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2023年 第34卷  第4期

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“西南河流源区径流变化和适应性利用” 重大研究计划专栏
青藏高原东部流域径流偶极子时空变化规律
田富强, 李琨彪, 韩松俊, 南熠, 杨龙
2023, 34(4): 481-489. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.04.001
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摘要:
青藏高原是典型的高山寒区,其陆地水循环包括冰雪融水、土壤冻融、降雨径流等复杂过程。近年来,青藏高原的主要河川径流在全球气候变化的影响下发生了显著变化,深刻影响下游水资源利用和生态系统,厘清其变化规律具有重要意义。本文对1980—2015年间青藏高原东部区域的6条主要外流河12个干流水文站的实测年径流以及该区域5种降水产品进行了区域分时段的归类分析,发现其径流变化存在偶极子型的时空变化规律,即径流在某时间点和空间点两侧的变化趋势相反:站点径流在1999年发生了趋势转折,以昌都水文站和嘉玉桥水文站为分界的南北站点径流趋势相反,其中北部站点径流呈先减小后增加的趋势,南部站点则趋势相反;降水变化和径流变化具有相同的偶极子时空特征,并且识别了32°N为变化趋势的南北分界线。上述结论有助于理解青藏高原东部河流的径流变化机理,并可为预估径流变化趋势、科学开展水资源管理提供依据。
青藏高原潜在蒸发时空变化的南北分异特征
韩松俊, 王旭, 刘亚平, 田富强
2023, 34(4): 490-498. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.04.002
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摘要:
分析潜在蒸发时空变化对准确认识青藏高原实际蒸发和水量平衡变化规律具有重要意义,虽然多项水文气候和环境要素变化具有明显的空间分异,但目前对潜在蒸发变化空间分异的认识并不清晰。本文采用Penman公式,利用青藏高原及其缓冲区内312个气象站数据计算和分析了1980—2015年潜在蒸发量及其辐射项和空气动力学项时空变化的规律,揭示了其具有南北差异的非单调变化的时空特征。青藏高原及其附近地区多年平均潜在蒸发量以32°30'N为界与纬度呈"V"型非单调变化,在南部随纬度升高而减小,在北部随纬度升高而增大;南北部年潜在蒸发及其辐射项和空气动力学项都以1999年为转折点呈现差异性非单调变化特征,反映了印度季风与西风两大环流在青藏高原影响的空间分异。
论著
1982—2020年黄河流域植被变化特征及驱动因素
王紫荆, 徐梦珍, 胡宏昌, 张向萍
2023, 34(4): 499-509. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.04.003
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摘要:
植被是黄河流域复杂人地耦合系统中的关键因子,其绿度增加备受关注。选择1982—2020年美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)气候数据记录(Climate Data Record,CDR)归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)逐日数据集,提取植被年际变化指标,并补充Savitzky-Golay滤波与双logistic模型相结合的遥感物候学方法提取植被年内指标,量化年际和年内变化趋势,并利用k均值聚类方法归纳植被变化特征,分析引起植被变化的不同驱动因素。结果表明:融合的年内特征提取方法适用于黄河流域多种植被类型,识别率达98%,年内特征空间分异及时间变化特征可指示不同气候区生态工程与农业活动的差异;进一步将黄河流域植被变化划分为5类生态工程主导与2类农业活动主导,农业活动主导类的植被指标变化显著性与生态工程相当,农业集约化是黄河流域植被研究中不可忽略的重要因素。黄河流域人地关系紧张,在突出的水-粮食-生态矛盾下,需要重视农业用水的优化与保障。
城市暴雨洪涝多尺度分层嵌套模拟技术
张红萍, 郝晓丽, 胡昌伟, 臧文斌, 任汉承, 胡春宏
2023, 34(4): 510-519. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.04.004
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摘要:
针对城市暴雨洪涝模拟存在的计算精度与计算时间及数据可获得性等方面的矛盾,基于城市暴雨产生洪涝过程的时空特性,提出一种城市暴雨洪涝多尺度分层嵌套模拟技术。在全分布式模型的精细网格基础上,叠加大尺度计算单元,上层大尺度计算单元用于非淹没区的降雨产汇流模拟,底层精细网格用于淹没区的洪涝淹没过程模拟,且2种尺度计算网格实现"分层嵌套,实时切换"。应用这种分层嵌套模拟技术,模拟程庄子铁路桥区2020年"8·12"暴雨积水过程,取得较好的效果。研究表明,多尺度分层嵌套模拟技术,在保障较好的模拟精度的同时,可以大幅节省计算时间,有望为大区域城市暴雨洪涝模拟应用提供一种有效的技术手段。
金沙江下游梯级水库防洪库容优化配置公式推导与应用
谢雨祚, 郭生练, 钟斯睿, 刘攀, 王俊, 李帅, 胡挺
2023, 34(4): 520-529. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.04.005
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摘要:
金沙江下游乌东德-白鹤滩-溪洛渡-向家坝梯级水库共同承担下游防洪任务,规划设计阶段没有考虑水库防洪库容之间的互补等效关系。基于水量平衡原理及总防洪库容不变假设,对梯级水库的防洪库容进行聚合分解,以发电为主要目标推导了两库和多库情况下梯级水库防洪库容优化配置公式,并采用数值求解。结果表明:把库容较小的乌东德和向家坝水库的防洪库容分别优化配置11.80亿、2.16亿m3给库容较大的白鹤滩和溪洛渡水库,乌东德-白鹤滩和溪洛渡-向家坝聚合系统7月和8月可分别增发电量4.45亿、0.32亿kW·h;金沙江下游四库防洪库容联合优化配置,年均发电量可增加10.37亿kW·h,经济效益十分显著。
考虑产流模式空间分布的流域-城市复合系统洪水预报模型
刘成帅, 孙悦, 胡彩虹, 赵晨晨, 徐源浩, 李文忠
2023, 34(4): 530-540. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.04.006
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摘要:
为解决流域-城市复合系统洪水协同预报问题,本文将流域和城市纳入统一空间范畴,在提出易发生产流模式辨析框架的基础上,耦合网格产流计算模型(GRGM)和长短时记忆神经网络(LSTM)构建了GRGM-LSTM洪水预报混合模型。以贾鲁河中牟站控制流域为例,基于18场实测洪水进行模型检验,同时将预报结果与暴雨洪水管理模型(SWMM)、GRGM-SWMM模型进行对比分析。研究表明:① GRGM模型模拟产流量相对误差、决定性系数平均值分别为8.41%、0.976,考虑产流模式空间分布的产流计算更为准确;② 预见期小于6 h时,GRGM-LSTM混合预报模型纳什效率系数大于0.8,比GRGM-SWMM、SWMM等物理机制模型具有更好的模拟性能;③ 预见期大于6 h时,GRGM-LSTM混合模型出现一定的精度损失,预见期增至12 h时,GRGM-SWMM模拟精度高于GRGM-LSTM模型。研究成果可为流域-城市防洪减灾协同管理提供科学依据。
基于小世界网络的海河流域河网结构及功能响应
张兴源, 李发文, 赵勇
2023, 34(4): 541-552. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.04.007
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摘要:
河网是流域水循环中的水流通道,其空间演变影响着水文过程。人类改造和重建河网使其结构和功能发生了显著变化,分析河网演变下的结构特征和功能响应,对河网健康评估和管理具有重要意义。本文提出小世界河网概念,构建了基于图论的河网评估框架,解析了河网演变下的结构特征、增长模式和功能响应。结果表明:海河流域现状河网具有高连通、大整体、高密集的小世界特征,拥有较高的网络效率;河网发育具有无标度特征,服从节点增长和优先连接的发育模式,受到"小范围连接"的空间约束;与自然河网相比,防洪功能提升了65%,供水功能提升了222%,生态功能降低了78%,功能变化趋于非一致性。评估结果可为流域河网优化管理和规划提供技术支撑。
分布式SCS-CN有效降雨修正模型建立及应用
申红彬, 徐宗学, 曹兵, 王海周
2023, 34(4): 553-561. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.04.008
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摘要:
为解决SCS-CN模型改进后方程结构复杂的问题,基于SCS-CN标准模型,经与SCS-CN改进模型比较,引入有效降雨修正系数建立SCS-CN有效降雨修正模型,并对城市低影响开发复杂区域综合考虑LID设施蓄存容积对降雨径流的影响,构建基于水文响应单元的分布式SCS-CN有效降雨修正模型,以北京双紫园小区为例开展降雨径流模拟与效果检验。分析SCS-CN有效降雨修正模型,当对修正系数取值等于1.0时其等同于标准模型,当对修正系数取值小于1.0时其等效于改进模型;修正系数表征了径流系数随降水量增大而变化趋向稳定的极限值。模型应用结果表明,分别对渗透地表有效降雨修正系数取值等于1.0与小于1.0,两者对不同场次降雨径流深的计算值与实测值散点均位于45°线附近、符合较好,确定性系数与Nash-Sutcliffe效率系数值分别为0.91与0.83、0.92与0.91,后者效果优于前者,说明对渗透地表有效降雨修正系数取值小于1.0能够有效提高模拟效果。
低坝工程对弯道水流特性影响试验和数值模拟
牛志攀, 杨航, 赵惟扬, 孟楚轲, 龙屹
2023, 34(4): 562-571. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.04.009
摘要 PDF
摘要:
弯道河流运动复杂,威胁河岸及周边设施安全。研究低坝对弯道水流特性的影响,可探讨低坝对于弯道水流灾害风险防治的作用。采用模型试验与数值模拟相结合的研究手段,参考岷江某支流部分弯道河段进行实体和数值建模,对比分析了建坝前后流速、凹岸水位、断面横比降等水流特征变化。研究结果表明:低坝有效减小了弯道水面横比降和流速,同时降低了凹岸水面高度;在模型试验条件下(河床比降在0~52.5‰之间),建坝后相比于建坝前,流速、凹岸水面高度和弯道横比降降幅分别在6.7%~31.8%、3.7%~26.5%和9.8%~34.8%范围内,并给出了建坝后弯道横比降的预测公式。研究结果为弯道河流的洪涝灾害防治提供了科学参考。
长江石首段河岸带地下水位变化过程模拟及分析
夏军强, 朱恒, 邓珊珊, 周美蓉
2023, 34(4): 572-584. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.04.010
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摘要:
冲积河流的河岸带具有调蓄水文过程、净化水环境等重要功能,通过研究河岸带内河水对地下水的影响范围,可为岸线规划和管理提供重要依据。本研究于2021年在长江中游石首段实施了沿垂向不同深处的河岸土体级配测量及地下水位过程监测,同时开展了变动河道水位条件下河岸内地下水位变化过程的数值模拟。基于数值试验,定量分析具有不同河流形态区域内地下水位对河道水位变化的响应过程,确定研究区域内侧岸地下水位的变化范围。实测数据及计算结果表明:河岸带地下水位受河道水位影响显著,离岸10 m处水位变化同步性几乎一致,20 m处峰值落后1 d;伴随离岸距离的增加,地下水位滞后性增加,峰值下降,侧向潜流交换的主要影响范围在离岸约1 400~1 600 m,该范围外地下水位全年内变幅小于河道水位最大变幅的5%;在单位河长范围内,2021年河道补充地下水的水量约为5 000 m3/m,地下水排泄到河道的水量约为3 000 m3/m;相较于顺直段,弯道凸岸处地下水位响应更快,峰值更高,凹岸则相反;在考虑降雨入渗后,区域内径流系数约为0.80,地下水位变幅较不考虑降雨时的差别很小,而河道补充(排泄)地下水流量均约为4 000 m3/m。
径流变化下长江口多分汊系统冲淤分布差异及动力机制
朱博渊, 刘凌峰, 李江夏, 程永舟, 胡旭跃
2023, 34(4): 585-598. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.04.011
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摘要:
为探究水库调平径流过程下长江口多分汊系统冲淤规律,根据1950—2021年水沙、地形和工程资料,拟定径流强度指标(Da,60 000 m3/s以上流量多年平均持续天数)、追踪滞流点位置和按航道疏浚还原北槽冲淤量辨析长江口冲淤分布差异和动力机制。结果表明:Da越大,越利于北部和南部汊道落潮分流比增大和减小,促进北部汊道冲刷加剧、淤积减缓和南部汊道淤积加剧、冲刷减缓,且利于北部和南部汊道淤积重心向下游和上游移动;冲淤差异受水流惯性和南岸节点挑流驱动,径流流量变化使得落潮主流北偏或南偏,形成南北汊道横向和纵向冲淤的联动机制;随着径流过程持续坦化,长江口北部汊道整体和上段将维持淤积加剧或冲刷减缓趋势、下段将维持冲刷加剧或淤积减缓趋势,南部汊道冲淤趋势相反;北槽滞流点在上下段间迁移的临界径流流量为35 000 m3/s,未来上段淤积可能增强,建议适时调整航道维护区段。
凹岸边坡型式对急弯河道水力特性影响的数值模拟
李倩, 马黎, 余明辉, 吴迪, 龚兰强
2023, 34(4): 599-609. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.04.012
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摘要:
为研究弯道凹岸边坡型式变化对近岸水力特性的影响,以荆江石首急弯河段为研究背景建立三维水动力数学模型,模拟凹岸不同边坡型式下的弯道水流结构。研究结果表明:相同过水断面面积和水深情况下,凹岸坡度越缓,最大纵向流速越远离凹岸且接近水面,主环流尺度越小,凹岸成对出现的反向次环流位置越接近水面,凹岸深槽水流紊动越弱。对比综合坡度相同的单一岸坡,凹岸复式岸坡情况下,最大纵向流速变化不大,主环流尺度增大,次环流成对模式被改变;出口直段凹岸侧最大剪切力增大为单一岸坡的1.2倍;凹岸侧弯顶上游紊动减弱,弯顶下游紊动加剧。研究成果丰富了弯道岸坡型式对弯道水流结构影响的认识,为不同型式岸坡防护研究提供基础依据。
珠江三角洲顶点思贤滘分流自适应调节机制
袁菲, 陈文龙, 胡晓张, 卢陈, 高时友, 黄鹏飞
2023, 34(4): 610-621. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.04.013
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摘要:
近年来珠江三角洲顶点思贤滘区西、北两江分流发生重大调整,并影响三角洲的防洪及供水格局,开展思贤滘分流研究对于三角洲分流调控及治理具有重要意义。本文采用20世纪60年代以来思贤滘区水文地形资料,利用物理模型、数学模型、理论分析等方法,分析思贤滘分流自适应调节规律及其机制。结果表明:思贤滘是一个天然的洪水调节器,具有稳定西、北江洪水分流比的作用,洪水越大,西江马口与北江三水流量之比越稳定,其稳定值约为3∶1,思贤滘下游约7 km河段地形是洪水期间分流自适应调整的主控因素,河道受两岸堤防约束,随着上游流量的增大,西、北江过水断面面积之比趋于定值,驱使两江分流比也趋于定值;当枯水期下游潮汐顶托或闸门启闭等作用引起河段发生变动回水时,思贤滘分流相应调整,且分流比对北江下游水体变化更为敏感。
黑河高曲率弯道形态特征时空变化与横向迁移速率
陈帮, 李志威, 胡旭跃, 游宇驰, 田世民
2023, 34(4): 622-634. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.04.014
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摘要:
黄河源区广泛发育不同河宽尺度的弯曲河流,具有弯曲度高、形态复杂和动态迁移的特点,然而对其形态特征变化与横向迁移速率缺少定量研究。采用无人机航测影像和高分辨率的遥感影像相结合,通过拐点法与平均中心线法计算黑河干流与支流(麦曲、热曲、哈曲、格曲和德讷合曲)连续弯道的形态特征参数并分析量纲一化曲率,利用迁移模块计算弯道横向迁移速率。结果表明:平均中心线法与拐点法能快速识别和统计弯曲河流的波长、振幅、弯曲度等形态特征,相同河段拐点法选定的弯道数量比平均中心线法多;支流麦曲与热曲选取河段的平均迁移速率分别为0.52 m/a和0.64 m/a,均高于干流的平均迁移速率0.42 m/a,颈口裁弯加速横向迁移的进程,不同程度地影响迁移速率的快慢;泥炭型河岸物质组成是影响黑河干支流迁移速率的重要原因。
波浪作用下粉沙临底输沙特征的试验研究
朱昊, 左利钦, 陆永军, 李寿千, 王茂枚, 刘菁
2023, 34(4): 635-646. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.04.015
摘要 PDF
摘要:
风暴潮及大风天等极端天气下易出现临底高强度输沙,对动力地貌过程、港口航道设施、生态保护等产生深刻影响,开展临底泥沙运动机理研究具有重要的理论价值和工程指导意义。本研究以波浪作用下的粉沙为研究对象,开展波浪水槽输沙试验,构建底部高浓度测沙系统,实现从不动床面到悬沙层的精细测量,观测不同动力环境下的输沙现象。研究结果表明:相对较弱动力条件下的床面存在沙纹,随着动力条件增强,沙纹被冲蚀并出现层移输沙现象;通过不同床面高度含沙量过程的分析,随着波浪的周期性运动,粉沙底部层移运动特征表现为泥面呈现横向摆动的周期性运动,深度越大的泥层摆动幅度越小,并开始出现相位滞后现象;引入移动数和密实度系数,建立了粉沙-沙宽级配范围的层移临界条件下波浪可移动数的计算公式。本研究初步提出了细颗粒泥沙底部运动机制,对进一步研究骤冲骤淤机理具有参考意义。

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