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2014年  第25卷  第6期

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GLDAS月降水数据在中国区的适用性评估
王文, 汪小菊, 王鹏
2014, 25(6): 769-778.
摘要:
全球陆面数据同化系统(GLDAS)是全球变化与水循环研究的重要数据源之一.对比分析了1979—2012年间GLDAS多套降水数据与中国地面观测逐月降水数据所反映的中国降水趋势变化空间特征,采用相关系数、平均偏差、相对绝对误差和均方根误差4个指标,从时间变化和空间分布特征两个方面,对GLDAS降水数据在中国区域的数据质量进行了系统评估.结果表明:GLDAS-1的几套数据在时间上具有明显不连续性,1996年数据质量严重异常,2000年数据质量也较差,而且,不论是GLDAS-1数据,还是GLDAS-2数据,都存在前期(1979—1995年)与实测数据吻合度高于后期(1997年以后)的现象;GLDAS数据在中国东部湿润区的质量高于在西部干旱区;从相关性与误差指标来看,GLDAS-1数据质量略优于GLDAS-2(主要体现在1995年以前时段),但是GLDAS-2在数据一致性、数据质量季节稳定性及对趋势性描述能力方面则明显优于GLDAS-1数据.
天山北坡精河1615—2007年径流量变化的树轮记录
尚华明, 尹仔锋, 陈志军, 魏文寿, 袁玉江, 陈荣毅
2014, 25(6): 779-788.
摘要:
中国天山北坡西部精河流域山区的树木年轮记录了气候与水文变化过程,利用树轮宽度重建流域径流量长期变化历史对艾比湖湿地自然保护区生态保护和流域水资源利用具有重要意义.建立了精河流域山区2个采样点的天山云杉树轮宽度年表,分析其对流域气象和水文要素的响应特征,建立了树轮宽度标准年表与精河水文站上年9月到当年8月径流量的线性转换方程(R2=37.5%, P<0.001),重建了公元1615—2007年的径流量变化历史.丰枯年份和持续丰枯期分析表明:精河出山口径流量重建序列包含7个丰水年和11个枯水年,且发生了13次持续丰水期和10次持续枯水期.多窗谱分析发现径流量序列在99%的置信水平上存在56.8 年、6.9 年、3.8 年、3.4 年、2.0~2.1 年周期,其中6.9 年对应厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件的周期,同时还发现了重建序列与南方涛动指数的显著负相关(r =-0.329,n=56),表明研究区径流量受大尺度海气耦合模式的影响.精河径流量序列与天山北坡玛纳斯河和乌鲁木齐河的丰枯阶段以及天山山区、伊犁地区降水变化的干湿阶段较好的对应,表明天山北坡水文和气候变化的大尺度环流背景和驱动因子一致.
产流误差比例系数的系统响应修正方法
张小琴, 刘可新, 包为民, 李佳佳, 赖善证
2014, 25(6): 789-796.
摘要:
为提高洪水预报的精度以及修正的稳定性,在产流误差动态系统响应曲线修正方法的基础上,提出了产流比例系数的系统响应修正方法.将产流系列按照一定原则分成若干组,假定每组存在系统误差,通过引入一个比例系数来表示,应用系统响应理论,选择适当的参数率定方法确定最优比例系数,进而对时段产流量分组进行修正.将产流误差比例系数的系统响应修正方法应用于滩坑流域,并与产流误差动态系统响应曲线修正方法相比较,结果显示,对于流域的17场历史洪水,二者均能提高洪水预报的精度,但前者的修正效果更好,修正稳定性更强,适用范围更广.
卵石沙洲发育与冲刷试验
李志威, 王兆印, 李文哲, 张晨笛, 吕立群
2014, 25(6): 797-805.
摘要:
沙洲是塑造分汊型河道最重要的形态因子,其发育与蚀退由于上游来水来沙变化呈现冲淤交替,从而影响分汊河道输水输沙平衡.通过单个卵石沙洲的淤积和冲刷试验,揭示不同加沙速率、粒径和来流量条件下,沙洲淤积和冲刷规律,并建立简化理论模型分析沙洲淤积速率.结果表明,4组加沙试验中,分流点后出现明显淤积下延至洲头,左汊和右汊成为输沙通道,洲尾中心线两侧的左右汊道有泥沙淤积,洲尾未出现淤积.7组清水冲刷试验中,洲头最先承受冲刷和蚀退,并沿洲体冲刷延伸,洲头冲刷的泥沙沿左右汊水流带到下游,洲尾未出现明显冲刷.卵石沙洲以洲头淤积为主导发育模式,泥沙粒径、洲头坡角和分流角是决定淤积速率的关键因子.
黄土高原北部坡面尺度土壤饱和导水率分布与模拟
赵春雷, 邵明安, 贾小旭
2014, 25(6): 806-815.
摘要:
为探明黄土高原北部坡面土壤饱和导水率(Ks)空间分布特征,为土壤水文过程模拟与预测提供理论依据,采用经典统计学和地统计学的空间变异分析方法,分析了坡面尺度土壤Ks的空间变异特征,并用一阶自回归状态空间模型对Ks的空间分布进行了模拟.研究区坡面尺度Ks的变异为中等程度变异,具有中等程度空间依赖性,变程为42 m.Ks与容重、砂粒、粉粒和黏粒含量在不同滞后距离下均具有自相关关系和交互相关关系.容重和土壤颗粒是影响坡面Ks空间分布的主要因素.状态空间模拟结果表明,基于容重和土壤颗粒的状态空间方程可以很好地解释坡面Ks的变异状况(R2>0.9).一阶自回归状态空间模型可用于田间条件下坡面尺度Ks分布特征的预测.
膜下滴灌微区环境对土壤水盐运移的影响
周和平, 王少丽, 吴旭春
2014, 25(6): 816-824.
摘要:
基于膜下滴灌特有的"膜中"、"膜间"、"膜边"、"膜外"微区环境,利用2011—2013年田间对比试验方法获取的5 960个数据,运用柯布-道格拉斯模型,构建膜下滴灌环境土壤层次、灌水定额、土壤水分、气温、蒸发综合因素与土壤水盐关系及影响效应分析模型.结果表明,在气候干旱、蒸发强烈灌区,地膜覆盖与滴灌结合的地表介面灌溉形式下,土壤水盐具有水平方向由"膜中"向"膜边"地表裸露区定向迁移,垂直方向土壤水盐则由下向上层运移且趋于"膜外"边界积累的趋势,尤其是气温与蒸发因素交互作用,推进膜下滴灌土壤水盐在地膜覆盖与土壤裸露区域空间运移,研究结果进一步揭示了膜下滴灌"土壤水盐定向迁移"形成机理,为膜下滴灌土壤水盐地表排放模式应用提供了依据.
模拟植被覆盖条件下坡面流水动力学特性
张宽地, 王光谦, 孙晓敏, 王俊杰
2014, 25(6): 825-834.
摘要:
利用人工模拟植被试验,系统研究了6个坡度和10个流量、5种覆盖度条件下坡面流水力参数水力要素关系及阻力的变化特征,以期揭示坡面植被水流阻力的内在规律性.结果表明:流态指数随植被覆盖度的增加而显著增加,相同植被覆盖度下,试验坡度对其影响并不显著.各试验工况下,水流流态主要分布在"虚拟层流区"和过渡流区,未达到紊流区.随试验坡度的增加,水流流态由缓流向急流区域延伸,而随覆盖度的增加,流态向相反方向延伸.植被覆盖条件下坡面水流阻力与雷诺数的变化规律并非呈单调增加或者单调递减的趋势,而与植被覆盖度紧密相关,当植被覆盖度较低时,阻力系数随雷诺数的增加而减小,而覆盖度较高时,阻力系数随雷诺数增加呈线性增加的趋势.
床面形态驱动下潜流交换试验
陈孝兵, 赵坚, 李英玉, 陈力
2014, 25(6): 835-841.
摘要:
为揭示河床形态特征引起的潜流交换规律,构建循环式水槽装置,通过NaCl示踪对比分析了4种河床地形驱动下的潜流交换规律,并基于扩散理论探讨了潜流交换与地表水水动力及床沙渗透特性之间的关系.结果表明,潜流交换可以发生在平坦河床地形,且交换速率随地形起伏度和雷诺数的增大而增大;在相似的地形条件下,地表流速是影响潜流交换速率的主导因素,地表水深对潜流交换速率影响较弱;此外,分析表明,有效扩散系数与河床特征粒径之间具有2次方幂率函数关系,且与河床渗透系数成正比;交换深度d正比于雷诺数Re的1/2次方.
一个稳健的河网水情数据同化耦合模型
陈一帆, 程伟平, 徐庆华, 万晓丽
2014, 25(6): 842-847.
摘要:
为解决河网水情动态系统的数据同化问题,将水情量测数据作为内边界条件,建立了一个基于误差最小二乘原理的河网水情数据同化耦合模型.同时,为了有效控制水情状态变量的校正程度,避免因校正过度而破坏河网系统的水量平衡关系,构建了一个能有效控制及平衡各量测变量校正程度的权重矩阵.通过模拟算例和实例应用,系统检验了模型在河网水情仿真与预报中的实时校正能力,并得到了理想的结果.结果表明:模型理论完备、构建简便、数据同化可控性好,能够有效地进行河网水情动态系统的数据同化,提高河网水情仿真与预报的精度.
一维-二维耦合的防洪保护区洪水演进数学模型
陈文龙, 宋利祥, 邢领航, 张文明, 周建中
2014, 25(6): 848-855.
摘要:
针对防洪保护区溃堤及漫堤洪水演进数值模拟面临复杂计算域、河道-防洪保护区洪水耦合作用等问题,建立了基于侧向联解的一维-二维耦合水动力学模型.通过构造并求解Riemann问题实现一维-二维模型耦合,有效克服了基于堰流公式的传统方法难以处理模型间动量交换的缺点,也避免了堰流公式中流量系数选取的不确定性;提出了时间步长自适应匹配方法,解决了一维模型和二维模型时间步长不一致问题.算例研究表明,该模型可有效模拟河道-防洪保护区耦合系统中漫堤洪水和具有任意溃口形状的溃堤洪水演进过程,具有较好的推广应用价值.
闸控河网水文-水动力-水质耦合数学模型——Ⅱ.应用
陈炼钢, 施勇, 钱新, 金秋, 赖晓珍, 王帅
2014, 25(6): 856-863.
摘要:
针对中国多闸坝重污染河流的典型代表——淮河中游河网,为提高其流域水环境预警及应急响应能力,依据水文-水动力-水质耦合数学模型DHQM(Hydrology, Hydrodynamics, and Water Quality Model )的理论框架,构建了由淮河干流、沙颍河和涡河3个一维模块和鲁台子、蚌埠闸2个二维模块组成的淮河中游河网水文-水动力-水质耦合数学模型.采用经过验证的模型针对一个虚拟的水污染事故情景,分析了不同调度方案与淮河干流来水组合下污染团下泄对下游水质的影响;并以保障淮河干流蚌埠市饮用水源地的取水水质安全和减轻事故对下游水质的影响程度为目标,优选出分期小流量慢速下泄污染水体为最佳的水量水质联合应急调度方案.
考虑边界反射作用河流污染混合区的简化算法
武周虎
2014, 25(6): 864-872.
摘要:
以排污口为坐标原点,通过数学推证了岸边排放时P(x,y)点与中心排放时Q(x/4,±y/2)点的污染物浓度对应相等.通过计算实验和曲线拟合,分别给出了中宽河流污染混合区最大长度、最大宽度和相应的纵坐标、面积等参数以及河流中心线和两岸线沿程浓度分布的实用化公式,给出了污染混合区的近似外边界曲线方程.对中宽河流污染混合区范围的计算和环境敏感点的浓度预测,具有重要实用价值,为工程技术人员提供了准确、简便、快捷的实用化方法.
高堆石坝中期度汛挡水风险率估计
张超, 胡志根
2014, 25(6): 873-879.
摘要:
在考虑高堆石坝坝体中期临时挡水度汛不允许坝面过水条件下,综合考虑坝前洪水位与防洪度汛高程的随机性,构建高堆石坝工程中期度汛挡水风险数学模型.针对堆石坝施工系统的特点,考虑各月停工天数与日平均上升速度的随机性,建立了防洪度汛高程仿真计算模型.基于Monte-Carlo方法原理,耦合水文、水力和施工随机因素对风险模型进行求解,并研究了日均控制最低上升速度这一施工可控指标对风险率的影响.通过大渡河流域某大型工程实例分析表明,风险模型与计算方法可行、有效.
江苏淤泥质潮滩剖面演变现场观测
龚政, 靳闯, 张长宽, 李欢, 辛沛
2014, 25(6): 880-887.
摘要:
为探究江苏中部沿海双凸型剖面演变特性,在江苏盐城川东港南侧潮间带布设了10个水准观测站,2012年9月至2013年11月对该潮滩剖面演变过程开展了现场观测.结果表明:该潮滩剖面呈现出双凸型特征,平均高、低潮位线附近的滩涂形成淤积率较高的地形凸点;潮间上带受潮流影响小,滩面高程相对稳定;平均高、低潮位之间的区域滩面高程季节性变化明显,总体呈现冲刷状态;潮间下带冲刷显著,滩面坡度增大.全剖面自岸向海呈现"稳定—淤积—稳定—淤积—冲刷"的双凸型剖面特征.
中国蓄滞洪区洪水管理与可持续发展途径
宋豫秦, 张晓蕾
2014, 25(6): 888-896.
摘要:
蓄滞洪区的行蓄洪启用频率和蓄水方式决定着洪水管理与可持续发展途径,影响流域经济社会的可持续发展.根据各大流域蓄滞洪区的设计启用频率,设置了未来35年内蓄滞洪区发展的3种情景:维持现状、部分水库化和部分湿地化,构建了涵盖防洪、社会经济和生态发展等因子的途径选择指标体系,运用数据包络分析法(DEA),识别了不同设计启用频率的蓄滞洪区洪水管理与可持续发展的最优途径.结果表明:① 不同设计启用频率的蓄滞洪区在建成35年内,部分湿地化情景是中国70%蓄滞洪区的最优发展途径.② 设计启用频率50年一遇是蓄滞洪区发展途径选择的边界值;当等于或低于50年一遇时,部分湿地化是其最优途径;当高于50年一遇时,维持其现状是最优途径.
水资源需求层次理论和初步实践
侯保灯, 高而坤, 吴永祥, 占许珠, 王高旭, 吴凯
2014, 25(6): 897-906.
摘要:
水资源需求预测对于经济社会发展规划和供水规划与管理至关重要,不合理的预测可能会误导水利规划和供水工程建设规模;从用水户的角度出发去揭示其不同层次的真实需水,可提高需水预测结果的合理性.通过对水资源需求内涵和影响因子的详细分析,引入马斯洛需求层次理论初步建立了基本、发展、和谐层次的水资源需求层次理论,并从生活、生产、生态三方面分别探讨不同层次的真实需水.以普洱市为例进行了不同层次的需水预测实践,2020年50%、75%、90%和95%的来水频率,发展层次下的河道外总需水预测量较相关规划成果分别偏小28.2%、22.6%、22.6%和18.1%,基本层次下的预测成果偏小更多,和谐层次下的预测成果也偏小1.8%~13.8%;75%来水频率,发展层次下需水量与"人均综合用水量法"预测结果基本相当,整体偏小0.8%~1.7%.预测结果表明不同频率、不同层次下的预测成果比常规预测结果整体上偏小,弥补了常规预测总是偏大的不足.
植物夜间蒸腾及其生态水文效应研究进展
司建华, 冯起, 鱼腾飞, 赵春彦
2014, 25(6): 907-914.
摘要:
传统理论认为植物在夜间由于气孔关闭而不会发生蒸腾现象,但是,越来越多的证据显示一些植物在夜间会开启气孔并且有蒸腾失水.夜间蒸腾通常为日间的5%~15%,在干旱和半干旱地区生态系统的夜间蒸腾能够占到日间蒸腾的30%以上.夜间蒸腾的控制具有相当的复杂性,涉及了不同层次的控制变量.除与植物固有的基因因素有关外,夜间蒸腾还受非生物因子的影响,如水汽压差、风速、土壤水分、大气CO2浓度和根区土壤温度等因素的影响,研究表明水汽压差是夜间蒸腾最重要的环境驱动因子.夜间蒸腾水分损失具有重要的生态水文意义,该过程可降低植物叶片水势,导致黎明前叶片水势和土壤水势不平衡,抑制水力再分配,影响生态水分平衡,增强植物的养分供应,影响植物生产力和生长状况.
含植物河道紊流结构研究进展
闫静, 戴坤, 唐洪武, 程年生, 陈扬
2014, 25(6): 915-922.
摘要:
自然河流中,水生植物的存在改变了河道中的紊流结构.与普通明渠紊流相比,含植物河道水体掺混更剧烈,紊流结构更复杂.由于紊流结构直接影响河流中泥沙、污染物和营养物的输移,含植物河道紊流结构研究越来越受到重视.从紊流平均结构、紊动特性、拟序结构和紊流类型几方面归纳并总结了国内外研究进展,综合分析了影响紊流结构的因素,提出利用场与点相结合的综合分析方法,对拟序结构的形成及发展过程进行定量刻画,探究植物条件下紊流机理是今后的重要研究方向.