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2018年  第29卷  第2期

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对坡面径流挟沙力研究的几点认识
张光辉
2018, 29(2): 151-158. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.001
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坡面径流挟沙力是土壤侵蚀过程模型的核心输入参数。在系统界定坡面径流挟沙力概念的基础上，深入分析了坡面径流水动力学特性和泥沙特性对坡面径流挟沙力的影响及其机制，受降雨、地形、土壤、植被、土地利用、结皮形成、细沟发育和砾石出露等多种因素时空变异的综合影响，坡面径流挟沙力具有强烈的时空变化特征，导致坡面径流挟沙力的测定较为困难。将确定挟沙力常用的方法划分为河流挟沙力方程修正法、推理法、模型模拟法和测量法，比较分析了不同方法的优缺点。未来的研究应该重点关注挟沙力测定方法与技术、坡面径流输沙过程的动力机制、典型土壤的挟沙力、挟沙力方程构建与验证及变化条件下坡面径流挟沙力等方面。
基于蒸散发数据同化的径流过程模拟
王卫光, 李进兴, 魏建德, 邵全喜, 邓超, 余钟波
2018, 29(2): 159-168. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.002
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采用集合卡尔曼滤波算法，以遥感反演的蒸散发作为观测数据，构建一种基于新安江模型的蒸散发同化系统；根据同化后的蒸散发，采用粒子群算法估计新安江模型的土壤张力水蓄量，进而改进模型的径流模拟效果。选取地表能量平衡系统模型进行汉江流域蒸散发（ETSEBS）反演，采用基于GRACE水储量距平数据的水量平衡蒸散发（ETGRACE）进行验证，结果显示ETSEBS总体表现好于蒸散发产品ETGLDAS、ETZhang、ETMODIS，且相关系数（R）、均方根误差（ERMS）、偏差（B）为0.93、11.93 mm/月、-3.47 mm/月，表明SEBS模型能够较好地估算蒸散发。将同化方案在旬河流域进行应用，结果显示同化后径流的纳什效率系数（ENS）为0.85，较同化前0.81明显提高，且模型对枯水期径流的低估问题有一定改善，对径流峰值模拟效果提高明显。
基于分段三伽玛分布的降雨偏差纠正方法
高超, 文化, 宣伟栋, 刘莉, 许月萍
2018, 29(2): 169-178. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.003
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为解决全球气候模式模拟降雨与实测降雨存在较大偏差的问题，提出了一种基于分段三伽玛分布的偏差纠正方法。该方法将降雨序列按其分位点分为极小值、常规值和极大值3部分，分别对3部分降雨序列的累积概率分布曲线进行偏差纠正；基于分位数偏差累积思想提出了一种综合性评价指标C，对分段三伽玛方法的偏差纠正效果进行综合评估。应用该方法对CMIP5下18个GCMs在雅鲁藏布江附近17个气象站点的模拟降雨进行偏差纠正，并与单伽玛方法和双伽玛方法进行对比分析。结果表明：分段三伽玛方法可以很好地消除GCMs模拟降雨与实测降雨的偏差，率定期和验证期的偏差纠正效果大多在0.85以上；相比单伽玛和双伽玛方法，分段三伽玛方法在验证期的偏差纠正效果更好，表现更稳健。
冲积河流泥沙输移幂律函数指数变化规律
申红彬, 吴保生
2018, 29(2): 179-185. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.004
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冲积河流泥沙输移幂律函数关系与不平衡输沙理论是对河道不平衡输沙同一物理现象的不同描述，两者既有区别也有联系。比较研究发现：对于恒定均匀流不平衡输沙过程，当输沙位于近平衡态时两者含沙量导函数表达式具有一阶近似等价性，当输沙远离平衡态时前者含沙量导函数中隐含考虑有泥沙恢复饱和系数的变化。基于两者等价性，推导建立了幂律函数指数计算表达式，表明指数随泥沙沉速、单宽流量和沿程距离而变化，且随着输移距离的增大呈指数衰减。基于前者含沙量导函数表达式结构特点，分析建立了相应泥沙恢复饱和系数变化的计算表达式。综合以上成果，改进提出了一种变幂指数的泥沙输移幂律函数计算模型。对库里·阿雷克沉沙池沿程断面输沙指数及含沙量计算结果表明，不同距离过水断面输沙指数的变化规律是合理的，含沙量计算值与实测值变化趋势基本符合。
三峡水库下游分汊河道滩槽调整及其对水文过程的响应
韩剑桥, 张为, 袁晶, 赵瑾琼
2018, 29(2): 186-195. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.005
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为探究大型水利枢纽影响下分汊河道演变特征及其驱动机制，根据三峡水库下游的实测水文和地形资料，基于动态分流比对分汊河道进行了类别划分，在此基础上研究了主汊、支汊与洲头心滩的调整规律及其对水文过程的响应。结果表明：① 三峡水库蓄水后，坝下游分汊河道的洲头低滩均呈现萎缩，而汊河则表现为"主长支消"和"主消支长"并存的分异性规律；② 基于动态分流比的分汊河道类别划分方法，上述演变差异可归纳为枯水倾向汊河发展速率大于洪水倾向汊河的规律，且2008年之后洪水倾向汊河基本表现为淤积特征；③ 水文过程中洪水削减、中水持续时间增长是滩槽调整的驱动因素，汊河冲淤均是向着主支汊格局更加稳定的方向进行，并与流量变差系数减小的水文过程相适应。
三峡库区黏性泥沙在紊动剪切作用下的絮凝试验研究
祖波, 王军, 李振亮, 李旺
2018, 29(2): 196-203. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.006
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采集三峡库区忠县黄花城河段黏性泥沙进行紊动剪切作用下的絮凝试验研究。试验装置主要包括沉降柱、絮体分离室和絮体图像采集系统，试验中采用振动格栅产生近似均匀紊流场，并通过ADV（Acoustic Doppler Velocimetry）测量流速来校核流体剪切率和格栅振动频率的关系。试验结果表明：① 该黏性泥沙絮凝效果明显，絮体最大粒径Df，95为73~126 μm、平均粒径Df，50为18~33 μm，絮体粒径分布受紊动剪切率和泥沙浓度的影响较大；② 随着紊动剪切率的增大（从3.84 s-1至30.07 s-1），Df，95呈先增大后减小的趋势；当剪切率为19.94 s-1时，Df，95达到最大值，大絮体（粒径大于96μm）的数量百分数也达到最大值；③ 相同紊动剪切率条件下，不同浓度（0.3~1.0 g/L）泥沙絮凝后的絮体粒径分布，基本符合"泥沙浓度越高，Df，95越大"的趋势。
四川紫色土区强降雨情况下泥沙输移突增的临界条件
彭清娥, 刘兴年, 黄尔, 赵明辉
2018, 29(2): 204-212. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.007
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探明强降雨下泥沙输移突增的关键特征因子及其临界条件对预防泥沙灾害及减少水土流失将起到至关重要的作用。选取典型的四川紫色土试验区鹤鸣观小流域为研究对象，采用数据分类统计对比分析方法，对试验站近10年降雨径流输沙资料进行分析，研究强降雨情况下次降雨量、降雨强度和降雨历时等对泥沙输移突增的影响，找出导致泥沙输移突增的关键特征因子及其临界条件。研究结果表明：四川紫色土区强降雨情况下泥沙输移突增的关键特征因子为次降雨量、降雨强度以及最大径流模数；同时各关键因子的临界值分别为降雨强度5.3 mm/h，次降雨量130 mm，以耕作方式为主的坡地最大径流模数临界值为6 000 dm3/（km2·s），以种植林草为主的坡地最大径流模数临界值为3 000 dm3/（km2·s）。
沟岸侧蚀对泥石流不稳定动力过程的影响
吕立群, 王兆印, 崔鹏, 徐梦珍
2018, 29(2): 213-220. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.008
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泥石流作为非牛顿体，屈服应力大，运动过程通常不稳定。前人建立了许多模型来研究沟床揭底和堰塞体溃决对泥石流不稳定动力过程的影响，沟岸侧蚀对泥石流不稳定动力过程的影响研究较少。通过侧蚀为主的模型和完全底蚀的模型两种水槽实验的对比，针对泥石流的动力过程展开研究。实验发现两种工况条件下泥石流正应力和孔隙水压力随着龙头高度沿程波动性的增长而相应地波动性增大，但侧蚀作用使得这种波动特征更加明显。通过力学分析，证明侧蚀作用导致泥石流龙头的阻力更大，但是龙身颗粒和龙头颗粒的速度差更大，使得龙头附加坡降更大，因此，侧蚀作用使得泥石流龙头的平均速度更快。泥石流龙头浓度和容重的不断增大，使得阻力不断增大，阻力和动力的动态平衡关系是泥石流不稳定运动的原因之一。
雨水花园集中入渗对地下水水位与水质的影响
贾忠华, 吴舒然, 唐双成, 罗纨, 许青, 邵正宵
2018, 29(2): 221-229. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.009
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作为低影响开发（Low Impact Developmet， LID）措施之一，城市雨水花园集中入渗雨水径流可增加对城区地下水的补给。根据一现场监测试验，研究了长期（监测期3年）及短期（降雨3天内）雨水花园入渗点及对照点地下水位与水质的变化，分析了集中入渗的效果和影响范围。结果表明：① 雨水花园对入渗区地下水位产生了显著影响（α=0.01）；② 氨氮（NH4-N）在3年及雨后3日的观测值均显著小于对照值；总氮（TN）指标在短期增加显著，长期均值增加不显著。③ 硝态氮（NO3-N）浓度在降雨后有所升高，但不显著，几个观测点浓度有增有减；总磷（TP）浓度的短期值和长期均值有增有减。对于类似研究区地下水位在2~3 m的情况，集中入渗雨水径流可有效补给地下水，对氮素影响明显，对磷影响有限。
不同渗流强度对明渠水流结构影响的试验研究
陆彦, 周倪凯, 陆永军
2018, 29(2): 230-235. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.010
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关于明渠流引入渗流后的水流运动规律研究很多，但学者们的研究却存在着不同的结论。为探究不同渗流强度对明渠水流结构的影响，通过自行设计的明渠紊流水槽及渗透装置，利用PIV（Particle Image Velocity）图像采集系统及数据分析软件，测量了水流流速并分析了流速变化与相对渗流强度的关系。结果表明：水流流速并不是渗流强度的单值函数关系，随着入河渗流强度的增加，近底水流流速呈先减小后稍有增加，又继续减小的趋势；出河渗流时流速变化趋势与入河相反；出河及入河渗流都有着拐点的存在，且对应的相对渗流强度与雷诺数相关，雷诺数越大，拐点出现时对应的相对渗流强度越小。
梯形喉口无喉道量水槽水力性能分析
冉聃颉, 王文娥, 胡笑涛, 史利洁
2018, 29(2): 236-244. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.011
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以解决灌区普遍存在的通过增大水头损失来提高测流精度的问题为目标，探究梯形喉口无喉道量水槽在末级梯形渠道中量水的适用性。基于Flow-3D软件，采用RNG k-ε紊流模型和Tru-VOF方法对梯形喉口无喉道量水槽和矩形喉口无喉道量水槽水力性能进行了数值模拟，并通过物理原型试验验证了模拟结果的合理性。研究结果表明：梯形喉口无喉道量水槽测流过程中弗劳德数沿程呈单峰分布，在喉口下游附近出现临界流且喉口上游弗劳德数均小于0.5，满足灌区量水要求；测流过程中，最大流速位置随着量水槽边界变化而变化；对喉口收缩比相同的矩形喉口和梯形喉口无喉道量水槽测流精度、水头损失比较得出，梯形喉口有效改善了小流量时测流误差和大流量时的水头损失。
利用泉水电导率频率分布辨别岩溶含水系统的水源组分
郭芳, 姜光辉, 刘绍华, 汤庆佳
2018, 29(2): 245-251. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.012
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岩溶含水系统中水源组分的识别能帮助认识系统的结构，解决岩溶水文及水化学研究的基础问题。以灵水岩溶大泉为例，分解了4个水文年的电导率频率分布隐藏的峰，并对其所代表的水源组分进行分析。发现灵水泉口的水源组分主要有4种：① 含水系统中岩溶裂隙或管道中释放的重力水，占53%~77%；② 源于泉口附近携带污染物质的水源，占3%~7%；③ 强降雨期间通过覆盖层分散入渗的水源，或先前存贮在管道或裂隙中流动性差的水被带出含水层，占13%~42%；④ 地面径流以及直接降落到湖面的雨水，占2%~3%。将灵水的电导率频率分布与峰丛洼地的两个典型岩溶水系统对比，分析了电导率的频率分布所蕴藏的含义。研究结果为西南3 620个岩溶水系统的进一步归类提供了参考。
波浪在珊瑚岸礁礁坪上传播变形的数值研究
陈洪洲, 毕春伟, 高俊亮
2018, 29(2): 252-259. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.013
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波浪的传播变形对珊瑚岛礁附近的营养物质输送以及近岸珊瑚沙运动都起着关键的作用，同时也是礁盘顶部建筑物在设计和施工过程中需要重点考虑的因素，因此，对波浪在礁坪上的传播变形进行研究具有重要意义。利用FUNWAVE 2.0数值模型模拟了不规则波浪在不同形状岸礁上的传播变形过程，讨论了礁前斜坡坡度以及珊瑚底面粗糙程度对波浪在礁坪上传播变形的影响。结果显示，随着礁坡斜率增大，不对称度参数绝对值的增长趋势逐渐变缓，波浪在光滑礁坪上的不对称度绝对值要略大于粗糙底面上的值，而不同地形下计算得到的波浪偏度参数则基本相同。说明礁坡坡度对波浪的不对称度特征具有显著影响，礁坪粗糙度的影响则相对较小，而上述因素对波浪偏度的影响则完全可以忽略。给出了考虑这两个影响因素的礁坪区域内波浪偏度和不对称度经验公式。
波浪作用下斜坡沙质海床上桩柱周围局部冲刷试验研究
程永舟, 唐雯, 李典麒, 黄筱云, 夏波
2018, 29(2): 260-268. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.014
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在斜坡上桩柱引起的局部冲刷与平底条件下产生的冲刷存在差异。布置中值粒径为0.320 mm、坡度为1：16的斜坡沙床，开展规则波作用下桩柱周围的局部冲刷试验研究。试验主要考虑小Keulegan-Carpenter数（KC数）条件，探讨了波高、波周期和桩柱位置对局部冲刷的影响，并从最大冲刷深度和冲刷形态两个方面对比分析了斜坡与平底条件局部冲刷的异同。结果表明：斜坡上桩柱位置对局部冲刷有较大影响；在相同的KC数条件下，斜坡沙床上的最大冲深大于平底沙床；斜坡沙床的清水冲刷形态与平底沙床差异较大，而浑水冲刷形态相似。
潮滩剖面形态与泥沙分选研究进展
张长宽, 徐孟飘, 周曾, 龚政, 康彦彦, 李欢
2018, 29(2): 269-282. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.015
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潮滩剖面形态与多组分泥沙分选是海岸动力学与河口、海岸地貌学的重要研究内容，对保持生物多样性、研究沉积历史和沿海工程评估等具有重要的实际意义。从现场观测、理论解析和数值模拟等方面，归纳了在潮滩剖面形态特征与多组分泥沙分选方面研究的主要进展。回顾了潮滩剖面形态分别在潮流和波浪主导下的经典理论解析解，剖析了包括潮流、波浪泥沙来源及特性等主要影响因子以及植被、海平面上升、围垦工程等其他影响因子对潮滩剖面形态水平向、垂向泥沙分选过程的作用机理，同时提出了考虑水动力、生物作用、人类活动等多因子耦合作用下潮滩演变研究以及定量化预测方向的若干亟待解决的科学问题。
中国历史极端干旱研究进展
屈艳萍, 吕娟, 张伟兵, 苏志诚, 李哲
2018, 29(2): 283-292. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.016
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中国现有抗旱相关法规、规划、标准和制度等均是按常态干旱考虑的，几乎没有考虑大范围、长历时极端干旱的问题。一旦发生类似崇祯大旱和光绪大旱等极端干旱，将对中国经济社会产生深刻影响。从历史旱涝序列重建、极端干旱事件复原和重演3个方面论述了相关研究进展，发现重建方面缺乏重建方法对比研究、重建序列时空分辨率较低等，复原方面缺乏干旱灾害双重属性的考虑等，重演方面缺乏对抗旱减灾能力以及全球气候变化的考虑等。对未来研究重点和实践需求进行了展望，指出需在不同重建方法交叉检验、高时空分辨率旱涝序列重建、基于自然灾害双重属性的历史极端干旱事件复原、历史极端干旱事件定量化重演和干旱巨灾风险应对战略等方面取得突破性进展。
风浪对湖泊浮游生物影响的研究进展
周健, 秦伯强
2018, 29(2): 293-300. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.02.017
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摘要:
风浪在自然水体中广泛存在，是浮游生物生存环境的本质特征。在湖泊（特别是浅水湖泊）中，风浪过程广泛影响着水体的物理、化学特性，并直接和间接对浮游生物产生重要影响。综述了风浪对湖泊浮游动物、浮游植物和浮游细菌影响的相关研究。风浪对浮游生物的时空分布及其在塑造浮游生物系统的结构和功能中发挥了至关重要的作用：风浪条件在浮游生物的行为、营养盐吸收速率和通量、捕食及其生长、竞争和演替等方面均具有广泛且重要的影响，并显著影响着水体食物网的结构和功能，最终对湖泊生态系统的结构和功能产生潜在的影响。提出了未来研究的主要方向为进一步揭示全球气候变化条件下风浪在湖泊中的生态环境效应，为富营养湖泊的治理和管理提供新的认识和决策支持。
水灾害应急管理的创新与实践
于景元
2018, 29(2): 301-302.
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