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2015年  第26卷  第5期

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1960—2010年中国主要流域径流量减小原因探讨分析
张树磊, 杨大文, 杨汉波, 雷慧闽
2015, 26(5): 605-613. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.001
摘要:
针对1960—2010年径流量显著减少的中国主要流域,包括松花江、辽河、海河、黄河和汉江等,选择其上游地区受人类直接取用水影响较少的山区小流域,分析径流变化及其原因.采用基于Budyko假设的流域水热耦合平衡方程,估计了流域年径流量变化的气候弹性系数和下垫面弹性系数,并对各流域径流变化进行了归因分析.结果表明,在气候较为湿润的地区,径流对气候和下垫面变化均不敏感;在气候较为干燥的地区,径流对气候和下垫面变化都更为敏感,且区域差异性明显.潜在蒸散发的变化对径流减少的影响微弱,降水减少和下垫面变化是径流减少的主导因素,其中人类活动导致的下垫面变化对径流减少的影响尤为显著.对比两个阶段的径流变化归因分析结果,近10年间流域下垫面变化对年径流量的影响程度较前20年有显著增加.通过分析近30年的归一化植被指数(NDVI)数据发现,植被覆盖改善是下垫面变化的重要原因,说明中国水土保持工程发挥了显著生态效益的同时也导致了流域径流减小.
黑河上中游潜在蒸散发模拟及变化特征分析
赵捷, 徐宗学, 左德鹏
2015, 26(5): 614-623. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.002
摘要:
基于多源遥感数据产品,利用Shuttleworth-Wallace(S-W)模型估算了黑河上中游流域2000—2010年潜在蒸散发(potential evapotranspiration,ETP),并考虑不同土地覆被类型,分析了ETP的时空变化特征及影响要素,分别利用ETPET0驱动水文模型,比较径流模拟精度.结果表明:① 基于高精度遥感数据,S-W模型可模拟区域ETP.黑河上中游流域,夏季ETP对年值的贡献最大,各土地覆被类型的ETP年内变化趋势一致.总体而言,植被条件越好,ETP越小;② 在研究区内,相对湿度对ETP变化的影响最大,叶面积指数(LAI)对ETP变化的影响与辐射相近.植被越稀疏,ETP对气象要素及LAI的敏感性越强;③ 与ET0相比,ETP能够更好地描述陆面蒸散发能力,相同条件下使用ETP驱动水文模型模拟精度更高.
DEM数据源及分辨率对HEC-HMS水文模拟的影响
高玉芳, 陈耀登, 蒋义芳, 彭涛
2015, 26(5): 624-630. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.003
摘要:
DEM数据源及分辨率会影响流域特征参数的提取,进而影响水文模拟结果.将ASTER 30 m DEM、SRTM 90 m DEM及基于ASTER 30 m DEM的40 m、50 m、60 m、70 m、80 m、90 m重采样DEM作为HEC-geoHMS模型输入,提取流域特征,采用HEC-HMS模型,以西笤溪流域为研究区域,分析2011年6月和2011年8—9月的两场降雨径流过程中,DEM数据源和分辨率对水文模拟输出的影响.研究结果表明,两次径流模拟结果与实测数据拟合都较好,模型确定性系数都大于0.82,但是单峰的洪水模拟效果总体更好,基于SRTM 90 m的模型确定性系数比基于ASTER 30 m DEM、重采样90 m DEM的模型确定性系数都大.基于重采样DEM的模型确定性系数变化较大,而且与分辨率的变化呈非线性关系.在HEC-HMS的模拟中,基于ASTER 30 m DEM和基于SRTM 90 m DEM的模拟输出结果相对误差相差3%~5%,基于SRTM 90 m DEM和基于重采样90 m DEM的模拟输出结果相对误差相差2%~4%,基于重采样DEM的模拟输出结果相对误差相差最大达到了11%.
流域地貌结构因子对径流特征的影响分析
刘金涛, 王爱花, 韦玉, 程兵峰, 韩小乐
2015, 26(5): 631-638. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.004
摘要:
选取淮河两个主要暴雨中心的11个中小流域为研究对象,分析流域地貌结构因子(流域高程曲线特征值等)对其水文响应特征(多年平均径流系数、流量历时曲线斜率值)的影响.研究发现,流域高程曲线积分值及其斜率对径流特征影响最大.多年平均径流系数、流量历时曲线高流量阶段的斜率值(Sfh)与高程曲线斜率成正比,确定性系数达到0.77和0.67;而流量历时曲线低流量阶段的斜率值(Sfl)与高程曲线积分值也成正相关,确定性系数达0.65.这表明:在地形起伏较大的流域,其蓄水能力较弱,容易造成暴雨洪水过程的陡涨陡落,且多年平均降雨径流系数较大;反之在较为平坦的流域,其径流响应相对缓慢,表现出较强的流域调蓄能力.
华北平原典型区水体蒸发氢氧同位素分馏特征
马斌, 梁杏, 靳孟贵, 李静, 牛宏
2015, 26(5): 639-648. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.005
摘要:
为研究华北平原衡水地区水体蒸发氢氧同位素分馏特征,采集不同盐度的深层地下淡水(TDS 为0.61g/L)和浅层地下咸水(TDS为7.97g/L),现场开展室外器皿蒸发实验,获得了当地气象条件下氢氧同位素分馏参数.实验结果显示,淡水及咸水剩余表层水δ18O与剩余水比率f呈指数关系,与瑞利分馏模拟结果一致,δD和δ18O蒸发线斜率分别为4.78和4.69.整个蒸发过程中,淡水及咸水氢氧同位素值增量ΔδD分别为Δδ18O的4.82倍和4.76倍;剩余表层水相对于初始水δD和δ18O的变化量与累积蒸发量之比,淡水分别为2.68‰/cm和0.56‰/cm,咸水分别为2.78‰/cm和0.61‰/cm;而在不同的蒸发时段,剩余表层水δD和δ18O的变化量与蒸发量无明显相关性.受水分子扩散的影响,蒸发皿中氢氧同位素分馏在垂线上分层微弱.由于水体盐度较低,在当地气候条件下进行自由蒸发时,氢氧同位素分馏的盐效应可以忽略.
黄土高原沟壑区坡地土壤水分状态空间模拟
段良霞, 黄明斌, 张洛丹, 索立柱, 张永坤
2015, 26(5): 649-659. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.006
摘要:
为掌握黄土高原沟壑区坡地土壤水分的空间分布特征及其影响因素,采用状态空间模型和经典线性回归方法对该区不同土层深度土壤含水率的分布进行模拟.结果表明,不同土层深度的土壤含水率呈中等程度变异,并与海拔高度、黏粒、粉粒、砂粒含量和分形维数具有显著的空间自相关和交互相关关系,可用于状态空间模拟分析.不同因素组合下的状态空间模拟效果均要优于线性回归方程,其中采用海拔高度、砂粒含量和分形维数的三因素状态空间方程模拟精度最高(R2=0.992).状态空间模拟方法可用于黄土高原坡面尺度不同土层深度土壤含水率的预测.
双峰型非均匀沙推移运动特性及输移规律
孙东坡, 刘明潇, 王鹏涛, 李国栋, 赵亚飞, 董明家
2015, 26(5): 660-667. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.007
摘要:
采用图像识别与推移质动态监测技术,开展基于双峰型非均匀推移质的系列水槽试验.通过引入反映床面粗糙度、粘性底层特性与颗粒非均匀度η(粗细比)的综合水流强度函数Ψb、特征弗劳德数Frb,系统研究了不同水流强度与床沙组成条件下的推移质输移特性以及颗粒非均匀度对输沙率的影响.通过对关键因子的辨识与量纲分析,提出了双峰型非均匀推移质输移模式,建立了基于近壁特征因子的水流强度Ψb与非均匀推移质输移强度Φ'的函数关系.对双峰型底沙输移机理的分析表明,非均匀沙的组成特征使得η成为影响Φ'的重要参量;正是细粒对粗粒的解怙作用对粗沙运动产生重要影响,使推移质输移率与颗粒非均匀度间呈现驼峰关系,峰值对应的粗细比ηc约为3∶7.
粉质黏土堤防漫溢溃决试验
魏红艳, 余明辉, 李义天, 吴松柏
2015, 26(5): 668-675. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.008
摘要:
为研究粉质黏土堤防漫溢溃决破坏过程及其对水流要素和土体性质的响应规律,以河道流量、筑堤土体含水率和孔隙率为变量,在弯道水槽中开展了9组堤防漫溢溃决概化试验.通过试验发现,粉质黏土堤漫溢溃决溃口发展过程可分为垂向侵蚀和横向扩宽两个阶段,垂向侵蚀阶段以"陡坎"后退为主要形式;筑堤土体含水率与孔隙率不仅影响了溃口垂向侵蚀以及横向扩宽速度,而且决定了溃口最终形态,河道流量主要影响堤防溃口的横向扩宽速度;溃口处流速以及下游水位变化受溃口高度的制约.拟合得到土体黏聚力与土体含水率、孔隙率的相关关系式;通过试验数据提出了由土体黏聚力和水流参数表达的"陡坎"侵蚀后退速度计算公式,证明具有一定合理性.
三峡水库运行初期的泥沙淤积特点
李文杰, 杨胜发, 付旭辉, 肖毅
2015, 26(5): 676-685. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.009
摘要:
针对三峡蓄水运行后的泥沙淤积问题,基于实测资料,采用输沙率法和断面法分析了三峡水库运行初期的泥沙淤积特点.结果表明:三峡水库2003—2013年泥沙淤积总量为15.31亿t,平均排沙比为24.5%,均较论证阶段降低;库区泥沙淤积主要分布在常年回水区的宽谷和弯道河段,宽谷段全断面发生淤积、弯道断面流速较小一侧淤积、峡谷无累积性淤积;常年库区近坝段泥沙淤积速度逐年减小,而上段泥沙淤积速度则呈增大趋势;淤积物粒径沿程分选不明显,常年回水区淤积物中值粒径多在0.01 mm以下.库区峡谷段深泓线无明显变化、尚未出现泥沙淤积三角洲、库尾泥沙淤积上延和尾水抬高不明显,据此初步推断峡谷河段存在富余挟沙力而成为局部侵蚀基准面,整个库区将无统一平衡比降的趋势.
黄河下游高含沙洪水过程一维水沙耦合数学模型
夏军强, 张晓雷, 邓珊珊, 李洁
2015, 26(5): 686-697. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.010
摘要:
采用浑水控制方程,建立了基于耦合解法的一维非恒定非均匀沙数学模型,用于模拟高含沙洪水演进时的河床冲淤过程.然后采用黄河下游游荡段1977年7—8月实测高含沙洪水资料对该模型进行率定,基于水沙耦合解法的各水文断面流量、总含沙量及分组含沙量的计算过程与实测过程符合更好,计算的沿程最高水位及累计河段冲淤量与实测值也较为符合.最后还采用2004年8月高含沙洪水资料对该模型进行了验证.模型率定及验证计算结果表明,采用一维水沙耦合模型计算高含沙洪水过程,能取得较高的精度.
泥沙起动概率的高速摄影测量方法
苗蔚, 陈启刚, 李丹勋, 钟强
2015, 26(5): 698-706. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.011
摘要:
为了通过实验测量泥沙起动概率,基于封闭槽道内开展的泥沙起动实验,系统论述了基于高速摄影的起动概率测量方法所涉及的起动概率定义、相机采样频率、图像处理方法、起动比例与运动比例的关系等关键问题.根据泥沙在水流紊动猝发作用下起动的物理机制,定义实测起动概率为单个紊动猝发周期内,从一定面积床面上冲刷外移的泥沙比例.根据推移质运动概念模型,提出高速图片拍摄间隔应小于推移质运动的中间时间尺度,以捕获泥沙的每一次起动.在高速图像处理时,通过连续两帧图片之间的灰度差实现运动比例的无偏差提取.进一步分析表明,运动泥沙可处于起动、止动或滑翔状态,运动比例等于起动比例、止动比例和滑翔比例之和,起动比例与运动比例之比等于两张图片之间的时间间隔除以推移质运动的中间时间尺度.基于上述关键技术,将高速摄影测量方法用于泥沙起动概率的测量,结果表明,临界起动水流条件时,床沙处于少量起动现象,对应的临界起动概率与窦国仁所推导的2.28%接近.
论感潮河段航运工程水文标准分界与衔接
张幸农, 陈长英, 刘慧
2015, 26(5): 707-713. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.012
摘要:
针对中国河流与海岸交界处感潮河段航运工程水文标准存在的问题,特别是设计水位的确定及其衔接和水流、泥沙分析方法的差异,进行区段划分和标准衔接关系的研究.通过阐述感潮河段区段及基本特征,分析了各类航运工程的水文指标,提出以"月平均潮位年变幅多年平均值" 和"多年平均潮差"两特征值的比值作为感潮河段不同区段划分的依据指标,并通过实例计算,论证了航运工程水文标准分界及其衔接关系.结果表明,该指标反映了感潮河段不同区段水文条件受径流和潮汐的影响程度,依据其不同取值,可对航运工程水文标准予以分界,形成较好的衔接.
城市小型河流水动力弥散和潜流交换过程
于靖, 张华
2015, 26(5): 714-721. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.013
摘要:
为研究城市小型河流中污染物的物理迁移过程规律,分析基流条件下流动水体与暂态存储区之间的滞留交互作用,采用溴化锂(LiBr)作为保守性示踪剂进行野外现场示踪试验,结合一维溶质运移存储模型(One-dimensional Transport with Inflow and Storage model, OTIS)定量解析潜流交换特性,估算纵向弥散系数(D)、潜流交换面积(As)、主河道断面面积(A)和潜流交换系数(α).模型度量指标DaI值和均方根误差值结果表征参数模拟结果可靠性高,拟合效果理想.由泵入点O至下游1 300 m设置的A、B、C、D 4处监测点的模拟结果表明,水文参数DAsAα均随水文条件而变,OB河段(0~600 m)潜流交换能力较弱,主要以对流弥散过程为主;BD河段(600~1 300 m)具有较强的暂态存储能力,对溶质的滞留时间长;BC(600~1 000 m)和CD(1 000~1 300 m)河段交换系数分别为(3.42×10-6±0.65×10-6)s-1和(2.87×10-6±0.81×10-6 )s-1;河段BC存在2.2×10-5m3/(s·m)的侧向补给流量.4个河段对比发现,城市河流渠道化、河床沉积物贫瘠等特征导致潜流交换能力弱化.
非均质裂隙介质中重非水相流体运移
邓亚平, 张烨, 施小清, 吴吉春
2015, 26(5): 722-730. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.014
摘要:
由于裂隙介质具有强烈非均质性,使得重非水相流体(DNAPLs)在裂隙介质中的运移行为较孔隙介质更为复杂.基于指示模拟算法模拟裂隙介质的二元变量(粗糙面接触和裂隙开口),综合模拟退火算法构建裂隙渗透率随机场.采用T2VOC模拟DNAPLs在裂隙介质的运移,探讨粗糙面接触的相关长度、各向异性比、倾角以及非均质性程度对DNAPLs运移分布的影响.数值分析结果表明,粗糙面接触的相关性越差,DNAPLs污染范围越大;粗糙面接触的各向异性比和倾角增大,将导致更多DNAPLs残留;而相关长度和各向异性比增大以及倾角减小,都会引起DNAPLs锋面运移速率增大;随着渗透率非均质性增强,会导致局部粗糙面接触上蓄积的DNAPLs饱和度增大,运移速率减小.
结合糙率校正的河网水情数据同化
陈一帆, 程海洋, 万晓丽, 方华建
2015, 26(5): 731-738. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.015
摘要:
为解决河网水动力模型重要参数糙率与水力状态量水位、流量的同步校正问题,以糙率和水力状态量作为河网非线性动态系统变量,采用扩展卡尔曼滤波,构建结合糙率动态校正的河网水情数据同化模型.通过算例计算,系统分析了水位动态噪声水平、糙率动态噪声水平、糙率初始值及测站个数对模型校正的影响.结果表明:模型能够有效用于水位状态量的实时校正;靠近测站的糙率校正值趋于真值,远离测站的糙率校正值趋于初始值;通过调整糙率动态噪声水平,可以有效控制糙率的修正量,防止糙率修正过大而引起计算失效问题.
生态模型在河口管理中的应用研究综述
申霞, B. Larry LI
2015, 26(5): 739-751. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.016
摘要:
河口作为河流和海洋的交汇地,具有生态交错带特性,其在自然和人类活动双重压力下发生着演变.生态模型是研究生态系统结构、功能及其时空演变规律以及生物过程对于生态系统的影响及其反馈机制的重要手段.采用不同方法对生态模型进行分类,综述各类生态模型的特性、优缺点及应用领域.讨论建模过程中模型变量与函数、模型整合及时空尺度、模型参数取值及不确定等关键技术问题.分析各类生态模型在河口生态工程设计、生态系统修复、生态系统评价、系统决策支持等管理领域的应用.尽管中国河口生态模型构建及应用已有一些成果,但与国外相比,在理论生态学及数据积累方面仍有一定差距.
关于水工结构工程专业国家自然科学基金研究热点的认识
李炎隆
2015, 26(5): 752-758. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2015.05.017
摘要:
在国家自然科学基金委的资助下,中国的水利科学与海洋工程学科得到了长足发展.为进一步明确学科发展方向,正确指引水利学者的研究导向,基于国家自然科学基金委员会主办的"2014水工结构与水力装备战略研究暨青年学者学术交流会"及水利学科有关申请书的申请材料和专家评议意见,分析了水科学研究中水工结构工程学科近期的研究进展情况,初步明确了"库坝工程全寿命周期性能演变机理"为"十三五"期间水工结构学科重大研究项目,在"生态水工学"和"水利工程的信息化、数字化、智能化"为优先支持的跨学科交叉研究领域,提出了学科亟待攻关的前沿热点科学问题.该研究有利于科研工作者进一步凝炼关键科学问题,促进水利科学基础研究的发展.