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2020年  第31卷  第1期

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论文
溶蚀丘陵型岩溶流域概念性水文模型及其应用
陈晓宏, 颜依寒, 李诚, 危润初
2020, 31(1): 1-9. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.001
摘要:
为弥补传统概念性水文模型在岩溶水文模拟上的缺陷,基于三水源新安江模型,采用多个线性水库表达岩溶地下系统的异质性,同时引入流域虚拟面积系数修正岩溶流域的非闭合性。将改进的概念性水文模型应用于湘中南典型溶蚀丘陵型岩溶流域,并在此基础上探讨岩溶流域非闭合性的动态变化。研究结果表明:①改进模型的日径流模拟精度提高11.21%,水量平衡误差及低水误差分别降低23.29%、27.64%;②岩溶地下汇流系统的多向性导致流域非闭合状态具有双重性;③地下汇流面积与时段降雨量呈正相关,然而受地下饱和程度的制约,地下汇流面积的变化率随时段降雨量的增大而减小;④由于岩溶地貌的蓄水滞水作用,地下流域受外侧补给的过程存在滞后性。模型的改进与拓展研究可为岩溶水文模拟提供新思路。
城市洪涝中雨水口泄流能力的试验研究
陈倩, 夏军强, 董柏良
2020, 31(1): 10-17. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.002
摘要:
近年来中国城市洪涝灾害频发,对人民群众的生命财产安全造成了严重威胁,其中雨水口泄流能力的大小对于计算受淹区的积水程度或路面雨水的排除效率至关重要。为此本研究专门修建了具有上下两层结构的城市洪涝过程综合试验平台,考虑雨篦子、雨水井及侧支管等完整的雨水口结构,开展了76组不同来流水深及流速下的雨水口泄流能力试验。试验结果表明:雨水口的下泄流量在井身充满前后表现出不同的变化规律,即在雨水井充满前,路面雨水以堰流形式下泄;在雨水井充满后,以管嘴出流形式下泄。基于试验数据率定出雨水口堰流及管嘴出流时的流量系数,并进一步采用量纲分析法,建立雨水口的泄流能力与雨篦子尺寸、篦前水流的弗劳德数等因素之间的经验关系,具有较高的相关系数。采用本文公式计算原型尺寸雨水口的泄流能力,并与中国现行雨水口泄流能力的参考值进行对比,发现当水深较大时现行参考值偏大较多。本研究成果能为精细化的城市洪涝管理提供计算依据。
植草沟径流调控效果对关键设计参数的响应规律模拟
侯精明, 李钰茜, 同玉, 刘菲菲, 马利平, 梁行行
2020, 31(1): 18-28. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.003
摘要:
为分析道路低影响设施植草沟主要设计参数对地表径流调控作用的影响规律,应用一套耦合了水文和水动力过程的数值模型,研究各设计参数对植草沟径流控制作用的调控效果,经验证模型模拟精度可满足研究要求。模拟结果表明:植草沟具有削减洪峰洪量、推迟峰现时间的作用。且溢流井位于入水口上游侧,横、纵坡坡度越缓时,植草沟径流控制效果越显著。溢流井位置改变时径流控制效果差值达2%~10%,峰值削减差异为13%~28%;横坡坡度从1/3~1/7变化时,径流控制率提高4%~13%,峰值削减效果提升6%~23%;纵坡坡度从0.5%~0.3%变化时,径流控制率提高7%~16%,峰值削减效果提升12%~29%。数值模拟得出各设计参数的影响规律,可用于指导植草沟的规划设计,为其推广应用提供参考。
基于WCA2D与SWMM模型的城市暴雨洪涝快速模拟
曾照洋, 赖成光, 王兆礼, 吴旭树, 黄国如, 胡庆芳
2020, 31(1): 29-38. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.004
摘要:
为探讨计算高效的元胞自动机模型(WCA2D)与传统一维管网模型耦合的机制以及计算效果,尝试将WCA2D与SWMM模型耦合(SWMM/WCA2D),以广州市长湴片区为例探究一种暴雨洪涝快速二维模拟技术,对比实测积水数据以及SWMM/LISFLOOD-FP模拟,结果表明:SWMM/WCA2D模拟结果与"20180607"实测积水数据相近,表明模型精度良好;根据多指标评估结果,综合考虑主干渠道淤积以及建筑物阻挡情景的RTPRRPPVF1值分别达到0.8、0.6、0.7,模拟精度最高,最能反映区域实际情况;通过与SWMM耦合,WCA2D和LISFLOOD-FP的模拟结果差异小(最大水深差值基本低于0.1 m)、相关性强(相关系数基本超过0.7),但前者计算效率是后者的3~5倍,表明WCA2D能够耦合SWMM且计算效率更高,为复杂城市化地区暴雨洪涝快速模拟提供了一种新方法。
基于无人机航测黄河源弯曲河道泥沙亏损量计算
李志威, 汤韬
2020, 31(1): 39-50. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.005
摘要:
弯曲河流的河道冲淤变化在长时间尺度处于动态的平衡状况,其泥沙输移部分来自于凹岸冲刷与凸岸淤积的差值。2018年采用无人机航测获取黄河源典型弯曲河流(麦曲、哈曲、格曲和兰木错曲)连续弯道的低空影像数据,通过图像技术处理后生成高精度地形,进而提取单个弯道和连续弯道的断面地形,计算弯道凸、凹两侧断面面积和相邻断面间的差值。结果表明,凹岸侵蚀崩岸产生的泥沙量与凸岸点边滩淤积的泥沙量是不平衡的,即存在一个泥沙亏损量。对于单个弯道,兰木错曲单位河长的泥沙亏损量约为0.191 m3,麦曲、哈曲和格曲单位河长的泥沙亏损量约为0.045 m3,且相同河段的沿程亏损量具有不均匀性,其间接反映不同弯道横向的迁移速率具有差异性。
大尺度无管流数据城区SWMM构建及模拟——Ⅱ.模型参数校验及暴雨径流模拟分析
付潇然, 王东, 栾清华, 刘家宏, 王海潮
2020, 31(1): 51-60. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.006
摘要:
目前,中国城区大多缺乏实测管道流量数据,给城市水文模型构建及精细化模拟带来了挑战。在北京亦庄经济开发核心区下垫面精细数字化的基础上,以典型点的最大径流深为验证要素,以实地踏勘为主、经验率定为辅,分别选取2012年"7·21"和2011年"6·23"两场典型大暴雨径流过程,完成了区域SWMM(Storm Water Management Model)模型的参数率定和验证;并就不同重现期设计暴雨下,不同典型用地子汇水区的产汇流响应特征及内涝交通拥堵风险进行了分析及评估。结果表明:随着重现期的增加,道路与交通设施用地对暴雨增幅的响应速率远高于公园绿地的响应速率,前者的内涝交通拥堵风险亦远高于后者;间接反映了不同下垫面条件造成产汇流响应的差异程度。相关成果可为区域城市洪涝管理与预警提供决策参考。
生态输水条件下塔里木河下游断面尺度地下水流数值模拟
古力米热·哈那提, 张音, 关东海, 刘迁迁, 苏里坦
2020, 31(1): 61-70. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.007
摘要:
由于中国西北地区地表水资源有限,地下水则成为重要的备用水资源,而地表水和地下水转化过程及其耦合模拟是水资源开发利用和科学评价的基础,因此,为了准确反映塔里木河下游间歇性生态输水后地下水的动态变化,以塔里木河下游英苏断面为例,基于Boussinesq方程建立了改进的地下水动力学(GH-D2)模型,模拟了塔里木河下游绿色走廊典型断面地下水对全时段(2000—2015年)间歇性生态输水的响应过程。结果表明,尽管Boussinesq方程的GH解能较好地模拟地下水位的瞬态变化,但模拟地下水位多年变化的结果并不理想,而改进的GH-D2模型考虑了间歇性生态输水对地下水位变化的滞后效应,对长时间尺度地下水位变化的模拟具有较好的效果。与GH和GH-D1模型相比,GH-D2模型模拟的地下水位值更接近于观测值,这将对塔里木河下游实施科学合理的生态输水计划以及生态恢复和重建策略提供关键的技术支撑。
低弗劳德数水流二级消力池水力特性试验研究
谭高文, 韩昌海, 韩康, 余凯文
2020, 31(1): 71-80. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.008
摘要:
针对低弗劳德数水流消能问题,在确定单级消力池和二级消力池体型的基础上,采用物理模型试验方法,分别研究了低弗劳德数水流单级和二级消力池的水力特性和消能结构特性。结果表明,在低弗劳德数水流条件下,二级消力池将原单级消力池出池水面较大波动区变成了适应区,对下游尾水位的适应区间显著增加,出池水面波动更小。同时,单级消力池内流线更加稀疏,流速梯度更小;消力池涡量大小明显低于二级消力池,而雷诺应力明显大于二级消力池;二级消力池内雷诺应力大小分区较单级消力池更明显,表面旋滚区明显大于底部旋滚区,水流更加稳定。相比单级消力池,二级消力池消能率显著提高,且有利于下游河床和岸边的防冲保护,工程应用更为有利。
珠江三角洲近年地形不均匀变化对洪季水动力特征的影响
陈小齐, 余明辉, 刘长杰, 田浩永, 刘画眉
2020, 31(1): 81-90. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.009
摘要:
为探明在新水沙条件和人类活动的影响下珠江三角洲河网地形变化与洪季水动力特征变化之间的关系,以1999—2008年为研究时段,基于1999年地形建立一维河网数学模型,复演珠江三角洲地区"08·6"洪水,并与"08·6"实测资料进行对比,分析河网地形变化对洪季水动力特征的影响。结果表明:①珠江三角洲河网地形整体下切加强了河道行洪能力,在遭遇洪峰30年一遇的"08·6"洪水时洪水位整体下降,三角洲顶部马口站洪水位最大降幅达到0.9 m;②河网内潮差和潮汐传播速度增大,潮区界上移至马口、三水以上;③西江河网地形下切幅度大于北江河网,地形不均匀下切导致河网节点分流比改变,西江河网洪水期分流增加2%,马口站和天河站洪峰流量增幅分别接近1 500 m3/s和1 000 m3/s;④西江马口站分流比随上游洪水流量增大而减小的趋势没有改变,但地形不均匀下切导致其变化梯度增大。珠江三角洲近年地形的不均匀下切,是近年珠江三角洲河网地区,特别是河网腹地洪水灾害有所减轻的主要原因之一。
坝前冒泡现象的水气两相运移机理数值模拟
赵兰浩, 管策, 张海容, 李同春
2020, 31(1): 91-101. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.010
摘要:
为分析黄壁庄水库在库水位骤升后出现冒泡现象的原因,保障水库安全运行,建立了一种耦合Level-Set法的含自由面渗流分析方法。该方法考虑了入渗过程中的气相可压缩性,能够直观地反映多孔介质中水气两相界面的运动与融合,可求解常规方法无法处理的气相参与的渗流问题。运用该方法模拟了该水库在不同蓄水过程下的坝前水气两相运移过程,结果表明:黄壁庄水库坝前水面出现冒泡现象是由水位骤升将铺盖内的空气包围,并随水体入渗压缩空气,出现憋气现象,直到达到突破压强时气体释放所致;蓄水过程是影响坝前水面冒泡现象发生与发展的关键因素。模拟结果与实际观测现象基本吻合,验证了该方法的合理性。
坡面薄层水流滚波水力参数影响因素
孟鹤, 张宽地, 王静雯
2020, 31(1): 102-111. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.011
摘要:
为探明滚波的演变过程及产生机理,采用定床阻力试验和超声波测量技术,研究了5种糙度、5种能坡、8种单宽流量下滚波水力参数的变化规律。结果表明:在固定断面,波速随单宽流量增加呈幂函数关系增大,相对波速反之,波高与相对波高先增大后减小;随糙度增加,波速减小,相对波速增大,波高及相对波高均减小;能坡对滚波的影响也与糙度有关,小糙度下,波速随能坡增加呈幂函数关系增大,相对波速反之,波高先增大后减小,相对波高持续增大;而大糙度下,随能坡增加,相对波速增加,波高整体不变,相对波高增加趋势变缓甚至有所减小。分析可知,相对波速、相对波高考虑了平均水力参数的变化,可以更好地反映各因素对滚波演变过程的影响。
流滑型窝崩水流结构特征及其变化规律
张幸农, 牛晨曦, 假冬冬, 应强
2020, 31(1): 112-119. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.012
摘要:
针对长江中下游河段流滑型窝崩,进行水槽概化模拟试验,依据精细的流场观测数据,分析窝塘附近水流结构特征及变化规律,为探索此类崩岸力学机制奠定基础。结果表明,窝塘附近水流结构可分为口外主流区、口门涡流区和窝塘回流区三大区域。随着窝崩发展,三大区域内水流结构也随之产生变化。口外主流区基本为明渠弯道水流,有明显环流特征;口门涡流区呈现长条形态,其内存在多个大小、形态、位置和强度变化的涡旋,总体规律随主流快速下移不断破碎或分解,口门上、下两端水流呈明显三维特征且脉动性很强,水面波动剧烈;窝塘回流区内为典型空腔回流,随窝崩发展,其范围扩大,中心下移,形态由椭圆形趋向圆形,强度呈现增强—减弱—稳定的趋势。
梯级水库水温影响的极限
赵高磊, 林玲, 蒲迅赤, 梁瑞峰, 李克锋
2020, 31(1): 120-128. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.013
摘要:
水库的修建给防洪、发电、灌溉、供水等带来巨大经济效益的同时,也对环境产生一定的影响,尤其是水库泄流对下游河道水温的改变,扰乱下游动、植物繁殖与生长的自然节律,而梯级水库无疑将这一影响进行了放大。为研究水库梯级修建对水温的极限影响,构建了虚拟水库Alpha,并使Alpha水库首尾相连无限叠加,采用宽度平均的立面二维数学模型CE-QUAL-W2对梯级水库水温进行模拟。结果表明:河流梯级开发带来的水温累积影响存在极限,梯级开发使水温分层现象极大地弱化,但库区分层结构不会消失;经过22个梯级调节,水库下泄水温相对来流水温不再变化,在同一时刻、同一位置无论是表层水温还是库底水温均与上游梯级相同,库区流场也与上游流场相同;水库水温累积影响达到极限表明入流热量、出流热量完全达到平衡。
述评
降水临近预报及其在水文预报中的应用研究进展
刘佳, 邱庆泰, 李传哲, 焦裕飞, 王维, 于福亮
2020, 31(1): 129-142. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.014
摘要:
随着全球气候变化、自然变迁及陆表生境改变,极端天气频发且呈现出多尺度时空变异特征,对其进行预报和预警一直是气象水文领域关注的焦点。临近预报可较准确地预报未来短时间天气显著变化,是当前预报强降水等极端事件的主要手段。从基于天气雷达0~3 h外推临近预报、融合数值模式0~6 h临近预报的发展历程梳理了临近预报的研究进展,阐述了雷达外推算法的发展进程、雷达外推预报与数值模式预报融合技术进展,指出"取长补短"的0~6 h融合预报在提高降水预报精度、延长降水预见期等多方面有较大的发展潜力,进一步探寻及提升融合技术是未来融合预报发展的核心。将临近预报以气象水文耦合的方式引入水文预报是从源头提高水文预报精度、保障水文预报效果的主要途径,总结了现阶段主流耦合方式、空间尺度匹配技术、水文模型不确定等陆气耦合中的关键问题,阐述了外推临近预报、融合临近预报作为水文预报输入的研究进展,明确了融合临近预报在延长洪水预见期、提高洪水预报精度中存在优势,并讨论了未来的研究重点及发展方向。
溃坝风险后果研究现状与发展趋势
葛巍, 焦余铁, 李宗坤, 张兆省, 郭新燕
2020, 31(1): 143-151. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.01.015
摘要:
溃坝风险后果分析是水库大坝风险评估的重要内容。影响溃坝风险后果的因素多,作用机理复杂,导致不同研究方法的分析结果与实际后果之间均存在较大差异。从风险后果的内涵出发,建议风险后果可分为生命损失、经济损失和环境影响3个基础类别;分析国外研究成果与应用情况,明确从基于历史资料构建经验模型到基于致灾机理构建物理模型的发展趋势;分析中国溃坝风险后果评估现状,明确结合致灾机理的经验模型分析、半定量评价和区域损失叠加计算三类研究方法在准确性和实用性方面的优点与不足;提出应从加强致灾机理分析、注重准确性与实用性的结合、重视非工程措施的重要作用和在应用中不断改进等4个方面采取措施,提高风险后果研究水平和实际应用效果。