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《水科學進展》2019年第1期中文摘要
日期:2019年03月14日 15:37:25點擊數:字號:【

基于TRMM衛星降水的太行山區降水時空分布格局

杜軍凱1,賈仰文1,李曉星2,牛存穩1,劉  歡1,仇亞琴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.中國環境科學研究院,北京 100012)

摘要:基于TRMM 3B42V7數據,綜合采用多元線性回歸、偏最小二乘回歸和地理加權回歸3種方法,建立了太行山區衛星降水產品的降尺度校正模型,將遙感降水信息從0.25°×0.25°降尺度到0.05°×0.05°。在結果評估和優選的基礎上,分析了“像元—集水區—全區”年、月降水的多時空尺度干濕季節分布和垂向分布特征,并從機理方面論證了研究的合理性。結果表明:①地理加權回歸校正效果最優,可明顯降低校正降水與實測降水系列的均方根誤差和平均相對偏差且提高決定系數;偏最小二乘回歸可降低兩項誤差,但對決定系數無提升;多元線性回歸最差,各項指標均無改善。②處于夏季風迎風側的東坡和南坡降水量普遍高于500 mm,背風側的西坡和北坡降水量較低,最大年降水量位于東南坡海拔1 300~1 500 m的地帶。③研究區7—9月降水量占全年的58.7%,干濕季節降水量之比為1:18,各集水區的變化范圍為1:13~1:25。④季風風向影響降水中心的移動路徑,各月降水量沿高程變化梯度區間為-5.2~6.7 mm/hm,且迎風坡降水的垂向分布更復雜。

關鍵詞:熱帶降雨測量任務;降尺度;干濕季節;垂直地帶性

三江源區大氣水汽含量時空特征及其轉化變化

強安豐1,4 , 魏加華2,3 , 解宏偉1,2 , 權  全4

(1. 青海大學水利電力學院,青海 西寧 810016;2. 青海大學省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室,青海 西寧 810016;3. 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; 4. 西安理工大學水利水電學院,陜西 西安 710048)

摘要: 利用1979—2016年ERA-Interim再分析資料提供的1°×1°水汽通量和大氣可降水量(PWV)數據,采用相關性分析、趨勢分析法、累積距平及反距離加權(IDW)等方法,研究三江源地區PWV與水汽通量的時空分布特征和降水轉化率(PCE)。結果表明:①過去38 年來,經、緯向多年平均水汽通量分別為2.0 kg/(m·s)、10.3 kg/(m·s),水汽通量緯向增幅高于經向,水汽在緯向匯入為主,經向輸出為主;②PWV呈微弱增多趨勢,年平均PWV為1 791.6 ~2 278.9 mm,季節平均PWV為122.2 ~ 1 134.2 mm,不同季節內空間差異明顯;③三江源區多年平均PCE為24.6%,1989年最高,達32.8%;季節與多年平均PCE空間分布一致,都表現出由東南向西北遞減的變化特征,季節分布變化差異大;④該地區空中水資源豐富但自然PCE 低,開發潛力大,應用前景廣闊。

關鍵詞:大氣可降水量;水汽通量;ERA-Interim 再分析資料;降水轉化率

西遼河平原地下水補給植被的臨界埋深

陳敏建1, 張秋霞2, 汪  勇1, 閆  龍1, 鄧  偉1

(1. 中國水利水電科學研究院,北京  100038;2. 中國電建集團海外投資有限公司,北京  100048)

摘要:許多地區地下水是生態穩定的重要支撐或補充,確定地下水補給地表植被的臨界埋深對地下水管理和生態安全至關重要。以西遼河平原為例,主要研究成果如下:①根據地下水補給植被原理劃分包氣帶水分運動結構,描述地下水補給植被的作用機理和物理過程,定義地下水補給植被的臨界埋深及相關物理概念。②根據植被根系吸收潛水蒸發的物理機制, 地下水面附近由毛管水上升形成的潛水影響層是臨界埋深計算的關鍵。③推導土壤毛管有效孔徑計算推理公式,通過構建土壤微結構模型求解推理公式中的孔隙特征參數,解決毛管水最大上升高度的精確計算難題;④結合不同群落植被根系層厚度,形成地下水補給植被的臨界埋深計算模型。⑤通過野外調查和觀測試驗實證,表明計算結果可靠,研究成果在科爾沁草原得到了及時應用。

關鍵詞:西遼河平原;包氣帶;地下水臨界埋深;毛管水最大上升高度

雨量站網布設對水文模型不確定性影響的比較

陳  華1,霍  苒1,曾  強1,楊無雙1,陳  杰1,郭生練1,許崇育1,2

(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. Department of Geosciences, University of Oslo,Oslo 0317)

摘要:雨量站網布設會影響徑流模擬精度,研究不同雨量站密度和空間分布的徑流響應規律對提高徑流模擬精度和減小不確定性具有重要意義。應用新安江模型和HBV(Hydrologiska Fyrans Vattenbalans)模型,以湘江流域為研究對象,采用貝葉斯方法比較分析在不同雨量站密度及空間分布下徑流模擬的不確定性。結果表明:增加雨量站密度可以降低面雨量的估計誤差,使模型在不同的雨量站空間分布下具有較高的模擬精度;通過優化雨量站空間分布,可以減小雨量站網布設導致的模型不確定性,從而提高徑流模擬精度;在相同的降雨輸入和參數采樣方法下,新安江模型和HBV 模型對降雨輸入導致的不確定性響應規律具有相似性,但是本研究結果顯示在湘江流域新安江模型的模擬精度更高,而HBV模型的不確定性更大。

關鍵詞:徑流模擬;不確定性;貝葉斯方法;雨量站網;新安江模型;HBV 模型

建筑小區尺度下LID措施前期條件對徑流調控效果影響模擬

侯精明1,李東來1,王小軍2,郭凱華1,同  玉1,馬  越3

(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. 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;3. 陜西省西咸新區灃西新城開發建設(集團)有限公司海綿城市技術中心,陜西 西安  712000)

摘要:以西咸新區天福和園住宅小區為研究對象, 采用暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model, SWMM)構建含低影響開發(LID)措施調控作用的城市雨洪過程數值模型,模擬分析了不同重現期降雨下LID措施和傳統開發情況在不同前期條件下的徑流控制及峰值削減效果。結果表明:①LID措施自然狀態、半飽和與飽和狀態在不同重現期降雨下徑流控制率分別為64.3% ~ 83.2%、56.3% ~ 76.0%和48.7 ~ 68.1%,與自然狀態相比,半飽和與飽和情況徑流控制率分別減少了6.7% ~ 9.1%和15.1% ~ 15.8%,且皆隨重現期增大徑流控制率減少值先增大后減小。②徑流峰值分別為23.3 ~ 189.4 L/s、25.9 ~ 198.4 L/s 和28.8 ~ 290.7 L/s,與自然狀態相比,半飽和與飽和狀態徑流峰值分別增加了4.5% ~ 20.9% 和22.9% ~ 53.4%,表明LID 施在飽和狀態下的調控效果遠不如自然狀態。③相較于傳統開發,LID 條件下自然狀態和半飽和狀態對徑流峰值削減顯著,但飽和情況在降雨重現期20年時徑流峰值反而升高,表明LID 措施飽和狀態在大暴雨情況對下游管網造成更大壓力。④在相同前期條件下有LID 措施對徑流控制率有明顯提升。

關鍵詞:雨洪模型;暴雨洪水管理模型;低影響開發;前期條件;徑流控制;峰值削減

巖溶地下水位對降雨響應的時空變異特征及成因探討

———以廣西桂林甑皮巖為例

王朋輝1,2,姜光輝1,袁道先1,2,湯慶佳1,張  強1

(1. 中國地質科學院巖溶地質研究所自然資源部廣西巖溶動力學重點實驗室,廣西  桂林  541004;2. 中國地質大學(北京)地球科學與資源學院,北京  100083)

摘要:巖溶地下水位對降雨響應具有時空變異性,甑皮巖遺址地下水動力系統結構的認識存在分歧。利用高分辨率降雨水位數據,將研究區分割為不同含水體,通過水位動態、相關分析、滑動窗口采樣相關分析等方法,探討巖溶地下水對降雨響應時空變異特征及成因。結果表明,巖溶強發育、擴散流導水的含水體水位對降雨的響應表現為緩升緩降,水位自相關性強;發育巖溶管道的含水體水位表現為陡升陡降,水位自相關系數衰減速率快,對降雨響應的滯后時間短,互相關函數圖呈多峰型;巖溶發育的極不均勻性是造成空間響應差異的主要原因。雨季地下水位對降雨響應的滯后時間遠小于枯季,雨季累積降雨量大、水位埋深淺、包氣帶長期處于飽和或者近飽和狀態,降雨垂直入滲補給歷時短;雨季暴雨頻繁導致含水體地下水短期內形成較大水力梯度,徑流補給速度加快。綜合分析認為,甑皮巖遺址地下水動力系統由NE向巖溶管道、NS向管道-裂隙以及NE向強徑流帶3個子徑流系統組成。

關鍵詞:巖溶;地下水位;降雨響應;序列相關;時空變異

長江口12. 5 m 深水航道回淤年際變化及成因

劉  杰, 程海峰, 韓  露, 王珍珍

(上海河口海岸科學研究中心,上海  201201)

摘要:長江口12.5 m深水航道回淤量大,影響因素復雜。利用2011—2017年長江口航道水下地形、水文測驗和航道回淤等系列資料,研究了12.5 m 深水航道回淤的年際變化過程和原因。結果表明:①12.5 m深水航道回淤總體呈現穩中下降的變化特征。②南港—圓圓沙段因航道灘槽高差的縮小和上游底沙輸沙量的減少,回淤呈逐年減少態勢。③北槽段因南壩田擋沙堤加高工程的實施和臺風影響偏弱,2016—2017年回淤較此前有所減少;徑流影響北槽最大渾濁帶的發育部位,進而影響北槽航道回淤的部位,2016—2017年長江口徑流量偏大是北槽航道主要回淤部位較往年偏下的主要原因。④流域減沙對12.5 m深水航道回淤的影響已開始顯現。未來受其影響,南港—圓圓沙航道回淤有望進一步下降并維持較低量值,北槽航道回淤有望維持穩中下降態勢。

關鍵詞:航道回淤;深水航道;年際變化;流域減沙;長江口

三峽庫區泥沙絮凝臨界條件現場測量

李文杰1 , 張凌越2 , 楊勝發1 , 楊  威1 , 肖  毅1 , 付旭輝1

(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)

摘要:三峽庫區絮凝現象是細顆粒泥沙淤積的重要原因,泥沙絮凝臨界條件對三峽庫區泥沙淤積規律和模擬具有重要意義。在三峽庫區忠縣和奉節河段開展泥沙絮凝的現場測量,基于聲學多普勒流速儀(Acoustic Doppler Velocimeter,ADV)和泥沙采樣測得同步的瞬時流速和含沙量,通過泥沙擴散理論反算現場泥沙沉速及絮團粒徑,得到了三峽庫區泥沙絮凝度及其與粒徑、流速和含沙量的關系。結果表明:庫區細顆粒泥沙發生絮凝,且多為中輕度絮凝,重度絮凝較少;庫區泥沙絮凝的臨界粒徑約為0.018 mm,臨界流速約為0.7 m/s,臨界含沙量約為0.8 kg/m3。研究結果可為三峽庫區泥沙的運動規律以及泥沙淤積模擬等提供一定的理論支撐。

關鍵詞:絮凝度;泥沙粒徑;含沙量;三峽庫區

山溪性強潮河口最大渾濁帶形成機制及其模擬

張新周1 , 陳  星2 , 竇希萍1 , 趙曉冬1 , 夏威夷1 , 繳  健1 , 許  慧1

(1. 南京水利科學研究院港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室,江蘇 南京  210024;

2. 中交第四航務工程勘察設計院有限公司,廣東 廣州  510230)

摘要:為闡明強潮河口最大渾濁帶的形成機制及其運動規律,通過甌江和椒(靈)江實測資料分析,系統分析了強潮河口最大渾濁帶形成的影響因素及其與河口地貌的響應關系。考慮黏性細顆粒泥沙運動特性和鹽度的影響,開發了強潮河口最大渾濁帶數學模型,對椒(靈)江枯季大潮最大渾濁帶運移過程進行了模擬。結果表明:① 強潮河口最大渾濁帶是潮波變形、咸淡水混合、泥沙再懸浮等復雜因素在一定河口邊界和泥沙條件下相互作用的產物,潮波變形和泥沙供給是影響最大渾濁帶形成的關鍵因素。② 強潮河口最大渾濁帶模擬必須充分考慮潮流、鹽淡水混合、泥沙周期性起動、絮凝和沉積密實等因素,所建立的數學模型可用于強潮河口最大渾濁帶研究。

關鍵詞:強潮河口;水沙特性;最大渾濁帶;形成機制;數值模擬

有限空間中三維壁面紊動射流流動特性試驗研究

張星星1 , 陳  明1,2 , 許光祥1,2 , 黃海津1

(1. 重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室,重慶  400074;2. 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)

摘要:為了研究三維壁面紊動射流前方布置的垂直擋板對時均流動特性的影響,采用粒子圖像測速技術對不同雷諾數和淹沒水深條件下的流速場進行了測量,統計分析了U速度剖面分布、速度半寬值變化和最大速度衰減規律。結果表明:沿射流方向具有3個明顯不同的衰減區, 依次劃分為自由邊界下的三維壁面射流區(Ⅰ區)、垂直擋板影響區(Ⅱ區)和近壁區(Ⅲ區)。在重點分析的Ⅱ區內,3個特征物理量的分布規律均與雷諾數無關;在垂直擋板影響下,速度半寬值擴展率明顯加快,發展更為充分;在水深H ~ 1.75H 范圍內,射孔中垂面內速度半寬值擴展率為0.043,同時0.5H的遞增對射孔中心水平面內速度半寬值的分布較為敏感,其擴展率由0.205 增至0.270;最大速度衰減對水深的改變并不敏感,且在Ⅱ區加速衰減,衰減指數為1.095。通過與半無限空間中三維壁面射流徑向型衰減區的流動特征比較,Ⅱ區與之相似,將Ⅱ區視為提前進入徑向型衰減區。

關鍵詞:三維壁面射流;有限空間;流動特性;粒子圖像測速

高拱壩施工初-中期導流風險模型及應用

張  超1 , 胡志根2

(1. 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都  610072;2. 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)

摘要:面向工程設計階段, 采用高拱壩施工動態仿真技術獲取施工初-中期擋水度汛面貌數據,綜合考慮水文、水力隨機性因素,構建高拱壩施工初-中期導流風險模型,提出采用Monte Carlo 方法耦合擋水度汛面貌數據和主要隨機因素進行風險模型求解的方法。基于風險分析原理提出了導流洞設計的風險判別方法,給出導流洞尺寸設計優化的數學模型和具體步驟。通過金沙江上游某高拱壩工程案例分析的結果表明:所提風險模型及求解方法是適用的、有效的,該模型能夠得到整個施工初-中期導流風險率,較為客觀地反映高拱壩施工中期度汛可能存在的兩種擋水情況,克服了初期導流風險模型的局限性;施工中期導流風險率隨導流洞尺寸增大而減小,導流洞尺寸設計的可行方案集存在界限,即優化方案。研究成果可為高拱壩施工導流的風險決策和設計優化提供理論支撐。

關鍵詞:高拱壩施工;風險模型;設計優化;初-中期導流;施工動態仿真;Monte Carlo方法

山坡表層關鍵帶結構與水文連通性研究進展

劉金濤1,2, 韓小樂2, 劉建立3, 梁忠民2, 賀瑞敏4

(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. 河海大學水文水資源學院,江蘇 南京 210098;3. 中國科學院南京土壤研究所,江蘇 南京 210008;4. 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:山丘區是洪水的“策源地”,山丘區坡地、溝谷及間歇性河道為洪水的形成提供了通道,同時也是水文連通時空變化最為強烈的地帶。然而,對流域表層關鍵帶結構特征及其水文連通機制等的認識尚存不足,限制了產匯流理論及模型方法的發展和應用。通過對比國內外山坡水文實驗,發現山坡物理結構連通性控制并深刻影響著水流的連通過程,現有水文連通實驗側重孔隙等微觀尺度的規律研究,與水文模型理論存在尺度上的巨大偏差。為此,提出水文連通性應側重揭示水流在山坡地表、地下的宏觀表象通道及分布特征,探索徑流連通的動力學機制,即山坡水文連通性研究重在剖析其結構特征的水文累積效應,應保持關鍵帶結構特征合理概化與產匯流理論適度復雜之間的平衡。

關鍵詞:表層關鍵帶結構;山坡溝谷;間歇性河道;水文連通性;產匯流理論

巖溶關鍵帶水循環過程研究進展

呂玉香1,2 , 胡  偉2 , 楊  琰1

(1. 西南大學地理科學學院巖溶環境重慶市重點實驗室,重慶  400715;2. 重慶市地質礦產勘查開發局208水文地質工程地質隊(重慶市地質災害防治工程勘查設計院),重慶  400700)

摘要:巖溶關鍵帶處于巖石、水、土壤、大氣、生物五圈交匯地帶。正確認識巖溶關鍵帶的結構、功能及其水文循環過程是當前地球關鍵帶與巖溶水科學研究的關鍵問題。剖析了巖溶關鍵帶水循環過程與演變規律、水循環過程在巖溶關鍵帶中的作用,探尋變化環境下巖溶關鍵帶水循環過程演變的規律與驅動機制,總結不足與問題。提出未來研究的總體趨勢和方向:巖溶關鍵帶形成與演化和水循環過程相互作用機制;巖溶關鍵帶水循環驅動的物質轉化與能量遷移過程及其耦合;水循環過程在不同時空尺度上對全球變化與人類活動干擾的響應;多種觀測與模擬手段的綜合應用。

關鍵詞:巖溶關鍵帶;水循環;研究進展

珊瑚礁海岸水動力學問題研究綜述

姚  宇1,2

(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)

摘要:珊瑚礁水動力學是一個涉及生態、環境、地質和工程學的交叉課題,其水動力學研究不僅為珊瑚礁海域生態系統的維護和海岸線的演變提供一定的理論參考,還能為海岸的防災減災以及島礁工程的建設提供一定的決策依據。回顧了國內外珊瑚礁海岸水動力問題的研究與進展,從現場觀測、理論模型、物理模型試驗和數值模型4個方面對當前該領域的研究進展進行了綜述,并提出今后現場觀測研究對象可關注南中國海的珊瑚島礁,理論分析方法可側重考慮非線性波浪理論,物理模型試驗可采用大型波浪水槽和港池來復演現場尺度的水動力問題,數值模型可采用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法對波浪與珊瑚礁相互作用進行精細化模擬,本文旨在為今后國內珊瑚礁水動力學方面的相關研究提供一定的借鑒和參考。

關鍵詞:珊瑚礁;波浪;水動力學;海岸工程

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