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2019年  第30卷  第5期

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三峡水库蓄水期洞庭湖出湖水量变化
张冬冬, 戴明龙, 徐高洪, 邓鹏鑫
2019, 30(5): 613-622. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.001
摘要:
基于长江与洞庭湖一、二维耦合水动力模型,模拟了三峡水库蓄水前后洞庭湖湖区的水文过程,定量分析了蓄水期三峡水库蓄水与洞庭湖出湖水量的响应关系。结果表明:蓄水期三峡水库蓄水减少了荆江三口进入洞庭湖的水量,同时也改变了洞庭湖湖容变化的速度;相比还原情况,各典型年下9-10月洞庭湖出湖水量均明显减少,且10月份减少幅度大于9月份,11月变化不显著;9-10月荆江三口水量变化是洞庭湖出湖水量变化的主导因素,而11月主导因素是湖容的变化。通过多元回归分析,构建了三峡水库蓄水量与洞庭湖出湖水量、湖容变化量的响应关系,在湖容不变情况下,洞庭湖出湖水量减少量约为三峡水库蓄水量的23%。
北极海冰对长江流域主汛期降雨的影响
王乐, 杨文发, 张录军, 李春龙, 张方伟
2019, 30(5): 623-631. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.002
摘要:
针对极地冰雪显著影响中低纬气候的事实,利用1979-2017年长江流域116站降水资料和美国国家冰雪数据中心海冰资料,通过奇异值分解等统计学方法,研究北极海冰对长江流域主汛期降水的影响及可能的机制,结果表明:冬春季节,巴伦支海和鄂霍次克海海冰面积偏多、波佛特海海冰面积偏少时,主汛期长江上中游干流、汉江上游和雅砻江降水偏多;北极群岛、楚科奇海和拉普捷夫海以北海域海冰面积偏多时,主汛期两湖水系降水偏多,嘉陵江上游、汉江上游降水偏少;反之亦然。可能的机制为冬春季关键区海冰变化通过影响湍流热通量引发大气能量波动,这种波动以大气波列形式向东亚传播,影响东亚地区夏季的大气环流和水汽输送,从而间接影响长江流域主汛期降水。应用多元回归法,以关键区海冰面积作为预测因子建立4个流域内主汛期降水趋势预测模型,模型对预报区降水的定量预测有明显的波动,但对预报区总体的降水趋势有较好的预测效果。
黄河“八七”分水方案的适应性评价与提升策略
王煜, 彭少明, 郑小康, 尚文绣, 蒋桂芹, 周翔南
2019, 30(5): 632-642. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.003
摘要:
黄河"八七"分水方案是流域水资源管理的重要依据。颁布30余年来,黄河流域自然环境、经济社会等发生了显著变化,亟需科学认识分水方案对环境变化扰动的适应性。运用动力系统原理构建分水方案适应性的动力微分方程和综合评价模型,从敏感性、稳定性、抗力和恢复力4个方面建立包含20个指标的适应性评价指标体系,定量评价1999年以来分水方案的适应性,并采用HP(Hodrick-Prescott)滤波识别适应性变化趋势。结果表明:分水方案对环境变化的适应性良好,19年中63.2%的年份适应性值大于1;适应性先升后降,2005年达到峰值,之后逐渐降低,2014年起适应性值小于1,表现为不适应。分析影响分水方案适应性的主要因素,提出分水方案调整策略,为支撑流域水资源管理提供方向参考。
广州东濠涌流域城市洪涝灾害情景模拟与风险评估
黄国如, 罗海婉, 陈文杰, 潘健
2019, 30(5): 643-652. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.004
摘要:
绘制直观与可靠的城市洪涝灾害风险区划图,为城市防洪排涝相关部门决策提供参考依据。以广州市东濠涌流域为研究区域,综合考虑城市降雨、径流、地形和排水系统特性,构建基于InfoWorks ICM的一维-二维耦合城市洪涝仿真模型,模拟暴雨重现期为1年、5年、50年情景下的洪涝过程并获取致灾因子数据。调研分析区域的孕灾环境、承灾体和防灾减灾能力概况,结合层次分析法、评价等级和阈值划分等进行洪涝灾害风险评估。结果表明:城市洪涝仿真模型在一维排水系统和二维地面淹没模拟上均有较好的精度和可靠性,保证了致灾因子数据的可靠性;风险区划图能较好地反映流域的风险分布;随着重现期增大,较高、高风险区的面积显著增加,为防洪排涝重点关注区域。
大尺度无管流数据城区SWMM构建及模拟——I.复杂下垫面城区数字精细化关键技术
栾清华, 付潇然, 王海潮, 刘家宏, 高学睿
2019, 30(5): 653-660. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.005
摘要:
为提高城市区域的雨洪径流模拟精度以及城区复杂下垫面数字化的精细化程度,以北京亦庄经济开发区核心区为研究区域,结合当地的自然地理条件、区域内涝特征,基于DEM、排水管道(网)数据和建设用地空间分布情况,提出了针对10 km2以上大尺度复杂下垫面城区具有普适性的子汇水区划分、排水系统概化、集流点雨水井确定的精细化处理方法。为中国城市管道流量监测数据普遍缺乏情势下城市区域雨洪径流过程模拟及洪涝灾害预警等相关研究提供了一定的技术支持。
洞庭湖区水系格局及连通性优化
黄草, 陈叶华, 李志威, 沈小雄, 谭岚
2019, 30(5): 661-672. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.006
摘要:
江湖关系演变及强烈人类活动改变了洞庭湖区的水系格局与连通性,加剧了湖区水环境与水生态的恶化形势,开展水系格局与连通性研究是洞庭湖区水系综合整治和河湖生态修复的重要内容。基于景观生态学中网络连通度分析方法,建立了水系格局与连通性评价指标体系,包括河频率、河网密度、水系环度(α)、节点连接率(β)和网络连接度(γ)等,分析评价了洞庭湖不同片区现状及规划水系格局与连通性的差异以及合理性,提出了水系连通规划的优化方案。结果表明:现状洞庭湖区水系格局和连通性总体较好,但各个片区存在较大差异,湘-资水尾闾地区的现状水系格局和连通性良好,北部地区和松澧地区的现状水系格局与连通性较差。松澧地区水系规划方案改善了该地区的水系格局与连通性,但北部地区的规划方案并不合理。经过比选与优化,北部地区的αβγ指标比现状提高了13.2%、6.9%和4.7%,比原规划方案提高26.0%、9.4%和9.4%。
工业用水N型环境库兹涅茨曲线及其形成机制——以山东省为例
程亮, 胡霞, 王宗志, 刘克琳
2019, 30(5): 673-681. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.007
摘要:
判别工业用水环境库兹涅茨曲线(EKC)形状,揭示其形成机制,能够指示工业用水量随经济发展的长期变化趋势,可为工业用水管理提供重要依据。以山东省1980-2016年工业用水为例,采用三次模型、二次模型和非参数局部加权回归(LOWESS),分析工业用水与人均GDP人均关系,判断工业用水EKC形状;通过由对数平均迪式指数法(LMDI)测算出的用水效率、产业结构和经济规模对工业用水变化贡献值,以及利用四参数Logistic曲线得出的工业用水效率长期变化特征,定量分析揭示N型EKC的形成机制。结果表明,山东省工业用水随人均GDP增加先增长、后下降、再增长,工业用水EKC形状为N型;在工业用水效率快速提高、工业用水量持续下降后,由于用水效率逐渐接近极限、提高速度减缓、节水量大幅降低,经济规模扩张增加的用水量无法被抵消,工业用水不再下降、反而出现再增长,曲线形状由倒U型变成N型。N型是对倒U型工业用水EKC的一个补充,工业用水量不会"自动"持续下降,而是存在再增长可能;要实现工业用水量持续下降,必须深度挖掘节水潜力,持续提高用水效率,并推动工业结构向节水方向调整。
作物相对水分利用效率与理论节水潜力
代小平, 周雯晶, 韩宇平, 窦明, 冯吉, Svensson Jesper
2019, 30(5): 682-690. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.008
摘要:
作物水分利用效率是评价农业用水效率的重要指标,由于气候差异,采用作物水分利用效率评价不同区域的用水效率可能存在一定误差,尚缺乏深入研究。基于潜在水分利用效率指标和气象数据,计算了2014年中国小麦、玉米和水稻在充分灌溉条件下的潜在水分利用效率,分析了区域气候差异对作物水分利用效率的影响,提出了相对水分利用效率和理论节水潜力的概念和计算方法,并进行了实例研究。结果表明:各类作物在不同站点的潜在水分利用效率的标准差为0.49~1.01 kg/m3,多数作物潜在水分利用效率的空间差异大于实际水分利用效率的空间差异;主要作物的平均相对水分利用效率为50.7%,其理论节水潜力为884.8~4 064.5 m3/hm2;作物水分利用效率和广义节水潜力指标可能高估或低估作物的用水效率和节水潜力。研究认为在比较区域间作物的水分利用效率时不能忽略气候差异的影响;由于考虑了区域气候差异,相对水分利用效率和理论节水潜力指标更合理。
准饱和多孔介质中圈闭气体对渗透系数的影响
程东会, 李爽, 于丹, 王倩, 杨银科
2019, 30(5): 691-698. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.009
摘要:
含圈闭气体的地下水流称为准饱和流,准饱和流中的圈闭气体对含水层渗透系数有重大影响。通过柱试验开展了粉砂、细砂、中砂和粗砂4种介质圈闭气体饱和度与准饱和渗透系数关系的研究。结果表明:圈闭气体饱和度明显受介质的粒径影响,在细粒介质中圈闭气体饱和度明显较大;4种介质圈闭气体饱和度在0~15%范围内,准饱和渗透系数与完全饱和相比减少了32.82%~56.38%,且准饱和渗透系数与圈闭气体饱和度之间可表达为一个负线性相关的经验公式;该公式与Faybishenko公式等效,但形式简单,参数较少,使用方便;准饱和渗透系数的变化规律可概化为圈闭气体占据了原有的有效孔隙,造成原有效孔隙度减少,从而使渗透系数减小。利用该理论,Kozeny-Carman方程能较准确地描述准饱和渗透系数的变化规律,而基于哈根-泊肃叶方程的渗透系数公式则存在较大误差,不适用于描述准饱和渗透系数;试验结果证明了室内测定饱和渗透系数时排除圈闭气体的必要性。
小型水坝拆除后河貌演变模拟分析——以西河水坝为例
唐磊, 何术锋, 莫康乐, 林育青, 马君秀, 陈求稳
2019, 30(5): 699-708. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.010
摘要:
小型水坝随着服役时间的增长,其面临的安全、经济和生态方面问题日益突出,针对一些修复价值较低的病险水坝,实施降等或报废拆除已成为一种综合最佳的管理措施。拆坝后,原库区大量淤沙无控释放将改变原有河道形态,对水生生物栖息地造成影响。为预测拆坝后河道在不同时间尺度上的变化特征,以长江流域乌江水系内的西河水坝为研究对象,建立二维水沙数学模型,分别研究了拆坝后水沙输运造成的短期和长期河床形态变化。结果表明:拆坝后短期内,坝址上游主河道发生了强烈的冲刷下切,且水库淤沙前缘部分出现了显著的淤积抬高,相比而言,坝址下游河床变化并不明显,只有坝下河段及河口附近出现较显著的泥沙淤积;在拆坝后长期的河床演变过程中,坝址上下游河道均发生了不同程度的冲刷下切,拆坝2年后下游河床逐渐趋于稳定,而上游主河道由冲刷下切转化为冲淤交替的演变趋势,河床形态不断调整变化。本研究可为病险坝和小水电报废拆坝后的河道治理、水生生物栖息地修复提供参考依据。
坡面流层流区动力学特性
杨苗, 龚家国, 赵勇, 赵翠平
2019, 30(5): 709-718. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.011
摘要:
为完善坡面水流的基础理论研究,基于定床水槽试验,以甘油溶液为试验流体,采用超声波测量技术,进行了4种粗糙度、5种坡度和13种单宽流量条件下的组合试验,研究了坡面流层流区的动力学特性及滚波特征。研究结果表明:在雷诺数为8~160的范围内,流态指数在理论值0.33附近波动,且随粗糙度的增大呈现先增大后减小的变化趋势,在粗糙度为0.10 mm附近达到峰值;阻力系数受坡度和粗糙度影响显著,可较好地由坡度、粗糙度和雷诺数的关系式表示;随着雷诺数的增大,滚波波速和波峰均呈幂函数形式递增,滚波周期大小无明显变化;坡度的增大会使层流失稳临界单宽流量减小,粗糙度的增大会使临界弗劳德数的均值减小。
山区阶梯式河道水流阻力研究
罗铭, 张焕, 丁锐, 黄尔, 杨奉广
2019, 30(5): 719-726. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.012
摘要:
山区阶梯式河道是自然界来水来沙和山区大比降河床相互作用所形成的,其水力特性、河道阻力较为复杂。为了深入研究其阻力机理,从河床结构阻水的角度提出阶梯式结构糙率尺度的概念,得到了适用于阶梯式河道跌落水流的形体阻力系数表达式,并由不同来源的阻力分量构成了新的山区阶梯式河道水流总阻力系数公式。新公式结果表明,通过不同类型河段的野外试验数据,表面泥沙、阶梯形状以及漂石产生的阻力系数分量之和与试验测量总阻力系数数据的误差较小。随着雷诺数和阶梯单元尺寸的增加,河床表面的泥沙肤面阻力系数基本不变,阶梯式结构形成的跌落水流过渡到滑行水流,阶梯形体阻力系数逐渐变小,而较大粒径松散漂石产生的水流阻力系数只随着雷诺数的增大而减小。
弯道凹岸不同部位崩塌体对近岸水流结构影响的试验研究
谢亚光, 余明辉, 胡鹏, 刘玉娇, 陈小齐
2019, 30(5): 727-737. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.013
摘要:
二元结构河岸失稳后,上部河岸发生崩塌并堆积在近岸,从而改变近岸水流结构并影响河岸二次侵蚀过程。为了探索弯道凹岸不同部位的崩塌体对近岸水流结构的影响,以长江中游石首河段为背景,开展概化模型试验,采用多普勒流速仪(ADV)精细测量崩塌体附近三维水流流速,并对比分析有无崩塌体时水流及壁面剪切力的变化规律。结果表明:位于顶冲点上游的崩塌体,使纵向流速最大区域远离凹岸,从而使崩塌体与河岸坡脚之间区域内的平均壁面剪切力减小;而位于顶冲点下游的崩塌体,使纵向流速最大区域靠近凹岸,从而使崩塌体与河岸坡脚之间区域内的平均壁面剪切力增大。研究成果丰富了对二元结构河岸侵蚀过程的认识,有利于河岸侵蚀模型的发展与完善。
波流边界层水沙运动数值模拟——II.泥沙运动模拟
左利钦, 陆永军, 朱昊
2019, 30(5): 738-748. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.014
摘要:
为解析波流边界层内泥沙运动,建立了基于水动力-泥沙-床面互馈过程的波流边界层1DV泥沙数学模型,可用于模拟不同床面形态下粉沙-沙的含沙量过程。床面形态模块提供床面形态类型和相应参数;给出了平底和沙波床面粗糙高度和泥沙扩散系数的确定方法;采用了适宜粉沙及沙的制约沉速、底部参考浓度和起动剪切应力等公式;引入含沙量层化效应和制约沉降反映水动力与泥沙之间的相互影响。水槽试验资料验证表明,建立的模型较好地模拟了不同床面不同波流组合条件下的含沙量剖面。在此基础上,讨论了不同床面含沙量剖面模拟方法的差异,指出床面形态是决定含沙量变化的重要因素之一,仅通过改变床面粗糙高度不足以反映漩涡沙波床面的含沙量剖面特征。该模型可为研究波流边界层内泥沙运动和物质输运提供工具。
非完全淹没水平圆柱上波浪力特征的数值模拟
毛鸿飞, 陈洪洲
2019, 30(5): 749-759. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.015
摘要:
为研究大波幅波浪作用下,非完全淹没水平圆柱所受波浪力的特征,基于黏性流理论采用有限体积法建立两相流数值波浪水槽模型,对不同波幅和圆柱垂向位置下非完全淹没水平圆柱所受波浪力进行了数值计算,并对波浪力和冲击力的特征进行了分析,讨论了冲击力与冲击速度的关系,结合经验计算公式拟合得到了冲击力系数。结果表明:波浪力的大小受波幅和圆柱垂向位置的影响比较显著,其影响机理与波浪场流体运动特性相关;冲击力的大小与冲击速度密切相关,而垂向冲击力在波浪力中起主导作用时,对应的最小预测冲击速度受圆柱垂向位置影响并不显著;不同圆柱垂向位置下冲击力系数随着波幅增大由分散性较强逐渐趋于集中。
有槽沙坝海岸交叉波浪作用下裂流特征
王彦, 张振伟, 邹志利, 刘忠波
2019, 30(5): 760-768. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.05.016
摘要:
研究叠加波浪场作用下的裂流特征,有助于全面深入开展海岸裂流的致灾机理及风险评估。为分析水动力和水底地形共同作用下形成的裂流特征,开展了交叉叠加波浪作用下有槽沙坝海岸的裂流流动特征试验,即同时考虑沿岸地形变化(存在沟槽)和交叉波浪共同作用所形成裂流。通过对裂流槽附近ADV(Acoustic Doppler Velocimetry)流速测量结果,分析叠加波浪场和裂流沟槽同时存在时所产生的裂流分布特征。裂流中心位置和宽度受裂流槽和波浪节点共同控制,裂流长度依赖于波高和海岸坡度。无槽情况裂流的驱动力主要是由波浪沿岸不均匀所产生的平均水面沿岸压力梯度,有槽情况裂流的驱动力由平均水面沿岸压力梯度和辐射应力沿岸梯度共同决定,二者量值相对大小依赖于波浪周期。