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2015年  第26卷  第3期

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中国大陆降水时空变异规律——I.气候学特征
任国玉, 战云健, 任玉玉, 陈峪, 王涛, 柳艳菊, 孙秀宝
2015, 26(3): 299-310. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.03.001
摘要:
为系统了解大尺度降水气候特征,利用2 300多个国家级气象站逐日观测资料,分析了中国大陆1956—2013年多年平均降水的空间分布和季节性变化规律。主要新认识有:① 暴雨量、暴雨日数和暴雨强度最高的站点在华南沿海,而小雨量、小雨日数最多的站点主要在江南内陆山区、丘陵;东部季风区山地、丘陵多出现低强度降水,平原和沿海易出现高强度降水;② 四季降水量均由西北内陆向东南沿海递增,南方秋季降水量明显小于春季,但华西和江南沿海秋季降水量较多,冬季降水在东南丘陵出现高值中心;③ 珠江和东南诸河流域降水量年内存在2个峰值,其中珠江流域有6月主峰值和8月次峰值,东南诸河流域主峰在6月中下旬,次峰在8月末,长江流域总体表现为单峰型,出现在6月下旬和7月初,西南诸河流域和北方所有流域降水均表现为夏季单峰型;④ 南方各大河流域从2月末到6月中下旬陆续进入雨季,北方各大河流域进入雨季时间集中在6月末、7月初;南、北方雨季结束时间比雨季开始时间集中,从南到北进入雨季时间持续120 d以上,而从北到南退出雨季时间则仅持续不到45 d;⑤ 丰雨期的持续时间,珠江流域从5月初到9月上旬后期,东南诸河从5月上旬到7月上旬,8月末到9月初再度短暂出现,长江流域从6月中下旬到7月中旬,西南诸河从7月中旬到 8月下旬,淮河流域从7月上旬至7月底、8月初,辽河流域在8月初出现极短丰雨期;⑥ 降水年际变异性最高的站点在青藏高原西南、塔里木盆地、阿拉善高原、华北平原北部和汾河谷地,海河流域年降水具有最大的变异系数。
黄河内蒙古河段输沙量与淤积量计算方法
吴保生, 刘可晶, 申红彬, 周丽艳
2015, 26(3): 311-321. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.03.002
摘要:
基于多沙河流"多来多排"输沙基本公式,建立了考虑上站来沙量、前期累计淤积量、临界输沙水量及干支流泥沙粒径影响的输沙量一般表达式。进而根据黄河内蒙古河段1953—2010年实测水沙资料,得到了内蒙古巴彦高勒—头道拐全河段及巴彦高勒—三湖河口和三湖河口—头道拐分河段的年输沙量公式,并根据输沙率法采用建立的输沙量公式计算了各河段1953—2010年的逐年冲淤量。选取三湖河口—头道拐河段的计算结果分析表明,在输沙基本公式基础上增加前期累计淤积量、临界输沙水量及干支流泥沙粒径参数,所得公式计算的年冲淤量与实测值之间的相关系数R2由基本公式的0.41依次提高到0.50、0.75和0.80,说明在基本公式基础上进一步考虑这些参数的必要性。此外,全河及分河段输沙公式计算所得输沙量及各河段冲淤量和累计淤积量与实测值的符合程度均较好,表明建立的输沙公式能够用于不同水沙条件下的输沙量和冲淤量计算,可为分析内蒙古河段的输沙特性和长期淤积趋势提供参考。
基于全耦合的地表径流与土壤水分运动数值模拟
朱磊, 田军仓, 孙骁磊
2015, 26(3): 322-330. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.03.003
摘要:
针对降雨径流从坡面流下的过程中会发生下渗,导致土壤水非饱和带含水率增大这一动力学过程,从物理机制上对土壤水和地表水进行耦合,将二维平面地表水模型叠置在土壤水模型的顶部,对土壤水、地表水模型进行相同的空间和时间离散,在模型的计算过程中通过达西流关系对两者之间的水量交换进行计算(双层结点法耦合)或整合离散方程的整体法进行耦合。通过对两种耦合方法的比较以及与前人的实验结果对比,该模型与耦合方法能够准确地模拟和预测地表径流与土壤水分运动过程。研究结果可为分析地表水流与饱和-非饱和带水分与溶质耦合机理提供理论支持。
科尔沁草甸地冻融期土壤水热盐动态迁移规律
刘小燕, 刘巧玲, 刘廷玺, 段利民, 岳翠桐
2015, 26(3): 331-339. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.03.004
摘要:
为掌握科尔沁草甸地冻融期土壤水、热、盐迁移规律,以科尔沁左翼后旗阿古拉生态水文试验站2013年10月—2014年5月土壤冻融期实测气象、土壤等数据为基础,用统计分析法对研究区草甸地冻融期土壤温度、水分、盐分的变化规律进行了分析。结果表明:气温对土壤剖面温度的影响随着土壤深度的增加而降低,土壤剖面温度变化滞后于气温变化的时间取决于气温升降幅度,且没有显著的规律;由于气温回升速度大于降温速度,导致土壤消融速度比冻结速度快;土壤冻结过程由表层向下进行,冻结温度与土壤含盐量呈负相关关系,用温度的线性内插法准确确定草甸地于2014年3月9日达到最大冻深104 cm;土壤消融时受地下暖土层热流和地表温度双重影响,由底部向地表和由地表向冻结层进行双向消融;地下水位埋深较浅,受土壤冻融作用影响,升降趋势显著;草甸地土壤冻结期盐分向地表积聚,并于2月达到最大,后经消融及雨水淋润作用开始下降;冻融期盐分变异性大于水分变异性,说明盐分的运移过程更为复杂。
赣江流域TRMM遥感降水对地面站点观测的可替代性
唐国强, 李哲, 薛显武, 胡庆芳, 雍斌, 洪阳
2015, 26(3): 340-346. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.03.005
摘要:
多卫星遥感降水产品为无/缺资料地区的水文过程模拟提供了新的数据来源。结合地面高密度雨量站网,在中国典型暴雨区赣江流域定量评估两种TRMM降水产品(3B42V7和3B42RTV7)的精度,并通过耦合分布式水文模型CREST,探讨了水文模拟中TRMM卫星降水产品对地面观测降水的可替代性。研究表明:3B42和3B42RT与地面观测流域平均月降水相关系数达到0.9以上,偏差在5%以内,日尺度上相关性略差,偏差略有增加。同时设计2种水文模拟对比试验:情景I为静态参数,使用地面雨量站降水率定模型参数,采用卫星降雨验证模型;情景II为动态参数,采用卫星数据重新率定模型参数,再利用卫星降雨验证模型。对比结果表明:情景II中完全使用TRMM降水后模型效果明显改善,证明TRMM卫星数据在赣江流域具有替代地面站点观测的潜力,但需要重新根据卫星降雨率定模型。
沟床起动型泥石流的10 min降雨预报模型
余斌, 朱渊, 王涛, 朱云波
2015, 26(3): 347-355. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.03.006
摘要:
针对沟床起动型泥石流的诱发因素为高强度短历时的降雨,提出10 min降雨强度是这类泥石流暴发的关键。在1 h预报模型的基础上,基于云南蒋家沟的多年泥石流观测资料,修正了1 h预报模型的降雨参数,并得到了10 min降雨预报模型。10 min降雨预报模型在中国西部的其他流域,如云南浑水沟、贵州望谟县打易区域泥石流沟、四川三滩沟、四川雅安陆王沟和干溪沟、甘肃柳湾沟、甘肃马槽沟等流域的验证中,取得了较好的结果。10 min降雨预报模型是部分建立在泥石流的形成机理上的模型,并不是完全的统计模型,因此该模型也可以用于其他地区的沟床起动类型泥石流预报。
河道洪水实时概率预报模型与应用
徐兴亚, 方红卫, 张岳峰, 赖瑞勋, 黄磊, 刘晓波
2015, 26(3): 356-364. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.03.007
摘要:
通过数据同化方法合理地将实时水文观测数据融入到洪水预报模型中,可提高洪水预报模型的实时性和精确度。选取沿程断面流量、水位和糙率系数作为代表水流状态的基本粒子,以监测断面实测水位数据作为观测信息,建立了基于粒子滤波数据同化算法的河道洪水实时概率预报模型。模型应用于黄河中下游河道洪水预报计算的结果表明,采用粒子滤波方法同化观测水位后,不仅可以直接校正水位,同时也可以有效地校正流量和糙率,为未来时刻模型预报计算提供更准确的水流初始条件和糙率取值区间,进而有效地提高模型预报结果的精度,给出合理的概率预报区间。不同预报期的预报结果表明,随着预报期的增长,同化效果减弱,模型预报结果的精度会有所降低,水位概率预报结果受粒子间糙率不同的影响不确定性增加,而流量概率预报结果受给定模型边界条件的影响不确定性降低。所提出模型可以有效同化真实水位观测数据,适合应用于实际的洪水预报工作中。
洪水预报自由水蓄量动态系统响应修正方法
包为民, 阙家骏, 赖善证, 司伟
2015, 26(3): 365-371. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.03.008
摘要:
为提高实时洪水预报精度,提出一种基于动态系统响应修正自由水蓄量的新方法。该方法将新安江模型自由水蓄水库以下的部分作为一个系统,将自由水蓄量的扰动值与对应的系统响应差值建立关系,通过最小二乘法建立起一个向误差源追溯的自由水蓄量误差反演修正模型。分别应用理想模型与东圳流域对其进行检验,并与二阶自回归(AR)模型的修正结果进行比较。结果表明,对于流域的16场历史洪水,新方法的修正效果相比于AR模型有明显提高,可在实际流域中推广应用。
长江与嘉陵江交汇区水流结构的数值模拟
王协康, 周苏芬, 叶龙, 王海周
2015, 26(3): 372-377. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.03.009
摘要:
针对天然河流交汇区域复杂的地形条件及水流运动特性,采用水气两相流三维数值模型,对长江与嘉陵江交汇区水流运动进行深入研究,分析了交汇区域分离区、剪切层、流速场及螺旋度的变化特性。研究结果表明:长江与嘉陵江交汇的水流分离区形状受地形影响明显,随着水位的增加向右岸移动,剪切层整体呈一个扭曲的曲面;干支流原有的环流在交汇之后重新汇合,左岸未出现明显的环流,右岸逆时针的环流有减弱趋势,交汇区域纵向流速呈现高速与低速带分布特征。此外,长江和嘉陵江在交汇口下游螺旋度呈现左侧为负、右侧为正的对称分布,水流结构表现出逐渐形成双螺旋流的趋势,其中左侧的螺旋流逆时针运动,右侧的螺旋流顺时针运动。
内陆河三角洲堆积体形成发展过程
刘飞, 张小峰, 邓安军
2015, 26(3): 378-387. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.03.010
摘要:
通过概化水槽试验对水流泥沙从内陆河进入浅水湖泊后的三角洲堆积体形成发展过程进行研究。试验结果表明,在平面形态上,三角洲堆积体的形成发展过程可分3个阶段:第一阶段,水流泥沙在初期依次按小沙波体、带状沙波体、扇形三角洲堆积体和舌状三角洲堆积体形态形成发展,堆积体表面无明显主河槽且两侧区域无串沟;第二阶段,水流泥沙沿堆积体表面河槽在左侧区域和右侧区域之间交替推进;第三阶段,水流泥沙沿新河槽在摆动中同步推进。在纵向推进中,第一阶段初始较大,受横向展宽影响逐渐减弱;第二阶段以相对稳定的速率交替推进;第三阶段呈减弱趋势,最终保持同步推进速率。在垂向上,堆积体以稳定的速率淤积抬高发展;在横向上,水流泥沙在河槽主流摆动中不断横向输移泥沙。
平衡悬沙剖面的新指数公式
宋志尧, 程晨
2015, 26(3): 388-395. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.016
摘要:
基于扩散理论,分析了国内外主要平衡悬沙剖面公式自由面边界条件内在的不合理性及其原因,并结合常数型和线性型悬沙扩散系数的分布特征,应用几何平均法建立了平方根型的悬沙扩散系数表达式,推得了平衡悬沙剖面的新指数公式。通过收集、整理与分析大量水槽与河流实测悬沙资料,对提出的悬沙扩散系数和平衡悬沙剖面公式与van Rijn公式、张红武公式进行了分析比较。研究结果表明,新指数公式不仅对平衡悬沙剖面的刻画精度较高,而且具有表达式特别简洁、床面含沙量为有限定值和可直接解析积分的特点,既利于理论分析,又便于工程应用。
沙波迎流面流速分布公式
马殿光, 董伟良, 徐俊锋
2015, 26(3): 396-403. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.017
摘要:
为进一步揭示沙波水流运动特性及提高沙波迎流面流速计算精度,采用两种概化模型,通过小水深沙波水槽试验,运用声学多普勒流速仪,对沙波沿程及垂线流速分布进行了测量。基于乐培九次生流理论公式,结合沙波水流特性,假定次生流在沙波迎流面上处于一个不断发展演变的过程,提出了发展函数和修正函数,得到了适用于沙波迎流面的流速垂线分布公式。研究结果表明:相对水深越小,沙波地形对迎流面水流作用越显著,使得上部流速减小、近底流速增大,且越靠近波峰这种现象越明显;建立的沙波流速公式与实测值吻合较好,能够准确地反映出迎流面流速变化规律。
地下水位在非饱和水流数据同化中的应用
史良胜, 张秋汝, 宋雪航, 方旭东
2015, 26(3): 404-412. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.03.011
摘要:
为理解地下水位观测信息在非饱和水流数据同化中的数据价值,建立了基于地下水位动态观测信息的一维饱和-非饱和水流集合卡尔曼滤波,通过虚拟数值实验检验了地下水位观测信息在非饱和水力参数估计和水分校正中的潜在价值。研究结果表明:在以地下水位为唯一观测数据时,同时更新参数和水头比仅更新水头能更好地校正土壤剖面的水头分布;当多层单个水力参数未知时,地下水位观测可以为参数估计提供有效信息;当多层多个参数未知时,地下水位与多层多个参数之间的复杂关系导致观测信息难以估计出最优的(唯一的)参数值;地下水位可作为辅助信息,与含水量观测等信息联合运用改善参数估计和含水量预测精度。
改进量子粒子群算法在水电站群优化调度中的应用
冯仲恺, 廖胜利, 牛文静, 申建建, 程春田, 李泽宏
2015, 26(3): 413-422. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.03.012
摘要:
针对量子粒子群算法求解水电站群优化调度问题存在的早熟收敛、寻优能力欠佳等缺陷,从种群初始化、进化和变异等方面提出了改进量子粒子群算法。该方法引入混沌搜索增强初始种群质量;通过加权更新种群最优位置中心改善种群进化模式并提升收敛速度;利用邻域变异搜索增加种群多样性避免早熟收敛。同时依据问题特点设计了矩阵实数编码方式与复杂约束处理方法。乌江梯级综合对比分析表明所提方法能切实保证快速获得高质量优化调度结果,有效提高梯级水能利用率,如长序列模拟调度较逐步优化算法分别减少8.9%的弃水和72.3%的耗时,是一种适用于大规模水电站群优化调度的高效实用方法。
三峡蓄水后洞庭湖水沙环境变化对湖区航道的影响
张明, 冯小香, 刘哲, 李维娟
2015, 26(3): 423-431. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.03.013
摘要:
江湖关系变化是影响洞庭湖水文泥沙环境的重要因素,关系到湖区航运的安全。以实测水文及地形数据为基础,研究了洞庭湖区水沙环境的变化特征,并分析了其对湖区航道的影响。结果表明:① 三峡蓄水后,枯季湖区月均流量趋于减少,湖区淤积减缓甚至出现冲刷,枯水期湖口低水位有所上升,湖面比降趋于降低;② 受来沙减少影响,湖区航道有所冲刷,湖口低水位上升使得湖区通航保证率水位有一定幅度上升,航道水深增加,三峡蓄水初期江湖关系变化对湖区航道的影响总体为积极因素,对湖区湘江航道的影响要大于开湖航道。
中国非点源污染负荷计算研究现状与存在问题
刘庄, 晁建颖, 张丽, 解宇锋, 庄巍, 何斐
2015, 26(3): 432-442. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.03.014
摘要:
非点源污染负荷计算对水污染总量控制具有重要意义,为分析中国非点源污染负荷计算研究的现状与问题,在系统调研相关文献的基础上,将中国常用的非点源污染负荷计算方法总结为三大类:输出系数模型、实证模型和机理模型,阐述了各种模型的特点及其在中国的研究和应用情况;从非点源污染的界定、产污量和排污量的区别、国内和国外非点源污染产生环境的差异以及平原河网地区非点源污染负荷的计算4个方面分析了中国非点源污染负荷计算研究存在的主要问题;认为模型和计算方法适应研究区的环境特征是研究工作取得成功的关键,今后要加强实证研究、理论研究与模型开发的结合,逐步建立适应中国环境特点的非点源污染负荷计算方法体系。
非传统安全视角下的城市水安全概念辨析
陈筠婷, 徐建刚, 许有鹏
2015, 26(3): 443-450. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.03.015
摘要:
城市水安全研究正从水治理向水安全管理方向发展,研究视角也从自然科学领域转向社会人文领域。然而国内外对城市水安全的研究还处于实践探索和经验分享的阶段,尚未形成一个完整、清晰的概念和理论体系。为此试图将城市水安全研究纳入非传统安全范畴来构建其理论体系,首先从安全的原义出发探讨城市水安全的学科归属,从主体间性来理解城市水安全的主体关系,从安全的物质和社会建构角度来剖析城市水安全化的动态过程,从非传统安全理论构建的一般框架来解构城市水安全的指涉对象及其安全价值,进而总结城市水安全的概念,为城市水安全乃至其他资源安全研究提供一种兼顾自然和人文的新思维方向。