《水科学进展》2012年23卷第1期中文摘要

 

 

（2012年1月30日出版）

 

 

 

 

应用Péclet数解析山坡结构特征的水文效应

 刘金涛^1,2，冯德锃²，陈  喜²，吴吉春¹，顾卫明³

 （1.南京大学水科学系，江苏 南京 210093；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.浙江省水文局，浙江 杭州 310009）

  摘要：应用基于蓄量动力学方程推导出的水文相似因子——山坡Péclet数（简称Pe，研究了Pe在不同地貌条件山坡间的变化特征、影响因素及其表达的水文响应特性。结果显示，在和睦桥流域，山坡Pe值一般为200~2000。分析发现，Pe与坡长厚度比（L/D）呈显著的线性相关关系（R²=0.94），关系线斜率为0.95，表明Pe在数值上决定于L/D，即山坡水文特征受山坡尺寸的影响较大。为了说明山坡形状的影响，选取了山坡水平、剖面曲率，分析了其与Pe值的相互关系。研究发现，发散型凸坡Pe值一般较大，有利于土壤水流的消退，对流运动是其主要的运动形式，而收敛型凹坡Pe值一般较小，不利于土壤水流的消退，水分运动中的扩散作用更强。这与理论分析结果一致，表明Pe数在分析山坡结构特征的水文效应方面有一定意义。

 关键词：无因次；相似因子；山坡结构；水文响应

 

 

 

 

基于地貌结构与汇水特征的沟谷节点提取与分析

 ——以陕北黄土高原为例

 朱红春^1,2，汤国安¹，吴良超³，钱柯健¹

 （1.南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 210046；2.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590；3.中煤航测遥感局，陕西 西安 710054）

 摘要：沟谷节点是流域中线状沟谷或河网的交汇点，集中反映了沟谷的地貌结构和水文特征。有效获取并分析沟谷节点的结构与特征规律，对于系统、深入地研究流域地貌的空间形态结构、径流特征具有重要的作用。利用陕北黄土高原多地貌类型为实验区，设计并实现了基于高精度DEM的沟谷节点提取算法模型和等级标定方法，获取了实验区各级沟谷节点的数量和汇水值；运用数学模型分析法，分析了沟谷节点的数量和汇水值的分级数量关系，得到了具体的数学模拟方程；同时，运用等差分级的方式，分析了汇水累积量级差在不同地貌区的差异，初步探讨了地表形态在空间上的分异规律。

 关键词：数字高程模型；沟谷节点；分级；提取与分析

 

 

 

 

水文响应单元空间离散化及SWAT模型改进

 宁吉才^1,2，刘高焕²，刘庆生²，谢传节²

 （1.山东财经大学，山东 济南 250014；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101）

 摘要：水文响应单元（Hydrological Response Units，HRU）是SWAT模型模拟的基本单元，传统方法划分的水文响应单元在空间分布上不连续且难以确定其明确的空间位置，不能反映HRU间的相互作用和进行精确空间分析。利用GIS工具对土地利用和土壤类型数据进行概化处理，提出了HRU空间离散化的方法，实现了水文响应单元在空间上的准确定位。在此基础上，针对SWAT模型中同一子流域所有HRU采取相同延迟的弱点进行改进，并选择太湖地区西苕溪流域对改进的SWAT模型进行水文模拟验证。改进后，校正期港口站Nash效率系数E_NS（Nash-Sutcliffe Efficiency）从0.64提高到0.67，验证期E_NS系数从0.70提高到0.76。研究表明：修正后的SWAT模型更能反映流域的水文特征，可以达到非常好的效果，考虑到HRU距离因素的径流延迟更为准确地刻画径流过程。实现HRU空间离散化将为模型改进和更小尺度的空间分析提供数据基础。

 关键词：SWAT模型；水文响应单元；空间离散化；径流延迟；太湖地区

 

 

 

 

新安江产流模型与改进的BP汇流模型耦合应用

 阚光远^1,2，刘志雨³，李致家^1,2，姚 成^1,2，周 赛^1,2

 （1.河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098；2.水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心,江苏 南京 210098；3.水利部水文局,北京 100053）

摘要：为提高新安江模型的汇流计算精度并减少经验因素对参数率定的影响,将新安江产流模型与改进的BP汇流模型相耦合，建立XBK(XAJ-BP-KNN)模型。该模型以前期模拟流量和新安江产流模型计算的产流量作为BP网络的输入，出口断面流量作为网络输出，拟合汇流的非线性关系，代替新安江模型的分水源、线性水库及河道马斯京根法的汇流计算；采用相似原理和K-最近邻算法，基于历史样本的模拟误差及相应影响要素对网络输出进行误差修正，实现了无前期实测流量的连续模拟；模型使用SCE-UA算法与遗传早停止LM算法相结合的全局优化方法进行参数优选。在呈村流域的验证表明XBK模型的模拟精度高于新安江模型，全局优化方法能找到最优参数，降低了模型的使用难度。

 关键词：新安江模型；人工神经网络；反向传播算法；K-最近邻算法；SCE-UA算法

 

 

 

 

应用统计降尺度方法预估江淮流域未来降水

 刘向培¹，王汉杰²，何明元¹

（1.解放军理工大学气象学院，江苏 南京 211101；2.空军装备研究院航空气象防化研究所，北京100085）

 摘要：统计降尺度方法广泛应用于弥补大气环流模式（GCM）模拟区域气候变化能力较弱的不足。利用1960~2009年的NCEP/NCAR再分析资料和江淮流域52个站点降水观测资料，通过敏感性分析，针对4个季节分别选择10个大尺度预测因子，采用主成分分析（PCA）和支持向量机（SVM）相结合的方法，建立了江淮流域降水统计降尺度模型。检验结果表明，该模型获取的江淮流域降水的偏差显著减小，能够描述降水在月、年尺度的变化，适用于HadCM3输出的大尺度气候场，具有预测未来降水变化的能力。将统计降尺度模型应用于HadCM3在A2情景下输出的2020~2099年大尺度预测因子，分3个时段：2020~2039年，2050~2069年和2080~2099年，从年和季节两个时间尺度分析江淮流域未来降水变化。结果表明，相对1960~1999年，未来3个时段的降水有小幅增加，其中2080~2099年增幅最大，为3.6mm；在未来3个时段的不同季节，降水变化呈现出不同特征。

 关键词：统计降尺度；降水；支持向量机；江淮流域

 

 

 

 

砾石覆盖紫色土坡耕地水文过程

 王小燕，李朝霞，蔡崇法

 （华中农业大学农业部亚热带农业资源与环境重点实验室，湖北 武汉 430070）

摘要：紫色土中砾石分布广泛，地表常为砾石覆盖，砾石覆盖对土壤水文过程有着重要影响。试验小区（2m×1m）为坡度23°的坡耕地，试验降雨强度为（53.9±2.8）mm/h、（90.8±6.1）mm/h和（134.3±14.9）mm/h，砾石覆盖度为0%，11%，20%，33%和42%。通过原位人工模拟降雨试验，定量研究了不同降雨强度下砾石覆盖对降雨入渗、地表产流及壤中流产流的影响。结果表明：砾石覆盖对入渗过程影响显著，稳定入渗速率及稳定入渗系数与砾石覆盖度呈正相关关系，3种降雨强度下，稳定入渗系数分别为47.70%~86.59%，30.61%~82.83%、17.76%~77.44%，42%砾石覆盖度小区的稳定入渗速率分别是裸露小区的1.95~4.94倍；地表砾石覆盖延迟地表产流、减少地表径流量，地表产流时间随着砾石覆盖度的提高呈增加趋势，地表径流速率及地表径流系数随砾石覆盖度的增加而降低，相对地表径流系数与地表砾石覆盖度呈指数负相关关系；地表砾石覆盖促进壤中流的发生、增加壤中流量，壤中流产流时间随着砾石覆盖度的增加逐渐缩短，壤中流径流速率及壤中流径流系数随地表砾石覆盖度的增加而提高，相对壤中流径流系数与地表砾石覆盖度呈指数正相关关系。

 关键词：砾石覆盖；水文过程；降雨入渗；坡面径流；壤中流；产流时间；紫色土；模拟降雨

 

 

黄河下游床面形态判别方法探讨

 张原锋¹，申冠卿¹，Verbanck M A²

 （1.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；2.布鲁塞尔自由大学，比利时 布鲁塞尔 B1050）

摘要：基于床面形态控制数理论，结合已有水槽试验研究成果，分析了床面形态控制数与不同床面形态的对应关系，提出了包括沙粒弗劳德数及相对水深（水深与泥沙中值粒径之比，下同）的床面形态参数，论述了简化床面形态控制数的计算方法及适用范围，研究了床面形态控制数与床面形态参数之间的相互关系及适用性；结合黄河下游床面形态运动特征，建立了床面形态判别方法。研究认为床面形态控制数能够反映高、低能态区的水流阻力特征；床面形态控制数与床面形态参数之间的关系，既适用于室内水槽试验也适用于天然河流；建立的黄河下游床面形态判别方法，得到了野外实测资料的初步检验，能够用于黄河下游不同能态区床面形态的判别。

关键词：动床阻力；床面形态；沙纹；沙垄；判别方法

 

 

 

 

基于环境扩散条件的河流宽度分类判别准则

 武周虎

 （青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266033）

摘要：在河流排污引起的污染物扩散计算中，不同河流宽度类别对应不同的移流扩散解析解算式，但缺少具体的河流宽度分类判别准则，给实际应用带来很大困难。按照河流污染物扩散受边界反射影响程度的不同，从移流扩散解析解算式的简化条件出发，提出了宽阔、中宽、窄小的分类方法和定义；根据二维可忽略边界反射的条件和达到全断面均匀混合距离小于等于河流宽度的条件，分别求解了河流宽阔与中宽窄小的分区临界关系线和中宽与窄小的分区临界关系线，提出了相应判据的数学表达式；给出了河流宽阔、中宽、窄小的分类判别准则以及各类别河流移流扩散解析解算式的对应关系。最后指出基于环境扩散条件的河流宽阔、中宽、窄小分区是相对的，对于同一河流在不同水力要素、扩散系数、排污强度和允许浓度升高值等条件下，可以得到不同的分区结果。

关键词：环境水力学；河流；移流扩散；宽度分类；判别准则

 

 

 

 

基于分层假设的Green-Ampt模型改进

 彭振阳，黄介生，伍靖伟，郭 会

 （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：传统Green-Ampt入渗模型由于假设过于简化而限制了计算精度，针对这一问题，在分层假设的基础上对模型进行了改进：将均质入渗土壤分为饱和层、过渡层和干土层，采用Richards模型分析了不同入渗条件下各层的厚度以及各层内含水率和导水率的变化规律，结果表明，入渗条件一定时，过渡层占湿润层(包括饱和层和过渡层)比例会随湿润层厚度的增加线性减小，积水深度和土壤初始含水率分别会影响这一线性关系的纵轴截距和斜率，而土壤饱和导水率则对其没有明显影响；过渡层内土壤含水率分布为椭圆形曲线，而导水率随深度增加线性减小。在此基础上，通过引入湿润层的等效导水率并相应给出锋面吸力的计算方法，对传统Green-Ampt模型进行了改进。结果显示，改进后模型计算精度显著提高。

 关键词：分层假设；等效导水率；Green-Ampt模型

 

 

 

 

考虑块段效应的RBF神经网络在土壤空间插值中的应用

 徐 英

 (扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009)

 摘要：定义了土壤变异中的块段效应，提出了考虑块段效应的RBF神经网络空间插值模型（RBFBE法），以期提高土壤水分和养分的插值精度；并以江苏省扬州市区北部某试区为例，通过A、B两种训练方案,将RBFBE法对土壤含水率与有机质含量的插值结果与常规的RBF神经网络（RBFANN法）空间插值结果及普通克里金法（OK法）插值结果进行了对比分析。结果表明：与OK法相比，RBFBE法能使土壤特性的均方误差M_se缩小19.0%~62.2%,预测吻合度G提高8.9%~28.8%；与输入信息相同的RBFANN法相比，RBFBE法亦能使土壤特性的均方误差M_se缩小10.0%~48.8%,预测吻合度G提高3.4%~22.0%；此外，研究也表明RBFBE法具有较强的泛化能力。考虑块段效应的RBF神经网络方法有利于拓展人工神经网络方法在土壤特性空间插值中的应用范围，具有一定的应用前景。

关键词：土壤水分；有机质；空间插值；径向基函数网络；块段效应

 

 

 

 

资料缺失河道水质风险分析

 顾文权，邵东国

 （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：资料缺失是进行水质风险分析的薄弱环节。结合水质指标浓度分布的先验信息及已有水质资料，在分析水质指标相关关系基础上建立其随时间变化的浓度分布模型，应用Bayes理论及Gibbs抽样方法对模型涉及的大量参数和超参数的统计特征进行了同步估计。在假定缺失数据为随机变量的基础上，应用该方法得到的大量样本较好实现了对缺失数据的估计，并结合风险分析理论进一步量化了水质超标风险。通过实例验证了模型的合理性,为资料缺失地区的水质风险分析提供了新的思路和方法。

 关键词：水质；风险分析；Bayes理论；Gibbs抽样方法

 

 

 

 

基于PCRaster的流域非点源氮磷负荷估算

 赵广举^1,2，田 鹏³，穆兴民^1,2，高俊峰⁴，李恒鹏⁴，张增信⁵

 (1.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；4.中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏 南京 210008；5.南京林业大学江苏林业生态工程重点实验室，江苏南京 210037)

  摘要：以太湖流域上游的西笤溪流域为研究区，应用动态环境模拟语言PCRaster构建月水文和氮磷营养物质输出模型，分析流域内氮磷输出的时空分布特征。以输出系数法为基础，将分布式水文模型与非点源负荷模型相结合，应用地理信息技术构建基于栅格的非点源污染模拟模型，根据1988~2007年的水文、水质实测数据对模型进行率定和验证，定量分析西笤溪流域非点源污染负荷量与氮磷输出的空间分布。研究结果显示：基于单元网格的月水文模型在该流域具有较好的应用效果，率定和验证期的Nash系数和线性相关系数R²均超过了0.80。应用模型估算西笤溪流域非点源污染2002~2005年总氮年输出量为1.670~2.035t/a，2002~2007年总磷输出量为102~164t/a。氮磷负荷的空间分布表明以稻麦或水稻/油菜轮作的农田是非点源污染的最主要来源。

 关键词：氮；磷；PCRaster；月水文模型；输出系数模型

 

 

 

 

离岸沙坝-潟湖海岸拦门沙航道回淤

 ——以渤海湾曹妃甸海域老龙沟拦门沙为例

 左利钦，季荣耀，陆永军

 （南京水利科学研究院水文水资源及水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029）

 摘要：渤海湾曹妃甸老龙沟海区属于典型的离岸沙坝潟湖海岸体系，口门处发育有拦门沙。采用实测资料分析和二维波流泥沙数学模型计算研究了拦门沙成因及其开挖后的回淤情况。研究表明，涨落潮流路不一致、落潮流扩散是老龙沟拦门沙形成的主要原因。针对该海区波浪、潮流、泥沙及海床演变特点，进行了2006年、2007年大小潮潮流泥沙的验证及2008年8~12月试挖槽回淤的验证，在此基础上，预测了拦门沙航道正常情况下的泥沙回淤和大风天骤淤。试挖槽监测资料分析及数学模型计算表明，风浪掀沙是影响老龙沟拦门沙回淤的重要因素。

 关键词：拦门沙；沙坝-潟湖海岸；风浪掀沙；回淤；航道；老龙沟；曹妃甸

 

 

 

 

应用二阶完全非线性Boussinesq方程模拟破碎波浪

 房克照^1,2，邹志利¹

 （1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024；2.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏 南京 210098）

 摘要：建立了基于高阶Boussinesq水波方程的一维波浪破碎数值模型。基于一组具有二阶完全非线性特征的Boussinesq水波方程，建立了交错网格下的高精度差分格式，推导了适用于该组方程的永形波解析解，其和松弛造波技术相结合实现了数值波浪水槽中（强）非线性波浪的无反射入射。通过模拟封闭容器内水体晃动问题对数值格式进行了验证，通过模拟孤立波在斜坡海岸上的浅化过程说明了将方程从弱非线性发展到完全非线性的必要性。采用涡粘方法处理波浪破碎，利用物理模型实验数据，分析了模型中各波浪破碎参数对数值结果的影响并对参数进行了率定。应用该模型对规则波在斜坡海岸上的传播、变浅以及破碎过程进行了数值模拟研究，数值结果同实验数据吻合良好，验证了模型的有效性。

 关键词：Boussinesq水波方程；非线性；波浪破碎；有限差分法；交错网格

 

 

 

 

波浪作用下沙坝剖面形成过程的数值模拟

 张 弛^1,2，郑金海^1,2，王义刚^2,3

 （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.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；3.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏 南京 210098）

 摘要：建立了波浪、底部离岸流、泥沙运动和沙滩剖面演变耦合数学模型，模拟了实验室中波浪作用下沙坝剖面的形成过程，讨论了各个物理参数对剖面上的水动力和地形变化的影响。通过参数率定，较好地复演了不规则波作用下沙滩地形由均匀斜坡向沙坝剖面的演变，波高、底部离岸流、输沙率和剖面演变的计算结果与实测数据吻合良好。采用数值实验和误差分析方法，讨论了破碎波水滚倾角、泥沙扩散系数和床面休止角等物理参数对计算结果的影响。研究表明，所建立的模型能较好地描述波浪作用下沙坝剖面形成过程中的重要物理机制。

 关键词：波浪；泥沙运动；沙坝；数学模型

 

 

 

 

高坝明流泄洪洞掺气减蚀三维数值模拟分析

 罗永钦^1,2，刁明军³，何大明¹，白绍学²

 （1.云南大学亚洲国际河流中心，云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室，云南 昆明 650091；2. 中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南 昆明 650033；3. 四川大学水力学及山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065）

 摘要：高坝明流泄洪洞的掺气减蚀问题倍受关注。以溪洛渡水电站3#泄洪洞为研究对象，结合大比尺单体模型试验成果，应用分段计算方法对泄洪洞掺气减蚀问题进行了三维紊流数值模拟分析。结果表明：泄洪洞各道掺气坎布置合理且有稳定掺气空腔，掺气坎体型基本合理，明流段洞顶余幅足够。泄洪洞反弧段及末端一段区域水力特性复杂，应重点关注此部位的设计及施工问题。对于高流速、大梯度泄洪洞水力学问题，采用分段计算能提高计算速度。

 关键词：高坝；明流泄洪洞；掺气减蚀；数值模拟；分段计算

 

 

 

 

南极冬季威德尔海冰脊的表面形态

 谭 冰^1,2，李志军¹，卢 鹏¹，HASS Christian³，NICOLAUS Marcel⁴

 （1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室, 辽宁 大连 116024；2.河南省南阳师范学院数学与统计学院,河南 南阳 473061；3.Department of Earth and Atmospheric Sciences, University of Alberta, Edmonton T6G 2E3, Canada；4.Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research, Bremerhaven 24  27570, Germany）

 摘要：基于2006年南极威德尔海冬季科学考察期间由机载激光测高仪测得的海冰上表面高度数据，以脊高和脊距的理论与实测概率密度的相对误差之和为性能指标，以切断高度为控制变量建立优化模型。结果表明，W´80型分布和对数正态分布分别与实测脊高和脊距分布吻合较好；最优切断高度为0.62m。进而从海冰表面起伏中确定出冰脊。利用k均值聚类算法以冰脊强度（R_i)为标准将剖面分为3类（R_i≤0.01，0.01< R_i≤0.026和R_i >0.026）。对应各类剖面分别有：平均脊高为0.99m，1.12m和1.17m；平均脊距为232m，54m和31m。利用数学模型估算并分析了多脊冰平均厚度、有效厚度，帆横截面积及冰脊所占面积，这些参数值均随冰脊强度增大而增大。

 关键词：南极；冰脊；参数辨识；形态

 

 

 

 

全球气候变化对地表水环境质量影响研究进展

 夏星辉，吴 琼，牟新利

 （北京师范大学环境学院，水环境模拟国家重点实验室，北京 100875）

 摘要：全球气候变化对水文循环有着重要的影响，由气候变化所引起水资源量的时空分布和水质变化等问题已成为各国科学家和政府关注的热点。目前，气候变化对水资源的影响研究多集中于水量，而有关水质方面的影响研究相对较少。全球气候变化主要包括降水，气温，辐射和风速等气象因子的变化。本文综述了温度的升高、降水的增多或减少、风速和风型的变化、光照时间长短以及辐射增强等变化对地表水环境质量影响的研究进展；阐述了气候变化背景下，气象因子如何通过影响水体中污染物的来源、迁移转化方式、生化反应速率和生态效应等过程而直接或间接对地表水环境质量产生影响。并在对现有研究成果进行总结分析的基础上，从微观、中观和宏观的角度提出了气候变化对水环境质量影响的研究展望。

 关键词：气候变化；水质；水资源；气温；降水；富营养化；盐化

 

 

 

 

明渠非恒定流流速分布及推移质运动研究进展

 马爱兴，陆 彦，陆永军，曹民雄

 （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：明渠非恒定流流速分布及非恒定流作用下推移质运动分别是水力学和泥沙运动力学研究中的重要问题之一。近几十年来，国内外许多学者在这些领域做过很多探索，取得了一定进展，也存在较多问题。在总结相关研究成果的基础上，简述了明渠非恒定流试验方法、流速分布、床面切应力、非恒定流输沙与水流运动不同步现象、产生原因、以及非恒定流推移质输沙公式等方面的成果，指出了现有研究中存在的不足，提出了需要进一步研究的关键问题:应用先进的量测仪器，研究非恒定流作用下非均匀沙运动输移规律。

 关键词：明渠非恒定流；非恒定参数；流速分布；床面切应力；推移质运动；研究进展