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2017年  第28卷  第3期

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复式河道滩槽交互区水沙运动机理
吉祖稳, 胡春宏
2017, 28(3): 321-328. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.001
摘要:
滩槽复式河道是冲积河流中最为常见的一种形态,也是河流动力学研究最为重要的内容之一。以复式河道概化试验数据和水沙运动的区域性特征为依据,在提出滩槽复式断面主槽平衡区、滩槽交互区、滩地平衡区以及边壁区4个分区的基础上,将水流流态最为复杂的滩槽交互区进一步划分为对数流速区(内区)和非对数流速区(外区),通过引入描写动植物生长过程的S型曲线,提出了内外区分界线的确定方法。以滩槽交互区横向分布公式为基础,通过线性假定和积分变换,给出了滩槽交互区内断面平均流速和含沙量的计算公式,并对不同分区内的流速和含沙量的差异性进行了比较分析。
长江中游城汉河段推移质输沙率计算公式
姚仕明, 王洪杨, 毛北平
2017, 28(3): 329-337. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.002
摘要:
三峡水库蓄水运用后,城汉河段悬移质输沙量大幅度减少,推移质输沙量所占比重增加,造床作用日益凸显,故开展其推移质输沙率计算公式研究具有理论与实际意义。利用螺山和汉口水文站实测资料建立了推移质输沙率与流量之间的指数关系式,并据此推算了两站逐日推移质输沙率,结果表明:螺山站、汉口站输沙率均与流量的0.912 78次方成正比,多年(2009—2015年)平均推移质输沙量分别为137万t、152万t,主要集中在汛期。利用推移质实测资料对Engelund、Einstein、Yalin 3个公式进行了检验与修正,结果表明:修正前各公式计算结果比较分散,且与实测值偏差很大;修正后各公式计算精度显著提高,综合比较发现,修正后的Yalin公式精度最高,Engelund公式、指数关系式次之,Einstein公式精度相对较低。因此,修正后的Yalin公式更适合于城汉河段推移质输沙率计算,可用于该河段的演变分析与数学模型计算。
推移质输沙对阶梯-深潭系统消能的影响
李文哲, 李志威, 王兆印
2017, 28(3): 338-345. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.003
摘要:
阶梯-深潭系统是山区河流上一种河床结构形态,具有稳定河床和消能减灾的作用。推移质运动会影响水流结构并改变河床形态,从而影响阶梯-深潭系统的消能效率。在野外构建阶梯-深潭系统,通过人工加沙试验,研究不同来水来沙对阶梯-深潭系统流场及消能的影响。研究表明,推移质运动使阶梯上紊动略增强,深潭中紊动大为减弱,从而使阶梯-深潭系统消能率降低。推移质运动的增强改变水流能量分配,其消能附加作用使阶梯-深潭结构消能降低和深潭淤埋。
明渠收缩过渡段流速分布及紊动特性试验
吴永妍, 陈永灿, 刘昭伟
2017, 28(3): 346-355. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.004
摘要:
受地形、地质等条件影响,明渠收缩过渡段在输水工程中十分常见,过渡段长度过短,会导致水面波动,水体紊动加剧。为研究明渠不同长度过渡段内纵向时均流速及紊动强度的分布规律,通过室内模型试验,利用二维电磁流速仪ACM2-RS测量了渠道内沿程中垂线不同深度处瞬时流速。试验结果表明:收缩段内,纵向时均流速沿程增加,紊动强度沿程降低,遵循涡旋的拉伸机制和线性扭曲理论;受二次流影响,最大流速位于水面以下,且最大流速的位置随二次流作用的增强而降低;不同长度过渡段对下游纵向流速分布和紊动强度影响不同,过渡段越短,下游水流紊动越强,但非渠底附近紊动强度沿垂向先减后增的规律不变。
不同粒度颗粒在非恒定管流中跟随性试验
曹斌, 邹燚, 夏建新
2017, 28(3): 356-363. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.005
摘要:
管道中固液两相流水击对管道和输送系统可能产生严重的破坏,而固液两相在这种非恒定流中的运动特性是计算最大水击压力变化的重要依据。采用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV),通过试验研究水击发生时,水平圆管中不同平均流速、颗粒粒径条件下,流体介质和粗颗粒在管道断面的速度分布以及粗颗粒跟随性的变化规律。研究结果表明:①在水击发生的不同时刻,圆管流中粗颗粒的流速在管道断面分布呈不规则的抛物线型分布,主要表现为靠近管道壁面底部的颗粒流速略小于靠近管道顶部流速,当颗粒粒径大于1.5 mm,平均流速小于2.5 m/s时,粗颗粒表现出明显的沉降特性;②粗颗粒的跟随性与颗粒受力有密切关系,其中颗粒速度与流体速度的变化量是影响颗粒受力的重要参数;③基于试验数据拟合得到了水击条件下粗颗粒跟随性系数k的经验公式,并分析了颗粒粒径、管道直径、两相流平均流速以及水击发生时间等不同参数对粗颗粒跟随性系数的影响,公式计算值与实测值之间的误差在5%以内。
基于2001—2015年遥感数据的天山山区雪线监测及分析
李帅, 侯小刚, 郑照军, 张连成, 木扎帕尔·木合塔尔, 胥志德
2017, 28(3): 364-372. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.006
摘要:
基于2001—2015年MOD10A1/MYD10A1、MOD13Q1以及相关气象数据,采用积雪持续时间比率法,监测了天山山区的季节雪线高程,分析了其变化特征及影响因子。结果表明:①近15年天山山区雪线整体呈显著上升趋势,平均高程3 680 m左右,其中,北坡、伊犁河谷、南坡季节雪线的稳定性依次减弱,平均高程分别为3 620 m、3 390 m及3 820 m;空间上雪线高程呈现南高北低、东高西低的纬度地带性分布特点。②年际尺度上,气温是影响天山山区雪线高程的主控因素,呈显著正相关,南北坡与之相同,但伊犁河谷则降水是影响其变化的主控因素,呈显著负相关;季节尺度上,夏季气温、冬季降水是影响雪线高程的主控因素,降水与其呈负相关,但气温较高的地区,夏秋季降水会促进积雪融化,使雪线高程上升;月尺度上,7月气温、1月降水对其影响最明显,且存在一定的滞后反应。③天山山区雪线高程比零度层低800 m左右,两者呈较好正相关;雪线高程与NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)呈负相关,植被覆盖较好区域,同年NDVI与雪线高程相关性较好,植被覆盖较差区域,前一年NDVI与其相关性较好。
黄土高原区域尺度土壤干燥化的空间和季节分布特征
易小波, 贾小旭, 邵明安, 赵春雷
2017, 28(3): 373-381. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.007
摘要:
为掌握黄土高原土壤干燥化程度的空间分布特征,定量评价雨季前、后土壤干燥化程度,于2013年在黄土高原南北方向布设一条样带(N=86),获取雨季前、后0~5 m剖面土壤含水量。采用地统计学方法分析了土壤干燥化指数的空间分布规律及变异特征。结果表明:在黄土高原地区,土壤干燥化程度存在明显的纬度地带性,且雨季前土壤干燥化指数的空间变异程度高于雨季后;经过雨季降水的补给,土壤干层在一定程度上得到修复,且中部地区的修复效果明显优于南部及北部地区;土壤干燥化指数剖面分布特征在雨季前、后的差异主要表现在浅层0~2.3 m土层,这主要归因于降水对浅层土壤水分的补给。
基于二次重现期的城市两级排涝标准衔接的设计暴雨
陈子燊, 高时友, 李鸿皓
2017, 28(3): 382-389. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.008
摘要:
使用珠海市1984—2015年R1h-R6hR1h-R12hR1h-R24h3个历时暴雨组合推算排水排涝两级标准衔接的设计暴雨水平。应用阿基米德极值Copula与Kendall分布函数构建不同历时暴雨组合的联合概率分布模式。分析各历时暴雨组合的遭遇概率、"或"重现期、"且"重现期和二次重现期,以出现最大可能概率的方法推算各组合的设计暴雨值。结果表明:二次重现期所对应的累积频率更准确地代表了特定设计频率情况下不同历时暴雨组合的风险率;重现期分别为2年、3年、5年、10年、20年、50年、100年推算的二次重现期设计值介于"或"重现期和"且"重现期设计值之间,小于相应的边缘分布重现期设计值,R1h-R6 h组合推算的设计值相对误差为3.1%~7.1%;R1h-R12h组合推算的设计值相对误差为3.3%~9.3%;R1 h-R24 h组合推算的设计值相对误差为3.9%~12.0%。二次重现期推算的不同历时暴雨组合的设计暴雨分位值为内涝工程的风险管理和管渠尺寸提供了优选标准和设计参考。
年径流频率分析的一次二阶矩法及其应用
熊立华, 邝韵琪, 于坤霞, 温天福
2017, 28(3): 390-397. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.009
摘要:
针对流量资料极短时传统年径流频率分析方法——适线法不再适用的问题,分析了基于水文过程,由影响径流形成的因子推求年径流频率的一次二阶矩法的可行性,并讨论其在无流量资料流域应用中所存在的问题与解决方法。以江西省20个流域为研究对象,采用无参数Schreiber方程与单参数Fu-Zhang方程的水量平衡式作为年降雨—径流模型,结果表明:①一次二阶矩法的分析结果与实测年径流的经验频率较为吻合;②无流量资料流域中,忽略土壤含水量年间变化的作用,Fu-Zhang模型的分析结果比Schreiber模型好;③无流量资料流域中,Fu-Zhang模型中的参数ω可采用反距离权重法估计。
基于等可靠度法的变化环境下工程水文设计值估计方法
梁忠民, 胡义明, 王军, 李彬权, 杨靖
2017, 28(3): 398-405. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.010
摘要:
气候变化及人类活动影响的加剧,改变了水文极值系列产生的平稳性条件,给现行水文频率分析计算方法带来挑战,亟需发展非平稳性条件下的水文频率分析理论与方法。讨论了等可靠度法的基本思想,拓宽了该方法在变化环境下工程水文设计方面的应用,以解决变化环境下工程水文设计值中的两类问题:①对于待建工程,依据非平稳性的水文极值系列,如何推求给定标准的设计值;②对于已建工程,如何协调/调整已建工程的洪水设计值,以适应变化环境对其产生的影响。以黄龙滩1956—2014年共59年的15日洪量系列为对象,对等可靠度法进行应用示例研究,并分析了参数估计不确定性对水文设计值的影响。结果表明,在非一致性条件下,给定设计标准下的水文设计值随着工程设计使用年限的变化而变化,且设计值估计的不确定性随着工程设计使用年限的增加而增大。
考虑局部趋势的非一致性水文频率分析方法
王银堂, 李伶杰, 胡庆芳, 刘勇, 崔婷婷, 王磊之
2017, 28(3): 406-414. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.011
摘要:
变化环境下水文序列常表现出非一致性,导致基于独立同分布假设的频率分析方法受到严峻挑战,故亟需研究适用于非一致性水文序列的频率分析方法。针对具有趋势变异的水文序列,提出了一种考虑局部趋势的非一致性水文频率分析方法:以具有局部与整体趋势识别能力的滑动窗口趋势分析法诊断序列;构造时变概率分布模型组,采用融合了贝叶斯理论的广义极大似然法估计模型参数;优选模型并按照等可靠度原则推求设计值及置信区间。应用该方法对甘肃石羊河流域红崖山水库站年径流量序列开展了实例研究,结果表明从设计值及95%置信区间角度看,所提方法与现行的一致性频率分析方法及考虑整体趋势的时变分布方法相比存在一定的差异,揭示了在准确识别序列局部或整体趋势成分的基础上,开展非一致性水文频率分析有助于合理估计设计值。
基于主成分-时间序列模型的地下水位预测
张展羽, 梁振华, 冯宝平, 黄继文, 吴东
2017, 28(3): 415-420. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.012
摘要:
地下水位预测是区域水资源管理的重要依据。针对地下水位在时间序列上表现出高度的随机性和滞后性,建立了基于主成分分析与多变量时间序列CAR(Controlled Auto-Regressive)模型耦合的地下水位预报模型,将该模型应用于济南市陡沟灌区地下水位预测,结果显示,模型模拟值与实测值的决定系数R2和Nash-Suttcliffe系数Ens均达到0.90以上;以2011年为基准年,当降水量减少10%~20%,蒸发量和生活用水量增加10%~20%,调入27.39万~137.0万m3地表水用于农业灌溉时,到2030年灌区地下水位将维持在30.99~31.29 m,较基准年上升0.12~0.42 m。在区域水资源紧缺的背景下,适当引入地表水灌溉,减少地下水的开采,灌区地下水位将逐步回升,对于灌区的可持续发展和区域水资源的合理利用具有重要意义。
长江上游干流梯级水库群防洪库容互用性初探
周新春, 许银山, 冯宝飞
2017, 28(3): 421-428. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.013
摘要:
根据《长江流域防洪规划》,长江上游已投入运行的、具有防洪功能的大型控制性水库总预留防洪库容超360亿m3,亟需研究科学实用的防洪调度方法。在定义防洪库容互用性涵义的基础上,探讨了长江上游水库群间防洪库容的互用性,提出了基于库容互用性的水库群防洪调度方法。以金沙江下游梯级和三峡水库为例,分析了二者之间防洪库容的互用比例。研究结果显示,对于1981年、1982年和1998年3个典型年的洪水,金沙江下游梯级水库相对于三峡水库防洪库容的互用比例在0.80~0.97之间,并受拦蓄洪量比例和拦蓄时机的影响。在实时防洪预报调度中,可根据水库群所处状态及防洪形势,基于防洪库容互用性研究成果,结合水文气象预报,科学有效地调度洪水。
内孤立波环境下圆柱和方柱受力特征——Ⅰ.物理实验
王玲玲, 王寅, 魏岗, 陆谦益, 徐津, 唐洪武
2017, 28(3): 429-437. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.014
摘要:
随着近岸海洋的开发,海洋石油钻井平台底部的柱状支撑以及海洋中石油管线等水下结构物的安全问题受到的关注日益增多。而内孤立波对水下结构物的安全有着不可忽视的影响,这就决定了内孤立波对柱体受力的研究在工程实践中具有重要意义。国内外就内孤立波对柱体作用力的物理试验研究较少,而在分层流环境下圆柱和方柱受力规律的对比研究更鲜有报道。在大型重力式分层流试验水槽中,借助一套新型且专用于分层流环境下的内孤立波造波及水动力测力系统,进行了内孤立波环境下柱体受力规律的试验研究。对比分析了不同内孤立波波幅对圆柱和方柱受力的作用规律。研究表明,在分层流环境下,随着内孤立波波幅的增大,圆柱和方柱所受的水平作用力均增大;相同波幅情况下,方柱相较于圆柱会受到更大的水平力。研究成果可为分层流环境中柱体设计及安全评价提供科学依据。
基于非静压模型的波浪破碎模拟
张景新
2017, 28(3): 438-444. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.015
摘要:
波浪破碎是海岸工程所关注的关键水动力学问题之一,而波浪破碎的数值模拟技术的研究方兴未艾。高效的浅水方程基于静压假定,而通过引入动压项建立的完全非静压模型,可成功应用于色散水波的模拟。自由表面的捕捉采用的垂向坐标变换技术,较之VOF(Volume of Fluid)模型,计算效率较高。但垂向坐标变换不能模拟大曲率自由表面变形,即波浪破碎过程。对于破碎波的模拟,一种高效的模式分裂法应用至非静压模型,即在波浪破碎局部水域将模型分裂为静压模型和非静压模型,破碎波波峰附近退化至静压模型,并持续至波浪破碎结束再恢复为动压模型。通过典型算例,验证了模式分裂法的适用性及对于波浪破碎过程的模拟精度,鉴于模式分裂法对于波浪破碎过程的模拟未引入新的概化模型,计算效率较高,可应用于大尺度的海岸带波浪的变形、破碎及越浪的数值模拟。
破碎波条件下直立堤平均越浪量试验研究
李晓亮
2017, 28(3): 445-451. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.016
摘要:
目前破碎波直立堤平均越浪量的估算值和影响因素的作用方面均存在显著差异,只有通过独立的试验校核才能使工程对这些成果的选择具有可靠依据。通过开展随机波物理模型试验,对目前代表性成果的越浪量估算值进行了系统校核,分析影响因素的作用规律以及产生估算差异的原因。结果表明:对周期和底坡坡度等主要影响因素的不同处理方式是导致现有成果间产生显著估算差异的重要原因;在现有成果中,EurOtop的估算结果普遍存在明显高估现象,而Goda(2009)对影响因素的处理方式和估算结果与本次试验的结论在总体上最为相符。
灌溉用水反弹效应研究综述
宋健峰, 王玉宝, 吴普特
2017, 28(3): 452-461. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.017
摘要:
推行节水灌溉技术的节水效果可能被产出增长带来的新增用水抵消,甚至出现用水有增无减的现象,表现为灌溉用水的反弹效应。目前有关灌溉技术节水效果的研究已有丰富成果,但关于灌溉用水反弹效应的研究还缺乏系统梳理。从灌溉用水反弹效应概念内涵、灌溉用水特性与节水的尺度效应、灌溉用水反弹机制以及反弹程度4个角度综述相关文献。灌溉过程中的水量转化、水分消耗及用水效率评价非常复杂,对灌溉用水反弹的研究还需进一步深入。未来研究的重点领域包括:①灌溉用水反弹的定义,如区分水文反弹和经济反弹,区分用水反弹和耗水反弹,区分一般反弹效应和回火效应(大于100%的反弹);②灌溉用水反弹的作用机理和控制路径;③设计合理的方法实证计算反弹效应。
森林冠层影响降雪截留过程的研究进展
肖洋, 张淑兰, 宋国华
2017, 28(3): 462-471. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.018
摘要:
森林冠层对降雪的截留和冠层截留雪的蒸发/升华、散落释放、融化滴落等过程显著影响了北方森林区域的水文循环,开展森林冠层对降雪截留过程影响的研究对于季节性积雪森林区域的气候变化、森林经营、森林火灾以及植被演替具有重要的科学意义。对当前的森林冠层影响降雪截留过程的观测方法和理论机制进行了深入探讨和总结,并针对现有研究中缺乏林分尺度和水平过程的研究等问题,提出了引入遥感技术等先进的研究方法以及开展多尺度、多过程和多因素的交叉研究是今后研究中的重点方向。
国家重点研发计划“水资源高效开发利用”重点专项解析
周斌
2017, 28(3): 472-478. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.019
摘要:
国家重点研发计划"水资源高效开发利用"重点专项是国家科技计划管理改革后首批启动的重点专项之一。该专项立足中国水资源安全形势和国内外科技发展现状及趋势,以提升国家水资源安全保障的科技支撑能力为目标,通过全链条创新和全景式布局,凝练了现阶段中国水资源安全领域亟需解决的重点研究任务。深入分析了"水资源高效开发利用"重点专项的总体布局、科学目标、主要任务和立项情况,剖析了2016年和2017年项目立项和申报中存在的现象和问题,讨论了下一步支持的重点任务方向,对于加强重点专项项目的立项、申报和管理,保障总体目标实现具有积极的指导作用。