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2016年  第27卷  第2期

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黄河下游漫滩洪水冲淤规律
张敏, 黄河清, 张晓华
2016, 27(2): 165-175. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.001
摘要:
滩地的淤积层分布记录着以往漫滩洪水的特征,即反映漫滩洪水的量级、频率和持续时间等,同时河漫滩也是预估河流泥沙、洪水灾害防治和湿地生态系统保护等的重要组成部分。根据黄河下游水文年鉴资料,分析滩地的淤积与漫滩洪水的定量关系,为未来河流泥沙预估提供依据。经分析得到大漫滩洪水在来沙系数S/Q<0.030 kg·s/m6时,主槽冲刷而滩地淤积,反之则滩槽同淤。当S/Q<0.030 kg·s/m6时,大漫滩洪水滩地的淤积量主要与漫滩系数Qmax/Qp、上滩水量W0和含沙量S有关;大漫滩洪水的主槽冲刷量则除了与洪水期水量W和沙量Ws有关外,还与滩地的淤积量有关。一般漫滩洪水,当来沙系数S/Q<0.023 kg·s/m6时,主槽冲刷而滩地淤积,反之则滩槽同淤。一般漫滩洪水主槽冲刷量与来沙系数S/Q和洪水期水量W有关,而滩地淤积量仅与含沙量S有关。黄河下游漫滩洪水滩地的淤积和主槽的冲刷主要发生在孙口以上河段,而孙口以下河段主槽冲刷和滩地淤积量均较少。
不同近岸河床组成情况下岸坡崩塌试验
余明辉, 陈曦, 魏红艳, 胡呈维, 吴松柏
2016, 27(2): 176-185. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.002
摘要:
在弯道水槽中开展6组试验,分别用非黏性土及黏性土填筑河床,研究相同水力作用下近岸河床组成对黏性岸坡崩塌的影响规律。研究发现,在试验给定的岸坡及河床组成情况下,非黏性河床凹冲凸淤且总体表现为淤积,近岸河床及凹岸岸坡冲刷强度大,凸岸附近床面上泥沙掺混较明显;黏性河床及凹岸岸坡均被冲刷,河床主流区冲刷强度比近岸河床及凹岸岸坡大。相较于黏性河床,非黏性河床近凹岸处较易冲刷,水流结构重新调整,凹岸坡脚处水流流速及紊动能可增至2倍左右,环流强度可增至11倍,加速了岸坡崩塌及崩塌体的分解输移;非黏性河床近凹岸坡脚处变形以及凹岸岸坡崩塌量均相对较大,岸坡崩塌强度为河床淤积强度的2~4倍,崩塌物质可充分补给河床的泥沙来源;经水力冲刷后非黏性河床组成情况下形成的河道滩槽高差相对较小,河道横断面相对宽浅。
船闸泄水作用下引航道中动水冲沙规律
徐进超, 李云, 宣国祥, 刘本芹, 金英
2016, 27(2): 186-195. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.003
摘要:
结合工程实际,研究利用船闸泄水进行下游引航道清淤,对减少清淤成本、提高通航效率有着重要的工程价值。建立枢纽及船闸下游引航道的二维水沙数学模型,采用已有模型试验对水流场和泥沙场进行验证。研究引航道及口门区的泥沙淤积规律,在此基础上,分析船闸输水系统的水力特性,研究了不同冲刷流量、冲刷时间和初始淤积厚度下引航道及口门区的冲刷效果,得出船闸泄水量与引航道及口门区最大淤积厚度的关系。结果表明,在同一初始淤积地形和冲刷流量下,引航道及口门区的最大淤积厚度与冲刷时间呈线性变化,冲刷流量越大,泥沙厚度下降的斜率越大。淤积厚度低于一定值后,随冲刷时间的增加,冲刷效果开始减弱。
黄河典型河段水量水质一体化调配模型
彭少明, 郑小康, 王煜, 何刘鹏, 刘娟, 王威浩
2016, 27(2): 196-205. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.004
摘要:
以黄河兰州至河口镇河段为研究对象,采用分解、协调、耦合和控制技术,通过数据实时传递与反馈实现水量水质的同步耦合,以河段取水量、断面下泄流量和水功能区水质指标为辨识参数实现调配目标的在线辨识与过程控制,建立具有循环迭代、在线反馈和滚动修正功能的水量水质一体化调配模型。以1956-2000年天然径流为输入,以2020水平年黄河上游需水和排污为例,通过优化提出河段水量水质一体化调配方案。结果表明,通过对取水量及其过程、污染物入河量与过程的协调控制,2020年水平河口镇以上河段地表耗水量125.2亿m3,低于黄河分水指标,COD和氨氮入河量控减率分别为50.6%和65.7%,水功能区水质达标率100%。模型可实现河段水量水质一体化调配。
海啸波作用下泥沙运动——Ⅴ.红树林影响下的岸滩变化
陈杰, 管喆, 蒋昌波
2016, 27(2): 206-213. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.005
摘要:
近年来频发的海啸灾害造成巨大损失,而红树林具有很好的减小海啸灾害的作用。实验采用PVC圆管来概化模拟红树林,以无黏性沙堆砌而成1/10~1/20组合坡概化岸滩,选取孤立波模拟海啸波。实验结果表明,红树林的存在对岸滩剖面变化产生了较大影响,适当增加植物分布密度,并优化植物的分布方式,可有效减小海啸波对岸滩的冲刷危害。在本次实验条件下,得到了岸滩冲刷坑尺度、淤积沙坝尺度、最大冲刷深度、最大淤积高度与红树林的分布方式和密度、海啸波波高、泥沙比重和岸滩坡度之间的关系式,揭示了沙质岸滩剖面变化与红树林、海啸波水动力特性、泥沙颗粒、岸滩坡度之间的内在联系,为减小海啸灾害提供科学依据。
分布式“河道-沉陷区-地下水”水循环耦合模型——Ⅰ.模型原理与开发
李慧, 陆垂裕, 孙青言, 王浩, 严聆嘉, 张博
2016, 27(2): 214-223. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.006
摘要:
基于水平衡原理提出了采煤沉陷区的水量平衡控制方程,详细描述了采煤沉陷区积水与多个水文要素之间的作用关系,并在分布式水文模拟的基础上开发了物理机制较强的"河道-沉陷区-地下水"耦合模拟模型。该模型可为采煤沉陷区积水机理、水循环转化机制、沉陷区进一步发展后的积水情势变化预测、沉陷对当地水循环的影响等研究提供定量分析工具。
植被作用下土壤抗剪强度和径流侵蚀力的耦合效应
肖培青, 姚文艺, 王国庆, 杨春霞, 申震洲
2016, 27(2): 224-230. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.007
摘要:
利用野外径流小区动态监测和人工模拟降雨试验,阐明了草被和灌木的减流减沙效应,从力学层面揭示了坡面侵蚀产沙的过程机理。结果表明,与裸地相比,野外坡面草地和灌木地径流量分别减少28.1%~56.5%和85.7%~100%、产沙量分别减少84.9%~90.7%和98.5%~100%;在人工模拟降雨强度下,草地和灌木地径流量分别减少51.9%~90.9%和61.7%~80.6%、产沙量分别减少93.6%~99.2%和95.5%~99.2%;植被具有明显的增强土壤抗剪强度的作用,不同植被坡面抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;不同下垫面条件下土壤黏聚力与坡面径流量和侵蚀产沙量呈显著的负相关关系,随着黏聚力的增大,径流量和侵蚀产沙量呈下降趋势;草地和灌木地坡面侵蚀临界径流切应力分别为裸地的2.64~3.16倍和2.44~3.18倍,建立了不同被覆坡面临界径流切应力与土壤抗剪强度和黏聚力的关系。研究结果对定量评价植被减蚀作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。
基于田间试验的土壤水分运动模型选择
毛威, 朱焱, 史良胜, 刘昭, 戴恒, 杨金忠
2016, 27(2): 231-239. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.008
摘要:
基于不同形式Richards方程可建立不同适用范围和计算精度的数值模型,针对具体情况下如何选择合适模型的问题,以武汉大学农田水利试验场田间入渗试验为例,选用6种模型(Picard-h模型、Picard-θ模型、Picard-mix模型、Ross模型、动力波模型和水均衡模型),运用贝叶斯模型平均(BMA)方法进行了模型选择的计算;针对BMA方法无法考虑模型计算效率的缺点,进一步提出了可同时考虑模型计算精度与计算效率的改进BMA方法。计算结果表明,在本田间尺度问题中,Ross模型排序最高,说明其兼具高精度与高效率,改进BMA方法可增加高计算效率模型被选中的概率,使模型选择更加全面合理。
紫色土水分特征曲线室内测定方法的对比
王红兰, 唐翔宇, 鲜青松, 刘琛, 关卓
2016, 27(2): 240-248. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.009
摘要:
为探寻全吸力范围内土壤水分特征曲线的可靠测定方法,采用沙箱排水法、Hyprop仪蒸发法、压力膜仪排水法和露点水势仪蒸发法分吸力段测定盐亭紫色土耕地表层2~7 cm和亚表层7~12 cm土壤的水分特征曲线,对比测定结果的方法间差异,并分析其原因。结果表明:对于表层和亚表层土壤,低吸力段(h >-100 cm)水分特征曲线的沙箱法和Hyprop仪法的均方根误差ERMS (θ)均较小,在0.026~0.082 cm3/cm3范围内,确定系数R2均大于0.962,说明这两种方法测定结果之间差异不大。高吸力段(h <-330 cm)的压力膜仪法与露点仪法测定结果之间的差异较大,ERMS (θ)为0.062~0.097 cm3/cm3,R2较低,为0.775~0.952。因此,全吸力范围内水分特征曲线测定方法的选择与组合应考虑土壤孔径分布特征和研究目的。
基于单颗粒受力的均匀推移质颗粒对流和扩散特征
范念念, 聂锐华, 杨克君, 刘兴年, 陈日东
2016, 27(2): 249-255. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.010
摘要:
为揭示均匀推移质颗粒对流和扩散特性的控制因素,建立了间歇郎之万方程模型。该模型可在单颗粒尺度充分考虑颗粒的受力特性,模拟颗粒随机、间歇运动过程。通过该模型引入不同的停时分布,对模拟的大量单颗粒运动过程进行统计,从而研究均匀颗粒在大的时空尺度上的对流和扩散特征。结果表明,对于均匀颗粒,受颗粒速度分布的窄尾性限制,即便单步步长是长尾分布,也不一定产生超扩散,扩散特性由停时分布的尾部特征决定,不同分布的停时可导致欠扩散、超扩散和正常扩散。进一步与已有的、复杂程度不同的随机模型进行对比,表明忽略单步时间将影响颗粒的扩散(二阶)特性,但不影响颗粒的对流(一阶)特性,类似地可以推广到更普遍规律,即所研究随机发生的统计矩阶数越高,需要的模型越复杂。
陕北风沙区含砾石工程堆积体坡面产流产沙试验
康宏亮, 王文龙, 薛智德, 郭明明, 李建明, 白芸, 邓利强, 李艳富
2016, 27(2): 256-265. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.011
摘要:
采用室内人工模拟降雨方法,研究了陕北风沙区含砾石工程堆积体边坡的产流产沙过程。结果表明:①砾石存在改变了坡面入渗速率,径流系数受入渗速率的影响,随砾石含量的增加先线性递减后线性递增,并在10%砾石含量处存在阈值;径流系数随降雨强度的增加线性递增。②含砾石堆积体坡面流速较纯土堆积体降低,且随雨强增大,砾石延缓径流流动的作用越显著;雨强对径流流速的影响随砾石含量增加持续减弱。③土壤剥蚀率在产流24~33 min后显著增加,砾石主要对显著增加后的平均剥蚀率产生影响。④雨强1.0 mm/min时,砾石存在促进降雨侵蚀,产沙量增大;雨强大于1.0 mm/min时,砾石具有显著的减沙效应。
连续弯道水流模拟中二次流修正效果评价
周刚, 姚仕明, 秦翠翠, 贾鹏
2016, 27(2): 266-279. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.012
摘要:
为了选择适用于复杂连续弯道的二次流修正方法,选取了线性方法中两种典型的计算模式,通过在正交曲线坐标系二维浅水动量方程中增加扩散应力项开发了考虑二次流影响的平面二维水流模型。基于不同复杂度的4个连续弯道试验的水位和流速分布资料,通过理论分析和数值试验对比定量评估了传统二维模型和两种二次流修正方法在连续弯道水流模拟中的效果。测试结果表明,Delft3D模型的二次流修正方法自由度较高,适用于不同复杂度的连续弯道水流模拟,而Lien模型二次流修正方法适用于微弯或中弯,应用于中弯时需要慎重选用,不适用于急弯连续弯道模拟。两种方法比较,建议连续弯道水流模拟中优选Delft3D模型的二次流修正方法。
季节性冰封热融浅湖水温原位观测及其分层特征
黄文峰, 韩红卫, 牛富俊, 李志军
2016, 27(2): 280-289. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.013
摘要:
为探究季节性冰封浅湖热力学特征,于2010年10月至2013年7月对高原腹地一典型热融湖塘冰层生消、水/冰温及气象条件开展原位观测,分析了水温分布时间变化、温跃层以及冰生消对水温结构的影响。结果发现:冰面升华显著,贯穿整个冰期;水温日变化、季节变化和垂直结构受气温、大气辐射、风速、冰生消和湖底沉积层热贡献影响显著;在"无冰期-结冰前-冰生长期-冰融化期-融化后-无冰期"年循环过程中水温垂直结构分别呈现出"分层-翻转-逆温分层-逆温与正温共存-翻转-分层"的循环过程。分层期水温结构仅由上部混合层和温跃层构成,且偶因强风搅动而全湖翻转混合。可见,相比大中型湖泊,季节性冰封浅湖热力学结构差异显著。
冰盖下矩形河道的综合糙率
陈刚, 张玉蓉, 周密, 顾世祥
2016, 27(2): 290-298. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.014
摘要:
综合糙率是采用曼宁公式确定河道水位和流量关系的关键参数。在河道冰封期,冰盖的出现增加了流动的阻力,明流条件下确定的综合糙率不再适用,需要重新估算。基于Einstein阻力划分过流断面的原理,冰盖下矩形河道的过水断面可划分为冰盖区、河床区和边壁区。根据总流的连续性方程,在确定各分区糙率系数、水力半径和断面面积的基础上,提出了冰盖下矩形河道综合糙率的计算公式。采用已有的试验水槽测量数据和天然河道实测资料对公式进行了验证,结果表明:公式计算的综合糙率与实测值吻合较好,与Einstein公式和Sabaneev公式相比,计算精度更高;对于冰封水流,宽浅河道采用分区水深代替水力半径进行简化计算的条件有别于明渠水流,在宽深比大于20时,计算结果才满足精度要求。
水电开发对大渡河瀑布沟以下河段的水温影响
脱友才, 周晨阳, 梁瑞峰, 李克锋
2016, 27(2): 299-306. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.015
摘要:
为探究水电开发对大渡河水温过程的影响,采用原型观测和数学模型相结合的方法,对比分析了瀑布沟电站开发前后下游河道的水温时空变化特性。研究成果表明,与天然情况相比,现阶段瀑布沟下游沿程水温出现了明显的均化效应和延迟效应以及春夏季低温水、秋冬季高温水现象,最大降温2.4℃出现在4月的龚嘴尾水断面,最大升温3.3℃出现在12月的瀑布沟尾水断面;瀑布沟下游小型水库均未出现水温分层现象,但形成的蓄水体对沿程升温有一定的弱化,沿程增温率由天然状态的0.8℃/100 km降至现阶段的0.5℃/100 km;采用考虑了机械能转化的数学模型能较好地模拟瀑布沟下游河道的水温过程,率定得到的"机械能-内能"转化率为55%。
水权交易对生态环境影响研究进展
李春晖, 孙炼, 张楠, 王烜, 蔡宴朋, 徐萌
2016, 27(2): 307-316. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.016
摘要:
在经济社会发展受到区域水资源总量限制的情况下,水权交易作为解决当今世界严峻水资源危机的重要手段之一,已在国内外进行了广泛的实践。水权交易改变了水资源的时空配置,对水生态和水环境产生有利或不利的影响,然而关于水权交易对生态环境影响的研究尚未有系统的梳理。总结了水权交易对水资源系统影响研究的主要发展历程,着重论述了水权交易对水资源系统影响的4个重点研究方面:可交易生态环境水权的研究、水权交易对水量、水生态、水环境影响的研究。未来应当加强水权交易对生态环境影响的定量研究,进一步提升水权交易对水质、地下水、退水、陆生生态环境影响的研究,明确不同交易类型的不同影响,还应考虑不确定性因素的影响。
再议水库生态环境调度
骆文广, 杨国录, 宋云浩, 陆晶
2016, 27(2): 317-326. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.017
摘要:
从生态调度科学内涵、工程实践以及调度体系3个方面,剖析了诸多学者运用水库生态调度概念所取得的丰硕成果,发现水库生态调度提法得不到共识的原因:对生态调度中的"生态"自然科学的不同认识;水库调度对水库"生态"与"环境"作用机制的不同理解;水库非生物因子与生态系统非生物因子的差异性认识。深入研究和剖析了"水库环境调度"、"水库生态调度"和"水库生态环境调度"的概念及其调度体系内容,明确了"水库生态环境调度"提法的科学性和可操作性,澄清认识,共识提法,有利于在整体分析水库水资源、水库水环境和水库水生态这个复杂系统的基础上来完善水库调度学科体系,有利于在水库生态环境调度科学实践后增加其科学意义和应用价值,有利于在构建水库生态环境调度技术体系、调度规程及其应用平台后提高水库调度的综合效益。