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2012年  第23卷  第5期

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基于区域气候模式的流域农业干旱成因分析
吴迪, 裴源生, 赵勇, 严登华
2012, 23(5): 599-608. doi: CNKI: 32.1309.P.20120614.2158.006
摘要:
以湄公河流域为研究区,采用区域气候模式RegCM3为模拟工具,以根系层土壤含水量为代表性指标,对A1B情景下未来研究区月尺度农业干旱进行了预估。基于地表能量平衡原理,系统分析了降水、蒸发、地表温度和根系层土壤含水量等农业干旱主要影响因素与区域气候模式模拟的大气环流、地表感热通量、地表潜热通量、地表净通量之间的联系和变化规律,从气陆间能量和水汽通量平衡角度,对农业干旱发生机理进行了识别。预估结果表明:从年内各月地表净通量和地表温度变化来看,未来春末(6月)和秋末(10月)湄公河流域温度增加明显,且土壤含水量减少也较为明显;同时,这两个时段蒸发旺盛和降水减少的趋势,有可能导致流域局部地区(尤其是非灌溉农业区)农业干旱的发生。
利用中国静止气象卫星资料估算黄河源区蒸散发量
刘蓉, 文军, 王欣, 田辉, 张宇
2012, 23(5): 609-615. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.001
摘要:
以黄河源区为研究区域,选取2009年9月该区域的中国静止气象卫星(FY-2D)观测资料,结合地面气象观测资料,基于能量平衡原理,估算了研究区域的逐时陆面蒸散发量。结果表明:在晴天条件下,利用陆表能量平衡系统模型求出蒸散发量的大小;在阴天条件下,利用FY-2D云顶反照率资料,根据太阳辐射在大气中的衰减过程,得出地表太阳辐射收支,进而求出蒸散发量的大小。卫星遥感估算的逐时蒸散发量与地面观测值相比,平均相对误差15.2%,估算误差在可接受的合理范围内,为实现陆面蒸散发量的业务化奠定了一定的基础。
清代黄河中游、沁河和永定河入汛时间与夏季风强度
潘威, 满志敏, 庄宏忠, 叶盛
2012, 23(5): 616-620. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.002
摘要:
利用清政府布设在黄河中游三门峡万锦滩、沁河下游木栾店以及永定河下游石景山、卢沟桥的志桩水位记录,以首次涨水超过0.64m作为汛期建立的标志,在候尺度下恢复了其汛期建立时间距平序列。黄河中游、沁河下游和永定河下游序列分别开始于1766年、1736年和1761年。研究时段内,黄河中游和沁河下游平均在7月6~10日入汛、永定河则在7月16~20日。永定河相对较为稳定,显示出其上游雨季开始时间基本维持在7月初,而黄河中游和沁河却波动较大,早晚相差达3个月;黄河中游与沁河入汛距平波动的同相位现象在19世纪中期之后比较明显。1870~1900年代黄河中游、沁河和永定河入汛普遍延迟1个候左右,对应于黄土高原夏温偏低的时期;1820~1860年代黄河中游、沁河入汛偏早,则对应了黄土高原夏温偏高。
多年冻土区风火山流域降水河水稳定同位素特征分析
刘光生, 王根绪, 孙向阳, 高洋
2012, 23(5): 621-627. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.003
摘要:
由于多年冻土区流域土壤冻融过程对水循环影响的复杂性,水循环物理过程观测存在困难和不足,而利用稳定同位素方法可以有效地解决该问题。因此,基于2009年长江源风火山流域夏季定点降水和河水δD和δ18O,对研究区降水河水稳定同位素特征进行分析。结果表明,研究区夏季降水δD和δ18O受到降水量和温度的双重影响,即受海洋性和大陆局地气团的交替影响。河水氢氧同位素的季节变化和空间差异与壤中流、地下水补给河流的季节差异和植被覆盖的空间差异有关。随着地温升高和土壤冻融锋面的迁移,河水补给来源和同位素特征发生改变,表明土壤冻融变化对多年冻土流域径流过程起到重要作用。此外,蒸发分馏作用是研究区河水同位素的重要影响因素。
滨海湿地不同密度柽柳林土壤调蓄水功能
夏江宝, 孔雪华, 陆兆华, 刘京涛, 韩瑞东, 朱金方
2012, 23(5): 628-634. doi: CNKI: 32.1309.P.20120614.2251.015
摘要:
为探求黄河三角洲湿地土壤调蓄水功能的合理柽柳林密度,采用测量土壤入渗过程和水分物理参数相结合的方法,对不同密度柽柳林的土壤蓄水功能和水分调节能力进行研究。结果表明:①柽柳林随密度的增大具有显著提高细砂粒和降低粉黏粒含量的作用;中密度林分降盐抑碱效应明显,各密度林分表层盐碱含量低于20~40 cm土层;②土壤容重随林分密度增大表现为先减小后增大,孔隙度状况则与之相反,中密度、高密度、草地总孔隙度均值分别比低密度林分高12.9%、6.2%、4.4%;对表层的改良效果好于20~40 cm土层;③Horton模型可较好地模拟柽柳林的土壤入渗过程,中密度林分渗透性能最好,高密度次之,低密度最差;④饱和蓄水量、吸持蓄水量、滞留蓄水量及涵蓄降水量均表现为中密度>高密度>草地>低密度,表土层的水分调蓄功能好于下层;中密度、高密度、草地涵蓄降水量分别比低密度林分高28.4%、23.8%、14.1%。中密度柽柳林具有巨大的水分调蓄空间,其次为高密度,而低密度林分较差。
中国中、东部典型样区土壤和水体多样性关联分析
段金龙
2012, 23(5): 635-641. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.004
摘要:
分别选取中国中、东部不同尺度典型样区为研究区域,将多样性理论与方法应用于水体空间分布多样性和土壤构成组分多样性评价中。计算了各研究区及其分区域内,以土属为基本单元的土壤构成组分多样性和2km×2km网格尺度下的水体空间分布多样性,并探索了两者之间的内在联系。研究结果表明:将多样性理论与研究方法应用于区域水资源的空间分布离散性评价具有可操作性;区域水体总面积变化与区域水体空间分布多样性变化之间具有一定的正相关关系,70%以上数据支持这一推断;区域水体比例与水体空间分布多样性之间并无绝对联系;水体和土壤研究数据均体现出分形特征及结构;区域土壤构成组分多样性与水体空间分布多样性之间存在负相关关系,大尺度区域下的相关系数R2约0.8。
基于统计理论方法的水文模型参数敏感性分析
宋晓猛, 孔凡哲, 占车生, 韩继伟
2012, 23(5): 642-649. doi: CNKI: 32.1309.P.20120614.2158.003
摘要:
参数敏感性分析是模型不确定性量化的重要环节,有助于有效识别关键参数,减少参数的不确定性影响,进而提高参数优化效率。利用Morris筛选方法定性识别相对重要参数,耦合方差分解的Sobol方法和统计理论的响应曲面模型构建一种新的定量敏感性分析方法——RSMSobol方法。以长江支流沿渡河流域的日降雨径流过程模拟为例,系统分析4种不同目标函数响应条件下新安江模型的参数敏感性。结果表明Morris方法和RSMSobol方法的集成应用极大地提高了全局敏感性分析的效率,Morris定性筛选结果为定量评估减少了模型参数维数,采用代理模型技术的RSMSobol方法减少了模型的计算消耗。
汶川震区暴雨泥石流激发雨量特征
周伟, 唐川, 周春花
2012, 23(5): 650-655. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.005
摘要:
利用搜集的汶川震区典型泥石流暴发前后的降雨过程资料,分析了泥石流的激发雨量过程,获得了汶川震区的泥石流激发雨量特征,以期为泥石流的预测预报提供依据。结果表明,汶川地震区的泥石流激发雨型可分为快速激发型、中速激发型和慢速激发型3类,其差异主要体现在降雨的持续时间和强度方面。不同激发雨型下的泥石流形成过程的差别主要体现在松散土体饱和过程。雨型的差异(降雨的持续时间和强度)使得土体饱和产生超渗产流的时间出现差异,进而使得泥石流暴发的时间存在差异。激发雨强跟激发雨型存在一定的关系,激发雨强最大者为中速激发雨型,其次是慢速激发雨型,最小者为快速激发雨型。与地震之前相比,地震后的泥石流暴发时的累积雨量和临界雨量都有所降低。
气候变化下长江中下游水稻灌溉需水量时空变化特征
王卫光, 彭世彰, 孙风朝, 邢万秋, 罗玉峰, 徐俊增
2012, 23(5): 656-664. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.006
摘要:
选择长江中下游单季中稻为研究对象,结合45个气象站1961~2010年逐日气象资料,基于统计降尺度模型(SDSM),生成HadCM3气候模式A2和B2两种情景下各站点参考作物腾发量和降水数据。基于联合国粮食及农业组织(FAO)推荐的作物系数法,并考虑有效性降雨和不同地区深层渗漏量,分析历史和未来的水稻灌溉需水时空变化特征。结果表明:过去50年,除了太湖流域以外的长江中下游大部分区域的参考作物腾发量和水稻需水量都呈显著下降趋势,而显著下降的水稻灌溉需水量主要位于鄱阳湖流域;未来两种情景下,参考作物腾发量、水稻需水量和水稻灌溉需水量均值都呈下降趋势,但水稻灌溉需水量降幅最小;水稻需水量和水稻灌溉需水量在长江中下游地区的变化趋势具有明显的空间异质性,水稻需水量大幅减少的区域由太湖流域向汉江和洞庭湖流域扩展。未来水稻灌溉需水量减少的区域主要分布在太湖流域、汉江流域东部和洞庭湖流域北部,并随时间推移呈扩大趋势。
海啸波作用下泥沙运动——Ⅰ.岸滩剖面变化分析
蒋昌波, 陈杰, 程永舟, 隆院男, 邓斌
2012, 23(5): 665-672. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.007
摘要:
在波浪水槽实验的基础上,对海啸波作用下的岸滩剖面演变规律开展研究。实验采用1/10~1/20的组合坡度,考虑3种不同的水深,选取N波作为入射波,同时采用规则波和非规则波进行对比研究。实验对波高、波浪的上爬、回落和水跃过程、每个波作用后的地形进行了测量和记录。研究结果表明,水动力特性的不同造成了N波与规则波和不规则波作用下不同的岸滩剖面演变特点。N波作用下发生了明显的岸滩冲刷和淤积,水流回落时滩肩发生冲刷,高速薄层回流和出渗水流作用是滩肩冲刷的主要原因,离岸区水跃发生水流挟沙力降低,泥沙淤积呈沙坝剖面。
基于流动电位正演模型的非饱和带水流过程监测
杨磊, 周启友
2012, 23(5): 673-679. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.008
摘要:
为了获取非饱和带水流过程的信息,借助流动电位正演模型,通过数值实验探讨非降雨和降雨两种条件下非饱和带流动电位和水流过程的关系,然后用南京中山植物园试验场地野外观测的流动电位和张力数据加以对比和验证。野外试验表明:流动电位可以有效地反映非饱和带水流过程。在夏季无降雨入渗的条件下,日周期变化的地表地下温度差导致水分的运动,流动电位准确地指示了非饱和带含水量和毛细压力的变化情况,从而指示出了水分运移的方向;在夏季有降雨入渗的条件下,降雨锋面推进之处,含水量和流动电位同时有明显的响应,进而根据不同位置的流动电位对降雨入渗响应的时刻差,直接求出入渗锋面的推进速度。
冲洪积平原渗流和管流耦合的辐射井结构
李绅, 董新光, 吴彬, 杨鹏年
2012, 23(5): 680-686. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.009
摘要:
利用新疆阿克苏台兰河流域冲洪积平原区非稳定流抽水试验资料,以辐射井为研究对象,结合辐射管内的水头损失及流态,建立粗颗粒潜水含水层渗流和水平管流耦合的地下水流数值模型。利用数值模型,分析在粗颗粒含水层中辐射管不同根数、不同长度、等效渗透系数、辐射井的井径以及不同含水层的渗透系数、不同降深对辐射井出水量的影响,并且根据各参数的相互关系,提出冲洪积平原辐射井的出水量的经验公式。为优化设计辐射井结构及辐射井布置提供依据,对台兰河地下水库的建设及后期运行管理提供了技术支撑。
渐缩渐扩洞塞消能和空化特性
尹则高, 郑清鑫, 王乐, 曹先伟
2012, 23(5): 687-694. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.010
摘要:
建立了三维RNG k-ε紊流数学模型和突缩突扩洞塞泄流的物理模型试验,利用实验结果对数学模型进行了验证,利用验证后的数学模型对突缩突扩洞塞和渐缩渐扩洞塞的水头损失系数和空化数进行了计算。结果表明,洞塞渐缩(或渐扩)段相对长度一定时,随着渐扩(或渐缩)段相对长度的增加,水头损失系数减小,最小空化数增加。当渐缩段和渐扩段几何尺寸互换时,水头损失系数和最小空化数的变化不大;其他几何参数一定的情况下,随着横断面半径收缩比的减小,水头损失系数增加,最小空化数降低。圆弧连接情况下,随着圆弧夹角的增加,水头损失系数呈现先降低后增加的趋势;而最小空化数呈现先增加后降低的趋势。其他几何参数一定的情况下,圆弧连接的水头损失系数小于斜线连接的对应值,最小空化数则相反。在水头损失系数和最小空化数权重相等的假定条件下,初步探讨了渐缩渐扩洞塞几何体型参数的优化方法,给出了渐缩渐扩洞塞的最优几何体型参数。
Runge-Kutta间断有限元格式在一维浅水方程中的应用
赵张益, 张庆河, 李世森
2012, 23(5): 695-701. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.011
摘要:
针对一维浅水方程组建立了考虑源项离散的Runge-Kutta间断有限元格式,该格式具有通量与源项的和谐性,可以用于求解任意非棱柱体明渠浅水流动问题。所建立的数值模式分别应用于复杂地形下非棱柱体明渠跨临界流浅水流动算例和水跃问题,模拟结果表明,数值解与解析解以及实测值吻合良好,数值格式具有捕捉间断问题中锐利波形的能力。
含沙量对过饱和总溶解气体释放过程影响分析
冯镜洁, 李然, 唐春燕, 雍晓东
2012, 23(5): 702-708. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.012
摘要:
高坝泄水常为高含沙水流,对含沙水体过饱和总溶解气体(TDG)释放规律的研究具有重要的理论和现实意义。为探讨泥沙含量以及紊动强度等特性对过饱和TDG释放过程的影响,设计了静置水柱、搅拌诱发紊动以及明渠水流3种实验条件,通过对不同含沙量工况下过饱和TDG释放过程的观测研究,分别计算各工况下的释放系数。结果表明,泥沙含量和紊动强度均对过饱和TDG的释放起着促进作用,而且随着含沙量和紊动强度的增大,释放系数逐渐增大。本研究对于过饱和TDG数值模拟研究中释放系数的取值具有指导意义,同时也可为过饱和TDG影响的减缓措施研究提供基础数据和参考依据。
大辽河口存留时间和暴露时间数值模拟
张学庆, 王鹏程, 石明珠, 刘晓敏, 赵骞
2012, 23(5): 709-714. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.013
摘要:
为了研究河口的物质输运机制,采用一个基于有限体积海岸海洋模式(FVCOM)的三维对流-扩散模式对大辽河口5个分区典型径流条件下的存留时间和暴露时间进行计算,得到了示踪物从河道第1次输送至入海河口的时间,以及随后返回河道里往复运动的时间,并据此统计得到回复系数以及表征各个分区之间相互影响的分区暴露时间矩阵。结果显示:潮汐、径流之间的相互作用控制着大辽河口的存留时间;暴露时间与存留时间的变化趋势一致,但大小差别很大,在枯、平、丰水期,暴露时间比存留时间分别多8 d、3 d、1 d;枯水期入海口河段回复系数可以达到0.94,示踪物会在这个区域多次回荡;除了涨急时刻的入海口河段,其他情况下大辽河下游分区对上游分区影响较小。
磨刀门水道盐度混合层化机制
任杰, 刘宏坤, 贾良文, 陈子燊
2012, 23(5): 715-720. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.014
摘要:
基于Simpson方法和磨刀门水道2009年枯季水文实测资料,选取上、下游两个站位的径流层化、潮汐混合、风致扰动3个影响河口水体分层的主要因素进行盐度混合的层化机制分析。研究表明:由于M1站位处上游,径流作用相对占优,分层不明显,只在涨潮急流时出现微弱的盐度分层;M2站则水体分层明显,小潮期间径流作用占主导,水体呈持续性分层,当由小潮转为中潮后,潮流作用增强,出现周期性分层现象,大潮以后,由于上游径流增加,潮流与径流作用相当,仍为周期性分层,但分层有所加强。层化的发育程度依赖径流致层化作用与潮汐、风致混合作用的博弈。
瞬时溃坝最大流量计算新通式推导及验证
方崇惠, 方堃
2012, 23(5): 721-727. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.015
摘要:
为了计算瞬时溃坝最大流量,基于堰流与波流量相等原理,建立了瞬时溃坝最大流量与堰流关系,理论推导得到同一公式可以计算大坝全溃、横向局部溃坝、垂向局部溃坝及横垂向局部溃坝的瞬时最大流量的新通式,给出了该通式的基本和上限、下限及一般等通式。研究发现:瞬时溃坝流量与溃口堰坎类型有关,可以把瞬时溃坝最大流量、逐渐溃坝洪水或漫坝洪水的计算公式和相应系数统一到不同堰坎类型的堰流量计算中;而这些新通式相应系数的取值是被实验确认和经典著作肯定的,保证了系数取值的可靠和准确。这些新通式容易理解、形式简单、计算简便,参数取值可靠,把溃坝洪水计算的复杂问题转变为处理经典水力学的简单堰流计算。同时通过对比分析,充分论证了一般通式的合理性,并用国内外溃坝实例验证了计算方法和成果较科学、可靠、合理。
水文集合预报试验及其研究进展
陆桂华, 吴娟, 吴志勇
2012, 23(5): 728-734. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1606.016
摘要:
水文集合预报是一种既可以给出确定性预报值,又能提供预报值的不确定性信息的概率预报方法。简述了水文集合预报试验(Hydrologic Ensemble Prediction Experiment,HEPEX)国际计划的主要研究内容,回顾了HEPEX研究进展,分析了对水文预报发展有重要意义的3个HEPEX前沿研究:降尺度研究、集合预报系统研究以及不确定性研究。研究表明,动力-统计降尺度法和高分辨率"单一"模式及低分辨率集合相结合是HEPEX未来研究的方向。
冰湖溃决灾害风险研究进展及其展望
王世金, 秦大河, 任贾文
2012, 23(5): 735-742. doi: CNKI: 32.1309.P.20120824.1607.017
摘要:
系统回顾了国内外冰湖溃决灾害风险研究现状,结果显示,以往冰湖溃决灾害风险评估研究过多集中于冰湖溃决致灾诱因、特征,溃决危险性评价和溃决概率预测以及溃决洪峰流量及其演进模拟研究等自然风险方面,而承灾区经济社会系统脆弱性、暴露性和适应性风险研究却较为缺乏。因此,开展冰湖溃决灾害综合风险研究,不仅对冰湖溃决危险性评价意义重大,而且对于下游承灾区防灾减灾和预警体系建立也具有重要的理论参考价值。