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2016年  第27卷  第3期

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中国大陆降水时空变异规律——Ⅲ. 趋势变化原因
任国玉, 柳艳菊, 孙秀宝, 张莉, 任玉玉, 徐影, 张华, 战云健, 王涛, 郭艳君, 陈峪, 唐国利, 郭军
2016, 27(3): 327-348. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.001
摘要:
中国大陆现代降水表现出若干长期变化特征,对现代降水趋势性变化的原因,目前还没有很好了解。结合多种资料分析以及前人研究成果,对中国大陆近几十年降水变化趋势的原因进行了探讨,得到以下初步认识:① 现代降水量变化趋势具有明显的地域性差异,全国平均没有表现出显著增加或减少的长期变化,但强降水事件频率和降水量出现明显增多,而小雨事件特别是痕量降水事件显著减少。② 再分析资料表明,最近几十年全国水汽净收支量在一定程度上增加了,实际观测资料显示近地面和对流层中下层空气比湿或大气可降水量出现较明显上升趋势。③ 代用资料序列分析显示,全国大部地区近几十年降水变化仍处于晚近历史时期正常自然波动范围内;近百年观测的降水量序列也表明,黄淮海地区降水具有多重时间尺度相互叠加作用特点,低频自然气候变异的影响信号有清晰表现。④ 人类活动引起的大气中温室气体浓度增加对全国或东部季风区现代降水变化影响的信号,目前仍难以识别;区域性近地面风速减弱导致的雨量观测系统偏差以及大范围气溶胶浓度增加,可能是东部季风区大多数台站观测到的强降水事件频率增加和小雨频率显著减少的两个重要原因。⑤ 主要与城市化影响相关的地面观测资料系统偏差,可以部分解释现有分析表明的短历时强降水事件频率和累计降水量增加现象,同时也很可能是城市台站小雨和痕量降水事件频率明显下降的另一重要原因。
东亚和南亚夏季风对中国季风区径流深影响
李夫星, 陈东, 汤秋鸿, 闫云霞
2016, 27(3): 349-356. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.002
摘要:
为揭示中国东部季风区径流深对东亚和南亚夏季风变化的响应规律,建立了八大流域VIC(Variable Infiltration Capacity)水文模型以及应用了Mann-Kendall和局部加权回归分析(Locally Weighted Scatter Plot Smoothing, LOWESS)相关性检验方法,并分析了径流深系数空间变化情况。结果表明:东亚夏季风与径流深显著性相关范围要明显大于南亚夏季风,主要位于长江流域以北和松花江流域以南的广大地区以及华南部分地区,并分别成正相关和负相关;而南亚夏季风与径流深显著性正负相关的区域则分别位于华南地区及长江流域上游部分地区。此外,季风区径流深系数空间差异明显,易产流区主要位于长江流域及东南沿海地区,而黄河及海河流域则产流较难。因此,对东亚及南亚夏季风的研究可为预测中国东部不同地区的水文过程及水资源变化提供重要的科学参考。
基于全球导航卫星系统资料的短时降水预报
姚宜斌, 赵庆志, 李祖锋, 何亚东
2016, 27(3): 357-365. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.003
摘要:
根据大气对天顶对流层延迟(Zenith Tropospheric Delay, ZTD)影响的变化特征,提出并实现了一种无气象数据短时降水预报的方法。利用2015年5—6月浙江连续运行参考站(Continuously Operating Reference Station, CORS)网的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)观测数据和对应每小时的降水量信息对该方法进行验证,结果表明该方法能够预测出80%以上的降水事件,与国际上利用气象数据根据大气可降水量(Precipitable Water Vapor, PWV)预测出的结果精度相当。表明脱离地面实测气象数据仅利用ZTD对短时降水进行预报可行有效,对于降水的短时预报具有重要研究意义和应用价值。
分布式“河道-沉陷区-地下水”水循环耦合模型——Ⅱ:模型应用
陆垂裕, 李慧, 孙青言, 王浩, 严聆嘉, 张博
2016, 27(3): 366-376. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.004
摘要:
以淮南潘谢矿区2010年沉陷状况为背景,采用2001—2010年水文气象数据,应用构建的分布式"河道-沉陷区-地下水"耦合模拟模型对沉陷区水循环状况进行了模拟,并对模拟结果进行了检验。结果表明,河道汇流、水面降水、地下水和产流在沉陷区积水补给中所占比例分别为84.6%、8.8%、3.6%和3.0%,河道下泄、水面蒸发、渗漏和引水在沉陷区积水排泄中所占比例分别为80.6%、8.2%、1.3%和9.9%,沉陷区的自然水循环主要依赖于相连河道,其次为水面降水与蒸发,与地下水关联甚微。
赤水林区旱季雾水对地表径流的水量贡献
陈建生, 赵洪波, 詹泸成
2016, 27(3): 377-384. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.005
摘要:
为探明赤水林区旱季地表径流补给来源组成以及雾水对该地区的水量贡献,于2014年12月对区域内水量大、易进入的3条瀑布径流进行了采样,样品包括雾水、泉水和溪水。通过对水样进行D、18O同位素分析,并与遵义的降水同位素数据对比,发现赤水林区旱季雾水的D、18O明显比降水富集;泉水和溪水具有相似的氢氧同位素组成,都落在11月与12月的降水同位素之间,且都分布于遵义地区降水线附近。赤水林区旱季地表径流主要受地下水补给,地下水是前期间断性的降水与持续不断的雾水的混合。雾水间接补给地表径流,是旱季地表径流重要的水量来源。在四洞沟、十丈洞和燕子岩这几个区域的平均补给量达到了24.1%(D同位素的计算结果),18O同位素的计算结果为20.0%。
三峡工程运用对近期荆江段平滩河槽形态调整的影响
夏军强, 邓珊珊, 周美蓉, 卢金友
2016, 27(3): 385-391. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.006
摘要:
针对近期荆江段河槽形态的显著调整,定量研究了三峡工程运用对其造成的影响。计算了2002—2013年该河段断面及河段尺度的平滩河槽形态参数,并建立这些参数与宜昌站汛期水流冲刷强度的经验关系。还原了在无三峡工程时宜昌站的水沙数据,计算了相应的河槽形态参数,分析了有、无三峡工程时荆江段河槽形态调整的差异。计算结果表明:三峡工程运用后近期荆江段平均河床比降略有调平,河段平滩水深逐年增加,但平滩河宽变化较小,使得河相系数减少6.7%~10.3%;无三峡工程时平滩河槽形态调整较缓,河段平滩水深及面积的增幅分别仅占有三峡工程时的16%和18%。故三峡工程运用没有改变近期荆江段河槽形态趋于窄深的调整趋势,但一定程度上加快了调整过程。
长江口北支河槽容积变化特征的定量分析
杨程生, 高正荣, 俞竹青
2016, 27(3): 392-402. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.007
摘要:
北支河槽容积变化是北支河道演变趋势在定量上的直接表现,河道边界条件和河床泥沙运动是影响河槽容积变化的主要因素。收集1986—2013年长江口北支河道年实测地形资料,利用GIS技术建立不同时期水下数字高程模型,进行北支河槽容积变化和河床冲淤变化特征分析。结果表明,北支岸线圈围和泥沙淤积导致了1986年以来河槽容积萎缩。北支河槽0m线以下容积共减少约7.110亿m3,岸线圈围引起河槽容积减少4.000亿m3,占比56.3%;泥沙淤积引起的河槽容积减少3.110亿m3,占比43.7%。具体而言,北支上段河槽容积萎缩主要是泥沙淤积所致,其航道开发综合利用应遵循上段的泥沙运动规律特点;中段则是边滩圈围和沙洲并岸引起,边界调整后束流作用加强,河床冲刷,断面形态调整后水深条件更加有利于中段的航道利用开发;下段是泥沙淤积和边滩圈围共同影响所致,泥沙淤积影响略大,但下段沿北岸-5m深槽始终存在且稳定,具备航道开发利用的河势基础,且南侧河道边界仍具有可圈围的余地。
沙坝地形上沿岸流不稳定运动模式变化特性
任春平, 白玉川
2016, 27(3): 403-411. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.008
摘要:
为研究沙坝地形上沿岸流不稳定运动特征模式变化特性,建立了考虑底摩擦影响的不稳定模型,并用该模型计算了两种沙坝地形(坡度分别为1:40和1:100)上的不稳定特征模式,这些模式内容包括不稳定运动波长、传播速度、不稳定增长率和扰动速度场。将这些结果与忽略底摩擦计算结果进行了比较,分析了底摩擦对不稳定特征模式的影响。上述研究表明沙坝地形上不稳定运动传播速度约为时均沿岸流最大值的0.71~0.79;1:40沙坝地形上产生不稳定运动所用的时间比1:100地形上更短;底部摩擦可以很大程度上抑制沿岸流不稳定运动的产生;一般观测到的(准)韵律形、新月形沙坝都在后剪切区(紧邻时均沿岸流最大值向海方向区域)产生;不稳定运动在沙坝处运动最强,并且坡度越缓,不稳定运动沿岸方向波长越长。
赣北红土区工程堆积体坡面水动力特性
王雪松, 陈曦, 马洪超, 谢永生
2016, 27(3): 412-422. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.009
摘要:
为探明锥状工程堆积体坡面薄层水流剥蚀率与水力要素之间的关系, 室内模拟赣北红土区散乱锥状工程堆积体。通过人工降雨试验, 设计4种降雨强度(1.0~2.5mm/min)和3种砾石含量(10%~30%)完全组合。采用灰色关联度分析法, 评估坡面水力参数与土壤剥蚀率之间的关联度。结果表明:① 在试验条件下, 坡面水流功率与土壤剥蚀率呈幂函数关系;② 当堆积体砾石含量一定时, 以降雨强度为变量能反映堆积体坡面水力参数与土壤剥蚀率之间的关联度;③ 当降雨强度一定时, 大雨强下(≥1.5mm/min)堆积体砾石含量不宜作为灰色关联度分析的变量。综上所述, 水流功率是描述赣北红土区锥状工程堆积体侵蚀过程的最佳水力参数, 可用于建立堆积体侵蚀物理模型。
河岸带潜流层温度示踪流速计算方法
李英玉, 赵坚, 吕辉, 陈斌
2016, 27(3): 423-429. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.010
摘要:
为揭示低温水影响下的河岸带潜流层的温度场和流场分布特性,利用野外水温水位实时监测试验,研究河岸带潜流层温度场在不同季节、不同空间位置上的分布特性,并利用水温资料计算获得地下水流速。结果表明:河岸带潜流层温度场在夏季和冬季分别呈现出"上暖下冷"和 "上冷下暖"的温度分层现象;通过对温度示踪方法的4种计算方法进行分析比较,得到Hatch相位法计算的地下水流速具有较高的准确性,在2014年12月15—31日时段内流速大小为1.03×10-4~7.96×10-4m/s,在空间上,断面深度增加,地下水流速降低,且不同深度流速曲线接近平行。
明渠均匀流Q结构分布及运动特性
杨胜发, 张鹏, 胡江, 李文杰, 陈阳
2016, 27(3): 430-438. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.011
摘要:
为了解明渠均匀流湍流Q结构(Quadrant events)第一象限事件(Q1)、第二象限事件(Q2)、第三象限事件(Q3)和第四象限事件(Q4)的时均与瞬态运动特性,使用高频粒子成像测速系统对3种明渠湍流二维瞬时流速矢量场进行测量,统计分析明渠湍流脉动流速场中Q结构的雷诺应力、发生频率、占据测量区域面积率以及Q结构与涡结构运动关系。结果表明:Q1与Q3结构时均特性相似,具有发生频率低、面积占据量少、负瞬时脉动动量通量小等特点;而Q2与Q4结构时均特性与之相反,且Q4结构发生频率沿水深增加而逐渐增多至0.8H附近达到最大,Q2结构发生频率在壁面区域为最大,沿水深增加而减小。明渠瞬态运动特性主要表现为水面区造成Q4结构向下运动,挤压、推进、爬升床面区的Q2结构伴随其自身形变的瞬态发展过程。
闸坝调控对河流水生态环境影响特征分析
左其亭, 刘静, 窦明
2016, 27(3): 439-447. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.012
摘要:
为探讨闸坝工程对河流水生态环境的影响效应,进行实地闸坝调控实验,监测河流水质指标在不同调控(0 m3/s、20 m3/s、40 m3/s和60 m3/s)方式下的空间变化,并调查水生态指标,探析长期和短期的调控干扰对河流水生态环境的影响特征。结果表明:60 m3/s调控,有助于闸下污染物的氧化和分解,提高河流水体的自净作用;水体的强烈冲刷和扰动作用促进底泥中污染物向水体转化,极易造成闸下区域水体的突发性二次污染;短期频繁地开闸调控对浮游动植物的密度分布影响显著;长期的调控干扰导致水生生物群落和结构单一,水生态环境显著恶化,闸上区域负面影响更为严重。研究结果可为河流生态修护与可持续流域水环境管理提供科学依据。
大规模跨流域水库群供水优化调度规则
万芳, 周进, 原文林
2016, 27(3): 448-457. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.013
摘要:
针对大规模跨流域供水水库群联合调度中调水、引水、供水三者之间的复杂性、动态性和不确定性的特点,在二层规划模型的基础上,应用博弈论原理,建立跨流域水库群供水调度规则的三层规划模型,提出调水规则、引水规则和供水规则相结合的跨流域水库群优化调度规则,从深层次揭示跨流域供水水库群之间的主从递阶层次的独立性及相互关联性;并应用基于免疫进化的粒子群算法对模型进行分层优化求解。以滦河下游跨流域水库群为对象进行研究,计算结果表明:① 减少了水量损失,提高了水资源的利用率;② 提高了供水区唐山、天津的供水保证率,降低了缺水破坏深度。
耦合长期预报的跨流域引水受水水库调度模型
卢迪, 周如瑞, 周惠成, 彭勇
2016, 27(3): 458-466. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.014
摘要:
为提高跨流域引水工程受水水库引水有效性,研究了耦合长期径流预报信息的跨流域引水受水水库调度模型。首先选取汛期径流预报信息,采用径流预报概率修正先验概率来描述径流的不确定性,建立了贝叶斯随机动态规划模型(BSDP-LTF)。然后将模型应用于碧流河水库,并与仅考虑径流相关的随机动态规划模型(SDP-I)、仅考虑长期预报信息的随机动态规划模型(SDP-LTF)进行比较。比较结果得出在供水保证率基本一致且不增加调度风险的情况下,BSDP-LTF模型相比SDP-I、SDP-LTF模型,可分别减少引水8.2%、4.1%。表明贝叶斯随机动态规划模型BSDP-LTF有效改进了径流描述,提高了跨流域引水的有效性。
流域坡面汇流研究现状述评
申红彬, 徐宗学, 张书函
2016, 27(3): 467-475. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.015
摘要:
对当前坡面汇流计算方法的研究进展进行了较为系统的总结与分析,并对坡面汇流的非线性效应以及城市低影响开发中的雨水入渗与蓄集对坡面汇流的控制作用进行了简要分析。从模型简单实用的角度出发,认为以流域时间-面积关系与线性水库相串联的ModClark法等为代表的概念性分布式坡面汇流模型具有良好的发展前景;考虑到基于等流时单元的变动等流时线法在反映雨强非线性影响中存在的问题,认为根据水文响应单元在不同雨强条件下汇流时间的变化,调整其汇流参数以反映坡面汇流的非线性效应,对于流域坡面汇流的分布式模拟更具有实际意义;针对目前低影响开发设施长时间序列大空间尺度的室外降雨径流监测资料普遍较为缺乏的现状,给出了后期应积极选择合适的技术以加强低影响开发性能监测工作的建议。
湿地“淹埋深-历时-频率”阈值研究的理论和方法
殷书柏, 沈方, 付波霖
2016, 27(3): 476-484. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.03.016
摘要:
针对"淹埋深-历时-频率"(S, D, F)阈值研究存在的问题,根据土壤学、植物生态学、系统论、地理系统学说以及反演理论等的相关原理,系统分析了湿地(S, D, F)阈值确定的理论和方法。结果表明:在正常情况下,水饱和至地表的最大地下水埋深、湿地植物主要根系分布层下限和沉水植物分布下界淹水深分别是湿地土壤上界、湿地植被上界和湿地下界的S阈值;D阈值只能通过湿地土壤或湿地植被边界界定在水位过程线上反演,稳定湿地边界的D阈值应取与50%频率值对应的D值或D值的多年平均值,波动湿地边界的D阈值是常数;"非正常情况下"湿地的D阈值应参照湿地水文地貌分类的同一区域子类中"正常情况下"的湿地的D阈值;检验D阈值科学性的标准是利用D阈值确定的湿地水文边界必须与湿地土壤边界或湿地植被边界耦合。