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《水科学进展》2021年第2期中文摘要
日期:2021年04月08日 11:16:29点击数:字号:【

高度城镇化背景下珠三角地区极端降雨时空演变特征

黄国如1,2,陈易偲1,姚芝军1

(1. 华南理工大学土木与交通学院,广东 广州 510640;2. 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室,广东 广州 510640)

摘要:为分析城镇化发展程度与极端降雨变化之"间的关系,选取珠江三角洲地区22个雨量站1973—2012年的小时降雨资料,利用空间分析、线性回归、滑动平均和Mann-Kendall趋势检验等方法,分析高度城镇化背景下珠三角地区极端降雨时空分布规律和变化特性,并解析暴雨雨型变化特征。结果表明:①珠江三角洲高度城镇化地区极端降雨量上升了44.3 mm/(10 a),呈显著增加趋势,相邻其他地区则无明显变化,高度城镇化地区的前汛期极端降雨量显著增多是造成其年极端降雨量增加的主要原因。②珠三角地区暴雨雨型以单峰型为主,其中以雨峰在前的Ⅰ型暴雨占比最高,约为33.7%,高度城镇化地区Ⅰ型暴雨发生频率明显增加,易导致暴雨内涝事件增加,需加强高度城镇化地区防洪排涝工作。

关键词:高度城镇化;极端降雨;暴雨雨型;珠三角地区

基于四元驱动的海河流域河川径流变化归因定量识别

鲍振鑫1,2,张建云1,2,严小林3,王国庆1,2,贺瑞敏1,2,关铁生1,2,刘艳丽1,2

(1.彩神app下载安卓版水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029;2.水利部应对气候变化研究中心,江苏 南京 210029;3.中国人民解放军31110部队,江苏 南京 210016)

摘要:海河流域水资源极为短缺,河川径流下降显著,定量识别径流变化成因对于科学认识流域水循环演变机理、支撑水资源开发利用具有重要的科学意义和实际价值。基于模型参数区域化技术构建了海河流域可变下渗容量(VIC)模型,重构了流域天然河川径流序列。建立了气温变化、降水变化、下垫面变化和取用水四元要素驱动的河川径流变化归因定量识别技术体系,分析了4种因子在海河流域河川径流减少中的贡献。结果表明:①1956—2010年,人类活动是海河流域河川径流减少的主要原因,但是气候变化的影响不可忽略,其中气候变化的贡献约为1/3,人类活动的贡献约占2/3;气候变化中,降水下降的贡献远大于气温升高的影响,分别约为30%和4%;人类活动中,取用水的影响大于下垫面变化的影响,分别约为55%和11%。②海河流域4个水资源二级区的河川径流变化成因相比,从北向南气温升高的影响减小,降水减小的影响增大,海河北系和海河南系的取用水影响较大,滦河流域径流变化时间较晚,徒骇马颊河径流变化程度最小。

关键词:径流;归因识别;气候变化;人类活动;海河流域

金沙江流域实际蒸散发遥感重建及时空特征分析

张  珂1,2,鞠  艳1,2,李致家1

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098;2. 河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098)

摘要:通过构建基于重力卫星的实际蒸散发重建方法来获取高精度的实际蒸散发信息,为研究气候变化下的水循环规律提供关键信息。利用GLDAS陆面模式同化数据对GRACE重力卫星水储量观测数据进行空间降尺度,通过水量平衡法,重建了金沙江流域2002—2016年的子流域尺度实际蒸散发月序列。结果表明:①基于重力卫星观测与水量平衡方法重建的实际蒸散发(ETRecon)与ETPLSH、ETJung和ETMODIS3种遥感反演产品相比有较高的可靠性,其中与ETPLSH的相关性最高(r=0.82),与ETJung的平均差和均方根差最小。②研究区年均实际蒸散发为410.8 mm/a,空间分布上由西北向东南递增,年际变化上呈增加趋势。③季节尺度上,实际蒸散发夏季最高,呈逐年增加趋势;冬季最低,波动较平稳。

关键词:实际蒸散发;GRACE卫星;水量平衡;时空分布;金沙江流域

黄河内蒙古河段河道冲淤演变与凌情响应机制

张金良,鲁  俊

(黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450003)

摘要:黄河上游内蒙古冲积性河道凌汛问题突出,研究河道冲淤演变与凌情响应机制可为该河段防凌减灾提供技术支持。根据内蒙古河段凌情、河道冲淤演变资料,分析凌情变化表征指标及与之"密切相关的河道冲淤演变特征指标,研究河道冲淤演变特征指标与凌情变化表征指标的响应关系。结果表明:河道冲淤演变的特征指标平滩流量与凌情表征指标冰下过流能力、槽蓄水增量关系密切,冰下过流能力为平滩流量的1/5左右,随着平滩流量减小而减小,而槽蓄水增量随着平滩流量的减小而增大,有利内蒙古河段防凌的平滩流量宜不小于2 000m3/s,槽蓄水增量宜不超过14亿m3。本研究成果可为内蒙古河段冰凌灾害防治提供参考。

关键词:冲积性河道;冲淤演变;平滩流量;槽蓄水增量;凌情;响应关系

基于水热耦合的青藏高原分布式水文模型

——Ⅱ.考虑冰川和冻土的尼洋河流域水循环过程模拟

刘扬李1,2,周祖昊2,刘佳嘉2,王鹏翔2,3,李玉庆4,朱熠明2,5,姜欣彤2,6,王  康3,王富强5(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081;2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038;3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉 430072;4. 西藏农牧学院水利土木工程学院,西藏 林芝 860000;5.华北水利水电大学水利学院,河南 郑州 450046;6.中国海洋大学工程学院,山东 青岛 266100)

摘要:尼洋河流域是雅鲁藏布江第四大支流,受冰川、积雪和冻土影响,水循环关系极其复杂。为深入研究该区域内的水文循环过程,本文在寒区水循环模型(WEP-COR)的基础上,针对青藏高原气候和地质特点,构建了耦合“积雪-土壤-砂砾石层”连续体和“积雪-冰川”水热过程模拟的青藏高原分布式水循环模型(WEP-QTP)。在尼洋河流域通过对2013—2016年的流量过程模拟发现,工布江达和泥曲站的逐月流量Nash-Sutcliffe效率系数分别达到0.810和0.752,比改进前的0.430和0.095有明显提升;以2015年为例,对比WEP-COR和WEP-QTP模型发现,WEP-QTP模型在汛期特别是主汛前(冻土融化期)模拟的流量过程不会出现较大的波动,模拟得到的逐日流量Nash-Sutcliffe效率系数相比WEP-COR从-0.67提高到0.54。模型增强了地下水含水层的调节作用,使得流量过程更加平稳且接近实测,研究结果表明,WEP-QTP模型适用于青藏高原的水文模拟。

关键词:水循环模拟;“积雪-土壤-砂砾石层”连续体;积雪-冰川;水热过程模拟;尼洋河流域

基于暴雨衰减特性的上海市长历时综合暴雨公式

贾卫红1,徐卫忠2,李琼芳3,4,周正模3

(1.上海市水务规划设计研究院,上海 200233;2.上海市气候中心,上海 200030;3.河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098;4.长江保护与绿色发展研究院,江苏 南京 210098)

摘要:编制适用于不同历时的综合暴雨公式是协调城市管网排水与区域防洪治涝的重要基础。选用上海市代表雨量站徐家汇站65a实测雨量资料,建立不同重现期暴雨强度与历时关系,解析暴雨衰减规律,编制单一重现期暴雨公式,结合雨力公式推求适用不同重现期的长历时综合暴雨公式,并推导出暴雨重现期公式。结果表明:不同重现期1~24 h历时暴雨强度均以0.74的衰减指数衰减,据此推求的长历时综合暴雨公式可计算1~24h任意历时、2~100a任意重现期的设计暴雨,且平均相对和平均绝对均方根误差分别为1.9%和0.009mm/min,符合规范要求;暴雨重现期公式可估算1~24h历时内任意场次暴雨的重现期,高效地服务于城市洪涝防治决策。成果已纳入上海市治涝地方标准,对其他城市具有参考价值。

关键词:暴雨衰减指数;长历时;暴雨公式;暴雨重现期;上海市 

黄河下游动床阻力变化及其计算方法

夏军强1,刘  鑫1,张晓雷2,周美蓉1

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉 430072;2.华北水利水电大学水利学院,河南 郑州 450011)

摘要:动床阻力在冲积河道洪水演进与河床冲淤计算中具有十分重要的作用。黄河下游不同水沙条件下的床面形态变化较大,动床阻力变化规律十分复杂,因此需要研究动床阻力的计算方法。利用黄河下游花园口、高村、利津等7个水文站1958—1990年的686组实测数据,确定了影响动床阻力变化的关键水沙因子——水流弗劳德数(Fr)与相对水深(h/D50),前者表示水流强度,后者表示床面相对粗糙度;建立了基于水流能态分区的动床阻力计算公式,并采用这些实测数据率定了公式中的相关参数;利用黄河下游各水文站1991—2016年的2288组实测资料,进一步验证了公式的计算精度。计算结果表明:动床阻力的大小随弗劳德数或相对水深的增加而减小;基于水流能态分区动床阻力公式的计算精度明显高于未分区的公式及其他4个动床阻力公式,且决定系数(R2)总体接近0.80,说明水流强度与床面相对粗糙度对动床阻力影响十分显著。

关键词:动床阻力;弗劳德数;相对水深;水流能态分区;黄河下游

1959—2019年杭州湾南岸滩涂演变规律及机制

胡成飞1,2,潘存鸿1,2,吴修广1,2,唐子文1,2,郑  君1,2

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江省河口海岸重点实验室,浙江 杭州 310020)

摘要:掌握滩涂演变规律是保护和开发滩涂资源的重要依据,杭州湾水沙条件复杂,人类活动强度大,滩涂演变机制复杂。基于杭州湾近60a(1959—2019年)水文地形监测资料,结合促淤围涂进程,分析了杭州湾南岸滩涂在水沙变化和人类活动影响下的演变规律及其机制。结果表明:近60a来,杭州湾南岸滩涂普遍淤高,1959—2003年淤积速率约6.70 cm/a,2003—2019年淤积速率加快,约12.59 cm/a;大规模围涂和潮差增大是滩坡坡度增大的主要原因;庵东浅滩平面形态的周期性演变与径流的丰枯周期有关,呈现“丰水走弯,枯水趋直”现象;长江来沙减少尚未对杭州湾南岸滩涂淤涨产生明显影响;围涂工程是杭州湾南岸滩涂近期淤涨速率加快、潮滩宽度减小的主要原因。

关键词:潮滩;地貌演变;剖面形态;围涂;杭州湾

基于平移相关法的黄河口溯源冲淤范围分析

王党伟,吉祖稳,邓安军

(中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100048)

摘要:河口延伸及流路改道的溯源影响是科学制定黄河下游河道治理与河口治理规划的关键问题之"一,关系到治黄战略及策略的确定。基于沿程冲淤和溯源冲淤在时空上的传播特征,提出了平移相关分析方法,采用1950—1990年的水位数据,分析了黄河口流路演变对黄河下游河道的溯源影响过程和范围。结果表明:①黄河下游不同断面上的水位总体呈震荡上升趋势,水位变化过程在空间上并不完全同步,相同时间节点上各断面水位存在较大差别,具有扰动波的传播特征;②黄河下游沿程冲淤发展速率较快,冲淤扰动波从花园口传递到高村大约需要1a,高村与艾山之"间的冲淤变化则基本同步;③溯源冲淤发展速度较慢且存在滞后效应,泺口冲淤变化主要受利津前8a冲淤变化的累积影响;④黄河口流路演变溯源影响主要在艾山以下,距离黄河入海口约350km以内的河段主要受溯源冲淤影响。

关键词:河口演变;溯源影响;平移相关分析法;黄河口

淹没植物明渠床面冲淤及其对水流运动的影响

赵汗青1,2,唐洪武2,3,闫  静2,4,戴会超1,刘志武1

(1.中国长江三峡集团有限公司,北京 100038;2. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098;3.长江保护与绿色发展研究院,江苏 南京 210098;4.河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)

摘要:植物的存在改变了河流水动力特性,造成独特的床面冲淤态势。利用实验室水槽模拟含淹没植物的河道,对床面形态和紊流统计特性参数进行测量,研究不同类型紊流作用下的床面冲淤特征以及床面起伏对流动的影响。结果表明:床面剪切紊流条件下,床面形态为马蹄坑-沙沟/沙脊与沙波复合分布,床面变形加剧了流速沿水深不均匀分布并促进水流动量交换;在自由剪切混合层紊流条件下,床面形态为植物根部马蹄形冲坑及其后方沙沟、沙脊交错分布,床面变形对流动的影响并不显著;“类二重紊流”条件下,床面形态同样表现为马蹄坑-沙沟/沙脊-沙波复合,床面变形促进植物层内部的水流动量交换、抑制紊动清扫,抑制植物层外部的动量交换、促进紊动喷射。

关键词:淹没植物;明渠;紊流类型;床面形态;流动特性

考虑回水影响的河道水位—流量关系确定方法

孙昭华,周歆玥,范杰玮,熊海滨,谈广鸣

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉 430072)

摘要:为评估长江中游受回水影响河段内河床调整引起的水位变幅,提出一种仅依赖水文资料的多值型水位—流量关系确定方法。结果表明:单值型关系无法区分河床调整与回水因素的影响,而已有的多值型方法可操作性受限;长江中游河道断面的河宽与水深之"间,以及流量与糙率之"间都具有明显制约关系,依据这些制约关系对恒定渐变流方程简化,可得到上下游水位与河段内流量之"间的多值型函数关系;确定出多年平均水位—流量关系之"后,计算水位与实测水位之"间的残差能够反映河床调整的影响;在长江中游3个不同类型典型河段的应用表明,河床稳定情况下的计算与实测水位之"间决定系数R2值超过0.99,河床调整情况下,新方法更易识别水位变幅。

关键词:回水顶托;水位—流量关系;河床调整;水位变幅;长江中游

岩溶水柜集流坡面的径流模式和调控建议

姜光辉,郭  芳

(中国地质科学院岩溶地质研究所自然资源部/广西岩溶动力学重点实验室,广西 桂林 541004)

摘要:作为南方岩溶地区水柜水源的坡面径流,其形成和动态变化缺少精确且详细的解析。选择桂林丫吉试验场峰丛洼地的一个表层岩溶泉为对象,通过1个水文年多指标的监测,获得不同降雨条件下坡面径流的水文和水化学动态过程,以水文分析和水化学示踪解析径流水文特征、产流条件和水源组成。结果表明:坡面径流的水文过程季节性变化对比强烈,低水位总时长占全年的一半,连续时长超过3个月,全年连续断流有40多天,显示坡面径流水源不稳定,具有调控的必要性;受控于溶蚀作用的水化学动态展示了来自于多种界面的径流汇合过程;电导率等指标的波动共同指向降雨事件中形成于裸岩区的石面流发挥先锋作用。依据集流场的下垫面结构从3个方向提出调控建议:减少裸岩区径流渗漏;改善表层岩溶带通透性;揭露覆盖区隐伏径流。这些措施将有助于增加水柜蓄水量,提高径流利用效率。

关键词:集流场;峰丛洼地;水柜;产流;表层岩溶带

溢流堰与竖缝组合式鱼道紊流结构试验研究

董志勇,余俊鹏,黄  洲

(浙江工业大学土木工程学院,浙江 杭州 310023)

摘要:利用声学多普勒测速仪(ADV)实测了凹口溢流堰与同侧布置竖缝组合式鱼道的三维瞬时流速,应用射流力学和紊流统计理论剖析了鱼道水池内的时均流速、紊动强度、雷诺应力、相关函数、紊动尺度等紊流结构。试验研究结果表明:溢流堰与竖缝组合式鱼道池内水流流态呈现出复杂的三维紊流结构;同竖缝相比,溢流堰对紊动强度和雷诺应力的变化有着更为显著的影响,尤其是鱼道池内表层区域;堰流区涡旋的相关性比竖缝壁面射流区好,并且堰流区存在较大尺度的涡旋结构,而竖缝壁面射流区的涡旋尺度则较小。相比单一式鱼道,组合式鱼道紊流结构更加复杂,研究结果可为优化鱼道设计、修复鱼类生境提供参考。

关键词:紊流结构;溢流堰;竖缝;组合式鱼道 

颗粒沉降问题的高解析度CFD-DEM-IBM流固耦合数值模拟方法

底瑛棠,赵兰浩,毛  佳

(河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)

摘要:为实现颗粒沉降问题的精确数值模拟,探索稠密颗粒两相流中流体与颗粒间的影响机制,基于浸入边界法(IBM),建立了高解析度CFD-DEM-IBM流固耦合数值模拟方法。分别通过流体动力学方法(CFD)及离散单元法(DEM)描述连续流体及非连续颗粒,引入浸入边界法处理颗粒移动边界,并在Navier-Stokes动量方程中附加体力项以体现流固相互作用,采用交错迭代算法在同一时间步内多次迭代求解直至收敛以实现流固间的强耦合。通过单、双、群颗粒的沉降行为模拟,结果表明:与传统CFD-DEM方法相比,该方法能够准确考虑颗粒间及流固两相间的相互作用,获得高解析度的流场信息。模拟结果与前人数值计算结果吻合,验证了该方法的准确性与有效性及其对稠密颗粒两相流问题的适用性与优越性。

关键词:颗粒沉降;流固耦合;浸入边界;两相流;尾涡结构 

从土壤侵蚀角度诠释泥沙连通性

张光辉1,2

(1.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,北京 100875;2.北京师范大学地理科学学部,北京 100875)

摘要:泥沙连通性是近10年来国际上的研究热点,从土壤侵蚀角度准确理解泥沙连通性至关重要。泥沙连通性表征流域内不同地貌或景观单元间的泥沙级联关系,受气候、地质地貌、流域特性、地形条件、土壤属性、植被特性、水文过程、土壤侵蚀以及人类社会活动及其时空变化的综合影响,泥沙连通性具有明显的时空变异特征。研究泥沙连通性的方法包括野外调查法、图论法、指标法和模型模拟法,不同方法的理论基础、数据要求、实施过程与结果存在一定差异,连通性指数目前应用最为广泛,但该指数更多强调结构连通性。亟需加强泥沙连通性概念与物理含义、影响因素及其动力机制、研究方法与指标体系等方面研究,明确泥沙连通性与水文连通性、土壤侵蚀和泥沙输移比的关系,分析水土保持措施对泥沙连通性的影响及其动力机制。

关键词:土壤侵蚀;水文连通性;影响因素;研究方法;研究内容

 单向明渠流与波浪作用下植被对水沙运动影响研究综述

张英豪1,赖锡军2,唐彩红3

(1.聊城大学环境与规划学院,山东 聊城 252000;2.中国科学院南京地理与湖泊研究所中国科学院流域地理学重点实验室,江苏 南京 210008;3.华北电力大学水利与水电工程学院,北京 102206)

摘要:作为河、湖以及滨海湿地生态系统中必不可少的组成部分,水生植被具有重要的生态服务价值,且许多生态服务价值是通过改变水体动力条件实现的。含植被水流研究不仅可用于科学阐明水生植被的生态环境效应,还能指导河湖生态系统修复及污染治理的工程实践。本文考虑单向明渠流与波浪2种水动力环境,对国内外有关水生植被对水流结构以及泥沙运动影响研究的主要成果进行梳理。单向明渠流条件下,植被对水动力的影响研究主要集中于植被对水流阻力的影响以及冠层内水体的紊动结构与紊动尺度特征;波浪条件下,植被对波高与波浪流速的减弱作用以及冠层内水体的时均与紊动结构特征是研究重点。受水动力条件控制,植被影响下的泥沙运动特征也受到广泛关注,且研究焦点为单向明渠流条件下水生植被对泥沙起动与输移的影响以及波浪条件下植被对床底泥沙再悬浮的影响。

关键词:水流结构;泥沙运动;单向明渠流;波浪;水生植物

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