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2019年  第30卷  第3期

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黄河口尾闾段河床形态调整及过流能力变化
杨卓媛, 夏军强, 周美蓉, 万占伟
2019, 30(3): 305-315. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.03.001
摘要:
为全面描述黄河口尾闾段的河床形态调整及过流能力变化,采用河段平均的计算方法,确定了尾闾段(利津-西河口)1990-2016年汛后断面及河段尺度的平滩特征参数,分析河段平滩河槽形态调整特点、河段平滩流量变化过程及其与累积河床冲淤量的关系。结果表明:近30年来黄河尾闾段的河床形态调整过程较为复杂,河相系数在1990-2003年呈振荡式升高,2003年以后持续减小,说明断面形态朝窄深方向发展;平滩流量变化与河段冲淤过程密切相关,淤积时平滩流量减小,反之则增大;建立这些河段平滩特征参数与利津站前4年汛期平均水流冲刷强度的幂函数关系,且相关系数均大于0.8,说明黄河口尾闾段河床形态调整及过流能力变化能较好地响应利津站水沙条件的改变。
基于数值天气预报产品的气象水文耦合径流预报
金君良, 舒章康, 陈敏, 王国庆, 孙周亮, 贺瑞敏
2019, 30(3): 316-325. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.03.002
摘要:
以福建金溪池潭水库流域为例,采用TIGGE数据中心的ECMWF、UKMO、NCEP等7种模式控制预报产品驱动新安江模型,开展径流集合预报。通过集合挑选、多模式集成前处理以及基于BMA模型的后处理等过程,探讨不同处理方案和初始集合质量对气象水文耦合径流预报精度及不确定性的影响。结果表明,不同的处理方案均能有效提高径流预报的精度和稳定性,同时进行前处理和后处理能从降低误差输入和控制误差输出两方面减小预报误差,相对于其他方案表现更好。初始集合质量对气象水文耦合径流集合预报有一定影响,但前处理或后处理对预报误差的有效控制使得该影响并不显著。总体而言,前处理和后处理过程是提高气象水文耦合径流预报准确性和可靠性必不可少的环节,应予以重视。
耦合湿地模块的流域水文模型模拟效率评价
吴燕锋, 章光新, 齐鹏, Rousseau Alain N, 胡宝军, 宋峥, 于成刚
2019, 30(3): 326-336. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.03.003
摘要:
耦合湿地模块的流域水文模型是开展流域湿地变化的水文效应及其水文功能评估的有效工具,其模拟效率直接关系到模拟精度和应用价值。选取中国湿地主要分布区之一的嫩江流域,利用PHYSITEL/HYDROTEL模型平台,构建孤立湿地和河滨湿地模块并与流域水文模型耦合,并从拟合优度指数和模拟效率角度评价了耦合湿地模块的流域水文模型模拟效率。结果表明,耦合湿地模块的流域水文模型,拟合和验证期间模型的拟合度指数均有所提高,嫩江富拉尔基和大赉水文站控制流域的Nash-Sutcliffe系数和克林效率系数平均提高了3.08%和4.64%,均方根误差和相对偏差平均降低了12.72%和55.93%,且整个研究时段模拟结果的流量指数总体更接近于观测的径流数据。可见,耦合湿地模块的流域水文模型可提高水文过程模拟精度,更好地定量评估湿地水文功能,为流域水资源精准调控与湿地修复保护提供重要支撑。
实验小流域尺度下高精度水位计的比测分析
廖爱民, 刘九夫, 张建云, 姜广旭, 郑锦涛, 王妞
2019, 30(3): 337-347. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.03.004
摘要:
目前,小流域的水文实验迫切需要高精度的水位数据,但常规使用的厘米级水位计难以满足实验小流域测量水位的高精度要求。为了帮助实验小流域选择适用的高精度水位计,初选出多种较高精度的水位计,系统开展了4个比测实验,包括静水稳定性、阶步式升降水位、现场模拟洪峰和天然径流过程比测。结果表明:根据综合绝对误差,探针式、压力式2型(电容型)和磁致伸缩式水位计精度达到0.4 mm以内,浮子式水位计的精度为0.5 mm,压力式1型(电阻型)水位计精度达不到毫米级;磁致伸缩式水位计可以精确地获取低水头条件下的水位过程,适合实验小流域的高精度水位监测。比测结果可为径流、降雨、蒸发和下渗等过程的高精度监测提供参考。
西风带和南亚季风对三江源雨季水汽输送及降水的影响
张宇, 李铁键, 李家叶, 钟德钰
2019, 30(3): 348-358. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.03.005
摘要:
为了进一步明确西风带和南亚季风对三江源流域的水汽输送作用及对流域降水的影响,利用ERA-20C再分析数据集对三江源流域1948-2010年雨季水汽通量场进行经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)分解,得到可表征西风带和南亚季风水汽输送在三江源流域强弱关系的经验正交函数模态及指标,揭示当西风带和南亚季风分别控制流域时的水汽输送和降水分布规律。结果表明:西风带控制流域水汽输送时,流域内部水汽输送方向为由西北向东南,西风带和南亚季风在流域南边界附近汇集,流域东部及南部(澜沧江源区大部,黄河源区东部)降水显著增加;南亚季风控制流域水汽输送时,流域内部水汽输送方向为由南向北,两支水汽输送路径在流域以北汇集,流域北部(长江源区大部,黄河源区偏北部)降水显著增加。西风带和南亚季风的水汽输送均对三江源流域具有重要作用,两支水汽输送路径分别控制流域时可引起流域内部不同区域降水的显著增加。
无人机技术在潮滩地貌演变研究中的应用
戴玮琦, 李欢, 龚政, 张长宽, 周曾
2019, 30(3): 359-372. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.03.006
摘要:
随着海平面上升和人类活动加剧,潮滩正面临着严重威胁,掌握其形态变化规律是研究潮滩系统对外在条件响应的直接手段。以江苏斗龙港潮滩为研究对象,利用无人机倾斜摄影测量技术,结合运动恢复结构(Structure from Motion,SfM)算法,重建潮滩三维点云,生成数字高程模型和正射影像,分析潮滩滩面及潮沟系统年内变化规律。研究结果表明:潮滩高程测量精度优于9 cm,水平精度优于2 cm;高程年内变化较大,变幅高达±0.5 m;潮沟短历时变化剧烈,无明显季节性变化特征;潮沟发育过程中,宽深比范围为10~25。无人机技术不仅可以监测粉砂淤泥质潮滩滩面变化趋势,还可以观测到卫星难以捕获的中小型潮沟短历时发育过程,可为监测河口海岸短周期动力地貌过程提供有力的技术支持。
多变量干旱事件识别与频率计算方法
徐翔宇, 许凯, 杨大文, 郦建强
2019, 30(3): 373-381. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.03.007
摘要:
干旱持续时间久、影响范围大,时空连续性是干旱的基本特征,以往研究大多考虑单变量或双变量。通过给定阈值识别干旱斑块和判断两相邻时间干旱的连续性,提出了时空连续的干旱事件三维识别方法,用干旱历时、干旱面积、干旱烈度、干旱强度和干旱中心位置5个特征变量对一场干旱事件进行度量;提出了基于Copula函数的干旱历时-面积-烈度三变量频率分析方法。以中国西南地区为例,采用SPI(Standard Precipitation Index)干旱指标识别了近52年发生历时等于或大于3个月的干旱事件,一共78场,其中2009年8月至2010年6月最严重干旱事件的重现期为94年一遇。通过比较概率分布函数和Copula函数,表明在干旱频率分析时需要考虑干旱历时、面积、烈度3个特征变量。
水文双变量重现期分析及在干旱中应用
周平, 周玉良, 金菊良, 蒋尚明, 吴成国
2019, 30(3): 382-391. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.03.008
摘要:
单变量水文统计中一些广为接受的概念在多变量环境下尚缺乏深入分析,也易被误解,如N年内重现期大于等于T的多变量事件发生的次数与N/T的关系。实践中,多变量联合重现期与其边缘分布变量重现期的一些经验关系被发现并通过了案例验证分析,但缺乏解释和推导。基于GH Copula推导了双变量联合重现期与边缘分布变量重现期的关系以及双变量事件发生次数与其重现期、变量相关程度间的定量关系。以昆明56年的逐月SPI(Standardized Precipitation Index)和SRI(Standardized Runoff Index)识别了干旱事件,采用GH Copula构建了干旱历时和烈度的联合分布函数,验证了双变量联合重现期与边缘分布变量重现期的关系以及多变量事件发生次数与其重现期的定量关系。表明不宜以"and"第1重现期是否接近于比该干旱事件的旱情更重的干旱发生的平均时间间隔来说明干旱特征值重现期分析的合理性。变量的相关性不强时,需谨慎采用边缘分布变量重现期的较大值近似代替"and"事件的第1重现期。
基于Fisher判别法的台风暴雨泥石流预测模型
周伟, 邓玖林
2019, 30(3): 392-400. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.03.009
摘要:
对台风暴雨泥石流发生的可能性进行定量预测,有助于减少危险区内的人员伤亡、降低经济损失。以台湾地区南投县陈有兰溪流域的47条泥石流沟为研究对象,从泥石流形成所需的地形地貌、物源和降雨条件中,初步选取台风暴雨泥石流发生的影响因子,包括沟床平均坡度、有效流域面积、形状系数、主沟长度、岩性、崩滑比和平均雨强。根据因子重要性排序结果,选择崩滑比和平均雨强作为模型的预测因子,基于Fisher判别法建立了台风暴雨泥石流预测模型。采用随机取样技术,选取70%的数据用于构建模型,剩余30%的数据用于验证模型。以精确度、准确率、漏报率和误报率指标,定量评价模型的预测效果,并确定最优的预测模型。结果表明:基于Fisher判别法构建的台风暴雨泥石流预测模型,综合考虑了泥石流形成所需的物源条件和降雨条件,弥补了降雨阈值模型仅依靠降雨资料分析的不足,预测效果更好。
金沙江下游梯级水库运行期设计洪水及汛控水位
熊丰, 郭生练, 陈柯兵, 尹家波, 刘章君, 钟逸轩, 洪兴骏
2019, 30(3): 401-410. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.03.010
摘要:
研究探讨梯级水库运行期设计洪水计算理论和方法,实现防洪和发电效益最大化。采用t-Copula函数建立各分区洪水的联合分布,通过蒙特卡罗法和遗传算法(GA)推求金沙江下游梯级水库的最可能地区组成;分析计算各水库运行期的设计洪水及汛控水位。结果表明:①最可能地区组成结果合理可靠,可为梯级水库运行期设计洪水的分析计算提供依据;②金沙江下游梯级水库受上游水库调蓄影响显著,向家坝水库1 000年一遇设计洪峰15 400 m3/s(35%),3 d、7 d和30 d洪量的削减量(削减率)分别为35.6亿m3(33%)、70.2亿m3(30%)和85.0亿m3(11%);③在不降低防洪标准的前提下,下游各水库在运行期汛控水位相比汛限水位可适当抬高,白鹤滩、溪洛渡和向家坝水库的汛控水位(汛限水位)分别为788.82 m(785 m)、570.67 m(560 m)和371.36 m(370 m),汛期年均发电量分别增加2.1%、6.1%和1.4%,年增发电量17.1亿kW·h。
考虑泥沙影响的污染物输运年龄数值模拟
张琴, 杨洁, 张晓
2019, 30(3): 411-422. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.03.011
摘要:
自然水体中污染物的迁移、转化规律与经泥沙吸附后的沉降、再悬浮等泥沙过程密切相关,其机制尚不明确。采用污染物输运年龄对泥沙影响进行了量化分析,并应用于南黄海辐射沙脊群西洋海域。基于水体中泥沙-污染物模型,推导了考虑泥沙影响的污染物输运年龄的计算方程,通过数值模拟分析了污染物分配系数KD对污染物输运年龄空间分布的影响。研究成果表明:计入泥沙影响后,污染物浓度显著减小,污染物输运年龄随之增大,表明泥沙对污染物扩散起阻碍作用;污染物分配系数KD表征泥沙吸附能力,污染物输运年龄与其呈一定的正相关性,当该系数达到一定值(KD=103 L/g)时,泥沙吸附能力趋于饱和,污染物输运年龄不再发生显著改变。
土地利用/景观格局对水环境质量的影响
崔丹, 陈岩, 马冰然, 曾维华, 李瑞, 贾紫牧
2019, 30(3): 423-433. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.03.012
摘要:
土地利用/景观格局已成为影响中国水环境质量的重要因素,但目前仍然欠缺土地利用/景观格局和水环境质量之间复杂关系的深入研究。以湟水流域小峡桥断面上游为例,兼顾水环境承载力与人为活动所产生的压力,建立土地利用/景观格局对水环境质量影响的结构方程模型,计算不同土地利用/景观格局指标对水环境质量的贡献率。研究表明:点源污染是湟水流域水环境质量恶化的主要因素,其贡献率最大(37.3%);而土地利用/景观格局的4个指标(不透水面面积占比、建设用地中绿地面积占比、湿地连通性和湿地聚集度)对水环境质量的贡献率相对较大,分别为9.14%、7.91%、7.44%和6.96%。加大点源污染控制力度、增强湿地连通性与聚集度、增大建设用地中绿地面积并减少不透水面面积是改善湟水流域小峡桥断面上游水环境质量的有效措施。
平原河流水沙界面生源物质迁移转化过程及水环境调控的研究进展
金光球, 魏杰, 张向洋, 唐洪武, 张沛, 肖洋, 李凌
2019, 30(3): 434-444. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.03.013
摘要:
生源物质作为影响水质的重要因素,其在河流中的迁移转换一直倍受关注。水沙界面物质交换过程受众多环境和水动力因素的影响,过程极其复杂,不仅影响着河流生源要素的通量演变规律,还关系到河流水环境问题。为探究水沙界面生源物质迁移转化过程及作用机制,结合国内外研究最新进展,对泥沙颗粒与生源物质的微界面作用、水沙界面对生源物质的迁移转化作用、水流条件对泥沙吸附解吸生源物质作用机理进行总结和概述,总结阐述了河流水质模型和闸坝泵条件下的水环境调控模型,最后指出平原河流水沙运动对生源物质输运作用机理及水环境调控。针对上述已有的研究成果和存在不足,对今后研究方向提出展望。
黄河下游河道边界条件影响输沙效率研究述评
申红彬, 吴保生, 吴华莉
2019, 30(3): 445-456. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2019.03.014
摘要:
如何高效输沙始终是黄河下游河道治理的一个根本问题,其中河道边界条件对泥沙输送具有重要的影响,这源于两者之间存在的耦合作用。对现有河道边界条件影响输沙效率相关研究进展及存在的问题进行了系统的总结与分析。河道边界条件不仅影响河道空间沿程输沙效率,而且河道边界条件的演化还决定了输沙效率的时间调整过程。这种影响在不同输沙计算方法(水文学方法、水动力学方法)中的表现形式有所不同,但反映物理本质相同,彼此之间存在一定的联系。能否反映水沙运动与河床变形之间的相互作用及耦合特性,这是判断输沙模拟有效性的关键所在。河道输沙与河床变形作为泥沙赋存状态同一问题的两个方面,提出了从河床演变学角度研究输沙效率的问题,为相关研究的开展提供思路与参考。