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2019年  第30卷  第1期

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基于TRMM卫星降水的太行山区降水时空分布格局
杜军凯, 贾仰文, 李晓星, 牛存稳, 刘欢, 仇亚琴
2019, 30(1): 1-13. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.001
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摘要:
基于TRMM 3B42V7数据，综合采用多元线性回归、偏最小二乘回归和地理加权回归3种方法，建立了太行山区卫星降水产品的降尺度校正模型，将遥感降水信息从0.25°×0.25°降尺度到0.05°×0.05°。在结果评估和优选的基础上，分析了"像元-集水区-全区"年、月降水的多时空尺度干湿季节分布和垂向分布特征，并从机理方面论证了研究的合理性。结果表明：①地理加权回归校正效果最优，可明显降低校正降水与实测降水系列的均方根误差和平均相对偏差且提高决定系数；偏最小二乘回归可降低两项误差，但对决定系数无提升；多元线性回归最差，各项指标均无改善。②处于夏季风迎风侧的东坡和南坡降水量普遍高于500 mm，背风侧的西坡和北坡降水量较低，最大年降水量位于东南坡海拔1 300~1 500 m的地带。③研究区7-9月降水量占全年的58.7%，干湿季节降水量之比为1：18，各集水区的变化范围为1：13~1：25。④季风风向影响降水中心的移动路径，各月降水量沿高程变化梯度区间为-5.2~6.7 mm/hm，且迎风坡降水的垂向分布更复杂。
三江源区大气水汽含量时空特征及其转化变化
强安丰, 魏加华, 解宏伟, 权全
2019, 30(1): 14-23. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.002
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利用1979-2016年ERA-Interim再分析资料提供的1°×1°水汽通量和大气可降水量（PWV）数据，采用相关性分析、趋势分析法、累积距平及反距离加权（IDW）等方法，研究三江源地区PWV与水汽通量的时空分布特征和降水转化率（PCE）。结果表明：①过去38年来，经、纬向多年平均水汽通量分别为2.0 kg/（m·s）、10.3 kg/（m·s），水汽通量纬向增幅高于经向，水汽在纬向汇入为主，经向输出为主；② PWV呈微弱增多趋势，年平均PWV为1 791.6~2 278.9 mm，季节平均PWV为122.2~1 134.2 mm，不同季节内空间差异明显；③三江源区多年平均PCE为24.6%，1989年最高，达32.8%；季节与多年平均PCE空间分布一致，都表现出由东南向西北递减的变化特征，季节分布变化差异大；④该地区空中水资源丰富但自然PCE低，开发潜力大，应用前景广阔。
西辽河平原地下水补给植被的临界埋深
陈敏建, 张秋霞, 汪勇, 闫龙, 邓伟
2019, 30(1): 24-33. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.003
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许多地区地下水是生态稳定的重要支撑或补充，确定地下水补给地表植被的临界埋深对地下水管理和生态安全至关重要。以西辽河平原为例，主要研究成果如下：①根据地下水补给植被原理划分包气带水分运动结构，描述地下水补给植被的作用机理和物理过程，定义地下水补给植被的临界埋深及相关物理概念。②根据植被根系吸收潜水蒸发的物理机制，地下水面附近由毛管水上升形成的潜水影响层是临界埋深计算的关键。③推导土壤毛管有效孔径计算推理公式，通过构建土壤微结构模型求解推理公式中的孔隙特征参数，解决毛管水最大上升高度的精确计算难题；④结合不同群落植被根系层厚度，形成地下水补给植被的临界埋深计算模型。⑤通过野外调查和观测试验实证，表明计算结果可靠，研究成果在科尔沁草原得到了及时应用。
雨量站网布设对水文模型不确定性影响的比较
陈华, 霍苒, 曾强, 杨无双, 陈杰, 郭生练, 许崇育
2019, 30(1): 34-44. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.004
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雨量站网布设会影响径流模拟精度，研究不同雨量站密度和空间分布的径流响应规律对提高径流模拟精度和减小不确定性具有重要意义。应用新安江模型和HBV（Hydrologiska Fyrans Vattenbalans）模型，以湘江流域为研究对象，采用贝叶斯方法比较分析在不同雨量站密度及空间分布下径流模拟的不确定性。结果表明：增加雨量站密度可以降低面雨量的估计误差，使模型在不同的雨量站空间分布下具有较高的模拟精度；通过优化雨量站空间分布，可以减小雨量站网布设导致的模型不确定性，从而提高径流模拟精度；在相同的降雨输入和参数采样方法下，新安江模型和HBV模型对降雨输入导致的不确定性响应规律具有相似性，但是本研究结果显示在湘江流域新安江模型的模拟精度更高，而HBV模型的不确定性更大。
建筑小区尺度下LID措施前期条件对径流调控效果影响模拟
侯精明, 李东来, 王小军, 郭凯华, 同玉, 马越
2019, 30(1): 45-55. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.005
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以西咸新区天福和园住宅小区为研究对象，采用暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model，SWMM）构建含低影响开发（LID）措施调控作用的城市雨洪过程数值模型，模拟分析了不同重现期降雨下LID措施和传统开发情况在不同前期条件下的径流控制及峰值削减效果。结果表明：① LID措施自然状态、半饱和与饱和状态在不同重现期降雨下径流控制率分别为64.3%~83.2%、56.3%~76.5%和48.7~68.1%，与自然状态相比，半饱和与饱和情况径流控制率分别减少了6.7%~9.1%和15.1%~15.8%，且皆随重现期增大径流控制率减少值先增大后减小。②径流峰值分别为23.3~189.4 L/s、25.9~198.4 L/s和28.8~290.7 L/s，与自然状态相比，半饱和与饱和状态径流峰值分别增加了4.5%~20.9%和22.9%~53.4%，表明LID措施在饱和状态下的调控效果远不如自然状态。③相较于传统开发，LID条件下自然状态和半饱和状态对径流峰值削减显著，但饱和情况在降雨重现期20年时径流峰值反而升高，表明LID措施饱和状态在大暴雨情况对下游管网造成更大压力。④在相同前期条件下有LID措施对径流控制率有明显提升。
岩溶地下水位对降雨响应的时空变异特征及成因探讨——以广西桂林甑皮岩为例
王朋辉, 姜光辉, 袁道先, 汤庆佳, 张强
2019, 30(1): 56-64. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.006
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岩溶地下水位对降雨响应具有时空变异性，甑皮岩遗址地下水动力系统结构的认识存在分歧。利用高分辨率降雨水位数据，将研究区分割为不同含水体，通过水位动态、相关分析、滑动窗口采样相关分析等方法，探讨岩溶地下水对降雨响应时空变异特征及成因。结果表明，岩溶强发育、扩散流导水的含水体水位对降雨的响应表现为缓升缓降，水位自相关性强；发育岩溶管道的含水体水位表现为陡升陡降，水位自相关系数衰减速率快，对降雨响应的滞后时间短，互相关函数图呈多峰型；岩溶发育的极不均匀性是造成空间响应差异的主要原因。雨季地下水位对降雨响应的滞后时间远小于枯季；雨季累积降雨量大、水位埋深浅、包气带长期处于饱和或者近饱和状态，降雨垂直入渗补给历时短；雨季暴雨频繁导致含水体地下水短期内形成较大水力梯度，径流补给速度加快。综合分析认为，甑皮岩遗址地下水动力系统由NE向岩溶管道、NS向管道-裂隙以及NE向强径流带3个子径流系统组成。
长江口12.5 m深水航道回淤年际变化及成因
刘杰, 程海峰, 韩露, 王珍珍
2019, 30(1): 65-75. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.007
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长江口12.5 m深水航道回淤量大，影响因素复杂。利用2011-2017年长江口航道水下地形、水文测验和航道回淤等系列资料，研究了12.5 m深水航道回淤的年际变化过程和原因。结果表明：① 12.5 m深水航道回淤总体呈现稳中下降的变化特征。②南港-圆圆沙段因航道滩槽高差的缩小和上游底沙输沙量的减少，回淤呈逐年减少态势。③北槽段因南坝田挡沙堤加高工程的实施和台风影响偏弱，2016-2017年回淤较此前有所减少；径流影响北槽最大浑浊带的发育部位，进而影响北槽航道回淤的部位，2016-2017年长江口径流量偏大是北槽航道主要回淤部位较往年偏下的主要原因。④流域减沙对12.5 m深水航道回淤的影响已开始显现。未来受其影响，南港-圆圆沙航道回淤有望进一步下降并维持较低量值，北槽航道回淤有望维持稳中下降态势。
三峡库区泥沙絮凝临界条件现场测量
李文杰, 张凌越, 杨胜发, 杨威, 肖毅, 付旭辉
2019, 30(1): 76-83. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.008
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三峡库区絮凝现象是细颗粒泥沙淤积的重要原因，泥沙絮凝临界条件对三峡库区泥沙淤积规律和模拟具有重要意义。在三峡库区忠县和奉节河段开展泥沙絮凝的现场测量，基于声学多普勒流速仪（Acoustic Doppler Velocimeter，ADV）和泥沙采样测得同步的瞬时流速和含沙量，通过泥沙扩散理论反算现场泥沙沉速及絮团粒径，得到了三峡库区泥沙絮凝度及其与粒径、流速和含沙量的关系。结果表明：库区细颗粒泥沙发生絮凝，且多为中轻度絮凝，重度絮凝较少；库区泥沙絮凝的临界粒径约为0.018 mm，临界流速约为0.7 m/s，临界含沙量约为0.8 kg/m3。研究结果可为三峡库区泥沙的运动规律以及泥沙淤积模拟等提供一定的理论支撑。
山溪性强潮河口最大浑浊带形成机制及其模拟
张新周, 陈星, 窦希萍, 赵晓冬, 夏威夷, 缴健, 许慧
2019, 30(1): 84-92. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.009
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为阐明强潮河口最大浑浊带的形成机制及其运动规律，通过瓯江和椒（灵）江实测资料分析，系统分析了强潮河口最大浑浊带形成的影响因素及其与河口地貌的响应关系。考虑黏性细颗粒泥沙运动特性和盐度的影响，开发了强潮河口最大浑浊带数学模型，对椒（灵）江枯季大潮最大浑浊带运移过程进行了模拟。结果表明：①强潮河口最大浑浊带是潮波变形、咸淡水混合、泥沙再悬浮等复杂因素在一定河口边界和泥沙条件下相互作用的产物，潮波变形和泥沙供给是影响最大浑浊带形成的关键因素。②强潮河口最大浑浊带模拟必须充分考虑潮流、盐淡水混合、泥沙周期性起动、絮凝和沉积密实等因素，所建立的数学模型可用于强潮河口最大浑浊带研究。
有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究
张星星, 陈明, 许光祥, 黄海津
2019, 30(1): 93-101. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.010
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为了研究三维壁面紊动射流前方布置的垂直挡板对时均流动特性的影响，采用粒子图像测速技术对不同雷诺数和淹没水深条件下的流速场进行了测量，统计分析了U速度剖面分布、速度半宽值变化和最大速度衰减规律。结果表明：沿射流方向具有3个明显不同的衰减区，依次划分为自由边界下的三维壁面射流区（Ⅰ区）、垂直挡板影响区（Ⅱ区）和近壁区（Ⅲ区）。在重点分析的Ⅱ区内，3个特征物理量的分布规律均与雷诺数无关；在垂直挡板影响下，速度半宽值扩展率明显加快，发展更为充分；在水深H~1.75H范围内，射孔中垂面内速度半宽值扩展率为0.043，同时0.5H的递增对射孔中心水平面内速度半宽值的分布较为敏感，其扩展率由0.205增至0.270；最大速度衰减对水深的改变并不敏感，且在Ⅱ区加速衰减，衰减指数为1.095。通过与半无限空间中三维壁面射流径向型衰减区的流动特征比较，Ⅱ区与之相似，将Ⅱ区视为提前进入径向型衰减区。
高拱坝施工初-中期导流风险模型及应用
张超, 胡志根
2019, 30(1): 102-111. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.011
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面向工程设计阶段，采用高拱坝施工动态仿真技术获取施工初-中期挡水度汛面貌数据，综合考虑水文、水力随机性因素，构建高拱坝施工初-中期导流风险模型，提出采用Monte Carlo方法耦合挡水度汛面貌数据和主要随机因素进行风险模型求解的方法。基于风险分析原理提出了导流洞设计的风险判别方法，给出导流洞尺寸设计优化的数学模型和具体步骤。通过金沙江上游某高拱坝工程案例分析的结果表明：所提风险模型及求解方法是适用的、有效的，该模型能够得到整个施工初-中期导流风险率，较为客观地反映高拱坝施工中期度汛可能存在的两种挡水情况，克服了初期导流风险模型的局限性；施工中期导流风险率随导流洞尺寸增大而减小，导流洞尺寸设计的可行方案集存在界限，即优化方案。研究成果可为高拱坝施工导流的风险决策和设计优化提供理论支撑。
山坡表层关键带结构与水文连通性研究进展
刘金涛, 韩小乐, 刘建立, 梁忠民, 贺瑞敏
2019, 30(1): 112-122. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.012
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摘要:
山丘区是洪水的"策源地"，山丘区坡地、沟谷及间歇性河道为洪水的形成提供了通道，同时也是水文连通时空变化最为强烈的地带。然而，对流域表层关键带结构特征及其水文连通机制等的认识尚存不足，限制了产汇流理论及模型方法的发展和应用。通过对比国内外山坡水文实验，发现山坡物理结构连通性控制并深刻影响着水流的连通过程，现有水文连通实验侧重孔隙等微观尺度的规律研究，与水文模型理论存在尺度上的巨大偏差。为此，提出水文连通性应侧重揭示水流在山坡地表、地下的宏观表象通道及分布特征，探索径流连通的动力学机制，即山坡水文连通性研究重在剖析其结构特征的水文累积效应，应保持关键带结构特征合理概化与产汇流理论适度复杂之间的平衡。
岩溶关键带水循环过程研究进展
吕玉香, 胡伟, 杨琰
2019, 30(1): 123-138. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.013
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摘要:
岩溶关键带处于岩石、水、土壤、大气、生物五圈交汇地带。正确认识岩溶关键带的结构、功能及其水文循环过程是当前地球关键带与岩溶水科学研究的关键问题。剖析了岩溶关键带水循环过程与演变规律、水循环过程在岩溶关键带中的作用，探寻变化环境下岩溶关键带水循环过程演变的规律与驱动机制，总结不足与问题，提出未来研究的总体趋势和方向：岩溶关键带形成与演化和水循环过程相互作用机制；岩溶关键带水循环驱动的物质转化与能量迁移过程及其耦合；水循环过程在不同时空尺度上对全球变化与人类活动干扰的响应；多种观测与模拟手段的综合应用。
珊瑚礁海岸水动力学问题研究综述
姚宇
2019, 30(1): 139-152. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.01.014
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摘要:
珊瑚礁水动力学是一个涉及生态、环境、地质和工程学的交叉课题，其水动力学研究不仅为珊瑚礁海域生态系统的维护和海岸线的演变提供一定的理论参考，还能为海岸的防灾减灾以及岛礁工程的建设提供一定的决策依据。回顾了国内外珊瑚礁海岸水动力问题的研究与进展，从现场观测、理论模型、物理模型试验和数值模型4个方面对当前该领域的研究进展进行了综述，并提出今后现场观测研究对象可关注南中国海的珊瑚岛礁，理论分析方法可侧重考虑非线性波浪理论，物理模型试验可采用大型波浪水槽和港池来复演现场尺度的水动力问题，数值模型可采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法对波浪与珊瑚礁相互作用进行精细化模拟，本文旨在为今后国内珊瑚礁水动力学方面的相关研究提供一定的借鉴和参考。

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