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2017年  第28卷  第4期

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基于多源卫星观测的中国土壤湿度时空特征分析
刘荣华, 张珂, 晁丽君, 王青青, 洪阳, 涂勇, 曲伟
2017, 28(4): 479-487. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.001
摘要
摘要:
为了揭示中国表层土壤湿度的时空分布特征及主要影响因子，通过SMAP、SMOS、AMSR2、FY3B和FY3C 5个卫星平台的遥感信息，采用集合平均法合成了2015-2016年中国25 km、逐日表层土壤湿度信息，通过比较5套产品之间的差异来分析卫星产品的不确定性，分析了中国土壤湿度的空间和季节分布特征以及同降雨量和蒸散发量的关联。结果表明：中国表层土壤湿度呈较明显带状分布，与干湿气候带的分布基本一致，总体由西北向东南和东北增加；土壤湿度在大部分地区呈现明显季节变化，主要表现为夏高冬低，不同地区的季节变化特征有所不同；中国60%以上地区，土壤湿度受同步和前期降雨量的强控制影响；中国87.5%的地区土壤湿度和蒸散发呈显著正相关和强依存关系。
北京连续降水水汽输送差异的同位素示踪
宋献方, 唐瑜, 张应华, 马英, 韩冬梅, 卜红梅, 杨丽虎, 刘飞
2017, 28(4): 488-495. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.002
摘要
摘要:
为了探讨连续降水过程中水汽输送的变化，应用NCEP/NCAR资料、HYSPLIT后向轨迹模拟及降水稳定同位素资料对北京22场连续降水的水汽输送差异进行了研究。结果表明：连续降水的水汽输送可分为西向水汽输送、远洋水汽输送、近海水汽输送、远源大陆水汽输送和局地大陆水汽输送5种类型，并以近海水汽输送和西向水汽输送为主（降水量占比60.8%）。不同水汽输送类型下降水δ18O的差异主要受水汽源区同位素富集程度及水汽输送途中降水过程的影响，降水氘盈余的变化反映出二次蒸发的影响及水汽源区大气相对湿度的差异。14场连续降水的水汽输送类型发生了变化，且降水δ18O值的变化能够较好地指示水汽输送类型的变化。该结果说明降水同位素特征能够为识别水汽输送类型提供有效信息。
洞庭湖区与城陵矶水位关联性的临界特征分析
孙昭华, 李奇, 严鑫, 罗方冰
2017, 28(4): 496-506. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.003
摘要
摘要:
采用典型测站观测资料与水力学原理相结合，分析不同情况下城陵矶水位与洞庭湖区水位关联性强弱转化的机理和临界条件以及三峡水库对其影响等问题。理论解析表明，固定流量下，湖区水位与城陵矶水位相关关系应为单调指数函数，受到区间距离、湖槽形态等多因素影响，据此提出和率定了各湖区水位的经验计算模式。利用经验计算模式对实测数据进行延展，构建了各种可能出现的湖区来流和干流水位组合下的湖区水位特征曲线族，发现湖区水位与城陵矶水位之间的关联强度存在无影响区、影响区和决定区等状态区间，通过对临界条件的定义和计算，实现了各状态区间的定量划分，并提出了各状态区间内洞庭湖区水位的估算方法。通过对三峡水库蓄水后湖床冲淤和水文条件变化的影响分析，论证了以上方法和认识在水库蓄水后的适用性。
水库防洪补偿调节线性规划模型及应用
陈森林, 李丹, 陶湘明, 黄宇昊
2017, 28(4): 507-514. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.004
摘要
摘要:
防洪补偿调节是水库防洪规划和实时调度的基本原理，构模方法及后效性是制约水库洪水优化补偿调节数学模型求解的关键问题。对于一个水库和一个防洪控制点所组成的基本防洪系统，基于水库调度阶段划分及出流上界分析引入水库出流上下界约束，将水库防洪库容最小目标转换为累计蓄水量最小的等价目标，建立了水库防洪补偿调节线性规划模型（RFCR-LP），实现了水库调度决策和下游河道水流演进的完全耦合，避免了常规多阶段决策优化方法的后效性。该模型不仅具有结构简单、易于求解等显著特点，而且实现了水库防洪规划与实时调度优化数学模型的统一，基本形成了覆盖水库全周期的多功能洪水优化补偿调节模型，为构建水库群防洪优化补偿调节模型提供了一种解决方案。实例验证了RFCR-LP的适用性、灵活性及稳定性。
黄土高原关键带全剖面土壤水分空间变异性
乔江波, 朱元骏, 贾小旭, 黄来明, 邵明安
2017, 28(4): 515-522. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.005
摘要
摘要:
土壤水分是黄土高原关键带水循环、地下水补给和植被恢复的关键因素。为揭示黄土高原关键带黄土整个剖面的土壤水分空间变化特征，通过土芯钻探的方式获取了黄土高原关键带5个典型样点（杨凌、长武、富县、安塞和神木）从地表到基岩的土壤水分样品，采用经典统计学和地统计学相结合的方法分析了剖面土壤水分的分布规律、变异特征及空间结构。结果表明：黄土高原关键带剖面土壤水分从南往北，土壤平均含水量由高变低；5个样点的土壤水分均为中等变异，随着深度由40 m增加到200 m，土壤水分变异性变弱，且样点之间的土壤含水量差异降低；地统计学分析表明样点的半方差函数能被理论模型较好地拟合（杨凌除外），指数模型能够描述大部分样点深剖面的空间变异结构。相关结果有助于了解黄土高原深层土壤水分状况及分布规律，对于黄土高原土壤水资源估算和区域植被恢复具有重要价值。
求取现场黄土饱和渗透系数的双环入渗法
林鸿州, 彭建兵, 杨华, 贾书岭
2017, 28(4): 523-533. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.006
摘要
摘要:
土体渗透性参数的测定是解决与水有关的岩土工程问题的关键所在。为使现场原状土体饱和渗透系数的测定更为准确，通过一种易于安装和固定的防蒸发型双环入渗仪，研究黄土的入渗规律与特点，试验结果表明：黄土的入渗分区可分为饱和区、湿润区与干土区，其中饱和区的入渗深度约占总入渗深度的1/2，而湿润区土体的饱和度在70%以上，这一特征与Green-Ampt入渗模型的假设较为接近，但在应用基于Green-Ampt模型的规范法（SL237-042-1999）求取黄土的饱和渗透系数时，发现该法会高估黄土的饱和渗透系数。因此，结合Green-Ampt入渗模型与土水特征曲线主要增湿路径的特点，提出了能合理测定现场黄土饱和渗透系数的双环入渗法，对Green-Ampt入渗模型参数加以修正，即直接采用干土区的初始基质吸力水头值，且该值由张力计实测或由主要增湿曲线求得；需采用入渗试验前期的平均入渗率；所对应的湿润锋发展深度需经由水分传感器实测而得。研究结果表明该法能合理估算现场黄土的饱和渗透系数。
考虑薄膜水的利用介质粒度分布获取水土特征曲线的方法
程东会, 常琛朝, 钱康, 杨红斌
2017, 28(4): 534-542. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.007
摘要
摘要:
利用介质粒度分布间接获取水土特征曲线（SWCC）是一种快速、经济的方法。由于该方法的传统模型（HP模型和MV模型）忽略了薄膜水，获得的SWCC在低含水率段存在显著误差。提出了一种考虑介质表面薄膜水的含水率估算方法，与HP模型和MV模型的吸力计算方法结合预测SWCC，选用土壤水力性质数据库UNSODA的17种土壤样品对两种修正模型的预测效果进行了验证。结果表明，采用薄膜水修正后的HP模型和MV模型可以显著改善传统模型中SWCC低含水率段含水率的低估，并能有效地预测砂土等粗粒介质的SWCC。另外，含水率估算中引入参数β后，修正的MV模型也可用于壤土和黏土等细粒介质的SWCC的预测。
三峡工程运用后荆江段崩岸过程及特点
夏军强, 林芬芬, 周美蓉, 邓珊珊, 彭玉明
2017, 28(4): 543-552. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.008
摘要
摘要:
为研究近期荆江段崩岸过程及特点，利用实测水下地形图及固定断面资料，分析了三峡工程运用前后该河段平面及断面的形态变化过程。平面形态对比结果表明：2002-2013年荆江段多年平均崩退速率约为15.0 m/a，崩岸总长达42.3 km，左岸占59.2%；下荆江岸线崩长约为上荆江的2.2倍，且石首、调关及荆江门等河湾凸岸一侧受低含沙水流长期冲刷不断崩退，其岸线崩长约占下荆江崩岸总长的35.5%。断面形态对比结果显示：2002-2015年荆江段约有21%断面存在明显的崩岸现象，且近74%的崩岸断面位于下荆江。故近期荆江段崩岸分布规律主要表现为左岸多于右岸，下荆江多于上荆江，且下荆江部分河湾凸岸崩退显著。定量分析了河岸土体组成与分布、来水来沙条件等因素对崩岸过程的影响，发现来水来沙条件的影响占主导地位。建立了上、下荆江典型断面平滩河宽与前期水沙条件之间的经验关系，除工程守护良好的断面外，相关系数均高于0.85，提出的经验公式可较好反映水沙条件变化对平滩河宽调整的影响。
沟岸侧蚀对泥石流形成和运动过程的影响
吕立群, 王兆印, 崔鹏, 徐梦珍
2017, 28(4): 553-563. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.009
摘要
摘要:
沟岸被侧蚀掉的松散物质会通过动量交换将能量传递给龙头，从而影响泥石流的形成和运动过程。前人建立了许多模型来研究泥石流的侵蚀过程对泥石流形成和运动过程的影响，但是模型中大多以底蚀作用为前提条件。通过侧蚀模型和底蚀模型两种水槽实验的对比，针对泥石流的形成和运动过程展开研究。实验发现侧蚀作用更有利于泥石流的形成和运动，泥石流的龙头高度和速度都有波动特征，但侧蚀作用使得这种波动特征更加明显。侧蚀作用使得泥石流的龙身速度更快于龙头速度，龙身颗粒源源不断地堆积于龙头，使得龙头有较大的高度和附加坡降，因此，侧蚀条件下龙头的速度更快。
急缓流态交替的陡坡河道水动力模型
吴晓玲, 向小华, 牛帅, 王船海
2017, 28(4): 564-570. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.010
摘要
摘要:
为解决河道水动力模拟中由于局部急、缓流态交替可能导致计算不稳定、模拟过程无法实施的问题，提出根据实际河段存在的缓流、急流、水跌以及水跃4种流态，采用基于特征线、水量平衡等原理在各流态分界处添加内部边界的思路，建立基于Preissmann方法的复杂流态自适应模拟模型。所构建的模型能保持Preissmann方法的特点，即相邻断面离散模板以及河道首末断面各需给定一个边界条件，该特点有利于方法直接与现有成熟河网水动力模型连接。理想算例的计算结果表明方法能够模拟急、缓流之间的渐变过渡；而石亭江的实际算例表明在急、缓流态频繁交替时，采用单河道模式及河网模式均能收敛到恒定状态，满足模拟实际复杂流态时的稳定性要求。
河道一维非恒定流微分结构摩阻公式及其试验论证
周俊伟, 包为民, 孙逸群, 张乾
2017, 28(4): 571-578. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.011
摘要
摘要:
传统的恒定流经验摩阻公式作为对恒定流状态下摩阻的总结，建立在摩阻、流速、水深存在单一关系的基础之上。而非恒定流条件下，水文要素的涨落存在先后顺序，各水文要素之间不再是单一关系。为提高一维非恒定流摩阻的模拟精度，考虑水文要素的时空变化对摩阻的影响，运用量纲分析整理出以微分结构表达的摩阻改进公式。并设计实验模拟单峰水流过程，验证公式改进的有效性。结果表明，相对于谢才公式，改进公式提高了对一维非恒定摩阻的模拟精度，有一定的实用价值。
明渠紊流中涡结构的运动规律
陈启刚, 钟强
2017, 28(4): 579-587. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.012
摘要
摘要:
明渠紊流中随水流迁移的涡结构在传质过程中具有重要作用。为观测涡结构在整个生存期内的运动过程，将两套高频粒子图像测速系统的测量范围沿水流方向拼接，实现流场的大范围测量。将上述方法用于测量摩阻雷诺数为490~870的明渠紊流的纵垂面流场，并结合涡结构跟踪算法，得到了涡的生存时间、运动速度、位移及强度变化等参数。分析表明，涡结构的水平运动与水流同步，但整体有向水面抬升的趋势，在低雷诺数条件下，最大生存时间约10倍涡周转时间，最大垂向位移约0.4倍水深；随着雷诺数的增大，涡结构的量纲一运动速度未发生明显变化，但极限强度和强度变化速率均增大，且极限强度的增加幅度相对较小，使得涡结构的生存时间缩短，纵、垂向位移相应减小。研究结果揭示了生存时间是影响涡结构运动规律的关键变量，初步得到了涡结构运动规律随水流条件的变化趋势。
内孤立波环境下圆柱和方柱受力特征——II.数值模拟
王玲玲, 王寅, 魏岗, 陆谦益, 徐津, 唐洪武
2017, 28(4): 588-597. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.013
摘要
摘要:
柱体受内波作用力的数值模拟大多针对圆柱展开，方柱在内波环境下受力特性研究较少。借助三维数值波浪水槽，采用大涡模拟（LES）技术研究了内孤立波的产生、传播及其对不同形状柱体的受力特性。对比分析了内孤立波波幅对圆柱和方柱受力的影响规律。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，无论在上层或下层水体，方柱表面的压力分布更不均匀，迎流面与背流面的压差更大，从而导致方柱相较于圆柱会受到更大的水平作用力。
基于图像测速的薄壁堰流表面流场测量方法
曹列凯, 白若男, 钟强, 李丹勋, 王兴奎
2017, 28(4): 598-604. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.014
摘要
摘要:
针对薄壁堰流水面落差大、流速沿程变化剧烈的特点，提出一种测量堰流表面三维流场的有效方法。该方法基于双相机共面法重构水面形态（无需对相机进行复杂的内外参数标定）和大尺度粒子图像测速技术（LSPIV）测量二维流场，通过相机像平面与水面之间的空间映射关系，将像平面的二维流场数据逆投影至世界坐标系下已知坐标点的切平面上，解算出三维表面流场。该方法应用于薄壁堰流试验，有效重构了堰流三维表面形态及流场，其初步结果表明，堰流的流向速度在自由泄流长度范围内先增加后减小，转折点大致在自由泄流长度中间位置；在该位置之后，垂向流速占主导；同时该方法可行，计算结果合理。
规则波导斯托克斯漂移对污染物输移的影响
任春平, 白玉川
2017, 28(4): 605-613. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.015
摘要
摘要:
为研究斯托克斯漂移对近岸污染物输移的影响，首先建立波导流和考虑斯托克斯漂移的对流扩散数值模型，通过数模结果与实验结果的比较，研究平直斜坡地形下规则波入射时斯托克斯漂移对污染物输移的影响，波导流模型中波浪场基于波能守恒方程来模拟，波导流场基于Longuet-Higgins提出的辐射应力来模拟，污染物对流扩散模型考虑了斯托克斯漂移的影响。其次，利用一个算例来验证对流扩散模型，结果表明数值模型计算结果与解析解吻合良好。最后，利用该模型模拟了两个实验工况下污染物的输移，数值模拟结果与实验结果吻合良好，表明斯托克斯漂移对近岸污染物向岸线方向的输移有比较明显的影响。
潮汐流影响下珊瑚岛礁附近波浪传播变形和增水试验
姚宇, 唐政江, 杜睿超, 蒋昌波
2017, 28(4): 614-621. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.016
摘要
摘要:
为揭示潮汐流影响下珊瑚岛礁附近波浪的运动特征，通过波流水槽试验对潮汐流存在下规则波的传播变形和增水规律进行了研究，测试了一系列的潮汐流流量并对比正向流、反向流以及无流的情况。研究结果表明：反向流使波浪破碎点向远海侧移动，正向流则使其向海岸侧移动，反向流存在时破碎带内的湍流较正向流时更为剧烈；反向流时破碎点附近入射波能量由主频波向高次谐波发生转移更为显著；潮汐流的存在对波浪反射、透射和能量耗散并无明显影响；正向流造成礁坪上波浪增水减少，反向流则促进增水的增长，增水最大值与潮汐流流量间存在显著的线性关系。研究成果可望为岛礁工程的建设和维护提供一定的理论参考。
水利大数据研究综述
陈军飞, 邓梦华, 王慧敏
2017, 28(4): 622-631. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.017
摘要
摘要:
为了推动水利大数据的发展及其在水利管理中的应用，对水利大数据相关的研究进行总结和分析，并对未来的研究方向进行展望。在回顾水利大数据的产生背景和发展历程的基础上，界定了水利大数据的概念及内涵；构建了水利大数据的研究框架，并对水利大数据的存储与共享方法、分析平台、挖掘算法、数据可视化和应用等进行了探讨。结合水利大数据研究发展和应用需求，从数据集成方法、分析挖掘算法、数据安全和综合决策分析平台等方面对水利大数据研究领域的发展趋势进行阐述。
水文实验研究进展
吴雷, 许有鹏, 王跃峰, 徐羽, 林芷欣
2017, 28(4): 632-640. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.04.018
摘要
摘要:
阐述了水文实验的概念与内涵，归纳了水文实验的研究方法及其特点，系统地回顾了国内外流域水文实验的发展历程，梳理了应用实验方法进行植被截留与阻滞作用、降水径流关系、非饱和带水分运移以及气候变化和人类活动影响下的水文过程研究的进展，分析了当前水文实验发展的不足，提出未来水文实验的发展方向：传统的实验流域着重于地表水研究，没有深入水文循环系统的内部，应将水文实验的研究范围从地表扩展为关键带部分，并加强跨流域的补给、径流与排泄关系研究；多学科交叉的综合观测实验与协同研究是水文实验的发展趋势；当前水文实验的系统性与规范性仍显不足，应重视水文实验站网建设，加强水文实验的规范性，以促进实验数据交换和研究成果对比。

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