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2015年  第26卷  第4期

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中国大陆降水时空变异规律——Ⅱ.现代变化趋势
任国玉, 任玉玉, 战云健, 孙秀宝, 柳艳菊, 陈峪, 王涛
2015, 26(4): 451-465. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.001
摘要:
为改进、完善对中国现代降水长期变化规律的理解,利用2 300个国家级气象站网观测资料,更新分析了全国1956—2013年基本降水指标的趋势变化特征。主要结果:① 全国平均年和季节降水量、降水量距平百分率未表现出显著趋势变化,但秋、冬季降水量距平百分率分别表现出较明显的下降和上升;② 年和夏季降水减少主要发生在东北中南部、华北、华中和西南地区,而东南沿海、长江下游、青藏高原和西北等地区年降水增加较明显;③ 降水趋势变化的空间结构相对稳定,北方降水减少范围有由黄土高原、华北平原向东北和西南扩散趋向,东北北部和长江中下游的降水增加范围变小,总体看东部降水减少和增加的区域均在萎缩,“南涝北旱”现象趋向缓解;④ 全国年平均暴雨量、日数呈现出较显著的增加,但暴雨强度没有明显变化,暴雨量和日数增加主要发生在珠江和东南诸河流域,而海河和西南诸河流域暴雨量、日数和强度呈较明显减少趋势;⑤ 东部季风区1日、连续3日和连续5日最大降水量均有一定程度增加,1日最大降水量增加最明显,连续5日最大降水量增加最弱,极端强降水事件持续时间呈现出短历时性倾向。
1956—2010年中国水热季节性特征分析
章诞武, 丛振涛, 倪广恒
2015, 26(4): 466-472. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.002
摘要:
流域水文平衡不仅决定于降水和潜在蒸散发总量,而且还受到其年内季节性变化特征的影响。收集1956—2010年中国743个国家级气象站逐日气候资料,采用FAO-Penman公式计算潜在蒸散发量,插值计算10 km网格日降水和潜在蒸发,进行水热季节性特征的变化分析。结果表明,82.8%的区域潜在蒸散发量均值有下降趋势,但减少量不大,同时其年内季节性特征没有显著变化。表征降水年内波动振幅的季节性指数在全国范围均有显著下降趋势,且北方流域更为明显,变化率最大的西北诸河达到6.4%/10 a;峰值时间和雨季长度则变化不显著。这种水热季节性的变化被认为会导致流域径流的减少,在今后中国径流变化的归因研究中,应该考虑降水季节性变化的贡献。
降雨和地形地貌对水文模型模拟结果的影响分析
李致家, 姜婷婷, 黄鹏年, 刘志雨, 安冬, 姚成, 巨兴顺
2015, 26(4): 473-480. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.003
摘要:
概念性水文模型数量众多,判断模型是否适合研究流域可以通过模拟结果来体现,但是熟悉流域的产汇流特性可以筛选模型,从根源上大量减少工作量,也可以解决相似流域无资料的问题。选取6种概念性水文模型,以马渡王、板桥和志丹这3个半湿润与半干旱流域为研究区域,探讨流域特性与模型结构之间的关系,并通过降雨和地形地貌分析其对模型模拟结果的影响。研究结果表明,流域地形及植被对产汇流过程有重要影响,由于局部产流现象严重,河道坡度影响大于流域平均坡度,当区域气候条件相差不大时,地形地貌比降雨对流域产汇流特性影响更大。因此对于水文模型的选择,可以在熟悉流域产汇流特性的基础上因地制宜,必要时可以增加适合研究流域的模块来获得更好的预报,在半干旱与半湿润流域,同时具有蓄满和超渗机制的模型能得到更好的应用。
黄河流域水文气象要素变化及与东亚夏季风的关系
李夫星, 陈东, 汤秋鸿
2015, 26(4): 481-490. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.004
摘要:
为研究黄河流域水文气象要素变化规律,并揭示各要素与东亚夏季风之间的潜在关系,建立了全流域VIC水文模型、MK突变检验和MK相关检验。结果表明:从20世纪80年代中期开始,流域绝大部分地区气温上升趋势明显,而降水、蒸散发、径流深和土壤湿度呈整体减小趋势,且中游地区减幅最大。各要素与东亚夏季风相关密切,但空间差异性明显。气温与东亚夏季风强度普遍呈负相关,且宁蒙河段及内流区相关性显著;其他要素则相反,正相关显著区域主要位于河口镇到三门峡区间。研究还发现相比较降水,黄土高原径流深对夏季风强度变化更为敏感。因此,对东亚夏季风的研究可为预测黄河流域内水文过程及水资源的变化提供重要的科学参考。
土地利用变化对海河流域典型区域的径流影响
郝振纯, 苏振宽
2015, 26(4): 491-499. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.005
摘要:
为研究海河流域径流对土地利用变化的响应,以阜平流域、匡门口流域和界河铺流域为研究区,利用1970—2011年的水文气象资料,分析了不同土地利用的时空转移特征,然后结合SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型,设置4种土地利用情景,评价了土地利用变化对径流的影响。结果表明:模型能够较好地模拟全年及汛期月流量过程;多年径流量呈下降趋势,20世纪80年代到90年代中期呈波动性变化;不同的土地利用类型在时空上的转化呈现可逆性,主要是林地增加,草地减少,耕地略有增加;林地的增加和草地的减少会降低汛期径流量以及最大月径流量;汛期径流系数随着林地面积的增加而减小。合理地规划土地利用格局,对控制流域水文事件具有重要意义。
中国天山山区降水空间分布模拟及成因分析
张正勇, 何新林, 刘琳, 李忠勤, 王璞玉
2015, 26(4): 500-508. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.006
摘要:
为了研究中国天山山区降水空间分布规律及其形成机理,基于研究区DEM及气象站点数据资料,运用偏最小二乘法和GIS技术建立了山区降水估算模型,并分析其降水成因。结果表明:天山山区年降水具有明显的经度和纬度地带性,西段多于东段,北坡(迎风坡)多于南坡(背风坡);研究区降水在海拔4 000 m以下呈线性增加特征,随后显著减少,在5 500 m左右出现第二极大值带;坡度小于50°时降水与坡度呈显著正相关。在地形抬升条件下,随气温下降和相对湿度上升使降水增加,这也是山区降水形成的必要条件。总体来看,偏最小二乘法可以有效解决降水及各因子间多重相关性问题,模型回归效果较显著,在模拟山区降水方面具有一定适用性。
黄河“揭河底”冲刷期河道形态调整规律
江恩慧, 曹永涛, 张清, 李军华, 袁敏洁, 刘月兰
2015, 26(4): 509-516. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.007
摘要:
为准确预测和有效应对“揭河底”冲刷险情,通过大量挖掘相关水文站1950年以来的原始测验资料,结合概化模型试验,对“揭河底”冲刷期河道断面形态调整过程及洪水位变化情况进行了深入研究。结果表明,“揭河底”冲刷期河道形态调整具有明显的规律性。从过程看,一般可分为4个阶段,即“揭河底”前的一般冲刷阶段、河底高程基本不变阶段、胶泥块揭起河床快速下降阶段和“揭河底”后期持续冲刷阶段及回淤阶段。“揭河底”洪水与非“揭河底”洪水在水位表现上差别较大,非“揭河底”洪水水位流量关系曲线较为平缓,洪水前后水位变化过程呈明显的逆时针绳套;“揭河底”洪水水位流量关系曲线较为陡峭,水位变化过程呈明显的顺时针绳套,“揭河底”发生的瞬时,水位有一个明显的升高和快速下降过程。从流态看,水面紊动剧烈的地方位于发生“揭河底”位置的下游,这也是本次研究的一个重大发现。
近期黄河下游游荡段滩岸崩退过程及特点
李洁, 夏军强, 邓珊珊, 张晓雷
2015, 26(4): 517-525. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.008
摘要:
小浪底水库运行后,黄河下游游荡段河床冲刷剧烈,滩岸崩退过程较为显著。估算典型断面的滩岸崩退过程,不仅有助于全面掌握该河段的河床演变规律,同时也能为河道整治及规划等提供相关参数。以1999—2013年游荡段典型断面(水文断面及淤积断面)汛后实测地形资料为基础,确定了这些断面平滩河宽的调整过程,发现多年平均崩退速率最大达215 m/a;分析了影响滩岸崩退过程的不同因素,发现滩岸土体组成及力学特性、滩槽高差等因素虽对崩退过程有一定影响,但来水来沙条件是主要影响因素;分别建立了游荡段水文断面及淤积断面滩岸累计崩退宽度与前期5年平均汛期水流冲刷强度之间的经验关系,相关系数都在0.85以上。公式计算值与实测值吻合较好,可用来估算游荡段典型断面滩岸的崩退过程。
自然降雨事件下红壤坡地壤中流产流过程特征分析
谢颂华, 涂安国, 莫明浩, 刘苑秋
2015, 26(4): 526-534. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.009
摘要:
为研究红壤坡地的壤中流输出特征,采用野外大型土壤入渗装置,对红壤坡面草地和裸地不同深度(30 cm和60 cm)壤中流输出开展自然降雨-产流过程的观测试验。结果表明:① 壤中流产流过程随着土层的加深,滞后时间和拖尾时间均延长,与降雨过程相适性减弱。草地壤中流产流量、峰值、产流历时均大于裸地,其差异在突发型降雨下表现更为明显;② 壤中流产流量和降雨量呈显著性正相关(R2为0.6942~0.8770),但与雨强关系不明显。突发型和峰值型降雨壤中流产流过程洪峰升涨迅速,而均匀型壤中流产流过程平缓。突发型、峰值型和均匀型降雨裸地壤中流产流量与地表径流量相比分别为13.82%、91.73%和159.04%,草地则为118.95%、312.11%和368.33%;③ 土壤前期含水量增加,壤中流产流滞后时间缩短,峰值和流量增大。
钱塘江河口水流-河床相互作用及对盐水入侵的影响
潘存鸿, 张舒羽, 唐子文
2015, 26(4): 535-542. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.010
摘要:
通过长系列实测水文、地形资料分析,钱塘江河口上段河床具有大冲大淤和洪冲潮淤的演变特性,影响河口上段的潮汐强弱,进而影响盐水入侵。若年内丰水期径流量大,则河床出现“大冲”,河床容积增大,潮汐增强,导致秋季强潮期盐水入侵加剧;反之,若年内丰水期径流量小,河床容积较小,导致秋季强潮期盐水入侵减弱。结果表明,钱塘江径流对盐水入侵存在直接和间接影响:直接影响是盐水入侵与径流量成反比;间接影响是通过径流冲刷河床,引起潮汐增大,间接导致盐水入侵加剧,这是钱塘江河口大冲大淤以及对潮汐巨大反作用的特性造成的。
紫色土坡地泥岩裂隙潜流中的胶体迁移
张维, 唐翔宇, 鲜青松
2015, 26(4): 543-549. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.011
摘要:
为探求自然胶体迁移进入地下水的潜力,建立原位坡地径流观测场,研究了2013年夏季3场不同雨型降雨事件下,紫色土坡地(1 500 m2)泥岩裂隙潜流中自然胶体的迁移规律。结果表明:裂隙潜流中胶体对降雨的响应时间为30~90 min,比潜流对降雨的响应更迅速,且取决于坡地雨前干旱情况及降雨强度;胶体浓度峰早于潜流流量峰,峰值浓度相对背景浓度可增加1~2个数量级,最大雨强及雨型决定潜流流量和胶体浓度峰型。气液界面是胶体初始迁移响应的主要驱动因素,雨水混合土壤前期水对土壤介孔和大孔内壁胶体的剪切、裹携是胶体释放、分散与迁移的主要机制。因此,胶体辅助运移可能成为紫色土地区吸附性较强的污染物(如磷、疏水性农药等)的重要迁移方式。
应用连续混合器模型模拟非饱和土壤盐分淋洗过程
彭振阳, 伍靖伟, 黄介生
2015, 26(4): 550-559. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.012
摘要:
尽管连续混合器模型已经广泛应用于土壤中溶质迁移转化规律计算,但却仅限于饱和土壤条件。通过采用Kostiakov公式描述非稳定入渗过程,并结合活塞假设计算入渗过程中土壤水分的运动和分布规律,将连续混合器模型扩展应用于非饱和土壤的盐分淋洗过程计算,并求出了模型的解析解。分析发现,在一定的土壤质地、初始含水率剖面和初始含盐量剖面下,模型的计算结果会受到土层划分厚度的影响,而合理的土层厚度又与饱和导水率和溶质弥散系数之间存在量纲一的函数关系。当土层厚度选取合理时,连续混合器模型与HYDRUS-1D的计算结果十分接近,采用该模型模拟试验土壤盐分淋洗过程,显示了较好的计算精度。
复杂防洪系统联合优化调度模型
贾本有, 钟平安, 陈娟, 吴业楠
2015, 26(4): 560-571. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.013
摘要:
建立以水库群系统安全度最大、行蓄洪区系统损失最小为目标函数,将河道堤防安全行洪考虑为约束条件的复杂防洪系统多目标递阶优化调度模型(MoHOOM),以行蓄洪区总分洪流量为协调变量,将河道水流连续方程解耦,基于大系统分解协调法建立协调层和基于粒子群算法求解底层子系统优化问题,形成三级递阶分解协调结构和相应求解方法。以淮河中游防洪系统为背景进行了实例研究,给出了水库群泄流和行蓄洪区分洪最优方案,在相同初始计算条件下,优化模型结果比实际调度降低了鲇鱼山和梅山水库0.37和0.01的安全度指标,减小下游蒋家集和润河集河段超过安全泄量以上100 m3/s和720 m3/s的洪峰流量,启用南润段行洪区致损1 256.1万元;比规则调度降低了鲇鱼山和梅山水库0.24和0.21的安全度指标,减小下游蒋家集河段超过安全泄量以上750 m3/s的洪峰流量,避免南润段行洪区损失341.6万元。模型有利于挖掘上游水库群的防洪能力,在保障河道堤防安全行洪条件下,减少下游不必要的行蓄洪区分洪损失,以系统全局寻优方式进行复杂防洪系统联合调度。
径潮动力对长江河口滞流点的影响
黄李冰, 李义天, 韩剑桥, 孙昭华, 杨云平
2015, 26(4): 572-578. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.014
摘要:
为研究三峡蓄水后滞流点的时空变化规律,应用ECOMSED模型模拟长江河口在不同径流、潮流作用下的水流动态过程。结果表明:北支大洪水期下移幅度大,涨潮动力强劲,随潮流变化大;南侧变化幅度整体较北支小,随径流的变化幅度自大至小依次为北港、南槽、北槽;随潮流的变化幅度自大至小依次为南槽、北港、北槽。滞流点随径、潮条件变化时,受地形影响明显,三峡蓄水后,径流变化范围缩小,引起不同地貌单元滞流点范围不同程度的缩小,可据此认为,与滞流点位置一致的最大浑浊带范围呈现减小的趋势,由此可能引起最大浑浊带和地貌调整。
控制海水入侵的地下水多目标模拟优化管理模型
杨蕴, 吴剑锋, 林锦, 吴吉春, 王锦国
2015, 26(4): 579-588. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.015
摘要:
为实现滨海含水层地下水开采-回灌方案优化、控制海水入侵面积和降低海水入侵损失等多重管理目标,建立了海水入侵条件下地下水多目标模拟优化管理模型SWT-NPTSGA。模拟模型采用基于变密度流的数值模拟程序SEAWAT来模拟海水入侵过程。优化模型采用小生境Pareto禁忌遗传混合算法NPTSGA来求解,该算法在保证多目标权衡解的收敛性和计算效率的前提下,能维护整个进化群体的全局多样性。将SWT-NPTSGA程序应用于一个理想滨海含水层地下水开采方案和人工回灌控制海水入侵的优化设计中,结果表明该管理模型能够同时处理最大化总抽水流量、最小化人工回灌总量和最小化海水入侵范围等3个目标函数之间的权衡关系。通过采用人工回灌海水入侵区的减灾策略,既能增加滨海地区的供水量,又可减少海水入侵的范围,由此进一步验证了模型的有效性和可靠性。
中国大坝安全管理与风险管理的战略思考
李宗坤, 葛巍, 王娟, 李巍
2015, 26(4): 589-595. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.016
摘要:
中国大坝安全管理水平不断提高的同时,更为科学与全面的风险管理理念也在不断发展。从法律法规、研究进展两个角度,对中国大坝安全管理与风险管理进行对比分析,指出当前采用的安全管理方法存在事故概率计算难度较大、对事故后果重视不足、评价准则不够全面及管理措施较为单一等问题。为促进管理方式和理念的转变,提高中国大坝的管理水平,提出在今后的研究与实际操作中,应重视事故概率与后果的定量分析,及时构建风险标准并综合运用风险控制方法。
形成湿地的“淹埋深-历时-频率”阈值研究进展
殷书柏, 沈方, 李子田, 付波霖
2015, 26(4): 596-604. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.017
摘要:
湿地水文是形成湿地的发生学因素,“淹埋深-历时-频率”(S, D, F)是表征湿地水文的特征指标。为了推进(S, D, F)阈值研究理论和方法的发展,总结了(S, D, F)阈值研究的一致结论:S阈值确定的原则是水饱和至地表;D阈值确定的原则是从水饱和开始到厌氧环境形成的时滞;F阈值应取≥50%。通过对这些一致结论的分析后认为:D阈值确定的原则存在着科学性问题;目前(S, D, F)阈值研究理论针对正常情况下湿地类型,不适合非正常情况下的湿地类型。为了科学地解决(S, D, F)阈值问题,必须构建新的(S, D, F)阈值确定的理论和方法,包括正常情况下和非正常情况(S, D, F)阈值确定的理论和方法以及(S, D, F)阈值科学性检验的理论和方法。