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2015年  第26卷  第2期

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基于Budyko假设预测长江流域未来径流量变化
郭生练, 郭家力, 侯雨坤, 熊立华, 洪兴骏
2015, 26(2): 151-160. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.001
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基于Budyko水热耦合平衡假设,推导了年径流变化的计算公式,分析了长江流域多年平均潜在蒸发量、降水量、干旱指数和敏感性参数的空间变化规律。选用BCC-CSM1-1全球气候模式和RCP4.5排放情景,把未来气候要素预估值与LS-SVM统计降尺度方法相耦合,预测长江流域未来的气温、降水和径流变化情况。采用乌江和汉江流域的长期径流观测资料,分析验证了基于Budyko公式计算年径流变化的可靠性。结果表明:降水量变化是影响径流量变化的主导因素;长江各子流域未来径流相对变化增减不一,最大变幅10%左右;在未来2020s(2010—2039年)、2050s(2040—2069年)和2080s(2070—2099年)3个时期内,长江南北两岸流域的径流将出现"南减北增"现象,北岸径流变化增幅逐渐升高,南岸径流变化减幅逐渐降低。
基于耦合相似指标的最近邻法在年径流预测中的应用
李红霞, 何清燕, 彭辉, 覃光华, 丁晶
2015, 26(2): 161-168. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.002
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根据水文现象相似特性建立的最近邻法,避免了对研究对象相依形式和概率分布形式做某种假定,是一类基于数据驱动的预测方法。影响该方法预测成果优劣的关键因素之一是特征矢量相似程度衡量指标的选取。为了在度量相似程度时兼顾"矢"和"量"的信息,在深入分析余弦距离与欧氏距离异同的基础上,尝试将二者耦合作为相似度的技术指标,建立了基于耦合相似指标的最近邻法,并将该方法应用到宜昌水文站和唐乃亥水文站预见期为一年的年径流预测,利用不同水文特性的年径流资料进行校验,结果表明:基于耦合指标的最近邻法,能较好地进行年径流的预测分析,是一种有效、可行的方法。
三峡库区低等级土质道路侵蚀研究
刘窑军, 王天巍, 蔡崇法, 李朝霞, 李珩
2015, 26(2): 169-177. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.003
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以三峡库区界垭小流域内不同交通荷载土质道路为研究对象,通过自然降雨观测研究其侵蚀规律和污染物流失特征。研究结果表明,交通荷载大的干道产流率和侵蚀率均高于交通荷载低的支道,对产流率影响显著的因子主要为降雨量,对产沙率影响显著的因子为降雨量、雨强。雨型对污染物的流失特征影响显著,前期集中型降雨下,污染物流失过程线与降雨过程线同步性较好,泥沙、总氮、铵态氮、泥沙结合态磷和溶解态磷均发生了较强的初始冲刷效应;中期集中型降雨下,污染物流失浓度峰值优先于雨强峰值,且氮和磷等初始冲刷强度低于前期集中型降雨,泥沙无初始冲刷效应。
坡面流速及侵蚀产沙空间变异性试验
田培, 潘成忠, 许新宜, 杨帆, 李长嘉
2015, 26(2): 178-186. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.004
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在野外放水试验条件下,利用染色法和侵蚀针法分别观测坡面流速和侵蚀产沙空间变异性。结果表明,坡面各横向断面的流速与距坡顶距离之间呈正相关,且相关性随流量增大逐渐变得显著,纵向断面流速的变异程度明显强于横向断面。总体上,上、下坡位侵蚀程度较重,而中坡位最轻;小流量时沉积作用明显,大流量时距坡顶0~2 m范围为净侵蚀区;各坡段侵蚀量与其距坡顶距离之间呈负相关;发生泥沙沉积部位随流量增大逐渐下移,细沟侵蚀量占坡面总侵蚀量的比例随流量增大不断增加。试验条件下流速为0.30 m/s时,细沟侵蚀产沙大于细沟间侵蚀,且坡面侵蚀量迅速增大。随流量增大,流速和侵蚀产沙量呈增大趋势;但在流量较大时,坡面各坡位侵蚀量与流速呈负相关,这可能与坡面中下部位粗颗粒泥沙沉积以及含沙水流的挟沙能力基本达到饱和有关。
植被分布对小流域产流影响的数值实验
李妍敏, 安翼, 刘青泉
2015, 26(2): 187-195. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.005
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基于二维运动波模型,建立了一个适用于小流域场次降雨产汇流过程的动力学模型。通过对典型小流域内不同区域(坡顶、坡中及坡底区域及距离流域出口的远近)种植植被时产流过程的数值模拟,分析了小流域内植被分布对产流过程的影响。结果表明:植被分布及其特性对小流域场次降雨产流有较明显的影响;下游区域种植植被的减水效果和延滞洪峰作用优于上游区域,陡坡区域减水效果优于缓坡区域,且郁闭度越大,这种差别越明显;在该研究条件下,下游区的减水效果可达到上游区的3倍;30%郁闭度条件下减水效果可达10%和20%郁闭度条件下的3倍和1.4倍。
夏季念青唐古拉峰地区云结构分析
张晓, 段克勤, 刘焕才
2015, 26(2): 196-200. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.006
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利用2006—2010年夏季6~8月CloudSat资料对念青唐古拉峰地区云水分布和云类型特征进行分析,从而为研究高原天气过程与其水循环过程的相互作用提供理论依据。结果表明,云水含量垂直分布结构与云类型有关,而冰川区和非冰川区云类型差异主要为降水云类型不同,其中有冰川覆盖的高山上空降水云以深厚对流云为主,无冰川覆盖的高山降水云类型以雨层云为主。念青唐古拉峰南坡冰川区云水平均含量为0.14 g/m3,非冰川区云水平均含量为0.18 g/m3,一定程度说明来自孟加拉湾的水汽在经过冰川附近时,多会产生降水,反映了冰川对水汽传输的阻碍作用。
凌汛期槽蓄水增量过程模拟
张防修, 席广永, 张晓丽, 王国庆, 黄瑞
2015, 26(2): 201-211. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.007
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为研究凌汛期槽蓄水增量来源,在分析实测冰情资料基础上,把槽蓄水增量分为水位壅高主河道蓄水量增大、主河道内河水转化为固体冰盖和上滩水形成冰盖及在冰下聚集等3部分,建立河冰动力学模型,模拟河冰生消及槽蓄水增量过程,利用2008/2009年度三湖河口—头道拐河段实测冰情资料对模型进行了验证,表明滩地冰盖及冰盖下滞洪是内蒙古河段槽蓄水增量的主要来源,占最大槽蓄水增量的63.44%,主河道水位壅高引起的槽蓄水增量占26.56%,主槽冰盖蓄水占10.0%。
钱塘江河口一维盐度动床预报模型及应用
史英标, 李若华, 姚凯华
2015, 26(2): 212-220. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.008
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钱塘江河口为强涌潮、高含沙量、河床冲淤剧烈的河口,其盐度输移时空变化受河床冲淤的反馈影响十分显著。建立了考虑河床冲淤变化的一维盐度动床数学模型,耦合求解水沙运动、河床冲淤及盐度输移过程,数值计算方法采用守恒性较好的有限体积法。验证结果表明:河床冲淤对氯度的影响非常显著,动床模型的结果与实测基本吻合,在长历时盐度预报中采用动床模型是必要的。应用该模型分析了钱塘江河口咸水入侵对上游建库、治江缩窄工程等人类活动的响应,探讨了杭州城市供水水源保证率。结果表明,新安江水库、河口治理缩窄工程对改善河口淡水资源利用、保障杭州市供水安全显著;供水保证率要达95%以上,需采取上游水库泄水调度和新建备用水库等措施。
海湾水库沉积物对水体咸化影响的时间尺度
高增文, 李宇浩, 赵全升, 解磊, 叶思源
2015, 26(2): 221-226. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.009
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为预测海湾水库沉积物盐分释放对库水咸化影响的持续时间,建立了描述沉积物孔隙水盐分剖面分布的非稳态数学模型,并优化选取模型的边界条件与关键参数(沉积物孔隙水盐分的扩散系数)。稳态与非稳态条件下沉积物盐分释放的对比分析表明,在计算污染沉积物对其上覆水水质的影响时间时,按非稳态释放更符合实际情况。非稳态盐分释放的计算结果表明,拟建沐官岛海湾水库沉积物中盐分释放对库水咸化的影响时间将大于600年,该影响时间远长于水库的寿命;表明在水库的整个生命周期内,均需要定期监测海湾水库底层水的盐分浓度,并需采取有效措施预防水体的突然泛咸,而不能仅在建库初期关注咸化问题。
冀中山前农业区地下水位强降弱升特征与机制
张光辉, 田言亮, 王电龙, 严明疆, 王金哲
2015, 26(2): 227-232. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.010
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针对冀中山前平原农业区浅层地下水位不断下降问题,采用时间序列异变特征和趋势分析方法,基于小时级、自记监测的地下水位动态资料,通过农业区灌溉期、非灌溉期地下水位变化程度的差异特征及机制研究,结果表明:该平原农业区浅层地下水位变化在主灌溉期呈"cm/d"级(大于1.0 cm/d)下降、非灌溉期呈"mm/d"级(小于1.0 cm/d)上升的特征,这些特征与降水量、年内降水分配状况及其影响的农业开采强度密切相关。前期降水偏枯,灌溉期地下水位下降过程线和年内水位上升过程线的大部分位于当地多年地下水位变化趋势线之下;前期降水偏丰,位于趋势线之上。农业集中开采是地下水位"cm/d"级下降特征的动因,厚大包气带是地下水位"mm/d"级上升特征形成的重要条件。
振荡试验确定倾斜承压含水层水文地质参数
戴云峰, 周志芳, 赵燕容, 吴蓉
2015, 26(2): 233-242. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.011
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为评价振荡试验在获取倾斜承压含水层水文地质参数过程中含水层倾角对计算结果的影响,基于Kipp模型推导了考虑承压含水层倾角的振荡试验解析解模型。倾斜承压含水层量纲一贮水系数和量纲一导水系数不变条件下,测试井-含水层系统的量纲一阻尼系数随着倾角的增加而增加。修正模型计算的量纲一阻尼系数与Kipp模型计算的量纲一阻尼系数偏差10%以上时,必须考虑倾角的影响并且承压含水层倾角对水头响应曲线造成影响临界角度约为34°。修正模型和Kipp模型对现场振荡试验水头响应曲线分析结果的差异表明,忽略含水层倾角会对倾斜承压含水层导水系数和贮水系数的计算结果产生较大误差。
基于集合卡尔曼平滑算法的土壤水分同化
褚楠, 黄春林, 杜培军
2015, 26(2): 243-249. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.012
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为研究观测资料稀少情况下土壤质地及有机质对土壤水分同化的影响,发展了集合卡尔曼平滑(Ensemble Kalman Smooth, EnKS)的土壤水分同化方案。利用黑河上游阿柔冻融观测站2008年6月1日至10月29日的观测数据,使用EnKS算法将表层土壤水分观测数据同化到简单生物圈模型(Simple Biosphere Model 2, SiB2)中,分析不同方案对土壤水分估计的影响,并与集合卡尔曼滤波算法(EnKF)的结果进行比较。研究结果表明,土壤质地和有机质对表层土壤水分模拟结果影响最大而对深层的影响相对较小;利用EnKF和EnKS算法同化表层土壤水分观测数据,均能够显著提高表层和根区土壤水分估计的精度,EnKS算法的精度略高于EnKF且所受土壤质地和有机质的影响小于EnKF;当观测数据稀少时,EnKS算法仍然可以得到较高精度的土壤水分估计。
高雷诺数顶盖驱动方腔流实验
张金凤, 常璐, 马平亚
2015, 26(2): 250-256. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.013
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为得到高雷诺数(1×105~1×106)条件下顶盖驱动方腔水流流场和速度分布,设计了边长为0.2 m和0.5 m的立方腔,并利用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)对方腔流流场进行测量,分析方腔流流场特性和边壁对流场影响规律。结果表明:雷诺数达到5×105时方腔流中主涡旋发生变形,雷诺数从5×105增大到1×106过程中,中间的初级涡旋(Primary eddy,PE)继续变形,并分裂成两个涡旋;随着雷诺数的增大,顺流次级涡旋(Downstream Secondary Eddy Region,DSE)区域面积缩小,雷诺数为5×105时DSE区域可看到成型的涡旋,当雷诺数为1×106时,DSE区域继续缩小,在同样条件下看不到成型的涡旋;雷诺数增大的过程中各边壁的边界层变薄,边壁对方腔流流场特性影响明显。
基于图像处理的明渠紊流近壁区条带结构试验
王浩, 李丹勋, 陈启刚, 王兴奎
2015, 26(2): 257-264. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.014
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摘要:
基于图像处理技术,对明渠紊流近壁区的水流低速条带结构进行了测量和分析。条带结构采用天然沙进行示踪,使用高清相机拍摄高分辨率图像,通过形态学方法提取其几何特征。分析条带的宽度及间距的变化特点,得到结果:① 低速条带宽度从水槽中线到两侧壁逐渐变小,沿中线基本呈对称分布;② 摩阻雷诺数在276~465范围时,条带宽度和间距量纲一值的变化范围分别为20.8~29.8和 99.3~126.7,条带面积占图像总面积百分比为23.4%~15.9%;③ 随摩阻雷诺数增大,低速条带的宽度和间距加大,而条带面积百分比逐渐减小。试验结果表明,低速条带结构随水流摩阻雷诺数的变化非常复杂,而图像处理技术提供了一种高效率、高精度的测量手段。
高水头泄洪底孔水力学研究方法适宜性分析
罗永钦
2015, 26(2): 265-270. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.015
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水力学问题研究方法多样且各具特点,各类方法所获成果的异同性倍受关注。基于某水电站高水头泄洪底孔,应用物理模型试验、水力学原型观测及时均化的紊流数学模型对水力学问题进行模拟或观测,辨识出3种研究方法的适宜范围及程度,三者对于宏观水力流态、底流速、时均压力及掺气空腔的模拟成果吻合良好,水面线模拟有一定差异,原型水面波动、水舌纵向扩散更大,成果可引导此类型水力学问题的研究方法选择及成果修正。
DRAINMOD-S模型参数的全局灵敏度分析
俞双恩, 王宁, 于智恒, 王君
2015, 26(2): 271-278. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.018
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摘要:
为有效进行DRAINMOD-S模型参数的优选,更好地理解参数变化对模拟结果的影响,开展了模型参数灵敏度分析。以南通市九龙垦区暗管排水脱盐试验为例,采用Morris全局定性分析方法检测了DRAINMOD-S模型模拟土壤剖面含盐量时侧向饱和导水率Ksat、水动力弥散系数D、地表最大蓄水深度Sm、相对不透水层深度Im、排水系数Dr及地下水初始埋深W 6个参数的灵敏度。结果表明:Ksat对模拟结果影响最为显著,D、Sm和Dr次之,而W与Im影响最小;各个参数间的非线性作用存在差异,以Ksat最为显著。为保证模型模拟质量,对敏感性参数应提高现场测试精度,在模型运行时,对灵敏度大的参数应进行重点调整,同时也不可忽视非线性作用较强的参数,从而有效地指导模型的参数率定,提高模型的适用性。
气候变化下水资源脆弱性的适应性管理新认识
夏军, 石卫, 雒新萍, 洪思, 宁理科, Christopher J Gippel
2015, 26(2): 279-286. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.019
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摘要:
气候变化下的水资源脆弱性和适应性管理研究成为全球和国家应对气候变化和保障水资源安全重点关注的问题,也是中国可持续发展面对的重大战略问题。介绍了水资源脆弱性和适应性管理的国内外最新研究进展;针对国家重大需求和国际科学前沿问题,综述了气候变化下水资源脆弱性和适应性管理存在的问题与挑战。提出了气候变化下水资源脆弱性与适应性管理理论与方法研究以应对气候变化的无悔为准则,与社会经济可持续发展、成本效益分析、利益相关者的多信息源的分析与综合决策相结合为原则,对适应性管理与脆弱性组成的互联互动系统及其风险与不确定性进行分析的新认识。
灌区水资源合理配置研究进展
齐学斌, 黄仲冬, 乔冬梅, 张现超, 李平, Mathias N Andersen
2015, 26(2): 287-295. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.02.020
摘要 PDF
摘要:
灌区水资源合理配置是提高灌区水资源利用效率及保障粮食安全的重要途径,也是实现灌区水资源可持续利用的有效调控措施。从灌区水资源管理政策、水资源循环转化规律、水资源优化配置模型与方法和水文生态4个方面,对国内外该领域的研究现状进行了对比分析。研究发现,国内灌区水资源配置主要存在4个方面的问题:水资源合理配置与保护政策落实不到位、水资源的统一管理机制不健全、水资源优化配置模型实用性不强和水资源优化配置基础条件较为薄弱。建议加强灌区水资源的统一管理政策与机制、变化环境下水资源循环转化规律、水资源承载力基础理论与评价新方法、水文生态调控技术、水资源实时风险调度与智能化管理技术以及水资源优化配置耦合技术研究。

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