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2012年  第23卷  第4期

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概念性流域水文模型参数多目标优化率定
郭俊, 周建中, 周超, 王光谦, 张勇传
2012, 23(4): 447-456. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2158.005
摘要:
针对传统基于单一目标的水文模型参数优化率定方法不能充分挖掘水文系统不同动态行为特征的缺陷,提出一种多目标文化混合复形差分进化算法(Multi-objective Culture Shuffled Complex Differential Evolution,MOCSCDE)用于求解水文模型参数多目标优化问题。MOCSCDE算法将混合复形进化算法(Shuffled Complex Evolution,SCE-UA)置于文化算法(Cultural Algorithms,CA)进化的框架中,利用种群进化过程中提取的各种知识指导算法的运行,提高算法的运行效率,同时考虑到SCE-UA中单纯形算子不能充分利用种群个体信息的不足,采用全局搜索能力强的差分进化算法(Differential Evolution,DE)替代单纯形算子,可以更加充分利用种群个体信息进行演化计算,进一步提高算法的计算效率。将MOCSCDE算法应用于概念性水文模型——新安江模型的参数多目标优化率定,并与NSGA-Ⅱ和SPEA2算法进行对比分析,结果表明MOCSCDE算法的收敛性和分布性均优于NSGA-Ⅱ和SPEA2,可为水文预报提供更为全面可靠的参数组合决策依据。
数字高程模型分辨率对流域地形特征参数的影响
林声盼, 荆长伟, MOORE Nathan, 吴嘉平
2012, 23(4): 457-463. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2158.004
摘要:
地形特征(如高程和坡度)和水文特征(如河流长度和河流坡度)是分布式流域水文水质模型的基础输入参数,用于量化描述模型模拟流域的自然特征。这些特征参数的准确性直接影响水文水质过程模拟的准确性。应用数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)在4个不同地形的子流域研究了10种不同分辨率DEM对平均高程、流域面积、坡度、河流坡度、最长河长等参数的影响。结果表明,随着DEM分辨率降低,流域地形变缓,流域平均坡度逐渐减小;随着DEM网格分辨率的变化,子流域划分范围和河道位置也都可能发生变化,且该变化在地形起伏较小的丘陵平原地区较明显,子流域集水面积和河长进一步随之改变;河流坡度随DEM分辨率降低则呈无规则变化。从地形和水文参数两方面揭示了DEM 分辨率在分布式流域模型中的不确定性影响。
藏北高原土壤湿度时空变化分析
傅新, 宋春桥, 钟新科
2012, 23(4): 464-474. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2158.002
摘要:
使用2009年DOY (Day of Year) 145~288时段与2001~2010年夏季(DOY 161~240时段)的Terra/MODIS 16 d合成的植被指数产品数据MOD13 A2和8 d合成的地表温度(Land Surface Temperature,TLS)产品数据MOD11 A2,构建TLS~IEV(Enhanced Vegetation Index,IEV)特征空间,从而得到了条件温度植被干旱指数(Temperature Vegetation Drought Index,ITVD)反映的藏北土壤湿度空间分布。对藏北高原2009年植被生长季内土壤湿度的季节性变化及2001~2010年夏季土壤湿度的年际变化特征进行分析,研究结论表明:随着植被盖度的增大,干、湿边斜率逐渐变小,植被对环境温度的变化具有缓冲效应;藏北高原土壤湿度的季节性变化明显,主要受温度、降水、植被覆盖和冻土过程等季节性变化的影响;近10年研究区内土壤湿度有轻微的旱化趋势,但不同气候区内的年际变化表现不一致;气温表现不同程度的显著升温趋势,部分站点的降水有不显著减少趋势,其它站点降水表现为年际波动,而区域统计的ITVD值年际波动与站点气温的变化大体一致。
1998~2010年全球中低纬度降水时空特征分析
常远勇, 侯西勇, 毋亭, 于良巨
2012, 23(4): 475-484. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2158.009
摘要:
基于1998~2010年热带降雨测量(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)卫星3B43资料在像元尺度进行Mann-Kendall非参数检验,计算Hurst指数,绘制降水"月历"与演化态势图谱。分析全球中低纬度降水时空特征,结果表明:全球中低纬度降水主要集中在夏季和冬初且各月降水的年际波动比较明显;全球中低纬度降水呈现由低纬向中纬递减的趋势,海洋降水明显多于陆地,海陆梯度特征显著;月尺度降水大部分地区为增加(或减少)但统计不显著的趋势,同时绝大部分地区具有显著的长程自相似性;12月份降水变化态势的空间差异明显强于其它月份,而3月份则最不明显;季节尺度98%以上的地区降水具有显著的长程自相似性,季节演化态势表现出极强的空间差异性。
基于copula函数的三峡水库预泄对鄱阳湖防洪影响分析
梁忠民, 郭彦, 胡义明, 汤春义
2012, 23(4): 485-492. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2158.008
摘要:
三峡工程的运行对鄱阳湖防洪形势存在潜在影响。以三峡-鄱阳湖系统为典型,采用基于copula理论的多维联合分布函数,建立三峡工程运行前长江-鄱阳湖-"五河"(赣江、抚河、信江、饶河、修河)系统中水文要素之间的联合概率分布及条件概率分布,并假设该条件分布关系在三峡工程运行前后保持不变;估计三峡工程运行后长江水文要素的概率分布,结合前面的条件概率分布,可以得到三峡工程运行后研究变量的概率分布;对比分析前后概率分布的变化,即可从统计角度评价三峡水库运行对鄱阳湖水文情势的影响。研究表明:三峡工程运行对鄱阳湖水位有一定影响;5、6月份三峡预泄,将增高鄱阳湖水位,其中,平均水位的增幅大于最高水位增幅,低水增幅大于高水增幅;三峡预泄影响下,湖区圩堤堤前水位没有超过原有堤防设计水位,没有降低湖区圩堤的防洪标准。
东江径流年内分配特征及影响因素贡献分解
涂新军, 陈晓宏, 张强, 李宁
2012, 23(4): 493-501. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2158.007
摘要:
基于1956~2009年实测径流、天然径流和面降水的月系列,选用集中度和不均匀系数,分析东江径流年内分配特征的时空变异规律。通过对比降水和径流年内分配特征指标的阶段变化差异,量化分解气候变化、土地利用/覆被变化、水利工程水量调节和用水消耗等主要因素对东江径流年内分配特征变化的影响贡献。结果表明:东江实测径流的集中度和不均匀系数年变化过程均有显著下降趋势,且1973年为时序变点。降水及天然径流的年内集中程度阶段变化较小,但2000~2009年降水及天然径流的年内不均匀性要明显大于20世纪80年代和90年代。降水及天然径流的年内集中度和不均匀系数由上游向下游逐渐增大,显示集水面积越大降水及径流的年内集中程度和不均匀性越大。水利工程水量调节和土地利用/覆被变化降低了径流的年内集中程度和不均匀性,而用水消耗和气候变化增加了径流的年内集中程度和不均匀性。水利工程水量调节、土地利用/覆被变化、用水消耗和气候变化,对东江径流分配特征的影响贡献率分别约为-33.5%、-9.0%、4.5%和1.0%,新丰江水库、枫树坝水库和白盆珠水库的影响贡献率分别约为-21%、-10%和-2%,且近30年来土地利用/覆被变化和用水消耗的影响贡献有逐渐增加趋势。
坡面流水力学参数对团聚体剥蚀程度的定量影响
王军光, 李朝霞, 蔡崇法, 王玉华, 张国彪, 马仁明
2012, 23(4): 502-508. doi: CNKI:32.1309.P.20120501.1617.012
摘要:
土壤团聚体作为径流搬运过程中的基本结构单元,其在径流运移中的剥蚀破坏影响着坡面径流入渗状况、泥沙含量及地表侵蚀过程的强度。利用变坡试验水槽,在不同流量(0.4~1.2 L/s)和坡度(8.8%~46.6%)范围内,详细分析了流量、坡度、径流水深和阻力系数对鄂南两种典型母质发育红壤团聚体剥蚀破坏的定量影响。研究结果表明,流量和坡度对两种母质发育红壤团聚体的剥蚀影响都是极显著的,坡度对两种红壤团聚体的剥蚀破坏影响均大于流量;不同流量和坡度组合下的团聚体剥蚀破坏变化规律不同,利用流量和坡度的幂函数可以准确地预测团聚体剥蚀程度;在两种水力学参数之间,团聚体剥蚀程度随着径流水深的增加而降低,随着阻力系数的变大剥蚀程度增加。
多个相关随机参数的空间变异性对溶质运移的影响
施小清, 吴吉春, 吴剑锋, 姜蓓蕾, 徐红霞
2012, 23(4): 509-515. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2158.001
摘要:
根据给定渗透系数、孔隙度以及吸附系数的概率分布,采用顺序高斯模拟生成相关的多参数随机场的实现,作为地下水流和溶质运移模型的输入参数,对污染物浓度进行随机分析。研究结果表明,与仅考虑渗透系数空间变异性相比,考虑相关的多参数空间变异性导致污染羽的扩散程度有显著不同。当孔隙度与渗透系数呈正相关关系时,会减少污染羽的扩散程度,反之,当孔隙度与渗透系数为负相关关系时,会加剧污染羽的扩散程度。吸附系数也是如此。在考虑吸附系数的空间变异性之后,污染羽的分布表现出拖尾现象。同时考虑渗透系数、孔隙度以及吸附系数空间变异性时,孔隙度非均质性对溶质运移的影响较吸附系数非均质性的影响更大。
超标准洪水条件下土石坝安全性应急判别分析
李云, 王晓刚, 祝龙, 宣国祥, 刘火箭
2012, 23(4): 516-522. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2251.018
摘要:
当前极端气候频发,溃坝事件时有发生,提出一种超标准洪水条件下快速判别土石坝安全性的方法对于提升中国防洪决策水平、提高抗洪抢险能力具有重要的意义。然而,由于坝体结构复杂,不确定因素众多,超标准条件下快速判断土石坝安全性具有非常大的难度。借鉴堰塞湖天然坝安全性判别的研究方法,将判别分析法应用于超标准洪水条件下土石坝的安全性快速判别分析,结果证明,该套思路是可行的。从各坝体安全性判别分析方法的预测结果来看,判别分析法和IDB指标判别方法具有较高的判别正确率,两种判别方法正确率均达到90.0%,优于其它简单指标判别方法。
基于多松弛格子玻尔兹曼的弯道水流三维数值模拟
丁全林, 王玲玲, 汪德爟, 方政
2012, 23(4): 523-528. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2251.017
摘要:
为研究弯道水流现象并且拓展格子玻尔兹曼(Lattice Boltzmann Method,LBM)在水利工程领域的应用,建立了弯道水流的三维多松弛LBM演进模型,其中包括水流自由表面模拟、弯曲固壁边界处理以及紊流模型耦合求解等关键技术。应用该模型模拟研究了不同流量下U型弯道的水流状态,得到了水位、最大水深平均流速以及紊动能等参数的分布规律。分析和实践表明,该模型能较好地模拟三维弯道水流现象。
基于随机配点法的地下水污染风险评价
史良胜, 唐云卿, 杨金忠
2012, 23(4): 529-538. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2251.016
摘要:
地下水污染事件难以被直接观测,其发生环境通常也具有多种不确定性,风险评价可以量化地下水污染事件的危害性。利用随机配点模型和多项式抽样技术,建立了高效的风险评价模型;考虑了渗透系数、孔隙率和弥散度等多种不确定性因子,探讨了复杂条件下的风险函数的分布特征。研究结果表明:基于随机配点法的风险评价模型避免了多次重复求解对流弥散方程,通过计算成本低廉的随机配点技术得到浓度随机场的拉格朗日多项式,进行多项式抽样获取浓度样本并得到风险函数;与传统的解析算法相比,该方法无需对输入参数和浓度的分布形态做出假设;与传统的蒙特卡罗(Monte Carlo)算法相比,该模型具有明显的效率优势和优越的收敛速度;输入参数的分布类型对风险分布产生显著影响。
用氢氧稳定同位素评价闽江河口区地下水输入
章斌, 郭占荣, 高爱国, 袁晓婕, 李开培, 马志勇
2012, 23(4): 539-548. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2251.019
摘要:
通过分析闽江河口区降水、地表水和地下水的氢氧稳定同位素特征,揭示降水的环境同位素效应和地下水的形成演化规律,定量评价河口区多种水体的混合过程及地下水输入量。夏季的降水氢氧同位素组成相对贫化,呈现出降雨量效应。在δ18O与δD关系图上,闽江北岸基岩裂隙水、平原及丘陵区浅层地下水均落在福州降水线上,而南岸平原及丘陵区浅层地下水大部分落在福州降水线右下方,其拟合线与降水线交点与5~9月农灌期降水氢氧同位素加权值接近,表明北岸地下水主要来自降水补给,而南岸地下水同时接受灌溉水和降水补给,并在入渗过程中经历了不同程度的蒸发作用。闽江河口段除接受两岸地下水补给外,局部河段还接受断裂带裂隙水补给。将线性端元混合模型、数字高程模型和地下水文分析法结合起来定量评价地下水的输入和各水体的混合过程,结果显示,在河口段淡水区,地下水混合比率上限为8.8%,其中包括0.4%的断裂带裂隙水;在河口段淡咸水混合区,淡水(河水、地下水)和海水的混合比为53:47,其中地下水的保守混合比率为1.7%;枯水期闽江河口段地下水保守输入量为87.0 m3/s,是闽江径流量的12.8%。
实测与卫星观测德基水库水质变化
章国威
2012, 23(4): 549-554. doi: CNKI:32.1309.P.20120501.1617.006
摘要:
德基水库集水区的气候条件适合温带水果及高冷蔬菜、茶叶的种植,德基水库集水区上游遍布果园、菜园与茶园。因此,每逢大雨来临时,大量的残留肥料常遭冲刷至水库中。这些残留的肥料中含有大量的氮、磷等营养盐,足以提供水库微生物的生长繁殖所需,也因此造成水库中二角多甲藻的大量繁殖,进而形成藻华现象。研究使用Landsat TM卫星数据,搭配传统监测模式,以监督式影像分类法分析与监测德基水库1995年的藻华现象。研究结果显示,以Landsat TM卫星数据监测德基水库的藻华现象,其准确率可达87.5%以上。由影像分类的结果可得知,德基水库二角多甲藻之藻华现象发生较严重的时期为夏天,而冬天则较为轻微。此现象发生的原因,应与集水区上游的农业经营模式息息相关。此外,德基水库藻华现象发生的区域及其程度也经由实地调查与卫星影像监测,一一获得证实。
太湖湖体总氮平衡及水质可控目标
胡开明, 逄勇, 王华
2012, 23(4): 555-562. doi: CNKI:32.1309.P.20120501.1617.003
摘要:
通过对2007~2010年环太湖水文巡测及降水调查,进行了湖体总氮平衡分析,在充分调查现有与规划的各类型污染源总量控制工程措施的基础上,量化出具有空间分布的流域总氮污染削减率,利用构建的太湖流域及湖体水环境数学模型模拟污染削减后的太湖湖体总氮浓度场,并提出水质可控目标。结果表明:太湖出入水量共127.8亿 m3,其中通过降水进入太湖的水量为24.9亿 m3,占入湖总水量的19.5%;全年总氮收支量达到4.47万t,其中通过干湿沉降进入太湖的总氮量为0.70万t,占入湖总通量的15.5%,可见干湿沉降进入太湖的污染物不容忽视,其变化趋势与太湖地区降水特征相关性较好。同时通过模型推算,定出2015年太湖湖体不同功能区总氮的可控目标,整个湖体平均值约为2.3 mg/L,为太湖总量控制提供科学依据。
新疆克里雅河流域绿洲适宜规模
凌红波, 徐海量, 刘新华, 张青青, 傅荩仪, 白元
2012, 23(4): 563-568. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2251.014
摘要:
利用克里雅河流域1957~2009年水文气象资料及2010年遥感影像数据,借助Z指数法及水热平衡模型分析了流域水资源在不同丰枯水平下的绿洲适宜规模。结果表明:克里雅河流域地表径流存在明显的丰枯变化;维持克里雅河流域下游天然绿洲稳定所需要的水资源为1.583亿 m3;现状面积下,克里雅河流域人工绿洲在丰水期处于稳定水平,枯水期与平水期皆为亚稳定水平;克里雅河流域人工绿洲在丰水期、平水期和枯水期的适宜规模分别为1 608~2 413 km2、1 157~1 736 km2和978~1 467 km2,而较高水资源保证度下最为适宜的规模应控制在978~1 736 km2
城市化生态水文效应
孙艳伟, 王文川, 魏晓妹, POMEROY C A, 王富强
2012, 23(4): 569-574. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2251.013
摘要:
研究城市化的生态水文效应对于指导河流的保护与生态修复实践具有重要意义。基于河流径流情势在维持河道生态系统完整性方面的重要性,在分析现有生态水文指标体系的特征及可操作性的基础上,建立了以径流历时曲线、洪峰流量频率超出曲线和T0.5(区域径流超出天然状态下重现期为0.5年的降水所产生的洪峰流量的时间占区域有径流总时间的比例)为代表的生态水文指标体系。利用SWMM(Storm Water Management Model)来模拟不同城市化程度下的降雨径流过程,并利用所建立的生态水文指标体系模拟其生态水文效应。结果表明:城市化程度越高,其时段流量幅度及历时越大,洪峰流量及发生的频率越大,T0.5越小。城市化通过改变径流的大小、历时及频率,改变了水域生态系统完整性与多样性,进而对河道生态系统产生了负面影响。
水文气象极值统计推断的可靠性问题
董双林
2012, 23(4): 575-580. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2251.012
摘要:
论述极值统计推断不可靠的表现、产生原因及提高可靠性的途径、可操作性方法和可靠性评价。提出收敛域准则、极大似然估计的精估计和粗估计、泛似然估计、多母体现象,应用超拟合现象、抽样误差、蒙特卡罗随机模拟等概念或方法,得出全国各气象站多个气象要素的可靠极值统计推断结果,初步形成小样本统计理论。
水生态屏障适宜宽度界定研究进展
单楠, 阮晓红, 冯杰
2012, 23(4): 581-589. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2250.011
摘要:
在总结水生态屏障研究历程的基础上,对水生态屏障的概念进行了探讨,提出了水生态屏障的定义。从河流、湖泊、水库3种主要水生态屏障类型说明水生态屏障的主要功能及适宜宽度研究进展,并从生态学、水文学、地理学、遥感学的技术应用评述了水生态屏障宽度的界定方法。目前,对水生态屏障适宜宽度的标准还缺乏统一的认识,流域尺度下水库生态屏障适宜宽度的界定是水生态屏障宽度界定面临的难点问题,提出综合水文学、生态学、环境科学及地形、遥感、地理信息等多学科理论及技术手段构建流域尺度的生态水文模型是界定水生态屏障及其水库生态屏障适宜宽度的有效方法。
基于初始二维水权的流域水资源调控框架初析
王宗志, 张玲玲, 王银堂, 金菊良, 程亮
2012, 23(4): 590-598. doi: CNKI:32.1309.P.20120614.2250.010
摘要:
为推动中国水权制度建设进程与落实最严格水资源管理制度提供技术支撑,基于二维水权概念与内涵等现有研究成果,结合对国内外初始水权分配相关研究进展与需求实践的系统梳理,从供水管理视角提出了包括"初始分配"、"优化调控"和"实时调控"3项内容在内的基于初始二维水权的流域水资源调控理论框架,详细阐述了各组成部分的实现途径、支撑技术、建模步骤及其之间的工作关系。