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2016年  第27卷  第6期

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海绵城市建设有关问题讨论
张建云, 王银堂, 胡庆芳, 贺瑞敏
2016, 27(6): 793-799. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.001
摘要:
海绵城市建设目前已成为众多行业和科技领域的讨论热点之一,也面临众多争议,海绵城市建设的内涵、目标、内容和效果等均存在不同认识。针对中国城镇化过程中面临的主要水问题,结合参与海绵城市试点建设评审、考察以及对国外海绵城市的调研情况,从城市水文过程的角度,系统解析了海绵城市的概念,就海绵城市建设的目标与指标、建设功能与发展方向、城市地下排蓄系统、建设管理体制等若干问题展开了讨论。核心观点认为,海绵城市是对中国城市水系统的综合治理,也是城市人居环境的重构,功能综合是海绵城市建设成功的前提,海绵城市的建设应以河湖水系为核心,需要流域和城市的整体规划设计,海绵城市建设应该基于多部门、跨行业的优势互补、合作交叉,按照整体规划、系统布局的方式协同推进。
分辨率和陆面方案对长江流域短期气候预测影响
张录军, 王乐, 邢雯慧, 黄勇, 张雅琦, 刘树棣
2016, 27(6): 800-809. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.002
摘要:
利用区域气候模式RegCM4.5,分别选取不同陆面参数化方案和空间分辨率,对5个长江流域降水异常年份进行短期气候回报试验,分析对气温和降水预测效果的影响及其最优组合。结果表明:空间分辨率的提高可以改善流域降水和气温的预测性能;而不同陆面方案引起的地表净辐射能量分布不同及其地表蒸散差异,最终导致流域内气温和降水预测效果不一致。RegCM(CLM4.5+30 km)对流域内小雨预测结果最好,而RegCM(BATS+30 km)预测流域内大雨和暴雨效果最优;RegCM(CLM3.5+30 km)对流域内气温预测能力最好。
变化环境下东江流域水文干旱特征及缺水响应
涂新军, 陈晓宏, 赵勇, 杜奕良, 马明卫, 黎坤
2016, 27(6): 810-821. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.003
摘要:
在干旱事件不确定性和枯期径流变异性的双重影响下,水文干旱特征时序非一致性问题为其联合分布模拟带来困难。基于东江干流测站日径流过程数据,采用游程理论提取水文干旱事件,并结合干旱特征均值变化、时序一致性分析及边缘分布模拟,以确定干旱事件融合及剔除评判标准的合理取值。基于Rosenblatt变换Cramer-von Mises检验统计量拟合方法,构建水文干旱特征两变量联合分布Copula模型,并根据同频法设计两变量组合值。通过对比枯期径流变点分隔子序列干旱特征,分析变化环境下东江流域水文干旱特征及缺水响应。结果表明:水文干旱事件融合和剔除的评判标准值分别取0.1和0.3比较合理。干旱特征两变量之间具有较高的正相关性,但不同时间系列不同变量之间的联合分布及边缘分布最优模型并不一致。流域水库尤其是新丰江水库的径流调节作用,对于缓解东江中下游水文干旱效果明显,超阈联合重现期为2年的设计干旱持续时间、总缺水量和最大日缺水量分别减少了63%~71%、71%~84%和30%~47%,但如果要满足东江河道内最小管理流量目标,其依然分别达到了12~18 d、6 114万~9 030万m3和715.0万~929.0万m3
荆江三口分流变化及三峡水库蓄水影响
朱玲玲, 许全喜, 戴明龙
2016, 27(6): 822-831. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.004
摘要:
长江中游荆江的水沙通过三口洪道分流入洞庭湖,三口分流是荆江-洞庭湖关系调整的驱动因子,为揭示其变化特征及三峡工程运用的影响,基于大量的原观数据,系统研究了近60年三口分流比的变化过程,提出其显著调整特征及诱发因素,引入径流还原计算方法,量化了三峡水库不同运用方式对三口分流量的影响幅度。结果表明:①特大洪水及重大人类活动等诱发因素作用下,三口分流比出现4~5年持续性减小的趋势调整期,之后进入分流比稳定恢复的平衡调整期;②2003-2014年,三峡水库汛前枯水补偿调度使得三口分流量年均增加8.000亿m3,汛后蓄水使得三口分流量年均减小29.00亿m3,对三口分流综合影响量为年均减少21.00亿m3,占同期三口年均分流量的4.29%。
植被淹没程度对坡面流水动力学特性影响
杨帆, 张宽地, 杨明义, 杨婕
2016, 27(6): 832-840. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.005
摘要:
为深入揭示植被覆盖条件下坡面水流结构的内在规律,采用水槽模拟试验,系统研究了植被处于淹没及非淹没工况下淹没度对坡面流水动力学特性的影响。研究结果表明:坡度一定条件下,平均流速和雷诺数与淹没度均成正相关关系;柔性植被覆盖下,水流流型由缓流区过渡到急流区,综合阻力系数随淹没度的增加而减小,刚性植被覆盖条件下水流流型均处于缓流区;综合阻力系数呈单驼峰形式变化;峰值处淹没度为0.9,淹没度对相对摩阻流速的影响与其对阻力系数呈相反变化趋势,基于淹没度的阻力计算经验公式决定系数均达到0.97以上;由于淹没度对各水动力学参数的影响受制于坡度,在坡面水土保持中应根据山区坡度和水深选择适当的植被高度。
非均匀沙运动特性试验
许琳娟, 曹文洪, 刘春晶
2016, 27(6): 841-848. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.006
摘要:
天然河流床沙通常为非均匀沙,准确把握非均匀沙颗粒运动规律是模拟和预测天然河流河床演变的基础。开展了恒定均匀流条件下的非均匀沙推移质运动水槽试验,床沙粒径范围为0.10~20 mm。利用摄像机从顶部拍摄了粗化条件下的推移质颗粒运动,获取大量非均匀沙颗粒的运动轨迹,提取了颗粒运动速度、走停时间等基本运动参数,推移质运动颗粒粒径范围为0.74~8.19 mm。试验结果表明,非均匀沙床面聚集体或大颗粒使推移质颗粒运动方向发生改变,与均匀沙成果相比,非均匀沙推移质颗粒的纵向运动速度减小,横向运动速度增大;推移质颗粒纵向运动速度遵循指数分布,单次运动速度遵循Γ分布,横向运动速度及运动速度矢量角则遵循正态分布。
基于高速摄像技术的推移质运动特征试验
王浩, 袁强, 孟震, 龚家国
2016, 27(6): 849-857. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.007
摘要:
在明渠中开展不同水流条件下低强度均匀沙平衡输沙试验,基于灰度相减方法分析整个床面推移质运动特征,以探寻紊流结构与推移质运动之间的作用机理。结果表明:①受水槽横向方向水流强度分布特征影响,推移质运动概率从水槽中线到两侧壁逐渐变小,且基本呈对称分布;②在紊流相干结构作用下,推移质床面在紊流低速条带区形成凸槽,高速条带区形成凹槽,推移质运动概率沿水槽横向方向存在高低相间的带状分区;③随摩阻雷诺数增大,相邻两推移质运动高概率区域的间距值变化范围为0.13~0.24倍水槽宽度,其值随摩阻雷诺数增大而增大;④不同水流条件下,推移质运动高概率区域间距值约为水深的2倍,这与流向涡模型吻合,表明流向涡是诱导床面出现凹凸相间形态的重要因素。
河床采沙挖槽的溯源冲刷影响规律
齐梅兰, 刘茜, 李金钊
2016, 27(6): 858-866. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.008
摘要:
针对长距离河段大量人工采沙、挖槽发生的河床溯源冲刷影响因素、发展规律及预测方法进行研究。考虑该问题的清水冲刷特征,建立了一维水动力学方程、河床变形和推移质输沙方程组,用TVD(Total Vartation Diminishing)性质的MUSCL-Hancock时空二阶格式和对水流、河床变形方程分别用有限体积和有限差分法进行数值求解,用水槽试验作了验证并研究了溯源冲刷规律。溯源冲刷长度在初期30%的时间内可达平衡时的80%,冲刷速率随来流强度、跌坎高度和跌水水头差明显增大。平衡溯源长度随流量的线性增长率约为0.8,随跌水高差的增长较缓,冲刷最大厚度约为跌坎高度的0.5倍。采沙挖槽河床一旦形成溯源冲刷,则发展迅速,流量和跌水高差是重要影响因素。在合理考虑输沙方程的基础上,该数值模型可用于溯源冲刷的预测,计算速度快且精度较高。
利用两种指纹因子判别小流域泥沙来源
陈方鑫, 张含玉, 方怒放, 史志华
2016, 27(6): 867-875. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.009
摘要:
为精确识别黄土高原丘陵沟壑区典型小流域泥沙来源,分析了流域内“源-汇”地区土壤的理化性质及生物标志物(正构烷烃)作为潜在指纹识别因子,并建立了复合指纹模型。结果显示:单独的土壤理化指纹及正构烷烃均不能有效识别泥沙来源;土壤理化指纹和正构烷烃分别在林地、农地及沟道的辨别上显示出其局限性。多元化的复合指纹(碳优势指数CPI、Ca、TP、C20、C29、Fe)则能辨别90.5%的泥沙来源。模型结果显示沟道是该流域泥沙的主要来源,占60.8%,其次为农地占20.7%,林地占11.3%,草地占7.2%。研究表明,结合生物标志物的复合指纹法能更精确地反映泥沙来源,适用于各泥沙源头的地质条件差异较小的流域,对黄土高原小流域水土流失治理具有指导意义。
千岛湖配水工程对钱塘江河口盐水入侵影响
张舒羽, 周维, 史英标
2016, 27(6): 876-882. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.010
摘要:
杭州市第二水源千岛湖配水工程(简称配水工程)的实施将引起富春江水库下泄流量及过程改变,从而对钱塘江河口盐水入侵产生影响。建立考虑涌潮作用的二维盐度数值模型,在验证钱塘江河口潮位和盐度的基础上,预测配水工程实施对河口盐水入侵距离和重要取水口含氯度超标时间的影响。研究表明:配水工程实施后,上游富春江水库若按现状调度方案,对枯水年影响大,咸水上溯距离增加3.7 km,沿岸取水口的可取水时间缩短0.2~3.6 d,丰、平水年盐水入侵和引水前相当;通过水库的优化调度,可基本消除枯水年引水造成的盐水入侵影响。为减少配水工程实施的盐水入侵影响,采用水库的优化调度模式是必要的。
南水北调中线突发水污染事件的快速预测
龙岩, 徐国宾, 马超, 李有明
2016, 27(6): 883-889. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.011
摘要:
依据南水北调中线干渠资料,开展了正常输水情况下串联明渠内可溶污染物浓度分布规律数值模拟研究。采用数值模拟、数学归纳和统计分析方法,提出表征污染物输移扩散特征的峰值输移距离、污染带长度和峰值浓度的快速预测公式;通过示范工程验证了快速预测公式的可行性。结果表明:①串联明渠内,峰值输移距离随渠道流速减小而减小,并且污染带长度增加值随明渠内流速减小而减小,但是峰值浓度随明渠流速减小而增加;②快速预测公式计算结果与现场试验实测结果的误差均不到15%,证明了快速预测公式的合理性和可行性。这些研究结果为南水北调中线工程突发可溶性水污染事件应急预警方案的制定提供了科学依据。
松花江白山河段冰情数值计算及分析
樊霖, 茅泽育, 吴剑疆, 齐文彪
2016, 27(6): 890-897. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.012
摘要:
根据水动力学、河流动力学、热力学、河冰水力学及固体力学等原理,针对松花江上游白山河段具体特征,建立了河冰数学模型,并应用有限差分计算方法,对白山河段冬季冰情演变进行了精确模拟。应用该河段1958-1973年共15年完整的地形、气象、水文、热力、冰情等原型观测资料,分别进行了模型参数率定及冰情数值模拟。研究结果表明:白山河段的封冻首先开始于白山坝址下游4 km的大崴子河段,然后封冻边缘逐渐上溯,最终到达松14断面;计算的白山河段冰花堆积体外形与河床纵剖面呈相似趋势;各种水力及冰情要素的数值计算结果和实测值吻合较好,所建立的数值模型能较好地模拟该河道的冰情。研究结果对东北地区河流冬季冰情研究及冰害防治具有一定的借鉴意义。
生态滤沟对城市路面径流的净化效果试验及模拟
李家科, 蒋春博, 张思翀, 李怀恩
2016, 27(6): 898-908. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.013
摘要:
通过试验和模拟,研究生态滤沟对城市路面径流的净化效果及适宜工况。设计了半渗透型和防渗型两套生态滤沟试验系统,每套系统由5种典型填料滤沟组成。不同影响因素的多水平正交试验和单因素试验结果表明:填料组合方式是对整体处理效果影响最重要的因素,且以粉煤灰+沙(FS)为人工填料层的生态滤沟净化效果最好,防渗与半渗透型沟槽综合去除率分别为83.12%和73.18%,最佳淹没区高度为150 mm。建立了污染物(TN、TP)去除率、出水率与各影响因素的多元回归模型,经Nash-Suttcliffe系数和决定系数检验,拟合效果良好。采用Hydrus-1D模型对3种入流浓度下TP在生态滤沟系统中的迁移进行了模拟,TP出水浓度模拟值与实测值平均相对误差分别为14.11%、17.33%和26.57%,模拟结果可靠。
面向“十三五”流域水环境管理的控制单元划分方法
邓富亮, 金陶陶, 马乐宽, 吝涛, 李宗梅, 袁莹
2016, 27(6): 909-917. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.014
摘要:
针对国家《水污染防治行动计划》提出的对重点流域实施分流域、分区域、分阶段科学治理的要求,便于“十三五”期间基于控制单元的流域水环境管理体系实施。提出一种能有效衔接流域水自然特征和水资源三级分区、以乡镇级行政区划与流域管理相结合、综合考虑污染源分布、社会经济、土地利用等诸因素的控制单元划分方法。基于该方法将全国重点流域划分为1 784个控制单元,并促成环境保护部于2016年6月发布了“十三五”期间全国343个水质需改善控制单元信息清单。为“十三五”期间流域水环境管理进一步明确地方政府责任,实现基于控制单元的水环境精细化、差异化管理提供数据和技术支撑。
贵州境内乌江水电梯级开发联合生态调度
吕巍, 王浩, 殷峻暹, 朱心悦
2016, 27(6): 918-927. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.015
摘要:
为保护乌江干流水生生态系统,实现水能资源开发和生态环境双赢,进行乌江水电梯级开发联合生态调度。分析计算了乌江主要生态控制断面洪家渡、乌江渡和思林的最小、适宜及理想生态流量过程;构建了乌江干流梯级水电站多目标联合优化调度模型,采用智能优化算法对其进行求解。计算得到乌江干流9座水库多年平均发电量和典型年年发电量、3个主要控制断面的生态用水保证率及其典型年水库调度过程。结果表明,通过乌江干流梯级水电站联合优化调度,在保证水电站防洪安全和发电效益正常发挥的同时,可提高乌江干流生态流量保证率;对于偏枯年和枯水年,即使通过梯级水电站优化调度,其理想生态流量用水需求也难以满足。
全球变化下跨境水资源理论与方法研究展望
何大明, 刘恒, 冯彦, 倪广恒, 孔令杰, 龙爱华, 张长春
2016, 27(6): 928-934. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.016
摘要:
全球变化影响下,水危机位列未来10年世界风险之首,以国际河流区的跨境水纠纷及其导致的地缘战略竞争最受关注。科学调控跨境水安全,保障国家水权益,面临诸多科学与技术难题。回顾了国际河流水安全与水权益保障的研究进展,判识了存在的问题及面临的挑战。围绕创建全球变化下跨境水资源利益共享理论与方法体系研究目标,提出了需要解决的关键科学问题、技术瓶颈和创新思路;设置了主要研究目标与内容、总体方案与技术路线。这些研究,将推进国际河流水科学研究发展,提升全球变化下中国管控跨境水安全风险、保障国家水权益的科技支撑能力。
关于陆地水循环演变及其在全球变化中的作用研究设想
严登华, 任立良, 王国庆, 林千果, 肖伟华, 秦天玲
2016, 27(6): 935-942. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.017
摘要:
围绕中国在全球变化及应对领域多学科交叉研究能力提升和维护国家利益两大重大实践需求,本研究将以全球变化背景下大气-陆面-水文过程演变为主线,融合气象与气候学、水文及水资源学、系统工程学等多学科理论与技术,采用高密度原型观测、多尺度机理实验、数值模拟与仿真、地理信息技术等多方法相结合的途径,发挥云平台的存储、计算和管理等功能与优势,按照“机理识别-规律揭示-形势诊断”的总体思路开展陆地水循环演变及其在全球变化中的作用研究,将发布过去60年全球陆地广义水资源及水循环通量与干旱事件、1级至4级河流径流性水资源与洪涝事件的成果数据;将为中国参与全球气候谈判、国际气候治理和“一带一路”等国家战略的实施提供直接支撑,潜在的经济社会效益显著。