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2010年  第21卷  第1期

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海河流域二元水循环模型开发及其应用——Ⅰ.模型开发与验证
贾仰文, 王浩, 周祖昊, 游进军, 甘治国, 仇亚琴, 陆垂裕, 罗翔宇
2010, 21(1): 1-8.
摘要:
针对高强度人类活动作用下海河流域水循环的"自然-人工"二元特性,开发了流域二元水循环模型(简称"二元模型").二元模型由分布式流域水循环模型(WEP)、水资源合理配置模型(ROWAS)和多目标决策分析模型(DAMOS)3个模型耦合而成.针对各模型的优势与不足,提出了两层耦合的技术路线,以实现统筹考虑水资源、宏观经济与生态环境的流域水资源综合管理分析的功能.WEP、ROWAS和DAMOS分别采用11752个、125个和8个计算单元对海河流域进行划分,在获取各类输入参数后,应用二元模型对海河流域进行了分析计算与模型验证.结果表明,所建立的二元模型对径流过程、入海水量以及地下水流场等均具有合理的模拟精度,模型得到验证,可望用作海河流域水资源规划与管理的情景分析工具.
海河流域二元水循环模型开发及其应用——Ⅱ.水资源管理战略研究应用
贾仰文, 王浩, 甘泓, 游进军, 仇亚琴, 甘治国, 周祖昊, 杨贵羽
2010, 21(1): 9-15.
摘要:
综合考虑水文气象、南水北调工程、地下水超采控制、入海水量控制目标等因素,以及现状(2005年)、2010年和2020年3个水平年,设置了9个情景方案,应用海河流域二元水循环模型(简称"二元模型")进行了水资源管理战略情景模拟分析.采用GDP、粮食产量、ET(蒸散发量)、入海水量、总用水量、减少地下水超采量等评价指标对9个情景方案的模拟结果进行了评价,给出了各规划水平年的推荐方案.在此基础上,对今后海河流域水资源管理战略问题如ET控制、地下水超采量控制和入渤海水量控制等进行了讨论.研究表明,未来虽然有南水北调工程对本流域的补水,但需要严格控制流域用水量和耗水量,才能做到逐步减少地下水超采量、增加入渤海水量,实现国民经济与生态环境的和谐发展.
黄土丘陵区降水-土壤水-地下水转化实验研究
徐学选, 张北赢, 田均良
2010, 21(1): 16-22.
摘要:
通过对黄土丘陵区燕沟流域2005~2007年雨季的多次降水、0~400 cm土层土壤水、沟道地表水、地下水(泉水、井水)水样中D和18O采样分析,研究了该区降水、土壤水、地表水、地下水的转化关系.结果认为:燕沟流域的降水线与中国、世界的降水线有明显区别,斜率和截距偏小;降水、地表水、土壤水、地下水逐渐富集δD和δ18O,且δ18O富集速度高于δD,由D和18O的蒸发分馏差异所致,可利用各类水体的δD和δ18O变化情况甄别水体之间的水量转化;土壤水δD和δ18O剖面在200 cm深度处出现低值区,应是降水补给到达该深度且土壤蒸发影响逐渐衰减共同作用的结果,其在200 cm以下逐渐升高则因为降水补给影响逐渐降低、土壤水本底同位素影响增强所致.由于380~400 cm深层土壤水的δD和δ18O对降水事件的响应存在,因此认为降水-地下水的转化存在,降水补给泉水的滞后期小于35 d.而对井水的补给滞后时间以及土壤水对地下水的补给量还需进一步研究.
前期土壤含水量对红壤坡面产流产沙特性的影响
张向炎, 史学正, 于东升, 王洪杰, 刘振波, 张文太
2010, 21(1): 23-29.
摘要:
利用田间人工模拟降雨试验,研究了前期土壤含水量对两种红壤坡面降雨入渗、产流和产沙特性的影响.结果表明:前期含水量越高,两种土壤都是产流越快,达到稳定径流和入渗的时间越短.低含水量区(干态和稍干),两种土壤的径流系数和入渗率都与降雨时间呈线性关系,并在60 min内达不到稳定.高含水量区(稍湿和湿态),两种土壤的径流系数、入渗率及产沙速率与降雨时间关系都符合Boltzmann(玻耳兹曼)方程;第四纪红粘土发育的红壤稍干态和红砂岩发育的红壤干态下的产沙速率在整个降雨过程中变化不明显,并都维持在较低水平;第四纪红粘土发育的红壤干态和红砂岩发育的红壤稍干态下的产沙速率随着模拟降雨的进行而大致以线性关系增大.土壤前期含水量越高,两种土壤坡地累tk积入渗量都越小,雨水转化为土壤水分的比率亦越小.
黑河高山草甸冻土带水热传输过程
阳勇, 陈仁升, 吉喜斌, 卿文武, 刘俊峰, 韩春坛
2010, 21(1): 30-35.
摘要:
以黑河源区高山草甸冻土带的基本气象参数、植被参数和土壤水热性质参数为输入条件,利用CoupModel模型计算了试验点两个完整年度日尺度上的各种基本水热状况,计算结果较符合实测值(7层地温和土壤液态含水量平均R2分别为0.95和0.83).利用模型输出的土壤热通量和土壤水迁移分析了试验点季节性冻土区的水热传输过程:在土壤层开始冻结期,下层土壤液态水向冻结锋面集结,集结期向上的地热通量急剧增加;在冻结期,土壤热传导主要与上下层的土壤温度有关,土壤水迁移基本处于零通量状态;在融化期,在融化锋面未出现液态水分集结现象,融化层土壤水热传输过程迅速改变并与非冻结土壤一致,向下的地热通量急剧增加.
基于相似性的多沙水库坝址含沙量预测
万新宇, 包为民, 王光谦
2010, 21(1): 36-42.
摘要:
坝址含沙量过程是合理进行水库水沙调度的重要依据.在浑水总流模型的基础上,提出了基于洪水相似性的多沙水库坝址含沙量预测方法.通过聚类分析将洪水案例分组,并分别率定模型参数;根据洪水相似性动态选择未知洪水模型参数;进行模型计算.结果表明,分组率定参数一定程度上能够提高坝址含沙量预测精度,尤其是沙峰出现时刻.这对指导水库水沙调度具有实际意义,有助于决策者制定合理的排沙时机,提高排沙效率.
三峡工程运用初期石首河弯河势演变三维数值模拟
假冬冬, 邵学军, 王虹, 肖毅, 周刚
2010, 21(1): 43-49.
摘要:
采用考虑河岸坍塌的三维水沙数值模型,对三峡工程运用初期石首河弯的河势演变进行了模拟分析.数值模型中采用基于非正交网格的局部网格可动技术,将传统水沙模型与二元结构河岸坍塌力学模型相结合.利用三峡水库蓄水前后2002~2004年石首河段冲淤演变资料对模型进行了验证,模拟结果与实测结果吻合较好;模型不仅能模拟出河道的垂向冲淤过程,而且还可模拟出由河岸坍塌所引起的河道横向摆动过程.计算分析了三峡工程运行至2016年末河段的河势演变情况,结果可为河段的河道整治提供参考.
变水头入渗试验推求垂向渗透系数的计算方法
程勤波, 陈喜, 凌敏华, 魏玲娜
2010, 21(1): 50-55.
摘要:
在Philip与Nestingen土壤水运动计算方法基础上,推导出描述单环变水头入渗试验中水深变化过程的计算公式,提出了确定土壤垂向渗透系数的MP方法.利用土壤非饱和数值模拟及室内土槽入渗试验得到的单环水位变化过程,验证了MP方法推求土壤垂向渗透系数的可靠性.结果表明:MP方法推求的土壤垂向渗透系数比目前采用的Philip方法、Nestingen方法及Green-Ampt方法精度更高,具有广泛的应用前景.
古尔班通古特沙漠植物雾凇凝结特征
周宏飞, 周宝佳, 代琼
2010, 21(1): 56-62.
摘要:
古尔班通古特沙漠冬季稳定积雪期长,多雾凇天气.通过2007年11月~2008年3月在沙漠南缘的定位实验观测,发现植物雾凇凝结水总量平均为5.8 mm,占冬季降水量的21.8%,其中,沙漠区垄间和垄上植物雾凇凝结水总量分别是3.8 mm和9.1 mm,各占冬季降水量的14.4%和34.3%;植物雾凇凝结水量是雪面凝结水量的5倍;荒漠植物的雾凇凝结水可以增加古尔班通古特沙漠冬季植被分布区域水资源量.雾凇形成的最大风速一般小于3m/s;-15℃~-20℃是雾凇形成次数最多的气温区间,占全部雾凇日数的24.3%,气温低于-30℃时雾凇凝结量显著减少;观测期雾凇形成时大气最大相对湿度小于80%的日数占冬季雾凇日数的41%.低温、高湿、低风速的气象条件,加之梭梭枝条的细直径和针状叶特征,是古尔班通古特沙漠冬季具有丰富植物雾凇凝结水的重要原因.
基于天气预报的参考作物腾发量LS-SVM预测模型
张展羽, 王声锋, 段爱旺, 王斌
2010, 21(1): 63-68.
摘要:
利用最小二乘支持向量机(LS-SVM)方法,建立了基于天气预报的参考作物腾发量(ET0)的预测模型.对广利灌区1997~2006年逐日气象信息中的天气类型和风速等级进行量化后,以不同天气预报信息作为输入量,建立10种验证方案,对2007年的逐日ET0进行预测.经验证,方案1~方案7精度均令人满意,其中方案1精度最高.方案1的输入量为气温、天气类型、风速等级3项的预测值,该方案的模型预测值与计算值的统计参数分别为:均方根偏差ERMS为0.5182 mm,相对偏差ER为0.1878,决定系数R2为0.864 8,认同系数IA为0.966 9,回归系数RC为0.9867;方案7精度亦较好,且以上指标统计参数依次为0.6576 mm、0.2332、0.986 6、0.774 7及0.986 6,该方案输入量只有气温项,实用性很强.
珠江网河水沙分配变化及其对伶仃洋水沙场的影响
胡德礼, 杨清书, 吴超羽, 包芸, 任杰
2010, 21(1): 69-76.
摘要:
采用二维ECOMSED模型对径流来水来沙变化前后的1978年和1999年伶仃洋洪水期水动力场和悬沙场进行模拟,结果表明:伶仃洋水动力场整体增强,但不同地貌单元水动力变化具有明显差异.分流比变化后洪水期伶仃洋西槽、东槽和中滩水动力增强,涨潮和落潮流速普遍增大0.1m/s;西部各口门区和西滩涨潮流势减弱,径流优势更加明显,但西滩三个口门水道及滩面潮沟落潮流速增大约0.1 m/s;东滩水动力特征变化不大.悬沙浓度亦整体升高,平均增加了0.02~0.05 kg/m3,悬沙高值区范围扩大,0.10 kg/m3等值线由西槽西侧明显向东推进到沿东槽南北向分布,径流来沙的影响范围东扩.
珠江三角洲年际潮差长期变化趋势
张蔚, 严以新, 郑金海, 吴宏旭
2010, 21(1): 77-83.
摘要:
对20世纪50年代以来珠江三角洲网河内17个主要控制水文站的年际潮差变化趋势进行了显著性检验和突变点分析.通过Trend Free Pre-Whitening方法削除了水文时间序列中的自相关成分,利用非参数的Mann-Kendall检验研究了珠江三角洲年均潮差的变化趋势,指出潮差在珠江三角洲的变化趋势存在着空间变异性.在网河内的中、上游河段,潮差呈现明显的增大趋势,且越往上游,潮差的增大趋势越为显著;而在下游的口门区,由于受到围垦等人类活动影响,大部分站点的潮差表现为显著的下降趋势.Pettitt检验的结果表明,珠江三角洲潮差发生突变的时间段主要在20世纪80年代,这基本与河网内大规模的无序采沙开始的时间是同步的,表明挖沙是引起珠江三角洲内潮差变异的主导因素.潮差显著增大的趋势表明航道网内潮流动力明显增强,这亦是近年来珠江三角洲咸潮频发的机理原因之一.
东江下游河段溯源侵蚀特征与机理
任杰, 曾学智, 贾良文
2010, 21(1): 84-88.
摘要:
1980年以来,东江下游及三角洲发生了高强度的采沙活动,由此导致水文条件发生显著变异,河床形态出现溯源变形,根据不同历史时期的地形与水文资料的对比分析,东江下游段溯源变形特征主要表现为:①大规模采沙直接引起同流量条件下水位大幅下降,尤以枯水期表现最为显著,博罗站水位~流量关系曲线表现为逐年右偏;②采沙引起河床高程大规模降低,即为一级溯源变形,其显著的特征是水面比降大,由此引起河床发生强烈冲刷,遂派生出河床演变的二级溯源变形,二级溯源变形的长期发展将使河床变形趋于平缓;③采沙河段必然发生河床断面形态及尺度的物理变形,按其发生的时间过程分为各具特色的3段:变形完成段(东江网河区)、变形进行段(石龙到博罗段)及变形影响段(博罗以上河段).
近底层潮流速分布模式比较
倪志辉, 宋志尧
2010, 21(1): 89-94.
摘要:
考虑到潮流运动的非恒定性和非线性特征,基于潮流雷诺应力分布式,应用Prandtl混合长度和von Karman自相似理论,并结合潮流运动方程,推导了近底层潮流速垂向分布的双对数模式.然后,将该分布模式应用于英国大陆南部西Solent水道和江苏岸外西洋海域流速的实测资料,并与对数线性分布的计算成果相比较,获得了比较满意的结果.最后,对几种分布模式进行了讨论和比较,结果表明:在近岸水域采用对数或对数线性流速分布模式计算摩阻流速和粗糙高度往往会带来较大的偏差,双对数模式能使计算的结果更为合理.
各向异性密度流模型及其验证
陆俊卿, 张小峰, 崔占峰
2010, 21(1): 95-100.
摘要:
针对密度流流动各向异性的特性,采用非线性k-ε模式求取雷诺应力,结合RNG模型及浮力修正建立了三维密度流模型.应用该三维模型计算了水库温差异重流,分析了温差异重流演进过程,并就流速分布与水温下泄过程与实测资料进行了比较.结果表明,所建模型由于引入非线性RNG模式,能有效反映密度流的各向异性特性,较好地模拟了流场和温度场强烈耦合的水库温差异重流,能准确预测温度分层过程与异重流潜行时间,具有较高精度.
《水科学进展》编辑委员会两位委员新当选院士
贺瑞敏
2010, 21(1): 100-100.
摘要:
中国工程院和中国科学院2009年院士增选结果在京揭晓,《水科学进展》编委会委员、主编张建云教授当选中国工程院院士,编委会委员王光谦教授当选中国科学院院士.至此,《水科学进展》第二届编辑委员会49位委员中已有18位两院院士.张建云教授长期从事水文、防汛抗旱、气候变化影响、水利水电信息化等科研工作.曾长期从事和负责全国水文情报预报工作,研究并主持开发了“全国洪水预报系统”、“国家防汛会商系统”、“防汛抗旱水文气象综合信息系统”等一系列业务系统,为国家防洪抗旱调度决策和指挥提供科学依据和技术支撑.
突变模型势函数的一般表示式及用于富营养化评价
李祚泳, 郭淳, 汪嘉杨, 李燕
2010, 21(1): 101-106.
摘要:
通常的初等突变评价模型仅给出控制变量维数n≤4的突变模型的势函数及相应的归一化公式,对高维(n≥5)的复杂系统需将其分解为若干维数小于4的多层子系统后再递归进行,且一般只给出各评价结果的相对排序.通过对初等突变模型势函数形式和相应的归一化公式的观察、比较和分析归纳,推演出包括任意维的突变模型的势函数形式及其相应的归一化公式.将推导出的突变评价归一化公式和分层递阶降维突变评价模型相结合,实现对指标众多的复杂系统的评价和分类.将突变评价公式应用于北京市21个湖泊的富营养化评价,并与多种评价方法进行了比较.结果表明,除1个湖泊的评价结果有相邻一级之差外,其余20个湖泊的评价结果完全一致,表明推演出的高维突变势函数形式和归一化公式是合理的.将其用于湖泊富营养化评价具有简单、实用的特点.
长江悬浮颗粒物中磷的赋存形态
魏俊峰, 陈洪涛, 刘鹏霞, 李荣华, 于志刚
2010, 21(1): 107-112.
摘要:
2006年9~10月在长江采集悬浮颗粒物样品,应用改进后的SEDEX法对磷的赋存形态进行了分析.结果表明,自生磷灰石磷是长江悬浮颗粒物中磷的主要赋存形态.涪陵至万州江段,碎屑磷灰石磷的含量较高,弱吸附态磷和有机磷含量较低,磷的赋存形态主要受悬浮颗粒物含量的影响;香溪至葛洲坝下江段,弱吸附态磷和有机磷含量较高,碎屑磷灰石磷含量较低,磷的赋存形态主要受浮游植物生长及泥沙粒径的影响;城陵矶至大通江段,有机磷、碎屑磷灰石磷和铁结合态磷含量较高,弱吸附态磷含量较低,磷的赋存形态主要受泥沙粒径和洞庭湖输入的影响.长江悬浮颗粒物中生物可利用磷占颗粒态磷的45.6%,长江上游水体中生物可利用磷含量较低,下游含量较高.
三峡小江回水区真光层深度及其影响因素分析
方芳, 周红, 李哲, 龙曼, 郭劲松, 盛金萍
2010, 21(1): 113-119.
摘要:
为探讨三峡水库运行初期小江回水区水体的光学特性,2007年5月~2008年5月对回水区5个断面水下光合有效辐射(PAR)与常规水质指标进行监测,分析了真光层深度的时空特征及其影响因素.研究区域真光层深度空间差异不明显,但季节变化显著,冬季最高,夏季最低.回归分析表明光合有效辐射(PAR)衰减系数与透明度、总悬浮物浓度有显著的相关性(R2=0.861 9,R2=0.764),与叶绿素a相关性不明显(R2=0.011 3).进一步研究分析表明真光层深度、总悬浮物浓度、叶绿素a主要受小江河口流量、小江回水区水位的影响,复杂的水动力条件与独特的水文条件是影响三峡水库小江回水区真光层深度变化的主要因素.
城市重污染河道环境因子对底质氮释放影响
邢雅囡, 阮晓红, 赵振华
2010, 21(1): 120-126.
摘要:
以苏州市古城区劣Ⅴ类水体为研究对象,利用模拟试验方法,研究和探讨了水体环境条件(DO、Eh、pH值、温度)变化和疏浚深度对河道底泥氮释放的影响.底泥供试样中NH4+-N与NO3--N含量一般为0.277 g/kg与0.0012g/kg,上覆水体NH4+-N与NO3--N含量一般为6.743 mg/L与1.500 mg/L.试验结果表明:厌氧环境(DO<0.5 mg/L)、强还原环境(Eh<-108 mV)、酸性环境(pH<6.0)及温度升高均有利于底泥中NH4+-N的释放,NO3--N的迁移转化规律则相反;供试样控制疏浚深度5 cm、10 cm、15 cm、20 cm,当疏浚深度15 cm时,泥-水界面向上覆水体中扩散的氮通量最小;疏浚深度、DO和Eh对底泥NH4+-N释放程度的影响大于pH和温度,通过曝气等方式保持水体中适当的溶解氧或使底泥保持较强的氧化电位环境可以有效抑制底泥中NH4+-N的释放.
区域地下水演化的地球化学研究进展
滕彦国, 左锐, 王金生, 林学钰
2010, 21(1): 127-136.
摘要:
由于区域地质特征、水文地质条件、气候影响和人类活动的差异性,导致区域地下水演化的地球化学过程复杂、影响因素众多.在总结近年来国内外区域地下水化学演化研究大量成果的基础上,综述了地下水演化的地球化学系统分析方法,地下水演化研究的水文地球化学方法、同位素地球化学和元素地球化学方法和技术以及地下水演化的地球化学模拟方法和技术及常用软件.指出在今后的一段时期内,区域地下水自然演化与人类活动的复合作用、地下水与地表水的相互作用、微生物-水-岩相互作用将是区域地下水地球化学研究的热点领域,其中物理、化学、生物的耦合作用将是区域地下水演化的地球化学研究的重点领域.
城市雨洪模拟技术研究进展
胡伟贤, 何文华, 黄国如, 冯杰
2010, 21(1): 137-144.
摘要:
从对水文过程描述的角度对城市雨洪模拟技术进行了回顾,认为管网汇流阶段算法较为成熟,而产流和坡面汇流阶段还有待深入研究.从模型构建思想的角度回顾其发展历程,阐明了经验性模型和分布式概念性模型的局限性以及分布式物理模型的良好发展前景.通过总结国内外几个具代表性城市雨洪模型的特点,从特定模型的角度进一步分析城市雨洪模型的现状,并指出中国与国外模型研究的差距.对与城市雨洪模拟精度密切相关的基础数据收集与管理技术进行了讨论,并提出了城市雨洪模拟技术的发展方向.