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2017年  第28卷  第5期

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黄河下游漫滩高含沙洪水滩槽界定及泥沙时空沉积特性
申冠卿, 张原锋, 张敏
2017, 28(5): 641-651. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.001
摘要
摘要:
黄河下游漫滩高含沙洪水河床调整剧烈，多数断面洪水后形成"相对窄深河槽"，洪水前后河槽宽度发生明显变化。分别以观测断面洪水前后的河槽宽度为基准，计算漫滩高含沙洪水期泥沙时空沉积分布，结果表明，漫滩高含沙洪水与非漫滩高含沙洪水相比，能将主河槽内淤积泥沙量的59.3%搬运至嫩滩或滩地，减缓主河槽淤积。在分析研究基础上，建立了洪水后漫滩河段河槽相对缩窄率与洪水前期河槽宽度的量化关系，洪水后主槽宽度缩窄率为15.5%~44.0%；分析遴选了漫滩高含沙洪水滩地淤积量与主要水力因子间关联度及物理含义，给出了漫滩高含沙洪水滩地淤积量与相应水力因子间的响应函数；初步提出漫滩洪水河道塑槽淤滩的临界水沙配置指标，临界水沙系数取值为0.025~0.040。成果对高含沙洪水调控具有一定的指导意义。
近30年黄河下游河道深泓线摆动特点
李洁, 夏军强, 邓珊珊, 周美蓉, 张诗媛
2017, 28(5): 652-661. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.002
摘要
摘要:
冲积河流深泓摆动具有复杂的时空变化特点，其摆动特点对于研究黄河下游河势变化及河床演变规律具有重要意义。以1986-2015年黄河下游91个淤积断面汛后实测地形资料为基础，计算下游断面及河段尺度的深泓摆动宽度及强度，分析近30年来黄河下游各河段的深泓摆动特点，并探讨游荡段深泓摆动强度的主要影响因素。结果表明：深泓摆动方向具有往复性，各断面深泓摆动宽度呈现上段大、中下段小的特点；小浪底水库运行后下游深泓摆动宽度大大降低，游荡段、过渡段和弯曲段年均深泓摆动宽度较水库运行前分别减小了47%、37%和41%；河床边界条件（滩槽高差、河床组成等）对游荡段深泓摆动强度有一定影响，但上游来水来沙条件是主要影响因素；建立了游荡段深泓摆动强度与该河段前4年平均水流冲刷强度的幂函数关系，并对经验公式进行了验证。
风场变形误差对北京降水记录及变化趋势的影响
郑祚芳, 任国玉
2017, 28(5): 662-670. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.003
摘要
摘要:
风场变形误差是降水观测误差最主要的来源之一，其不仅影响观测值的准确性，也可能导致长期降水变化趋势中隐含虚假成分。结合北京地区20个气象站点1976-2015年逐日观测资料及前人研究成果，评估了风场变形误差对降水记录及其长期变化趋势的影响，结果表明：①近40年来北京地区平均降水捕获率为90%~95%，上升趋势较明显，但空间分布不均匀。城市化进程导致的风速减小是近10年来北京城、乡降水捕获率差异加大的主要原因。②北京地区风场变形误差存在明显的年际及季节差异。近40年来年均降水量订正值为23.1 mm，观测值较实际降水量年均低估了4.0%。订正后年均降水强度从实测的7.9 mm/d增加到8.3 mm/d，年降水量的下降速率从34.4 mm/10 a变为37.0 mm/10 a，观测值将降水强度低估了约4.8%，且将降水量的下降趋势低估了约7.0%。③对于强度越大的降水过程，风场变形引起的观测误差也越明显。对比发现，城市站点的风场变形误差年际振幅要大于乡村站点，弱降水过程中乡村站点的低估比城市站点明显，对大雨及以上强降水过程则相反，城市站点的低估比乡村站更显著。
太阳黑子和ENSO对日本吉野川流域水文要素影响
董林垚, 张平仓, 刘纪根, 童晓霞, 谢浩
2017, 28(5): 671-680. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.004
摘要
摘要:
剖析"太阳-气候-水资源"体系作用机制对区域水资源科学管理具有重要科学意义。利用相关分析、主成分分析和小波分析方法，探究太阳黑子运动和厄尔尼诺（ENSO）对日本吉野川流域降雨、地表径流和地下水位影响。研究结果表明：太阳黑子活动和ENSO对研究区域水文过程显著影响分别发生在11 a和2~7 a周期上；太阳黑子运动能量以ENSO为"媒介"作用于流域降水和河川径流，但对地下水位波动影响不明显；太阳黑子活动在不同时频域对研究区域水文过程产生"直接"和"间接"影响，太阳黑子的"直接"影响可能通过调制ENSO外的气候模态来实现，其"间接"作用则通过"ENSO-西太平洋副高-东亚环流-水汽运动"系统作用实现。
黄河流域水资源-能源-粮食的协同优化
彭少明, 郑小康, 王煜, 蒋桂芹
2017, 28(5): 681-690. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.005
摘要
摘要:
黄河流域是中国重要能源和粮食主产区，然而水资源短缺已成为制约能源、粮食发展的关键要素。为优化流域水资源、能源、粮食之间的关系，引入协同学原理构建水资源-能源-粮食整体分析框架，建立具有总分结构、互馈关联的协同优化模型，采用多要素均衡智能算法，提出黄河流域粮食生产、能源开发与水资源调配一体优化的布局方案。结果表明，通过水资源-能源-粮食协同优化，2030年增加流域供水量23.98亿m3；优化了流域粮食生产布局，人均粮食产量提高12%；优选了能源产业规模和结构，煤炭开采、石油加工和火电总装机分别增加了2.86倍、4.08倍和0.80倍；在满足生活、生态环境用水的同时实现了粮食增收、能源增产。
基于区域农业用水量的干旱重现期计算方法
张宇亮, 蒋尚明, 金菊良, 吴志勇, 周玉良
2017, 28(5): 691-701. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.006
摘要
摘要:
为研究实际水利条件下农业干旱的发生规律，简化农业干旱事件的评估方法，提出基于区域农业用水量的干旱重现期计算方法。通过构建农业用水量距平百分率干旱指标WA，在基于降雨量距平百分率干旱指标PA识别干旱事件的基础上，提取WA干旱指标下的干旱历时和干旱烈度特征变量，并根据以PA为干旱指标的干旱烈度频率分布曲线FS（x）和干旱历时频率分布曲线FD（x），运用Copula的简化方法计算基于WA的干旱事件重现期T，最后结合基于PA的干旱事件重现期T0，回归分析出T与T0间关系的计算公式。选取干旱灾害影响严重的亳州市为实证区域开展应用研究，计算得到1975-2007年各场干旱事件的T0和T以及T0与T的经验关系式。结果表明：T比T0更合理地反映区域农业实际受旱状况，重现期T0和T间存在高度的相关关系，采用T的回归方程可简化计算考虑区域实际抗旱能力下的干旱事件重现期，在区域防旱减灾实践中具有推广应用价值。
生物滞留带结构层参数对道路径流滞蓄效应影响
高建平, 潘俊奎, 谢义昌
2017, 28(5): 702-711. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.007
摘要
摘要:
基于非饱和土壤水分运动理论，采用数值模拟方法研究了4种降雨作用下生物滞留带结构层参数对设施积水、产流及径流调控效应的影响特性。结果表明：生物滞留带表层积水受蓄水层深度影响显著，随蓄水层深度由20 cm增加到30 cm，设施的溢流控制水量平均提高0.196 m3左右，但积水时长增加可达85 min；生物滞留带各结构层参数对穿孔管产流均有一定影响，随种植土层与砂滤层厚度比或内部储水区高度增加，穿孔管产流时刻推迟，产流峰值减小，而蓄水层深度的增加则可导致穿孔管产流时刻提前、产流峰值增大；在4种降雨作用下，5类滞留带径流量平均消减率为16.71%~37.31%，径流峰值平均消减率为41.53%~63.90%，产流平均延迟时间为97.75~166.50 min；当滞留带发生溢流时，设施的径流调控能力显著降低，且结构层参数对设施径流调控效果的影响减弱。
选沙相似律对模型沙波相似性影响的试验研究
徐敏, 陈立, 何俊, 李东锋
2017, 28(5): 712-719. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.008
摘要
摘要:
为了弄清选沙相似律对动床模型沙波相似性的影响，开展基于起动相似等3种不同相似律选择模型沙的沙波水槽试验。基于试验观测的沙波波高、波长以及沙波不同部位的水深、流速，对比分析了沙波尺度及其随水流强度变化过程的相似性。结果表明：当模型沙重率、形状与原型沙相同时，满足起动相似的模型沙沙波尺度与原型相似性最高，满足悬浮相似模型沙的沙波整体偏高、偏长，兼顾起动与悬浮相似的模型沙介于两者之间；不同选沙相似律不影响沙波波高、波长随相对水流强度的变化规律，满足不同相似律的模型沙沙波波高均在相同的相对水流强度达到最大值，波长随相对水流强度增大而增大。说明偏离起动相似越少，沙波相似程度越高。
人工掏挖坡面侵蚀微地貌演化及其水力学特性分析
孙立全, 吴淑芳, 郭慧莉, 张永东
2017, 28(5): 720-728. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.009
摘要
摘要:
人工掏挖是黄土高原地区夏闲地翻耕时广为应用的耕作方式，为探明其坡面侵蚀过程，利用三维激光扫描仪及ArcGIS软件，阐明其在人工模拟间歇降雨下坡面微地貌、侵蚀产沙及水力学参数演变规律。结果表明：①坡面侵蚀历经溅蚀-片蚀、断续细沟、连续细沟3个阶段；降雨截止时细沟平面密度、平均沟深、最大沟长和最大沟深分别增至初始的1.42倍、2.24倍、15.5倍和2.43倍。②地表糙度随降雨历时推移从1.706呈近似线性趋势减小至1.488；累积降雨量达80 mm之前，径流量、含沙量随地表糙度的减小增加缓慢，但之后随地表糙度减小增加剧烈。③降雨过程中流速呈现波动增加趋势，水流由层流快速过渡至紊流，但始终保持为缓流，水流阻力呈波动下降，且形态阻力一直居于主导地位。人工掏挖耕作坡面在雨强1.5 mm/min、降雨量80 mm以内可起到蓄水保土作用，但在连续强降雨下也更易引起细沟侵蚀。
深尾水消力池非完全宽尾墩消能试验研究
周招, 王均星, 梁砚, 张文传
2017, 28(5): 729-737. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.010
摘要
摘要:
为解决下游深尾水工程中常规底流式消力池内由于消能紊动不足引起出池水流二次水跃、冲刷下游天然河床等一系列工程难题，结合物理模型和数值模拟对比研究平尾墩、常规宽尾墩以及非完全宽尾墩下游消力池内流场差异。研究结果表明：非完全宽尾墩利用平尾墩闸室与相邻宽尾墩闸室入池水流横向水位落差和纵向流速梯度，迫使雍高射流入池水流呈弧形横向扩散、碰撞，显著增强剪切紊动，促使消力池上游区域形成由底至表不断发展壮大的立轴旋滚，提升消力池内能量紊动耗散、降低出池水流流速，完全解决常规底流式消力池中易出现的二次水跃、消能不充分等问题。
二维粒子图像测速实验中三维涡旋可测性分析
陈槐, 朱立俊, 范红霞, 王建中, 王志寰
2017, 28(5): 738-744. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.011
摘要
摘要:
现今二维粒子图像测速（PIV）广泛应用，为进一步提高PIV测量结果对紊流及水流和泥沙相互作用机理的理解，分析了二维PIV中三维涡旋的可测性。结合涡旋识别的旋转强度方法、坐标旋转定理和紊流经典Burgers涡模型，推导得出：二维PIV能否检测出三维涡旋，主要受涡旋环量和旋涡与测量平面之间的倾角两个因素影响，且仅当涡旋环量大于某一特定值（为倾角的函数）时，三维涡旋才可以被测量出。利用广泛使用的直接数值模拟（DNS）槽道紊流数据统计分析，得出了该条件下倾角和环量的相关曲线与拟合方程；结合环量概率密度累积分布可知，在常规二维PIV实验中，涡旋被测量出的概率越大，相应的倾角也越大，其中以90%、50%和10%的概率被测量出的三维涡旋与测量平面间分别呈20°、11°和5°的倾角。
西藏高原灌区氮素迁移转化特性及模拟方法
李玉庆, 张存, 张文贤, 冯晓波
2017, 28(5): 745-755. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.012
摘要
摘要:
针对西藏高原灌区的水文和氮素迁移转化特性，于2014年和2015年青稞种植期在西藏林芝市丹娘灌区测定了土壤-松散岩体介质中径向渗流和地表排水过程中的流量、氨氮和硝态氮浓度变化过程。发展了分段连续演算方法描述径向通量过程，基于集总式一阶动力学方法计算径向渗流及排水过程中氮素的转化过程，构建了西藏高原灌区水文及氮素迁移转化模型。结果表明：灌区径向通量分别占降雨量和灌水量的26.2%和40.9%。进入排水沟的NH4+-N和NO3--N通量分别占深层渗漏量的20.2%和25.1%。流量、NH4+-N和NO3--N浓度模拟结果的系统偏差、Nash-Sutcliffe系数、相对均方根误差和累积偏差分别为0.043、0.694、0.081和0.242，表明所提出的方法有效地模拟了西藏高原灌区水文及氮素的迁移、转化和入河过程。
地下水人工回灌气相堵塞特征的试验研究
束龙仓, 张永杰, 许杨, 吴佩鹏, Abunu Atlabachew, Esther Chifuniro Mabedi
2017, 28(5): 756-762. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.013
摘要
摘要:
地下水人工回灌可以高效地利用雨季丰沛的水量来缓解地下水过量开采造成的海水入侵、泉水断流等环境水文地质问题，但回灌堵塞一直是制约人工回灌效率的关键问题。针对雨洪水回灌携带的大量气泡问题，设计室内砂柱试验模拟装置，利用曝气水进行人工回灌，定时记录试验过程中测压管读数及出流流量，利用达西定律计算各层渗透系数，研究气相堵塞的发展过程和规律。结果表明：回灌过程中由于气相堵塞导致含水层渗透系数随时间呈指数衰减，气相堵塞主要发生在介质浅表层（0~30 cm），且随时间有向下发展的趋势，堵塞速率随深度的增加逐渐减小，在回灌过程中适时停灌进行排气有利于减小气相堵塞对回灌效率的影响。
水位变化条件下海湾水库盐分达标探讨
高增文, 李宇浩, 秦志新, 李红
2017, 28(5): 763-769. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.014
摘要
摘要:
针对中国北方海湾水库间歇来水、连续取水和沉积物动态释盐的特点，建立水量与盐分耦合的数学模型，以青岛拟建的沐官岛水库为例，探讨水位变化条件下混合型海湾水库库水盐分的影响因素、超标风险与达标条件。模拟结果表明，在水库水位连续降低条件下，毫米量级的日蒸发量对库水盐分的累积效应显著。在不利水文条件下，受沉积物释盐、水分蒸发与人工取水的影响，混合型海湾水库长期存在盐分超标的风险。与水位不变时相反，水位降低时库水盐分浓度随着取水量的增大而升高；因此，当库水盐分存在超标风险时，可以通过减少日取水量实现库水盐分达标。为保障安全供水，在海湾水库设计与运营管理阶段，均需要综合考虑水量-盐分因素进行水库的日取水量调算。
磨刀门河口洪季波生流及其泄洪影响
刘诚, 梁燕, 王其松, 彭石
2017, 28(5): 770-779. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.015
摘要
摘要:
磨刀门已由"径流型"向"径流-波浪型"河口转变，波浪已是该河口主要动力之一，但波浪对河口洪季水流及泄洪的影响缺少研究。在2-D潮流数学模型中添加随潮位实时变化的波浪辐射应力，建立波浪潮流耦合数学模型；波浪求解采用缓坡方程，背景水深由潮流模型实时提供，可通过比较考虑和未考虑波浪影响的河口流场来分析波浪对泄洪的影响。在年均常浪作用下，磨刀门河口洪季涨落潮阶段均有明显的波生环流结构。由于波浪作用方向向陆，波生流减弱了浅滩区的向海余流，增大了浅滩向陆余流；受浅滩向海余流减弱影响，河口动力自调整后形成归槽水流，促使深槽内向海余流增大。波浪有顶托河口泄洪之势，可改变滩槽泄洪分配比例；年均常浪的波高较小，其对潮流及泄洪的影响区域限制在浅水区，故对泄洪的负面影响有限。
河流水系连通性机制及计算方法综述
夏继红, 陈永明, 周子晔, 张琦, 彭苏丽, 王金平, 余根听
2017, 28(5): 780-787. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.016
摘要
摘要:
河流水系连通性具有水文调蓄、保障生物迁徙通畅、改善水土环境等功能，目前主要从水文、景观和生态等方面对其进行了定义，而河流水系连通性对社会发展也发挥着重要作用，故河流水系连通性具有自然和社会双重属性，其连通性机制主要表现为纵向、横向、垂向连通性。目前主要从景观学、水文学、水力学、生态学等学科角度提出了图论法、水文-水力学法、景观法、生物法和综合指标法等计算方法，各方法有其适用性和不足，应用中须针对实际问题选择适宜方法或进行修正。河流水系连通性未来研究应综合多尺度、多领域、多学科，在研究内容上，重点开展尺度协同、连通性含义界定、响应机理及修复问题研究，在研究手段上，重点开展多方法、多技术集成问题研究。
滨海地下水交互带中的胶体运移行为研究综述
谭博, 刘曙光, 代朝猛, 邓慧萍, 周辉, 丰莎
2017, 28(5): 788-800. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.05.017
摘要
摘要:
在分析国内外已有研究的基础上，综述滨海地下水交互过程中的胶体运移规律，重点阐述咸淡水驱替作用下胶体的宏观运移规律和微观作用机理。胶体在滨海地下水交互中可成为联系海-陆相的物质传输纽带，其运移行为主要受地下水水化学参数波动影响，受控于胶体类型与数量、表面电位及地下水pH、离子强度等因素，具有水动力、水环境多因子联合作用的特征，并在含水层中具有空间堵塞和团聚体结构改变的不确定性。未来关于滨海地下水交互带中的胶体行为研究应重视基础勘察，考虑胶体群体效应，结合滨海含水层对水动力、水化学条件的敏感性，研究胶体在多相体系中胶体运移的不确定性及其对污染物的协同运移作用，为滨海资源化研究构建统一分析体系和预测机制。

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