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2004年  第15卷  第6期

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干旱区水资源合理配置模式与计算方法
王浩, 秦大庸, 郭孟卓, 王建华
2004, 15(6): 689-694.
摘要:
提出了西北内陆干旱区水资源合理配置的模式与计算方法。针对生态环境脆弱的干旱区水资源利用特点,基于水资源二元演化理论与方法,保持水土平衡、水量平衡和水盐平衡,以空间配置、时间配置、用水配置、水源配置、管理配置为基本模式;从实际情况出发,以水定发展指标,提高水土资源的匹配效率,以流域为单元合理安排生态环境用水与经济发展用水,在此基础上建立了干旱区水资源合理配置模型。定量计算表明:其809亿m3的径流性水资源中,直接留给天然生态的水量有302亿m3,加上126亿m3回归水的间接支持,可供生态系统消耗的水资源达428亿m3,相对于385亿m3的现状生态需水,除黑河和石羊河流域外,生态系统的需水基本上能得到满足。
巴丹吉林高大沙山表层孔隙水现象的疑义
顾慰祖, 陈建生, 汪集旸, 赵霞, 谢民, 陆家驹, Klaus-Peter Seiler
2004, 15(6): 695-699.
摘要:
1997-2003年对巴丹吉林沙漠中不同位置共7个高大沙山和1个流动沙丘表层2m内的孔隙水情况用常规方法作了观测,每年均在相近日期进行。孔隙水量随深度而增大,历年观测期间2m附近的体积含水量约3%,达到相应实测最大持水量的约65%或更高,25cm至1m孔隙水δ18O的正值表明它经过了反复补给-蒸发过程。观测了雨后入渗深度及其在沙丘120m坡面上的分布,另由历年短期能量平衡测验获得沙山陆面蒸发和凝结概念。认为当地年降水量和凝结量不足以对沙山2m表层内的孔隙水现象作出解释,疑另有与大尺度地下水系统相关的补给源。
非饱和土中镉离子传输模型参数反演
崔凯, 李宝元, 李兴斯, 杨国伟
2004, 15(6): 700-705.
摘要:
使用自行设计的的真空实验装置,采用一维实验室土柱实验方法在不同实验条件下进行了15组实验,并基于实验所得的穿透曲线,使用梯度正则化方法反演得到了镉离子在8种葡萄牙土样和1种比利时土样中相应的传输模型参数。同时通过数值模拟实验验证了梯度正则化方法的有效性和可靠性,进而证明所得结果是有效的。
多沙河流的非恒定一维水沙数学模型及其应用
钟德钰, 彭杨, 张红武
2004, 15(6): 706-710.
摘要:
介绍多沙河流上非恒定一维水沙数学模型采用网格上流量与水位交错布置的方案,应用Total Variation Diminishing(TVD)格式求解基本方程,模型具有守恒性好、无虚假振荡、算法简单的优点,克服了断面急剧变化时计算容易失稳的困难。同时,由于采用了适合于多沙河流的泥沙运动基本方程及相关参数,因此,该一维模型能够适应多沙河流高浓度输沙及大幅度冲淤变化的特征,成功模拟了黄河干、支流上的洪水传播。
采用DPIV技术研究浅水平板岛屿尾流
梁东方, 李玉, 陈嘉范
2004, 15(6): 711-716.
摘要:
人们对于尾流的研究大都针对绕流体在展向非常长的情形,但是在天然环境和水利工程中出现的多为水深相对很浅的流动。由于槽底和自由水面的限制,浅水域中的尾流有着与深水尾流不同的流动规律。采用数字粒子图像测速(DPIV)技术,在长30m、宽3.5m、高1m的水槽中比较系统地量测了浅水中绕平板岛屿的尾流区流场。分析了大尺度旋涡的运动规律,得到了尾流流动形式随尾流稳定性参数的变化规律。目前如此大尺度浅水岛屿尾流的定量实验研究并不多见。
水流冲击管道内滞留气团的刚性数学模型
刘德有, 索丽生
2004, 15(6): 717-722.
摘要:
通过数学分析证明,在不计局部水头损失时,目前常用的几种简化刚性数学模型的最大气压计算结果相等,并与管道内初始充水段长度无关。但算例表明,对于初始充水段较短或滞留气团体积很小情况,这些简化模型的计算误差将达到不容忽视的程度,甚至导出错误结论。笔者导出的完整刚性数学模型,弥补了简化模型的不足,同时指出了刚性模型的理论缺陷和适用条件。
漫滩水流摩阻因子与涡粘性系数的研究
许唯临, D. W. Knight, 唐小南
2004, 15(6): 723-727.
摘要:
对复式河道漫滩水流进行了研究,建立了摩阻因子与一维明渠流摩阻因子的关系,揭示出滩地的量纲为一涡粘性系数随着摩阻因子的增加而增加,并将二次流的影响表达成与雷诺切应力相同的形式,从而将其归入表观切应力中,由量纲为一表观涡粘性系数确定,后者可通过量纲为一表观涡粘性系数与摩阻因子之间的一个关系加以计算,该关系类似于量纲为一涡粘性系数与摩阻因子之间的关系。对光滑边界上对称的漫滩水流进行了计算,计算结果与实验资料吻合良好。
曲线坐标系二维带自由表面强紊动水流数值模拟
戴会超, 魏文礼
2004, 15(6): 728-734.
摘要:
将追踪自由表面的流体体积(VOF)法应用于曲线坐标系下水流控制方程的求解中,计入流线弯曲对水流紊动特性的影响,建立了垂向二维强紊动水流的曲率修正的紊流模型,并对溢流坝反弧段的紊流特性进行了数值模拟。数值计算时,采用有限体积法离散水流的控制方程;物理变量,如:压力P、紊动参量κ、ε、γt等,采用交错方式排列(交错网格布置),用SIMPLEC算法求解离散方程。计算结果表明,得到的溢流坝反弧段的自由表面位置、速度场、压力场、剪应力分布和紊动能分布与实验结果吻合良好。
含闸墩溢流坝三维过坝水流数值模拟
王志东, 汪德爟
2004, 15(6): 735-738.
摘要:
利用有限体积方法对含闸墩溢流坝过坝水流三维流场进行数值模拟,采用κ-ε两方程模型模拟湍流,利用流体体积(VOF)法确定自由水面线,分别对两种墩型过坝水流进行计算,给出了3种水头下的水面线及坝面压力,通过与实验结果的比较表明,建立的模型能够准确地模拟带闸墩溢流坝三维流场,从而为溢流坝的水力设计提供可靠的设计依据。
无网格数值方法在结构物水动力研究中的应用
李绍武, 尹振军
2004, 15(6): 739-744.
摘要:
运用一种移动粒子半隐式法建立无网格水流数值模型,探讨该模型在结构物水动力特性研究中的可能性。在无网格条件下,粒子间的相互作用通过核子函数来表示,并通过建立物理量光滑模型、梯度模型和二阶导数模型来离散控制方程。流体的不可压缩性是通过引入粒子数密度概念实现的。该方法不受流体变形程度和固边界形状的限制,因而具有特定的适应性。运用该模型模拟了水柱倒塌后有无透空块体两种情况下右端直墙上的压力过程。计算结果表明透空块体可使直墙压力减小42%。
浅论长江中游洪灾高危险性
殷瑞兰, 沈泰
2004, 15(6): 745-751.
摘要:
通过对长江洪水的致灾性、河道边界条件及其孕灾性、承载体易损性的分析,论述了长江中游为我国洪灾高危险区的必然性。分析了人类对河流的治理,使河道稳定性增加,减少了洪灾的风险,但是长江中游的局部河段却发生洪水位增高的趋势,又增加了洪灾风险,该区域高危险的基本特性犹存。研究了三峡运行后,长江中下游出现新的防洪形势:一方面三峡水库巨大的防洪库容拦蓄洪水,大大减少了中下游的洪灾,另一方面因河道的强冲刷,使河势变化剧烈、横向摆动增强,局部河段岸壁失稳,又增加防洪压力。同时因总体水面比降趋平,洪灾风险有向下游转移的趋势。未来长江中游仍为洪灾高危险区,仍应给予高度重视。
长江氮的输送通量
沈志良
2004, 15(6): 752-759.
摘要:
1997年枯水期(11~12月)和1998年丰水期(8月和10月),对长江流域从金沙江至河口干流和主要支流、湖泊各种形态的氮(N)进行了调查。各种形态N的基本输送模式为,从上游至河口通量逐渐增加,其中以硝酸盐(NO3-N)、溶解无机氮(DIN)、总溶解氮(TDN)和总氮(TN)最显著,这与它们的稳定程度有关。长江口各种形式N的输出通量大部分是由中、下游贡献的,特别是枯水期。支流和湖泊贡献的N大约占输出通量的一半以上,其中洞庭湖水系贡献最大,鄱阳湖水系次之。长江枯、丰期三态无机N的输送和输出通量中,NO3 N占绝大部分。各种形式的溶解N输送和输出通量中,DIN是主要的。在所有形式的N中,溶解形式的N占绝大部分。长江枯、丰期干、支流各种形式N通量和长江口各种形式N的输出通量主要受径流量所控制,与人类活动密切相关。并提出了长江各种形式N的输送方程式。
采用RNG紊流模型计算静止环境中圆形负浮力射流
杨中华, 槐文信
2004, 15(6): 760-764.
摘要:
基于RNG方法的κ-ε湍流模型,运用混合有限分析算法对静止环境中圆形负浮力射流进行数值模拟。从射流的最大入侵高度、流速矢量图、温度等值线、湍动能等值线、横断面上的流速和温度分布以及轴线上温度变化等方面与有效的试验资料进行了较为全面的对比验证。两者的良好吻合表明,基于RNG方法的紊流模型和混合有限分析法的结合能较好地模拟变密度流动。
应用单纯形-模拟退火混合算法估计河流水质参数
郭建青, 李彦, 王洪胜, 马健
2004, 15(6): 765-769.
摘要:
将由单纯形法(SM)与模拟退火(SA)两种算法构成的混合算法(SMSA),应用于求解分析瞬时投放示踪剂情况下的一维河流水团示踪试验数据,估计河流水质参数的函数优化问题。分别就不同的降温指数、内循环次数与新状态产生函数中的扰动系数等算法控制参数对混合算法和改进模拟退火法的收敛速度的影响,进行了数值实验。结果表明,SMSA混合优化算法对于求解估计河流水质参数的函数优化问题是非常有效的。在实验条件下,与单一具有记忆功能的改进模拟退火法的水质参数计算结果相比较,SMSA混合算法具有:①混合算法的收敛速度明显优于改进模拟退火法;②降温指数和内循环次数对SMSA混合算法的收敛速度影响非常微弱;③新状态产生函数中的随机扰动幅度大小对算法收敛速度具有较为明显的影响等特点。
水动力作用下太湖底泥起动规律研究
李一平, 逄勇, 陈克森, 彭进平, 丁玲, 金鹰
2004, 15(6): 770-774.
摘要:
在环形水槽内模拟了太湖底泥的起动规律,分析了太湖底泥运动的不同状态,以及上覆水中总磷(TP)浓度随流速的变化关系,实验得出的太湖底泥在3种起动标准下对应的起动流速分别为35、45和60cm/s,并观察到上覆水中TP浓度在3种不同起动流速处出现了较大的跳跃;然后利用泥沙起动的理论模型计算了太湖底泥在3种不同起动标准(个别动、少量动、普遍动)下的起动流速和起动切应力,其值分别为37.9、46.7、59.8cm/s和0.428、0.636、1.042N/m2。两种方法得到的起动流速值比较接近,基本上反映了太湖底泥起动的实际状况。
强弱风浪扰动下太湖的营养盐垂向分布特征
朱广伟, 秦伯强, 高光
2004, 15(6): 775-780.
摘要:
在一次风速12m/s的强风浪过程中及在连续多天弱风浪之后,对太湖梅梁湾一浅水区营养盐、悬浮物等的垂向分布进行了观测和分析。结果表明,在水底沉积物约20cm的情况下,强风浪期间与弱风浪期间相比,湖水中悬浮物浓度提高了10倍,总磷浓度提高了3 6倍。而强风浪期间与弱风浪期间的水体溶解性总磷(DTP)、溶解性活性磷(SRP)的浓度无显著差异。说明尽管强风浪过程引起沉积物大量悬浮,水体悬浮颗粒态营养盐显著增高,但是由于悬浮过程营养盐释放与沉降机制作用十分复杂,活性营养盐的浓度未必能提高。无论强风浪还是弱风浪期间,水体的表层至水土界面上50cm层的悬浮物浓度、营养盐浓度没有明显的分层现象,但明显低于水土界面上50cm内的悬浮物浓度和总磷浓度。无论是强风浪期间还是弱风浪期间,表层到底层水体SRP浓度无显著差异。
城市湖泊生态环境需水量计算——以北京市六海为例
肖芳, 刘静玲, 杨志峰
2004, 15(6): 781-786.
摘要:
城市湖泊生态环境需水量包括:城市湖泊蒸发需水量、城市湖泊自身存在的需水量、生物栖息地的需水量、城市湖泊净化需水量、湖泊渗漏需水量、景观、娱乐需水量。需水量计算在遵循生态优先原则、兼容性原则、最大值原则和等级制原则的基础上,还应充分考虑时间性原则。计算了北京市六海各季节(冬季除外)生态环境需水量,结果表明:北京六海春、夏、秋及全年的最小生态环境需水量分别为:296.82、643.94、474.59和1415.35万m3,其中净化需水量分别占35 87%、71 23%、70 08%和63 42%。根据研究和计算结果,对改善六海生态环境提出了建议。
基于遗忘因子的BP神经网络水文实时预报方法
袁晶, 张小峰
2004, 15(6): 787-792.
摘要:
在应用神经网络进行洪水预报时,因洪水系统随着河道上游来流、区间降雨、河床演变等因素的动态变化,其特性并不总是按照基本相同的规律变化,对这类系统的参数辨识,要求算法具有较强的实时跟踪能力,以适应模拟或预测洪水运动变化过程的要求。在BP神经网络模型的基础上,运用最小二乘递推算法,引入时变遗忘因子实时跟踪模型中时变参数的变化,建立了神经网络在非线性系统中动态系统输入、输出数据间的映射关系。计算实例表明:该法对参数的快速时变具有较快的跟踪能力和较高的辨识精度,是一种非常实用的水文实时预报方法。
基于GIS的河道贴体网格自动生成算法研究
江志军, 李德仁, 王伟, 李兰, 易华蓉
2004, 15(6): 793-800.
摘要:
利用地理信息系统(GIS)基于空间位置信息的技术特点,对河道贴体网格的自动化生成算法进行了研究。基于GIS矢量线的节点间空间位置关系,对任意位置上的河道流向进行了较高精度的数值表达,进而实现了河道断面的自动剖分;设计出一系列算法,解决了网格生成过程中可能出现的交叉、拧绕等问题,从而保证了剖分网格对河道区域平面分布的自适应性特征;基于数字高程模型(DEM)高程插值,对河道区域地表模型进行重建与分析,生成得到的河道贴体网格。经验证,该算法具有较好的贴体性质和较高的运算效率。
西北地区水资源可利用量与承载能力估算
贾绍凤, 周长青, 燕华云, 周宏飞, 汤奇成, 张捷斌
2004, 15(6): 801-807.
摘要:
界定了水资源可利用量和径流口径生态需水的概念。对西北地区的径流口径生态需水和水资源可利用量进行估算。西北地区水资源总量为1638 5×108m3,但需净出境水量为411 9×108m3,实有水资源总量为1226 6×108m3,径流口径生态需水量为454 4×108m3,除去保留给生态的生态需水、偏远封闭流域难以利用的水量,人类可以消耗利用的可利用量有742×108m3,其中黄河流域可利用量为187×108m3,西北内流区当地可利用量为555×108m3。建立了水资源承载能力优化计算模型,估算西北地区的水资源承载能力,并建议用水资源承载能力图谱表示水资源承载能力。在人均GDP每10年翻一番、水资源利用效率每年提高7%的条件下,西北地区水资源承载能力2010年为11310万人,2020年为12019万人,2030年为12733万人。
南水北调工程水价的合理确定
刘春生
2004, 15(6): 808-812.
摘要:
阐述了水价确定与调水工程良性运行的关系,通过对不同水价制定方法的经济学分析,论述了长期边际成本定价对调水资源优化配置的有效性,提出了南水北调工程水价制定原则:以长期边际成本定价思想为指导,实现容量水价与计量水价相结合,以动态调整和价格歧视为辅助措施的水价机制;适当提升南水北调水价,确保受水区水价和水源结构的平稳过渡。
黄土高原西北部集雨水利用的投资与效益分析
张志山, 魏兴琥, 李新荣, 王新平, 谢忠奎
2004, 15(6): 813-818.
摘要:
以黄土高原西北部为研究区,通过中国科学院皋兰生态农业试验站2000-2001年雨水集流试验与春小麦、西瓜、西兰花和黄瓜的补灌试验,对各种集流场的年产流率和集流费用、蓄水窖(池)的贮水费用、作物产量和水分利用效率、以及各作物集雨微灌的投资、产值与单方水产值进行了比较分析。结果表明:各集流面平均集流费用和各蓄水窖(池)的平均贮水费用都很高,分别为1.07元/m3和5.08元/m3,且贮水费用显著高于集流费用。净产值和单方水产值的大小顺序依次为日光温室黄瓜、大田西兰花、砂田西瓜和大田小麦。如把人工计算在内,大田小麦不进行补灌,其净产值为负值,进而补灌导致了净产值的大幅度减小。集雨水用于微灌砂田西瓜、西兰花和日光温室黄瓜都能产生很好的经济效益。并提出了日光温室集水-贮水-高效用水的"一池一窖"模式。
干旱区内陆河流域水文与水资源问题
邓铭江, 郭春红
2004, 15(6): 819-823.
摘要:
阐述了我国水文水资源研究的发展阶段,面临的主要问题,以及当前研究中的热点问题。以新疆地区为例,对干旱区内陆河流域的水文水资源研究方向作了初步探讨。
三峡库区水环境面临的问题和对策
骆永菊
2004, 15(6): 824-828.
摘要:
经过近10年的综合治理,三峡库区水环境恶化的趋势虽然有所减缓,但污染依然严重,水体含沙量仍居长江沿线之最。究其原因,主要由于目前库区环境监控能力较弱、水环境治理缺乏法制约束、环境管理机制缺乏活力、环保设施缺乏市场运行手段、库区及上游影响区产业结构不合理、民众生态道德观念淡薄所致。要从根本上解决库区水环境问题,必须导入循环经济和生态经济理念,重建库区及上游影响区生态型产业结构,建立和完善治污处理系统及其市场运行机制,构建相对独立的环境执法运行体制,扩大公众环保知情权,鼓励公众参与环境监督,建立绿色GDP统计体系和地方政府官员环保政绩评价体系,全面推进城市生态化发展步伐,构建现代化的综合性监控预警系统。
农畜产品虚拟水研究的背景、方法及意义
曹建廷, 李原园, 张文胜, 徐澎波, 刘俊国
2004, 15(6): 829-834.
摘要:
虚拟水是近年出现在水资源管理领域的新概念,随着全球贸易的增加,虚拟水已成为影响区域水资源管理的重要因素。分析了虚拟水概念出现的经济背景,总结介绍了与农作物和畜产品相关的虚拟水含量的计算方法,以及国际上虚拟水贸易的基本情况,揭示了虚拟水在提高水资源效率、制定水资源战略的作用,以及对社会经济、水资源管理等方面的重要影响。