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《水科学进展》2013年第6期中文摘要_南京水利科学研究院版

南京水利科学研究院版 免费考研网/2018-05-14
长江中下游河湖水量交换过程
赵军凯1，李九发2，蒋陈娟3，李立现1，赵 追1，张爱社1，曹 铭1
（1. 九江学院生命科学学院鄱阳湖生态经济研究中心，江西 九江 332000；2. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；3. 扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225127）
摘要：长江中下游的河湖水交换关系典型且复杂，为描述河湖水量相互交换过程，提出了河湖水量交换系数的概念，即某一时段内由支流汇入湖泊的径流量与湖泊泄入干流径流量的比值，表示河湖水量交换的激烈程度。根据水量平衡原理推导出河湖水量交换系数计算的经验公式，并把河湖水量交换过程分为3种状态：“湖分洪”、“稳定”和“湖补河”。近60多年来河湖水交换系数年际变化趋势表明：洞庭湖与长江干流的水交换状态从“湖分洪”到“稳定”，再到“湖补河”状态发展；鄱阳湖与长江干流的水交换系数在稳定状态附近波动，河湖水交换状态无明显趋势性变化，河湖系统演化稳定。河湖水交换系数与长江干流径流量相关性良好，而与湖泊支流径流量相关性较差，表明长江干流径流量的大小是河湖水量交换过程的主控因素。
关键词：河湖关系；河湖水量交换系数；洞庭湖；鄱阳湖；长江中下游

古尔班通古特沙漠树枝状沙丘土壤水分时空变异特征
周宏飞1,2，肖祖炎1,3，姚海娇1,3，李 莉1,3，李原理2
（1. 中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐830011；2. 新疆阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站，新疆 阜康 831505；3. 中国科学院大学，北京 100049）
摘要：认识沙漠土壤水分的时空变异性，是揭示沙漠生态系统生态-水文格局的基础。利用中子土壤水分仪的实测数据，对古尔班通古特沙漠树枝状沙丘土壤水分时空变异进行了系统分析。研究表明：① 沙丘不同部位土壤水分随时间具有一致性变化规律，上层土壤和下层土壤的变化趋势有所不同。0~1 m土层坡顶>坡中>坡脚，1~2 m土层坡脚>坡中>坡顶。② 土壤水分具有明显的季节变化和分层变化特征。春季是古尔班通古特沙漠土壤水分最丰富、变化最迅速的时期；0~40 cm、40~140 cm、140~200 cm土层土壤水分变异系数分别为13.56%、5.35%和0.80%，与不同土层水分来源和消耗以及植物根系分布相对应；不同土层土壤水分的变异强度要大于不同部位土壤水分的变异强度。③ 植被和地形对土壤水分的空间分异作用明显，沙丘坡脚处以及荒漠灌木梭梭根区始终存在土壤水分相对富集区。
关键词：土壤水分；时空变异；沙丘；古尔班通古特沙漠；干旱区

北麓河多年冻土区降水及河水稳定同位素特征分析
杨玉忠，吴青柏，贠汉伯
（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000）
摘要：为了进一步全面理解和探索青藏高原水文水循环过程，采用同位素方法并结合气象资料对青藏高原北麓河区域2011年6~12月降水和河水稳定同位素时空特征进行分析。探讨了北麓河降水同位素与日平均气温、降水量之间的相互关系，同时也对比分析了北麓河降水和河水的同位素变化特征。结果表明：北麓河降水同位素在整个观测期内总体受温度控制，但存在季节变化，其中6~9月降水同位素受到温度和降水量效应的共同控制，9月以后则主要受温度的影响。河水同位素与降水同位素相似的变化特征，体现了降水补给特征，另外降水量也能够影响河水同位素变化：降水量小则降水对其影响较小，反之则大。与北麓河降水线相比，河水δ18O~δD关系的斜率和截距偏大，揭示该区域河水除了受大气降水的补给外，还受到区域水体内循环和蒸发分馏作用的影响。
关键词：青藏高原；北麓河多年冻土区；降水；河水；氢氧同位素

汶川震区暴雨泥石流发生的降雨阈值
周 伟，唐 川
（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）
摘要：搜集了汶川震区暴雨泥石流发生的降雨数据，采用詹氏法和修正法两种雨场分割法对其进行处理，研究了降雨参数（降雨强度、累积雨量和降雨历时）与泥石流发生之间的关系，建立了汶川震区暴雨泥石流发生的降雨阈值模型。结果表明：采用詹氏法和修正法这两种雨场分割方法所获得的降雨参数之间存在差异。两者的累积雨量差异不大，但后者的平均雨强要小于前者，其原因在于修正法改善了詹氏法估计降雨时间过短的缺点，延长了降雨历时。通过分析平均雨强~历时、累积雨量~历时、标准化平均雨强~历时和标准化累积雨量~历时之间的关系，采用单线法建立了汶川震区暴雨泥石流发生的降雨阈值。研究成果在四川省绵竹市清平乡的泥石流灾害事件中进行了应用与验证，结果表明该方法具有合理性和可行性。
关键词：汶川地震；泥石流；降雨阈值；雨场分割

赣江流域TRMM降水数据的误差特征与成因
胡庆芳1,2，杨大文1，王银堂2，杨汉波2，刘 勇2
（1. 清华大学水利水电工程系，北京 100084；2. 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029）
摘要：阐明TRMM 3B42V6（Tropical rainfall measuring mission 3B42 version 6）的误差特征及成因，对于合理使用该卫星降水数据，并完善其降水反演算法具有重要意义。在赣江流域0.25°×0.25°空间尺度上，对比了TRMM 3B42V6、TRMM 3B42RTV6和CMORPH的精度特征。结果表明，3B42V6的系统偏差远低于3B42RTV6、CMORPH，但平均绝对值偏差、效率系数和探测率均明显劣于CMORPH。TRMM 3B42V6的系统偏差较低的原因主要在于该数据采用地面月降水量进行了校准，而其绝对值偏差、效率系数和探测率明显劣于CMORPH的主要原因在于所采用的热红外/被动微波降水联合反演算法不及后者有效。今后有必要对TRMM 3B42的精度进行全面评估，并改进该数据的热红外/微波降水反演算法及与地面降水信息的融合算法。
关键词：卫星降水；热带测雨探测计划；CMORPH；误差成因；赣江流域

基于错峰型洪水的伊洛河交汇区水动力特性
孙东坡1，张晓雷1，陈 丹2，孙 羽1
(1. 华北水利水电大学，河南 郑州 450011；2. 黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州450003)
摘要：采用平面二维水动力数值模拟方法，对伊洛河交汇区河段的错峰洪水特性进行了系统分析，讨论了洪水水位、流态及两支流的相互影响，结果表明：数值模拟成果与实测数据有很好的一致性。研究发现：交汇区流场呈现马鞍形水面形态，并随流量增大向下游推进；错峰洪水过程中强势支流产生的漫滩水流对弱势支流形成壅堵，交汇区水动力要素与流态均与强、弱支流流量比有明显的关联性，交汇点下游的螺旋流结构与转向受当时强势支流控制；错峰洪水使交汇区水位随时间变化呈现三段式二次曲线特征,在两洪峰期间交汇区保持高水位的时间比单峰或同峰长5~7倍；错峰洪水使交汇区洪水位与流量形成特殊的Y型曲线关系，在两个洪峰点附近，水位与汇流比的对应关系出现前、后两个拐点。
关键词：水动力特性；伊洛河交汇区；错峰洪水；水面形态；强弱支流流量比；Y型曲线

下荆江二元结构河岸土体特性及崩岸机理
夏军强1，宗全利1,2，许全喜3，邓春艳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. 石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；3. 长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010）
摘要：三峡水库蓄水后下荆江河段河床冲刷下切, 局部河段崩岸险情频繁发生。为研究下荆江二元结构河岸的土体特性及崩岸机理，结合近期该河段崩岸情况，现场查勘了6个崩岸点，并对河岸土体进行了室内土工试验。试验结果表明下荆江河岸土体的垂向组成具有典型的二元结构特征：下部非粘性土（沙土）层较厚，上部粘性土（低液限粘土）层较薄且松散。以河岸崩塌过程分析为基础，提出了二元结构河岸发生绕轴崩塌时上部土层稳定性的计算方法。结合近岸水动力条件计算及土工试验结果，定量分析了二元结构河岸的崩塌机理及其影响因素：① 下部沙土层的起动流速比近岸流速小得多，故该土层容易受水流冲刷；②上部粘性土层崩塌前抗冲强度很大，但多为低液限粘土且相对松散，崩塌后堆积在岸边容易分解并被水流带走；③ 河岸稳定安全系数在一个水文年内呈周期性变化，落水期安全系数最小，故容易引发崩岸，该计算结果与近期崩岸实际统计结果一致。
关键词：二元结构河岸；土体特性；崩岸机理；河岸稳定性；下荆江；落水期

单向流边界层泥沙起动规律
李寿千，陆永军，左利钦，黄伟昊，陆 彦
（南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029）
摘要：Shields曲线常用于表示泥沙起动的临界条件，基于边界层理论，对Shields曲线各个流区的线型进行了推证；考虑粘结力的作用，对Shields参数及Shields曲线进行了修正，并给出修正Shields曲线表达式；在此基础之上，从边界层角度重新阐述了Shields曲线。结果表明：Shields曲线在光滑紊流及层流区呈直线分布，在过渡区与阻力系数线型保持一致，在粗糙紊流区呈水平直线分布；修正后Shields曲线与原始Shields曲线在形式上保持一致，修正Shields曲线表达式与实测数据吻合较好，适用于粗、细颗粒泥沙起动条件的计算；Shields曲线事实上代表了Shields参数与沙粒周围绕流流态的关系，同一颗粒处于不同流区起动时，其起动切应力不同。
关键词：单向流； 边界层；泥沙起动；Shields曲线

海啸波作用下泥沙运动
——Ⅳ.建筑物局部冲刷
陈 杰1,2，蒋昌波1,2，隆院男1,2，邓 斌1,2，伍志元1，刘 静1
（1. 长沙理工大学水利工程学院，湖南 长沙 410004；2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410004）
摘要：基于波浪水槽实验，以沿海公路为对象，对海啸波作用下建筑物局部冲刷机理开展研究。实验采用1/10与1/20的组合坡度，选取N波作为入射波。实验对波高、波浪的上爬、回落和水跃过程、每个波作用后的地形进行了测量和记录。实验结果表明，N波作用下地形发生冲淤变化，在回落水流所形成的螺旋流作用下，路基向海侧形成明显的冲刷坑。路基所在位置是最主要因素，波高是次要因素，路基深度影响较小。路基位于滩肩侵蚀发生处，则最大冲刷深度相对较大。
关键词：海啸波；局部冲刷；泥沙运动；实验

下切性河流的床沙响应与纵剖面调整机制
刘怀湘1，王兆印2，陆永军1，余国安3
（1. 南京水利科学研究院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. 清华大学水利水电工程系，北京 100084；3. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101）
摘要：天然河流中一些下切性河流具有独特的河床演变规律，如不规则形式的纵剖面等。通过现场调查、资料统计和GIS分析等方式，探讨了河道自然下切过程中河床演变相关机理及其对河流纵剖面的影响，揭示了其中蕴含的定量规律。分析结果表明，下切性河流系统存在床沙的响应与补偿机制，是河流系统由下切转为平衡的重要动力因素之一。响应调整后深切河段的床沙能消耗更多侵蚀能量，从而维持高比降的陡坡河道。因此，下切深度的沿程分布与一些特殊的纵剖面形态有关。经统计发现，流量与床沙（下垫面条件）是最重要的纵剖面控制性因素，引入量纲一参数可与比降建立良好的线性关系。
关键词：下切性河流；床沙响应；下切深度；河道纵剖面

江心洲头部冲淤动力临界特性
韩剑桥，孙昭华，冯秋芬
（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：不同流量级下，分汊河段进口主流摆动导致江心洲头部的平面冲淤分布呈现出复杂变化特征。为探究江心洲头部冲淤与来流过程之间的响应关系，借助长江中下游多个分汊河段内水沙、地形资料，对江心洲头部水动力特征实施了数值模拟，并对不同流量级下的河床变形强度进行综合比较。研究表明：江心洲头部低滩的冲淤动力随着流量涨落呈现出明显的临界特性，冲淤过程中存在大、小两个临界流量Q1与Q2，在介于两个临界流量之间的流量级持续作用下，洲头低滩发生冲刷；流量大于Q1或小于Q2时，洲头低滩表现为淤积。由于不同流量级造成的冲淤效果不同，因而水文过程中各级流量的持续时间，是影响洲头低滩年内、年际变形的主要因素。
关键词：分汊河道；江心洲；冲淤动力；临界特性

粗糙透水床面明渠水流的垂线流速分布
陈兴伟1,2，林木生1，程年生3，林炳青1
（1. 福建师范大学地理科学学院，福建 福州 350007；2．湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福建 福州 350007；3. School of Civil and Environmental Engineering, Nanyang Technological University, Singapore 639798，Singapore）
摘要：为了进一步揭示粗糙透水床面明渠水流运动特性，针对垂线流速分布研究存在的问题，根据边界层理论，推导了含有摩阻流速、理论床面流速和原点位移等3个参数的修正对数公式；通过水槽试验，运用激光多普勒测速仪，分别对用直径1 cm玻璃珠构成的粗糙不透水和透水床面明渠水流的垂线流速分布进行了测量。结果表明：推导的修正对数公式与实测符合很好；相同水流条件下，透水床面的摩阻流速要大于不透水床面，各自的阻力系数保持基本不变；理论床面流速是主流平均流速的0.35~0.45倍，且床面相对流速随着雷诺数的增大而略有减小。
关键词：垂线流速分布；对数公式；透水床面；明渠水流
微弯河岸沿线扰动压强分布特性试验
林俊强，严忠民，夏继红
（河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098）
摘要：河岸沿线的压强梯度是河岸侧向潜流交换及河岸带物质和能量传递的主要驱动力。为揭示微弯河岸边界的扰动压强分布规律和主要影响因素，利用室内变坡水槽系统，制作不同体形的正弦形河道模型，实测一个周期波长的河岸表面压强水头，研究河岸不同分层、不同弯曲程度和不同水流条件下的沿线压强分布特性，并进行影响因素的敏感性分析。试验结果表明，在缓流条件下正弦形微弯河岸的沿线扰动压强分布呈曲线形波动，不同分层的压强分布规律大体相同。在河岸弯曲程度较小时，压强波动的峰值与谷值分别出现于凹岸和凸岸的曲率最大位置。河岸沿线扰动压强的变化主要受河岸振幅与波长比a/λ和来流弗劳德数Fr的影响，敏感性分析表明a/λ比Fr的影响更为显著。
关键词：河岸；正弦形；水槽试验；压强分布

自适应网格在复杂地形浅水方程求解中的应用
周建中1,2，张华杰1,2，毕 胜1,2，严 凡1,2，赵 越1,2
（1. 华中科技大学水电与数字化工程学院，湖北 武汉 430074；2. 数字流域科学与技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074）
摘要：计算域内地形的概化精度对模拟结果有较大影响，针对实际地形中同时存在狭长河谷与广阔泛洪区的问题，在层次自适应网格模型的基础上，研究了网格快速加密与合并的步骤，并以水位梯度与局部弗劳德数为基础设计了网格自适应准则，当水流运动情势变化时网格密度自动调整，实现计算精度与效率的平衡。在此网格模型基础上，采用有限体积法求解二维浅水方程，利用梯度限制器技术及龙格-库塔法提高模型的空间、时间计算精度。算例表明，层次自适应网格模型既能实现随水流运动动态变化并捕获水位计算敏感区，也能对局部区域进行静态固定加密，自适应性良好，具有较好的推广应用价值。
关键词：洪水；二维浅水方程；自适应网格；Godunov格式；复杂地形

防洪优化调度多约束启发式逐步优化方法
王 森1，程春田1，李保健1，张世钦2，胡永洪2，赵凯华1
（1. 大连理工大学水电与水信息研究所，辽宁 大连 116024；2. 福建电力调度通信中心，福建 福州 350003）
摘要：决策者的经验和知识判断对实际洪水调度有着非常重要的影响，为此，将决策者预泄控制的实践经验和泄流状态持续性要求纳入模型约束条件中，提出了防洪优化调度多约束启发式逐步优化方法。该方法以最大削峰为控制目标，将水库泄流的一般操作原则概化为启发式信息，以洪水涨落和水位升降作为泄流增减的判别依据，与优化搜索相结合，采用启发式逐步优化算法求解。以水口水库为例，采用5个方案对所提方法进行了对比分析。结果表明，提出的方法可以充分考虑决策者的经验和知识判断，降低了预泄腾库水位过低造成的回蓄风险，避免了泄流过程的波动，得到符合实际洪水调度要求的计算结果。
关键词：防洪调度；优化算法；多约束；启发式搜索；水库

温度时序资料确定地下水流速解析模型灵敏度分析
吴志伟1,2，宋汉周1
（1. 河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210098；2. 东北电力设计院，吉林 长春130033）
摘要：不同深度处的含水介质温度时序资料振幅比或相位滞后能用来计算地下水垂向流速，典型的解析模型是Hatch模型。为了评价Hatch模型的参数灵敏度，采用局部灵敏度分析方法确定该模型的主要影响因子及相关参数与模型响应的依存关系，再由全局灵敏度分析方法评价参数共同作用对模型计算结果的影响。灵敏度分析结果表明：Hatch模型精度的主要影响因子是测点距离（Δz），其次是介质比热容（ρscs）和有效孔隙度（ne），而基准热传导系数（λ0）和热弥散度（β）的影响甚微。基准热传导系数和热弥散度与计算流速呈负相关，其余参数则与之呈正相关。因此在实践中，需保证测点距离的准确性，而对基准热传导系数和热弥散度可取经验值。
关键词：地下水；温度；灵敏度分析；时序资料；解析模型

赣江下游污染负荷与水质响应关系模型
周 刚1，黑鹏飞2，雷 坤1，富 国1，乔 飞1



（1. 中国环境科学研究院国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室，北京 100012；2. 中央民族大学生命与环境科学学院，北京 100081）
摘要：为了研究赣江下游入河污染物对河流水质的影响，建立了基于WASP（Water quality Analysis Simulation Program）模型富营养化原理和ELADI（Eulerian-Lagrangian Alternating Direction Implicit Method）有限差分方法的正交曲线平面二维水环境模型WESC2D（TwoDimensional Water Environment Simulation Code）。模型采用基于双线性插值及亚网格技术的欧拉拉格朗日方法求解对流项，在简单的浓度峰输运和赣江下游溶解氧变化过程算例检验的基础上，计算与分析了赣江下游入河排污口氨氮污染负荷与水质之间的动态响应关系。模拟与分析结果表明，WESC2D模型的计算结果与解析解吻合良好，有效地减少了欧拉-拉格朗日方法的数值耗散，并为赣江下游污染负荷与水质响应关系计算提供了重要工具。
关键词：氨氮；溶解氧；赣江下游；WASP模型；欧拉-拉格朗日方法

通量差分裂方法在一维河网模型中的应用
向小华1,2，吴晓玲1,2，牛 帅3，王船海1,2
（1. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；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. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）
摘要：以通量差分裂格式离散非守恒型圣维南方程组，为保证河网整体离散形式的一致性，采用特征线方法离散边界节点，并引入限制器和熵修正使离散模型具有TVD（Total Variation Diminishing）特性，在线性隐式化的基础上最终构建基于隐式TVD类方法的一维河网水流模型。通过实例验证，表明提出的方法能处理跨临界流变化，而且在实际复杂河网中对水位及主、支河道分流比都能较好地模拟，具有一定实用性。
关键词：水动力学；数值方法；有限体积法；一维河网；通量差分裂

山洪灾害临界雨量研究综述
程卫帅
（长江科学院水资源综合利用研究所，湖北 武汉 430010）
摘要：临界雨量是一个关键的山洪灾害预警指标。按其技术原理将临界雨量推求方法划分为数据驱动的统计归纳法和基于灾变物理机制的水文水力学法分别进行评述，并介绍了临界雨量指标的两个拓展：动态临界雨量和暴雨临界曲线，综述了临界雨量不确定性分析的研究进展。通过综述发现：中国目前主要应用的是较简单的统计归纳法；临界雨量推求主要考虑前期降雨量（前期土壤饱和度）和时段累积降雨量两个因素的影响或仅后者一个；临界雨量指标难以反映山洪灾害的规模；考虑临界雨量不确定性有助于提高预警质量，但如何充分考虑其影响仍然是一个挑战。
关键词：山洪灾害；临界雨量；前期土壤饱和度；降雨强度；累积降雨量

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