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2008年  第19卷  第1期

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三峡水库135m运行阶段永久船闸下引航道泥沙淤积分析
胡兴娥, 李云中, 李明超
2008, 19(1): 1-7.
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通过实测三峡水库135m运行阶段永久船闸下引航道及口门区泥沙淤积与水沙因子变化,计算分析了下引航道及口门区的淤积量及分布、拦门沙淤积形态、淤积机理及清淤时机,建立了口门含沙量与长江含沙量、口门斜流流速与长江流量、拦门沙淤积高度与来沙量等关系;并结合倒灌异重流理论,计算验证了下引航道及口门区异重流、环流淤积。结果表明,下引航道及口门区主要集中在主汛期(7~9月)淤积,汛末(10~12月)进行一次清淤即可满足航深要求。
水沙环境改变下的黄河口变化遥感监测与分析
徐美, 李纪人, 黄诗峰, 李小涛, 孟凡光
2008, 19(1): 8-12.
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黄河上游来水是控制黄河三角洲湿地发育的主导因素。黄河径流特征不断变化,水沙环境不断改变,黄河三角洲岸线、陆地面积、新生湿地及生态状况也在发生着变化。以2000年为界,对其前后几年的来水来沙特征及河口变化特征进行了遥感监测、对比,分析了新、旧水沙环境下黄河口的变化特征及其与水沙条件改变的关系。从分析结果来看,2003年水沙条件相对理想,有利于河口陆地面积增加及生态环境改善。总体来看,1996至2006年间,河口陆地面积增减处于波动状态,整体上呈增加趋势,但增加程度不显著。水沙环境的改变导致黄河口出现了不同的发育特征。
粘性泥沙分层运动特征的试验研究
王家生, 陈立, 刘林, 黄荣敏
2008, 19(1): 13-18.
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应用水槽试验研究了粘性泥沙的运动特性及水流条件和泥沙浓度对粘性泥沙运动的影响。实验结果表明,在一定的水流和泥沙浓度条件下,粘性泥沙运动存在着特殊运动形式——"分层运动","分层运动"形成时水槽中泥沙浓度沿垂线分布成"阶梯"形状,水流流速沿垂线分布为中部最大,向水面和水槽底部方向流速减小。分层运动的形成及其特征与水流条件泥沙浓度等因素密切相关,不同的泥沙浓度下形成分层运动的水动力条件不同,泥沙浓度增加,形成分层运动的水流强度也相应增加。
冲刷漏斗纵剖面形态数值模拟技术研究
冯小香, 张小峰, 韦直林, 李建兵
2008, 19(1): 19-26.
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提出σ坐标系垂向分层的优化方法,较好地解决了传统σ坐标变换用于底孔泄流数值模拟时存在网格边界变化的问题;采用一维水流模型为立面二维模型提供自由水面边界,即"动刚盖法"确定自由表面;根据坝前趋孔水流的流动特性和水下纵坡稳定性受力分析,分别导出σ坐标系下床面泥沙边界条件和底孔泄流初期河床滑塌的判别式。在此基础上建立底孔泄流条件下立面二维水流泥沙数学模型,并将之应用于有刚性护坦条件下冲刷漏斗形成的数值模拟。模拟结果表明,漏斗冲刷平段长度、漏斗纵坡等数值试验结果与水槽试验基本一致,验证了模型的合理性和可靠性。
浊流和泥石流的异重流初期潜入点的实验研究
余斌
2008, 19(1): 27-35.
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潜入点的水流泥沙条件是异重流的发生条件和持续条件,受到了国内外学者的广泛关注。初期潜入点Fr代表异重流的发生条件,而稳定潜入点Fr则代表异重流的持续条件。通过一系列的低浓度浊流和高浓度浊流及泥石流的异重流潜入点的实验研究,分析对比低浓度浊流和高浓度浊流及泥石流的异重流的关系,得到在均匀顺直水槽中的异重流初期的潜入点Fr规律。提出在一定的水槽宽度、泥沙浓度条件下,异重流的初期潜入点Fr与头部流速成正比。与其它文献不同研究条件的实验结果对比有很好的一致性,说明该研究结论有很好的可靠性。该研究结论的适用范围为初期潜入点,不适用于稳定潜入点和初期潜入点与稳定潜入点之间的过渡阶段。但高浓度浊流和泥石流的异重流初期潜入点Fr与其稳定潜入点Fr很接近,粘性泥石流的异重流更接近。
基于水库模型的扎龙湿地水循环模拟
许士国, 刘大庆, 唐晓亮
2008, 19(1): 36-42.
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基于水库模型的概念,根据地形地物将扎龙湿地划分为相互联系的9个水库单元,对每个水库单元进行水量平衡模拟,建立了扎龙湿地水循环系统模拟模型。以月为时间步长,利用建立的模型对扎龙湿地1971-2003年33年的水循环过程进行模拟,应用1971-1981年出口径流量进行模型参数标定,应用1982-1987年出口径流量和12个水面面积对模型模拟效果进行检验。模拟的出口径流量效率系数和相关系数接近0.90,相对误差小于3%;模拟的湿地水面面积也具有满意的精度。模拟结果表明,建立的模型对湿地水循环系统具有较好的模拟能力。
三江平原典型沼泽湿地能量平衡和蒸散发研究
孙丽, 宋长春
2008, 19(1): 43-48.
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基于涡度相关技术对三江平原典型沼泽湿地的水热通量进行了连续观测,研究沼泽湿地能量平衡和蒸散发的季节变化,确定观测期内沼泽湿地总蒸散量,并通过逐步回归方程估算沼泽湿地水面蒸发和植被蒸腾。结果表明,沼泽湿地的能量平衡具有明显的季节变化特征,总体看来,潜热通量是湿地的主要能量支出项,占净辐射的45.5%,感热通量和存储热通量分别占净辐射的27.9%和26.7%。2006年5~10月份沼泽湿地总蒸散量为310.6mm,月均日蒸散量最高值出现在7月。观测期内沼泽湿地水面蒸发量约为221mm,占总蒸散量的71%左右,植被蒸腾量则约占总蒸散量的29%,湿地蒸散发以水面蒸发为主。
城区水文循环机制与改善策略分析
廖朝轩, 詹丽梅, 陈家梁, 邱奕儒
2008, 19(1): 49-53.
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在城区化过程中,由于人口快速成长且集中,随之而来的建筑物、道路等不透水面密度增加,导致地下水补给减少及破坏水文循环。为了解土地利用方式改变对长期水文量影响,建立一个适宜的城区水循环模式是非常重要的。选定台湾台北的六馆抽水站集水区进行分析,模式参数经过敏感度分析、率定与验证。采用改变不同透水铺面设置比例的方案,评估其对径流量、入渗量、蒸发散量的改变。并分析设置不同比例屋顶雨水贮集系统对地表径流量及供水量的改变。所建立的城区水循环模式是评估土地利用改变造成水文量的改变的一个有效工具,并可提供决策者做为城区土地利用决策的参考。
分期设计洪水频率与防洪标准关系研究
肖义, 郭生练, 刘攀, 熊立华, 方彬
2008, 19(1): 54-60.
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现行分期设计洪水模式估算的分期设计洪水值均小于或等于年最大设计值,达不到规定的防洪标准。采用Gumbel-Hougaard Copula函数描述两个分期的分期最大洪水之间的相关性结构,并构造边缘分布为P-Ⅲ分布的分期最大洪水联合分布,建立分期最大洪水与年最大洪水的关系式,讨论分期设计洪水频率与防洪标准应满足的关系,探讨能够满足防洪标准的新的分期设计洪水模式。应用示例表明,新模式主汛期设计值相对年最大设计值小幅度增加,而非主汛期设计值则小于年最大设计值,既满足不降低防洪标准的要求又能够起到优化设计洪水的作用,为分期设计洪水研究提供了一条新的思路。
青藏高原高寒草甸区土壤水分的空间异质性
李元寿, 王根绪, 丁永建, 王一博, 赵林, 张春敏
2008, 19(1): 61-67.
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通过网格(10m×10m)取样,用地统计学方法研究了青藏高原高寒草甸覆盖区域(110m×90m)浅层剖面(0~40cm)土壤水分的空间异质性特征。结果表明:在高寒草甸覆盖区0~30cm深度范围内,土壤水分均存在高度空间异质性,其中87.3%~74.9%的空间异质性是由空间自相关部分引起的,主要体现在201m以下尺度,10m以下随机因素对空间异质性作用较小;30~40cm土壤水分空间异质性由10m以下尺度随机因素导致的占42.3%,而自相关部分的空间异质性(57.7%)体现在10~87.2m尺度。随土层深度的增加,分维数D有逐渐增大的趋势,说明随深度增加高寒草甸区土壤水分自相关空间异质性程度在降低,而随机因素导致的空间异质性程度在增加。从4层的C0/(C+C0)值来看,10~20cm这一层的值最小,表明在这一层的系统变量的空间自相关性程度最高。说明高寒草甸区0~30cm土层的土壤水分含量是受降水、植被发育、根系分布、土壤特性和人为干扰等影响,其空间异质性主要受自相关因素控制,而30cm以下的土壤水分受自相关因素和随机因素共同控制。
大型输水渠道闸前常水位的研究
方神光, 李玉荣, 吴保生
2008, 19(1): 68-71.
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南水北调中线输水渠道中,针对同时操作闸门是否仍能维持闸前水位为常值,模拟计算了同时改变渠首流量、闸门开度和分水口流量时渠道中的非恒定过渡过程。结果显示,中线主干渠中所有闸门开度不论是同时增加还是减小,渠道中的水流均需要很长时间才能达到新的恒定状态,且闸门开度减小比闸门开度增大所需的过渡时间要长很多。非恒定过渡过程中,闸前水位的变化幅度都较大,各闸前水位最终都能回复到初始时刻的水位。由于非恒定过渡过程时间很长,实际运行条件下,要实现闸前常水位运行方式还需要对闸门的调度方式做更多的研究。
森林覆盖的喀斯特地区表层岩溶带的产流阈值
姜光辉, 吴吉春, 郭芳, 李华举, 孙海龙
2008, 19(1): 72-77.
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选择中国南方喀斯特森林石山地区的表层岩溶带中出露的泉水为研究对象,通过对泉水水位、pH、电导率、水温和降水的连续监测,发现表层岩溶带的降水补给的产流阈值为12mm。同时分析了不同降水补给引起的表层岩溶泉pH、温度、电导率的变化规律。雨季pH在降水后出现暂时的降低,电导率和水温出现暂时的升高。旱季pH、电导率等表现出比雨季更复杂的变化。按照水位、pH、电导率、水温对降水补给的反应的强弱不同,将表层岩溶带对降水的反应分成三个等级。第一等级为表层岩溶泉的流量等都不发生变化;第二等级是表层岩溶泉的4个指标有部分发生微小缓慢的变化;第三等级是表层岩溶泉的4个指标发生显著的变化。表层岩溶带的产流阈值是区别有效降雨和无效降水的标准,并对理解岩溶地下水的形成有帮助。
波流共存场中多向随机波浪传播变形数学模型
郑金海, Hajime Mase
2008, 19(1): 78-83.
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基于波作用量守恒方程建立了波流共存场中多向随机波浪传播变形数学模型,模型中考虑了波浪绕射的影响和水流引起的波浪弥散多普勒效应,应用包含水流和地形影响的激破波模式计算波浪破碎的能量耗散,采用一阶上迎风有限差分格式离散控制方程。分别计算了有无近岸流情况下单向和多向随机波浪的波高分布,考虑水流影响的数值计算结果与物理模型实验数据吻合良好,比较分析表明,所建立的数学模型能够复演由于离岸流引起的波高增大,可用于波流共存场多向随机波浪传播变形的模拟和预报。
底流消能方式水电站泄洪雾化模型试验研究
吴时强, 吴修锋, 周辉, 陈惠玲
2008, 19(1): 84-88.
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泄洪雾化现象是伴随着高坝泄洪消能带来的一个负面效应,它对于电厂的安全运行、周围环境等有一定的影响。采用大比尺模型试验方法研究向家坝水电站泄洪雾化问题,利用类似消能工的湾塘水电站泄洪雾化原型观测成果,反馈分析了雾化模型尺度效应,得到了雾化量的相似律,并预测和评价了向家坝水电站泄洪雾化影响。
洞塞式消能工的数值模拟
尹则高, 拾兵, 赵林, 孙东坡
2008, 19(1): 89-93.
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摘要:
针对有压洞内洞塞式消能工附近局部流动,分析研究了水流紊动特点,应用三维RNG k-ε紊流模型,利用物理模型试验资料对其计算结果进行了验证,利用模型对洞塞式消能工引起的水头损失进行计算分析,分析结果表明,当洞塞段相对长度从很小开始增加时,水头损失系数呈现先急剧降低而后明显增加,最后缓慢线性增加的趋势;在有压洞半径一定的情况下,洞塞段过流半径的变化比洞塞段过流长度的变化对水头损失系数影响更为明显,可为洞塞式消能工的设计提供相关参考依据。
基于非充分掺混模式的流域来水组成模型
王船海, 朱琰, 程文辉, 向小华
2008, 19(1): 94-98.
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针对如何减小数值求解对流输运方程耗散误差的问题,引进断面计算浓度的概念来计算河段平均浓度,提出了非充分掺混模式的有限控制体积法离散对流输运方程的新算法,据此构建了模拟流域内的水源组成以及不同水源在流域内的时空变化情况的流域来水组成模型。通过数值试验与具体实例验证,结果表明所提出的非充分掺混模式的新算法可有效地提高流域来水模型的计算精度。
长江口及其邻近海域富营养化水平评价
苏畅, 沈志良, 姚云, 曹海荣
2008, 19(1): 99-105.
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根据2004年4个季度2、5、8、11月的调查资料,选择化学耗氧量、溶解氧、活性磷酸盐、溶解无机氮和叶绿素a作为评价因子,利用人工神经网络模型对长江口及其邻近海域的营养水平进行评价。结果表明,富营养化区域主要集中在口门附近,富营养化程度由口门向东和东北方向递减。富营养化范围几乎均分布在盐度小于20的一侧,并随着长江冲淡水的变化而发生季节性的变化。5月和8月的富营养化比较严重,且都有转向东北的趋势,可能与5月进入丰水期长江冲淡水转向有关。断面分布表明,各个季度月由河口向东,富营养化评价等级由高到低,垂直方向则呈现复杂的变化。分析表明影响富营养化的主要评价指标是溶解无机氮。
红枫湖夏季分层期间pCO2分布规律的研究
吕迎春, 刘丛强, 王仕禄, 徐刚
2008, 19(1): 106-110.
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在夏季分层期间对红枫湖南、北湖湖心的水样进行分层采集,同时测定了分层水样的温度、pH、HCO3-浓度、溶解氧(DO)、叶绿素a(Chl-a)及铵根离子(NH4+)、硝酸根离子(NO3-)、磷酸根离子(PO43-)的浓度,水体中CO2的分压(pCO2)由化学平衡及亨利定律求得。研究结果表明:光合作用、有机质降解及水体热分层是影响红枫湖夏季pCO2分布的主要因素。其中,温水层CO2欠饱和是光合作用吸收CO2引起的,温跃层中pCO2的急剧增加是光合产物降解产生CO2引起的。静水层沉积物附近pCO2最高并且还有持续增加的趋势,说明沉积物中有机质降解是静水层中CO2增加的主要原因,夏季湖底水温较高加快了沉积物中有机质的降解。分层现象使pCO2在水体中的分布差别明显,并且使静水层中CO2得到积累。此外,夏季红枫湖水体中pCO2的变化与NH4+、PO43-的变化密不可分,表现为温水层中光合作用消耗NH4+、PO43-,有机质降解过程伴随NH4+、PO43-的释放。
浅水湖泊水体中不同颗粒悬浮物静沉降规律研究
向军, 逄勇, 李一平, 魏海, 王鹏, 刘兴平
2008, 19(1): 111-115.
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为了解浅水湖泊水体中颗粒悬浮物的静沉降规律,以太湖为例,采用重复深度吸管法计算了2005年4月、5月间在太湖进行的4次静沉降模拟实验中的沉降速度。结果表明:①在悬浮物沉降过程内,3种颗粒物的沉速关系为颗粒无机物(PIM)>悬浮物(SS)>颗粒有机物(POM)。在相同的沉降时间内,PIM的沉速为SS沉速的1.6~2.0倍,POM的沉速为SS沉速的0.3~0.7倍,PIM的沉速为POM沉速的2.5~5.5倍;②水体中悬浮物浓度与沉降时间均呈现出明显的指数衰减规律,悬浮物中无机物含量较高时这种规律更为明显;③悬浮物浓度较低时,太湖悬浮物的沉降速率与水体中的悬浮物浓度无明显的相关关系;而悬浮物浓度较高时,沉降速率随悬浮物浓度升高而增大。
混沌时间序列支持向量机模型及其在径流预测中应用
于国荣, 夏自强
2008, 19(1): 116-122.
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以重构相空间理论为基础,探讨了混沌时间序列的支持向量机预测模型建模的思路、特点及关键参数的选取。利用饱和关联维数法进行相空间重构,并运用改进小数据量法计算最大Lyapunov指数,对宜昌站月径流时间序列进行混沌特性识别。在运用混沌时间序列的支持向量机模型对月径流预测的应用中,引入了径向基核函数,简化了非线性问题的求解过程。实例表明,该模型能较好地处理复杂的水文序列,具有较高的泛化能力和很好的预测精度。
三维非恒定渗流自由面边界积分项的高精度数值积分
郑桂兰, 王媛, 裴利华
2008, 19(1): 123-128.
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在三维非恒定渗流有限元计算中,不可避免地需计算自由面上的边界积分项。建议一种高精度数值积分的方法求取自由面边界积分项。其基本思路是,基于8节点空间等参单元,根据压力为零的边界条件确定自由面满足的曲面方程,将自由面边界积分转化为ξη平面上的二重积分;然后再计算自由面与三维等参单元的交点,将交点投影到局部坐标平面ξη上,并根据点与线的相对关系,确定投影点所围成的局部坐标积分区域;再将总积分区域划分成若干个三角形子区域,并利用变步长Simpson方法计算各三角形子区域上的二重积分,从而实现了高精度的自由面边界积分。该方法避免了单元中自由面为平面的假设,可提高计算精度,特别对于单元内自由面变化剧烈情况,更为显著。将该方法应用于砂槽模型和土坝的渗流分析中,计算结果与实际情况较为接近。
ET0计算公式的最新进展与普适性评估
苏春宏, 陈亚新, 徐冰
2008, 19(1): 129-136.
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通过对ET0计算公式研究进展的总结,分析了在世界上三个时期比较有代表性的计算蒸发腾发量(ET0)的主要公式:修正Penman(MP)公式、Penman-Monteith(PM)公式及标准ASCE-PM公式;以20世纪90年代末期和21世纪初期世界上最新的19个用Lysimeter实验值率定ET0计算值的实验成果为基础,对于不同气候条件下ET0计算方法的普适性分析评估认为:虽PM公式应用效果较好的地区较多,但也有不少地区效果欠佳,MP等公式在一部分地区较好,PM与MP公式并非普适性的,要特别关注标准ASCE-PM公式,总之,这类半理论(半经验)公式均有一定的地区性。仅通过MP、PM公式的计算比较,不能简单地评定哪种公式最优或哪种公式计算ET0值大(或值小),应针对不同地理及气候条件,要经Lysimeter的实验结果才能进行率定比较。文中也对今后研究提出相应建议,有助于ET0计算公式学科的深入研究。
多孔紊动射流的数值模拟与实验研究进展
芦绮玲, 陈刚
2008, 19(1): 137-146.
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多孔射流作为流体运动的一种重要类型,在工程中具有非常广泛的用途。由于多孔射流各股水流之间的卷吸和掺混的存在,增加了流场的复杂性。长期以来研究人员从理论分析、实验测量和数值模拟方面对多孔紊动射流进行了大量的研究工作,目前已经认识了流场中的许多流动特性和流动机理。从数值模拟和实验研究两个方面,比较分析了国内外多孔紊动射流的研究现状和研究结果,评述了不同湍流模型以及不同实验测量方法对紊动射流的预测能力,讨论了存在的问题并对该领域的研究方向进行了展望。

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