南水北调与水利科技
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    2017(6):1-10, DOI:
    摘要:
    蒸散发是流域能量循环和水文循环的重要变量,准确估算蒸散发具有重要的现实意义。FAO56 Penman-Monteith方法计算潜在蒸散发量时气象资料往往不易满足,同时,在提出形式简单且满足精度要求的其它估算方法时,缺乏足够全面的适用性分析。针对上述问题,本文基于汉江流域中上游地区12个气象站点1961-2013年的逐日气象资料,以FAO56 Penman-Monteith 方法估算的潜在蒸散发量作为参考标准,分别从不同的时间尺度和空间尺度对比分析了1种综合类方法、2种辐射类方法和3种温度类方法在汉江流域的适用性。结果表明,辐射类方法适用性最好,综合类方法次之,温度类方法适用性较差。其中Makkink方法和Priestley-Taylor方法在研究区的适用性最好,计算精度高,McCloud方法在研究区的适用性最差,误差较大。
    2017(6):11-16, DOI:
    摘要:
    根据1960—2012年海河流域45个站点平均气温、日照时数、相对湿度、风速等气象资料,选取了4个潜在蒸散发计算模型,以Penman—Monteith模型计算结果为依据,采用平均绝对误差和平均相对误差评估模型精确程度,并在此基础上研究海河流域潜在蒸散发的时空变异规律。结果表明:基于能量的模型最适用于估算海河流域的潜在蒸散发;从时间变化来看,海河流域1960—2012年潜在蒸散发总体上呈显著下降趋势,平均下降速率为2.04 mm?a-1,说明海河流域存在蒸发悖论的现象;潜在蒸散发在4个季节均呈现显著减少趋势,其中夏季减少幅度较大,冬季减少幅度最小。从空间分布来看,海河流域潜在蒸散发呈现从西北地区到东南地区阶梯式上升趋势,但大部分地区在1960—2012年时间范围发生潜在蒸散发减少现象,其中山前平原区减少趋势最为明显(<-1 mm/a),可能主要受太阳辐射减少(即全球变暗)的影响;而太行山区北部高海拔地区潜在蒸散发呈现增加的趋势,可能主要受气温升高(即全球变暖)的影响。
    2017(6):17-25, DOI:
    摘要:
    预见期长达14天的中期降水预报对于旱涝预测与水资源调度管理等具有重要的意义,全球多模式集合预报(TIGGE)资料为区域中期降水预报提供了新基础。基于2008年-2013年江苏省实测降水数据,采用TS 、BS评分、平均偏差和均方根误差等评估指标,重点评估了CMA、CMC、ECMWF、JMA和NCEP这五个TIGGE代表模式在江苏省的中期预报效果。结果表明:整个预见期内各模式对于中小雨的预报评分都较高,小雨的TS评分值最高多在0.5左右,中雨以上等级降水存在较明显的漏报。预见期长达15天的日累积降水量预报只存在三天的衰减期,之后各项误差指标值能维持稳定,3天以上预见期的误差主要为预报值偏大。同时,5天以上累积降水量预报也较实际偏大,且冬季预报效果最好夏季最差,苏北地区好于苏南地区。就各代表模式而言,ECMWF与JMA模式分别在降水分级预报和日累积降水量预报中表现最好。
    2017(6):26-32, DOI:
    摘要:
    针对传统马尔可夫链及其改进的预测方法只能进行状态预测的局限,根据相依随机变量的特点,在以传统马尔可夫链预测方法求得的各状态的预测概率的基础上,进一步以状态预测概率为权重与状态平均值加权求和,实现了马尔可夫链预测方法从状态预测到数值预测的关键性改进。利用我国西南国际大河怒江干流道街坝水文站1957~2010年径流和1964~2010年悬移质输沙序列为分析期,2011~2015年径流和悬移质输沙为验证期,对所建立的复权马尔可夫链预测方法步骤进行验证表明,复权马尔可夫链预测方法具有较高的数值预测精度,能够满足随机时间序列短期数值预测的需要。
    2017(6):33-38, DOI:
    摘要:
    为揭示淮河上中游流域日照时数时空变化特征及突变情况,基于1960~2014年日照时数资料,采用气候倾向率、Mann-Kendall趋势与突变检验、滑动t检验、克里金插值等方法,对流域日照时数的时空变化特征进行剖析。结果表明,淮河上中游流域近55年来日照时数以20世纪80年代为界由多变少,其中年日照时数大约每10 a减少102.2 h,四季日照时数的气候倾向率排序为夏(-48.8 h/10a)、冬(-29.3 h/10a)、秋(-19.7 h/10a)、春(-5.4 h/10a)。流域日照时数的减小趋势除春季不显著外,年与夏、秋、冬三季的日照时数均呈现出显著的减少趋势。空间上,流域北部的中间地带(商丘站附近)与西北部(宝丰、郑州站附近)的日照时数减小趋势较明显(Z<-2),减少幅度较大,而东部(盱眙站除外)减少幅度则偏小。年与夏季日照时数的极显著突变年份为1980年,年日照时数的弱显著突变年为1984年。秋季、冬季的突变年份分别为1999年、1983年,春季的突变年份在20世纪70年代内。研究成果可为淮河上中游流域的气候研究、农业生产等提供科学研究依据。
    2017(6):39-44, DOI:
    摘要:
    针对城市需水预测模型中需水量影响因子多、影响因子之间普遍存在多重共线问题,以及BP神经网络收敛速度慢、易陷入局部最优等缺点,提出一种由主成分分析、遗传算法及BP神经网络三者相结合的改进预测模型。以泰州市为实例,建立以主成分分析筛选需水量主要影响因子,遗传算法优化BP网络连接权值和阈值的需水预测模型,预测结果与BP神经网络预测模型预测结果做对比。结果表明:改进预测模型对泰州市2003-2014年需水量预测的平均相对误差为0.564%,最大相对误差为1.681%,精度优于BP神经网络预测模型;改进预测模型预测值与实际泰州市需水量吻合良好且训练速度更快、预测精度更高,可作为需水预测的一种有效方法。
    2017(6):45-50, DOI:
    摘要:
    针对目前汾河入黄径流锐减的问题,基于汾河水库控制流域1960~2013年54年的径流资料,采用Mann-Kendall法和滑动T法相结合对径流时间序列进行突变检验,探究了流域径流阶段性变化规律,并建立双累积曲线模型定量计算了驱动因素降水和人类活动对径流减少的影响量。结果表明:①汾河水库控制流域内静乐站和上静游站径流均呈现减少趋势;②流域内静乐站径流序列突变年份为1979年,上静游站为1982年;③人类活动是该流域径流减少的主要因素,占径流减少总影响量的84.48%,静乐站和上静游站的降水对径流影响率分别为15.62%和14.95%,人类活动的影响率分别为84.38%和85.05%。
    2017(6):51-58, DOI:
    摘要:
    基于淮河上中游流域19个站点1960年-2014年的月降水数据,采用气候倾向率、Mann-Kendall趋势分析、变差系数、年内不均匀系数、小波分析、Kriging空间插值等方法,对年降水和主汛期降水的统计特征、趋势和周期性等时间特征及空间分布特征进行研究。结果表明:流域主汛期降水占到年降水的50%以上,地域分布上以东南部和西南部雨量较多。年降水和主汛期降水在年际上分别呈现21-32a、8-19a、3-7a和24-32a、8-21a、3-7a三个时间尺度的丰枯演变特征,同一时间尺度的丰枯变化基本相同。主汛期降水年际Cv普遍大于年降水,但空间分布不一致;年降水Cv较大值分布于流域西部和北部,较小值分布于流域东部和东南部;主汛期降水年际Cv较大值分布于流域西部,较小值分布于流域东北部及蚌埠一带;北部降水的年内分配不均性略大于南部。年降水和主汛期降水的变化趋势均不显著,没有通过95%的置信度检验,但主汛期降水略呈增加趋势而年降水呈微弱下降趋势;年降水在流域北、西和西南部表现为减少趋势,尤以西、西南部较为明显,而流域中、南和东南部主要表现为增加趋势;主汛期降水则从北向南以条带状表现为增加趋势。
    2017(6):59-65, DOI:
    摘要:
    根据2003-2013年淮河流域五省的降水量、径流系数、人均水资源量、人均GDP、人口密度等相关数据,构建水资源短缺风险评价体系,用熵权法对指标赋值,运用可变模糊模型对淮河流域及各省的水资源短缺风险进行评估和时空差异分析。结果表明:2003年-2013年间淮河流域水资源短缺风险值总体较高,且呈缓慢的增长趋势,2004年降水较少,风险值达到最高;十年间河南省风险增加最为明显,而山东省较为稳定,风险增加也最低;在淮河流域五个区域中,河南省的风险程度最高,达到3.52;江苏省、山东省次之;安徽省和湖北省相对较低,达到2.86和2.51。水资源短缺风险二级指标分析发现,危险性最强的是河南省,安徽省最小;水资源短缺易损性最强的是山东省,湖北省最小;水资源短缺暴露性最强的是江苏省,山东省最小;水资源短缺可恢复性最好的是湖北省,河南省最差。同时,所有评价指标中人口密度、人均GDP、降水量对水资源短缺风险的影响较大。
    2017(6):66-73, DOI:
    摘要:
    关键功能组对于维持生态系统结构完整、功能完善具有重要意义。为此,本研究引入国际惯用的营养通道模型—Ecopath,定量分析计算了水生态系统结构组成及营养关系,并通过生态系统内物质、能量流动的方向与数量确定了水生生态系统关键种,提出了一套关键功能组构建的方法。将该方法应用于小清河流域,结果显示小清河流域关键功能组成员随季节有很大变动:春季包括青鳉、鲫、水丝蚓、原生动物、隐藻;夏季变为青鳉、泥鳅(包括大鳞副泥鳅)、水丝蚓、原生动物、黄藻;秋季则为泥鳅(包括大鳞副泥鳅)、餐、秀丽白虾、轮虫、裸藻)。本方法可为水生态文明建设提供明确的水生态系统保护重点物种,为流域生态需水计算、水生态健康修复及水生态文明建设提供管理和决策依据。
    2017(6):74-80, DOI:
    摘要:
    :为了解北京市中心城河流表层沉积物中重金属污染现状,采用地累积指数法、主成分分析法、潜在生态风险指数法评价和分析了沉积物中汞、砷、铅、铬、镉、锰、铜7种重金属的污染程度、污染来源及潜在生态风险。结果表明,重金属平均含量为Hg 0.670 mg?kg-1,As 6.01 mg?kg-1,Pb 31.1 mg?kg-1,Cr 63 mg?kg-1,Cd 0.29 mg?kg-1,Mn 277 mg?kg-1,Cu 45 mg?kg-1;平均地累积指数排序为Hg(1.49) > Cr(0.34) > Cu(0.24) > Cd(0.14) > Pb(-0.77) > As(-1.41) > Mn(-2.30),沉积物主要受Hg、Cr、Cu、Cd的污染,Hg处于中等污染程度,Cr、Cu、Cd处于轻度-中等污染程度,污染主要来源于三方面:交通、汽配(修)及供暖燃煤。重金属平均潜在生态风险系数排序为Hg(357) > Cd(80) > Cu(13) > As(9) > Pb(7) > Cr(4) > Mn(2),中心城沉积物潜在生态风险指数平均值为472,总体上具有较强生态危害。
    2017(6):81-87, DOI:
    摘要:
    针对平原地区城市河网中存在的补水效果差、水质不达标等水环境问题,采取问题解析-方法优化的思路开展河网水环境改善的补水调度策略研究,提出了融合现状模拟和成因分析、补水调度策略验证、补水调度实施方案的研究思路。以天津市中心城区环城河网进行实例应用,基于现状问题解析揭示了河网水质不达标原因,按照保持现有工程措施及增设工程措施的顺序提出了适用的推荐补水调度策略,并基于推荐补水调度策略提出了年度整体实施方案及实际实施方案,其中年度整体实施方案对应的年度补水调度总需水量为3.19亿m3。研究表明本文提出的补水调度策略研究方法可利用有限的补水资源有效地改善水环境,可在其他平原地区城市河网中进行推广。
    2017(6):88-95, DOI:
    摘要:
    文章在梳理现有流域生态补偿标准核算方法的基础上,运用鲁宾斯坦恩—斯塔尔讨价还价模型,构建了有限期博弈和无限期博弈的跨省水源地保护生态补偿标准讨价还价博弈模型;并以于桥水库为例,按照不同补偿区域分析了天津市对河北省的生态补偿标准,探讨了出价次序变化和贴现因子变化对补偿标准的影响。结果表明:以于桥水库流域、潘家口—大黑汀水库及引滦入津沿线区域、和主要水源区承德市为补偿对象的生态补偿标准分别在1.67~15.96亿元、0.30~11.49亿元和8.49~85.37亿元之间。影响因子分析显示,在有限期讨价还价博弈中,跨省水源地保护生态补偿标准与贴现因子?的大小、博弈时期T的长短及谁在最后出价有关;在无限期讨价还价博弈中,跨省水源地保护保护生态补偿标准与贴现因子?的大小以及谁最先出价有关。
    2017(6):96-100, DOI:
    摘要:
    为了查明制革污泥对包气带土壤的污染状况,以某制革污泥堆存场地内典型土壤剖面为研究对象,研究污泥渗滤液中特征污染物在包气带土壤埋深0~200 cm内的垂向分布特征,探讨不同形态氮及铬的分布规律,并采用高通量测序对土壤中的菌群组成进行了初步分析。结果表明:制革污泥成分复杂、浓度高,高浓度的含盐量(99000 mg/kg)、氮素(30900 mg/kg)及铬(30970 mg/kg)已对埋深20 cm以上的浅层土壤造成严重污染,污泥中大量有机质及酸性物质导致浅层土壤pH降低和总有机碳(TOC)增大。随着土壤埋深增加,各污染物浓度呈明显下降趋势,但在埋深200 cm处土壤中仍有一定浓度的有机氮(723 mg/kg)及含盐量(7070 mg/kg)检出。研究区呈碱性的壤土对铬迁移具有明显的阻滞作用,当土壤埋深大于40 cm,Cr(Ⅲ)浓度即下降至200 mg/kg,Cr(Ⅵ)浓度下降至小于2 mg/kg。高盐度、高铬污染对土壤中部分微生物生长具有抑制作用,变形杆菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)及拟杆菌门(Bacteroidetes)成为受污染土壤中的优势种群。
    2017(6):101-107, DOI:
    摘要:
    预测未来年度湿地面积,对研究湿地生境变化趋势、保护湿地有重要作用。建立灰度GM(0,N)模型旨在提供一种简便的方法,预测湿地水面面积大小。首先应用灰色关联度分析模型,量化确定了对湿地面积影响程度较大的相关因素,分别是:莫莫格湿地年降水量、嫩江径流量、洮儿河径流量。利用这三个相关因素建立了GM(0,N)预测模型,对莫莫格湿地面积进行了模拟预测。为了提高精度,对GM(0,N)模型进行了修正。利用残差和后验差检验方法对模型作了可靠度分析,检测结果显示:修正的GM(0,N)模型平均相对误差9.1%,后验差检验等级为1级,多元线性回归模型平均相对误差15.5%,说明灰度预测模型对于莫莫格湿地水面面积预测具有一定优势。
    2017(6):108-114, DOI:
    摘要:
    由于地下水的超采,已在沧县地区引发一系列环境地质问题。通过确定地下水控制性管理水位,来控制地下水的开采量,实现沧县地区浅层地下水资源的可持续利用。根据沧县地区浅层水位观测井的观测资料,分析了沧县地区浅层地下水位动态特征,发现地下水位呈周期性变化。在充分了解沧县地区水文地质条件的基础上,利用GMS软件建立沧县地区地下水水流模型。在现有的开采基础上,预测不同频率降水量情景下沧县地区浅层地下水控制性管理水位,并确定其阈值。四种情景下沧县地区浅层地下水控制性管理水位阈值分别为:-6.40~7.00 m、-4.30~7.30 m、-4.70~7.10 m、-4.50~7.00 m。最终确定沧县地区浅层地下水控制性管理水位阈值为-6.40~7.30 m。
    2017(6):115-122, DOI:
    摘要:
    我国西藏地区冰湖分布十分广泛,随着时间的推移,气温逐渐升高,一些冰湖出现消融现象,部分冰湖溃决直接导致灾害级联效应产生,进一步诱发了洪水、泥石流等次生灾害,因此及时开展冰湖溃决机制及其危险性研究十分必要。为了更好地的详细分析冰湖溃决的机制及致灾危险性模式,本文重点选取西藏波密县米堆沟泥石流的源头光谢错为研究对象,开展了野外调查取样、室内物理实验及高精度遥感解译等一系列工作,分析结果表明光谢错溃决外因是由异常气候和水文条件诱发的,内因是在终碛堤溃决过程中存在溢流型和管涌型两种机制。光谢错溃决后逐步完成了由洪水向稀性泥石流的转变过程,泥石流的运移严重威胁到沟道两岸村庄、道路及耕地的安全。通过对光谢错溃决机制的研究能够为藏东南地区冰湖溃决的防治及预警提供科学的依据。
    2017(6):122-131, DOI:
    摘要:
    以古雷半岛为例,基于GMS地下水数值模型探索海砂填海(情景一)、海砂+黏土填海(情景二)、黏土填海(情景三)这三种填海情景对研究区地下水流场及污染物运移的影响。结果表明:(1)研究区在填海背景下地下水水位整体抬升,水位上升幅度由小到大依次为情景一、情景二、情景三,最高升幅达4.78 m。(2)不同填海情景下的地下水流场差异在填海区的黏土区域最为明显,情景二、情景三与情景一的地下水水位差最大值分别为4.44 m和8.20 m。(3)在仅考虑物理作用的情况下,三种填海情景下污染物运移均呈现以水平运移为主、垂向运移为辅的特点。(4)相较于污染物运移基本相同的情景一与情景二,预测时间30a时,水平方向上情景三污染物迁移面积、迁移速率分别下降23.07%、18.89%;垂向上污染物主要积聚于第一层含水层,情景三观测井在第一层含水层的污染物浓度为情景一(或情景二)的5.87倍。说明采用低渗透性黏土填海对于污染物运移具有一定的阻滞作用。
    2017(6):132-136, DOI:
    摘要:
    在现场调查和地下水样品检测分析的基础上,采用单指标评价和综合评价相结合的方法对南襄盆地浅层地下水质量进行评价:Ⅱ~Ⅲ类占26.27%,Ⅳ类43.22%,Ⅴ类30.51%;南襄盆地地下水质量受地质营力作用的原生指标和人类活动的次生指标共同影响,人类生活生产、采油采矿活动是影响该地区地下水质量的主要因素。本研究通过“单指标超Ⅲ类水贡献率”和“人类活动影响度”的计算,来识别影响地下水质量的主要因素。单指标超Ⅲ类水贡献率最大的为硝酸盐,达56.32%,其次为总硬度、铁、锰等指标。南襄盆地浅层地下水人类活动影响度为54.87%,主要影响指标为“三氮”。
    2017(6):137-143, DOI:
    摘要:
    引汉济渭工程是陕西省缓解关中渭河沿线城市和工业缺水问题,而提出的由汉江调水到渭河流域的大型水利工程。椒溪河段工程为穿河段,地形地质相对复杂,隧洞施工期的通风问题也相对比较严重。本文采用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法对带有支洞隧洞的通风过程进行模拟,研究几种典型工况下隧洞内的流场和浓度场在施工期时随时间的变化规律,分析掌子面以及支洞内涡流对气流及有害气体分布的影响。在气流排散通道不顺畅时,掌子面附近的涡流区域内涡流的大小和位置呈现周期性的变化,并随通风时间的增加影响范围逐渐降低。隧道爆破产生的有害气体和烟尘会随着气流的流动发生移动和扩散过程,并逐渐排向洞外。通过对隧洞主洞与支洞内气流和有害气体排散过程的研究,得出隧洞爆破后在通风作用下隧洞的掌子面附近和支洞与主洞的交叉位置处形成涡流区,涡流的产生和变化不断的消耗通风的机械能,降低通风效率,对有害气体的排散造成一定的阻滞作用,隧洞内害气体的排散过程包括移动和扩散两方面,移动过程将CO排向洞外,扩散过程不断的降低洞内CO峰值,总结出了不同工况下隧洞内达到安全浓度的时间,对隧洞施工进度给出一定的参考意见。
    2017(6):144-150, DOI:
    摘要:
    针对某重塑粘土,通过常规固结仪,研究了恒压下初始孔隙比、应力及初始饱和度对湿化变形的影响。试验结果显示,应力和初始孔隙比e对湿化变形影响明显,低应力下,变形随e的提高逐渐由膨胀变为压缩;高应力下,试样均发生压缩,压缩量随e的增大而增大;定量分析了湿化变形与应力和e之间的关系。试样湿化稳定时间t0受应力和初始孔隙比e影响明显,t0随应力的增加而增大;低应力下,t0随e的增加而增大,高应力下,t0随e的增加先增大后减小。初始饱和度Sr对湿化变形也有较大影响,低压应力下,试样膨胀量随着Sr的增加先减小后增大,可能存在“最优初始饱和度”,使得变形量最小;高压应力下,试样压缩量随Sr的增加而减小,二者可近似用直线拟合。
    2017(6):151-156, DOI:
    摘要:
    边坡开挖与质量评价是水利工程建设中的关键环节,如何高效、全面、直观地对开挖工程质量进行评价是工程建设各方关注的问题。针对水利工程边坡开挖过程中数据采集、处理效率低及指标不完整的问题,本文结合规范中的质量评价指标,利用设计基准数据及三维激光扫描获取的开挖面点云数据,引入粗糙度的概念分别构建一维断面线比值、二维开挖面测点超欠挖值及方差、三维表面投影比等多维度的质量评价指标,同时开发了边坡质量评价系统,以对开挖边坡进行综合评价。最后,通过对某工程实例分析表明,上述多维度的指标能够全面直观地反映开挖质量情况,通过评价系统能为边坡开挖现场质量评价与控制提供实时、全面的信息支撑。
    2017(6):157-164, DOI:
    摘要:
    将两种或两种以上的支护结构组合成复合支护结构,应用于复杂软土地基深基坑工程已受到许多研究与设计人员的关注,以确保工程的安全、稳定及经济性。针对目前关于将地下连续墙与钻孔灌注桩及高压旋喷桩联合成新型双排复合支护结构的研究较少,本文以某软土深基坑工程为例,设计采用了该新型双排复合支护结构,基于三维弹塑性有限单元法对深基坑工程的分层土体开挖与降水展开数值模拟,通过分析该新型双排复合支护结构的结构性能及深基坑开挖对周围环境的影响,验证设计方案的有效性,为该类型的复合支护结构在深基坑工程中的应用和推广提供有益帮助。
    2017(6):165-171, DOI:
    摘要:
    针对涉水建筑物的调度运行影响河道行洪能力的现象,构建基于Saint-Venant方程组的一维水动力模型,并由Abbott六点隐式有限差分法近似求解方程组。利用实测断面数据对模型进行了等间距插值加密,根据建筑物实际属性结合模型计算要求,对阻水建筑物进行了概化处理。在河道工况复杂的清水河固原城区段的应用结果显示,该模型较为准确地模拟了橡胶坝及过水路面对河道洪水演进的影响,体现了挡水建筑物的过流阻水效果。模拟结果不仅可用于校核河道防洪设计标准,而且对相关部门采取防洪决策也具有一定参考价值。