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《水科學進展》2018年第6期中文摘要
日期:2018年12月27日 16:36:24點擊數:字號:【

中國沿海登陸熱帶氣旋活動特征分析

張金善1,2,殷成團1,2,張  然3,熊夢婕1,2,王乃瑞1,2

(1. 南京水利科學研究院,江蘇 南京 210024;2水利部應對氣候變化研究中心,江蘇南京 210024;3南京大學大氣科學系,江蘇 南京 210023)

摘要:熱帶氣旋是危害中國最嚴重的天氣系統,分析和認識中國沿海登陸熱帶氣旋活動的新特征對防災減災具有重要意義。依據近70年氣象資料,采用統計學方法,對登陸中國沿海的熱帶氣旋特征進行分析,研究發現:在氣候變化的背景下,登陸中國的熱帶氣旋發生了明顯變化。近年臺風登陸頻數高于往年平均,其整體強度和最大值均呈增大趨勢,年臺風強度的不穩定性加劇;研究還發現臺風強度越高,其生成地緯度帶范圍越窄且越靠近赤道;建立了高強度熱帶氣旋(STY和SUPER TY)時間和緯度的關系“φ—m”。檢驗了臺風季長與初旋日呈負相關且不受厄爾尼諾現象影響,臺風季長符合正態分布并給出概率密度公式。

關鍵詞:熱帶氣旋;風暴潮;氣候變化;頻數;強度;源地

科爾沁沙地典型區生長季蒸散發估算及其變化特征

張圣微1,2,張  鵬1,張  睿1,劉廷璽1,2

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院,內蒙古 呼和浩特 010018;2.內蒙古自治區水資源保護與利用重點實驗室,內蒙古 呼和浩特 010018)

摘要:為揭示科爾沁沙地典型區地表參數和蒸散發的時空分布以及變化特征,采用Landsat-7和氣象數據,并結合METRIC (Mapping Evapotranspiration at high Resolution with Internalized Calibration)模型,分析了研究區凈輻射(Rn)和蒸散發(ET)的時空變化、不同土地覆被類型ET特征及其影響因素。結果表明:① 研究區典型土地覆被沙丘和草甸的Rn和ET估算值與渦度相關實測值擬合結果均良好,說明METRIC模型可以為研究區提供合理的ET估算;② 研究區下墊面Rn和ET的時空分布情況為:各年Rn和ET在年內變化趨勢相同,空間上不同土地覆被類型中水體的Rn和ET最大,農田和草甸次之,沙丘最小;③ 沙丘的CV值大于農田與草甸,表明年際間沙丘的ET波動較大,農田和草甸相對穩定,ET年際變化主要受氣象因素的影響。

關鍵詞:蒸散發;METRIC模型;土地覆被;時空分布

基于地理空間要素的雅礱江流域面雨量估算

袁定波1,艾  萍1,2,洪  敏1,廖亨利1,陳彬彬2,岳兆新2

(1. 河海大學水文水資源學院,江蘇 南京 210098;2. 河海大學計算機與信息學院,江蘇南京 211100)

摘要:反映流域整體降水情勢的面雨量一直是水文模型的重要輸入參數之一,在泰森多邊形雨量法的基礎上考慮地理空間要素對降雨空間分布的影響,采用面向對象的遙感信息聚類方法提取出雅礱江流域2項形狀因子(周長、面積)和5項地形因子(平均高程、平均坡度、平均坡向、高程差周長比和高程差面積比)。降雨—徑流相關性分析結果表明:地形因子雨量法在月尺度上的降雨估算精度高于年尺度,且在月尺度上能更好地反映流域不同區段的降雨空間分布特征;在月、年際降雨變化趨勢分析方面,年尺度上的降雨與徑流一階差分后平均相關系數為0.903,高于月尺度的0.629,主要由于水電站調蓄過程對流域徑流異質性的影響,且影響度隨著時間尺度縮小而放大。

關鍵詞:地理空間要素;形狀因子;地形因子;面雨量;雅礱江流域

三峽建庫前后下荊江有效流量研究

陳  棟1,2,余明輝1,朱勇輝2

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北 武漢 430072;2.長江科學院水利部江湖治理與防洪重點實驗室,湖北 武漢 430010)

摘要:有效流量是天然河流某一時段內懸移質輸沙量最大所對應的流量,可反映中、短期造床作用。根據監利水文站1991—2016年逐月流量、輸沙量及懸移質級配,分析三峽建庫前后流量頻率及不同粒徑組懸移質泥沙輸移特性;運用理論分析法與分組頻率法計算下荊江分組懸移質輸沙量對應有效流量的大小、重現期、歷時。研究成果表明:受來水來沙、水流挾沙能力以及床沙補給等因素影響,有效流量隨泥沙粒徑增大而減小。建庫后,因河床沖刷各粒徑組間有效流量偏差增大,0.062mm<d<0.25mm粒徑組泥沙對應的有效流量增大,其他粒徑泥沙和全部懸移質對應的有效流量減小;d<0.125mm粒徑組泥沙有效流量重現期增大,d>0.125mm粒徑組泥沙有效流量重現期減小;細顆粒泥沙含沙量嚴重不飽和河道輸送粗顆粒泥沙的能力相對較大,懸移質級配粗化;累積50%的泥沙輸移需43%~82%的累積流量以及62%~90%的累積歷時,且累積流量和累積歷時隨著泥沙粒徑的增大而減小和縮短。研究三峽建庫前后有效流量變化對分析沖刷條件下下荊江河段河床演變具有重要意義。

關鍵詞:有效流量;分組輸沙;理論分析法;分組頻率法;下荊江

山區河流河床結構表征新方法

李志威1,2,顏  旭1,潘保柱3,余國安4,王兆印5

(1.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410114;2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114;3.西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室,陜西 西安 710048;4.中國科學院地理科學與資源研究所中國科學院陸地水循環與地表過程重點實驗室,北京 100101;5.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室,北京 100084)

摘要:山區河流的河床結構是來水來沙與河床相互作用的產物,對河床阻力及輸沙率的計算具有重要意義。為更科學地表征河床結構的細節特征,采用2017年2次考察金沙江小江流域干支流7個河段的地形測量數據,提出河床結構表征的4個新量綱一數(凹凸數、平均凹度、平均凸度和凹凸度)及其計算方法。新參數的計算原理簡單而直觀,能夠從多角度表征河床結構發育程度及其形態特征,而且當河床結構發育程度較低時,凹凸度的表征結果更具有區分度。結果表明:新參數表征結果與前人單一參數的計算結果具有一致性;吊嘎河下游、陶家小河和清水溝的河床結構凹凸程度大,河床凸起“高凸”,凹陷“深陡”,河床阻力大,輸沙率低;吊嘎河上游、小江、蔣家溝和藍泥坪溝的河床結構凹凸程度小,河床凸起“低平”,凹陷“淺緩”,河床阻力小,輸沙率大。

關鍵詞:山區河流;河床結構;形態表征;凹凸度;階梯深潭系統;小江流域

藕節辮狀河發育和演變過程的試驗研究

李向陽1,朱樂奎2,3,陳  東2,3,劉  萌2,3

(1.水利部黃河水利委員會水文局,河南 鄭州 450000;2.中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環及地表過程重點實驗室,北京 100101;3.中國科學院大學,北京 100049)

摘要:利用室內概化模型試驗,研究了“藕節”辮狀河的發育和演變過程。從初始順直小河開始,以黃河花園口水文站枯水期和洪水期流量為背景,概化試驗入口水沙條件,成功塑造了具有典型藕節的辮狀小河。模型小河的試驗發現:① 原順直河道交錯邊灘的發育對辮狀河道“藕節”的形成起到關鍵作用;② 結合自然河流和試驗小河,“藕節”河段形態特征系數I與河道穩定性參數θ呈較好的非線性關聯性,說明辮狀河道除了沙粒阻力和床面形態阻力,也可以采取斷面形態一收一放的“河勢形態阻力”方式消耗,制衡部分水流能量;③ 流量過程是控制河段形態特征的決定因素之一,大洪水不僅破壞了原交錯邊灘的特點,也使“藕節”形態遭到破壞;但在中小流量下,河段保持了較好的“藕節”駐點、“藕身”收放的特點。本研究對黃河下游收放相間的“藕節”河段防洪起到借鑒作用。

關鍵詞:辮狀河;藕節河型;水槽試驗

基于植被分布的河道糙率分區及率定方法

吳喬楓1,蔡  奕1,2,劉曙光1,2,蔡萬賢1

(1.同濟大學土木工程學院水利工程系,上海 200092;2.長江水環境教育部重點實驗室,上海 200092)

摘要:天然河流的河道綜合糙率呈現出空間上的差異性和隨水位(或流量)變化的動態性,但目前缺乏相關參數化方法來定量描述河道糙率的動態變化規律。嘗試通過參數化方法開展受河道植被影響顯著河流的糙率反演研究,用以提升模型精度。基于植被分布將河道斷面劃分為若干糙率不同的子區,通過率定河道斷面各分區的糙率,從而反演糙率—水位曲線。在此基礎上通過分析河道植被覆蓋情況與河道斷面特點對糙率曲線變化的影響,推求了基于分區糙率的河道斷面綜合糙率計算公式,從而定量描述分區糙率與綜合糙率的關系。以漓江干流為例,采用該方法率定漓江干流(大溶江至陽朔段)水動力模型。結果表明:漓江干流綜合糙率隨水位在0.022~0.180間變化;在1.5m的臨界水深下,斷面可劃分為底床植被區(n=0.210)與非植被區(n=0.006),能較好地反演糙率—水位曲線并獲得理想的水位模擬效果。漓江底床植被繁茂是糙率隨水位變化的根本原因,斷面邊灘的坡度變化是糙率與水位曲線梯度變化的主要驅動因素,兩者的共同作用使得糙率隨著水位呈現兩段式的非線性變化。

關鍵詞:河道斷面;綜合糙率;分區糙率;底床植被;糙率—水位曲線

隴東黃土塬區不同下墊面條件下侵蝕產沙的降雨閾值

夏  露1,宋孝玉1,符  娜1,李懷有2,李垚林2

(1.西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室,陜西 西安 710048;2. 黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站,甘肅 慶陽 745000)

摘要:根據隴東黃土高塬溝壑區典型小流域——南小河溝流域1954—2014年實測降雨產沙資料,應用降雨侵蝕力偏差系數法研究不同土地利用類型及空間尺度下侵蝕產沙的雨量閾值、雨強閾值及復合閾值標準,并通過對比分析確定了最優降雨閾值標準。結果表明:① 對于林地和草地坡面小區,其雨量閾值標準平均值(21.0mm)較裸地(8.7mm)和農地(9.7mm)坡面小區分別提高了141%和116%,植被措施能夠顯著提高降雨閾值標準。② 楊家溝林地小流域的雨量閾值標準為16.5mm,低于布設在該流域的林地坡面小區,同時對比董莊溝草地小流域及其坡面和全坡面小區的雨量閾值標準,其大小亦為:草地坡面尺度>草地全坡面尺度>草地小流域尺度,由此可見,降雨閾值標準會隨著空間尺度增大而減小。③ 降雨閾值標準綜合評價結果表明,各樣點最優降雨閾值標準均為P≥a或I30≥b這一復合因子標準,而在降雨單因子閾值標準中,對于農耕地和裸地坡面小區,宜采用最大30min雨強(I30)標準;對于經過水土流失治理的下墊面,宜采用雨量(P)標準。該研究可為區域土壤侵蝕預報提供參考。

關鍵詞:土地利用;空間尺度;產沙降雨閾值;降雨侵蝕力;黃土高塬溝壑區

斥水性土壤水分入滲試驗和模型

任長江1,2,趙  勇1,王建華1,龔家國1,田濟揚1

(1.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室,北京100038;2.南昌工程學院水利與生態工程學院,江西 南昌 330099)

摘要:為研究斥水性土壤水分入滲規律,并探尋適用于斥水性土壤水分入滲的數學模型,以媯水河流域親水性和斥水性土壤為研究對象,開展室內一維垂直土柱入滲試驗;分別采用Kostiakov分段函數、Fourier級數、一階Gaussian函數以及Gaussian分段函數對斥水性土壤入滲率進行擬合。試驗結果表明:親水性土壤入滲率隨時間呈單調減小變化趨勢,斥水性土壤入滲一段時間后累積入滲量會出現翹尾現象,入滲率為先增大后減小的單峰曲線。模型圖形分析表明:Kostiakov分段函數入滲率在拐點處同時存在一個極大值和極小值,Fourier級數存在多個波峰,一階Gaussian函數不能反映入滲率在拐點后大于拐點前的試驗現象,因而均難以真實反映斥水性水分入滲過程。忽略水分開始快速入滲過程,Gaussian分段函數模型不僅能夠反映入滲率在拐點前的單調增以及拐點后的單調減過程,同時也能夠體現入滲率在拐點后大于拐點前的試驗現象。

關鍵詞:斥水性土壤;水分入滲試驗;入滲率;入滲模型

低弗勞德數水流二級消力池體型參數試驗研究

譚高文1,2,韓昌海2,余凱文2

(1.中國三峽建設管理有限公司,四川 成都 610042;2.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210029)

摘要:低弗勞德數水流條件下,二級消力池是解決消能問題的一種有效途徑。但至今為止,有關二級消力池的工程應用研究較多,而在體型參數和消能機理方面研究較少。為此,采用理論分析和物理模型試驗相結合的方法,研究了低弗勞德數水流二級消力池體型參數及其敏感性。結果表明:消力池的長度、深度和尾坎高度等參數都存在界限值,超出界限值時第一級消力池易于產生波狀或遠驅水躍,而第二級消力池出池水面波動顯著增大。池長小于界限值時,消力池池內流態惡化,消能率明顯降低;尾坎高度越低,消波效果越好。優化后的二級消力池消能率明顯提高,且二級消力池對尾水位的適應性也顯著擴大。引入尾坎高度修正系數ωi,提出了各級池長和尾坎高度的計算公式。

關鍵詞:低弗勞德數水流;二級消力池;體型參數;波動;消能率

擬焦沙模擬低含沙量異重流運動初步分析

李  濤1,鄒  健2,張俊華1,王子路1,馬懷寶1

(1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院黃河小浪底研究中心,河南 鄭州 450003;2.滄州水利勘測設計院,河北 滄州 061000)

摘要:低含沙量異重流帶來大量細顆粒渾水,由于顆粒沉速極小,在山區、高原地區的引調水、水環境、水處理等方面帶來難以估量的困難,引起了社會和設計部門重視。以金沙江支流牛欄江上德澤水庫回水變動區上下游河段為原型,利用概化水槽試驗研究擬焦沙模擬低含沙量異重流形成與運動,探究低含沙渾水異重流運行時頭部流速及含沙量沿程變化特征。結果表明:頭部流速及含沙量沿程逐漸減小;相同流量不同含沙量所形成的中層、底層異重流頭部流速,含沙量越大,同一位置頭部流速越大;相同流量和含沙量所形成的表層、中層、底層異重流頭部流速,表層異重流頭部流速最大,底層異重流次之,中層異重流最小。

關鍵詞:渾水異重流;低含沙量;擬焦沙;頭部運動;水槽試驗

散粒粗糙床面的當量糙率尺度特征

鐘  亮1,2,廖尚超2,張建梅1,2,孫建云2,倪志輝3

(1.重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心,重慶 400074;2.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室,重慶 400074;3.重慶交通大學西南水運工程科學研究所,重慶 400016)

摘要:為揭示散粒粗糙床面的當量糙率尺度特征,采用4種散粒粗糙床面開展了8組粒子圖像測速法 (PIV)水槽明渠紊流試驗,探討了理論床面位置、當量糙率尺度和阻力系數的沿程分布規律,分析了當量糙率尺度與阻力系數的內在關系。結果表明:① 散粒粗糙床面明渠水流特性沿程可分為顆粒區和粒間區,各區的理論床面位置參數ξ、相對當量糙率尺度ks0和阻力系數f具有顯著差異,顆粒區0.65 ≤ξ ≤0.85,ks0波動明顯,f 較大;粒間區ξ=1,ks0變化相對平緩,f 較小。②ks0沿程平均值與顆粒直徑d成正比,與排列間距Lx及水流雷諾數Re成反比,在d、Lx及Re相同時,梅花形排列的ks0大于矩形排列。③ f 隨ks0呈遞增變化,變化特性與相對光滑度h/d密切相關。研究成果可為散粒粗糙床面沿程阻力系數確定提供科學參考。

關鍵詞:散粒粗糙床面;明渠紊流;摩阻流速;理論床面;當量糙率尺度;阻力系數

基于植被和潮動力作用的潮灘剖面演變數值模擬

龔  政1,2,白雪冰1,靳  闖3,趙  堃1,周  曾2,張長寬1

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學江蘇省海岸海洋資源開發與環境安全重點實驗室,江蘇 南京 210098;3.School of Environment, University of Auckland, Auckland 92019 New Zealand)

摘要:為研究多因子共同作用下的潮灘演變機制,開發了基于植被生長和潮動力作用的潮灘剖面演變數學模型。在不考慮植被作用下,模擬得到了潮灘中長期演變后的上凸形剖面特征;泥沙供給是決定潮灘寬度的因素,供給越充分,潮灘寬度越大。模型考慮植被過程時,結果表明不同的植被生物量分布形式對潮灘水動力的影響程度不同,在潮間帶上部,生物量拋物線分布時的減流效果強于生物量線性分布形式;而在潮間帶下部則相反。模擬結果顯示鹽沼和光灘之間出現陡坎,且隨著灘面的逐步淤高,陡坎逐步向海移動。

關鍵詞:潮灘;地貌演變;植被影響;鹽沼陡坎;數值模擬

河流景觀生態學的發展與當前核心議題

薛興華1,2,錢  華1,2

(1.湖北民族學院林學園藝學院,湖北 恩施 445000;2.生物資源保護與利用湖北省重點實驗室,湖北 恩施 445000)

摘要:河流景觀生態學已成為河流科學研究與應用的新范式,但國內研究還頗為不足。從河流景觀生態學發展的邏輯必然性、主要進程、基本內容與重要理論等方面進行了總結。結果顯示,多尺度跨學科整體論河流認識要求和景觀尺度上處理河流問題的實踐需求共同推動河流景觀生態學的迅速發展,其中心議題是河流物理景觀系統與生物系統在不同等級尺度上的結構、格局與功能過程,尤其重視物理景觀與不同等級生物系統的相互作用關系,對河流景觀多尺度等級性、高動態性和有向性等突出性質的認識已取得重要理論發展。指出當前面臨5個方面的核心議題亟需取得突破:改進和統一河流景觀分類系統、河流景觀跨尺度研究、河流景觀方法對經典河流生態理論的再認識、河流景觀機理與模擬、河流景觀對氣候變化與區域土地利用/覆被變化的響應研究。

關鍵詞:河流景觀生態學;河流生態;理論發展;核心議題

城市暴雨強度公式研究進展與述評

劉  俊1,周  宏1,魯春輝2,高  成1

(1. 河海大學水文水資源學院,江蘇 南京 210098;2. 河海大學水利水電學院,江蘇 南京210098)

摘要:能夠客觀反映城市降雨特征與規律的暴雨強度公式是城市排水防澇基礎設施建設、海綿城市建設過程中相關工程規劃、設計的重要前提。簡述了暴雨強度公式推求的過程,從暴雨強度公式型式、暴雨資料選樣方法、頻率曲線選擇、頻率曲線參數估計以及暴雨強度公式的參數求解等方面,系統梳理了國內外發展現狀,深入分析、歸納了各種方法的優缺點,對暴雨強度公式編制過程中存在的兩步最優與直接擬合、公式擬合的“異參同效”、公式及參數合理性分析以及編制長歷時暴雨強度公式等問題進行深入剖析,認為暴雨強度公式還需在全要素誤差分析、成果合理性檢驗、降雨空間分布、氣候變化對城市未來降雨的影響等方面進行深入研究。

關鍵詞:城市暴雨強度公式;城市水文;暴雨選樣方法;頻率分析;參數估計

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