南水北调与水利科技（中英文）
2018年第16卷第1期文章目次
2018, 16(1):1-7.
摘要:
针对变化环境的水循环与水安全问题, 对水系统的基本概念、理论与意义进行了介绍, 指出了以多学科视角, 将自然科学和社会科学相融合以研究变化环境下的水问题是当前国际地球系统水科学发展前沿。分析了水系统研究的难点与水-社会-生态关联性研究的发展趋势, 强调了水系统的耦合与解耦、水系统模型的敏感性、水系统的监 测等方面研究的重要性, 探讨了自然系统和人类系统间的协同演变及其集合响应机制研究于构建水系统耦合模型的必要性。以淮河、鄱阳湖、汉江为例, 从不同的角度论述了水系统理论在我国水问题研究中的实践与指导意义, 并认为水系统理论的进一步研究应加强内在机理及概化准确性等方面的研究, 构建水系统模拟平台, 增强水系统模型对气候及环境变化的适应性, 加强在变化环境下流域水资源可持续利用规划与决策管理中应用推广。
针对变化环境的水循环与水安全问题, 对水系统的基本概念、理论与意义进行了介绍, 指出了以多学科视角, 将自然科学和社会科学相融合以研究变化环境下的水问题是当前国际地球系统水科学发展前沿。分析了水系统研究的难点与水-社会-生态关联性研究的发展趋势, 强调了水系统的耦合与解耦、水系统模型的敏感性、水系统的监 测等方面研究的重要性, 探讨了自然系统和人类系统间的协同演变及其集合响应机制研究于构建水系统耦合模型的必要性。以淮河、鄱阳湖、汉江为例, 从不同的角度论述了水系统理论在我国水问题研究中的实践与指导意义, 并认为水系统理论的进一步研究应加强内在机理及概化准确性等方面的研究, 构建水系统模拟平台, 增强水系统模型对气候及环境变化的适应性, 加强在变化环境下流域水资源可持续利用规划与决策管理中应用推广。
2018, 16(1):8-13.
摘要:
在调水工程中, 如果泵站站前水位过低, 会危及泵站安全, 如果水位过高, 会危及周边安全, 因此探寻调水工程中河渠湖库水位变化显得尤为重要。以南水北调东线山东段南四湖为研究区域, 寻求不同起调水位、出入流量、泵 站开启时间差的调水方案下泵前水位变化规律。先利用耦合模型对不同的调水方案进行数值模拟, 然后选取 23 组 调水方案及其数值模拟所得的泵前水位作为样本训练 BP 神经网络, 建立 BP 神经网络调蓄水位预测模型并进行验证, 最后利用预测模型对不同调水方案进行泵前水位预测。结果表明, BP 神经网络预测模型具有很强的预测能力, 预测模型结果与耦合模型结果泵前水位基本吻合, 水深相对误差小于 9.15% , 而模型计算效率提升 96.67% 。
在调水工程中, 如果泵站站前水位过低, 会危及泵站安全, 如果水位过高, 会危及周边安全, 因此探寻调水工程中河渠湖库水位变化显得尤为重要。以南水北调东线山东段南四湖为研究区域, 寻求不同起调水位、出入流量、泵 站开启时间差的调水方案下泵前水位变化规律。先利用耦合模型对不同的调水方案进行数值模拟, 然后选取 23 组 调水方案及其数值模拟所得的泵前水位作为样本训练 BP 神经网络, 建立 BP 神经网络调蓄水位预测模型并进行验证, 最后利用预测模型对不同调水方案进行泵前水位预测。结果表明, BP 神经网络预测模型具有很强的预测能力, 预测模型结果与耦合模型结果泵前水位基本吻合, 水深相对误差小于 9.15% , 而模型计算效率提升 96.67% 。
2018, 16(1):14-21.
摘要:
Copula 是一种构造多元联合分布和分析随机变量间相关结构的重要工具。对 2005 年以来国内外学者对 Copula 在干旱领域的研究和应用进行了综述, 阐述了当前 Copula 方法存在的问题和继续研究方向。首先, 高维 Copula 函数的参数估计不够精确, 虽然高维 Copula 构造方法如嵌套法、混合法、条件混合法等对参数估计有本质上的简化作用、基于 Bayesian 理论的 Copula 参数估计方法比传统方法有明显改进, 但在计算量、置信水平、样本量等 需求上仍存在取舍, 高维 Copula 理论的参数估计方法仍是 Copula 理论研究中的难点; 其次, 干旱特征对时间具有较强敏感性, 使得 Copula 函数应用于干旱问题需要具有时变性, 时变和空间变化 Copula 理论能综合时空维度对干旱进行全面分析, 这将是未来 Copula 研究的方向之一; 最后, Copula 方法能被应用于诸多方向, 还需要更加发散地将 Copula 方法与其他框架相结合。
Copula 是一种构造多元联合分布和分析随机变量间相关结构的重要工具。对 2005 年以来国内外学者对 Copula 在干旱领域的研究和应用进行了综述, 阐述了当前 Copula 方法存在的问题和继续研究方向。首先, 高维 Copula 函数的参数估计不够精确, 虽然高维 Copula 构造方法如嵌套法、混合法、条件混合法等对参数估计有本质上的简化作用、基于 Bayesian 理论的 Copula 参数估计方法比传统方法有明显改进, 但在计算量、置信水平、样本量等 需求上仍存在取舍, 高维 Copula 理论的参数估计方法仍是 Copula 理论研究中的难点; 其次, 干旱特征对时间具有较强敏感性, 使得 Copula 函数应用于干旱问题需要具有时变性, 时变和空间变化 Copula 理论能综合时空维度对干旱进行全面分析, 这将是未来 Copula 研究的方向之一; 最后, Copula 方法能被应用于诸多方向, 还需要更加发散地将 Copula 方法与其他框架相结合。
2018, 16(1):22-27.
摘要:
受气候变化和人类活动的影响, 济南市三川流域( 锦绣川、锦阳川、锦云川) 降雨-径流关系发生显著变化, 影响到济南市城市供水和保泉工程有效实施。利用 1964- 2011 年近 50 年系列资料, 采用滑动偏相关系数等方法, 探讨三川流域降雨-径流关系变化规律, 分析引起变化的内在机制与驱动因素。结果显示: 受气候变化的影响, 三川流域降水具 有显著增加趋势; 受水土保持、社会经济取用水等人类活动的影响, 三川流域径流具有不显著的减少趋势。流域降雨径流关系的突变点发生在 1988 年前后, 通过 1988- 2011 年与 1964- 1987 年系列对比分析, 流域平均降水量增 加 12. 57% 、入库径流减少 8. 85% 。结合实地调查和水利普查数据分析, 在三川流域降雨-径流关系变化中人类活动( 蓄供水工程修建和水土保持措施实施等) 占主导地位。气候变化对径流影响为正效应, 人类活动为负效应。
受气候变化和人类活动的影响, 济南市三川流域( 锦绣川、锦阳川、锦云川) 降雨-径流关系发生显著变化, 影响到济南市城市供水和保泉工程有效实施。利用 1964- 2011 年近 50 年系列资料, 采用滑动偏相关系数等方法, 探讨三川流域降雨-径流关系变化规律, 分析引起变化的内在机制与驱动因素。结果显示: 受气候变化的影响, 三川流域降水具 有显著增加趋势; 受水土保持、社会经济取用水等人类活动的影响, 三川流域径流具有不显著的减少趋势。流域降雨径流关系的突变点发生在 1988 年前后, 通过 1988- 2011 年与 1964- 1987 年系列对比分析, 流域平均降水量增 加 12. 57% 、入库径流减少 8. 85% 。结合实地调查和水利普查数据分析, 在三川流域降雨-径流关系变化中人类活动( 蓄供水工程修建和水土保持措施实施等) 占主导地位。气候变化对径流影响为正效应, 人类活动为负效应。
2018, 16(1):28-34.
摘要:
为了解寒区湿地实际蒸散发( ETa ) 过程, 有效利用水资源, 基于哈尔滨金河湾湿地 2015 年 8 月- 2016 年 7 月 涡度相关系统通量观测数据, 分析了不同时间尺度下 ETa 变化规律及影响因素。研究期间年 ETa 为 660 mm, 日最高值达 8.1 mm/d, 夏季( 3.4 mm/d) 最高, 春季(2.3 mm/d) 、秋季( 1.4 mm/d) 次之, 冬季( 0.1 mm/d) 偏低且变化平稳。5 月生长期作物系数( Kc) 由 0.95 增加到 1.18 左右, 6 月- 8 月中旬稳定期 Kc 在1.05~ 1.18 之间, 8 月下旬- 9 月枯萎期 Kc 由 1.05 减小到 0.85 左右。影响 ETa 的主要气象因素为净辐射和饱和水汽压差。不同时间尺度下 ETa 与气象因子相关性略有不同: 净辐射和水汽压差与 ETa 的相关性在两个尺度上均很显著, 但 30 min 尺度净辐射与 ETa 的相关性更高。温度与 ETa 的相关性在两个尺度上基本一致, 高温促进 ETa 蒸散发而低温抑制ETa 蒸散发。日尺度上空气湿度与 ETa 在秋、冬季相关性明显, 30 min 尺度上春、冬季相关性明显。风速与 ETa 仅在 30 min 尺度上夏、秋季有一定的相关性。
为了解寒区湿地实际蒸散发( ETa ) 过程, 有效利用水资源, 基于哈尔滨金河湾湿地 2015 年 8 月- 2016 年 7 月 涡度相关系统通量观测数据, 分析了不同时间尺度下 ETa 变化规律及影响因素。研究期间年 ETa 为 660 mm, 日最高值达 8.1 mm/d, 夏季( 3.4 mm/d) 最高, 春季(2.3 mm/d) 、秋季( 1.4 mm/d) 次之, 冬季( 0.1 mm/d) 偏低且变化平稳。5 月生长期作物系数( Kc) 由 0.95 增加到 1.18 左右, 6 月- 8 月中旬稳定期 Kc 在1.05~ 1.18 之间, 8 月下旬- 9 月枯萎期 Kc 由 1.05 减小到 0.85 左右。影响 ETa 的主要气象因素为净辐射和饱和水汽压差。不同时间尺度下 ETa 与气象因子相关性略有不同: 净辐射和水汽压差与 ETa 的相关性在两个尺度上均很显著, 但 30 min 尺度净辐射与 ETa 的相关性更高。温度与 ETa 的相关性在两个尺度上基本一致, 高温促进 ETa 蒸散发而低温抑制ETa 蒸散发。日尺度上空气湿度与 ETa 在秋、冬季相关性明显, 30 min 尺度上春、冬季相关性明显。风速与 ETa 仅在 30 min 尺度上夏、秋季有一定的相关性。
2018, 16(1):35-41.
摘要:
平原灌区水文过程受人类开采灌溉影响较大, 地表水与地下水物质能量交换频繁, 单目标率定方法难以同时有效模拟该区流量和地下水埋深过程。对此, 在新安江模型基础上加入地下水蓄水库, 构建地表-地下水耦合模型, 建立包含流量与地下水埋深信息的多目标函数。采用 MCAT 分析流量和埋深单目标以及多目标下的参数敏感性, 用 SCE-UA 算法率定遴选出的敏感参数, 比较单目标和多目标率定结果。结果表明, 该多目标参数优化方法显著 提高了工作效率, 解决了单目标率定中无法同时达到流量与地下水埋深过程模拟高精度的问题。模型在临涣集流域的耦合模拟中取得较好效果, 为平原灌区地表水与地下水动态模拟和水资源评价提供参考。
平原灌区水文过程受人类开采灌溉影响较大, 地表水与地下水物质能量交换频繁, 单目标率定方法难以同时有效模拟该区流量和地下水埋深过程。对此, 在新安江模型基础上加入地下水蓄水库, 构建地表-地下水耦合模型, 建立包含流量与地下水埋深信息的多目标函数。采用 MCAT 分析流量和埋深单目标以及多目标下的参数敏感性, 用 SCE-UA 算法率定遴选出的敏感参数, 比较单目标和多目标率定结果。结果表明, 该多目标参数优化方法显著 提高了工作效率, 解决了单目标率定中无法同时达到流量与地下水埋深过程模拟高精度的问题。模型在临涣集流域的耦合模拟中取得较好效果, 为平原灌区地表水与地下水动态模拟和水资源评价提供参考。
2018, 16(1):42-49.
摘要:
为定量评价安徽省水资源承载力的整体状况和发展趋势、识别引起水资源承载力不安全的主要因素, 采用“评价-诊断-调控-再评价”的研究思路, 构建了基于联系数的区域水资源承载力诊断评价模型, 对安徽省水资源承载力进行了动态诊断评价研究, 并利用减法集对势识别水资源承载力的脆弱性指标。结果表明: 安徽省 2005- 2015 年的水资源承载力综合评价等级值均处于 2 级临界超载附近, 虽存在缓慢改善的趋势、但承载状况不理想; 将诊断识别出引起水资源承载状况不安全的主要指标进行调控后, 再次对水资源承载力的总体安全状况进行综合评价, 调控后再评价的承载状况结果得到明显改善; 上述所采用的诊断评价方法及研究思路可为安徽省水资源合理配置与调控提供技术支持。
为定量评价安徽省水资源承载力的整体状况和发展趋势、识别引起水资源承载力不安全的主要因素, 采用“评价-诊断-调控-再评价”的研究思路, 构建了基于联系数的区域水资源承载力诊断评价模型, 对安徽省水资源承载力进行了动态诊断评价研究, 并利用减法集对势识别水资源承载力的脆弱性指标。结果表明: 安徽省 2005- 2015 年的水资源承载力综合评价等级值均处于 2 级临界超载附近, 虽存在缓慢改善的趋势、但承载状况不理想; 将诊断识别出引起水资源承载状况不安全的主要指标进行调控后, 再次对水资源承载力的总体安全状况进行综合评价, 调控后再评价的承载状况结果得到明显改善; 上述所采用的诊断评价方法及研究思路可为安徽省水资源合理配置与调控提供技术支持。
2018, 16(1):50-56.
摘要:
我国中小河流域防洪标准普遍偏低, 急需加强洪水预报工作, 特别是在站点稀少, 资料匮乏的高寒山区, 由融雪产生的径流与由降水产生的径流难以区分, 加大了洪水预报工作难度。SRM 融雪径流模型是专门解决这个问题的水文模型, 它对于山区流域融雪径流预报和模拟研究起着非常重要的作用。基于 SRM 融雪径流模型, 以新疆地区典型山区中小河流域奎屯河为例, 通过 MODIS 遥感数据提取流域积雪覆盖率, 并结合气象台站数据, 对研究区进行水文模拟, 研究结果认为: 融雪径流模型能够很好的模拟奎屯河流域的径流过程, 率定期与验证期 Nash 效率 系数都达到了 0.7 以上, 说明融雪径流模型能够适用于奎屯河流域的洪水预报, 对高寒山区中小河流域防洪预警具有一定的指导意义。
我国中小河流域防洪标准普遍偏低, 急需加强洪水预报工作, 特别是在站点稀少, 资料匮乏的高寒山区, 由融雪产生的径流与由降水产生的径流难以区分, 加大了洪水预报工作难度。SRM 融雪径流模型是专门解决这个问题的水文模型, 它对于山区流域融雪径流预报和模拟研究起着非常重要的作用。基于 SRM 融雪径流模型, 以新疆地区典型山区中小河流域奎屯河为例, 通过 MODIS 遥感数据提取流域积雪覆盖率, 并结合气象台站数据, 对研究区进行水文模拟, 研究结果认为: 融雪径流模型能够很好的模拟奎屯河流域的径流过程, 率定期与验证期 Nash 效率 系数都达到了 0.7 以上, 说明融雪径流模型能够适用于奎屯河流域的洪水预报, 对高寒山区中小河流域防洪预警具有一定的指导意义。
2018, 16(1):57-62.
摘要:
洪水风险分析是防洪非工程措施的重要组成部分, 而洪水危险性评价是风险分析的基础。现有的洪水危险性评价方法由于需要获得淹没水深, 在对洪水风险预测时要求复杂的水力学模型和高分辨率数据的支撑, 但业务化过程中常常无法满足数据要求, 为了简化洪水危险性评价的过程, 确保评价结果的准确性, 提出了一个新的简单且综合的洪水危险性评价指标(FHI, Flood Hazard Index) 。该指标以 GisNet 和 ArcGIS 为软件平台, 结合分布式水文模型, 依据洪灾的形成机理, 综合考虑分布式流量与地形指数。结合北京山区红螺谷流域的具体情况, 对新指标进行了对比检验。结果显示, FHI 能够真实地反映区域洪灾随空间变化的趋势, 为未来洪水危险性评价与预测的研究, 提供了一个全新的思路, 对洪水风险研究体系的完善具有重要的现实意义。
洪水风险分析是防洪非工程措施的重要组成部分, 而洪水危险性评价是风险分析的基础。现有的洪水危险性评价方法由于需要获得淹没水深, 在对洪水风险预测时要求复杂的水力学模型和高分辨率数据的支撑, 但业务化过程中常常无法满足数据要求, 为了简化洪水危险性评价的过程, 确保评价结果的准确性, 提出了一个新的简单且综合的洪水危险性评价指标(FHI, Flood Hazard Index) 。该指标以 GisNet 和 ArcGIS 为软件平台, 结合分布式水文模型, 依据洪灾的形成机理, 综合考虑分布式流量与地形指数。结合北京山区红螺谷流域的具体情况, 对新指标进行了对比检验。结果显示, FHI 能够真实地反映区域洪灾随空间变化的趋势, 为未来洪水危险性评价与预测的研究, 提供了一个全新的思路, 对洪水风险研究体系的完善具有重要的现实意义。
2018, 16(1):63-68.
摘要:
基于 Copula 理论, 以标准化降水蒸散指数( SPEI) 为干旱指标, 建立了南水北调中线工程水源区与海河受水区汛期、非汛期及全年 SPEI 的联合分布, 并结合未来气候模式数据, 研究了变化情景下南水北调中线工程水源区与海河受水区各时期干旱遭遇概率变化及其对工程运行风险的影响。研究结果表明: 过去几十年, 南水北调中线工程 水源区与海河受水区总体呈现变旱趋势; 在 RCP4.5 和 RCP8.5 两种未来气候变化情景下, 水源区与海河受水区汛期、非汛期及全年同旱事件发生概率较现状有不同程度的增加, 尤其汛期遭遇同旱和非汛期遭遇同重旱的概率明显 增大, 增加的幅度分别达到 2.99% ~ 6.1% 和 2.67% ~ 3.63% 。在未来变化情景下, 水源区与海河受水区干旱遭遇变化可能会对工程运行带来风险, 因此, 有必要研究相应的适应性对策以保证工程的正常安全运行。
基于 Copula 理论, 以标准化降水蒸散指数( SPEI) 为干旱指标, 建立了南水北调中线工程水源区与海河受水区汛期、非汛期及全年 SPEI 的联合分布, 并结合未来气候模式数据, 研究了变化情景下南水北调中线工程水源区与海河受水区各时期干旱遭遇概率变化及其对工程运行风险的影响。研究结果表明: 过去几十年, 南水北调中线工程 水源区与海河受水区总体呈现变旱趋势; 在 RCP4.5 和 RCP8.5 两种未来气候变化情景下, 水源区与海河受水区汛期、非汛期及全年同旱事件发生概率较现状有不同程度的增加, 尤其汛期遭遇同旱和非汛期遭遇同重旱的概率明显 增大, 增加的幅度分别达到 2.99% ~ 6.1% 和 2.67% ~ 3.63% 。在未来变化情景下, 水源区与海河受水区干旱遭遇变化可能会对工程运行带来风险, 因此, 有必要研究相应的适应性对策以保证工程的正常安全运行。
2018, 16(1):69-74.
摘要:
合理的粒子群算法( Particle Swarm Optimization Algorithm, PSO) 的参数设置, 可以提高算法的优化效率、避免陷入局部最优值, 但常用参数设置对于特定优化问题, 如新安江模型模拟, 不具普适性。为分析种群规模 pop 、惯性权重 w 、学习因子 c1 和 c2 以及速度位置相关系数 m 这 5 个粒子群参数对新安江模型模拟结果的影响, 对每个参数取 5 个不同水平, 应用 L25 ( 56 ) 正交表, 设计了正交试验。通过对试验结果进行分析, 得出了参数对 PSO 算法性能的影响能力和最优的参数组合方案(pop = 80, w = 1.3~ 0.4 线性递减, c1 = 1.85, c2 = 2.5, m = 0.05) 。通过 极差分析和方差分析, 得出参数 pop 和w 对模型模拟结果具有高显著性, 其他三个参数对模型模拟结果不显著。 将不同 PSO 参数组合应用于新安江模型模拟, 证明了合理的 PSO 算法参数设置可以有效提高新安江模型模拟精度。通过对各因素分别进行趋势分析, 得到了因素取值变化趋势与模型结果变化趋势的相关关系。本文提出的方法为如何寻找某一特定应用情景下的 PSO 算法参数组合提供了一种借鉴。
合理的粒子群算法( Particle Swarm Optimization Algorithm, PSO) 的参数设置, 可以提高算法的优化效率、避免陷入局部最优值, 但常用参数设置对于特定优化问题, 如新安江模型模拟, 不具普适性。为分析种群规模 pop 、惯性权重 w 、学习因子 c1 和 c2 以及速度位置相关系数 m 这 5 个粒子群参数对新安江模型模拟结果的影响, 对每个参数取 5 个不同水平, 应用 L25 ( 56 ) 正交表, 设计了正交试验。通过对试验结果进行分析, 得出了参数对 PSO 算法性能的影响能力和最优的参数组合方案(pop = 80, w = 1.3~ 0.4 线性递减, c1 = 1.85, c2 = 2.5, m = 0.05) 。通过 极差分析和方差分析, 得出参数 pop 和w 对模型模拟结果具有高显著性, 其他三个参数对模型模拟结果不显著。 将不同 PSO 参数组合应用于新安江模型模拟, 证明了合理的 PSO 算法参数设置可以有效提高新安江模型模拟精度。通过对各因素分别进行趋势分析, 得到了因素取值变化趋势与模型结果变化趋势的相关关系。本文提出的方法为如何寻找某一特定应用情景下的 PSO 算法参数组合提供了一种借鉴。
2018, 16(1):75-82.
摘要:
水储量是反映区域水资源变化和水量平衡的重要指标, 重力反演与气候实验( GRACE) 卫星数据为大尺度的水储量变化评估提供了数据支撑。应用 2003- 2015 年的 GRACE RL05 时变重力场数据并结合地面实测资料, 研究柴达木盆地的水储量时空变化特征及其归因。结果表明: 13 年间柴达木盆地水储量变化呈上升趋势, 月平均上升速度约0. 26 mm; 多年平均水储量变化幅度由南向北增量递减, 变化幅度 8. 29~ 69. 38 mm; 研究区水储量增加与降水量增多的趋势一致。基于 GRACE 时变重力场反演水储量的方法, 为西北资料稀缺地区的水储量变化评估提供了重要支撑。
水储量是反映区域水资源变化和水量平衡的重要指标, 重力反演与气候实验( GRACE) 卫星数据为大尺度的水储量变化评估提供了数据支撑。应用 2003- 2015 年的 GRACE RL05 时变重力场数据并结合地面实测资料, 研究柴达木盆地的水储量时空变化特征及其归因。结果表明: 13 年间柴达木盆地水储量变化呈上升趋势, 月平均上升速度约0. 26 mm; 多年平均水储量变化幅度由南向北增量递减, 变化幅度 8. 29~ 69. 38 mm; 研究区水储量增加与降水量增多的趋势一致。基于 GRACE 时变重力场反演水储量的方法, 为西北资料稀缺地区的水储量变化评估提供了重要支撑。
2018, 16(1):83-88.
摘要:
利用 2003- 2014 年 GRACE 时变重力场数据反演黄淮海地区水储量变化, 并与同期降水数据比较, 分析其年际与年内变化特征, 结果表明: 时间上, 2003- 2014 年黄淮海地区水储量呈现下降趋势, 下降速率约 0.42 mm/ 月, 其子流域海河和淮河流域下降速率分别为 0.52 mm/月和 0.28 mm/月; 年内仅 2 月、9 月和 12 月水储量盈余, 9 月水储量最大, 为 9.86 mm, 6 月水储量达到最大盈亏量, 约 56.65 mm; 空间上, 水储量变化整体上由南往北递减, 海河流域水储量较淮河流域亏损严重, 但随季节变化水储量亏损状态由南向北得到缓解, 到冬季水储量呈现盈余; 水 储量空间变化主要受降雨影响, 同时还受区域农业布局和作物灌溉影响。GRACE 数据可为黄淮海地区水储量变化研究带来便利, 为区域水资源的科学管理和规划提供依据。
利用 2003- 2014 年 GRACE 时变重力场数据反演黄淮海地区水储量变化, 并与同期降水数据比较, 分析其年际与年内变化特征, 结果表明: 时间上, 2003- 2014 年黄淮海地区水储量呈现下降趋势, 下降速率约 0.42 mm/ 月, 其子流域海河和淮河流域下降速率分别为 0.52 mm/月和 0.28 mm/月; 年内仅 2 月、9 月和 12 月水储量盈余, 9 月水储量最大, 为 9.86 mm, 6 月水储量达到最大盈亏量, 约 56.65 mm; 空间上, 水储量变化整体上由南往北递减, 海河流域水储量较淮河流域亏损严重, 但随季节变化水储量亏损状态由南向北得到缓解, 到冬季水储量呈现盈余; 水 储量空间变化主要受降雨影响, 同时还受区域农业布局和作物灌溉影响。GRACE 数据可为黄淮海地区水储量变化研究带来便利, 为区域水资源的科学管理和规划提供依据。
2018, 16(1):89-94.
摘要:
基于长江流域 133 个气象站 1970- 2012 年实测逐月降水量和月平均气温资料, 计算不同时间尺度上的标准化降水蒸散指数序列, 研究近几十年来长江流域旱涝情势的时空演变特征。结果表明, 1970- 2012 年长江流域整体干旱形势不严重, 但是干旱化的趋势比较明显。与长江上游地区相比, 长江中下游区域的干旱趋势表现得更加突出, 特别是长时间尺度上的干旱趋势非常明显。针对典型极端气象事件分析发现, 标准化降水蒸散指数能够反映出不同时间尺度上长江流域发生的旱涝事件, 表明该指数对于准确评估长江流域的旱涝程度和分布范围具有很好的指示性意义。
基于长江流域 133 个气象站 1970- 2012 年实测逐月降水量和月平均气温资料, 计算不同时间尺度上的标准化降水蒸散指数序列, 研究近几十年来长江流域旱涝情势的时空演变特征。结果表明, 1970- 2012 年长江流域整体干旱形势不严重, 但是干旱化的趋势比较明显。与长江上游地区相比, 长江中下游区域的干旱趋势表现得更加突出, 特别是长时间尺度上的干旱趋势非常明显。针对典型极端气象事件分析发现, 标准化降水蒸散指数能够反映出不同时间尺度上长江流域发生的旱涝事件, 表明该指数对于准确评估长江流域的旱涝程度和分布范围具有很好的指示性意义。
2018, 16(1):95-99.
摘要:
南水北调中线一期工程全面通水两年来, 工程安全平稳运行, 输水水质全线达标, 累计从渠首陶岔引水超过 60 亿 m3。为更好地优化中线工程的实时供水调度, 有必要对中线工程的水量调度方案、水量调度计划和近两年的水量调度实践进行系统的总结。介绍了南水北调中线水量调度方案、丹江口水库年度可调水量、中线工程年度水量调度计划以及中线工程近两年水量调度实践, 分析了中线工程水量调度带来的效益、工程供水量和实际输水损失, 总结了中线一期工程运行两年来的调水实践及存在的问题, 提出了相应的建议。
南水北调中线一期工程全面通水两年来, 工程安全平稳运行, 输水水质全线达标, 累计从渠首陶岔引水超过 60 亿 m3。为更好地优化中线工程的实时供水调度, 有必要对中线工程的水量调度方案、水量调度计划和近两年的水量调度实践进行系统的总结。介绍了南水北调中线水量调度方案、丹江口水库年度可调水量、中线工程年度水量调度计划以及中线工程近两年水量调度实践, 分析了中线工程水量调度带来的效益、工程供水量和实际输水损失, 总结了中线一期工程运行两年来的调水实践及存在的问题, 提出了相应的建议。
2018, 16(1):100-107.
摘要:
为厘清水资源约束条件下四川省各市州产业可持续发展适宜模式, 通过构建四川省水贫困评价指标体系, 采用均衡法赋权, 应用水贫困指数( Water Poverty Index, WPI) 模型计算 2006- 2013 年全省 21 个市州的水贫困指数, 并基于地理信息系统( Geographic Information System, GIS) 技术等, 对全省及各市州水贫困时空格局等进行了研究。结果表明: (1) 受 2008 年“5·12” 汶川特大地震影响, 2008- 2011 年全省水贫困全面、均衡改善的态势受阻; 灾后水利重建、水利精准扶贫等工作的推进, 使得全省各市州 2006- 2013 年 WPI 平均值呈波动下降趋势, 水资源管理能力的提升和水环境的改善对缓解水贫困起到了关键作用。(2) 21 个市州处理水贫困的能力差别较大, 且差距逐渐拉大; 成都市和雅安市为极微水贫困区, 攀枝花市、广元市、阿坝州、甘孜州和凉山州为微水贫困区, 泸州市、绵阳市、乐山市、眉山市和宜宾市为中度水贫困区, 自贡市、德阳市、南充市、巴中市、资阳市为强水贫困区, 遂宁市、内 江市、广安市、达州市为极度水贫困区。(3) 四川省水贫困问题的解决, 应从强化水贫困意识、提升高效用水能力, 科学优化配置水资源、提高保障率, 严格水资源管理、调控产业结构及生产模式, 系统管控水安全风险, 提升水管理能力、加大政府财政投入、积极推进水权改革, 增强水利扶贫力度、助推扶贫攻坚等方面加大工作力度。
为厘清水资源约束条件下四川省各市州产业可持续发展适宜模式, 通过构建四川省水贫困评价指标体系, 采用均衡法赋权, 应用水贫困指数( Water Poverty Index, WPI) 模型计算 2006- 2013 年全省 21 个市州的水贫困指数, 并基于地理信息系统( Geographic Information System, GIS) 技术等, 对全省及各市州水贫困时空格局等进行了研究。结果表明: (1) 受 2008 年“5·12” 汶川特大地震影响, 2008- 2011 年全省水贫困全面、均衡改善的态势受阻; 灾后水利重建、水利精准扶贫等工作的推进, 使得全省各市州 2006- 2013 年 WPI 平均值呈波动下降趋势, 水资源管理能力的提升和水环境的改善对缓解水贫困起到了关键作用。(2) 21 个市州处理水贫困的能力差别较大, 且差距逐渐拉大; 成都市和雅安市为极微水贫困区, 攀枝花市、广元市、阿坝州、甘孜州和凉山州为微水贫困区, 泸州市、绵阳市、乐山市、眉山市和宜宾市为中度水贫困区, 自贡市、德阳市、南充市、巴中市、资阳市为强水贫困区, 遂宁市、内 江市、广安市、达州市为极度水贫困区。(3) 四川省水贫困问题的解决, 应从强化水贫困意识、提升高效用水能力, 科学优化配置水资源、提高保障率, 严格水资源管理、调控产业结构及生产模式, 系统管控水安全风险, 提升水管理能力、加大政府财政投入、积极推进水权改革, 增强水利扶贫力度、助推扶贫攻坚等方面加大工作力度。
2018, 16(1):108-113.
摘要:
河道内生态需水是目前生态学、水文学和水资源学研究的热点领域, 现有计算方法中从生态系统功能完整性的角度出发计算生态需水的较少。首先利用 Ecopath 模型对小清河流域 2014 年 5 月、8 月、11 月生态系统内群落间营养关系进行了模拟, 分析得到了小清河流域生态系统关键功能组; 然后, 利用栖息地适应性指数( HSI) 确定了各关键鱼类生存和繁殖的适宜流速及水位; 最后, 耦合多物种的适宜流速及水位, 利用改进后的 AEHRA 法计算生态需水量。结果显示, 小清河流域鱼类非产卵期( 1月- 3月、8月- 12月) 上、中、下游生态需水量分别为 4.28 m3/s、0.74 m3/s、 3.47 m3/s; 产卵期上、中、下游生态需水量分别为 23.52 m3/s、5.96 m3/s( 8.65 m3/s) 、37.38 m3/s。与 Tennant 法比较, 本方法计算结果可以将生态系统健康状况维持在“一般”水平以上, 即可以满足流域内大多数水生物需水量, 同时, 该方法计算结果显示出鱼类产卵期与非产卵期的生态需水量差异, 为流域内跨季节调水提供依据。
河道内生态需水是目前生态学、水文学和水资源学研究的热点领域, 现有计算方法中从生态系统功能完整性的角度出发计算生态需水的较少。首先利用 Ecopath 模型对小清河流域 2014 年 5 月、8 月、11 月生态系统内群落间营养关系进行了模拟, 分析得到了小清河流域生态系统关键功能组; 然后, 利用栖息地适应性指数( HSI) 确定了各关键鱼类生存和繁殖的适宜流速及水位; 最后, 耦合多物种的适宜流速及水位, 利用改进后的 AEHRA 法计算生态需水量。结果显示, 小清河流域鱼类非产卵期( 1月- 3月、8月- 12月) 上、中、下游生态需水量分别为 4.28 m3/s、0.74 m3/s、 3.47 m3/s; 产卵期上、中、下游生态需水量分别为 23.52 m3/s、5.96 m3/s( 8.65 m3/s) 、37.38 m3/s。与 Tennant 法比较, 本方法计算结果可以将生态系统健康状况维持在“一般”水平以上, 即可以满足流域内大多数水生物需水量, 同时, 该方法计算结果显示出鱼类产卵期与非产卵期的生态需水量差异, 为流域内跨季节调水提供依据。
2018, 16(1):114-121.
摘要:
以渭河华县段漫滩洪水为研究对象, 首先运用 ToB( Top of Bank) 方法确定不同历史大断面下的河道漫滩水位, 采用水位流速法计算并统计渭河华县段 1965- 2010 年间漫滩洪水发生的次数、淹没持续时间及漫滩期最大流量, 并进一步分析其演变趋势。其次, 以漫滩洪水发生次数和淹没持续时间为评估指标, 应用变化范围法( RVA) 对 漫滩洪水的变异程度进行评估, 从侧面探讨漫滩洪水变化对滨河生态系统的潜在影响。计算结果显示, 渭河华县段 1965- 2010 年间累计发生漫滩洪水 34 次, 年均仅 0.74 次, 且漫滩洪水次数、淹没持续时间、漫滩最大流量在时域上均呈显著下降趋势。尤其是 20 世纪 90 年代以后, 受来水量减少和渭河下游泥沙淤积的共同影响, 漫滩洪水多为小流量洪水, 较以前其流速和流量都有所减弱, 生态效果有限。而 RVA 评价结果则表明渭河华县段漫滩洪水的淹没次数和持续时间两个指标均发生了高度变异, 缩减严重, 对滨河生态环境有较大的潜在威胁。建议管理部门制定相应措施, 适时人造漫滩洪水, 以保障滨河湿地、滩地的生态平衡与安全。
以渭河华县段漫滩洪水为研究对象, 首先运用 ToB( Top of Bank) 方法确定不同历史大断面下的河道漫滩水位, 采用水位流速法计算并统计渭河华县段 1965- 2010 年间漫滩洪水发生的次数、淹没持续时间及漫滩期最大流量, 并进一步分析其演变趋势。其次, 以漫滩洪水发生次数和淹没持续时间为评估指标, 应用变化范围法( RVA) 对 漫滩洪水的变异程度进行评估, 从侧面探讨漫滩洪水变化对滨河生态系统的潜在影响。计算结果显示, 渭河华县段 1965- 2010 年间累计发生漫滩洪水 34 次, 年均仅 0.74 次, 且漫滩洪水次数、淹没持续时间、漫滩最大流量在时域上均呈显著下降趋势。尤其是 20 世纪 90 年代以后, 受来水量减少和渭河下游泥沙淤积的共同影响, 漫滩洪水多为小流量洪水, 较以前其流速和流量都有所减弱, 生态效果有限。而 RVA 评价结果则表明渭河华县段漫滩洪水的淹没次数和持续时间两个指标均发生了高度变异, 缩减严重, 对滨河生态环境有较大的潜在威胁。建议管理部门制定相应措施, 适时人造漫滩洪水, 以保障滨河湿地、滩地的生态平衡与安全。
19 风生流水动力特性试验研究
2018, 16(1):122-126.
摘要:
从以往对太湖和其他浅水湖泊的研究来看, 水流走向主要受湖泊表面的风向支配, 主要运动形式是由风驱动而形成的风生流。为了研究浅水湖泊风生流的基本特性, 构建了一套模拟风生流的水槽试验装置, 模拟了 15 m/s 风速下的风生流, 并采用高采样频率 PIV 系统对风生流水动力特性进行了精细的测量, 获得了风生流的垂向流场信息。试验表明该系统测量结果符合风生流的形成规律, 具有模拟风生流的能力。通过不同流程处、相同风速下风生流时均流场、水平流速、涡量、紊动切应力和紊动强度垂线分布的对比, 分析了风生流的水动力特性。风生流水槽试验的结果可以为今后进一步深入研究浅水湖泊风生流提供基础数据。
从以往对太湖和其他浅水湖泊的研究来看, 水流走向主要受湖泊表面的风向支配, 主要运动形式是由风驱动而形成的风生流。为了研究浅水湖泊风生流的基本特性, 构建了一套模拟风生流的水槽试验装置, 模拟了 15 m/s 风速下的风生流, 并采用高采样频率 PIV 系统对风生流水动力特性进行了精细的测量, 获得了风生流的垂向流场信息。试验表明该系统测量结果符合风生流的形成规律, 具有模拟风生流的能力。通过不同流程处、相同风速下风生流时均流场、水平流速、涡量、紊动切应力和紊动强度垂线分布的对比, 分析了风生流的水动力特性。风生流水槽试验的结果可以为今后进一步深入研究浅水湖泊风生流提供基础数据。
2018, 16(1):127-134.
摘要:
为揭示柳林泉域岩溶水化学演化机理, 在对柳林泉域水文地质调查的基础上, 从岩溶水阴阳离子组成和矿物饱和指数入手, 分析了岩溶水化学特征及其演化过程, 通过建立逆向地球化学模型, 模拟了岩溶含水层中的水岩作用。 结果表明: 沿地下水流动路径, 柳林泉域岩溶水化学类型由补给区的 HCO3-Ca· Mg 型演化为径流区的 HCO3· SO4-Ca· Mg 型, 在排泄区演化为 HCO3·SO4-Ca· Na 型。柳林泉域岩溶水化学演化的主要地球化学作用为碳酸盐岩和石膏的溶解作用, 且沿地下水流动路径, 由补给区的方解石和白云石共同溶解作用, 逐渐向径流区的白云石和石膏溶解作用为主演化, 排泄区还发生了岩盐溶解作用。去白云岩化作用和 Na+ -Ca2+ 离子交换吸附作用在径流区和排泄区影响岩溶水化学类型。
为揭示柳林泉域岩溶水化学演化机理, 在对柳林泉域水文地质调查的基础上, 从岩溶水阴阳离子组成和矿物饱和指数入手, 分析了岩溶水化学特征及其演化过程, 通过建立逆向地球化学模型, 模拟了岩溶含水层中的水岩作用。 结果表明: 沿地下水流动路径, 柳林泉域岩溶水化学类型由补给区的 HCO3-Ca· Mg 型演化为径流区的 HCO3· SO4-Ca· Mg 型, 在排泄区演化为 HCO3·SO4-Ca· Na 型。柳林泉域岩溶水化学演化的主要地球化学作用为碳酸盐岩和石膏的溶解作用, 且沿地下水流动路径, 由补给区的方解石和白云石共同溶解作用, 逐渐向径流区的白云石和石膏溶解作用为主演化, 排泄区还发生了岩盐溶解作用。去白云岩化作用和 Na+ -Ca2+ 离子交换吸附作用在径流区和排泄区影响岩溶水化学类型。
2018, 16(1):135-143.
摘要:
选择 2001- 2015 年 M ODIS NDVI( 250 m) 及 14 个气象站点气温、降水数据, 通过计算标准化降水蒸散指数 ( SPEI) , 探究滹沱河流域近 15 年植被覆盖时空演变特征, 分别从月、季节、年等尺度探究植被覆盖与 SPEI 的相关关系。结果显示: (1) 近 15 年滹沱河流域归一化植被指数( NDVI) 呈显著增加趋势, 增速为 0.024/ (10a) 。(2) 植被 恢复以明显改善为主, 覆盖范围占整个流域面积的 51.58% , 主要分布于流域中、上游。(3) 滹沱河流域 SPEI 总体上呈波动上升趋势, 干旱程度有所降低, 流域中游变湿趋势最显著。(4) 6 月、7 月是干旱条件对植被覆盖影响最显著的月份, 其中, 6 月气温对 NDVI 的影响大于降水, 而 7 月降水对 NDVI 的影响大于气温; 夏季干旱程度对植被覆盖度的影响最为明显; NDVI 年际变化与 SPEI 具有显著正相关关系, 干旱对植被生长状态有较大影响。
选择 2001- 2015 年 M ODIS NDVI( 250 m) 及 14 个气象站点气温、降水数据, 通过计算标准化降水蒸散指数 ( SPEI) , 探究滹沱河流域近 15 年植被覆盖时空演变特征, 分别从月、季节、年等尺度探究植被覆盖与 SPEI 的相关关系。结果显示: (1) 近 15 年滹沱河流域归一化植被指数( NDVI) 呈显著增加趋势, 增速为 0.024/ (10a) 。(2) 植被 恢复以明显改善为主, 覆盖范围占整个流域面积的 51.58% , 主要分布于流域中、上游。(3) 滹沱河流域 SPEI 总体上呈波动上升趋势, 干旱程度有所降低, 流域中游变湿趋势最显著。(4) 6 月、7 月是干旱条件对植被覆盖影响最显著的月份, 其中, 6 月气温对 NDVI 的影响大于降水, 而 7 月降水对 NDVI 的影响大于气温; 夏季干旱程度对植被覆盖度的影响最为明显; NDVI 年际变化与 SPEI 具有显著正相关关系, 干旱对植被生长状态有较大影响。
2018, 16(1):144-150.
摘要:
城镇化等人类活动影响下众多河流水系的破坏, 使得江苏里下河平原水安全及生态环境压力加大。基于遥感和地理信息技术方法, 以盐城市区为例, 开展近 30 年来水系结构时空变化及城镇化影响研究, 结果表明: (1) 区域下垫面变化以城镇面积的增加, 水田和水体的减少为主要特征, 城镇化率由 1980 年的 3.4% 增长到 2014 年的 20.8% , 2000 年后城镇扩张明显加快, 呈现从中心老城区以空间蔓延形态向东和向南的趋势; (2) 水系变化以低等级水系数量特征减少为主要趋势, 其中河网密度和水面率的变化强度和空间差异性最为显著; 水系减少使得河网复杂性和区域调蓄能力有所降低, 但河网结构整体上仍呈现自然顺直型网状特征。(3) 2000 年以后城镇面积扩张取代农业活动和水利工程等因素成为水系变化的主要驱动因子, 水系变化强度的空间差异增强, 城镇化率低于 30% 的区域, 水系变化程度与城镇化线性关系显著; 水系特征指标中河网密度、水面率和盒维数对表征该区域的水系数量和结构特征变化具有较好的指示意义, 可作为评价水系变化的主要因子。相关研究成果可丰富平原区水系变化案例研究, 同时可为该区域未来城镇发展下的水系功能规划及保护提供依据。
城镇化等人类活动影响下众多河流水系的破坏, 使得江苏里下河平原水安全及生态环境压力加大。基于遥感和地理信息技术方法, 以盐城市区为例, 开展近 30 年来水系结构时空变化及城镇化影响研究, 结果表明: (1) 区域下垫面变化以城镇面积的增加, 水田和水体的减少为主要特征, 城镇化率由 1980 年的 3.4% 增长到 2014 年的 20.8% , 2000 年后城镇扩张明显加快, 呈现从中心老城区以空间蔓延形态向东和向南的趋势; (2) 水系变化以低等级水系数量特征减少为主要趋势, 其中河网密度和水面率的变化强度和空间差异性最为显著; 水系减少使得河网复杂性和区域调蓄能力有所降低, 但河网结构整体上仍呈现自然顺直型网状特征。(3) 2000 年以后城镇面积扩张取代农业活动和水利工程等因素成为水系变化的主要驱动因子, 水系变化强度的空间差异增强, 城镇化率低于 30% 的区域, 水系变化程度与城镇化线性关系显著; 水系特征指标中河网密度、水面率和盒维数对表征该区域的水系数量和结构特征变化具有较好的指示意义, 可作为评价水系变化的主要因子。相关研究成果可丰富平原区水系变化案例研究, 同时可为该区域未来城镇发展下的水系功能规划及保护提供依据。
2018, 16(1):151-157.
摘要:
暴雨是常见的天气现象, 其对长距离输水渠系的适时适量供水及工程安全具有重要影响。通过建立暴雨影响下的渠系水力响应模拟模型, 分析了不同暴雨条件和渠系闸门群有无联合调度等情况下的渠系联合水力响应规律, 结果表明, 暴雨可威胁渠系的运行安全, 而恰当的渠系运行控制响应模式是改善渠系水力响应的重要方法, 有利于促进输水安全。暴雨可造成南水北调中线工程渠道内水位雍高, 雍高程度受降雨强度、降雨范围和渠道断面位置影响, 其中末端渠池下游的水位雍高最大, 连续 3 日暴雨可造成水位雍高 0.44 m, 使渠系面临外溢风险, 而采用闸门群联合调度后, 可有效削减壅水高度, 但此时的壅水高度还受渠系控制模式和参数取值等因素影响, 且渠系风险位 置也将位于降水影响区最上游端渠池。
暴雨是常见的天气现象, 其对长距离输水渠系的适时适量供水及工程安全具有重要影响。通过建立暴雨影响下的渠系水力响应模拟模型, 分析了不同暴雨条件和渠系闸门群有无联合调度等情况下的渠系联合水力响应规律, 结果表明, 暴雨可威胁渠系的运行安全, 而恰当的渠系运行控制响应模式是改善渠系水力响应的重要方法, 有利于促进输水安全。暴雨可造成南水北调中线工程渠道内水位雍高, 雍高程度受降雨强度、降雨范围和渠道断面位置影响, 其中末端渠池下游的水位雍高最大, 连续 3 日暴雨可造成水位雍高 0.44 m, 使渠系面临外溢风险, 而采用闸门群联合调度后, 可有效削减壅水高度, 但此时的壅水高度还受渠系控制模式和参数取值等因素影响, 且渠系风险位 置也将位于降水影响区最上游端渠池。
2018, 16(1):158-163.
摘要:
为了明确南水北调中线工程渠道糙率的合理取值, 分别选取杨开林公式、美国垦务局公式、美国陆军工程兵团公式, 以及优化方法来计算糙率, 并构建南水北调中线总干渠水力学模型进行检验。将模型方法应用到刁河节制闸-湍 河节制闸渠段的 10 组稳定工况时, 4 种方法计算出的糙率值分别为 0.01538、0.0156、0.01389 和 0.0169, 代入水力学模型计算的刁河节制闸各工况闸后水位与实测值的相对误差总和分别为 0.1744% 、0.1586% 、0.3028% 和 0.0947%。 4 种方法得到的糙率值代入水力学模型的模拟精度中, 优化方法最好, 建议作为中线渠道糙率计算的方法。
为了明确南水北调中线工程渠道糙率的合理取值, 分别选取杨开林公式、美国垦务局公式、美国陆军工程兵团公式, 以及优化方法来计算糙率, 并构建南水北调中线总干渠水力学模型进行检验。将模型方法应用到刁河节制闸-湍 河节制闸渠段的 10 组稳定工况时, 4 种方法计算出的糙率值分别为 0.01538、0.0156、0.01389 和 0.0169, 代入水力学模型计算的刁河节制闸各工况闸后水位与实测值的相对误差总和分别为 0.1744% 、0.1586% 、0.3028% 和 0.0947%。 4 种方法得到的糙率值代入水力学模型的模拟精度中, 优化方法最好, 建议作为中线渠道糙率计算的方法。
2018, 16(1):164-169.
摘要:
琴键堰是一种新型的迷宫堰结构形式, 其特点是相同堰宽、水头条件下泄流能力提升显著, 采用 RNG k-ε 型湍流数学模型, VOF 法处理自由水面, 建立三维数学模型。通过对不同工况琴键堰体型的模拟计算, 获得三维流场水流流态、流速等信息。结果表明: (1) 采用 Fluent 软件对琴键堰进行数值模拟的适用性强, 并验证了琴键堰的 泄流效果显著; (2) 琴键堰的三维流场流态复杂, 具有三元水流的性质, 堰上水头的变化影响琴键堰的泄流能力; (3) 上、下游处水流呈明渠流状态, 速度最小, 为 0.2m/s, 流经堰体时形成水舌, 流速增大, 水舌与堰壁间空腔处有通气 孔掺气, 形成漩涡区, 气体流速 2 m/ s, 水舌入水后有水气混掺。利用数值模拟技术, 使获得的流场信息更加详尽, 为进一步研究琴键堰流场特性奠定基础。
琴键堰是一种新型的迷宫堰结构形式, 其特点是相同堰宽、水头条件下泄流能力提升显著, 采用 RNG k-ε 型湍流数学模型, VOF 法处理自由水面, 建立三维数学模型。通过对不同工况琴键堰体型的模拟计算, 获得三维流场水流流态、流速等信息。结果表明: (1) 采用 Fluent 软件对琴键堰进行数值模拟的适用性强, 并验证了琴键堰的 泄流效果显著; (2) 琴键堰的三维流场流态复杂, 具有三元水流的性质, 堰上水头的变化影响琴键堰的泄流能力; (3) 上、下游处水流呈明渠流状态, 速度最小, 为 0.2m/s, 流经堰体时形成水舌, 流速增大, 水舌与堰壁间空腔处有通气 孔掺气, 形成漩涡区, 气体流速 2 m/ s, 水舌入水后有水气混掺。利用数值模拟技术, 使获得的流场信息更加详尽, 为进一步研究琴键堰流场特性奠定基础。
2018, 16(1):170-175.
摘要:
针对水流掺气后对脉动压强特性的改变问题, 基于矩形陡槽水工模型试验结果, 分析了不同掺气设施及不同通气方式泄槽底板的脉动压力标准差沿程变化规律。分析结果表明, 自掺气底板水流脉动压强沿程变化平稳; 强迫掺气底板水流脉动压力明显增大, 并在水舌冲击区呈单峰规律; 单独底坎、单独侧坎和底侧联合坎三种掺气设施中, 单独侧坎掺气对底板水流脉动压强影响最小。另外同种掺气设施下, 增大流量、增大通气孔面积和采用分散进气方式都会增大泄槽底板的脉动压强。
针对水流掺气后对脉动压强特性的改变问题, 基于矩形陡槽水工模型试验结果, 分析了不同掺气设施及不同通气方式泄槽底板的脉动压力标准差沿程变化规律。分析结果表明, 自掺气底板水流脉动压强沿程变化平稳; 强迫掺气底板水流脉动压力明显增大, 并在水舌冲击区呈单峰规律; 单独底坎、单独侧坎和底侧联合坎三种掺气设施中, 单独侧坎掺气对底板水流脉动压强影响最小。另外同种掺气设施下, 增大流量、增大通气孔面积和采用分散进气方式都会增大泄槽底板的脉动压强。
2018, 16(1):176-188.
摘要:
流致振动现象是典型的流固耦合现象, 其在空气动力学、水动力学及海洋动力学中均有涉及。近年来, 随着流致振动发电设备的不断涌现, 学术界又掀起了新一轮的流致振动研究浪潮。目前, 有关流致振动发电的研究内容纷 繁多样, 并未形成系统的研究体系, 因此有必要对流致振动能量利用现状及存在的问题进行系统的整理与分析。首先, 详细梳理了圆柱绕流及非圆柱绕流的流致振动研究现状, 指明了流致振动能量汲取在海流及风能利用上的巨大潜力; 随后, 基于现有的研究成果介绍了近几十年来主要的流致振动发电设备的种类、工作原理及应用现状; 然后, 基于现有的流致振动发电理念全面阐述了流致振动能量转化的研究现状, 并剖析了研究当中存在的各类问题; 最后, 对流致振动能量利用的研究方向提出了建议。
流致振动现象是典型的流固耦合现象, 其在空气动力学、水动力学及海洋动力学中均有涉及。近年来, 随着流致振动发电设备的不断涌现, 学术界又掀起了新一轮的流致振动研究浪潮。目前, 有关流致振动发电的研究内容纷 繁多样, 并未形成系统的研究体系, 因此有必要对流致振动能量利用现状及存在的问题进行系统的整理与分析。首先, 详细梳理了圆柱绕流及非圆柱绕流的流致振动研究现状, 指明了流致振动能量汲取在海流及风能利用上的巨大潜力; 随后, 基于现有的研究成果介绍了近几十年来主要的流致振动发电设备的种类、工作原理及应用现状; 然后, 基于现有的流致振动发电理念全面阐述了流致振动能量转化的研究现状, 并剖析了研究当中存在的各类问题; 最后, 对流致振动能量利用的研究方向提出了建议。
2018, 16(1):189-194.
摘要:
水资源价值的定量分析对于创建科学合理的水价体系和缓解缺水地区的水资源供需矛盾有着重要意义。通过效益分摊系数法计算了南水北调中线和东线受水区工业和农业单位用水的净效益, 建立了以区域用水净效益最大为目标函数、以供需水量限制及调水水渠流量限制为约束条件的水资源优化配置模型。应用线性规划求解得到南水北调东线受水区黄河以南、山东半岛和黄河以北 3 个子区的水资源影子价格分别为 1.00 元/m3、4.31 元/m3 和 3.89 元/m3 , 南水北调中线受水区河南、河北、北京和天津 4 个子区的水资源影子价格分别为 3.67 元/m3、4.41 元/m3、2.20 元/m3 和 2.19 元/m3。该结果即为水资源理论价值, 可为南水北调受水区制定科学合理的水价标准和完善水价体系提供科学依据。
水资源价值的定量分析对于创建科学合理的水价体系和缓解缺水地区的水资源供需矛盾有着重要意义。通过效益分摊系数法计算了南水北调中线和东线受水区工业和农业单位用水的净效益, 建立了以区域用水净效益最大为目标函数、以供需水量限制及调水水渠流量限制为约束条件的水资源优化配置模型。应用线性规划求解得到南水北调东线受水区黄河以南、山东半岛和黄河以北 3 个子区的水资源影子价格分别为 1.00 元/m3、4.31 元/m3 和 3.89 元/m3 , 南水北调中线受水区河南、河北、北京和天津 4 个子区的水资源影子价格分别为 3.67 元/m3、4.41 元/m3、2.20 元/m3 和 2.19 元/m3。该结果即为水资源理论价值, 可为南水北调受水区制定科学合理的水价标准和完善水价体系提供科学依据。
2018, 16(1):195-202.
摘要:
金沙江下游溪洛渡、向家坝至三峡、葛洲坝四库梯级为长江流域水能资源调控重点枢纽工程, 开展四库发电联合优化调度效益显著。研究建立四库系统独立发电、联合两种模式下优化调度模型, 采用长系列径流系列计算发电效益增益, 统计增益的时间、年型、空间分布特征。提出基于全微分法的增益占比析因方法辨识发电增益受发电水 量、水头影响贡献占比, 归纳增益产生机制。结果表明: (1) 消落期发电增益集中产生在 5 月份; 向家坝、葛洲坝为主要受益水库。(2) 联合增益的产生原因在于联合调度过程中溪洛渡、三峡均化了 5 月、6 月放水过程, 降低向家坝、 葛洲坝的弃水量, 抬升两库水头, 增加发电效益。(3) 向家坝的补偿增益受发电水量、水头贡献占比相当, 葛洲坝的补偿增益主要以发电水头抬升的水头效益为主, 溪洛渡、三峡的效益变化主要受联合调度过程中水头变化影响。
金沙江下游溪洛渡、向家坝至三峡、葛洲坝四库梯级为长江流域水能资源调控重点枢纽工程, 开展四库发电联合优化调度效益显著。研究建立四库系统独立发电、联合两种模式下优化调度模型, 采用长系列径流系列计算发电效益增益, 统计增益的时间、年型、空间分布特征。提出基于全微分法的增益占比析因方法辨识发电增益受发电水 量、水头影响贡献占比, 归纳增益产生机制。结果表明: (1) 消落期发电增益集中产生在 5 月份; 向家坝、葛洲坝为主要受益水库。(2) 联合增益的产生原因在于联合调度过程中溪洛渡、三峡均化了 5 月、6 月放水过程, 降低向家坝、 葛洲坝的弃水量, 抬升两库水头, 增加发电效益。(3) 向家坝的补偿增益受发电水量、水头贡献占比相当, 葛洲坝的补偿增益主要以发电水头抬升的水头效益为主, 溪洛渡、三峡的效益变化主要受联合调度过程中水头变化影响。
2018, 16(1):203-208.
摘要:
暴雨是诱发山洪灾害的直接因素, 在流域的山洪灾害预警预报、风险评估时, 经常涉及长系列大量的暴雨和洪 水要素的计算问题, 由于数据量巨大, 传统的根据实测降雨数据推算暴雨及洪水要素的方法效率低, 难以实现。以 往常用的计算方法大多根据流域面积、净雨深和汇流时长等要素试算出结果, 虽然计算简单有效, 但是精度差。提 出了一种小流域暴雨及洪水过程要素的快速计算方法, 将传统的方法和 C# 二次开发技术结合, 不仅保证了计算精 度, 还大大提高了效率。实验对比结果表明, 新的暴雨洪水要素计算方法可以更加高效准确地计算出结果。
暴雨是诱发山洪灾害的直接因素, 在流域的山洪灾害预警预报、风险评估时, 经常涉及长系列大量的暴雨和洪 水要素的计算问题, 由于数据量巨大, 传统的根据实测降雨数据推算暴雨及洪水要素的方法效率低, 难以实现。以 往常用的计算方法大多根据流域面积、净雨深和汇流时长等要素试算出结果, 虽然计算简单有效, 但是精度差。提 出了一种小流域暴雨及洪水过程要素的快速计算方法, 将传统的方法和 C# 二次开发技术结合, 不仅保证了计算精 度, 还大大提高了效率。实验对比结果表明, 新的暴雨洪水要素计算方法可以更加高效准确地计算出结果。
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