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《水科学进展》2021年第3期中文摘要
日期:2021年06月08日 08:44:01点击数:字号:【

气候变化下中国主要流域气象水文干旱潜在风险传播

顾  磊1,2,陈  杰1,尹家波1,郭  强1,王惠民1,周建中2

(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. 华中科技大学土木与水利工程学院,湖北 武汉 430074)

摘要:全球气候变化影响了气象水文要素的时空分布特性,气象水文干旱事件的转化关系及风险传播特征亟待研究。基于站点、栅格观测资料和CMIP5(Coupled Model Inter-comparison Project Phase5)的19个气候模式输出数据,采用新安江等4个水文模型模拟了中国135个流域历史(1961—2005年)和未来时期(2011—2055年,2056—2100年)的水文过程,计算了SPI(Standard Precipitation Index)和SRI(Standard Runoff Index)干旱指标,通过游程理论识别了气象干旱与水文干旱事件,利用Copula函数与最大可能权函数度量二维干旱风险特征,定量评估了气象干旱至水文干旱的潜在风险传播特性。结果表明:①气象-水文干旱对气候变化响应强烈,华北和东北地区的干旱联合重现期增大,干旱潜在风险减小,华中和华南地区的干旱联合重现期减少60%~80%,干旱潜在风险增加;②气象干旱与水文干旱风险在历史和未来时段均存在显著的正相关关系,相关系数超过0.99;③各流域水文干旱风险变化对气象干旱风险变化的敏感程度不会随气候变暖发生较大变化,但未来北方地区水文干旱同气象干旱同时发生的概率将会小幅度增加。

关键词:气候变化;水文模拟;Copula函数;干旱;风险传播

城市洪涝水文水动力耦合模型构建与评估

黄国如1,2,陈文杰1,喻海军3

(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;3.中国水利水电科学研究院,北京 100038)

摘要:为降低暴雨洪涝灾害损失,利用数值模拟方法研究城市洪涝过程,提前获取可靠的洪涝水情信息,具有重要的现实意义。根据城市洪涝过程的水文水动力学原理和方法,以SWMM模型与自主研发的二维模型为基础,提出一、二维模型耦合的具体方法,通过水平和垂直方向的连接构建水文水动力耦合模型。研究提出基于DLL的一、二维模型耦合策略,以垂向连接问题为理论案例,将模拟结果与InfoWorks ICM软件结果进行对比分析,阐明该垂向连接方式的合理性。以广州市东濠涌流域为实际案例,构建了东濠涌流域城市洪涝水文水动力耦合模型,选用2场实测降雨对模型进行模拟分析,发现模型在一维排水系统排水能力和二维地表积水的模拟均具有较好的精度和可靠性。结果表明所提出的连接算法合理可行,所构建的水文水动力耦合模型具有一定的可靠性,对城市洪涝模拟分析具有较好的应用价值。

关键词:城市洪涝;水文水动力耦合模型;垂向连接;东濠涌流域

变化环境下城市洪水演变驱动机理

——以北京市温榆河为例

任梅芳1,2,徐宗学1,2,庞  博1,2

(1. 北京师范大学水科学研究院,北京 100875;2. 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室,北京100875)

摘要:气候变化和人类活动被认为是城市洪水演变的主要驱动因素,不同区域气候变化和城市化对洪水演变的影响不尽相同,科学识别城市洪水演变的关键驱动要素、量化气候变化与城市化对城市流域洪水演变的影响是城市洪水管理的重要依据。本文以高度城市化的北京市温榆河流域为例,以季节降雨量、气温、流域前期湿度、不透水面积比及流域内地下水埋深作为潜在驱动要素,对温榆河夏季不同概率的洪水建立GAMLSS模型,分析探讨城市流域洪水演变的主要驱动机制。研究结果表明:温榆河流域夏季不同概率的洪水在研究期均呈现出非一致性特性;城市不透水面积的扩张和降水是温榆河流域夏季洪水变化的主要驱动要素,不同等级洪水的变化具有不同的驱动机制,高于概率70%的小洪水的变化主要受到流域下垫面变化的影响,而小于概率45%的低频洪水的变化主要受降水的影响。

关键词:洪水演变;气候变化;城市化;驱动机理;温榆河

基于生态流量阈值的河流水文健康演变定量归因

江善虎1,2,周  乐1,2,任立良1,2,王孟浩2,卫林勇2,袁  飞2

(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:环境变化改变了河流水文情势,影响了河流的生态系统健康,亟需开展变化环境下河流水文健康演变定量归因方法研究。选取北方半干旱地区老哈河流域为研究区,依据流域内3个水文站、17个雨量站和6个气象站1964—2016年数据,基于可变下渗容量模型还原河流的天然流量序列;采用概率密度法计算河流生态流量,基于生态流量阈值推求河流水文健康等级;基于“观测-模拟”对比分析法,定量分离气候变化和人类活动对河流水文健康情势的影响。结果表明:人类活动是甸子和太平庄子流域自1980年以来河流水文健康情势退化的主要原因,其贡献率分别为86.9%和87.9%;大面积农业灌溉用水引起地表径流下降以及水利工程改变天然水文情势,影响了河流水文健康情势;90年代降水量较为充沛,研究流域受人类活动影响程度较小,河流水文健康等级维持在较高的水平。综合生态流量阈值和“观测-模拟”对比分析方法可定量识别河流水文健康情势演变原因,为适应环境变化的河流健康管理提供科学依据。

关键词:生态流量;河流健康;气候变化;人类活动;变化归因

天津平原区城市化地区蒸散发特征

曹润祥,李发文,李建柱,冯  平

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072)

摘要:为揭示城市蒸散发特征,采用考虑人为热影响的SEBS-Urban模型计算天津平原区2015—2017年逐月蒸散量。使用两步验证法对结果进行检验,首先利用MODIS MOD16产品对非建成区模拟结果合理性进行验证,其次利用城市耗水(UWD)模型得到的天津大学卫津路校区月蒸散量对建成区模拟结果验证。在SEBS-Urban模拟结果基础上,检验Budyko方程在城市化地区的适用性。结果表明:①SEBS-Urban模型精度可靠,体现了蒸散发项在城市地表能量平衡与二元水循环中的相合性;②人为热或社会侧的耗水会导致蒸散发量增加,建成区增幅达85%~115%,整个研究区增幅为7.2%~8.7%;③Budyko方程在研究区具有较好的拟合效果,可应用于城市地区。本研究成果可为城市化地区蒸散发研究提供必要的参考。

关键词:蒸散发;地表能量平衡;城市化;SEBS-Urban模型;城市耗水模型

流域水资源调度多目标时变偏好决策方法及应用

董增川,倪效宽,陈牧风,姚弘祎

(河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098)

摘要:传统多目标决策方法难以刻画流域水资源系统调度周期内多目标互馈关系及需求动态变化,可能导致关键时期特定目标保障不足。为弥补该缺陷,提出多目标时变偏好决策方法。以金沙江下游为例,分析发电与生态目标需求的时空变异性,构建并求解两目标随时程变化的Pareto前沿簇,量化各时期目标间竞争强度,基于灵敏比的非支配关系,定量识别各调度时期决策人的目标偏好,形成偏向度决策支持集,建立多目标时变决策模型。结果表明:考虑时变偏好的决策方法,其动态累积Pareto前沿可以支配传统静态Pareto前沿;相较于传统方法,研究区全年增发电量0.7亿kW·h,全年和关键生态期生态效益分别提升8.06%和2.83%,可以在保持发电效益的同时显著优化生态效益,并提高关键时期生态需求的保障程度。

关键词:多目标决策;时变;Pareto前沿簇;动态偏好;水资源调度;金沙江下游

基于联系数和洛伦兹曲线的水资源空间均衡评价方法

金菊良1,2,徐新光1,2,崔  毅1,2,周戎星1,2,吴成国1,2,张礼兵1,2

(1. 合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009;2. 合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所,安徽 合肥 230009)

摘要:为充分体现评价过程中各子区域对整个区域水资源空间均衡状况的定量影响,提出了基于联系数和洛伦兹曲线的评价方法。分别构建水资源总量与耕地面积、人口数量、第二产业GDP 3对匹配关系的洛伦兹曲线,计算基于纵向距离的评价样本值;应用集对分析理论计算样本值联系数并确定均衡等级,同时与基尼系数法对比。安徽省的实证研究结果表明:安徽省2011—2018年水资源总量—耕地面积、水资源总量—人口数量、水资源总量—第二产业GDP均总体呈现空间不均衡状态;水资源总量—耕地面积、水资源总量—人口数量的均衡程度有所改善,而水资源总量—第二产业GDP均衡形势仍较为严峻,亟需改善。该研究为区域水资源空间均衡定量评价提供了新的有效途径。

关键词:水资源空间均衡评价;联系数;集对分析;洛伦兹曲线;基尼系数;安徽省

长江流域水储量变化的时间变化特征及归因分析

聂  宁1,2,张万昌3,陈  豪4,5,赵登忠6,刘  敏1

(1. 华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室,上海 200241;2. 华东师范大学地理科学学院,上海200241;3. 中国科学院空天信息创新研究院,北京 100094;4. 天津大学地球系统科学学院表层地球系统研究院,天津 300072;5. 天津大学天津市环渤海地球关键带科学与可持续发展重点实验室,天津 300072;6. 长江水利委员会长江科学院,湖北 武汉 430010)

摘要:为开展长江流域水储量变化(Terrestrial Water Storage Change, TWSC)的时间变化特征及归因分析研究,结合GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)卫星观测及水文模拟,重建并分析了长江流域1988—2012年逐月TWSC;基于13个实验情景的模拟结果,定量区分了气候波动及关键人类活动(土地利用变化、水库调蓄)对TWSC的相对贡献。结果表明:①流域平均TWSC、降水、蒸散发、径流深分别以0.1 mm/a、-3.5 mm/a、0.6mm/a、-4.2mm/a的线性速率增减;②逐月非季节性TWSC与南方涛动指数(Southern Oscillation Index, ISO)呈现显著负相关性(α<0.01);③气候波动对TWSC影响占主导地位,水库调蓄与气候波动对月平均TWSC的相对贡献率存在负相关性;④三峡水库运行后,水库调蓄对月平均TWSC的影响显著增强,且呈现季节性规律,即1—5月削减TWSC,7—12月增加TWSC。本研究提供了一种TWSC归因分析研究框架,研究结果可为长江流域水资源规划管理提供决策支持。

关键词:水储量;归因分析;卫星观测;水文模拟;长江流域

三峡库区汛期洪峰和沙峰异步运动特性的三维数值模拟

张帮稳,吴保生,章若茵

(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084)

摘要:三峡水库蓄水后水深的增加导致洪水传播过程中沙峰滞后于洪峰的时间增加,利用洪峰和沙峰异步运动特性进行沙峰排沙调度是减缓水库淤积的重要手段之"一。采用三维数值模型SCHISM(Semi-implicit Cross-scale Hydroscience Integrated System Model)研究三峡库区洪峰和沙峰的异步运动规律,基于2013年的汛期水沙传播过程验证模型的可靠性和准确性,初步分析不同洪水位下洪峰和沙峰的异步运动特性。结果表明:数值模型能够准确地模拟三峡水库汛期洪峰和沙峰长距离的传播过程;坝前蓄水位对洪峰传播时间的影响不大,但是对沙峰传播时间的影响较为显著;坝前水位增加使水流的流速减小和挟沙能力降低,沙峰传播速度减慢且峰值沿程不断降低,最终导致库区中沙峰滞后于洪峰出现的时间沿程越来越长。研究结果可为进一步优化三峡水库的沙峰排沙调度等提供科学依据。

关键词:沙峰;洪峰;滞后时间;含沙量;三峡水库

洪水水流压力及其影响因素模型试验研究

肖诗云1,郭晓阳1,李  娜2

(1. 大连理工大学建设工程学部,辽宁 大连 116024;2. 中国水利水电科学研究院,北京 100038)

摘要:洪水对洪泛区建筑会造成较大的危害,洪水荷载研究是洪泛区建筑脆弱性研究的基础。通过模型试验,研究不同水深流速的洪水对建筑表面的水流压力及其分布规律。试验在波流水槽中设置可调整出水口来控制作用于模型迎流面水流的深度和流速,模型分为2层,1层有洞口,2层无洞口,固定于出水口下游。结果表明:模型迎流面水流流速分布不均匀,水流压力从下至上逐渐减小;基于试验数据发现动水压力随着流速的增加而增加,且呈非线性关系,并据此提出了动水压力修正系数,改进了水流压力计算公式;水流压力和水深近似呈线性关系;洞口和边界会在一定程度上减小迎流面水流流速与水流压力。研究结果为洪泛区建筑的抗洪设计和抗洪能力评价提供依据。

关键词:洪水;水深;流速;水流压力;模型试验

不同洪水重现期下橡胶坝调控对洪水风险的影响

张  晨,于  昊,于若兰,郑云鹤,杨  蕊,高学平

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350)

摘要:现有针对河湖水系连通伴生风险分析的方法或不具备物理过程模拟,或缺乏对风险随机性的探讨。以沂沭河水系连通工程为例,在水力学模型的基础上,考虑连通河网不同河流洪峰相关性,创建随机水情条件下河湖水系连通伴生风险分析模型。通过1 200组水情条件,对沂沭河水系上游进行洪水过程模拟,针对橡胶坝可能造成的洪峰叠加问题,提出不同洪水重现期下橡胶坝运行调度风险管控建议。结果表明:①50年一遇与100年一遇洪水重现期条件下,均呈现出橡胶坝坝址处水位风险极高(概率P>0.8),流速风险较低(P<0.3)的规律,且每当橡胶坝高度升高25%的设计坝高时,沂河与沭河坝前水位风险皆提高约70%,沭河坝址处流速风险降低约50%。②若在汛前塌坝下泄蓄水,人为洪峰的叠加会使沭河中下游河段产生极高风险。③通过划分水位、流速综合洪水风险安全域,洪水重现期50年一遇时,建议沂沭河橡胶坝在汛前调节至低于50%设计坝高,且控制沭河水深和流速分别在12 m和2.23 m/s以内,可以降低水位和流速风险至低风险(P<0.4);洪水重现期100年一遇时,需将橡胶坝调至25%设计坝高以下,或者汛前尽早缓慢塌坝下泄蓄水,才能有效降低沂沭河水系防洪压力。

关键词:洪水风险;管控措施;河湖水系连通;橡胶坝;沂沭河水系

规则波作用下刚性挺水植物波生流试验研究

陈  杰1,2,姚  震1,蒋昌波1,3,曾思益1,陈克伦1

(1. 长沙理工大学水利工程学院,湖南 长沙 410114;2.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室,湖南 长沙 410114;3.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南 长沙 410114)

摘要:通过在波浪水槽中进行一系列物理模型试验研究规则波作用下刚性挺水植物波生流特性,测试了2种水深和不同入射波况条件下的波生时均流速并对比了挺水植物有茎与无茎时波生流的情况,基于假设检验分别对挺水植物的拖曳力长度尺度、植物特征参数建立模型。研究结果表明:在茎密度为60株/m2时,波生流仍以根部作用为主要因素,对沉水植物公式进行拓展,据此提出挺水植物时均流速最大值预测公式;茎部对时均流速均方根具有衰减作用,且茎部在根部及根部上方区域产生的相对衰减强度,与厄塞尔数呈抛物线函数关系;在簇状根系分布下,茎部对垂向流速结构起稳定作用,尤其是在时均流速最大值所对应的量纲一垂直位置。

关键词:刚性挺水植物;波生流;拖曳力长度尺度;植物特征参数

基于水下摄影的床面泥沙运动特性试验研究

刘明潇1,Michele Guala2,孙东坡1

(1. 华北水利水电大学水利学院,河南 郑州 450046;2. St. Antony Fall Laboratory,University of Minnesota,Minneapolis 55414,USA)

摘要:为提高推移质试验的观测精度与效率,基于水下摄影和粒子跟踪(UP/PTV)技术,实现明槽流床面泥沙运动状态的精细试验观测。通过剔除床面颗粒震颤干扰、设置颗粒临界运动阈值和多重滤波筛选程序,提高采集样本数据的有效性。利用多组低强度推移质试验,提取床面颗粒运动轨迹、速度、单步时长等数据,并进行粒子运动的Lagrange过程分析和概率密度分布(PDF)研究。研究表明:粒间碰撞和近底紊流扫荡的影响使粒子速度在单步步长内呈现先急剧增加再缓慢衰减的变化特征;速度PDF曲线显示细尾Gamma函数特性,同时受粒子震颤效应影响,加速度PDF曲线则具有拉普拉斯分布特征;粒子速度与摩阻流速之"间关系密切,保持3.4~3.5的比值;粒子单步时长与步长的联合分布呈幂函数变化规律,拟合曲线指数一般为1.25~1.3。幂律指数大小受推移质输沙强度与床面粒子异质性的影响。

关键词:床面泥沙;粒子跟踪技术;水下摄影;粒子状态;活跃等待;细尾分布

流域湿地水文调蓄功能研究综述

吴燕锋,章光新

(中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林 长春 130102)

摘要:湿地是流域水循环和水量平衡的重要调节器,在维护流域水量平衡、减轻洪旱灾害和应对气候变化等方面发挥极其重要的作用。流域湿地水文调蓄功能是湿地生态水文学研究的重要内容,科学认识和理解流域湿地水文调蓄功能对流域湿地恢复保护、水资源综合管控与应对气候变化具有极其重要的意义。本文阐述了流域湿地水文调蓄功能的概念与内涵,剖析了流域湿地水文调蓄功能时空变异性、阈值性和多维性三大特征及其影响因素(包括湿地土壤特性、植被特征和初始水文条件等内在因素和流域特征、降雨特征、气候变化和人类活动等外在因素),探讨了流域湿地不变情景下和变化情景下水文调蓄功能评估方法,并介绍了流域湿地水文调蓄功能定量评估模型与应用情况。最后,从学科发展和实践需求的视角提出了流域湿地水文调蓄功能未来亟需加强研究的重点方向。

关键词:湿地;水文调蓄功能;流域;影响因素;定量评估

盐沼潮滩生物动力地貌演变研究进展

周  曾1,陈  雷2,林伟波3,罗  锋2,陈  雪2,张长宽2

(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. 河海大学江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室,江苏 南京 210098;3. 江苏省海涂研究中心,江苏 南京 210036)

摘要:盐沼潮滩作为滨海湿地的一个重要类型,为河口海岸地区提供了多种关键的生态服务功能,具有重要的社会、经济与生态价值,其地貌演变规律的认知是海岸带保护修复和科学管理的基础。回顾国内外近一个世纪以来针对潮滩动力地貌过程的研究工作,发现研究热点已逐渐从传统的研究潮滩水-沙-地貌相互作用过渡到探索植物、动物、微生物等生物作用与动力、地貌之"间的互馈机制,涉及海岸动力学、地貌学、沉积学、环境生态学等多个学科,是典型的交叉学科前沿研究领域。归纳了盐沼植被与潮滩多种因子的相互作用,总结了常用的盐沼潮滩地貌演变模拟手段及取得的机理认知,并提出今后在生物作用、陆海耦合动力地貌模型研发等方面的科学问题和发展方向。

关键词:潮滩;潮沟;盐沼植被;泥沙输运;地貌演变;反馈机制

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