胡杨耗水量与观测值间存在较大偏差。因此，为了进一步提升水热耦合SHAW模型在干旱区的实用性，引入了地下水位因子GSI（Groundwater-Soil water Interaction），建立了改进的SHAW（GSI-SHAW）模型，解决干旱区荒漠河岸林耗水过程模拟的方法问题。采用SHAW模型和GSI-SHAW模型对胡杨耗水量的模拟进行了对比研究。结果显示，SHAW模型和GSI-SHAW模型模拟的胡杨耗水量与观测值的相关性系数分别为0.8533、0.9075，其平均相对误差分别为21.4%、16.9%，可见，改进的SHAW模型的模拟值更加接近试验观测值。地下水位的考虑一定程度上提升了传统SHAW模型的模拟精度，为干旱区自然植被耗水量的计算提供了新的方法和科学依据。
近期新疆哈密代表性冰川变化及对水资源影响
王璞玉, 李忠勤, 周平, 金爽, 陈辉
2014, 25(4): 518-525.
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新疆哈密是资源性缺水地区，冰川是该区主要的供给水源。为了对该区冰川和水文水资源的现状和未来变化做出合理评价和预估，以榆树沟6号冰川和庙尔沟冰帽为代表，结合野外实测资料以及近年来在冰川变化领域所取得的相关研究成果，综合分析了在气候变暖背景下新疆哈密地区冰川近年来的变化过程及对水资源的影响。结果表明，1972-2011年，榆树沟6号冰川厚度平均减薄20 m，减薄速率约为0.51 m/a，冰川末端退缩254 m，年均退缩约6.5 m。由于强烈消融，冰川表面径流发育明显，且在末端有冰碛湖形成。相比之下，庙尔沟冰帽消融速率相对较小，对气候变暖的敏感度较低，这与冰帽类型和所处海拔较高有直接关系。综合分析发现，流域有无冰川覆盖及覆盖的比率大小，直接造成哈密地区不同流域近期河川径流变化的差异。
基于人工降雨模拟试验的坡面水文连通性
王盛萍, 姚安坤, 赵小婵
2014, 25(4): 526-533.
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为揭示降水入渗时坡面水文连通性特征以及坡度和雨强等对水文连通性的影响，研究基于人工降雨模拟试验，分别采用结构性指标径流长度（Flowlength，lF）和功能性指标相对地表连接函数（Relative Surface Connection Function， FRC）分析不同坡度坡面（5°、15°、25°；面积为150 cm×50 cm）在不同雨强（25 mm/h、50 mm/h、70 mm/h和86 mm/h）条件下的水文连通性。研究结果表明：坡面水文连通结构主要由lF为0~100 mm的径流路径组成，其栅格频率高达90%以上，而lF为100~500 mm的栅格频率为3%~8%。水文连通性的迅速发展主要集中在降水事件的开始阶段，而一定阶段以后入渗速率与地表储水速率基本持平，水文连通性呈现出较为稳定的发展趋势。坡度增大整体上有利于水文连通性的发展。5°坡面对应水文连通面积比率整体小于其他坡度。由于雨强增大到一定范围时将增加地表糙率，从而阻碍水文连通性的发展，研究中仅25 mm/h对应水文连通性明显区别于其他雨强，而其他雨强间则在多数情况下水文连通性差别较小。
闸控河网水文-水动力-水质耦合数学模型——I.理论
陈炼钢, 施勇, 钱新, 栾震宇, 金秋
2014, 25(4): 534-541.
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针对流域级闸控大型河网水环境日常管理的应用需求与实际特点，将资料适应性强的水文学方法与数据要求相对严苛的水动力-水质数值模型相融合，构建了一维与二维嵌套、分块组合的闸控大型河网水文-水动力-水质耦合数学模型DHQM（Hydrology， Hydrodynamics， and Water Quality Model for Impounded Rivers）。模型由河道径流模拟、闸坝调度过程模拟、河道水质模拟、区间入流及入河污染负荷估算和水质预警实时校正等5个模块组成。模型可服务于水环境实时预警和调度，也可为闸坝水文环境效应的量化提供基础工具。
双时间步法在二维浅水方程求解中的应用
喻海军, 黄国如, 武传号
2014, 25(4): 542-549.
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针对传统算法效率低的问题，将隐式双时间步法应用于求解二维浅水方程，建立了非结构网格下高效的有限体积模型。在应用双时间步法时，虚拟时间层中的定常问题采用高效的隐式LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel）方法进行迭代求解。通过模拟计算4个典型算例以及与传统显式算法进行比较，对模型精度、效率及处理实际问题能力进行检验，分析了时间步长、内迭代次数对模型性能的影响。结果表明，双时间步法放宽了稳定性对时间步长的限制，时间步长可取到显式格式10倍以上，计算耗时减少了50%以上，模型具有良好精度与适应性，具有较好的推广应用价值。
感潮河网二维水流-输运耦合数学模型
宋利祥, 杨芳, 胡晓张, 杨莉玲, 周建中
2014, 25(4): 550-559.
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摘要:
感潮河网水流不仅受径流、潮汐动力的双重影响，还常受水闸调度等人类活动的影响，水动力条件极为复杂。针对水闸调度影响下感潮河网复杂水动力及其伴随物质输移扩散模拟，提出了考虑水闸调度并集成输运对流项的水流-输运通量耦合求解器，建立了基于非结构网格Godunov格式的二维水流-输运耦合数学模型。采用具有时空二阶精度的MUSCL-Hancock预测-校正格式，结合变量重构限制器技术，在保证计算精度的同时避免了数值振荡。运用斜底三角单元网格表达水闸线状地形，并通过地形调整模拟了水闸启闭过程。算例研究表明，该模型计算精度高，可有效模拟水闸调度影响下感潮河网水流运动及污染物输运过程，具有较好的推广应用价值。
主槽一维和滩地二维侧向耦合洪水演进模型
张防修, 韩龙喜, 王明, 黄瑞
2014, 25(4): 560-566.
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摘要:
为实现对复式河道大尺度漫滩洪水的快速模拟，结合洪水在滩槽行洪特点和河道一维、二维水动力学模型研究成果，在主槽与滩地分别划分为矩形和三角形网格，以左右滩唇为分界实现两网格系统嵌套；建立主槽一维水动力学数学模型，内插大断面间网格处的水力因子，在滩地采用简化的二维水动力学模型模拟滩槽间、滩地网格间水量交换，实现主槽一维与滩地二维模型侧向耦合。利用黄河下游“96·8”大洪水实测资料，对花园口至夹河滩河段洪水演进过程验证，结果表明该方法模拟精度较高，能够利用该模型模拟复式河道大漫滩洪水过程。
荆江段河岸粘性土体抗冲特性试验
宗全利, 夏军强, 张翼, 许全喜
2014, 25(4): 567-574.
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摘要:
粘性土体具有较强的抗冲能力，其抗冲性强弱决定了河岸的侵蚀速率。为了估算河岸的侵蚀速率，确定粘性土体的起动条件、侵蚀系数及两者之间的数量关系非常重要，为此开展了荆江段河岸粘性土体起动条件与冲刷特性的水槽试验研究。根据试验结果获得了粘性土体的起动流速与土体液限/自然含水率之间关系以及起动切应力与干密度、起动切应力与液性指数之间的定量表达式，综合反映了粘性土起动条件与其物理性质指标之间的关系；结合冲刷特性试验结果，还获得了土体侵蚀系数随起动切应力的变化规律，并与已有其他试验结果进行了比较。结果表明：荆江河岸粘性土侵蚀系数均比相同条件下其他公式计算值偏大，这与该试验土体中粘粒含量相对较低、土体结构受到扰动等因素有关；根据试验结果，拟合得到了荆江河岸粘性土侵蚀系数与起动切应力之间定量关系式，其相关系数R2=0.90，故该关系式能为荆江段崩岸过程的计算提供参考依据。
梯级水库设计洪水最可能地区组成法计算通式
刘章君, 郭生练, 李天元, 徐长江
2014, 25(4): 575-584.
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利用Copula函数建立各分区洪水的联合分布，基于联合概率密度最大原则，推导得到最可能地区组成法的计算通式，并用来推求梯级水库下游断面的设计洪水。选择清江流域水布垭-隔河岩-高坝洲梯级水库为例，开展了验证和方法比较研究。结果表明：最可能地区组成法计算得到的设计洪水值位于同频率地区组成法多方案计算结果的区间之内；受清江梯级水库调洪的影响，宜都断面设计洪水的削峰率十分显著，最可能地区组成法推求100年一遇设计洪水的削峰率达到30.2%。该法具有较强的统计基础，组成方案唯一，结果合理可行，为复杂梯级水库设计洪水的计算提供了一种新途径。
不同微尺度膜下滴灌棉田土壤水盐空间变异特性
史文娟, 马媛, 徐飞, 王全九
2014, 25(4): 585-593.
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摘要:
为揭示微尺度膜下滴灌农田土壤水盐的空间变异特性，通过大田试验，采用经典统计和地质统计方法，研究了3种微尺度（0.25 m、1 m和4 m）和不同土层深度棉田土壤水盐的空间变异性，并确定其合理取样数。结果发现，3种微尺度下，土壤含水量的变异强度为中等偏弱，其变异性随尺度增大而增强，随深度增加呈先增强后减弱趋势。土壤含盐量的变异强度为中等偏强，其变异性随尺度增大而增强，随深度增大呈先减弱后增强趋势；3种尺度和不同深度条件下，土壤含水量和含盐量的半方差函数大部分可采用高斯模型模拟，且精度较高；样品的合理取样数为367个。研究结果可为制定膜下滴灌土壤水盐的监测方案和调控措施提供理论指导。
变化环境下城市水文学的发展与挑战——I.城市水文效应
张建云, 宋晓猛, 王国庆, 贺瑞敏, 王小军
2014, 25(4): 594-605.
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全球气候变化和快速城市化导致的城市水循环过程变化是当前城市水文学研究的热点问题。为综合理解城市水循环演变过程，结合城市水文学的发展历程，剖析水循环过程对快速城市化进程的响应机制。总结了国内外城市化水文效应的主要成果，包括城市化对水循环过程、洪涝灾害、水生态系统以及水资源的影响。系统归纳了城市化水文效应的评估方法和技术手段。针对现有研究中的不足，指出变化环境下城市化水文效应研究面临的主要挑战及关键技术难题，提出未来研究的重点方向，如城市化降水效应的机理、不透水面的分布及有效性评估、城市化与水生态系统的响应关系与综合城市水资源管理及需水预测等。
中国泥石流起动物理模拟试验研究进展
倪化勇, 唐川
2014, 25(4): 606-613.
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为进一步提高泥石流起动物理模拟试验的科学性，完善试验体系，采用资料收集与分析方法，总结了近年来中国泥石流起动物理模拟试验开展的现状，从水流冲刷与泥石流起动试验以及人工降雨与泥石流起动试验两个方面论述了中国泥石流起动试验取得的主要进展和理论成果。在国内外泥石流起动物理模拟试验对照基础上，提出中国泥石流起动物理模拟试验研究的建议：提高水流浓度、降雨雨型与土体特征的相似率；加强降雨或水流作用下土体物理力学特征变化与泥石流起动响应研究；推动降雨与汇流共同作用下泥石流起动综合性物理模拟试验的开展。
纪念林秉南院士
刘国纬
2014, 25(4): 614-616.
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