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2020年  第31卷  第3期

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论文
中国主要江河径流变化成因定量分析
王国庆, 张建云, 管晓祥, 鲍振鑫, 刘艳丽, 贺瑞敏, 金君良, 刘翠善, 陈鑫
2020, 31(3): 313-323. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.001
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摘要:
变化环境下中国主要江河实测径流量发生了较为明显的变化，科学理清径流变化原因是流域水资源评价和管理的重要基础工作。基于中国七大江河代表性水文站1956—2018年的实测径流量资料，诊断了变化环境下水文序列的变异性特征；采用水文模拟途径，定量评估了不同驱动要素对径流变化的影响。结果表明：①淮河、长江和珠江实测径流量变异性特征不明显，相比而言，北方主要江河实测年径流量系列存在较为明显的突变性，但最显著的变异点发生时间存在差异，变异前后降水径流关系发生较大变化。② RCCC-WBM模型能够较好模拟中国南方湿润区和北方干旱区江河天然径流量过程，该模型可以用来还原人类活动影响期间的天然径流量。③总体来看，人类活动对中国北方江河径流量的影响大于气候变化的影响，气候变化是中国淮河及其以南江河径流变化的主要原因。
基于分布式水文模型的雅鲁藏布江径流水源组成解析
田富强, 徐冉, 南熠, 李琨彪, 贺志华
2020, 31(3): 324-336. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.002
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摘要:
为开展河川径流的水源解析，构建过程描述和本构参数两方面均有较强物理性的分布式水文模型。以雅鲁藏布江为对象，利用水文分区曲线对降雨、融雪和融冰等不同水源主导的流量过程进行划分，以划分的流量过程线子集对相应水文过程参数进行分步率定，提高了水文模型参数的物理性，以此构建了雅鲁藏布江流域分布式水文模型及参数集，内部多个水文站点和流域雪水当量的验证表明模型具有良好的性能。基于模型解析了2001—2015年间雅鲁藏布江的径流水源组成，降雨、融雪、融冰水源对总径流量贡献的比例分别为66%、20%和14%。本文方法对高山寒区径流的水源解析有普遍意义，结果对理解气候变化下雅鲁藏布江径流变化趋势有参考价值。
黄河下游游荡段过流能力调整对水沙条件与断面形态的响应
程亦菲, 夏军强, 周美蓉, 邓珊珊
2020, 31(3): 337-347. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.003
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摘要:
河道过流能力与主槽形态有关，而主槽形态又取决于上游水沙条件，分析过流能力与这两者之间的关系对研究黄河下游游荡段河床演变规律有重要意义。从典型断面和河段平均两个尺度，定量分析了黄河下游游荡段1986—2015年平滩流量与水沙条件（来沙系数和水流冲刷强度）及汛前主槽形态（河相系数）之间的响应关系。结果表明：① 1986年至小浪底水库运行前，游荡段淤积严重，主槽萎缩，河道过流能力急剧下降，自小浪底水库运行后，游荡段发生强烈冲刷，其断面持续趋向窄深，过流能力逐年恢复；②建立了断面和河段平滩流量与水沙条件及河相系数的幂函数关系，二者相关系数均在0.5以上，但河段尺度相比于断面尺度的相关系数至少可提高17%；③河段平滩流量与前5年汛期平均水流冲刷强度及河相系数的相关系数接近0.94，相应计算公式能较好地反映平滩流量的变化过程，为分析其他河段平滩流量的变化提供了参考方法。
分汊河道主支汊交替主导因子的转换模拟
刘亚, 郑力, 姚仕明, 汪飞, 谢思泉
2020, 31(3): 348-355. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.004
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摘要:
进口水流条件及河道周界特征的改变是促使分汊河道主支汊交替的两大主要因素，不同类型的汊道对两者敏感性存在差异，辨析不同汊道主支汊交替的主导因素是预测汊道演变的前提。以长江中游分汊河道为参考，通过调整进口水流动力轴线走向及两汊的长度比设置了30种概化方案，采用平面二维水沙数学模型探讨上述两种因素对主支汊交替的影响。结论表明：两汊长度比存在一个临界值，当汊长比低于此临界值时，进口主流动力轴线的偏移是影响主、支汊交替的主要动力因素；超过此临界值后，进口水流条件变化对汊道分流格局的影响将会明显减弱，影响主支汊交替的主导因子将转换为汊道间的阻力对比关系；通过概化计算得到此临界值约为1.5。
推移质翻越低坝输移特性的试验研究
晏自立, 徐元, 李丹勋
2020, 31(3): 356-365. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.005
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摘要:
对于山区河流低坝而言，平时淤积在坝前的推移质粗沙可能会在洪水期集中翻越坝顶，形成高强度输沙。本文开展水槽试验，研究推移质粗沙自上游起动、推进、再翻越坝顶后向下游输移的过程，分析了输沙参数的变化特性及数理规律，描述了翻坝输沙模式及运动特征，揭示了输沙规律与河床形态之间的自然联系。取得如下认识：①输沙量随时间大致以幂函数规律增长。②低坝附近区域河床形态终将趋于稳定，上游和下游均形成相对稳定的曲面斜坡淤积体。③在不同的水流强度下推移质翻坝输移模式存在差异。对于一般水流强度工况，上游淤积体曲面斜坡表面泥沙颗粒以滚动或滑动模式起动，推移至接近坝顶位置时再跃移翻坝，后向下游输移；对于更高水流强度工况，后期的翻坝输沙模式可能发生显著转变，周期性边壁漩涡成为翻坝输沙的主要动力来源。
长江中下游河道冲淤演变的防洪效应
徐照明, 徐兴亚, 李安强, 张黎明, 胡春燕
2020, 31(3): 366-376. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.006
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摘要:
近年来长江中下游来沙量持续减少，河道面临长距离、长历时的冲淤调整，河道蓄泄关系发生变化，对防洪造成影响。在长江中下游河道冲淤及其蓄泄能力变化预测成果的基础上，对比计算了现状和未来河道蓄泄能力条件下，遇1954年洪水，长江上游水库防洪调度和中下游地区超额洪量的变化情况。结果表明，未来随着长江中下游河道进一步冲刷，河道槽蓄容积增加，相同防洪控制水位下的河道安全泄量增大，三峡水库在进行防洪调度时可下泄流量增大，总拦蓄洪量减小，长江中下游地区总超额洪量减小，但超额洪量在地区分布上存在从上游向下游转移的情况。
水位变化对鄱阳湖苦草潜在生境面积的影响
陈炼钢, 陈黎明, 徐祎凡, 栾震宇, 金秋, 施勇, 胡腾飞
2020, 31(3): 377-384. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.007
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摘要:
苦草是鄱阳湖越冬水鸟的重要食物资源，为量化水位变化对鄱阳湖苦草生境的影响，基于环境流体动力学模型（EFDC）和生境适宜度曲线，构建了鄱阳湖苦草生境数值模拟模型；对三峡水库175 m试验性蓄水后鄱阳湖苦草潜在生境面积变化进行了连续模拟，建立了苦草潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积变化与星子站水位的定量响应函数；并据此分析了三峡水库运用及拟建鄱阳湖水利枢纽对苦草潜在生境面积的影响。星子站水位15 m左右时苦草潜在生境面积最大，潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积分别为1 703 km2和2 336 km2。三峡水库运用可有效保障鄱阳湖苦草潜在生境面积，但其扰动幅度也明显减小，潜在适宜生境和水深≤4 m水域面积序列标准差在三峡运用后减幅分别达到27%和47%。拟建鄱阳湖水利枢纽调控水位在其下闸蓄水期和长江上游水库蓄水调节期内宜分别控制在16 m以下和13.5 m以上，可保障潜在适宜生境及水深≤4 m水域面积与最大值相比减幅分别控制在20%和10%以内。成果明晰了水位变化对鄱阳湖苦草潜在生境面积的定量影响规律，为江湖新水沙条件下鄱阳湖生态系统保育提供了量化依据。
典型窝崩三维数值模拟
假冬冬, 陈长英, 张幸农, 应强
2020, 31(3): 385-393. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.008
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摘要:
窝崩是冲积河流常见的一种崩岸类型，具有发展速度快、破坏力强等特点，且不易成功模拟。以长江下游扬中河段指南村窝崩为例，基于窝崩机理及其力学模式，采用考虑回流区紊动影响的挟沙力公式模拟窝塘内泥沙输移，初步建立了窝崩三维数值模拟方法。研究结果表明：窝崩发生初期窝塘内局部水流具有底层流速大于上层流速的特征，这为窝塘底部及坡脚淘刷提供了动力条件；窝塘内回流区水流挟沙力的计算对窝崩形态模拟结果存在显著影响，考虑回流区紊动影响的泥沙输移特性后，模拟结果与实测结果基本吻合，可较好地模拟窝崩的快速发展过程。研究成果可为窝崩机理的深入认识和窝崩治理提供科技支撑。
宽窄相间河道水流紊动特性试验研究
王文娥, 廖伟, 漆力健
2020, 31(3): 394-403. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.009
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摘要:
为了探索宽窄相间河道的水流紊动特性，以西南地区宝兴河上游宽窄相间河段为研究对象，基于室内概化模型试验，采用多普勒声学流速仪（ADV）测量了室内模型典型断面上的三维瞬时流速，分析典型断面上的纵向时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果显示：宽窄相间水槽中，扩散段边壁的紊动强度大于中心区域的紊动强度，最大值位于0.2倍水深处；扩散段两侧坡脚处紊动能最大；侧壁区的平面和立面雷诺切应力最大值出现在扩散段内，中心区域最大雷诺切应力位于两槽间的中间断面处；扩散段内水流紊乱，两侧出现旋涡和涡脱，易造成侧壁侵蚀加强，引起河道拓宽。深入分析了宽窄相间河道水流的紊动特性，可为山区河流治理和自然灾害防治提供参考。
山区卵砾石河道水流阻力计算
罗铭, 黄尔, 王协康, 杨奉广
2020, 31(3): 404-412. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.010
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摘要:
卵砾石河道广泛存在于山区河流中，在卵砾石河床近底层的水流流速低于上方流速，速度剖面出现拐点，类似于自由剪切流动，传统的指数型和对数型水流阻力公式计算误差偏大。将自由剪切流理论类比到山区卵砾石河道，并考虑山区河流特殊流态、流场和剪切力的影响，引入雷诺数（Re）、弗劳德数（Fr）和摩阻流速利用水槽数据进一步修正了该类水流阻力公式。筛选位于意大利南部的亚平宁山脉140条山区河流野外数据对新公式进行验证，并检验对比了已发表的多个山区河流阻力公式。结果表明：修正后的水流阻力公式Nash-Sutcliffe效率指数最接近1、均方根误差最小、相对误差最小。自由剪切流动的类比是从湍流结构角度推导河道水流阻力，能更好地阐释特殊水流结构，进而提高计算精度。
弯曲溢洪道挑流消能试验研究
李瑶, 杨胜发, 付旭辉
2020, 31(3): 413-421. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.011
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摘要:
为避免加剧弯曲溢洪道的不良振动，对弯道水流的挑流消能问题进行研究。通过试验研究的方法，提出了一种适用于弯曲溢洪道的新型挑流消能工，结合渠底超高法对弯道水流的干扰，使水流在质量力的作用下分流，有效降低和减小了回水的流量范围，增加了挑流水舌的纵向长度。通过对比两种不同凹岸边墙半径的弯曲束窄差动式斜切挑坎和弯曲连续斜切挑坎的回流、挑流和分流等特性，根据水流运动特性和流线的几何关系，提出了一种判断该新型挑坎发生回水的半理论半经验方法。研究发现高坎的收缩程度和凹岸边墙半径是影响分流和回水的主要因素，通过对高坎水流运动特性的分析，拟合流量、凹岸边墙半径与高坎折冲水流出流方向角γ的经验公式，推导了高坎分流临界角度γc的计算表达式，计算结果与试验测量结果吻合良好，可以为弯道水流挑流消能的工程应用和运行提供参考。
孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟
周鸿翔, 郑延丰, 吴劳生, 陈铖, 曾令藻
2020, 31(3): 422-432. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.012
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摘要:
深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体（分辨率3.7 μm）为研究对象，在空间节点数多达64 000 000的情况下，基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数，并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现，结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD（即10-13m2）量级，远低于规则堆叠的圆球结构（>20 000 mD）；土壤的迂曲度为1.40~1.60，明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明，渗透率大的样品具有较小的迂曲度，这与结构的空间异质性有较强的关系；土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性；在水力梯度一定的前提下，渗透率较大的样品，纵向弥散系数也较大；同时，结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟，可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。
河岸带蜿蜒性与植被密度对潜流驻留时间的复合效应
夏继红, 窦传彬, 蔡旺炜, 曾灼, 余根听
2020, 31(3): 433-440. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.013
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摘要:
潜流驻留时间是反映潜流交换、溶质迁移转化、生物组成、生态过程的重要特征变量。应用双循环可控式河岸带模型，以NaCl为示踪剂，深入研究了河岸带蜿蜒性与植被密度对潜流驻留时间的复合效应；应用量纲分析和主成分分析法，探析了潜流驻留时间的关键影响因子及其作用程度和敏感性。结果表明：①河岸带植被密度对潜流驻留时间具有促进作用，但存在一定的阈值。②潜流驻留时间分布与河岸蜿蜒形态呈类镜像效应；潜流驻留时间在河岸带蜿蜒波不同位置差异明显，迎水面平均驻留时间约为背水面的1/2。③河岸带蜿蜒性与植被密度是影响潜流驻留时间的关键因子，总作用程度达91.07%。潜流驻留时间对蜿蜒性最敏感，对植被密度敏感性较弱，对复合因子的敏感性介于两者之间；迎水面内组合因子对潜流驻留时间具有共同促进效应，背水面内组合因子对潜流驻留时间具有抑制和促进双重效应。
风浪作用下水生植物对水流结构的影响——以太湖中两种典型沉水植物为例
张英豪, 赖锡军, 张琳, 姚昕, 邓焕广
2020, 31(3): 441-449. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.014
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摘要:
为研究风浪作用下水生植物对水流结构的影响，选取太湖中两种典型沉水植物（苦草与马来眼子菜）为研究对象，分别对苦草植物斑块与马来眼子菜植物斑块内外水体的瞬时流速进行野外现场测量，利用瞬时流速的能量谱分布将波浪流速与紊动流速分离，分别分析水生植物对时均流速、波浪流速以及紊动能的影响。风浪影响下，水体中存在流向与测量时近水面处盛行风向一致的水流；波浪流速以垂向流速为主，且波浪流速自水面向床底逐渐减小；紊动能在水面处达到最大值，并向床底方向逐渐减小。与无植被条件相比，苦草与马来眼子菜的存在减小了时均流速、波浪流速以及紊动能。两种植物形态上的差异，导致其对水流结构的影响不同：苦草叶片阻流面积在冠层中部达到最大，使得时均流速与波浪流速在苦草中部位置的减小程度最大；马来眼子菜叶片主要集中于冠层顶部（水面附近），其对时均流速以及波浪流速的减小作用在水面处达到最大。
城市地表径流-灰尘-污染物输移研究进展
申红彬, 徐宗学, 吴保生
2020, 31(3): 450-462. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.015
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摘要:
城市地表"径流-灰尘-污染物"作为一个三相介质系统，相互作用机理十分复杂。分别从城市地表灰尘颗粒对不同种类污染物的吸附效应及时空分布规律、地表（坡面）降雨径流特性及过程模拟、地表径流-灰尘-污染物协同输移与削减等方面，总结与分析了现有的研究进展。从本质上来看，城市地表灰尘可视为由不同粒径泥沙颗粒组成的综合体，有必要基于泥沙运动力学理论加强对地表径流中灰尘颗粒运动规律的研究，并以灰尘颗粒对不同污染物的吸附、沉淀作用为纽带，探讨"径流-灰尘-污染物"的协同输移与削减机制。其中，如何有效扩展城市调查样本容量，比较研究不同下垫面径流动力特性，并从径流能量或功率角度出发，研究不同粒径灰尘颗粒的分组起动与输移规律，并建立在径流输送过程中的挟沙力方程，将是今后需要深入研究的问题。
基于遥感空间信息的洪水风险识别与动态模拟研究进展
曾子悦, 许继军, 王永强
2020, 31(3): 463-472. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.016
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摘要:
对地观测卫星遥感能够提供广泛可靠的空间信息，是洪水风险识别与动态模拟的重要支撑技术之一。为阐明卫星遥感技术对洪水研究的推动作用，回顾了洪水风险识别与动态模拟研究的发展历程及技术需求，以对地观测卫星遥感三大阶段的发展轨迹为主线，分析了遥感空间信息在洪水研究中的历史性贡献和阶段性效用，讨论总结了危险分区法、水文模型和微波遥感监测等3种洪水研究典型方法的应用进展。提出未来洪水风险识别与动态模拟研究的重点：遥感空间信息与模型算法的深度结合，遥感反演算法与系统的开发及应用，典型洪水研究方法集成系统的开发与应用，大数据方法与手段的应用。以期为提升洪水应急响应能力与灾害风险管理水平提供有效参考。

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