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《水科学进展》2019年第2期中文摘要
日期:2019年05月15日 10:56:25点击数:字号:【

北京城市洪涝问题与成因分析

宋晓猛1,2,张建云2,贺瑞敏2,邹贤菊1,张春桦1

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116;2.澳门真钱视讯手机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:利用社会经济统计数据和水文气象资料,探讨城市化背景下北京城市洪涝特征、形成机制及影响因素。近50年来城市内涝逐渐成为北京洪涝灾害的主要类型,随着城市化迅猛发展,城市内涝积水点数量在时间上表现为显著增加趋势,在空间上呈现出由内环逐步向外环扩张趋势,与城市化发展空间格局关系密切。从水循环的角度分析城市洪涝形成机制,指出区域气候变化和城市化发展改变了城市降水格局,汛期降水量和极端降水事件呈现下降趋势,但城区短历时强降水事件呈现增加态势;城市化发展改变了区域下垫面条件、城市流域产汇流特性和城市排水格局,进而影响了区域水循环过程和水量分配,在一定程度上增加了城市洪涝灾害风险;同时城市基础设施建设水平不足、排水排涝标准偏低、应急管理能力不足等因素,导致城市洪涝发生风险增加,降低了城市洪涝综合应对能力。

关键词:城市化;城市洪涝;全球变化;北京市

高度城镇化背景下水系演变及其响应

杨  柳1,2,许有鹏2,田亚平1,陆建伟3,雷超桂2,4,徐  羽2

(1.衡阳师范学院城市与旅游学院,湖南 衡阳 421002;2.南京大学地理与海洋科学学院,江苏 南京 210023;3.江苏省水文水资源勘测局苏州分局,江苏 苏州 215000;4.德国基尔大学水资源管理与水文系,基尔 24118)

摘要:针对长江三角洲地区高度城镇化对水系剧烈影响的事实,以该区太湖平原苏州市为例,选取河网密度、水面率、分形维数和支流发育系数作为水系变化指标,运用GIS分析近50年来河网的时空变化规律,在此基础上,研究水系变化对于城镇化及降水变化的定量响应,分析高度城镇化下水系的发展趋势。结果表明:①近50年来研究区水系呈衰减趋势,河网密度、水面率、分形维数和支流发育系数分别下降5.6%、19%、1.2%和3%;区内水系禀赋差异大。②近50年来水系衰减的主要影响因素为城镇化,气候变化对其影响相对较弱;在水系变化中,城镇化的贡献率在67%以上。③随着城镇化率增加,研究区河网密度、分形维数、支流发育系数呈现先增长后衰减的“倒U型”曲线特征;苏州的高度城镇化与其水系表现出“先松弛,后紧密”的关系,二者的发展目前处于曲线右侧;未来将过渡到“高水平适应阶段”。本研究的结果丰富了城镇化与水系发展关系研究,可为其他地区水系系统的健康、绿色发展和保护提供参考。

关键词:城镇化;水系变化;归因分析;“倒U型”曲线特征;苏州市

基于水库群预报调度的黄河流域干旱应对系统

王  煜1,2,尚文绣1,2,彭少明2

(1.黄河勘测规划设计有限公司博士后科研工作站,河南 郑州 450003;2.黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450003)

摘要:为有效应对日益严重的流域干旱问题,有必要开展面向干旱全过程的黄河流域干旱应对系统研究。基于干旱演变过程设计了干旱指数,通过天气预报模型、回归分析等进行干旱、需水与径流预报;设置多年调节水库旱限水位,实现水资源年际补偿;识别洪水和泥沙分期特征,采用分期汛限水位增加洪水资源利用量;建立了梯级水库群协同优化调度模型,调配抗旱水源。算例结果显示:黄河流域干旱应对系统能够平衡年际间的干旱损失以避免重度破坏,与实际情况相比,在重旱的2014年增加抗旱水源22.40亿m3。建立的干旱应对系统已应用于黄河流域抗旱实践,提升了流域应对干旱的水资源调控能力。

关键词:干旱;水库群;预报;协同优化调度;旱限水位;分期汛限水位;黄河流域

考虑降水预报的三峡入库洪水集合概率预报方法比较

巴欢欢1,郭生练1,钟逸轩1,刘章君2,吴旭树1,何绍坤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.江西省水利科学研究院,江西 南昌 330029)

摘要:为了考虑预见期内降水预报的不确定性对洪水预报的影响,采用中国气象局、美国环境预测中心和欧洲中期天气预报中心的TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)降水预报数据驱动GR4J水文模型,开展三峡入库洪水集合概率预报,分析比较BMA、Copula-BMA、EMOS、M-BMA 4种统计后处理方法的有效性。结果表明:4种统计后处理方法均能提供一个合理可靠的预报置信区间;其期望值预报精度相较于确定性预报有所提高,尤其是水量误差显著减小;M-BMA方法概率预报效果最佳,它能够考虑预报分布的异方差性,不需要进行正态变换,结构简单,应用灵活。

关键词:数值降水预报;水文集合预报;统计后处理;概率预报;三峡水库

小浪底水库运用后黄河下游游荡段主槽摆动特点

王英珍,夏军强,周美蓉,李  洁

(武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室,湖北 武汉 430072)

摘要:天然冲积河流主槽摆动具有复杂的时空变化性,分析其摆动特点对研究黄河下游游荡段河床演变规律具有重要意义。以1999—2016年黄河下游游荡段汛后卫星遥感影像与实测28个淤积断面地形资料为基础,计算了断面及河段尺度的主槽摆动宽度及强度,确定了小浪底水库运用后游荡段的主槽摆动特点,并定量分析了影响游荡段主槽摆动强度的主要因素。计算结果表明:游荡段主槽摆动方向具有往复性,主槽摆动宽度呈现中段大、上下两段小的特点;小浪底水库运行后,游荡段主槽摆动宽度及强度呈逐渐减小趋势,多年平均值分别为188m/a和0.16;上游来水来沙条件是影响主槽摆动强度的主要因素,河床边界条件(滩槽高差、河床组成等)是次要因素;建立了游荡段主槽摆动强度与前3年平均水流冲刷强度的幂函数关系,相关系数良好。

关键词:主槽摆动;摆动强度;遥感影像;水流冲刷强度;游荡河段;黄河下游

连续降雨下不同砾石含量工程堆积体土壤侵蚀

吕佼容1,2,张文博3,胡锦昇1,2,骆  汉3,谢永生3

(1.中国科学院水利部水土保持与生态环境研究中心,陕西 杨凌 712100;2.中国科学院大学,北京 100049;3.西北农林科技大学水土保持研究所,陕西 杨凌 712100)

摘要:为探究砾石对工程堆积体土壤侵蚀的影响与其作用机制,通过室内模拟降雨研究了连续降雨下不同砾石含量的重壤质堆积体水蚀过程。结果表明:①堆积体砾石含量增加,坡面产流历时延长,产流率线性减小,土壤剥蚀率降低;②连续降雨下,堆积体所含砾石主要通过对坡面产流历时、坡面产流率、砾石覆盖率的多重影响发挥减沙作用,主成分回归方程可表达多个变量与平均土壤剥蚀率的关系;③一定砾石含量下,堆积体坡面砾石覆盖率随表土的剥离而增大,导致土壤剥蚀率呈指数函数递减趋势,并与累积土壤侵蚀总量存在较好的函数关系。工程堆积体所含砾石对土壤侵蚀程度的削减可为生产建设项目下垫面水土保持治理提供重要参考。

关键词:工程堆积体;砾石含量;砾石覆盖率;连续降雨;主成分回归

河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟

陈孝兵1,2,郑春阳2,袁  越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.河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)

摘要:为了揭示河床沉积物非均质性对潜流交换的影响,构建了沙波地形作用下的地表水-地下水耦合模型,通过生成不同的渗透系数随机场,讨论了不同地表水动力过程和河床沉积物非均质性对潜流交换通量、交换空间及平均停留时间的影响规律。结果表明,所构建的地表水-地下水耦合模型能够准确刻画水沙界面附近流场,模型具有良好的适用性;均质或非均质河床沉积物情景下,水沙界面上的平均交换通量、停留时间与雷诺数之间均呈现幂函数关系,潜流交换深度则在地表水进入完全紊流之后趋于稳定。结果还表明,较强的河床沉积物非均质性能够有效增强水沙界面上潜流交换通量和空间交换频率,但会制约潜流交换空间并缩短水流在潜流带中的停留时间。

关键词:河床沉积物;非均质性;潜流交换;数值模拟;地表水-地下水交互

南黄海辐射沙脊群形成演变的动力地貌过程数值模拟

陈可锋1,郑金海2,陆培东1,王艳红1,张  弛2,王乃瑞1

(1.澳门真钱视讯手机水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210024;2.河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏 南京 210098)

摘要:江苏沿海辐射沙脊群在国内潮成沙体中较为罕见,有关辐射沙脊形成的动力机制已有定论,但对其形成时间和物质来源说法不一。运用长时间尺度动力地貌过程数学模型复演了辐射沙脊群形成演变过程,结果表明:江苏岸外辐聚辐散的流场不依赖于局部海底地形而独立存在;不同初始地形下只要泥沙供给充足,经过150年左右潮流动力对地形不断塑造,辐射状“水道-沙脊”相间的地貌格局都能基本形成;辐射沙脊群是废黄河北归约150年后,随着废黄河水下三角洲不断被侵蚀,辐聚辐散的潮流对不同来源物质重新塑造的结果,是动力-泥沙-地形相互作用的产物。

关键词:辐射沙脊群;废黄河三角洲;地貌模型;长时间尺度;南黄海

江苏中部沿海潮滩对台风暴潮的响应

龚  政1,2,黄诗涵2,徐贝贝2,朱思谕2,张岩松2,周  曾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)

摘要:通过近年来对江苏沿海有影响的台风暴潮作用前后的滩面高程观测,结合台风浪资料分析,探究了江苏中部沿海潮滩对风暴潮的响应过程。结果显示:潮滩剖面在风暴潮期间呈现“低滩侵蚀、沿岸输运、高滩稳定”,明显区别于沙质海岸在台风浪作用下“高滩侵蚀、离岸输运、低滩淤积”的演变特征。应用Delft3D平面二维水沙动力数学模型,模拟了正常天气和台风浪情况下的滩面演变,从动力学角度解释了潮滩间不同区域演变特征差异的原因,论证了台风浪对地貌演变的短历时“插曲式”作用,阐明了涨潮优势流是风暴侵蚀后泥沙沿岸向输运的主控因子。

关键词:潮滩;风暴潮;海岸地貌;动力地貌

孤立波作用下淹没垂直桩柱局部冲刷试验研究

程永舟1,2,姜  松1,龚维亮3,唐  雯1,黄筱云1,2,夏  波1,2

(1.长沙理工大学水利工程学院,湖南 长沙 410114;2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南 长沙 410114;3.广东长大海外工程有限公司,广东 广州 510620)

摘要:孤立波在近岸地区会引起剧烈的泥沙运动,导致采用淹没式桩基础的近海建筑物周围发生局部冲刷,严重影响近海建筑物的稳定性。采用中值粒径为0.22mm的均匀沙在波浪水槽中布置平底沙床,在两种不同桩径条件下,对孤立波作用下淹没桩周围的冲刷发展过程进行了记录分析,探讨入射波高及淹没率对局部冲刷的影响,并从冲刷形态方面对比分析了孤立波与单向水流、规则波作用下局部冲刷的异同。结果表明:在相同淹没率条件下,随着入射波高的增大,桩周冲刷形态由双喇叭型向瞬态型冲刷形态发展;在相同入射波高条件下,桩高与桩径比hc/D位于1~7范围内,淹没率对桩前最大冲刷深度影响不大,而桩后最大冲刷深度随淹没率增大而减小,并给出了淹没因子Ks与淹没率的多项关系曲线;孤立波与单向流作用下的淹没桩周围地形变化相似,而与小周期规则波作用下的地形变化差异较大。对实测数据进行多元回归得到冲刷深度的综合计算公式,经验证该公式计算值与实测值最大误差不超过7%。

关键词:孤立波;淹没率;局部冲刷;冲刷形态

充水阶段无压输水洞岔洞段水力特性

王克忠1,邓浩浩1,李兆崔2,王学成3

(1.浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310023;2.日照市供水工程管理处,山东 日照276800;3.山东省水利勘测设计院,山东 济南 250013)

摘要:长距离无压引水洞岔洞是影响水流流态和分流量的关键水工建筑物之一,充水阶段流态复杂。通过Fluent软件对不同入口流量、岔洞夹角下的无压卜型岔洞充水阶段进行了数值仿真研究,并通过模型试验对不同入口流量下水流平稳后的岔洞段各监测断面水深及支洞分流比进行了验证。结果显示,充水阶段支洞分流比对入口流量敏感性小,岔洞夹角在15°~45°范围内变化时,分流比变化较大。另外,岔洞夹角增至60°时,侧支洞外侧上部水流出现回流区。岔洞夹角对总干水面线影响较小,岔洞段各断面水位随入口流量增加而升高。

关键词:充水阶段;岔洞夹角;分流比;水面线;回流区

一种流动性滑坡涌浪动力学模型

郭  剑1,沈  伟2,李同录1,沈月强1,雷雨露1

(1.长安大学地质工程与测绘学院,陕西 西安 710054;2. University of Bologna, Department of Biological, Geological and Environmental Science, Bologna 40121)

摘要:滑坡涌浪是入水滑坡引起的一种次生灾害,其致灾范围远大于滑坡的运动区域,准确预测其演化过程是防治这类灾害的关键。现有预测模型多将滑体简化为刚体,而实际滑坡多表现出流态运动的特征。为更合理地描述滑体和涌浪的耦合运动,将滑体视为流态物质,在此基础上推导了滑坡与水体耦合运动的控制方程,利用有限差分法对控制方程求解,建立了一种可模拟流动性滑坡涌浪演化过程的动力学模型。使用该模型对三峡库区的龚家方滑坡涌浪的演化过程进行模拟,将模拟所得河道纵截面处的最大浪高值与实测值进行对比,结果表明最大浪高值出现在滑坡的主滑动方向,且最大浪高沿纵截面两侧快速衰减,模拟结果与实测吻合。

关键词:滑坡涌浪;流动性滑坡;数值模拟;有限差分法

基于Agent的水资源管理模型研究进展

练继建1,徐梓曜1,2,宾零陵1,徐  奎1,CHAN Hoi Yi3

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;2.水利部综合开发管理中心,北京 100053;3. College of Agriculture and Life Sciences, Cornell University, Ithaca, NY 14853)

摘要:基于Agent的模型(Agent-based models,ABM)研究已成为水资源管理研究理论与方法的重要补充。对水资源管理ABM研究进行归纳与展望,有助于探索优化中国水资源管理体制和机制。在阐述水资源管理ABM概念及内涵的基础上,提炼出主体决策规则和互作机制两个建模核心内容,并对其方法进行了归纳分析;从流域水资源优化配置、城镇居民用水管理和灌区水资源管理3个方面,对2009—2018年主要水资源管理ABM研究进行了综述;针对当前研究的难点与不足,提出未来研究重点:①拓展复杂适应理论在水资源管理领域的应用;②加强不确定性水资源管理ABM研究;③探索基于机器学习的决策规则建模方法;④重视参数校准和结果校验及检验方法;⑤加强模型表述格式标准化进程;⑥综合权衡水资源管理ABM框架。

关键词:复杂适应系统;水资源系统;水资源管理;基于Agent的模型

径流驱动土壤分离过程的影响因素及机制研究进展

张冠华1,2,胡甲均3

(1.长江科学院水土保持研究所,湖北 武汉 430010;2.水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心,湖北 武汉 430010;3.水利部长江水利委员会,湖北 武汉 430010)

摘要:土壤侵蚀包括土壤分离、泥沙输移和泥沙沉积3个子过程,研究这些过程发生、发展的水力、地形、土壤及地表特性等临界条件及各过程间相互影响、相互制约的机制,是建立土壤侵蚀过程模型继而准确预报土壤侵蚀的基础。为加强对径流驱动土壤分离过程的认识,推动土壤侵蚀过程与机理的研究,从径流水动力学特性、土壤特性、近地表特性、土壤分离过程的时空变异特性等方面对径流驱动的土壤分离过程影响因素及机制进行了总结和梳理,在此基础上,从土壤分离过程研究的时空尺度、土壤分离过程的动力学机制、细沟发育及其形态特征、网络结构对土壤分离过程的影响机制、土壤分离与泥沙输移的耦合机制、土壤分离测定方法与标准、土壤侵蚀阻力参数获取与预报等方面,展望了该领域有待深化的问题及今后的发展方向。

关键词:土壤分离过程;坡面流;土壤侵蚀阻力;影响机制

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