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2017年  第28卷  第2期

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北京地区降水极值时空演变特征
宋晓猛, 张建云, 孔凡哲, 王国庆, 贺瑞敏, 朱奎
2017, 28(2): 161-173. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.001
摘要:
为了科学评估变化环境下城市地区降水结构变化和深入认识特大型城市降水极值演变特征,以北京市为例,采用《北京市暴雨图集》中6种历时(10 min、30 min、1 h、6 h、24 h和72 h)的年最大暴雨统计数据和北京地区45个雨量站点1960-2012年汛期(6-9月)逐日降水观测资料,分别选择年最大值法和百分位阈值法,基于暴雨图集中的6种历时暴雨的统计特征值和两种百分位阈值下(95%和99%)的3种极端降水指标(发生次数、降水量和降水贡献率)分析北京地区降水极值的时空变化特征。研究结果表明:① 北京地区降水极值的空间分布受地形特征和城市化发展等因素影响而呈现出从东向西递减的趋势,且形成了局部区域高值中心;② 近50年来北京地区极端降水发生频次、极端降水量和极端降水的贡献率均表现出显著的下降趋势,在95%(99%)阈值条件下极端降水发生次数、极端降水量和极端降水贡献率的下降速率分别为0.13次/10 a(0.04次/10 a)、11.59 mm/10a(5.28 mm/a)和2%/10 a(1%/10 a);③ 两个阶段(1960-1985年和1986-2012年)的城区与近郊的极端降水指标差异表现不同,1960-1985年在极端降水频次方面郊区占优,而极端降水量和贡献率则是城区较高,1986-2012年3个指标均表现为城区较高。
TRMM卫星降水反演数据在珠江流域的适用性研究——以东江和北江为例
王兆礼, 钟睿达, 赖成光, 陈晓宏, 李军, 黄泽勤
2017, 28(2): 174-182. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.002
摘要:
为评估最新一代TRMM 3B42-V7卫星降水反演数据产品在珠江流域的精度和适用性,选取位于珠江流域下游的东江和北江流域为研究区域,基于地面雨量站点数据评估了该产品的精度和适用性,并结合可变下渗容量(Variable Infiltration Capacity,VIC)水文模型进行了水文模拟验证。对比分析结果表明,在网格尺度上,大多数网格日尺度相关系数达到0.60以上,月尺度相关系数达到0.90以上,3B42-V7产品表现出较好的精度,在区域尺度上精度得到了进一步提高;水文模拟验证分两种情景下进行,情景Ⅰ的结果表明,当水文模型由地面雨量站点数据率定时,3B42-V7产品数据的水文模拟效果不佳,个别区间内存在对洪峰流量明显的低估;情景Ⅱ的结果表明,由3B42-V7产品数据重新率定水文模型时径流模拟效果有了较大改善,说明该产品可在一定程度上作为资料缺乏地区的降水数据来源。
人类活动影响下的干旱区河流地貌演变——以塔里木河为例
余国安, 李志威, 黄河清, 刘晓芳
2017, 28(2): 183-192. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.003
摘要:
全球范围内干旱区河流正日益受到高强度人类活动的扰动,但较少研究报道这种扰动对河流地貌过程的影响。采用历史文献、水文数据和遥感影像相结合的方式,详细分析了人类活动影响下中国最大内陆河塔里木河(简称塔河)的河流地貌变化过程。结果表明:塔河流域人类活动的规模和强度日趋上升,对河流水沙过程和地貌形态等影响显著。近50年来,塔河干流低流量过程发生频率呈显著上升趋势,而中、高流量过程则呈降低趋势,河道径流和输沙量减少显著。塔河干流上游现为游荡河道,冲淤变化剧烈且总体处于淤积抬升状态, 但河道平均河宽呈减小趋势,可能是因为塔河两岸冲积平原的开垦和河岸加固。塔河中游弯曲河道蜿蜒系数在近几十年呈缓慢上升趋势,但明显低于废弃古河道。
三峡水库蓄水后下荆江急弯河道凸冲凹淤成因
朱玲玲, 许全喜, 熊明
2017, 28(2): 193-202. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.004
摘要:
三峡水库蓄水后沙量骤减使得荆江河段河床剧烈冲刷调整,下荆江急弯段“凸冲凹淤”,部分弯道凹岸侧淤积形成水下潜洲。这种不同于弯曲河道一般性演变规律的异常现象势必给下荆江的行洪、航运及江湖关系变化等带来新的影响,其内在成因急需揭示。基于原型观测资料分析,通过研究滩槽冲淤量及分布、滩体及河道形态特征等,全面揭示了近期下荆江急弯段“凸冲凹淤”的演变特征及河道形态响应。结果表明,流量年内过程重分配、来沙量及组成突变是下荆江急弯段“凸冲凹淤”的决定性因素。
长江口咸潮入侵扩散响应函数及初步应用
陈敏建, 胡雅杰, 马静, 闫龙, 周飞, 汪勇
2017, 28(2): 203-212. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.005
摘要:
咸潮入侵是入海径流和潮汐共同作用的盐度扩散过程。以量能累积与阻抗交互作用过程为理论基础,采用逻辑推理和数学分析推导了入海流量、潮差和咸潮入侵面积三者扩散响应的函数关系和曲线型态,并利用长江口近50年枯季入海流量、潮差和咸潮入侵面积进行了实证分析。结果表明,在一定入海流量条件下潮差与咸潮入侵面积关系具有S型曲线特征,入海流量与咸潮入侵最大面积关系也具有S型曲线特征,共同构成一个三维咸潮入侵扩散响应函数;长江口近50年的实测数据实证了上述三维关系特征,据此构建了双曲正切的S型长江口咸潮入侵扩散响应函数,并阐述了参数定值与量化方法;以此函数为基础,分析确定了长江口入海流量大于10 000 m3/s时可抵御大规模咸潮入侵,同时计算了2001-2012年咸潮入侵损失。
长江口北支倒灌影响区盐度预测经验模型
孙昭华, 严鑫, 谢翠松, 李奇
2017, 28(2): 213-222. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.006
摘要:
为预测不同径流过程影响下的盐水入侵强度,以长江口南支上段为研究对象,采用实测资料和理论分析相结合,建立了以大通流量和农历日期快速估算氯度值的经验模型。首先,以徐六泾实测潮位资料结合调和分析理论,在考虑11个主要分潮情况下证明日均潮差为半月周期函数,提出了用农历日期估算日均潮差的方法;其次,采用东风西沙实测氯度资料,选用不同函数形式,分析了以支汊盐水倒灌为主的情况下日均氯度对径流、潮差的量化响应关系;最后,提出了指数函数形式的氯度预测经验模型,模型计算值与实测值之间的决定系数在0.8以上。提出的经验模型可由大通流量快速估算特定位置的盐度,为相关的工程和规划研究提供了便捷途径。
岸滩侧蚀对航道条件影响的三维数值模拟——以长江中游太平口水道为例
假冬冬, 夏海峰, 陈长英, 张幸农
2017, 28(2): 223-230. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.007
摘要:
长江中游河道岸滩侧蚀现象普遍,易对航道稳定形成不利影响,深入研究岸滩侧蚀冲刷机理及其航道响应过程具有重要意义。建立了考虑相邻土体影响的黏性岸滩侧蚀坍塌力学模式,以长江中游太平口水道为例,基于局部网格可动技术,构建了岸滩侧蚀及其河床冲淤变化的三维水沙动力学模型;在模型验证相似的基础上,分析了清水冲刷条件下腊林洲边滩侧蚀对太平口水道航道格局的影响。研究结果表明:模型可较好地模拟由岸滩侧蚀所引发的河势演变过程;上游来沙减少后,太平口水道河床以及未守护低滩部位将进一步产生冲刷;腊林洲边滩稳定与否,对太平口水道“南槽-北汊”航道格局的稳定具有重要作用。
开敞式潮滩-潮沟系统发育演变动力机制——Ⅱ.潮汐作用
龚政, 耿亮, 吕亭豫, 周曾, 严佳伟, 张长宽
2017, 28(2): 231-239. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.008
摘要:
为研究潮汐作用下潮沟网络形成、演变规律,结合江苏沿海粉砂淤泥质潮滩实际情况,建立试验室物理模型,模拟具有一定坡度的潮滩在潮汐作用下的地形演变,分析了潮沟发育演变中的水沙运动规律,研究了潮差对于潮沟发育的影响。研究表明,潮沟发育过程受到床面坡度变化的影响,坡度均一的潮滩上,潮沟系统通过相邻小潮沟相互连接而形成,没有明显的潮沟头部溯源侵蚀现象;在潮汐作用下,涨潮初期和落潮后期水流流速较快,泥沙运动主要出现在这一阶段,在潮滩中部泥沙运动最为剧烈;潮差对于潮沟系统形态和结构的影响较小,潮滩排水路径长度与子流域面积呈幂函数分布,潮差越大则潮沟系统越早达到动态平衡,且具有更大的拓宽潮沟的作用。
整治工程影响下的河口拦门沙航道回淤特征及成因——以射阳港航道为例
陈可锋, 陆培东, 王乃瑞
2017, 28(2): 240-248. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.009
摘要:
通过不同时期实测地形资料,对比分析射阳港拦门沙航道一期整治工程建设后航道的回淤分布特征;利用实测水文泥沙资料和潮流数学模型计算分析射阳河口拦门沙航道开挖后的水流、含沙量特征;探讨了射阳港拦门沙航道淤积的泥沙来源和淤积成因。研究表明:航道开挖后沿程普遍淤积,尤其是口门及堤根区段航道淤积严重。导致航道淤积的主要原因为:有掩护航道内涨潮流速大、落潮流速小,口门外高含沙量水体进入航道后泥沙很难被带出航道,导致航道内普遍淤积;口门内2 km范围内回淤较大是由于越堤流输沙和口门内侧涨潮期间存在明显回流;导堤根部航道段回淤较大是由于射阳河与黄沙港河汇流后河道放宽,落潮期间出河口的水体挟沙力突然降低。
流域减沙对长江口典型河槽及邻近海域演变的影响
刘杰, 程海峰, 韩露, 王珍珍
2017, 28(2): 249-256. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.010
摘要:
基于2001-2015年长江口系列的水下地形和水文测验等资料,研究了流域减沙对长江口典型河槽及邻近海域演变的影响。结果表明:三峡工程建成后的近10多年,流域年均输沙量处于1.35亿t左右的较低水平。受其影响,长江口口内的南支、南港和北港上段的含沙量2008年之后明显下降,河槽冲刷、容积扩大,河槽形态向相对窄深方向演化。而拦门沙河槽的上游侧和口外侧近年来亦有所冲刷,拦门沙浅滩长度缩短。长江口水下三角洲前沿位于北港口外和南北槽口外有两个冲刷区,2007年之后年平均冲刷厚度达0.1 m左右,年侵蚀沙量达0.71亿m3。流域减沙对长江口河槽演变的影响尚在进行中,可能改变长江口水下三角洲向海淤涨的历史演变模式。
泥沙异重流与环境物质交换经验式对比
胡鹏, 胡元园, 贺治国, 林颖典
2017, 28(2): 257-264. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.011
摘要:
采用异重流层平均水沙耦合数学模型,模拟开闸式和恒定入流式泥沙异重流水槽实验,对比分析异重流与环境之间物质交换经验式的适应性和不确定性。考虑4个水卷吸经验式:ew59、ew86、ew87和ew01,5个泥沙侵蚀经验式:Es77、Es86、Es87、Es93和Es04。数值研究表明:水卷吸对于水槽异重流影响较小,应用综合考虑底床摩擦和剪切不稳定的ew经验式时模拟结果较好;开闸式异重流对床面侵蚀能力有限。对于恒定入流式异重流,应用Es87和Es93侵蚀经验式计算所得淤积厚度与实测值吻合较好,可能是率定时综合考虑了异重流实验数据。
波流环境中垂向圆管射流三维运动和稀释过程模拟
徐振山, 陈永平, 张长宽
2017, 28(2): 265-275. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.012
摘要:
采用大涡数值模拟方法建立了波流环境中垂向圆管射流三维物质输运数学模型,在此基础上分析了波流共同作用下射流运动和稀释过程,并探讨了波浪对射流三维时均浓度特征的影响。数模结果与实测数据的对比表明,该模型能够正确复演波流环境中射流速度和浓度沿水深分布的规律。引入了射流的三维浓度特征指标,即断面最小稀释度及其垂向位置和断面可视范围面积,发现随着波高或波周期的增大,波流环境中射流的断面可视范围面积逐渐增加,这说明波浪对射流的稀释起到一定的促进作用。
城市耗水计算模型
周晋军, 刘家宏, 董庆珊, 王忠静, 王浩, 向晨瑶, 栾勇
2017, 28(2): 276-284. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.013
摘要:
快速城市化背景下,城市人工供水的比例迅速增加,由此产生的耗水不可忽视。传统水文模型在计算耗水时一般只考虑降水产生的蒸发,忽略人工耗用蒸发。为解析城市耗水过程,探究城市耗水机理,在观测城市耗水过程的基础上,划分城市耗水类型,建立城市耗水量计算模型。以北京市某区域为例,采用调查统计、实验监测和模型计算结合的方法,计算该区域2014年的耗水量为820.0 mm,明显高于传统水文模型的计算结果(多年平均值为494.0 mm)。分项结果显示:研究区绿地耗水贡献率为40.58%,建筑体耗水贡献率为38.70%(其中内部人工耗水为31.22%,屋顶截留雨水蒸发为7.48%),硬化地面贡献率为18.32%,水面贡献率为2.40%。结果表明:建筑体内部耗水量不可忽视,是人工用水消耗的主要组成部分,其耗水量与建筑体层数和居民数量成正比例关系。
水流和电解质对黏性泥沙絮凝沉降影响试验
柴朝晖, 方红卫, 王茜, 刘同宦, SONG Yunhao
2017, 28(2): 285-292. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.014
摘要:
为探索河口海岸地区水流和盐度共同作用对黏性泥沙絮凝沉降的影响,以泥沙浓度和絮团粒径为参数,采用自制的同轴旋转双筒产生运动水流和外加电解质的方法,研究6个水流强度(0 s-1、1.38 s-1、2.54 s-1、4.67 s-1、7.19 s-1、13.2 s-1和20.3 s-1)和3种电解质(NaCl、CaCl2、AlCl3)作用下的黏性泥沙絮凝沉降过程。试验结果表明:① 水流对黏性泥沙絮凝沉降的影响与其强度相关。低强度水流(水流强度小于4.67 s-1)表现为初期促进、中后期阻碍的规律;高强度水流则由于强水流剪切力和自上而下的紊动掺混作用始终起阻碍作用。② 电解质的存在将分别增强和减弱高、低强度水流所起作用;相同浓度下,当阳离子化合价从+1价变成+3价时,水流的影响作用更明显,尤其体现在稳定段。
水位变化影响下的河水-地下水侧向交互带地球化学动态
杨平恒, 张宇, 王建力, 谢世友
2017, 28(2): 293-301. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.015
摘要:
为了解不同水位变化影响下的河水与地下水侧向交互带地球化学特征动态,以重庆市马鞍溪为研究对象,选取丰水期向枯水期过渡的10-12月为研究期,对河水、地下水及交互带的水位、水温、溶解氧(DO)、pH值、电导率(EC)进行监测,结合对水体主要离子浓度的分析。结果表明,随枯水期到来,侧向交互带水位发生较大变化,交互带与河水间的水位梯度缩小,河水入渗动力逐渐减弱。水位的变化及入渗水温的降低,使交互带微生物活动减弱,pH值上升且变幅减小,DO上升。在其影响下,交互带EC下降,变幅减小,交互带对NO3-、SO42-的净化能力降低,对Mn、Zn等重金属固定能力增强。通过分析交互带地球化学特征的变化,可推断出随马鞍溪枯水期的到来,侧向交互带边界由距河岸30~50 cm移动至距河岸30 cm以内。
生态海绵智慧流域建设——从状态改变到能力提升
严登华, 王浩, 张建云, 王振龙, 邢子强, 秦天玲
2017, 28(2): 302-310. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.016
摘要:
在气候变化和人类活动日趋增强的影响下,同一流域往往面临着水资源、水环境、水生态和水沙等多种水问题,且干旱和洪涝等极端事件发生的频率日渐增强;系统治理及减缓极值化,成为流域综合治理关键任务,而提升流域对水循环多过程的调节能力则是其关键。在对中国水问题发展形势进行研判的基础上,系统剖析了传统治水模式中强调“状态改变”、“末端治理”、“过程分离”等的不足;明晰了变化环境下水问题系统治理的总体需求和生态海绵智慧流域建设的总体思路;提出了生态海绵智慧流域建设的总体技术框架和若干关键问题。生态海绵智慧流域建设将充分遵循水循环多过程的演变规律,规范人类水土资源开发活动,实现地表-土壤-地下多过程、水量-水质-泥沙-水生态的联合调控,最大限度实现“去极值化”,建设健全流域的综合服务功能,保育“山水林田湖”生命体功能。
矮堰基础冲刷研究进展
管大为, 严以新, 郑金海, Bruce MELVILLE, Lu WANG
2017, 28(2): 311-318. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.017
摘要:
矮堰基础附近冲刷坑的深度是矮堰设计的重要参数,关系到建筑物的稳定与安全。系统回顾了国内外80余年关于矮堰基础冲刷的研究进展,阐述了矮堰基础冲刷的分类和机理,从物理模型试验、理论分析和数值模拟3个方面评述了研究现状和存在的不足。目前矮堰基础冲刷较为成熟的成果多集中于二维矮堰非淹没式清水冲刷方面,以物理模型试验方法为主,对于三维矮堰结构的动床冲刷、非冲积原状土床沙成分组成的影响、行进沙波与冲刷过程的耦合关系、浑水冲刷过程数值模拟技术等问题研究还有待深入。
江河治理的新视角和新领域——评《江河治理的地学基础》
吴三保
2017, 28(2): 319-320. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.02.018
摘要: