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2016年  第27卷  第4期

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中国城市洪涝问题及成因分析
张建云, 王银堂, 贺瑞敏, 胡庆芳, 宋晓猛
2016, 27(4): 485-491. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.001
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摘要:
随着经济社会的发展，中国步入城镇化快速发展的阶段，城镇化率已由2000年的36.22%增加到2014年的54.77%。在全球气候变化与快速城镇化背景下，中国城市洪涝灾害日益严重。阐述了全球气候变化及城镇化对城市降水和极端暴雨的影响机制，并从流域产汇流角度分析了城镇化对洪水过程的影响，系统剖析了中国城市洪涝频发的主要原因。在成因分析的基础上，进一步提出了中国城市洪涝防治的应对策略，主要包括：①以低影响开发理念为指导，加强城市基础设施建设，建设海绵城市；②建立城市洪涝立体监测、预报预警和实时调度系统，强化城市洪涝科学决策能力；③健全和完善城市洪涝应急预案，强化应急管理能力，完善灾害救助和恢复机制。
变化环境下渭河流域水文干旱演变特征剖析
任立良, 沈鸿仁, 袁飞, 赵崇旭, 杨肖丽, 郑培丽
2016, 27(4): 492-500. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.002
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摘要:
环境变化影响区域水资源的可持续开发利用，导致水文过程出现非平稳特征，需发展非平稳水文干旱评估方法。选取渭河流域为研究区，依据流域内2个水文站、62个雨量站和24个气象站1961-2013年数据，基于可变下渗容量模型定量分离气候变化和人类活动对径流衰减的贡献；采用标准化径流指数（Standardized Runoff Index, SRI）剖析水文干旱时空演变特征；提出多种SRI参数化方案，对比评定各方案表征非平稳干旱的合理性以及环境变化对干旱演变的影响作用。结果表明：自1991年以来渭河流域年径流量呈显著衰减趋势，人类活动是径流演变的主要因素，对咸阳和华县站径流量变化的贡献率分别为-66.7%和-71.0%；时变参数方案计算的干旱指数能合理重建历史水文干旱序列；人类活动是渭河流域1991年以来短历时水文干旱发生的主导因素，气候变化主要影响长历时旱涝的演变趋势。
新疆塔里木河流域洪水过程集聚性及低频气候影响
顾西辉, 张强, 刘剑宇, 孙鹏
2016, 27(4): 501-511. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.003
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运用Cox回归模型、月频率法以及离散指数法，研究了新疆塔里木河（塔河）流域8个水文站点POT抽样和5个区域洪水序列时间集聚性特征以及受低频气候变化的影响。结果表明：受气候变化的影响，塔河流域洪水序列呈现显著集聚性特征，洪水发生频率高的时期往往也是大量级洪峰集中发生的时期，这是塔河流域洪灾损失居高不下的主要原因；Cox回归模型拟合的气候指标系数值为正值的站点和区域，气候指标正相位导致相同超过概率的洪水发生时间提前，而相同发生时间的洪水发生超过概率降低，气候指标值为负值时则相反；塔河流域大部分水文站点和区域洪水发生的超过概率均对气候指标变化有较好响应，这一现象有利于塔河流域洪水风险控制与洪灾管理；塔河流域站点洪水序列多无年际集聚性现象，而区域洪水序列的年际集聚性特征显著。
水文干旱指数在汾河上游的适用性分析
赵雪花, 赵茹欣
2016, 27(4): 512-519. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.004
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摘要:
为准确评价水文干旱，客观合理地构建干旱指数。以汾河上游的月径流为研究对象，首先从逻辑斯特、正态、对数正态、威布尔分布中选择出最优分布，利用最优分布计算标准径流干旱指数（Standardized Streamflow Drought Index, SSDI）；其次依据标准正态曲线特点对水文干旱事件进行等级划分；最后将标准径流干旱指数与径流Z指数和距平指数进行分析比较，并根据汾河上游实际干旱情况验证标准径流指数的适用性。结果表明：对数正态分布对汾河上游月径流的拟合程度最佳，根据该分布计算得到的指数以及干旱等级与汾河上游历史记载的旱涝情况基本相符；汾河上游不同干旱等级出现频率相对于时间尺度的变化具有稳定性。
黄土高原南北样带不同土层土壤水分变异与模拟
贾小旭, 邵明安, 张晨成, 赵春雷
2016, 27(4): 520-528. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.005
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为掌握黄土高原区域尺度土壤水分的时空分异特征及其影响因素，在黄土高原布设一条南北方向样带（N=86），动态监测0~5 m剖面土壤含水率。采用经典统计学方法分析了土壤蓄水量的分布规律、变异特征及影响因素。结果表明：不同土层土壤水分均呈中等程度变异，并由南向北递减，样带0~5 m剖面平均土壤蓄水量为735 mm；随着土层深度的增加，土壤水分在空间上的变异增强，而在时间上的变异减弱，表明深层土壤水分具有较强的时间稳定性特征。干燥度、黏粒、归一化植被指数和坡度是影响区域土壤水分空间分布的主要因素，可作为一定置信水平上预测区域土壤水分空间分布状况的预测变量。
黄土高原丘陵沟壑区包气带土壤水运移过程
杨永刚, 李国琴, 焦文涛, 黄磊
2016, 27(4): 529-534. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.006
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包气带土壤水运移过程是黄土高原生态修复中亟需回答的关键科学问题。环境同位素方法可获取其他方法难以获取的水文过程信息。通过对黄土高原丘陵沟壑区羊圈沟小流域降水、包气带0~150 cm土壤水和绣线菊（Spiraea salicifolia）木质部水等样品的同位素δD和δ18O进行测定。结果表明：羊圈沟小流域降水同位素组成受蒸发作用影响较大，呈现明显分馏效应。包气带土壤水、降水与木质部水同位素组成存在明显月份变化特征。降水是土壤水的主要补给来源，灌丛的水分利用来源主要为降水和土壤水，符合降水-土壤水-植被水的运移特征。灌丛木质部水和20~40 cm土壤水δD和δ18O最为接近，20~40 cm土壤水是灌丛水分利用的主要来源。研究揭示了包气带土壤水运移过程及植物水分利用来源，为土壤水运移过程、模型结构与参数识别等提供科学依据。
细沟形态演变对坡面水沙过程的影响
张攀, 唐洪武, 姚文艺, 孙维营
2016, 27(4): 535-541. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.007
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为探明细沟形态演变对坡面产流产沙的互反馈作用，采用室内模拟降雨和三维地形扫描等手段对细沟形态演变中的水沙变化过程进行了研究。试验分析了黄土在不同雨强（66 mm/h、94 mm/h和127 mm/h）条件下，不同细沟发育阶段的水沙过程变化规律。结果表明，黄土细沟形态演变过程对产沙的影响较大，而对产流的影响较弱。径流量的变化过程主要取决于土体透水性、土壤的结皮作用以及产流方式，坡面产流量有先增大后减小最后趋于平稳的趋势；产沙量的变化过程与细沟发育进程有明显的对应关系，尤其是坡面地貌信息熵与产沙量和侵蚀速率的相关系数分别达到0.954和0.916，细沟的出现会加剧侵蚀，使含沙量明显增加；不同雨强下坡面产沙的变化规律基本相同，细沟沟网稳定后的产沙量与降雨强度呈正相关关系。
浅层滑坡诱发沟谷泥石流的地形和降雨条件
余斌, 王涛, 朱渊
2016, 27(4): 542-550. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.008
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2011年贵州省望谟县打易镇的大范围浅层滑坡诱发的沟谷泥石流提供了研究这类泥石流地形和降雨条件的机会。在地质条件一致和小区域内的降雨条件基本一致的情况下，地形条件就是这些泥石流暴发与否的唯一决定因素。对比一些重要的地形因素与泥石流暴发的关系，得出了由流域面积、沟床纵比降和25°~45°山坡坡度面积比组成的泥石流综合地形因子T。在地形因子T的基础上，研究获得了由前期降雨量、1 h降雨强度、年平均降雨量等组成的降雨因子R。由地形因子T和降雨因子R获得的临界条件P可以判断该区域的泥石流暴发。由于研究工作部分基于泥石流的形成机理，研究成果还可用于其他区域的泥石流形成预测，为泥石流的预测预报提供了一个较好的方法。
三峡工程对宜昌-监利河段水温情势的影响分析
邓云, 肖尧, 脱友才, 何天福
2016, 27(4): 551-560. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.009
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三峡工程蓄水使得下游长江河道水温情势发生显著变化，并对下游生态环境产生重要影响。基于宜昌水文站14年的实测资料，采用纵向一维水温模型模拟分析了宜昌至监利300 km河道水温变化过程，探讨了不同蓄水期三峡工程下泄水温变化对坝下鱼类产卵场的影响程度。结果表明：①三峡工程蓄水后宜昌断面水温出现了平坦化及延迟现象，低温水和高温水效应明显；175 m蓄水期宜昌断面4月、12月，水温分别较蓄水前改变-4.3℃、3.7℃。②三峡工程的运行使得下游河道水气热交换量发生变化，但干流流量较大使得水温沿程恢复效果较弱；工程调蓄对坝下河段的影响占主导作用，三峡工程调蓄对监利断面4月、12月存在-3.2℃、3.0℃的温度影响。③三峡工程蓄水后，宜昌中华鲟产卵场冬季20.0℃的水温出现时间推迟1~4旬，监利四大家鱼产卵场春季18.0℃的水温出现时间推迟1~3旬，并随着蓄水位的抬升，推迟幅度逐渐加大。
热分层效应控制的水库水体氢氧同位素特征
蒲俊兵, 李建鸿, 吴夏, 袁道先, 张陶
2016, 27(4): 561-568. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.010
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为掌握水库热分层与氢氧同位素空间分布的关系，研究了广西兴安县五里峡水库夏季氢氧同位素空间分布特征及影响因素。研究表明：①五里峡水库夏季出现明显的热分层，库表层至-5 m为表水层，-5 m至-20 m为温跃层，-20 m以下为底温层；②五里峡水库δ18O、δD值沿大气降水线分布，但均落在桂林市大气降水线右下方，其线性方程为δD=4.66δ18O-10.85（R2=0.76），其斜率与全球大气降雨线（GMWL）和桂林市降雨线（CLMWL）的斜率和截距差异明显，表明五里峡水库主要由降水补给，但在补给五里峡水库前已经过了强烈的蒸发作用和水岩作用；③ δ18O、δD随水深的增加逐渐偏负，具有表水层 > 入库水体 > 温跃层 > 底温层 > 出库水体（>表示偏正）的垂向分布特征。分析认为入库水体氢氧同位素的季节变化和蒸发作用随深度增加而降低是五里峡水库夏季分层期间水体氢氧同位素垂向变化的主要影响因素。
波浪环境下多孔射流水动力特性试验
陈永平, 田万青, 方家裕, 江东勃
2016, 27(4): 569-578. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.011
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为了研究波浪对多孔射流运动和稀释过程的影响，采用粒子图像测速（PIV）及激光诱导荧光（LIF）量测系统对波浪环境下多孔射流的速度场和浓度场进行了测量。结果表明：在波浪环境下多孔射流可分为3个区域，即初始区、过渡区和混合区。在初始区，各孔射流保持各自的射流特征，相互影响较小；在过渡区，各孔射流发生分叉，并在孔与孔之间相互叠加，形成若干个汇流点，平均速度和平均浓度的峰值从射流轴线位置向汇流点处偏移；在混合区，多孔射流相互融合，其平均速度和平均浓度呈现单一的“坦峰”分布，形式上表现为单孔射流的水动力特征。通过对比分析发现，波高和周期的增大以及射流初始速度的减小可使汇流点的位置向下偏移，多孔射流将更快地进入过渡区和混合区。
护底条件下淹没丁坝坝头局部冲刷试验
佘俊华, 夏云峰, 徐华, 杜德军, 郝思禹
2016, 27(4): 579-585. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.012
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淹没丁坝是一种典型的航道工程整治建筑物，工程实施中坝头附近局部冲刷防护问题尤为重要。为研究护底条件下的淹没丁坝坝头局部冲刷特性问题，采用正态模型试验方法，重点研究了护底条件下淹没丁坝坝头局部冲刷坑形态、最大深度与护底宽度的变化响应规律，结果表明，护底条件下坝头局部冲刷坑位于护底边缘附近，当护底宽度小于20 m左右时，最大冲刷深度变化较小，但冲刷坑位置有所远离坝体，最大冲刷深度随着护底宽度的变化规律可用指数关系表达。基于量纲分析原理，建立了粉细沙河床护底条件下淹没丁坝局部冲刷最大深度计算公式。
带横隔板圆柱绕流特性数值模拟
水庆象, 王大国, 王伟
2016, 27(4): 586-593. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.013
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摘要:
为揭示尾迹区添加横隔板对圆柱绕流流场特性影响，把多步格式引入到特征线算子分裂有限元法中，建立了基于多步格式的特征线算子分裂有限元法：在每个时间步内将Navier-Stokes方程分裂成对流项和扩散项，对流项时间离散采用多步格式，在每一子时间步内沿特征线展开并显式求解。方腔流数值模拟结果表明该算法既可降低对整体时间步长的要求又可提高计算精度。对比有无横隔板圆柱绕流流场和圆柱表面压力变化表明，横隔板可以有效地抑制绕流尾迹区涡旋脱落，提高圆柱背流面压力，减少圆柱上下表面的压力差。
微淹没圆形射流空化特性减压试验
李君宁, 彭勇, 张建民, 姚德生
2016, 27(4): 594-601. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.014
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空化空蚀和掺气减蚀机理的研究是高速射流研究的重要方面。在微淹没条件下，保证闸室面积与射流出口面积比不变，对设置门槽的有压矩形闸室后接圆管射流的突扩突跌消力池空化特性进行减压试验，其中跌坎高度S（5.5 m和4.0 m）和圆管长度L2（L2/d=2、1和0，d为圆管直径）。跌坎高度S从5.5 m降低至4.0 m，门槽及圆管射流出口处消力池边墙发生空化的可能性变化仅10%。圆管长度L2/d=2和0时门槽发生空化的可能性比L2/d=1时高出40%~60%；而L2/d=0时圆管射流出口处边墙的空化可能性比L2/d=1时可高出260%，L2继续增加对空化特性的不利影响有限。增加跌坎高度S有利于水流掺气，为达到良好的掺气减蚀效果，不宜过低。因此，跌坎高度S对门槽及圆管射流出口处消力池边墙空化特性影响较小，而圆管长度L2对其空化特性影响较大。
线性层结盐水中的羽流运动特性
张巍, 赵亮, 贺治国, 林挺, 谈利明, 蒋后硕
2016, 27(4): 602-608. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.015
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摘要:
采用线性层结盐水发生装置以及喷嘴向下以重盐水注入盐水层结的方法，模拟线性层结盐水中羽流的发展过程；应用时间分辨粒子图像测速技术（PIV），研究线性层结盐水中羽流内部流场结构。羽流的发展过程可以定性地归纳为3个阶段：入射阶段、中性浮力层出现阶段和中性浮力层稳定阶段。实验结果显示：羽流流速从中心区域向边缘逐步递减；羽流在下沉到最大深度后回升到中性浮力层，并向四周扩散；在羽流内部及边界存在大量复杂的涡旋结构，说明在羽流发展的过程中，始终伴随着羽流与周围环境水体之间的掺混作用。重新拟合确定了羽流最大穿透距离公式中的量纲一常数C，取值为4.03。
含盐风暴潮溃堤洪水数值模拟及风险分析
徐国宾, 孟庆林, 苑希民
2016, 27(4): 609-616. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.016
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为了研究三角洲河口风暴潮溃堤时的盐水运动规律，建立一、二维耦合的盐度数学模型对风暴潮溃堤时的盐水运动进行模拟。模型考虑洪泛区建筑物对盐水运动的影响以及溃口的渐变发展过程。用2008年多个测站的实测数据对河网模型的潮位和盐度计算结果进行了验证。将模型应用于珠江三角洲河网某近海溃口风暴潮溃堤的盐水运动模拟，并绘制了最大盐度等值面图。计算结果表明，该溃口大部分区域的溃堤积水盐度超过了4psu，因此，溃堤洪水的高盐度积水影响不容忽视。通过比较“溃堤”和“不溃堤”两种情况下的河网盐度计算结果，发现上游河道的溃堤分流增大了河道的纳潮量，促使涨潮量增大，增大了下游河网的咸潮上溯风险，减弱了上游来流对咸潮的压制效果。
青藏高原河流演变研究进展
李志威, 余国安, 徐梦珍, 胡旭跃, 杨洪明, 胡世雄
2016, 27(4): 617-628. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.017
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摘要:
青藏高原是中国及亚洲大河的发源地，高原内部河网水系发达。在高原抬升、气候变化和人类活动的三重叠加作用下高原河流未来可能发生显著变化，由此引发的一系列交叉学科问题正成为关注热点。在前期多年高原河流野外调查的基础上，对近几十年青藏高原河流演变的研究进展，如地质背景、高原抬升和河流地貌特征与演变等进行较系统的分析和总结。展望了中等时间尺度下气候变化对河流演变的影响，短时间尺度下人类活动的局部、突变和加速的作用；提出冲积河群的新概念，初步给出其定义、特征和分布，以期在这个新框架下促进复杂辫状河道和弯曲河道形成与演变的深入研究。
胶体在地下水中的环境行为特征及其研究方法探讨
张文静, 周晶晶, 刘丹, 李昊洋, 于喜鹏, 桓颖
2016, 27(4): 629-638. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.04.018
摘要 PDF
摘要:
在收集查阅国内外已有研究资料的基础上，对地下水中胶体稳定性、迁移机制以及模拟预测方法进行了详细归纳和总结。研究表明，胶体稳定性主要受自身理化性质和水文地球化学条件的影响，其受控于胶体粒径、形态、电势电位以及地下水的pH、离子强度等条件。胶体在多孔介质中的迁移机制主要表现为胶体沉积和形变阻塞，其中针对胶体稳定性的差异性，胶体沉积过程分别表现为表面封阻和过滤熟化。目前有关胶体在地下水中迁移的模拟技术已发展得日益成熟，但结合多孔介质非均质性和胶体化学性质非均质性的数学模型还需进一步探讨。

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