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2011年  第22卷  第3期

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泥沙颗粒生长生物膜后起动的实验研究——Ⅰ.起动实验设计及结果分析
尚倩倩, 方红卫, 府仁寿, 何国建
2011, 22(3): 295-300.
摘要:
天然水体中泥沙颗粒表面容易生长生物膜,生物膜的生长会对泥沙颗粒的运动特性产生显著影响。设计了泥沙颗粒表面生长生物膜的实验,以及生长生物膜后泥沙颗粒的起动水槽实验。在水槽观测段分别放置由去离子水浸泡和天然水培养的两种泥沙,对比观察两种泥沙起动过程的区别,分析起动流速的差异和随培养时间的变化规律。结果表明,天然富营养水体中生物膜生长繁茂,对泥沙起动特性有着显著的影响,能够增强泥沙颗粒的抗冲性,并随时间呈现出先逐步增强到一个最优值后有所削弱的钟形曲线的变化趋势,表明在研究天然河流和湖泊尤其是污染严重的水域的泥沙起动时,需要考虑到生物膜的作用。
泥沙颗粒生长生物膜后起动的实验研究——Ⅱ.起动流速计算
方红卫, 尚倩倩, 府仁寿, 何国建
2011, 22(3): 301-306.
摘要:
泥沙颗粒生长生物膜后,起动流速发生了较大变化。根据生长生物膜后的泥沙起动流速实验数据,考虑天然水体中,生物膜填充于颗粒与颗粒之间形成除水以外新的介质,将生物膜的作用模化为生物膜作用产生的粘连力,再考虑生物膜随时间变化的特性以及基底物理特性的影响等因素,结合泥沙颗粒之间由于薄膜水产生的黏结力、重力等,研究了颗粒在滑动和滚动两种条件下的起动公式。研究表明,滚动和滑动两种条件公式的计算结果基本一致,与实验数据符合良好,能够用来计算不同粒径大小的泥沙颗粒在生物膜生长后的起动流速。
中国不同气候区河川径流对气候变化的敏感性
王国庆, 张建云, 刘九夫, 金君良, 刘翠善
2011, 22(3): 307-314.
摘要:
利用一个简单的月水量平衡模型,模拟了位于中国不同气候区的21个典型流域的径流量过程,采用假定的气候情景,分析了河川径流量对不同气候变化的敏感性。结果表明,所采用的月水量平衡模型能够较好地模拟不同气候区的月流量过程,21个典型流域的Nash-Sutcliffe模型效率系数大多超过65%,水量平衡误差也均控制在1%以内。黄河以北干旱半干旱地区的典型流域径流量对气温和降水变化的响应敏感,其次为华中、华南半湿润区和湿润区,西部高寒山区径流对气候变化的响应最弱。因此,中国适应气候变化的重点应集中在干旱半干旱地区。
天山山区降水量的空间分布及其估算方法
赵传成, 丁永建, 叶柏生, 赵求东
2011, 22(3): 315-322.
摘要:
利用天山山区及周边31个国家基本站1998~2008年期间的逐月降水资料结合TRMM卫星月平均降水资料,使用卫星结合雨量计的降水估算方法,得到天山山区逐月降水空间分布,并运用交叉检验方法对降水估算精度评估,Nash-Sutcliffe效率系数在0.5以上,相关系数高达0.9以上。结果表明,TRMM卫星对西北山区的降水活动有一定的探测能力,能够较好的反映天山山区降水时空变化特征,为山区降水数据稀缺条件下的降水空间分布估算提供方法,为相关的水文、气象等研究提供数据支持。
长江上游干支流洪水遭遇分析
陈璐, 郭生练, 张洪刚, 闫宝伟, 刘心愿
2011, 22(3): 323-330.
摘要:
目前洪水遭遇研究仅限于简单的实测资料统计分析,尚缺系统有效的理论方法。基于多维Copula函数分别建立金沙江屏山站、岷江高场站、嘉陵江北碚站以及长江宜昌站的洪水发生时间和量级的联合分布。以此方法估计干支流洪水发生时间和量级的遭遇可能性及条件概率,并与实测资料的统计结果进行比较。结果表明,模型计算结果与实测相吻合,说明该方法不仅具有理论基础、而且结果合理可信,为洪水遭遇分析计算提供了一条新的途径。
流域水资源供需系统演化特征识别
刘丙军, 陈晓宏, 雷洪成, 陈文静
2011, 22(3): 331-336.
摘要:
水资源的有限性和稀缺性必然导致水资源供需系统中资源、社会经济和生态环境目标相互制约、相互冲突。在系统识别水资源供需系统协同特征基础上,根据协同学支配原理,分别在水资源供需系统资源、社会经济和生态环境子系统中设置了序参量,并运用有序度、协调度等概念,构建了一种基于协同学原理的流域水资源供需系统演化特征识别模型,并将此模型运用于东江流域,揭示了该流域不同发展时期水资源供需系统的协同异化特征演化规律。结果表明,剧烈人类活动影响下,2000年左右东江流域水资源供、需关系发生明显转变,水资源供需系统逐渐向无序、混乱状态演进。
平原河网地区汇水区的划分方法——以上海市为例
左俊杰, 蔡永立
2011, 22(3): 337-343.
摘要:
借助DEM提取汇水区是分布式水文模型计算和面源污染计算的前提条件。在平坦地区直接使用DEM提取出的水系、汇水区边界与现实情况差异很大。针对现有汇水区提取方法存在的问题,在RIDEM模型的基础上提出了一种平原河网地区汇水区划分的方法,该方法通过将道路、建筑物、水系、沟渠、坑塘等影响径流途径的地物要素融合进DEM,达到细化DEM的目的,从而使由细化的DEM生成的河网与实际河网能够精确拟合,优于原始DEM和RIDEM的提取效果,提高了水系提取和汇水区划分的精度,建筑物对径流的阻碍作用也能够得到体现。实证研究表明,该方法是一种方便、快捷、高效的处理方法。
河西内陆河流域冰川融水近期变化
高鑫, 张世强, 叶柏生, 高红凯
2011, 22(3): 344-350.
摘要:
基于第一次中国冰川编目数据库,以国家气象台站的月降水与月气温资料为驱动数据,利用度日模型重建了河西内陆河流域各水系1961~2006年冰川物质平衡和融水径流序列,并与短期观测资料的对比验证表明,模型具有较高的可信度。河西内陆河流域1961~2006年平均冰川物质平衡为-49.5 mm/a,从东段石羊河流域到西段疏勒河、党河流域,物质平衡由强烈的负平衡向微弱的负平衡状态过渡。整个河西内陆河流域1961~2006年平均冰川融水径流量为10.2亿m3,冰川融水补给比重为14.1%。各流域冰川融水补给比重差异较大,西段的疏勒河、党河融水补给比重超过30%;北大河流域为22.9%;黑河流域各支流的融水补给比重在5%~15%之间;东段的石羊河流域融水补给率不到10%。46年冰川融水径流与其补给率均呈显著的增加趋势。
辽河口芦苇湿地蒸散试验研究
张颖, 郑西来, 伍成成, 张淑慧
2011, 22(3): 351-358.
摘要:
在研究区用带有地下水补给的芦苇培养箱测量蒸散量,同时,采用PM-5型稳态气孔计测量了不同水深条件下芦苇的蒸腾速率,并与同一实验条件下的水面蒸发和裸地蒸发进行对照,分析了辽河口芦苇湿地区的蒸散耗水规律。研究结果表明:当控制水位在地表以上10 cm时,芦苇蒸腾速率曲线呈"单峰"型,而且芦苇的蒸腾作用在这种地表积水情况下随着栽培时间的延长受到抑制;当控制水位在-5 cm、-20 cm、-40 cm和-60 cm时,芦苇蒸腾速率变化曲线呈"双峰"型,并且出现明显的"午休"现象。芦苇群落的蒸散发比值有一个极小值埋深,在-20~-40 cm。地表积水时芦苇群落的蒸散量是自由水面蒸发量的2倍左右,水位在地表以下时芦苇群落蒸散量是裸地蒸发量的3.0~3.5倍。芦苇蒸散影响量与日均光合有效辐射、日均大气温度和日均相对湿度有很好的相关性。在以后的研究中,当无实测芦苇蒸散量数据时,可以通过建立芦苇蒸散影响量与气象因素的相关关系式,根据裸地蒸发量得到芦苇的蒸散量值。
疏勒河中下游胡杨林土壤水盐空间变化与影响
刘普幸, 姚晓军, 张克新, 霍华丽
2011, 22(3): 359-366.
摘要:
基于河西走廊疏勒河中下游绿洲天然胡杨林下8个采样点720个土壤样品和6.8524 hm2的7个样方,应用统计学及相邻格子法等研究了胡杨林土壤水盐的空间变化特征及其影响。结果表明:研究区土壤含水量随深度而增加,土壤全盐量变化与之相反,两者在80 cm土层之上变化剧烈,之下变化平缓;土壤水盐含量变异差异明显,均属于中强度变异。各层土壤水盐含量存在着自中游向下游水分减少、盐分增加、表层聚盐加重的显著空间分布规律。研究区胡杨林生长受到土壤水盐胁迫,种群结构残缺;下游胡杨林分偏老,稀疏矮小,已明显衰退。长此下去,下游胡杨林将因快速衰退演替而全部死亡。
山区下切河流地貌演变机理及其与河床结构的关系
刘怀湘, 王兆印, 陆永军, 余国安
2011, 22(3): 367-372.
摘要:
为研究河床结构在下切性河流地貌演变过程中所起到的作用与影响机制,对中国典型下切性河流区域的地貌特征与河床结构发育进行了调查与统计分析。结果表明,当河流剧烈下切使得河谷边坡超过临界坡度后,易于失稳而发生大规模的崩塌滑坡现象,河流演变从而进入下切拓宽阶段。大量边坡物质进入河道,促进了河床结构的发育,能够维持较高的河道纵坡降,形成裂点。河床结构是河流系统自我调节作用的体现,形成了"侵蚀下切-崩塌滑坡-河床结构发育-抑制侵蚀下切-平衡"这一负反馈机制。在这一机制的作用下,如果外在条件(如地壳抬升)不变,河流系统的演变方向将趋于平衡。
溃坝水流数值计算的非结构有限体积模型
宋利祥, 周建中, 王光谦, 王玉春, 廖力, 谢田
2011, 22(3): 373-381.
摘要:
针对溃坝洪水数值计算面临不规则边界和复杂地形等问题,建立了三角形网格下求解二维浅水方程的高精度Godunov型有限体积模型。空间上,引入变量重构和限制器技术,采用HLLC近似Riemann算子计算数值通量;时间上,采用Hancock预测-校正法。将底高程定义于单元顶点,结合单元水位~体积关系,提高了干湿界面处理能力。采用单元中心型底坡项近似,并通过构造通量修正项,保证了格式的和谐性。分析并采用改进的半隐式格式解决了摩阻项可能引起的刚性问题。算例研究结果表明,模型稳定,和谐性好,具有较好的推广应用价值。
潜堤对破碎区至冲泻区水动力特性影响数值分析
陈杰, 蒋昌波, 刘虎英, 刘胜宇
2011, 22(3): 382-390.
摘要:
破碎区至冲泻区水动力特性分析是研究近岸地区泥沙输运机理和岸滩演变的关键。考虑潜堤修建的影响,对破碎区至冲泻区水动力特性开展研究。运用基于RANS方程的波浪数学模型,选取非线性涡粘性κ-ε紊动传输模型,采用高精度PLIC-VOF方法追踪自由面,并用实验数据验证模型精度。计算分析结果表明,潜堤的修建改变了破波点的位置,破碎区至冲泻区内水动力特性随之变化,入射波波高H、波长L、堤顶水深R和堤顶宽度B是主要影响因素。在相同的入射波条件下,B/R增大,破碎区至冲泻区内出现的最大紊动动能值和最大紊动耗散值减小。用量纲一参数Re,FrSt来描述破碎区至冲泻区水动力特性,随着RL/BH增大,波浪将在离岸较近处发生破碎,ReFr增大,St减小。
近岸波生流运动三维数值模拟及验证
解鸣晓, 张玮
2011, 22(3): 391-399.
摘要:
开发建立了近岸波生流运动三维数值计算模式。模式中,引入了三维时均剩余动量、破波表面水滚、波浪水平与垂向紊动作为主要驱动力,同时考虑了波流共同作用的底部剪切力。推导了可综合反映底坡、能量传递率和密度影响的水滚能量传输方程;将Larson-Kraus的二维波浪水平紊动系数表达式拓展至三维。采用大量实测数据和文献资料测试验证了所建模式,表明所建模式可有效模拟波浪增减水、底部离岸流、沿岸流、裂流、堤后环流等不同维度的波生流现象。此外,研究也表明破波水滚效应可解释波生流峰值向岸推移的物理现象,从而在模拟中不能忽略;破波带内沿岸流速垂向较为均匀的现象与波浪附加垂向紊动有关。
涌潮河口底摩擦系数伴随资料同化研究
陈耀登, 闵锦忠, 高玉芳
2011, 22(3): 400-406.
摘要:
为更合理选取涌潮河口的底摩擦系数,基于无结构三角网格和有限体积法,建立了适用于反演潮汐涌潮河口底摩擦系数随空间和涨、落潮变化的伴随资料同化模型。一系列"孪生"实验均较精确地反演出了给定底摩擦系数。孪生实验表明底摩擦系数的空间分布会影响反演的精度,也表明充足的观测数据资料能够提高反演的准确性。利用实测数据进行了钱塘江河口伴随同化实验,得到涨、落潮底摩擦系数分别为0.000149和0.001520(相当于曼宁系数为0.012206和0.038987),利用该值模拟出了潮波变形和涌潮形成等现象,验证了前人在钱塘江河口数值模拟时关于底摩擦系数选取经验的合理性,反映了钱塘江河口底摩擦"涨小落大"的实质。
城市化地面二维浅水模拟
周浩澜, 陈洋波
2011, 22(3): 407-412.
摘要:
城市地区存在密集的建筑,采用传统二维数值模拟方法模拟城市洪水,需要提取城市复杂的建筑物作为计算边界和加密计算网格,难以应用于大尺度城市洪水模拟。为此,引入容积率系数修改原始二维浅水方程,以反映建筑物对城市洪水演进的影响,并采用人工逆风通量向量分裂有限体积法构建数值计算模型,求解修改后的二维浅水方程。为了检验模型,采用两个算例进行验证,并对计算结果对比分析。研究表明,该模型不需要进行建筑边界提取和精细计算网格,精度上,完全能够满足大尺度城市洪水模拟精度要求。
Falls Lake水库内溶解物输运模拟
李杰, 林晶, 吴增茂
2011, 22(3): 413-420.
摘要:
溶解物在水库内的输运过程受人为因素影响较大。为研究水库内物质输运的过程和机制,以美国北卡罗来纳州的Falls Lake水库为研究对象,运用EFDC三维数值模型对物质在水库内的输运过程进行模拟研究,分析示踪物平均年龄和滞留时间的分布以及变化。结果显示:理想状态下,流量决定溶解物的输运过程;实际情况中,除流量外,水库的即时蓄水量是影响输运过程的另一个重要因素;水库结构和径流分布是导致示踪物在各区域局地滞留时间存在差异的主要因素。
龙羊峡水库水温结构演变及其对下游河道水温影响
宋策, 周孝德, 辛向文
2011, 22(3): 421-428.
摘要:
多年调节水库由于年际运行过程的差异引起水库水温结构变化,探明其规律及对下游河道水温响应具有重要意义。以黄河龙羊峡水库为研究对象,利用水库蓄水后的1988~2008年运行过程及水温观测资料,分析了水库运行方式与水温结构变化关系,探讨了水库不同运用过程对下游河道水温的影响。研究结果表明:龙羊峡水库水温结构演变及其对下游河道水温影响程度与水库运用过程密切相关。12~3月,水温结构为弱分层或等温分布,较高水位的蓄热增温效应明显,下游河道水温与水库水位变化具有同相位关系;5~10月,水温结构为分层分布,水位是决定分层形态变化最主要因素,下游河道水温与水库水位变化具有反相位关系,同时,水位与河道水温在不同的出入库水量条件下,呈现不同的线性相关关系。11月和4月,水温结构近乎为等温状态,也是水温结构变化的转折点。研究成果为分析大型水库在不同运行条件下水温结构及下游河道水温提供一定的参考依据。
全球气候变化对湿地生态水文的影响研究综述
董李勤, 章光新
2011, 22(3): 429-436.
摘要:
近百年来全球气候呈现以变暖为主要特征的显著变化,并且未来气温将继续上升,降水模式也会发生改变。从气候变化对湿地水文水资源的影响、气候变化影响下湿地水文与生态的相互作用过程以及湿地生态水文模型等3个方面,对国内外相关研究动态和发展趋势进行了总结分析。从中发现,当前全球气候背景下的湿地生态水文学正在从单一湿地生态水文过程为主要对象,发展成为以研究气候-水文-生态三者相互作用机制为主要内容的综合性、交叉性学科。现关于气候变化影响下水文-生态之间的关系多集中于单向作用的研究,特别是水文过程对植被的影响研究较多,缺乏对气候变化影响下湿地水文过程与生态过程相互作用机理的全面认识。气候变化对湿地生态水文的影响机制研究已经成为水文学研究亟待解决的科学问题,而基于物理机制的湿地生态水文模型,逐渐成为预测未来气候变化下湿地生态水文响应的重要工具。
地下水系统风险分析研究进展
杜朝阳, 钟华平
2011, 22(3): 437-444.
摘要:
在总结地下水风险研究的基础上,提出了地下水系统风险定义,归纳了地下水系统的特点,分析了地下水系统风险的影响因素,并将其影响因素概括为3类:自然现象不确定性、社会不确定性、人类认知局限性,评述了地下水系统风险分析方法,针对目前地下水系统的风险分析理论和方法研究中存在的不足,建议从拓展地下水风险分析的基本理论和研究方法、选用合适的风险分析方法、风险概率和风险损失相结合以及研究"风险分析的风险"4个方面进一步开展地下水系统风险研究。
江河之子——怀念知名水利专家陈清濂先生
刘国纬
2011, 22(3): 445-446.
摘要:
2007年夏天,陈清濂先生手术康复后不久就来南京出差,和在宁的老水文所(1956~1969年期间北京水利水电科学研究院水文研究所)的同事们欢聚一堂。席间,陈清濂说:"我的名字里有六滴水,所以这一辈子注定是‘卖’给中国江河了。万万没有想到,仅时隔一年,他就于2008年6月7日永远离开了我们。