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2020年  第31卷  第4期

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论文
三峡水库汛期控制水位及运用条件
王俊, 郭生练
2020, 31(4): 473-480. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.001
摘要:
随着长江上游梯级水库的陆续建成投运,三峡水库的水文情势和功能需求与设计条件相比发生了显著变化,仍维持固定的汛限水位运行已不能适应新形势需求。本文通过辨析三峡水库设计阶段汛限水位的设置条件,挖掘流域洪水特性和洪水遭遇规律,论证三峡水库汛期运行水位动态控制的可行性。结果表明:①三峡水库设计推求的汛限水位145 m的适用条件是应对流域性大洪水,而流域性洪水发生概率小且特征明显,可以通过水文水情分析提前预判。②根据流域洪水类型、洪水分期和遭遇规律,预判发生区域性大洪水时,三峡水库6月初至梅雨期结束汛限水位按145 m设置,从梅雨期结束后逐渐提高水位,8月20日后过渡到155 m。③在考虑上游水库群联合调度和气象水文预报的配合下,正常年份三峡水库汛期运行水位可在155 m上下浮动,并考虑提前蓄水。④三峡水库汛期运行水位动态控制,不会增加防洪风险和库区淤积风险,对中下游江湖关系和水文情势有利,可显著提高发电、航运、生态保护和供水等综合利用效益。
梯级水库蓄水对三峡水库洪峰沙峰异步特性的影响
张为, 李昕, 任金秋, 董炳江
2020, 31(4): 481-490. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.002
摘要:
梯级水库蓄水后,三峡水库入库泥沙大幅度减少,同时三峡水库洪峰沙峰传播特性发生变化,有必要研究新水沙条件下三峡水库洪峰沙峰异步特性变化及其原因,为深入认识水库洪峰沙峰异步特性机理和精细化减淤调度方式提供理论基础。采用实测资料分析法和理论分析法,以2003—2018年三峡水库实测水文资料为基础,对梯级水库蓄水后三峡水库洪峰沙峰异步特性变化进行分析,初步探讨这些变化的主要原因。结果表明:梯级水库蓄水后,三峡水库洪峰沙峰异步现象加剧,表现为入库滞后沙峰比例增加最多、库区洪峰传播时间减少以及沙峰传播时间增加。造成该现象的原因是入库泥沙来源发生变化、入库洪峰流量减少以及入库泥沙颗粒粗化。
1959—2018年九段沙地貌演化特征及动力机制
程海峰, 辛沛, 刘杰, 顾峰峰, 王巍, 韩露
2020, 31(4): 491-501. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.003
摘要:
基于近60年(1959—2018年)系列水下地形资料,研究九段沙成形以来的地貌演化特征和动力成因。结果表明:九段沙1959—1990年处于稳速淤涨、以低滩为主的自然演化状态;近30年(1990—2018年),0 m及以上高滩受植被生长和长江口深水航道治理工程作用快速淤涨,-1~-2 m滩面受干扰程度小、稳速淤涨;近20年(1998—2018年),-3 m及以下低滩受流域减沙和临近的大型涉水工程影响淤涨放缓并由淤积转冲刷,期间流域减沙使得九段沙淤积放缓滩地由低到高向上延伸。未来流域来沙可能进一步下降并维持在较低水平,九段沙将面临-3 m及以下低滩进一步冲蚀,-3 m以上滩地淤积放缓并由低到高逐渐转冲的风险。
长江下游潮流界变动段三益桥边滩与浅滩演变驱动机制分析
杨云平, 郑金海, 张明进, 王建军, 朱玲玲
2020, 31(4): 502-513. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.004
摘要:
潮流界变动段的边滩与浅滩演变关联性强,同时受径潮流水动力、供沙来源及人类活动等多重影响,是航道治理与疏浚维护的重点河段。通过对三益桥河段1976—2017年期间河床冲淤、汊道分流比、三益桥边滩及浅滩演变过程的分析,明确三益桥边滩及浅滩演变的驱动机制。2012年以来三益桥边滩12.5 m水深以浅滩体体积为增大态势,大水年份边滩以淤积为主,设计航槽及深槽以冲刷为主,中水年份边滩淤积厚度小于深槽。上游五峰山弯道河势稳定,具有阻隔上游和畅洲河段河势、汊道分流比调整等传递作用,三益桥边滩淤涨(长)与上游和畅洲河段河势及汊道分流比调整的关系不显著,主要与流域来流流量大小及过程、上游河道冲刷供沙等相关。洪季三益桥上浅区碍航程度大于枯季,汛前中水流量(大通水文站流量介于26 000~34 000 m3/s之间)持续天数长的年份碍航程度大于大洪水年份同时期;因此,流量过程决定边滩与浅滩的冲淤分布,中水流量持续时间长短及供沙量大小决定三益桥边滩淤积量及浅滩碍航淤积量。
南黄海大型潮汐水道动力地貌环境对人类活动响应——以小庙洪水道为例
陈可锋, 曾成杰, 王乃瑞, 徐俊晖
2020, 31(4): 514-523. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.005
摘要:
辐射沙脊群内潮汐水道由于没有固定的边界,其稳定性对人类活动影响更加敏感。通过收集近20年来辐射沙脊群南翼小庙洪海域实测高分辨率水下地形资料,结合数学模型分析研究人类活动对小庙洪海域水动力和地形冲淤累积影响。研究结果表明:近20年来小庙洪水域边滩匡围面积达126.09 km2,边滩匡围导致小庙洪尾部、中部及口门段断面流量分别减小14.2%、15.79%和9.13%;尾部、中部及口门段深槽区平均流速分别减小20~30 cm/s、10~20 cm/s和5~10 cm/s。小庙洪水道南侧-5 m等深线变化幅度较小,基本保持稳定状态;-10 m等深线继续向西延伸,向南拓展。近20年来小庙洪边滩匡围虽导致水道内纳潮量和水动力有所减弱,但由于目前匡围区均处于高滩区域,各匡围工程所引起的泥沙冲淤仅限于工程区附近,对小庙洪水道整体稳定性、深槽主轴南逼、口门水道整体北淤南冲的演变趋势没有产生明显影响。
清水冲刷条件下长江中游沙卵石河段局部卵石淤积成因
熊海滨, 孙昭华, 李明, 陈立
2020, 31(4): 524-534. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.006
摘要:
为探究三峡水库持续下泄清水条件下长江中游沙卵过渡段内卵石局部冲刷、搬运和淤积现象的成因,采用近期水文、泥沙和地形观测资料,结合河道平面二维水动力模型,计算了研究河段内各级流量下的泥沙起动粒径分布,分析了上游来流、下游水位变化的影响,辨析了河床冲淤的成因。结果表明:① 45 000 m3/s以上流量时,粒径大于30 mm的卵石可沿洪水主流带连续搬运;流量低于15 000 m3/s时,大粒径卵石只能沿枯期主流在浅滩河段局部搬运;流量介于两者之间时,水流对大粒径卵石的输移动力相对较弱。②三峡建库后,洪水量级削减而枯水天数增多,不利于卵石长距离下移,而水位下降不断溯源传递,促使枯水流路上原本稳定的区域开始冲刷。③局部淤积现象由枯期水动力增强所导致,与长江中游沙卵过渡段特殊的地貌和沉积环境有关。卵石局部冲淤调整可能在河段内多个位置长期存在,需引起关注。
长江中游动床阻力计算
刘鑫, 夏军强, 周美蓉, 邓珊珊
2020, 31(4): 535-546. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.007
摘要:
动床阻力计算是水沙数学模型中的重要研究内容。三峡工程运用后,进入长江中游河段的沙量剧减引起河床冲刷及床沙粗化,导致动床阻力的变化特点更复杂,有必要研究长江中游动床阻力的计算方法。采用长江中游枝城、沙市及汉口等5个水文站2001—2012年的1 266组实测数据,选取弗劳德数(Fr)和相对水深(h/D50)作为动床阻力计算的主要影响因子,建立基于水流能态分区的动床阻力公式并利用多元非线性回归的方法率定相关参数,采用长江中游上述5个水文站2013—2017年的651组实测数据对公式进行验证。结果表明:①长江中游的动床阻力主要处于低能态区和过渡区;②基于水流能态分区动床阻力公式的计算精度明显高于现有阻力公式,决定系数(R2)约为0.89,阻力系数n的计算偏差小于±30%的数据达97.7%。
圆形断面管道非满流水动力特性
丁法龙, 茅泽育
2020, 31(4): 547-555. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.008
摘要:
为探究边壁双曲率对其水动力特性的影响,应用RNG k-ε紊流模型和部分面积体积障碍模拟技术(FAVOR),针对圆管非满流建立三维数值模型,通过物理模型试验结果验证该数值模型的可行性。针对底坡和充满度不同组合条件进行数值试验,分析断面流速、壁面切应力和雷诺切应力分布规律等。研究结果表明:圆管非满流断面上不同垂线的流速分布具有较好的相似性,据此提出了垂线流速分布的抛物线公式;针对不同充满度条件提出了壁面切应力沿湿周分布的统一表达式;雷诺切应力沿垂线服从线性分布规律,充满度越大且距中垂线越远,沿垂线的变化梯度越小;当充满度大于0.5时,由于受二次流影响断面中垂线上雷诺切应力出现负值。
灌木植被分布区阻力特性理论及试验研究
陆彦, 王唯旭, 陆永军, 宋云涛, 鄢栋梁
2020, 31(4): 556-564. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.009
摘要:
为探明河道灌木植被分布区阻水规律,对灌木植被主干、分枝产生的水流阻力特性及其定量特征进行研究。提出原型植被体积修正系数和灌木植被水力半径确定方法,理论推导灌木植被阻力系数计算公式,并结合水槽试验建立植被阻力系数与植被水力半径为特征长度的植被雷诺数之间的关系式。研究结果表明:引入原型植被体积修正系数和灌木植被水力半径使灌木植被阻力计算更为准确;植被阻力系数与植被雷诺数之间呈指数函数关系,随植被雷诺数的增加呈单调减小的趋势,与水槽试验结果吻合很好。
不同降雨条件下城市下垫面表面薄层水流的典型参数试验研究
刘飞, 董占地
2020, 31(4): 565-574. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.010
摘要:
以北京昌平未来科技城试验基地的降雨强度为降雨条件,通过室内降雨试验平台,研究了4种典型不透水下垫面(沥青、砼面、SBS改性沥青和砼方砖)和4种典型透水下垫面(草坪砖A、草坪砖B、风积砂砖A和风积砂砖B)分别在8种恒定雨强条件下形成薄层产流后的糙率系数、沿程阻力系数和径流系数的变化过程。结果显示:平面尺寸、表面光滑度、材质对不透水下垫面的糙率和沿程阻力系数影响较为明显;而结构、材质对透水下垫面的糙率和沿程阻力系数影响较为明显;两类下垫面的糙率值和沿程阻力系数均随雨强增加呈现减小的变化趋势,但变化的幅度较小,之后逐渐趋于稳定;两类下垫面的径流系数在不同雨强下保持相对稳定。
气候变化下东北中等流域冬季径流模拟和预测
王子龙, 何馨, 姜秋香, 刘莹, 孙建
2020, 31(4): 575-582. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.011
摘要:
为了预测未来气候变化下冬季径流,利用寒区水文模型CRHM(Cold Region Hydrological Model platform)模拟2000—2012年和预测2025—2060年松花江二级支流依吉密河上游冬季径流流量。研究结果表明:①根据2025—2060年际冬季径流深和径流系数变化,发现典型排放浓度增加,冬季径流序列不稳定性增大。②根据识别突变点位置,发现典型排放浓度越高,累积冬季径流拐点增多。③通过相关性分析发现,同时期气候为影响冬季月径流的主要因素,冬季降水是影响冬季月径流变化的主要因素。④利用累积量斜率变化率比较方法发现,相对于2025—2042年,2043—2056年和2057—2060年冬季降水增长对冬季径流增长贡献率分别为39.8%和62.6%;相对于2043—2056年,2057—2060年冬季降水减少对冬季径流减少的贡献率为27.0%。
基于随机暴雨移置方法的城市设计暴雨分析
周正正, 刘曙光, DanielB Wright
2020, 31(4): 583-591. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.012
摘要:
城市地区暴雨洪灾发生频繁,合理计算设计暴雨是解决城市洪涝的重要前提。采用随机暴雨移置方法(Stochastic Storm Transposition,SST),设定暴雨移置区并提取出暴雨目录,通过区域性概率重采样与暴雨空间变换相结合的方式进行降雨频率分析,估计本地化的极端暴雨频率。以上海地区为例,研究发现暴雨移置区内暴雨分布具有空间异质性,暴雨随机移置概率不均,计算得到的设计暴雨方案包含了降雨时空分布信息,在不同重现期下设计暴雨的时空结构存在变异性,说明传统方法中采用的简化雨型和均一化空间分布假设会增加设计暴雨的不确定性。
滑移流对浅水湖泊风浪传播特性影响试验研究
高昂, 吴时强, 吴修锋, 王芳芳, 戴江玉, 宋凯
2020, 31(4): 592-600. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.013
摘要:
浅水湖泊等有限风吹程及水深水域的风浪多处于发展阶段,风拖曳表层水体产生的滑移流会对风浪传播特性产生影响,风浪的波速、波长等参数难以通过线性波的理论频散关系获取。为准确预测湖泊风浪参数,在考虑浅水湖泊的有限吹程和水深特征的基础上,利用风洞水槽模拟研究了滑移流对风浪传播特性的影响。结果表明:滑移流、斯托克斯流及表面流均与风速正相关,滑移流与表面流比值随着风速的增加逐渐降低并稳定于75%;滑移流对波速和波长有促进作用,对小尺度波浪的促进作用尤其显著;波浪非线性会抑制滑移流对波速及波长的促进作用;建立了考虑滑移流影响的风浪经验频散关系式以及风浪主频波速经验关系式。
基于梯度分析法的长江上游水库群供水-发电-环境互馈关系解析
何中政, 周建中, 贾本军, 张勇传
2020, 31(4): 601-610. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.014
摘要:
长江上游水资源耦合系统优化调控涉及供水、发电和生态需水等相互竞争、不可公度的调控目标。其供水-发电-环境互馈协变机制难以数学解析和刻画,多维目标效益均衡优化调控难以实施。为此,以多目标优化、运筹学理论及方法为基础,提出了基于梯度分析法的供水-发电-环境两两互馈关系研究方法。通过多目标约束优化方法求解长江上游水库群联合优化调度在供水-发电-环境目标空间的最优解集,并进行插值构造了供水-发电-环境互馈关系多维空间曲面,以此为基础,采用一阶差分近似求解供水对环境和发电对环境偏导函数值,以量化环境对供水变化和发电变化响应的梯度,进而解析环境-供水和环境-发电间互馈协变关系。该方法为水库群优化调度多目标互馈关系研究提供了一种新的思路。
述评
海绵城市内涝防治系统的功能解析
刘家宏, 王佳, 王浩, 梅超
2020, 31(4): 611-618. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.015
摘要:
为加强海绵城市内涝防治基础研究,提出了包括源头控制系统、雨水管渠系统、超标雨水蓄排系统等海绵城市内涝防治系统的构建方法,分析其防涝功能及其对应的雨洪量级。以北京通州试点为例,在50年一遇24 h降水339.85 mm的情景下,源头控制系统、雨水管渠系统、超标雨水蓄排系统承接的降水量分别为34.00 mm、130.70 mm、175.15 mm。引入GAUSS函数进行非线性拟合,研究了海绵城市内涝防治系统的防涝机理,将防涝功能评估过程转化为对GAUSS函数参数估计的过程。在成本效益分析法基础上,以内涝防治效果、全生命周期成本、占地面积作为决策指标,以不同方案情景下单位面积上的"效益/成本比值"最大化作为目标函数,提出海绵城市内涝防治系统的功能优化思路。
澜沧江-湄公河流域产输沙和水库拦沙研究存在问题分析
侯时雨, 田富强, 倪广恒
2020, 31(4): 619-628. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.016
摘要:
澜沧江-湄公河是中国与东南亚地区重要的跨境河流,其泥沙问题涉及流域内各国的生态、农业、渔业、航运、海岸侵蚀等诸多领域,近年来下游输沙量持续减少,受到广泛关注。综述了澜沧江-湄公河泥沙研究的争论焦点,包括全流域主产沙区的位置,湄公河干流水文站点间实测输沙量异常变化关系以及人类活动对泥沙过程的影响。系统梳理了现有研究中存在的主要问题,包括下湄公河泥沙观测数据质量不高、全流域总输沙量1.60亿t/a的数据基础存疑、水文模拟的时空分辨率不足、未考虑土地利用变化的影响和悬移质之外的泥沙研究不充分等,在此基础上提出了进一步研究建议。