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2020年  第31卷  第6期

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论文
中国地下水资源演变趋势及影响因素分析
陈飞, 徐翔宇, 羊艳, 丁跃元, 郦建强, 李原园
2020, 31(6): 811-819. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.001
摘要:
中国地下水资源发生了显著变化,全面摸清地下水资源演变趋势及其影响因素是治理和管理地下水资源的基础。基于全国水资源调查评价、中国水资源公报等资料,对中国60余年来地下水资源的演变规律与影响因素进行了系统分析。结果表明:全国地下水资源量总体稳定,但区域演变趋势差异明显,海河区、辽河区、黄河区呈明显衰减态势;地下水补给结构发生重大变化,由自然补给演变为自然与人工补给并存的模式;地下水排泄结构发生巨大变异,由天然排泄逐渐演变为以人工排泄为主。海河区、松花江区、黄河区、西北诸河区等区域地下水补给排泄关系严重失衡,超采问题突出;降水变化、下垫面条件改变、人类活动干扰是地下水资源变化的主要原因。
黄土丘陵沟壑区坡面尺度撂荒草地入渗特征影响因素试验研究
肖婧, 王兵
2020, 31(6): 820-831. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.002
摘要:
为研究黄土丘陵沟壑区多种因素对撂荒草地入渗特征的影响,采用野外自然降雨观测法,研究不同降雨特征(降雨量、平均雨强、降雨历时和最大30 min雨强(I30))、土壤前期含水量、坡长(10 m、20 m、30 m、40 m和50 m)和植被盖度条件下土壤入渗特征差异,通过灰色关联度法判断影响撂荒草地入渗特征的主导因子。结果表明:①入渗量随降雨量、降雨历时和I30增加而增大(R2>0.55,P < 0.01);入渗补给系数随降雨量、I30和平均雨强增大而减小(R2>0.12,P < 0.05);平均入渗率随降雨强度、I30增加而递增(R2>0.53,P < 0.01)。②入渗量和平均入渗率随前期含水量增加而减少,入渗补给系数随之增加而增大(R2>0.13,P < 0.05)。③入渗量、入渗补给系数和平均入渗率总体随坡长增加而增大(R2>0.56,P < 0.01),但在坡长30 m和40 m之间存在临界坡长。④在入渗效率较高的情况下,植被对土壤入渗的影响并不显著,降雨特征和坡长成为主导因子。
河套灌区耕地-荒地-海子系统间不同类型水分运移转化
王国帅, 史海滨, 李仙岳, 闫建文, 郭珈玮, 李正中
2020, 31(6): 832-842. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.003
摘要:
为了探明耕地-荒地-海子系统中不同类型水分的运移转化规律,在2018-2019年典型时期对系统内具有代表性的采样点进行水样采集,分析了不同时期内不同水体的δ18O变化特征,并利用二端元混合模型和土壤水动力学方法计算了不同类型水分转化贡献率。结果发现:①在灌溉期,82%的灌溉水储存于1 m土体中,18%的灌溉水通过渗漏补给了耕地地下水,渠系灌溉水通过地下侧向径流给耕地地下水贡献了76%。②灌溉水和降雨对耕地地下水平均贡献率为94%和6%;耕地地下水和降雨对荒地地下水的平均贡献率为71%和29%;荒地地下水和降雨对海子的平均贡献率为43%和57%。③渠系灌溉水通过侧向径流贡献给耕地地下水的水量基本全部迁移给了荒地地下水,地下水迁移转化是由渠系水侧向径流触发的。④灌后5 d,耕荒地交界土层0~40 cm存在饱和-非饱和侧向补给;灌后15 d和30 d,耕地和耕荒地交界处的地下水向根区40~60 cm、土层80 cm以及100 cm补给水分;灌后30 d,耕地中的灌溉水水分消失。⑤在非灌溉期,荒地地下水和海子耗水较多,应给海子补给水分。
雨水口堵塞程度对其泄流能力影响的试验研究
夏军强, 陈倩, 董柏良, 张晓雷
2020, 31(6): 843-851. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.004
摘要:
雨水口是下泄地表径流的关键设施,一旦堵塞将导致市政排水系统的泄流能力无法充分发挥,这是引发城市洪涝灾害的主要原因之一。为定量分析雨水口堵塞对其泄流能力的影响,本研究分别考虑进水篦及连接管不同堵塞程度的情况,开展了较大来流水深下的概化水槽试验,共计进行了608组试验。试验结果表明:①进水篦及连接管堵塞均会显著影响雨水口的泄流能力,且后者对雨水口泄流能力的影响更大。②利用试验数据率定了各堵塞情况下水流以堰流或管嘴流形式从雨水口下泄时的流量系数;基于量纲分析及回归分析,给出了各堵塞情况下雨水口泄流能力的幂函数表达式,并利用试验数据对参数进行了率定,率定效果优于堰流或管嘴流公式。③通过与未堵塞情况进行比较,基于幂指数均值假定及非线性拟合方法,建立堵塞系数与堵塞程度之间的经验关系,并最终提出了一个可以分别考虑进水篦与连接管堵塞影响的雨水口泄流能力公式;该公式可以考虑雨水口堰流及管嘴流等不同泄流形式,能够反映进水篦、连接管不同堵塞程度的影响,适用于来流水深较大的情况。
基于多类型雨量计的降雨特性分析
廖爱民, 刘九夫, 张建云, 王妞, 廖敏涵, 姜广旭
2020, 31(6): 852-861. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.005
摘要:
为提高对降雨特性的认识,选择常用的6种测雨设备(翻斗式SL3-1、JDZ05、RG-3,称重式Pluvio2,雨滴谱仪Parsivel2和非计数式JQH-1),成对布设在南京水利科学研究院滁州水文实验基地的同一个实验场地,同步观测了2019年4月1日至8月31日为期5个月的降雨过程。比测分析得到:在中大雨条件下(日雨量≥ 10 mm),SL3-1和JDZ05测的降雨总量能够满足4%误差控制要求,RG-3、Pluvio2和Parsivel2测的降雨量比JQH-1测值小4%;在小雨条件下(日雨量 < 10 mm),翻斗式和称重式雨量计的测量值小于JQH-1测值的4%;SL3-1、RG-3、Pluvio2、Parsivel2测得雨强≤ 0.1 mm/min的频率大于75%,雨强≤ 0.2 mm/min条件下的雨量累积比重大于50%;Pluvio2和Parsivel2监测的降雨开始时间比SL3-1分别早0.5 h和2 h以上,而结束时间分别晚0.5 h和2 h以上。比测结果有助于研究人员选择合适的测量设备获取所关注的降雨特性。
三峡大坝下游近坝段沙质河床形态调整及洲滩联动演变关系
赵维阳, 杨云平, 张华庆, 张明进, 袁晶, 杨保岑
2020, 31(6): 862-874. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.006
摘要:
大型水库运行改变了坝下游水沙条件,引起河床冲淤、洲滩形态等适应性调整,尤其是近坝段沙质河床的响应最为敏感。以三峡大坝下游近坝段沙质河段为研究对象,采用1955-2018年水沙数据与1975-2018年地形资料,研究了河床冲淤量及河床形态、洲滩形态演变及联动关系等。研究表明:伴随流域来沙量减少,1975-2018年河床为累积冲刷态势,枯水河槽冲刷量占总冲刷量的93.1%,同步发生洲滩面积减少、深泓下切;以2009年分界,滩槽冲淤逐渐由"低滩冲刷,高滩淤积"逐渐向"低滩、高滩均冲"转变;受来沙量锐减、河道采砂活动等影响,2013年以来河床冲刷强度显著增大,疏浚抛泥对滩槽冲淤的影响较小;航道工程实施前滩群演变关联性强,太平口心滩发育与头部下移引起腊林洲边滩上段面积减小并后退,对应腊林洲边滩尾部面积增大且淤宽,使得三八滩面积减小且右缘蚀退,金城洲逐渐由边滩演变为心滩;航道工程实施后太平口心滩与腊林洲边滩上段关联性减弱,受航道工程及疏浚抛泥等影响腊林洲边滩下段淤宽,引起三八滩维持面积持续减小、右缘后退及左移态势,促使金城洲萎缩且分散。
三峡大坝—葛洲坝河段水沙变化及冲淤特性
史常乐, 牛兰花, 赵国龙, 杜林霞
2020, 31(6): 875-884. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.007
摘要:
掌握三峡和葛洲坝枢纽间河段水沙及冲淤特性的变化规律,是河段诸多工程问题研究的前提。对大量水沙地形资料进行分析,探讨泥沙起动理论在冲刷预测中的应用。长江上游水库建设及两大枢纽相继运行,河段年径流量微减,月均流量发生"削峰填谷"重分配,年输沙量大幅降低,河段水沙关系显著改变;河段累积冲淤量受极端水文条件和枢纽调度的短期和长期控制,时间上具有明显阶段性特征,空间上则表现为部分子河段的活跃性;床沙组成随枢纽运行先后发生细化和粗化;基于沙玉清起动流速公式绘制了起动临界条件曲线图,通过推算断面最大可动床沙粒径或临界流量,可为河床冲刷可能性的预判提供参考。
太湖流域应对特大洪水防洪工程效益模拟
王艳艳, 王静, 胡昌伟, 刘浏, 俞茜
2020, 31(6): 885-896. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.008
摘要:
防洪效益评估对防洪工程投资决策与减灾对策制定具有重要意义。建立集成了与太湖流域防洪效益评估相关的系列模型和方法,包括含降雨产流与平原净雨计算的水文分析方法、由河网水动力学模型和平原区域洪水分析模型组成的大尺度水力学模型、综合流域社会经济和淹没因素的洪灾损失评估模型。模拟了太湖流域遇特大洪水的灾害损失,开展了不同防洪工程应对流域性特大洪水减灾效益的预测分析。结果表明:1999年型200年一遇降雨将会给太湖流域造成高达568.29亿元的直接经济损失,外排动力增强30%至100%的防洪效益介于26.69亿元到45.70亿元之间,新建圩区、太浦河拓宽的防洪效益依次减小,而圩区泵排能力增加30%的防洪效益仅为0.65亿元。基于研究成果提出了增设外排泵站、加强圩区科学调度、通过保险分担风险等应对特大洪水的对策措施建议,为太湖流域特大洪水的防治提供支撑和参考。
缺水流域用水竞争与协作关系——以黄河流域为例
尚文绣, 彭少明, 王煜, 方洪斌, 武见, 许明一
2020, 31(6): 897-907. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.009
摘要:
缓解水资源供需矛盾是缺水流域水资源管理的重点与难点,量化不同用水部门间的竞争与协作关系,可为缺水流域水资源供需关系提供评估方法和优化思路。分析了水资源的排他性和非排他性特征,定义了不同用水部门之间的竞争与协作关系,建立了用水竞争度和协作度量化方法,并提出减小竞争度、增大协作度的需水过程优化目标。以黄河流域为例评估用水竞争与协作关系,结果显示:2017年兰州以下各河段存在较强的用水竞争关系,汛期河道内缺水导致协作度较小;预测2030年兰州-河口镇和花园口以下用水竞争度较大,跨流域调水工程可有效降低各河段用水竞争度;流域水资源管理需进一步考虑汛期高流量的生态作用和非汛期输沙需水过程,进一步挖掘用水协作潜力;将部分汛期输沙水量调整至非汛期可以减小竞争度、增大协作度。
浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型
王宗志, 刘克琳, 刘友春, 程亮, 叶爱玲
2020, 31(6): 908-916. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.010
摘要:
在保障防洪与河湖生态安全的前提下,将汛期洪水尽可能多地蓄存起来以满足当前及未来一段时间的河道外用水需求,是浅水湖泊洪水资源利用所追求的目标。为综合考虑区域来水和需水不确定性、潜在储水空间和利用方式,合理确定洪水资源开发规模,采用模拟与优化相结合的方法,建立了浅水湖泊洪水资源适度开发规模优选模型,并将该模型应用于南四湖。研究结果表明:以滨湖反向调节利用方式为主的浅水湖泊洪水资源开发规模,受制于泵站启动水位、抽水能力和河道外蓄水空间的共同作用,但并不呈现线性关系,存在明显的阈值效应;南四湖洪水资源开发的适度规模为多年平均全年3.63亿m3、汛期1.56亿m3,开发条件是泵站启动水位为33.75 m、泵站抽水能力为48 m3/s、区域蓄水体容积为4.80亿m3。研究可为确定南四湖洪水资源利用规模提供依据,为类似流域提供借鉴和参考。
低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究
晏自立, 朱德军, 段炎冲, 张鹏, 李丹勋
2020, 31(6): 917-926. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.011
摘要:
为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明:坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。
悬板开孔对排沙漏斗流场特性的影响
李琳, 王平圆, 吴洋锋, 侯杰
2020, 31(6): 927-935. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.012
摘要:
排沙漏斗的水沙分离性能取决于其流场特性,为了弄清楚悬板开孔对流场特性的影响,利用粒子图像测速技术和数值模拟方法,分别对悬板溢流段和非溢流段同时均匀布孔、仅在非溢流段布孔和无孔时的排沙漏斗流场特性开展研究。结果表明:①布孔位置不影响涡流性质但影响其强度,均匀布孔时涡流强度最小,不利于水沙离心分离;②无孔和仅在非溢流段布孔时的流场特性有利于泥沙径向输移、沉降和排出,均匀布孔径向速度和二次流流速减小不利于泥沙输移和排出;③仅在悬板非溢流段布孔时悬板表面速度大于其他方案,泥沙不易淤积于悬板。为减少悬板上的泥沙淤积量且同时要保证较高的泥沙截除率时可采用仅在悬板非溢流段布孔的方案优化悬板体型。
基于精确Riemann求解器的明满流过渡过程模拟
孙万光, 李成振, 马军, 范宝山
2020, 31(6): 936-945. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.013
摘要:
Preissmann窄缝法模拟明满流过渡过程方法简单,但存在明显的非物理振荡,抑制非物理振荡是该方法应用的关键。基于Godunov格式和精确Riemann求解器对明满流过渡过程进行模拟,针对Riemann问题代数恒等式在明满流交界处不光滑问题,提出了三阶收敛方法与二分法结合的迭代求解方法,保证迭代收敛至真实解;针对由于变量空间重构方法不能准确表达变量在空间中真实物理状态而导致的非物理振荡,提出了基于精确Riemann解的变量空间重构方法,准确表达激波间断在单元内的空间分布状态,从机理上抑制了非物理振荡。实例研究表明,数值计算结果与解析解或实测值吻合良好,研究成果为明满流过渡过程的高精度数值模拟提供了新的方法。
述评
新疆山地冰川变化及影响研究进展
徐丽萍, 李鹏辉, 李忠勤, 张正勇, 王璞玉, 徐春海
2020, 31(6): 946-959. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.014
摘要:
揭示新疆山地冰川变化及其影响,对新疆山地-绿洲-荒漠系统的健康和稳定发展意义重大。系统梳理新疆冰川物理变化、化学过程、生物资源、气候响应与生态效应等研究成果。结果表明:①新疆山地冰川总体上呈加速消融之势,且受地形、气候影响,冰川变化的区域性差异明显;②气溶胶解释了乌鲁木齐河源1号冰川表层物质的组成与来源,同位素定量了各流域径流中冰川融水的比例;③冰川变化对极端微生物生存条件、空间分布的影响研究较为成熟,但其与生物资源间的综合反馈机理尚不明晰;④冰川消融对水资源的影响随冰川融水拐点的到来而加剧,造成的生态服务缩减和冰雪产业损失日益凸显。制定统一的冰川提取标准、扩宽研究视角、全面系统观测冰川、提高模拟预测精度、加强灾害预警与制定对策是未来新疆山地冰川研究的关注点。
中国非常规水资源开发利用进展
马涛, 刘九夫, 彭安帮, 郑锦涛, 王文种, 郑皓, 邓晰元
2020, 31(6): 960-969. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.015
摘要:
非常规水资源开发利用已成为世界各国缓解水资源危机的重要举措之一。为深化对中国非常规水资源开发利用水平和现状的认知,更好地支撑非常规水资源开发利用管理和实践,在对不同类型非常规水资源开发利用实地调研的基础上,重点阐述非常规水资源的术语和内涵,总结非常规水资源的现状开发利用量和开发利用模式,分析非常规水资源开发利用中存在的主要问题,并针对性地提出对策建议。近年来中国加大了对非常规水资源的开发利用力度,非常规水资源开发利用量逐年上升,截至2018年底已达86.4亿m3,但在全国供水总量中的占比尚不足1.5%,开发利用中还存在体制机制不健全、规划设计不到位、工程技术有短板等问题,制约着非常规水资源开发利用的有序发展。非常规水资源开发利用涉及面广,需要社会各界的共同努力,才能迎来非常规水资源开发利用的新局面。
水科学家
纪念土壤水文学奠基者林杭生(Henry Lin)
顾慰祖, 郭立, 朱青, 杨娜, 王永森
2020, 31(6): 970-970. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.06.016
摘要: