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2022年 第33卷  第5期

长江大保护及绿色发展专栏
数字孪生流域: 未来流域治理管理的新基建新范式
冶运涛, 蒋云钟, 梁犁丽, 赵红莉, 顾晶晶, 董甲平, 曹引, 段浩
2022, 33(5): 683-704. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.05.001
摘要:
数字孪生流域是数字孪生地球的重要组成部分, 厘清数字孪生流域理论定义和内涵是研究和建设数字孪生流域的前提和基础, 对流域智慧化治理管理具有重要意义。本文基于数字孪生理论技术, 开展了以下研究: ①给出了数字孪生流域的定义, 认为数字孪生流域是以服务流域全生命周期管理的全量数据和领域知识驱动物理流域和虚拟流域交互映射、共智进化、虚实融合的新基建新范式, 并辨析了与传统建模仿真的区别。②数字孪生流域内涵是通过"由实入虚"、"以虚映实"和"由虚控实"实现物理流域对象的全生命周期管控, 特征包括高度保真、演化自治、实时同步、闭环互动和共生进化。③数字孪生流域基本模型由物理流域、虚拟流域、实时连接交互、数字赋能服务、孪生流域数据和孪生流域知识组成, 其核心能力包括物理流域感知操控、全要素数字化表达、实景可视动态呈现、流域数据融合供给、流域知识融合供给、流域模拟仿真推演及孪生自主学习优化。④提出数字孪生流域要解决的关键科学问题和关键技术体系, 并从感知网、数据网、知识网、模型网及服务网展望了数字孪生流域发展方向, 阐述了数字孪生流域的赋能领域。本文旨在通过数字孪生流域理论新型研究范式为数字孪生流域技术应用落地提供理论指导, 对未来智慧流域研究和数字技术在流域治理管理中的应用提供有益的启发与借鉴。
长江经济带水资源-水环境-社会经济复杂系统韧性调控模型及应用
赵自阳, 王红瑞, 张力, 刘璇, 赵勇
2022, 33(5): 705-717. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.05.002
摘要:
水资源-水环境-社会经济复杂系统韧性研究是规避外来冲击和挑战、保持区域和平稳定发展的重要途径之一。借鉴投影寻踪和微分方程的思想构建了一种新的韧性调控模型, 对长江经济带整体和省级尺度1999—2018年间的水资源-水环境-社会经济复杂系统韧性及其调控因素进行了评估。结果表明: 长江经济带韧性水平以2011年为突变点, 2011年之前较为稳定, 2011年之后稳步提升; 影响韧性特征的因素在江西省和云南省为自然禀赋条件, 在上海市为科学技术水平和政府宏观政策, 而其他地区则经历了两者之间的过渡; 韧性的优控因素排序为适应性>恢复性>抵抗性, 且逐渐从抵抗性转移为适应性。
长江流域1960—2019年蒸发皿蒸发和实际蒸散发演变规律
叶林媛, 鲁汉, 秦淑静, 张橹, 熊立华, 刘攀, 夏军, 程磊
2022, 33(5): 718-729. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.05.003
摘要:
蒸发是地表水量平衡和能量平衡联结的纽带, 研究长江流域蒸发的变化趋势对于区域水文循环变化、水资源管理至关重要。利用PenPan模型分析了1960—2019年长江流域蒸发皿蒸发量的时空演变规律及其驱动机制, 并基于最新发展的广义蒸发互补关系探究了长江流域实际蒸散发的演变特征。结果表明: ①长江流域的蒸发皿蒸发和实际蒸散发在1990年前后均存在先下降后增加的趋势。风速和辐射下降是1990年以前蒸发皿蒸发下降的主导因子, 气温升高和相对湿度下降是1990年后蒸发皿蒸发上升的主导因子。②长江流域两大主要气候区(高原气候和亚热带气候区)蒸发皿蒸发在1990年前后也存在趋势反转现象, 但时空变化特征和驱动机制差异明显。1960—1989年, 高原气候区气温和辐射是蒸发皿蒸发变化的主导因子; 亚热带气候区风速和辐射是蒸发皿蒸发下降趋势的主导因子。③ 1990—2019年, 高原气候区气温升高、风速增加和相对湿度减少是蒸发皿蒸发上升趋势的主导因素; 亚热带气候区气温升高和相对湿度降低是蒸发皿蒸发增加的主要原因。研究结果可为长江流域水循环变化和水资源配置等研究提供参考。
长三角地区夏季降水结构演变及其非平稳性
吴雷, 许有鹏, 王强, 徐羽, 高斌
2022, 33(5): 730-742. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.05.004
摘要:
基于长三角地区72个站点1960—2016年逐日降水量观测数据, 采用Pettitt与Mann-Kendall非参数检验法, 从降水量、降水日数、降水强度和不同等级降水(小雨、中雨、大雨与暴雨)发生率方面, 分析长三角地区夏季降水结构的时空演变及其非平稳性特征, 并探讨其可能的成因。结果表明: ①长三角地区夏季小雨发生率以减少为主, 其他6个降水指标均以增加为主。其中, 小雨发生率非平稳的站点表现为单调减少, 降水量、降水强度、大雨和暴雨发生率非平稳的站点表现为单调增加, 并且主要分布在太湖流域, 增加了该区域遭受洪涝灾害的风险。②东亚夏季风强度与长三角地区多数站点的小雨发生率呈正相关关系, 而与其他降水指标呈负相关关系。③长三角地区城市化典型区(太湖流域)城市化对夏季降水量、降水强度、大雨和暴雨发生率有增加作用, 贡献率分别为25.4%、27.9%、54.6%和25.5%;对降水日数、小雨和中雨发生率有减少作用, 贡献率分别为-37.3%、-33.2%和-100%。
快速城市化地区多尺度水文观测试验与暴雨洪水响应机理分析
王强, 许有鹏, 于志慧, 林芷欣, 高斌
2022, 33(5): 743-753. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.05.005
摘要:
城市下垫面改变引起水文循环过程发生变异, 导致目前已掌握的天然情况下的产汇流规律和机制难以解释城市化等新形势下的水文现象与过程, 而面临需重新再认识的挑战。本文以长三角地区为典型, 建立了不同城市化水平及空间规模的水文试验流域, 探讨了快速城市化地区暴雨洪水响应规律和机制。结果表明: ①不同量级降水事件下城镇用地土壤水响应程度(表层土壤水涨幅基本超过4%)总体高于其他土地利用类型, 城市化地区下垫面的改变通过影响土壤水动态响应模式直接影响了地表产流过程, 植被覆盖率较低的城镇用地和荒地土壤含水率呈现出陡涨陡落现象, 而植被作用下的土地利用类型则表现出缓慢上升和缓慢消退的土壤水响应过程。②流域洪峰滞时和洪峰流量整体表现为随流域面积增加而呈幂律函数关系形式的增加。③总降水量与主要洪水特征(如洪峰流量、单位面积洪峰流量和径流深)基本呈显著相关(相关系数分别达0.49、0.41和0.78以上)。城市下垫面通过改变土壤水动态响应等产汇流特征而直接影响了洪水过程, 未来长三角地区暴雨洪水在城市化和气候因素双重作用下呈现持续加剧的趋势。
长江口泥沙运动形式分类及对深水航道淤积影响
程海峰, 刘杰, 韩露, 王珍珍, 张国庆, 叶婷婷
2022, 33(5): 754-765. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.05.006
摘要:
潮汐河口泥沙运动复杂多变, 科学划分泥沙运动形式并评估其对航道淤积的影响, 是厘清航道淤积泥沙来源、制定有效减淤措施的关键。基于长江口深水航道所处南港—北槽河段2015年和2018年洪季、枯季表层沉积物和近底悬沙的现场采样数据, 分析提出潮汐条件下推移质、悬移质和时推时悬泥沙3类泥沙运动形式的粒径划分方法, 量化3类泥沙对深水航道淤积的贡献比例。结果表明: 近底悬沙级配曲线上拐点粒径对泥沙由推移质向悬移质转化具有较好的指示意义; 长江口南港—北槽悬沙、底沙交换显著, 深水航道淤积物中除仅做推移质或悬移质运动的泥沙外, 还包括大量的时推时悬泥沙, 其在航道淤积泥沙中的占比最高, 约达50%~60%;南港段航道洪季、枯季推移质淤积占比分别为36%和26%, 高于悬移质的6%和13%;北槽段航道悬移质落淤泥沙占比为44%~48%, 明显较推移质3%~6%的占比高。3类泥沙运动形式粒径划分方法为深化潮汐河口泥沙运动规律认识、判别航道淤积泥沙来源提供了新途径。
论著
变化环境下澜沧江-湄公河流域干旱趋势
龙笛, 韩忠颖, 王一鸣
2022, 33(5): 766-779. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.05.007
摘要:
为提升变化环境下澜沧江-湄公河(简称澜湄)流经国对干旱的抵御能力, 亟需对流域未来干旱趋势进行科学研判。本研究选取了CMIP6的5个GCM模式, 使用3种共享社会经济路径-典型浓度路径组合情景下的驱动数据, 采用分布式水文模型CREST-Snow, 预估了2020—2050年澜湄径流演变和气象、水文干旱发展趋势, 量化了澜沧江梯级水库调度对未来径流的调节作用。结果表明: 2020—2050年, 澜湄流域整体呈湿润趋势, 但极端干湿事件发生频率增加, 其中2020—2029年干旱频发, 2030—2050年更偏湿润, 老挝、泰国2020—2050年干旱发生的频率和强度比流域内其他国家更高; 澜沧江梯级水库可有效提升下游干季径流量, 增幅从上游(99%)至下游(68%)递减, 在缓解湄公河干季旱情方面具有重要作用。未来有待进一步加强澜湄水资源合作, 优化水库调度方式, 促进澜湄流经国水旱灾害防治。
考虑有雨无雨辨识的多源降水融合方法
李伶杰, 王银堂, 唐国强, 高轩, 王磊之, 胡庆芳
2022, 33(5): 780-793. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.05.008
摘要:
多源降水融合是精准估计降水时空分布的重要途径, 多聚焦降水量或降水强度的误差订正, 对短历时降水雨区辨识的重视不足。提出考虑有雨无雨辨识的多源降水融合框架, 耦合地理加权逻辑回归与地理加权回归模型, 构建兼顾雨区辨识及雨量估计的降水融合方法, 并应用于汉江流域MSWEP V2.1与地面站网观测日降水融合。结果表明: 所提方法成功再现有雨无雨空间格局并刻画了降水中心, 整体强化了MSWEP V2.1对地面降水的表征能力, 降低误报率和误报降水量的幅度超过了60%, 提高临界成功指数和Kling-Gupta效率系数达40%以上; 较降水空间插值数据, 削减误报降水量并提升Kling-Gupta效率系数高于10%;另外, 较参考数据, 降水融合改善强降水事件(雨强≥50 mm/d)分辨精度的增益不低于60%。所提方法有效改善了降水估计效果, 为多源降水融合提供了新思路。
基于能量平衡原理的潜在蒸散发模型构建
鞠琴, 高慧滨, 王国庆, 郝洁, 王振龙, 堵同柱, 郝振纯
2022, 33(5): 794-804. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.05.009
摘要:
为深入探索气候变化背景下更为精确的潜在蒸散发计算方法, 在淮北平原五道沟水文水资源实验站开展了3组小型蒸渗仪试验, 通过结合平流运动动力项并引入地表净辐射修正参数, 基于能量平衡原理提出一种新的潜在蒸散发模型。结果表明: ① 3组蒸渗仪实测数据中, 2组不同加水方式下的草地覆被蒸散发相关性较好(R=0.95);②新的潜在蒸散发模型在有草地覆被的2组试验中模拟结果的纳什效率系数(ENS=0.85)和均方根误差(ERMS=0.83)均优于现有Penman系列等经验方法; ③模型更适用于有草地覆被条件下的蒸散发估算, 在淮北平原地区具有较强的适用性与优势。该模型能够提高区域潜在蒸散发模拟精度, 为流域水循环过程模拟及水资源利用提供科学参考。
矿区流域不同水体同位素时空特征及水循环指示意义
孙龙, 刘廷玺, 段利民, 张文瑞, 郑国峰
2022, 33(5): 805-815. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.05.010
摘要:
为了探究平朔矿区所在流域不同水体同位素的时空变化规律, 揭示采煤活动下区域水循环规律, 于2020年8月和12月对流域内地表水、地下水和矿井水进行采样, 测试样品的D和18O同位素组成, 并利用贝叶斯混合模型MixSIAR计算了矿井水不同来源的贡献率。结果表明: ①地表水和矿井水δD和δ18O夏季较冬季高; 地下水δD和δ18O季节差异不明显。地表水氢氧同位素值沿程呈增加趋势, 但局部受到矿井水的补给, 出现贫化; 地下水氢氧同位素值沿径流方向呈逐渐增加趋势。②采煤区氢氧同位素值较非采煤区明显增加。受季节效应影响, 在空间分布上8月浅层地下水氢氧同位素高值区域较12月明显增多。③ δ18O与δD关系图表明, 地表水在接受大气降水的补给之后受到了蒸发分馏作用的影响; 浅层地下水的补给源较复杂, 深层地下水由于采煤形成的导水裂隙带受到了浅层地下水和地表水的补给; 矿井水受地表水、浅层地下水和深层地下水的补给。④ MixSIAR模型揭示出深层地下水是矿井水的主要补给来源, 占61.60%~67.20%, 且补给比例冬季大于夏季; 浅层地下水对矿井水的补给存在明显季节差异。
凹岸崩塌体对急弯河道水力特性的影响
周卓亮, 余明辉, 李大成, 吴迪, 田浩永
2022, 33(5): 816-825. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.05.011
摘要:
二元结构河岸下部非黏性土层持续冲刷侵蚀, 上部黏性土体崩塌并堆积于凹岸坡脚, 改变弯道水流结构并影响河岸二次侵蚀过程。为探究崩塌体对急弯河道水力特性的影响, 以荆江石首河段为背景, 建立弯道三维水流数学模型, 模拟不同崩塌体尺寸下的弯道水流结构, 并对比分析壁面剪切力的变化规律。结果表明: ①崩塌体堆积于凹岸坡脚驱离水流动力轴线, 减小凹岸次环流强度并改变环流方向。②崩塌体对弯道不同区域壁面剪切力的影响不同, 其中, 床面及凸岸坡面的平均壁面剪切力增大; 凹岸坡面平均壁面剪切力在崩塌体头部及上游区域减小, 在崩塌体尾部区域增大。③崩塌体越大, 剪切力变化幅度越大, 剪切力相对变化幅度为崩塌体截面积变化幅度的2%~10%。研究成果可为河道整治及岸线规划利用提供技术支撑。
滑坡体散体化对涌浪波动特征的影响
郑飞东, 王平义, 李云
2022, 33(5): 826-834. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.05.012
摘要:
岩质滑坡在下滑过程中会发生散体化, 进而分解成形状及大小各异的块体。已有滑坡体兴波方面的研究多采用单一刚性块体或均匀散体颗粒对滑坡体进行模拟, 较少关注滑坡体散体化对涌浪的影响机制。本研究通过开展三维水池物理模型试验, 初步探索滑坡体的散体化过程对涌浪波动特性的影响作用。结果表明: 初生涌浪的最大波幅和最大波高随滑坡体散体化指标的增大而减小; 第一波峰幅值和第一波高的沿程衰减规律符合孤立波理论, 且其衰减速率分别依赖于涌浪的最大波幅和最大波高; 三维水池试验中第一波峰幅值和第一波高的沿程衰减速度较二维水槽中更快。
述评
河流潜流带地表-地下水过程对典型水生生物活动的响应研究进展
金光球, 张中天, 袁海钰, 唐洪武, 陈鹤翔, 张思怡
2022, 33(5): 835-847. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.05.013
摘要:
河流潜流带是地表-地下水连通和交换的主要区域, 地表-地下水过程不仅促进了生源物质的迁移转化过程, 还能涵养水源、稳定区域生境, 为水生生物提供良好的栖息环境。因此掌握水生生物活动与地表-地下水交换关系是深刻认知和科学保护水生生态系统的关键。本文综述了前人有关水生生物活动反馈于地表-地下水交换过程的研究, 例如, 底栖微生物形成的生物膜可以吸收或滞留生源物质, 改变迁移的时间和路径; 水生动物的行为可能通过改变河床渗透系数和孔隙率等物理参数影响各类物质的地表-地下水交换通量; 水生植物对水流的阻滞和扰动也会作用于地表-地下水交换过程。基于目前研究, 本文提出了该领域的3个未来研究方向: 潜流交换和水生生物互馈理论, 水生生态功能与地表-地下水相互作用关系, 河流潜流带生物-地球-化学耦合过程。
多水塘系统水文连通及其对磷输移影响研究进展
谢晖, 董建玮, 李玉凤, 商美琪, 赖锡军
2022, 33(5): 848-858. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.05.014
摘要:
多水塘系统是农业流域常见的小型水利工程, 空间交错的沟塘结构导致其水文连通过程复杂多变, 对流域营养盐截源控污影响显著。为强化多水塘系统水文连通对磷输移影响的认知, 以多水塘系统及其水文连通的定义内涵为切入点, 归纳了多水塘水文连通性评估方法; 基于景观格局、水文过程和生物地球化学过程聚焦多水塘系统对磷输移的调控作用; 阐明了水文连通变化通过驱动干湿交替对磷输移环境以及通过调节水分滞留时间对磷输移通量的影响。指出多水塘系统水文连通变化的驱动机制、沟塘滞留效率的尺度扩展、定量模拟和优化调控是未来多水塘系统环境效应研究的重要方向, 以期为保障多水塘水质改善功能提供理论依据。