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2008年  第19卷  第2期

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“蒸发悖论”在中国的规律分析
丛振涛, 倪广恒, 杨大文, 雷志栋
2008, 19(2): 147-152.
摘要:
利用全国353个气象站1956-2005年的气象资料,系统分析了过去50年间蒸发皿蒸发量、气温及降水的变化趋势,重点对"蒸发悖论"在中国的规律进行分析,并研究了蒸发皿蒸发量与降水的长期变化趋势的关系。研究结果表明:(1)过去50年间,全国范围内气温增加显著、蒸发皿蒸发量呈下降趋势,总体上存在"蒸发悖论";(2)"蒸发悖论"具有空间上和时间上的不一致,表现在:随着气温增加,东北地区蒸发皿蒸发量呈上升趋势,20世纪80年代中期以后全国范围蒸发皿蒸发量呈上升趋势;(3)过去50年间,降水量变化趋势不明显,降水量与蒸发皿蒸发量变化趋势在空间分布上大体呈逆向关系。
基于泥沙中碳含量的变化表征黄河调水调沙入海泥沙的扩散范围
张龙军, 姜波, 张向上, 刘建栋
2008, 19(2): 153-159.
摘要:
主要通过黄河口悬浮物中有机碳和无机碳的含量,表征黄河调水调沙入海的泥沙在黄河口外近海的扩散范围。结果表明:黄河口入海前泥沙中的颗粒无机碳(PIC),颗粒有机碳(POC)具有稳定性,分别为(1.75×0.28)%和(0.51×0.08)%;在悬浮物含量约为30 mg/L时,黄河口临近海区悬浮物中的PIC、POC含量分别出现突跃性降低和升高趋势,叶绿素分析表明,POC含量的升高是由于浮游植物对颗粒有机碳贡献的结果,同时正构烷烃轻重比值ΣC20-/ΣC20+和碳优势指数(CPI)值也分别增加和降低;X衍射发现悬浮物浓度低于30 mg/L时,黄河泥沙在悬浮物中所占比例迅速下降,从而造成悬浮物中PIC突跃性下降;因此,黄河口近海悬浮物含量30 mg/L可以被认为是陆源和海源颗粒物对黄河口近海区悬浮物贡献的有效分界线。调水调沙入海的泥沙在黄河口外近海表层主要扩散到河口以南海域,而底层扩散范围主要集中在河口以北和河口以南海域,这些泥沙最终可能停留在莱州湾中部。
黄土高原区高含沙水流发生频率空间分异及其影响因素
廖建华, 许炯心, 杨永红
2008, 19(2): 160-170.
摘要:
以1964-1989年黄土高原区284个水文站的泥沙观测资料为基础,结合相应区域内自然条件与人类活动相关资料,运用空间分析及数理统计方法,研究了黄土高原区高含沙水流发生频率的空间分布规律,并分析了高含沙水流发生频率及其与各影响因素之间的关系。研究结果表明,黄土高原区高含沙水流发生频率高值区为带状分布,呈东北-西南向,且存在3个高值中心区,分别位于111°E、40°N,107°E、36°N和104°E、34°N附近;在分析各影响因素与高含沙水流发生频率关系基础上,进一步研究了多因素对高含沙水流发生频率的综合影响,结果表明,灌木林、丘陵旱地、有林地、黄土厚度、年平均降水量等主要影响因素对高含沙水流发生频率的相对贡献率依次为17%、4%、7%、30%、42%。
太湖湖泊水体碳循环模型研究
张发兵, 胡维平, 胡雄星, 李芳, 刘登国, 刘必寅, 夏凡
2008, 19(2): 171-178.
摘要:
在垂直压缩三维水动力模型的基础上,建立了包括无机碳、有机碳、二氧化碳、浮游植物态碳、浮游动物态碳、鱼类态碳、沉水植物态碳、底泥中的有机碳、底泥中的无机碳、底泥间隙水中的有机碳和无机碳等状态变量的太湖碳循环三维模型。并用2000年的实测资料进行了参数率定,用2003年的实测数据进行了校验。校验结果显示,绝大多数校验点次的实测值与模拟值间的误差均小于30%,4个校验点的模拟值和实测值的年平均误差均小于40%,由此可见,模型虽然仍需进一步完善,但其已经具有了一定的模拟精度,为太湖湖泊水体碳循环的研究奠定了基础。同时模型计算结果表明:湖泊水体碳循环对大气二氧化碳浓度的降低有正面作用。
河西内陆河流量对高原加热场强度的响应
钟海玲, 李栋梁
2008, 19(2): 179-183.
摘要:
选用莺落峡1944-2004年和疏勒河1953-1999年的流量资料,分析了近50年河西内陆河流量的持续性、周期性、年际变化及其对青藏高原地面加热场强度异常的响应。结果表明:河西走廊中、西部的水资源具有很好的持续性,特别是在秋、冬季节。河西走廊中、西部的水资源与前期青藏高原地面加热场强度存在较好的相关关系。前期(4月份)的环流特征可预报后期5月份流量。多水年新疆脊弱,东亚槽浅,降水偏多,流量加大;反之亦然。径流预报实质上可作为西北地区的干旱预报。
基于气候模式统计降尺度技术的未来青海湖水位变化预估
刘吉峰, 李世杰, 丁裕国
2008, 19(2): 184-191.
摘要:
借助于全球气候模式(德国MPI ECHAM5.0)输出信息和流域最近40年的气象观测资料,建立青海湖流域统计降尺度模式(QH-SDM),从而得到流域尺度未来30年(2010-2030年)气候变化情景,并由此驱动水文模型SWAT及湖泊水量平衡模型模拟了青海湖近几十年水位变化过程,预估了未来30年青海湖湖泊水文变化情景。结果表明,青海湖水位的未来变化将经历缓慢下降、逐渐回升、稳步升高3个阶段,到2030年,湖泊水位将达到3195.4 m左右,高出目前水位约2.2 m,面积接近4500 km2,蓄水量达到813亿m3,湖泊恢复到了20世纪70年代初的水平,预计这一结果将会缓解目前青海湖流域水资源紧缺的格局,并有利于植被恢复,减少土地沙化面积,对流域生态环境的改善和国民经济的发展将十分有益。
基于物理栖息地模拟的河道内生态流量研究
张文鸽, 黄强, 蒋晓辉
2008, 19(2): 192-197.
摘要:
结合物理栖息地模拟模型的水力学与栖息地模型,以黄河干流兰州-石嘴山河段为研究样区及该河段的关键鱼种黄河鲤鱼为对象物种,以流速及水深二水力学因子进行研究,推求该研究样区兰州、安宁渡、下河沿、青铜峡和石嘴山五断面对象物种的流量与权重可使用面积的关系。通过对上述各断面1975-1985年汛前共11年生态、水文及断面资料的分析计算,归纳出研究断面汛前适合的生态流量分别为195、220、220、220、175 m3/s,计算结果在Tennant法界定的生态流量范围之内。
农田排水对沼泽湿地毛果苔草的影响及效应
王洋, 刘景双, 王国平, 苏伟
2008, 19(2): 198-204.
摘要:
随着三江平原沼泽湿地的垦殖,农田排水不断进入沼泽湿地,对湿地生态系统造成不同程度的影响。当一定氮、磷浓度的农田排水进入毛果苔草沼泽湿地后,水中TN、NH4+-N、TP和PO43--P的含量均明显升高,8~9月份TN和NH4+-N含量分别为自然沼泽湿地水体的1.51~2.10倍和1.53~3.02倍;TP和PO43--P含量分别为1.30~4.08倍和4.33~11.33倍。接受农田排水的毛果苔草根、茎叶生物量明显增高,相应的植物不同部分TN、TP含量也明显增高,其毛果苔草根部TN、TP含量与水中TN、TP含量的相关关系比自然湿地毛果苔草的这一相关关系更强,表明农田排水可促进毛果苔草的生长和对氮、磷的吸收。由于农田排水中磷的含量相对较高,造成湿地水系统N/P失衡,对湿地毛果苔草生态系统的稳定性和生物生产力形成潜在的威胁,因此应控制农田排水直接排入沼泽湿地。
基于压力-状态-响应模型的扎龙湿地健康水循环评价研究
周林飞, 许士国, 孙万光
2008, 19(2): 205-213.
摘要:
在剖析湿地健康水循环概念内涵的基础上,建立了湿地健康水循环压力-状态-响应概念模型,并运用此模型构建湿地健康水循环评价的指标体系。该指标体系探索了压力与湿地健康水循环变化之间的关系,并提出了相应的改善措施,有利于湿地管理工作的顺利开展。湿地健康水循环评价模型采用模糊模式识别模型,各指标权重利用层次分析法确定。根据评价指标的选择原则,选取9个评价指标,提出了5级评价标准,对扎龙湿地8年的湿地水循环状况进行了评价,明确各年的健康状况及限制因子。评价结果与实际进行对比分析,证明评价结果是正确的。
基于适体坐标变换的二维河冰模型
茅泽育, 许昕, 王爱民, 赵雪峰, 肖汉
2008, 19(2): 214-223.
摘要:
为精确模拟流动边界条件,克服边界形状复杂、长宽尺度相差悬殊及由于水位变化引起计算边界变化等困难,针对天然河道边界弯曲复杂等特点,应用水动力学和热力学等原理,建立了适体坐标下的二维河冰数值模型,模型主要包括流速场,水温沿河道变化,水内冰浓度分布,面冰输移,冰盖推进、稳定和消融,冰盖下冰的输移、堆积和冲蚀等,考虑了冰盖底部水中冰堆积和冰盖前沿形状对封冻过程的影响。采用MacCormack步进格式计算方法,并应用黄河河曲段实测资料对数值模拟结果进行了验证。验证结果表明,提出的数值模型能较好地体现河道的封冻过程。
二维平面非恒定流数学模型的遥感水位数据同化
俞云利, 赖锡军
2008, 19(2): 224-231.
摘要:
为了在水流计算中定量化利用遥感水位数据,基于偏微分方程最优化控制理论建立了变分模型来融合二维平面非恒定流的数学模型和数据。根据遥感数据空间信息密集的特点,提出遥感水位数据同化的新算法。采用人工合成数据考察了面域遥感数据对于定常参数和时变两类参数的反演效果。试验结果表明,遥感数据提供的空间分布式信息有利于空间分布式参数的反演识别,而且通过引入考虑水面空间变化信息的附加项,可以改善观测信息的同化,更好地辨识时变参数(流量过程)。以Moselle河的RADARSAT卫星遥感水位数据检验了模型的实用性。
河网水流智能模拟技术及应用
唐洪武, 雷燕, 顾正华
2008, 19(2): 232-237.
摘要:
针对城市河网缺乏足够的实测资料和河网水动力学模型模拟速度慢的特点,提出将河网水动力学模型与遗传算法、神经网络方法结合,建立河网智能模型。模型中,利用河网水动力学模型提供神经网络所需的信息,遗传算法用于优化神经网络的初始权重。将该模型应用于上海市浦东新区河网中,智能模拟结果与经过实测资料验证的河网水动力学模型的模拟结果吻合较好,表明河网智能模型精度与水动力学模型接近。同时实时性较好,可用来预测河网水位变化特性,也为今后类似研究提供一种模拟技术。
基于计算流体动力学的不同流量比两股射流水垫塘的消能特性研究
焦爱萍, 刘沛清, 刘宪亮
2008, 19(2): 238-244.
摘要:
为研究不同流量比的两股射流入射水垫塘后的消能特性,选用非定常不可压缩流动的N-S方程和RNG k-ε紊流模型,采用VOF(Volume of Fluid)法结合溪洛渡双曲拱坝水垫塘进行了数值模拟,分析了流量比对水垫塘底板的冲击压力、临底速度、流态特征影响,并定量研究了流场内时均动能的衰减规律。研究表明,随着上游水股射流流量的减小,上游水股对底板的冲击压力在逐渐减小,由上游水股产生的动水垫作用逐渐减弱,使得下游水股对底板的冲击压力在逐渐增大;水垫塘流场呈现为具有动水垫效应的单股射流和动水垫效应微弱的单股射流两种形态。定量计算结果表明:对于上游水股射流,时均流速梯度较大,时均动能衰减较快,且随着上游水股射流流量减小,时均动能衰减速度加快,而下游水股射流的时均流能量比值和时均消能率总体小于上游水股射流消能率。
灾区“自愈”思想初探及洪灾评估系统的构建
武晟, 解建仓, 吴景霞, 金苗
2008, 19(2): 245-250.
摘要:
分析了灾区恢复过程与水体自净过程的相似性,提出了洪灾"自愈过程"概念,建立了灾区的三大"受力"系统:破坏力系统、自愈力系统和救助力系统,并通过效能平衡原理确立了三大受力的关系,采用灾后可持续发展指标体系解决了效能平衡的定量衡量问题,从而构建了完整的洪灾评估系统。系统中破坏力代表了洪水的破坏能力,自愈力代表了灾区自身抗洪救灾的能力,救助力代表了外界提供的帮助,所以该系统不仅分析了灾情,而且对灾区、对国家应当采取相应的抗洪救灾措施也进行了分析。算例分析表明,该系统具有结构完整、评估全面的特点,系统中的模型也具有地域性和时效性。同时该系统具有一定的泛化能力,对于其它类型的灾害评估决策也有一定的实用价值。
大型渠系联合运行状态空间模型不确定性的描述与度量
管光华, 王长德, 冯晓波
2008, 19(2): 251-256.
摘要:
多渠段联合的自动化运行是现代节水农业的重要发展趋势之一,也是现阶段南水北调中线运行控制的关键技术问题,其控制器的设计求解依赖于线性化的系统数学模型,而多渠段系统本身是高度非线性耦合系统。针对所建立的多渠段多输入多输出(MIMO)模型,对其不确定性的来源做分类分析,作为系统鲁棒控制器设计的基础。将线性化的模型作为标称模型,不确定性采用模型之间差异矩阵的最大奇异值表示。以一个六渠段串联的算例进行求解,得出其模型不确定性的定量描述。
考虑重力侵蚀影响的分布式土壤侵蚀模型
金鑫, 郝振纯, 张金良, 王加虎
2008, 19(2): 257-263.
摘要:
黄土高原地区的土壤侵蚀具有水力侵蚀和重力侵蚀相伴发生的特点,在大多数针对黄土高原的侵蚀模型研究中未考虑重力侵蚀的影响,使得模型的模拟精度较差。针对黄土高原的侵蚀特点,采用量化影响重力侵蚀发生的主要因素,确定重力侵蚀发生的具体沟道栅格单元的方法,从而考虑了重力侵蚀对产输沙过程的影响。所建立的分布式土壤侵蚀模型以逐网格汇流的水文模型为基础,采用逐网格侵蚀输沙的模拟方式,能够模拟上方来水来沙对侵蚀输沙的影响。经小理河流域实测资料验证,模型具有一定的计算精度。
一种通过地形指数计算流域蓄水容量的方法
石朋, 芮孝芳, 瞿思敏, 陈喜
2008, 19(2): 264-267.
摘要:
在概念性分布式水文模型中,单元格蓄水容量的确定成为一个难题。考虑到单元格蓄水容量同地形指数之间的相似性,发现地形指数同蓄水容量间满足位移量为零的对数维布尔分布函数,建立了地形指数同单元格蓄水容量之间的函数关系,从而可通过单元格地形指数求取单元格的蓄水容量,在一定程度上解决了分布式水文模型中产流参数的离散化问题。
一种区域用水量公平性的评估方法
刘德地, 陈晓宏
2008, 19(2): 268-272.
摘要:
借鉴评价收入公平性中基尼系数的基本内涵,构建了一种区域用水量公平性的评估方法。以广东省2005年用水量为例,应用基尼系数法分析了人口、GDP、水资源量等指标对用水量分配的影响,分别绘制了各个影响因素的洛伦兹曲线,并计算了基尼系数值,最后分析了2000-2005年各个影响因素基尼系数的变化趋势。结果表明:基于人口、GDP、水资源量等影响因素的用水量洛伦兹曲线能较好地反映出用水量的公平性,可为更好地预测水资源需求和配置水资源等提供依据。
梯级电站水温累积影响研究
邓云, 李嘉, 李克锋, 李然
2008, 19(2): 273-279.
摘要:
采用数学模型进行梯级电站的水温累积影响研究,预测了雅砻江锦屏一级和二滩两个梯级电站联合运行时的库区水温分布及下泄水温过程,并与二滩电站单独运行时的水温进行比较。结果显示,锦屏一级水库全年稳定分层,库底保持稳定低温8.6℃,坝前表层水温在12.7~24.2℃内变化,下泄水温明显延迟。二滩库区在单独运行和联合运行时均稳定分层,但联合运行较单独运行时库表水温降低,库底水温升高,水温分层有所减弱,而下泄水温过程的延迟和均化现象进一步加强,梯级电站的累积生态环境效应显著。
水质监测中激光诱导荧光遥测技术的应用
王志刚, 刘文清, 张玉钧, 赵南京, 李宏斌, 司马伟昌, 肖雪, 刘建国
2008, 19(2): 280-284.
摘要:
激光诱导荧光(LIF)遥测是针对大面积水域富营养化状况进行原位、实时、快速测量的一种先进的监测技术。利用自行研制的水体污染LIF遥测系统对太湖水域进行了一次较为全面的测量,以测得的溶解有机物(DOM)荧光因子、瑞利散射因子和叶绿素a荧光因子分别代表各测量点的DOM浓度、浊度和叶绿素a浓度。同时以Skalar三维荧光成像仪测量各点DOM浓度,多参数水质分析仪测量浊度和叶绿素a浓度。对比分析了LIF遥测系统测量DOM荧光因子、瑞利散射因子和叶绿素a荧光因子与DOM浓度、浊度和叶绿素a浓度关系。结果表明LIF系统测得的DOM因子与三维荧光成像仪测量的DOM浓度值一致性较好(R=0.88733),而瑞利散射因子和叶绿素a荧光因子与多参数水质测量仪测得浊度值和叶绿素a浓度值线性相关性较差,相关系数分别为-0.39185和0.4552。对上述差异产生的可能原因进行了讨论,并阐述了LIF遥测技术在水质监测中的应用前景和潜在的应用限制。
河流中潜流交换研究进展
金光球, 李凌
2008, 19(2): 285-293.
摘要:
河水和地下水交换——潜流交换对溶质和污染物的归宿起着重要作用。潜流交换机理主要包括泵吸交换和冲淤交换。泵吸交换是由于河床形态引起的水头梯度,这些水头梯度诱导了对流传输;冲淤交换发生是由于移动河床截留和释放孔隙水。潜流交换的主要影响因素包括:河道流量、河床水力传导性、河床形态、河道弯曲、河床不均匀和背景条件。还探讨了反应性溶质、胶体颗粒共存情况下潜流交换的规律。对潜流交换研究现存的主要问题及未来研究展望提出了看法。
灌溉水文学及其研究进展
代俊峰, 崔远来
2008, 19(2): 294-300.
摘要:
由于灌区下垫面性质的空间变异性和人类活动对水分循环的影响,灌区呈现出与自然流域不同的水文特征。在不同尺度水文特征的研究中,人们注意到灌溉排水与水文学的联系,并提出了灌溉水文学的概念。近年来,灌溉对灌区水文的影响及节水灌溉的尺度效应等研究,逐渐丰富了灌溉水文学的研究内容,灌溉水文学研究的重要性日渐突出。本文在分析灌区水文现象、水分循环及灌溉对灌区水分循环影响的基础上,阐述了不同学者对灌溉水文学概念的理解,在总结国内外灌溉水文学及相关领域研究进展的基础上,提出了灌溉水文的研究重点及其发展趋势。并提出,灌区水文观测和灌区信息的准确获取是灌溉水文学的研究基础,针对灌区特点而开发的数值模拟和灌区分布式水文模型是主要研究手段,尺度效应和尺度转换是研究的难点。