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2023年 第34卷  第1期

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论著
台风活动对中国沿海地区极端降水的影响
高延康, 赵铜铁钢, 田雨, 杨芳, 郑飞飞, 陈晓宏
2023, 34(1): 1-11. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.01.001
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摘要:
基于1961—2020年格点化数据集逐日降水资料及中国气象局台风最佳路径数据集,计算台风降水对中国沿海地区极端降水事件的贡献率;利用混合和单一元统计极值分布模型量化台风对降水极值概率分布的影响,探究其量化结果的影响因素,并通过典型流域进行流域尺度的应用验证。结果表明:从台风降水的贡献来看,台风降水主要影响中国沿海及部分临近沿海的内陆地区的高重现期极端降水事件;在量化台风影响方面,利用考虑台风降水分布的混合元统计极值分布模型可提高研究区大部分地区降水极值概率的估计,并且沿海地区台风降水的影响大于内陆地区,北方沿海地区的影响大于南方各分区;台风极端降水贡献率、台风与非台风降水差异是台风影响中国沿海地区降水极值概率分布的重要因素。
变化环境下海河流域天然河川径流丰枯概率演变规律
鲁帆, 江明, 蒋云钟, 周毓彦, 徐扬
2023, 34(1): 12-20. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.01.002
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摘要:
海河流域天然河川径流持续衰减,水文丰枯情势显著变化,亟需研究适用于非一致性水文序列的丰枯概率计算方法。基于标准化径流指数、GAMLSS模型等方法,提出一种不同等级丰枯水事件期望发生次数和期望等待时间的计算方法,研究变化环境下海河流域天然河川径流丰枯概率的演变规律。结果表明:① 径流丰枯概率呈现出显著的枯增丰减趋势;② 同传统的一致性分布等多类概率分布相比,以时间t为协变量的LOGNO分布拟合流域径流系列的效果最优,且基于该分布计算的期望发生次数更接近于历史实际;③ 非一致性最优模型不同情景条件下计算的流域极端枯水和极端丰水事件的期望等待时间分别为4.9~9.4 a、14.5~36.0 a,说明海河流域近期发生极端枯水的概率远大于极端丰水。
江汉平原水域空间格局时空演变特征及其驱动因素分析
唱彤, 郦建强, 郭旭宁, 李云玲
2023, 34(1): 21-32. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.01.003
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摘要:
为从景观生态角度揭示江汉平原水域空间变化和影响因素,利用GIS和生态统计技术,通过土地利用转移、空间自相关、景观指数和冗余分析等方法,对2000—2020年江汉平原水域空间格局演变及其驱动因素进行研究。结果表明:2000—2020年,由于人造地挤占耕地、耕地挤占水域空间,江汉平原水域面积减少了36%;水域全局和局部莫兰指数变化明显,边界密度急剧减小,四湖流域等局部水域空间聚集度和连通性显著下降;降水、气温以及耕地和人造地解释了水域景观变化的45.8%,其中降水和气温影响微弱,连片耕地侵占是水域面积减少的主要原因之一,人造地对水域破碎化贡献更大更直接。2000年以来江汉平原水域面积变化显著,分布趋于破碎,形状复杂度和连通性降低,表征农业活动和城镇化的耕地和人造地对水域景观格局影响更为剧烈。
基于变分贝叶斯深度学习的水文概率预报方法
李大洋, 姚轶, 梁忠民, 周艳, 李彬权
2023, 34(1): 33-41. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.01.004
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摘要:
目前水文领域关于深度学习的研究多集中于提高预测能力方面,与具有物理机制的水文模型相比,深度学习复杂的内部结构导致其不具备可解释性,预测结果难以被信任,因此发展可信赖的深度学习对于推进水科学发展具有重要意义。基于预报残差分析框架,构建具有物理机制的水文模型与深度学习融合的混合模型,以充分利用两者优势;引入变分贝叶斯理论,提出变分贝叶斯与深度学习耦合的概率预报模型VB-LSTM,以定量评估水文预报结果的不确定性、提高结果可靠度。以黄河源区1961—2015年的径流过程为研究对象,对VB-LSTM模型进行应用示例研究。结果表明:与长短时记忆网络(LSTM)相比,VB-LSTM模型在验证期预报精度更高,结果更稳定;与传统基于"线性-正态"假设的水文概率预报方法相比,VB-LSTM模型具有更高的预报精度,且不确定性更小、预报结果更可靠。
基于时序分解与机器学习的非平稳径流序列集成 模型与应用
张力, 王红瑞, 郭琲楠, 徐源浩, 李理, 谢骏
2023, 34(1): 42-52. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.01.005
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摘要:
揭示变化环境下非平稳径流序列波动特征,可为提高径流预测精度和涉水工程规划提供支撑。针对径流序列具有非平稳性、周期性和异方差性的特征,收集长江流域攀枝花、城陵矶和大通站2008—2018年实测径流资料,基于周期趋势分解法(STL)将原始数据分解为周期项、趋势项和剩余项,结合各子序列特征采用多模型集成获取未来径流的综合预测值,并将预测结果与Prophet、LSTM和GARCH等单一模型进行对比。结果表明:联合机器学习和时序分解的集成模型在多个评价指标上均优于单一模型,且对异方差效应显著的站点模拟精度提升明显;验证期内3个站点的纳什效率系数分别为0.96、0.95和0.93,表明该模型能有效模拟长江流域径流波动过程。
江河断面分级分期旱限水位(流量)确定方法
严子奇, 周祖昊, 严登华, 韦瑞深
2023, 34(1): 53-62. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.01.006
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摘要:
江河断面旱限水位(流量)是流域干旱预警的重要指标,可作为启动流域抗旱应急响应、指导水利工程开展抗旱调度的重要依据。本文针对江河断面旱限水位的相关概念和技术问题,完善了江河断面旱限水位(流量)的内涵,指出其是表征河流进入低枯状态即将产生社会经济与生态环境缺水风险的水位(流量)阈值。考虑不同干旱程度及干旱期用水规律,从分级分期的角度提出适用于不同类型河段的江河断面分级分期旱限水位(流量)确定方法。通过对渭河临潼断面和抚河廖家湾断面的实例应用,验证了算法对资源约束型和综合约束型断面的适用性和合理性。本研究为水旱灾害防御部门制定江河断面旱限水位(流量)提供了通用算法,能够为干旱预警决策提供科学依据和技术支撑。
新入海水沙情势下的黄河口沙嘴动态响应
凡姚申, 窦身堂, 王万战, 王广州, 陈沈良, 姬泓宇, 李鹏
2023, 34(1): 63-75. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.01.007
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摘要:
河口沙嘴位居河海动力交互区,对水沙变化的响应速度快。为了解近期黄河入海水沙情势及其影响下的河口沙嘴演变规律,基于高分辨率卫星数据和水文资料,运用统计学方法进行分析探讨。结果表明:① 1999年以来入海水沙延续偏枯态势,变化过程由线性向周期性波动转变,波动周期为6~8 a,2018—2021年处于波动上升期;② 2018年以来,河口沙嘴北、东汊道交替成为淤积主体,河长年均延伸0.7 km,沙嘴年均造陆16.9 km2;③ 尽管偏少的来水来沙条件不利于三角洲整体的向海淤积,但极端径流带来的强烈泥沙输移入海仍然会使河口沙嘴面积增加;④ 现阶段的汊道格局减缓了河长延伸但加快了沙嘴造陆,对于长期稳定清水沟流路起到积极作用,但当前不利于河口湿地生态安全。
城镇建成区内涝和非点源污染联合风险评价方法
陈磊, 周雪辉, 余宇, 郭晨茜, 张潇月, 沈珍瑶
2023, 34(1): 76-87. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.01.008
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摘要:
城镇建成区普遍面临内涝和非点源污染的问题,且二者均与降雨径流过程关系密切,形成风险叠加。为系统评价城镇建成区的内涝和非点源污染风险,基于建立的水量-水质联合风险评价指标、Copula联合分布函数和SWMM-InfoWorks ICM耦合模型,提出水量-水质联合风险评价方法,以北京某高校为研究区,对2种灰绿情境进行对比分析。结果表明:与基准情境相比,建成区在改造情境下内涝控制弹性、径流控制弹性和水质控制弹性平均值分别从0.55、0.90和0.76提升到0.63、0.95和0.80,风险程度下降但仍存在内涝和水质超标情况;两情境下水质弹性值概率密度分布均存在极值点,造成这一极值点的主要原因是对于悬浮物控制能力的降低;多场次降雨事件中,水量和水质高-低风险边界事件重现期分别由2.21 a和1.60 a提升至4.59 a和1.81 a,风险概率降低;灰绿改造后水量控制能力升高而水质控制能力下降,表明水量-水质联合调控至关重要。
考虑风场影响的城市建筑区产流计算方法
高希超, 王浩, 杨志勇, 高凯, 牟亚莉
2023, 34(1): 88-101. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.01.009
摘要 PDF
摘要:
风场作用下城市建筑物的遮挡作用直接影响区域产流过程,为提高城市雨洪模拟精度,需揭示风场作用下建筑区的独特产流机理并构建相应的计算方法。将建筑区的产流面划分为水平面和竖直面,基于计算流体力学理论求解降雨倾角,结合几何关系确定降雨在水平面和竖直面上的分布,通过产流理论分别计算2类产流面的产流,提出建筑区的产流计算方法,并将其耦合入SWMM模型在试验流域进行了验证。结果表明:① 改动模型所模拟的径流的纳什效率系数整体高于原始SWMM模型,且洪峰模拟效果更好;② 改动模型的土壤饱和导水率等关键参数取值更为合理;③ 改动模型对不同气象条件下建筑区产流模拟的稳定性更好。该方法可提高建筑区产流模拟精度。
1979—2021年鄂陵湖和扎陵湖结冰日变化及 主控因素分析
黄文峰, 李瑞, 李志军, 张庾粟, 杨文焕
2023, 34(1): 102-114. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.01.010
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摘要:
湖冰物候过程影响着湖泊冰封期湖泊环境的初始、发展和结束条件以及湖-气作用等。为了探究青藏高原淡水湖泊湖冰物候变化趋势及影响因素,对FLake模型进行改进,并使用MODIS温度数据进行验证,以鄂陵湖和扎陵湖为例,重建其1979—2021年结冰日数据序列,利用模型对湖泊结冰日进行敏感性分析。结果表明:改进的FLake-SELF模型对两湖的结冰日计算精度提升了35%,重建序列显示鄂陵湖和扎陵湖结冰日分别以4.5 d/(10 a)、3.8 d/(10 a)的速率推迟;气温变暖、风速降低和水汽压增加是导致两湖结冰日推迟的最主要气象因素,气温、水汽压和风速的年际差异是造成两湖结冰日年际波动的关键气象因素;相同的气候变化条件下,湖泊深度的不同是造成两湖结冰日及其变化速率差异的原因;较深的湖泊,结冰日年际波动性越大、变化速率越大,对气候变化响应更为敏感。
荆江河段泥沙冲淤对三峡水库汛期排沙的响应
左利钦, 陆永军, 王洪杨, 郑力, 李鑫
2023, 34(1): 115-125. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.01.011
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摘要:
三峡水库汛期排沙研究大多关注库区的减淤效应,对坝下游河道的冲淤影响尚需进一步研究,对优化水库调度和河道保护利用具有重要意义。以三峡水库下游荆江河段为对象,建立了荆江长河段二维水沙数学模型,并结合实测资料分析,基于三峡水库2018年7月排沙调度,通过设置不同的排沙比(7%~100%),计算分析了荆江河段冲淤对三峡水库排沙比的响应。结果表明:虽然荆江河段全年总体冲刷,但排沙比较大时汛期仍可能淤积,上荆江河段受排沙调度影响相对较大;总体而言,2018年汛期水沙条件下,30%左右的排沙比是荆江河段洪季冲淤的临界点;排沙比提高后,汛期淤积部位大部分为边滩等缓流区,以及弯曲河段凹岸等,主槽仍冲刷,对维护滩槽高差具有积极意义。
淹没植被和河床吸收边界对湿地污染物输移影响
方浩泽, 杨中华
2023, 34(1): 126-133. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.01.012
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摘要:
湿地是生态系统的重要组成部分,研究淹没植被和河床吸收边界联合作用下的湿地污染物迁移规律可为湿地设计与维护提供参考。采用基于拉格朗日观点的随机位移模型,设置不同的植被密度以及河床对污染物的吸收概率,模拟同时存在密集刚性淹没植被和河床吸收边界的湿地内瞬时释放污染物的输移过程。研究结果表明:河床吸收概率的提升加快了污染物粒子团的平均移动速度并减弱其纵向离散强度,而植被密度的增加会抑制河床对污染物粒子的吸收,使污染物在湿地中的停留时间更长且分布更加分散,从而充分发挥湿地综合净化作用;当吸收概率超过10%后,河床吸收边界可视为完全吸收边界,因此,在湿地设计中不必采用吸收概率更高的基质。
缓解水温失调问题的水库生态调控策略
张弛, 张洋, 吴雨娇, 李昱, 陈豪
2023, 34(1): 134-143. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.01.013
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摘要:
水库蓄水改变了水温的时空分布,进一步引起库区生态系统紊乱及低温水下泄等生态问题,对土著鱼类的生长、繁殖产生不利影响。通过 Delft3D 模型建立三维水温模型,模拟了典型气象水文条件下的糯扎渡水库横向、纵向及垂向多个维度上水温的动态变化过程。在此基础上,结合下游鱼类生态水温需求,制定了以生态水温为目标的叠梁门分层取水方案;结合增殖放流要求,确定了糯扎渡库区土著鱼类(中国结鱼)最适宜放流的位置及时间。结果表明:不同年份叠梁门分层取水方案及增殖放流适宜的位置和时间均存在差异,综合典型年份水温需求以及叠梁门工程条件,制定了具有普适性的叠梁门分层取水规则,确定了适宜投放中国结鱼鱼苗的位置为小黑江支流河段、时间为8—9月份。本文可为制定缓解水温失调问题的水库生态调度策略提供一定的科学依据。
窝崩区水流结构的概化水槽试验研究
孙启航, 夏军强, 邓珊珊, 周美蓉, 司金华, 张幸农
2023, 34(1): 144-156. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.01.014
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摘要:
窝崩是长江中下游常见的一种崩岸类型,具有流场结构复杂、发展速度快、破坏力强等特点。为揭示不同类型窝崩三维水流结构的特点,以长江中游虾子沟和下游扬中窝崩为例,设计了一般型与口袋型的窝崩概化模型,开展了相应的水槽试验。采用PIV流场测量技术,获得了一般型和口袋型窝崩的三维流场,研究了这2类窝崩的水流结构。试验结果表明:① 窝塘及附近区域可分为主流区、掺混区和回流区;② 一般型与口袋型窝崩回流区流速的最大值分别为主流平均流速的0.19倍和0.27倍,掺混区存在着较大的流速梯度且紊动强度大,掺混宽度沿主流方向逐渐增大;③ 一般型窝崩回流区的垂向平均流速比口袋型大48%~76%,且回流中心相比于口袋型更靠近窝塘外侧,这导致一般型窝崩更易将窝塘内泥沙输运至主流区;④ 在较高主流流速条件下,一般型窝崩窝塘水体与主流的交换速率大于口袋型窝崩,较低主流流速下则相反。
书评
十年磨一剑 砺得梅花香——编制《中国水图》有感
刘昌明
2023, 34(1): 157-157. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2023.01.015
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