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2021年 第32卷  第4期

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基于水文模型与机器学习集合模拟的水沙变异归因定量识别——以黄河中游窟野河流域为例
鲍振鑫, 张建云, 王国庆, 贺瑞敏, 金君良, 王婕, 吴厚发
2021, 32(4): 485-496. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.001
摘要:
黄河水沙变化是当前流域水文与江河治理领域研究的前沿和热点问题。以黄土高原窟野河流域为典型研究对象,利用VIC水文模型和8种基于机器学习算法的输沙量模型,耦合构建流域水沙集合模拟技术,定量识别流域水沙演变特征与变异成因。结果表明:① 1960—2014年窟野河流域年气温和降水分别呈显著增加和不显著减少趋势,径流和输沙量都呈显著减少趋势,1980和1999年是流域产水产沙特性发生改变的重要转折点;②模拟月径流和输沙量的Nash-Sutcliffe效率系数和相关系数分别超过了0.6和0.7,适用于该流域水沙过程模拟;③与天然期1960—1979年相比,1980—2014年气候变化和人类活动对径流减少的贡献分别为24%~39%和61%~76%,对输沙量减少的贡献分别为15%~36%和64%~85%;④人类活动是窟野河流域水沙减少的主要原因,且随时间推移呈增大趋势。相关成果为流域水沙变异归因定量识别提供了新的技术方法,对促进黄河流域水资源开发利用和水沙治理具有重要的支撑作用。
骤发干旱前期气象驱动条件及可模拟性分析
刘懿, 朱烨, 张林齐, 郑丽虹, 任立良, 贾雨凡
2021, 32(4): 497-507. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.002
摘要:
骤发干旱(简称骤旱)是一种以短历时、高强度、快速度为特征的极端事件,其形成速度已超出现有干旱监测工具的能力范围,监测模拟难度大。基于欧洲中心再分析产品(ERA)土壤含水量数据,构建考虑旱情开始速度的骤旱识别方法,提取中国1979—2018年骤旱事件,剖析旱情初期气象要素异常值的变化规律,探讨利用气象条件模拟骤旱的可行性。结果表明:①开始速度在空间上呈现显著的南北差异,长江以南地区较快,西北地区较慢;②骤旱比缓慢干旱具有更强的气象驱动力,骤旱各气象要素异常值的均值、峰值及变化幅度比缓慢干旱变化更为显著,尤其是峰值,约超过缓慢干旱0.5个标准差;③综合考虑骤旱爆发前后不同时段多个气象要素异常,能够较好地模拟开始速度,可用于监测与模拟骤旱。
气候变化对澜湄流域气象水文干旱时空特性的影响
李昱, 席佳, 张弛, 王国庆, 黄强, 关铁生, 卢吉, 周惠成
2021, 32(4): 508-519. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.003
摘要:
受全球气候变化影响,澜沧江-湄公河流域气象水文干旱发生了较大变化,预测未来流域干旱的时空变化与传播特征是应对气候变化、开展澜湄水资源合作的基础。利用SWAT模型通过气陆耦合方式模拟了澜沧江-湄公河流域历史(1960—2005年)和未来时期(2022—2050年,2051—2080年)的水文过程,采用标准化降水指数和标准化径流指数预估并分析了流域未来气象水文干旱时空变化趋势。结果表明:①澜沧江-湄公河流域未来降水呈增长趋势,气象干旱将有所缓解,但降水年内分配不均与流域蒸发的增加,将导致水文干旱更为严峻,干旱从气象到水文的传播过程加剧;②水文干旱具有明显的空间异质性,允景洪和清盛站的水文干旱最为严重,琅勃拉邦、穆达汉和巴色站次之,万象站最弱;③未来流域水文干旱事件发生频次略有减少,但其中重旱、特旱事件占比增加,极端干旱将趋多趋强,且空间变化更加显著。
基于概率矩阵的干旱等级变化评估及应用
涂新军, 谢育廷, 吴海鸥, 陈晓宏, 林凯荣
2021, 32(4): 520-533. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.004
摘要:
干旱等级具有多级和跃迁性质,有必要提出一种既能反映不同干旱等级变化特征,又能体现干旱总体变化特征的定量评估方法。通过构建干旱等级变化的概率矩阵,引入变化率乘子和变化程度乘子,推导干旱等级变化率和变化程度计算公式,提出干旱等级变化的综合定量评估方法;借助标准化降水蒸散指数和标准化径流指数,应用于东江流域评估月、季和年尺度的气象干旱向水文干旱传递过程中干旱等级变化及水库影响下水文干旱等级变化。结果表明:①气象干旱向水文干旱传递过程中干旱总体变化程度较小,但干旱等级变化明显,月、季和年尺度的总体变化率分别达到了45.9%、46.8%和34.9%;②干旱在10月下降了约1.4个等级,在春季上升了约1.3个等级;③水库径流调节对于缓解月、季尺度水文干旱作用显著,干旱等级总体变化率均约为33%,其中春季干旱程度下降了约1个等级。该方法不仅适用于评估干旱变化,也可应用于评估具有分级特征的其他灾害变化。
基于水-沙-生态多因子的黄河流域水资源动态配置机制探讨
王煜, 彭少明, 尚文绣, 郑小康, 周翔南, 李勇
2021, 32(4): 534-543. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.005
摘要:
黄河"八七"分水方案已实施30余年,亟需动态调整分水方案以适应变化的水沙条件和用水格局。为在变化水沙条件下科学配置水资源,以黄河流域为研究对象,提出"保存量、分增量"的动态配置思路,在优先满足河流和近海生态需水的基础上,根据变化来水来沙塑造高效输沙洪水减少河道内分水指标,兼顾公平和效率将河道内节省的水量作为增量配置给沿黄省(区)。配置结果显示:黄河下游来沙4.00亿~5.00亿t时,采用高效输沙方法黄河河道内分水指标减少5.07亿~24.24亿m3,上游省(区)分水指标增加;动态配置方案体现了生态优先原则,保障沿黄省(区)分水指标不低于现行指标,并增加部分省(区)分水指标。研究成果为多沙河流动态配置水资源提供了科学方法,为"八七"分水方案调整提供了参考。
金沙江下游溪洛渡水库排沙效果及影响因素
朱玲玲, 许全喜, 董炳江, 秦蕾蕾
2021, 32(4): 544-555. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.006
摘要:
溪洛渡水电站自2013年开始直接拦截金沙江的泥沙,其排沙效果对水库运行及下游向家坝和三峡入库泥沙都会造成影响。本文基于水文泥沙及河道断面观测资料,对比分析溪洛渡水库和三峡水库排沙规律异同点,研究溪洛渡水库排沙效果及影响因素。结果表明,2014—2019年溪洛渡水库共计排沙1 490万t,排沙比为3.1%,较设计值和向家坝、三峡水库均明显偏小。溪洛渡水库排沙比偏小主要有3个原因:入库水沙峰值协调性较差、水库长期高水位运行及库区河道二级天然潜坎对泥沙运动的阻隔效应。
城市地表灰尘径流冲刷过程模拟
申红彬, 徐宗学
2021, 32(4): 556-566. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.007
摘要:
为弥补当前描述城市地表灰尘径流冲刷过程的指数衰减模型偏于经验、物理力学机制认识不足的问题,考虑到地表灰尘的泥沙物质属性,基于泥沙科学、从泥沙运动力学角度研究地表灰尘的径流冲刷过程与模拟方法。通过比较发现,地表灰尘径流冲刷指数衰减模型与河道冲刷条件下输沙调整的滞后响应模型具有一定的相似性。基于上述比较结果,参考河道冲刷条件下输沙调整的滞后响应模型方程,针对地表径流汇流的延时效应及不平衡输沙特点,并考虑地表灰尘颗粒的非均匀性及分组冲刷过程,对地表灰尘径流冲刷指数衰减模型进行了改进,建立了地表灰尘的分组不平衡冲刷模型。结合广东东莞牛山工业园区地表灰尘径流冲刷过程的实测资料,对模型进行了应用比较。结果表明:相比指数衰减模型,分组不平衡冲刷模型模拟地表径流灰尘浓度值与实测值变化趋势更为符合,确定性系数与纳什效率系数由0.15与0.59升至0.73与0.70,模拟效果进一步提高。研究结果有助于促进地表灰尘径流冲刷过程模拟由经验分析向具有物理基础的模拟方法转变。
基于GPU加速技术的非结构流域雨洪数值模型
侯精明, 张兆安, 马利平, 张大伟, 向立云, 汪煜, 李继成
2021, 32(4): 567-576. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.008
摘要:
为高效高精度地模拟流域雨洪过程,应用动力波法求解二维圣维南方程,并耦合水文过程,建立了包含流域降雨产流、汇流、下渗以及洪水演进等过程的高性能流域雨洪数值模型。该模型的优势在于使用非结构网格,可较好地处理不规则边界,准确贴合复杂地形表面,使得模型能精确计算模拟流域雨洪过程,同时引入GPU技术加速计算,使得大尺度流域雨洪计算成为可能。最后,将模型应用于V型经典算例及2个实际流域雨洪算例,所得结果与实测吻合较好,计算所用时间较短,表明该模型可以快速且精确模拟流域雨洪过程。研究结果有助于实现对实际流域雨洪灾害进行合理高效的预测,为应急抢险工作提供有力支撑。
城镇化背景下太湖流域湖西区汛期入湖水量计算
吴娟, 林荷娟, 季海萍, 吴志勇, 金松
2021, 32(4): 577-586. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.009
摘要:
为研究太湖流域湖西区净入湖水量增加的成因机制,对治太工程建成前(1990—2001年)、江南运河航道升级与梅梁湖泵站及城市防洪工程建成后(2013—2018年)2个时段,采用水文水动力学模型分析代表站水位、重要控制线水量的变化,并基于知识图谱分析对洪水出路的影响。结果表明:导致湖西区净入湖水量增加的降水量增加、湖西区和武澄锡虞区沿长江净引水量增加、梅梁湖泵站与无锡城市大包围工程共同运行3项因子可使太湖年平均水位抬升0.05 m,河网代表站年平均水位抬升0.02~0.16 m,梅梁湖泵站和无锡城市大包围共同运行可显著抬升无锡(大)水位;3项因子的贡献率各占1/3,但因子之间既有协同作用,也有抑制作用,共同导致了流域与区域洪涝矛盾更加突出。
1962—2019年锡尔河-咸海三角洲湿地时空变化及驱动因素
张久丹, 李均力, 包安明, 朱长明, 黄粤, 刘铁
2021, 32(4): 587-596. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.010
摘要:
咸海周边环境变化对中亚干旱区生态稳定有重要影响,研究锡尔河-咸海三角洲湿地演变对认识流域生态环境变化、实施生态修复等具有重要意义。基于多源遥感数据采用面向对象分层提取法方法,分析1962—2019年锡尔河下游三角洲湿地的时空变化特征,并结合咸海变化、耕地变化、河流水量和水利工程建设等探讨近60a湿地变化的驱动因素。研究表明:①近60 a在咸海持续萎缩的情况下,锡尔河下游三角洲湿地呈现先减小后增加的变化趋势,其中1962—1980年、1981—1991年和1992—2019年3个阶段的变化率分别为-38.29 km2/a、193.35 km2/a和14.36 km2/a;②湿地变化有明显的空间差异,锡尔河南、北2个入湖口区的湿地自1980年以来向咸海湖区扩张明显,耕地混合区的湿地自1991年以来向河道两侧扩张;③ 1962年后在入三角洲径流量总体减少的趋势下,灌渠建设和生态用水配置是三角洲湿地面积增加的主要原因,间接导致咸海入湖水量减少,咸海快速萎缩。锡尔河三角洲湿地恢复与咸海干涸形成了明显的生态反差,不利于咸海周边生态的整体恢复。
基于生态圈层结构稳定的地下水位计算与调控
汪勇, 陈敏建, 赵勇, 闫龙, 邓伟, 王庆明
2021, 32(4): 597-607. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.011
摘要:
干旱区绿洲灌区水资源集中开发使用,改变了地下水潜流场分布,造成了盐渍化和荒漠化并存的生态问题,严重威胁着绿洲的生态安全。以生态圈层结构理论为基础,深化研究潜水影响层概念内涵,构建干旱平原区潜水蒸发概念性模型,以黑河罗城灌区为例,从机理上揭示干旱区荒漠化与盐渍化的地下水埋深条件并进行定量计算与调控,主要成果如下:①描述了造成内陆河干旱区绿洲内部盐渍化和过渡带荒漠化的潜水蒸发运移规律,利用潜水影响层定义了盐渍化与荒漠化地下水临界埋深,并进行了定量计算,得到罗城灌区绿洲内部次生盐渍化的地下水临界埋深为1.3~1.5 m,过渡带荒漠化地下水临界埋深为8~13 m;②讨论了潜水影响层厚度定量公式中关键参数土壤当量孔径和液体表面张力在不同生态问题中的合理取值;③提出一种协同缓解干旱区盐渍化和荒漠化的地下水位调控方案,实现改善灌区内部盐渍化、控制过渡带荒漠化和水资源高效利用等多个目标。
基于砾石群布置的河道生物栖息地自然化改造
南军虎, 张书峰, 袁福民, 杨霄, 王超, 邱志敏
2021, 32(4): 608-617. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.012
摘要:
为探讨砾石群对河道生物栖息地自然化改造效果,以江西金沙溪河段为例,采用文献调研和数值模拟的方法,选择鲢鱼为目标物种,耦合河段的平面二维水动力及栖息地模拟,研究了砾石群布置对裁弯河道生物栖息地的影响特性及自然化改造效果。结果表明:裁弯河道鲢鱼栖息地加权可用面积(AWU)明显减少,弗劳德数在其主流线附近增大,剪切速度值由原河道的横向梯度分布转变为均匀分布;砾石群对裁弯河道生物栖息地的自然化改造效果显著,其中河道凹岸高密度布置方式使鲢鱼栖息地可用面积百分率(APU)由裁弯河道的9.20%增长至15.06%,砾石群下游附近水流的弗劳德数由裁弯河道的0.13~0.68骤降至0~0.15,砾石群下游区域形成低速水流区,为鲢鱼在大流量河道中提供了良好的庇护场所。
江苏中部潮滩长期演变规律及其受米草生长影响
龚政, 石磊, 靳闯, 张茜, 赵堃
2021, 32(4): 618-626. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.013
摘要:
在江苏盐城川东港南侧潮滩设置了一系列水准桩,使用滩面高程观测仪对滩面高程进行7 a(2012年10月—2018年11月)的逐月现场观测,结合遥感资料获取米草前缘位置变化,探究淤泥质潮滩中长期演变规律及米草生长在潮滩地貌演变中的作用。结果表明:高滩区域地下过程(土体膨胀、压缩等)对滩面变化起控制作用;盐沼区米草生长促进滩面沉积,随米草前缘向海生长,盐沼中部区域年增长率降低,靠近米草前缘区域滩面年淤积量增加,但米草向海推进对光滩区域演变影响小;潮滩剖面自陆向海依次可分为基本稳定带、快速淤积带、基本稳定带、快速冲刷带,潮间带中部坡度逐步增大;滩涂面积保有量在2012—2018年观测时段内逐年降低。
述评
遥感降水资料后处理研究综述
熊立华, 刘成凯, 陈石磊, 查悉妮, 马秋梅
2021, 32(4): 627-637. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.014
摘要:
获取高精度高分辨率的降水数据对于流域水文分析、水资源管理及洪涝干旱监测等均具有重要意义。遥感技术虽然能有效再现降水的时空分布,但原始遥感降水资料无法满足水文领域对高精度高分辨率数据的需求,需要开展遥感降水资料的后处理研究。介绍获取降水资料的主要方法,包括雨量站观测、地面天气雷达估测以及气象卫星反演,讨论各方法的主要优势和当前存在的问题,在此基础上综述遥感降水资料的后处理方法研究进展,包括空间降尺度、偏差校正以及产品融合,并归纳后处理降水产品的评价指标,最后指出今后的研究重点:发展和改进降水估计技术;构建更为合理的多源降水数据融合框架;加强降尺度法对比研究,进一步改进和完善降尺度法;开展降水相关的不确定性分析。
河道潜流交换水动力过程现场监测研究进展
蔡奕, 石涛, 姚俊兰, 刘曙光, 阮西科, 徐佳
2021, 32(4): 638-648. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2021.04.015
摘要:
河道潜流带是河水与地下水交互作用的关键过渡区,具有高度的动态性和敏感性,频繁的水力交换易引发其内部的生物地球化学反应,并对河流生态安全产生重要影响。为提高河道潜流交换水动力监测结果的真实性和有效性,介绍渗流、水压、溶质、温度等监测方法及其适用性,归纳河床和河岸的监测点布设参数和不同监测手段的数据采集频率,系统总结河段、河床及河岸的潜流交换理论与计算方法,探讨导致潜流监测结果不确定的因素。针对现有监测方法的不足和未来研究的发展方向,提出今后需加强多方法联合监测和多技术集成的应用,开展河岸侧向潜流监测及不确定性分析等工作,为潜流带水文-生物地球化学过程耦合机制研究提供可靠数据。