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2017年  第28卷  第1期

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龙羊峡、刘家峡水库运用对黄河上游水沙关系的调控机制
姚文艺, 侯素珍, 丁赟
2017, 28(1): 1-13. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.001
摘要:
依据龙羊峡、刘家峡水库进出库水沙定位观测资料,根据河流动力学原理,分析了水库运用对径流泥沙过程的调节作用及其影响,揭示了水库对其下游河道水沙关系的调控机制。结果表明:①大型水库运用对进、出库径流泥沙的调节作用与水库的运用方式有关,多年调节的龙羊峡水库对径流为线性调控,对泥沙为非线性调控,而不完全年调节的刘家峡水库对径流、泥沙均为线性调控;②水库运用对其下游河道水沙关系具有很强的干扰作用,主要是打破了天然条件下河道通过长期自动调整所形成的输沙规律,改变了挟沙水流的本构关系;③大型水库运用对水沙关系动力学机制的影响主要归因于重新调整了挟沙水流的平衡条件,使洪水传播过程中切应力降低,临界弗劳德数增大,改变了相对平衡输沙状态,挟沙水流则需通过淤积增大比降,满足临界弗劳德数状态下的水流切应力要求,重新实现挟沙水流的平稳状态,从而致使水沙关系发生相应变化。
中国农业广义水资源利用系数及时空格局分析
操信春, 邵光成, 王小军, 王振昌, 何鑫, 杨陈玉
2017, 28(1): 14-21. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.002
摘要:
为统一核算区域蓝水、绿水资源有效利用程度,构建了农业广义水资源利用系数(Eg)指标,核算中国31个省区粮食生产中的Eg,并基于空间自相关和通径分析方法对其时空格局及成因进行分析。中国1998-2010年Eg为0.588,大部分省区呈随时间增大趋势;Eg相似的省区在空间上显著地聚集,高值省区聚集于西部,低值省区集中于东南地区,且空间聚集现象呈减弱趋势;农业生产管理水平对Eg的影响大于气候要素,社会经济条件影响最小。结合广义水资源利用状况,西南省区可扩大粮食生产规模以发挥Eg较大优势,东北与华北粮食主产区应通过提高Eg以保障粮食安全和水资源可持续利用。研究可发展农业用水效率评价理论同时为国家粮食生产与水资源管理策略的制定提供参考。
三江平原沼泽湿地格局变化及影响因素分析
刘吉平, 杜保佳, 盛连喜, 田学智
2017, 28(1): 22-31. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.003
摘要:
为揭示湿地变化剧烈区湿地格局变化过程及规律,利用GIS和RS技术,结合地学信息图谱与空间自相关方法,对1954-2010年三江平原沼泽湿地格局变化及其影响因素进行研究。结果表明:1954-2010年三江平原沼泽湿地面积逐渐减少,88.7%的沼泽湿地丧失,湿地斑块数量呈先增加后减少的趋势;三江平原沼泽湿地的空间聚集性逐渐降低,且空间格局由集中连片分布转变为零星散布;降雨量减少、气温升高及径流量减少,是造成沼泽湿地减少的主要原因之一,地形地貌影响到沼泽湿地的丧失程度,以海拔20~80 m的沼泽湿地面积丧失最多。三江平原沼泽湿地的丧失同时受农业开发、居民点分布、湿地保护区建设影响,距居民点越近,沼泽湿地面积丧失呈指数增加,距保护区越近,沼泽湿地面积丧失越多。
青藏高原坡面冻土土壤水分空间变异特性
曹伟, 盛煜, 吴吉春, 李静, 王生廷
2017, 28(1): 32-40. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.004
摘要:
为深入揭示坡面冻土水分运移规律及其主要影响因子,以青藏高原巴颜喀拉山北坡为例,结合冻融变化过程,研究不同地形条件冻土土壤水分空间变异特征,利用分类回归树模型(CART)和典范对应分析(CCA)识别影响坡面冻土土壤水分空间异质性的主控因子及其相互作用关系。研究结果表明:①受坡面地形与冻融过程影响,冻结期坡面冻土土壤水分侧向流动减弱,以垂直迁移为主,上坡位含量高于下坡位,反之,融化期上坡位含量则低于下坡位。②影响坡面冻土土壤水分的主要环境因子为高程、土壤质地、土壤温度和植被覆盖度,但在不同冻融阶段下其影响因子存在差异,在冻结状态下主要因子为高程、土壤质地和土壤温度,其相对贡献率分别达到19.97%、19.45%和9.56%;在融化阶段下主要因子为高程、植被覆盖度和土壤质地,其相对贡献率分别为37.4%、14.9%和10.7%。③ 0~20 cm浅层深度上影响坡面冻土土壤水分的主要因素为坡度、高程和植被覆盖度,其相关系数分别高达0.941 2、0.903 9和0.563 1;中下层深度上其主要影响因素较为复杂。
河岸带土壤磷素空间分布及其对水文过程响应
钱进, 沈蒙蒙, 王沛芳, 王超, 侯俊, 李昆, 刘晶晶
2017, 28(1): 41-48. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.005
摘要:
野外观测太湖地区典型农业河岸带——浯溪荡河岸带土壤总磷(TP)和溶解性总磷(DTP)含量以及当地降雨量、河水水位和地下水水位,探讨了丰水年条件下该河岸带土壤TP和DTP的空间分布特征以及水文过程对其空间分布的影响。结果表明:①在水平方向上,土壤TP和DTP含量从远岸向近岸均呈现先减少后增加的变化趋势;在深度方向上,各断面TP和DTP含量随土层深度的增加均呈减少的变化趋势。②不同月份河水水位均低于地下水水位,地下水补给河水。河水水位和地下水水位随时间的变化规律与降雨量的相似,但具有一定的滞后性。③降雨是土壤水分运动的主要驱动力,降雨、河水水位以及地下水水位对河岸带土壤磷素空间分布的影响显著不同。
滨海城市雨潮遭遇联合分布模拟与设计
涂新军, 杜奕良, 陈晓宏, 柴苑苑, 卿颖
2017, 28(1): 49-58. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.006
摘要:
滨海城市河流常常遭受暴雨和潮汐顶托双重影响导致洪涝灾害,需要重视雨潮遭遇联合分布模拟与设计。以深圳市西乡河为例,采用年最大值法(AM)和超定量序列法(POT)两种选样方法,基于Copula方法模拟24 h暴雨遭遇日高潮位的联合分布特征,对比雨潮遭遇传统重现期和二次重现期差异,根据同频法和权函数法反推计算雨潮设计组合值。结果表明:雨潮边缘分布最优模型均为广义正态分布(GNO),不同选样方法雨量分布模型参数差异明显。雨潮之间呈现较弱的正相依性,Archimedean Copulas均能较好地模拟雨潮遭遇联合分布特征,最优模型为Gumbel-Hougaard Copula。同频法反推雨潮设计组合值,二次重现期雨量和潮位均大于传统联合重现期,POT选样的潮位大于AM。权函数法选出的雨潮设计组合值,偏重于较高的潮位,雨量设计值较小。当明确了选样方法、联合分布模型和重现期类型,给定联合重现期的雨潮设计组合值是个此消彼长的过程,若选择较大的雨量设计值,则潮位值变小,反之亦然。从防洪潮设计安全角度考虑,POT选样方法及二次重现期设计更为安全。
测流不确定度的插值方差估计法
白直旭, 黄艳, 许月萍
2017, 28(1): 59-66. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.007
摘要:
目前,测流不确定度通过误差试验或通过经验数值来确定,但这些方式存在着工作量大或不确定估计不足等局限性。为解决此问题,对基于实测数据和统计理论的插值方差估计法在不同测流条件下进行了验证,选取白河、襄阳和沙洋3个流量站进行了实测数据的不确定度分析,同时对白河站进行了Monte Carlo试验,比较插值方差估计法得到的不确定度与真实误差的差异。结果表明,插值方差估计法能较好地反映水位变化的影响,插值方差估计法所得到的不确定度与真实测流误差的相关系数达0.64,与断面水位变化的Spearman相关系数达0.79,高、中水位情况下插值方差估计法的不确定度估计结果较为合理,低水位情况下偏高。
出渗对均匀大粒径泥沙附近水动力特性影响
蒋昌波, 刘洋, 邓斌, 刘易庄, 陈家源
2017, 28(1): 67-75. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.008
摘要:
为探讨出渗对均匀大粒径泥沙颗粒周围水流特性的影响,基于粒子图像测速技术(PIV)对出渗影响下的均匀大粒径泥沙颗粒群周围水流结构进行测量,并对不同出渗强度下颗粒群周围立面二维流场结构进行了分析。试验结果表明:出渗能够减小颗粒群周围原水流运动方向的流速,而增大垂直向上的流速,且两者均随着出渗强度的增强而对流速的影响愈加明显;根据实测数据,拟合出考虑出渗影响下的均匀大粒径泥沙周围纵向流速分布公式,相关性较好;出渗能增强颗粒群附近的紊动强度,加剧周围水体的能量耗散;随着出渗强度的增强,颗粒群周围的涡量值随之减小。
闸下变动水位的船闸输水水力学计算
杨元平, 曹颖, 杨利, 李浙江
2017, 28(1): 76-85. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.009
摘要:
为解决强潮海域闸下潮位变化剧烈的船闸输水系统水力学计算问题,以现有规范为基础,从输水计算原理出发,推导了变动水位条件下的输水水力学计算方法,应用该方法计算分析了变动水位对三堡船闸安保工程输水的影响,并对闸室面积、初始水头、闸外落潮速度等因素进行敏感性计算分析。结果表明,采用该方法计算得到变动水位条件下输水时间缩短,最大流量、最大比能也小于取初始恒定水位的计算成果,结果更符合强潮海域船闸实际输水过程,为类似条件船闸输水水力学计算提供了一种技术、经济合理可行的计算方法。
开敞式潮滩-潮沟系统发育演变动力机制——Ⅰ.物理模型设计及潮沟形态
龚政, 吕亭豫, 耿亮, 周曾, 徐贝贝, 张长宽
2017, 28(1): 86-95. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.010
摘要:
为研究潮沟发育演变动力机制,建立了以江苏中部粉砂淤泥质潮滩-潮沟系统为原型的降比尺物理模型,模拟在潮汐作用下,潮沟系统从平坦滩面逐渐形成、发育演变至动态平衡状态的过程,并分析了潮沟系统在不同阶段的形态特征。研究结果表明:潮沟系统发育速率先快后慢,最终达到动态平衡状态。采用潮沟发育各阶段潮沟系统的总长度与终态潮沟总长度的比值以及潮沟及其相邻处潮滩的高程变化速率两种方法,均可以衡量潮沟系统的发育程度。潮沟系统发育达到动态平衡后,各级潮沟个数占潮沟总数量的比例基本固定。潮沟的宽度、深度、宽深比均符合对数正态分布。潮沟的宽度与宽深比、深度与宽深比之间均具有幂函数关系。
基于二维浅水方程的滑坡体兴波数值模型
房克照, 尹晶, 孙家文, 焦子峰
2017, 28(1): 96-105. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.011
摘要:
基于有限体积方法和结构化网格,建立了海底滑坡引起的波浪传播数值模型。模型控制方程为考虑了海床随时间变化的二维浅水方程。采用中心迎风格式计算控制体界面数值通量,采用线性重构技术、局部海床高程处理技术和全隐式离散底摩阻项,保证了格式的和谐性、守恒性和水深非负性,有效处理了海岸动边界问题。时间积分采用具有强稳定性质的二阶龙格-库塔方法(ssp RK)。针对滑坡体兴波经典算例开展数值模拟,将计算结果与解析解、实验结果及其他模型计算结果进行比较和分析。结果表明,对于所考虑的计算工况,模型能较合理地模拟滑坡兴波的产生、传播和爬高过程。
舟山岛东北部沿海实测台风浪特性
杨斌, 施伟勇, 叶钦, 张自历, 杨万康, 宋泽坤
2017, 28(1): 106-115. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.012
摘要:
为了解影响舟山岛的台风浪特性,基于舟山岛东北部沿海水域深、浅水两个测站同步测量的6个台风过程波浪资料,统计分析了两测站的波参数变化和谱变化特性,探讨了波浪变化的原因。研究显示:①灿鸿过程的深、浅水站最大波高均大于其他5个台风浪过程;②多数台风浪过程深水站波向主要为东及东南东向,而浅水站主要为东、东北东及东北向,水下地形对波向变化起主要作用;③不同路径台风对两测站谱型有明显影响,灿鸿、巴蓬、黄蜂和天鹅过程的波浪在两站以双峰谱为主,苏迪罗和杜鹃过程深水站波浪以单峰谱居多,浅水站则多峰谱多于单峰谱。研究成果对沿海建筑物的设计以及防灾减灾有重要参考价值。
基于热力学过程的渤海海冰生消模型
王昆, 刘潘, 金生, 王年斌, 于喆
2017, 28(1): 116-123. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.013
摘要:
为了对渤海海冰生消问题进行模拟,基于三维自由水面垂向分层动网格的Euler-Lagrangian模式,采用VC(Vertex-Centered)方式的非结构化有限体积方法离散三维浅水方程组,模拟渤海的水流运动过程。以此水动力场为背景,引入热力学过程的影响,对渤海海域的冬季结冰过程进行模拟,建立了海冰生消模型。其中热力学参数主要包括大气温度、相对湿度、风场特征、太阳辐射、感热通量系数以及潜热通量系数。以渤海2011/2012年常冰年的结冰过程为例,将各个热力学参数对冰情影响的敏感性进行分析,对模型进行了验证。结果表明,感热与潜热系数是对冰情影响最敏感的一项,即当感热和潜热通量系数仅减小了0.000 2后,其海冰的最大厚度就减小了15 cm。最后,通过连续实测的水动力数据与2009/2010年冬季的典型海冰灾害过程再一次对模型进行了验证,充分说明了模型具有较高的精确性、稳定性与实用性。
大坝下游河岸带冬夏季水热交换特征对比
刘东升, 赵坚, 吕辉
2017, 28(1): 124-132. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.014
摘要:
为对比水库下游河岸带冬夏季潜流交换特征及温度场分布规律,在新安江大坝下游开展了河道水、河岸带地下水的水位与温度监测,并结合达西定律推广式等理论进行了分析。结果表明:不论冬夏季,侧向潜流交换量与河道水位呈逆时针“绳套”关系,且离河道越近潜流交换强度越大;冬、夏季潜流交换强度与补给方式存在明显不同,在近河岸处单宽交换总体积分别为55.23 m3(周)、75.08 m3(周),夏季主要为河道补给河岸带,冬季相反,此外,夏季交换范围更大且交换更快;河岸带温度场受低温波动水影响显著,在垂直方向上夏季表现为“上暖下凉”,冬季相反,在水平方向上夏季低温传播距离较大,且具有明显的分区。因此,在水库下游河流生态治理过程中,应适当考虑不同季节的影响。
南水北调中线输水调度实时控制策略
曹玉升, 畅建霞, 黄强, 陈晓楠, 黄会勇
2017, 28(1): 133-139. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.015
摘要:
科学合理的输水控制策略是保障长距离调水工程安全平稳运行的基础,根据控制策略实现向各分水口门供水计划的目标。在总结现有输水调度控制研究成果基础上,通过结合调度运行实际,综合考虑目标水位控制的鲁棒性、水位降幅的约束性、渠道上下游水情的统筹性因素,对输水调度控制策略进行了改进,提出了基于流量变化、水位变幅相耦合的实时调度控制策略。根据流量变化对渠段进行水量平衡分析,实施宏观控制,同时根据水位及其变幅实施微观调控。模型应用于南水北调中线渠段水位调整典型工况,通过渠首至测试断面坟庄河节制闸之间,约1 100 km的输水调度,成功实现了坟庄河节制闸前运行水位按需求降低0.5 m的目标,此过程中保持了其他渠段运行平稳。而传统控制策略由于未统筹考虑上、下游水情和水位降幅限制,测试时出现坟庄河节制闸前水位骤降,而其下游水位骤增的不利情况。
溃坝应急撤离研究与实践综述
张士辰, 王晓航, 厉丹丹, 吉立
2017, 28(1): 140-148. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.016
摘要:
溃坝撤离技术理论对编制撤离预案和指导撤离行动至关重要,目前研究主要集中在影响因素分析、溃坝洪水-人流-路径叠加分析、人员死亡数量规律统计等方面,但溃坝撤离基础数据不足,环境-地物-人群三元耦合过程中主要因素互馈机制不清,预警时间研究不深,相关理论发展受限。对近几十年溃坝撤离技术理论研究和实践进行综述,总结了国内外溃坝撤离实践和溃坝撤离影响因素、过程模拟、预案评价等主要成果,研究了预警时间和临界预警时间概念,展望了今后主要发展方向。应还原典型溃坝案例撤离过程,基于人类行为和社会组织机制揭示溃坝撤离系统动力学特征,探索临界预警时间与溃坝生命损失之间的定量关系,促进溃坝撤离技术理论与应用发展。
脱节型河流与地下水相互作用研究进展
靳孟贵, 鲜阳, 刘延锋
2017, 28(1): 149-160. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.01.017
摘要:
河流与地下水的脱节现象广泛存在于干旱及半干旱地区,二者间的相互作用已成为目前的研究热点。在简要分析河流与地下水关系的基础上,综述了河流与含水层之间由饱和连接,经过渡脱节,演化为完全脱节系统的物理过程及机理和脱节系统形成的必要条件。总结分析了最大渗漏量法、临界地下水位法、水位波动法等河流与地下水关系判别方法以及优缺点。讨论了非稳定演化过程中河水的入渗规律以及介质时空非均质性对脱节系统的影响。分析认为目前脱节形成机理仍不完全明晰;简便有效的判别方法还需进一步研究;介质时空非均质性对河水渗漏的影响是未来研究的重要方向。