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2018年  第29卷  第1期

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黄河源区多年冻土活动层土壤水文过程季节变异分析
曹伟, 盛煜, 吴吉春, 王生廷, 马帅
2018, 29(1): 1-10. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.001
摘要:
为从整体上认识多年冻土活动层土壤水文过程季节变异特性,以黄河源区巴颜喀拉山北坡冻土剖面为例,结合大气降水、冻土土壤水分、冻土层上水的野外观测,采用HYDRUS-1D软件冻融模块进行模拟分析,分析冻融作用对活动层土壤水文过程的影响,研究结果表明:①冻土层上水位与土壤水热之间存在着相互影响、相互作用的关系,依据活动层土壤温度变化,基于冻融过程,多年冻土活动层土壤水分与冻土层上水位可划分为冻结稳定、快速融化、融化稳定和快速冻结4个阶段。②降雨入渗是坡面尺度下活动层土壤水文过程的主要驱动力,活动层冻融锋面是主要限制性因素,受冻融过程影响,冻结期降雨减少,土壤冻结,土壤储水能力下降,土壤水分下渗停止,坡面侧向流动减弱,土壤水分和冻土层上水位处于下降趋势;融化期降雨增多,土壤融化,土壤储水能力上升,土壤水分下渗强烈,坡面侧向流动增强,土壤水分和冻土层上水位处于上升趋势。③受坡面地形影响,上坡活动层厚度大于下坡,上坡冻融锋面变化较下坡平缓,上坡土壤水分和冻土层上水位的变化幅度相对下坡较为平缓,而上坡土壤水分相对下坡含量较低,下坡冻土层上水位相对稳定。
亚洲中部干旱区积雪时空变异遥感分析
陈文倩, 丁建丽, 马勇刚, 张喆, 周杰
2018, 29(1): 11-19. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.002
摘要:
亚洲中部干旱区的大尺度遥感积雪信息研究,可在跨界河流水资源分配利用方面提供数据支持,对国家重大战略的生态安全保障有重要作用。采用数据融合方法,将MOD10A2和MYD10A2数据进行融合去云处理,结合气象站点积雪数据评估去云后的积雪识别精度;提取积雪覆盖率(SCP)与积雪日数(SCD)信息,分析SCP与SCD年际、年内变化差异;结合数字高程模型,分析不同高程带下SCP的时空变化规律。结果表明:①MOD10A2与MYD10A2融合去云处理,可有效去除云的干扰,准确提取亚洲中部干旱区积雪变化信息。②年内SCP最大值范围为55.7%~77.4%,最小值范围为1.6%~2.9%,融雪期SCP下降速率具有明显地域差异,总体SCP呈缓慢增加趋势。③总体SCD呈略微下降趋势,32.2%的区域呈下降趋势,30.9%的区域呈增加趋势,36.9%的区域保持稳定不变。④海拔1 000 m以下,SCP年内随季节变化呈U型,年际变化显著;1 000~4 000 m区域,SCP年内均随季节的变化呈现出V型,年际变化呈现出稳定性波动;6 000 m以上为永久性积雪,季节、时空变化差异性均不明显。
基于改进填洼模型的城市洪涝灾害计算方法
赵刚, 徐宗学, 庞博, 姜其贵, 孟德娟
2018, 29(1): 20-30. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.003
摘要:
城市水文模型广泛应用于城市雨洪管理研究中,但由于它无法直接给出流域的淹没情况,制约了其在城市洪涝灾害评价中的应用,因此,有必要对其进行改进。本研究开发了考虑下游影响的填洼模型,并将其与较为成熟的城市水文模型相耦合,使改进后的模型可以模拟流域的淹没状况,并在北京市天堂河流域进行了试验研究。结果表明:改进后的模型可以快速模拟流域的淹没水深及淹没范围,其淹没水深结果与相关水动力学方法模拟结果较为一致。天堂河流域河道行洪能力低于20年一遇设计标准,流域洪水风险较大的区域集中在天堂河下游区域和田营沟与永北干渠的交汇处。若在下游区域进行开发,洪水风险还可能会继续增加。
不同承载标准下水资源承载力评价
金菊良, 董涛, 郦建强, 张礼兵, 李辉
2018, 29(1): 31-39. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.004
摘要:
为解决水资源承载力随水资源承载支撑力、承载压力和承载调控力不同而变化的问题,在探讨水资源承载力理论、特征和影响因素的基础上,分析水资源承载支撑力、承载压力和承载调控力系统,建立水资源承载力评价指标体系。同时,从承载标准的角度,考虑承载主体不同保证率下的水资源可利用量和承载客体不同的承载水平,建立不同承载标准下的区域水资源承载力评价模型;并应用该模型计算陕西省在不同供水保证率和不同承载水平下的水资源可承载人口和经济,评价结果可为陕西省水资源合理配置提供重要参考。应用结果表明该区域水资源承载力评价模型在不同承载标准下计算简单、适用性强,有很好的应用效果。
基于EnKF融合地球物理数据刻画含水层非均质性
康学远, 施小清, 邓亚平, 廖凯华, 吴吉春
2018, 29(1): 40-49. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.005
摘要:
含水层非均质性的刻画是模拟地下水中污染物运移的关键。以渗透系数为研究对象,构建了综合集合卡尔曼滤波方法、有效电阻率模型与地下水运移模型的同化框架,通过融合地球物理观测数据与污染物浓度观测数据来推估渗透系数的空间分布。基于理想算例,验证了该同化框架刻画含水层非均质渗透系数场的有效性,并针对不同初始参数信息与观测类型对比了耦合与非耦合水文地球物理方法的适用性。研究结果表明:基于集合卡尔曼滤波方法同化多种类型的观测数据,可有效地推估非均质参数空间分布。当初始信息较准确时,耦合方法的参数推估精度更高;初始信息存在偏差时,非耦合方法有更好的同化效果。由于非耦合方法计算成本较低且对初始信息缺失时适用性更强,在实际应用中可先基于非耦合方法初步估计参数,再利用耦合方法进一步提高参数推估精度。融合多种类型观测数据可有效提高参数推估效果。
有限单元法模拟地下水流的水头反常现象——对流量计算的作用
赵颖旺, 武强
2018, 29(1): 50-56. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.006
摘要:
地下水流数值模拟是定量研究地下水水量和水质的重要手段。为揭示有限单元法水头反常现象形成的原因,以三维非均质模型为例,刻画了水头反常现象。储量集中法(Lumped Mass方法)是有限单元法中储释水量计算的替代算法,可以改善水头反常现象。对结点控制区域的均衡性质进行了研究,分析了使用Lumped Mass方法时的水头反常现象,结果表明:结点控制区域的对流量计算受到该结点所在层及其相邻层水力坡度的影响;在抽水初始阶段,抽水井结点水头快速下降,导致相邻层中相邻结点控制区域的侧向流入量为正值,控制区域为储水过程,结点水头上升,表现出水头反常现象。因此,有限单元法中对流量的计算是引起水头反常现象的原因。
深水库区细颗粒淤积物重力驱动流动数值模拟——以三峡水库为例
假冬冬, 周建银, 邵学军, 张幸农
2018, 29(1): 57-63. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.007
摘要:
针对三峡水库近坝区细颗粒泥沙淤积特征,从过程机理出发,提出了深水库区细颗粒泥沙淤积过程的物理图形。采用临界坡度作为细颗粒淤积物失稳流动的判别标准,借鉴浅水流动模式,描述失稳后细颗粒淤积物重力驱动流动过程,通过耦合三维水沙数学模型,建立了细颗粒淤积物重力驱动流动的数值模拟方法,在此基础上对三峡水库近坝区细颗粒泥沙淤积形态进行了模拟研究。研究结果表明:水库蓄水运行初期近坝区细颗粒泥沙主要淤积在断面深槽内,且呈水平状,考虑重力驱动流动后的模拟结果与实测结果吻合较好,从而为进一步深入研究深水库区细颗粒泥沙运动特征提供了技术支撑。
基于模型试验的泥石流坡面物源启动预警模型
乔建平, 李明俐, 杨宗佶, 孟华君, 姜元俊
2018, 29(1): 64-72. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.008
摘要:
为进一步探明银洞子沟物源区坡面物源启动机理与降雨的相关性,在进行详细的现场考察与工程勘察工作后选取了典型模型体,并采用20余组人工降雨物理试验方法将降雨强度与坡度设为控制变量,研究了4种坡形、5种雨强条件下,坡面松散物源的失稳机制及破坏模式。试验结果揭示了地表变形与地下物理力学参数变化的定量响应关系,并基于试验发生破坏的临界雨量,建立了银洞子沟传统I-D预警模型。之后提炼可靠预警参数(坡度、深部体积含水率),通过数学回归分析方法并采用Exponential模型,得出IGD、IGM多参数新型预警判别式,实现了传统I-D模型的有效修正,并具一定的可靠性和实用价值。
水库运行对漫湾库区洲滩水热交换影响
姬雨雨, 陈求稳, 施文卿, 易齐涛, 林育青
2018, 29(1): 73-79. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.009
摘要:
以澜沧江漫湾水库库区洲滩为研究对象,依据水库运行导致的水位波动特征,同步监测洲滩内部水位、水温变化过程,核算洲滩侧向潜流交换量,建立水温与水位之间的响应关系,分析潜流交换水流路径上溶解氧、溶解性碳素变化。结果表明:水库运行引起洲滩水位周期性波动,侧向潜流交换加强,洲滩水位最大变幅达2.2 m,水库一次蓄泄过程进出洲滩的水量达3 956 m3,洲滩边缘区潜流交换量为中心区的4~5倍;在涨水过程中,洲滩水温下降,中底层温度梯度较大,而在落水过程中,洲滩水温上升,中表层温度梯度较大;溶解氧、溶解性有机碳和无机碳在河流至洲滩潜流交换路径上同步递减,分别从3.27 mg/L、7.3 mg/L和66.0 mg/L下降至0.17 mg/L、2.4 mg/L和40.6 mg/L。水库运行导致的水位波动加强了库区洲滩潜流交换,对河流物质循环产生潜在影响。
中华鲟产卵栖息地的三维水力因子适宜性分析
班璇, 高欣, Panayiotis DIPLAS, 肖飞, 石小涛
2018, 29(1): 80-88. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.010
摘要:
建立三维水动力学模型分析中华鲟产卵栖息地水力因子的时空分布和中华鲟产卵时的适宜水力特性,为设计最佳的生态调度方案提供科技支撑。研究结果表明,中华鲟产卵栖息地的上产卵区水深和流速的变化主要受流量影响,涡量的变化主要受地形影响;中华鲟产卵前需要高流量脉冲刺激产卵。坝下与隔流堤之间流速和涡量值的大小与波动远大于其他区域,均值为2.4 m/s和11 m2/s。产卵栖息地水体表层、中层和底层的流速和水平涡量分布格局相似,均是在上产卵区值较大,空间分布多样性高。水体中层垂向涡量的值远大于底层和表层。产卵栖息地水体表层、中层和底层水力分布特征为中华鲟繁殖提供了有利的水力条件,体现出中华鲟对产卵栖息地不同功能区的自主选择性。
对MPS法在溃坝模拟中数值压力振荡问题的改进
王丽珠, 蒋勤, 张长宽, Iddy IDDY
2018, 29(1): 89-99. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.011
摘要:
为探索模拟大变形自由面流体运动的高精度数值计算方法,以溃坝水流运动为例,基于MPS法(Moving Particle Semi-implicit method,移动粒子半隐式法)建立了一个垂向二维改良MPS法数值计算模型。首先,为了改善传统MPS法中存在的自由表面粒子误判以及数值能量耗散问题,提出新的自由表面粒子识别方法和高精度的压力梯度模型。在此基础上,以Lobovsky'等的溃坝物理模型实验为例,探讨不同形式压力泊松方程源项对溃坝冲击压计算精度的影响,提出一个新的源项形式。数值结果分析表明,新自由表面粒子识别方法和高精度压力梯度模型可以有效地减少自由面粒子的误判概率,抑制水流运动计算中的数值能量耗散。而压力计算结果与实验结果的对比表明,所提出的压力泊松方程源项可以有效地减少数值压力震荡的幅度。
生产堤溃决后漫滩水流的概化模型试验研究
张晓雷, 夏军强, 陈倩, 果鹏
2018, 29(1): 100-108. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.012
摘要:
黄河下游主槽两侧修建的生产堤通常仅能抵御中小洪水,用于保护滩区农田与村庄安全;当遭遇大洪水引发生产堤溃决时,漫滩洪水会严重威胁滩区群众的生命财产安全。当前研究溃堤洪水的传播过程与演进机理多采用数值模拟,而原型观测及模型试验成果十分有限。通过溃堤漫滩洪水的概化模型试验,模拟了生产堤溃决后主槽内的水位变化及不同程度漫滩洪水的传播过程。试验结果表明:①溃堤后漫滩水流以涨水波的形式向滩区迅速传播,主槽内水位具有先降低,然后维持稳定,再升高,最后趋于稳定的变化过程,且溃口上、下游水位变化速率不同;滩区水位总体表现为持续升高,最后趋于稳定的趋势。②漫滩洪水波的波前到达时间主要与滩区地形及距溃口的距离有关,波前首先以溃口为中心呈近似对称式椭圆形分布,而后转变为非对称分布;溃堤水流在滩区传播过程中伴有水跃发生,水跃发生的位置由距溃口较远处逐渐趋向溃口位置。③溃口流量与溃口内外水位差直接相关,呈先减小、然后维持稳定、再减小最后为0的变化特性。研究成果不仅可以提升对溃堤洪水在滩区演进规律的认识,丰富溃堤洪水动力学理论,还可为数学模型验证提供实测资料。
开敞式潮滩-潮沟系统发育演变动力机制——Ⅲ.海平面上升影响
龚政, 严佳伟, 耿亮, 朱思谕, 李欢, 张长宽
2018, 29(1): 109-117. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.013
摘要:
为研究海平面上升对潮滩-潮沟系统的影响,以江苏中部粉砂淤泥质海岸为原型,建立变态物理模型,模拟研究在不同海平面潮汐过程作用下的潮沟发育和演变过程,分析了潮滩淹没历时、排水密度、潮沟断面形态等特征参数变化规律。研究表明:潮沟在发育初期伸长速率高于拓宽速率,最终趋于动态平衡;海平面上升后,潮滩淹没历时增加,露滩时间缩短,归槽水对潮沟底床的塑造作用减弱;平均归槽水流长度和Horton排水长度均随海平面上升呈现出减小趋势,潮沟的排水能力增强;潮沟断面宽深比服从对数正态分布,随着海平面上升,潮沟断面面积和宽深比均呈现出增大趋势,宽深比分布范围变广。
径潮共同作用对径流型河口盐水上溯的影响
尹小玲, 赵雪峰
2018, 29(1): 118-126. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.014
摘要:
为进一步认识径流型河口枯季盐水上溯距离变化的影响因素及其作用机制,将实际河口简化并在不同径流量下分别用等潮差正弦潮和主要分潮驱动,进行盐水三维数值模拟试验。结果表明:随着径流和潮汐两大基本作用的相对强度不同,平衡态下盐水形态和位置自动调整并最终达到盐输运平衡,径流量小于3 000 m3/s且潮差小于2 m时,最大上溯距离随潮差的变化规律在不同径流量下存在明显差别;大小潮半月周期内盐水呈现非平衡态,非强混合时潮周期盐水上溯最大距离围绕平衡态随潮差呈顺时针绳套关系变化。径流导致的密度环流作用和潮汐的混合作用交织,两者相互影响并协同发展,两种作用相对强度的不同是导致径流型河口盐水上溯距离变化显著的主导因素。
国际上水资源综合管理进展
李原园, 曹建廷, 黄火键, 邢子强
2018, 29(1): 127-137. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.015
摘要:
中国近年实施最严格水资源管理制度、全面推行河长制等一系列政策,不断探索完善水资源综合管理的体制和机制。为加强对水资源综合管理的认识,推动中国水资源综合管理的实施,结合国际社会对水资源综合管理认识和实践新成果,主要梳理总结水资源综合管理理念的形成过程、主要组成、实施状况、存在问题和发展趋势。结果显示:①随着对传统水资源管理存在分散化等问题的认识,水资源综合管理的理念逐渐形成,并已被国际社会所接受;②水资源综合管理实施"综合"途径管理水资源,强调通过完善实施的环境条件、机构框架、具体管理手段和稳健的水基础设施投资机制,实现用水效率、社会公平、环境可持续的均衡;③许多国家已把综合管理的理念和措施纳入到其水资源管理政策和体制框架设计中,并在水管理的实践过程中取得新进展;④国际上水资源综合管理理念和经验为进一步完善中国水资源管理提供了启示和借鉴;⑤未来水资源综合管理将进一步得到推广实施,从理念到解决具体水问题的实践过程将进一步加强,并呈现多样性和动态性特征。尽管面临由于气候变化影响和水与社会经济交互作用导致的不确定性、复杂性等问题的挑战,随着水资源综合管理的实践和水科学研究进步,水资源管理将进一步采用整体、多学科和可持续的途径,助力可持续发展目标的实现。
城市化对降水影响的研究综述
胡庆芳, 张建云, 王银堂, 黄勇, 刘勇, 李伶杰
2018, 29(1): 138-150. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.016
摘要:
通过长期研究,关于城市化会对局地降水产生一定影响已成为共识,但由于不同地区降水形成、分布机制的复杂性以及气象观测资料、数值天气模式的局限性,目前国际上对于城市化影响降水的物理机制及驱动因素仍存在不同认识,关于不同条件下城市化对降水影响的具体规律也具有争议。在阐述城市化对降水影响的主要物理机制的基础上,从站点资料解析和综合遥感资料解析两方面归纳和比较了近年城市化对降水影响的主要资料检测事实,总结了关于城市化单一因素和综合因素对降水影响的数值模拟试验的主要结论,最后从城市综合气象观测试验、城市化降水效应的系统检测、城市化降水效应的精细化模拟、城市化降水效应的区域影响、城市化降水效应的适应与调控5个方面,论述了存在的主要问题及发展方向,为深化对城市化降水效应的科学认识以及应对其不利影响提供了参考。