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《水科学进展》2022年第4期中文摘要
日期:2022年09月14日 11:43:29点击数:字号:【

雅鲁藏布江流域径流演变规律与归因分析

徐宗学1,2,班春广1,2,张  瑞1,2

(1. 北京师范大学水科学研究院,北京  100875;2. 北京师范大学城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室,北京  100875)

摘要:气候变化驱动下的水循环与水资源演变规律研究是重要的科学问题,也是国际社会普遍关注的全球性问题。以雅鲁藏布江流域为研究区,利用线性倾向估计、多元线性回归等方法检验气象要素变化特征,揭示下垫面演变规律;基于Budyko假设的弹性系数法,揭示径流演变规律,并进行归因分析。结果表明:1961—2014年,雅鲁藏布江流域气温呈升高趋势,降水整体呈增加趋势,气候向暖湿化方向发展;植被整体改善,上游西北部和下游植被存在退化现象;年径流序列具有3 ~4a、12a、20a 和32a 左右的周期;降水变化、潜在蒸散发量变化、下垫面变化和冰川变化对径流量增加的贡献率分别为39.62%、-2.74%、32.32%和30.94%。相关结果对理解气候变化和下垫面变化下雅鲁藏布江径流演变规律,具有重要的参考价值。

关键词:径流;归因分析;气候变化;下垫面;雅鲁藏布江

澜沧江高坝大库物质迁移转化特征及其机制

陈宇琛1,2,林育青1,2,陈求稳1,2,张建云1,3

(1. yh86银河国际官网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. yh86银河国际官网生态环境研究所,江苏 南京  210024;3. 长江保护与绿色发展研究院,江苏 南京  210098)

摘要:针对澜沧江高坝大库对物质迁移转化的影响问题,自主研发了深库智慧采样设备和潜流带动态监测系统,于2016年、2017年、2018年开展了澜沧江上游1 290 km的9个梯级水库的监测分析,实现了280 m最大工作水深的垂向分层水样与沉积物样无扰动采集和潜流带水土环境界面的多指标监测。研究发现:梯级水库促进了水体中生物有效磷、氨氮占比和沉积物中生物有效磷释放的沿程增加;沉积物中甲基汞的分布与泥沙颗粒沉降有关,受到水力停留时间和库龄的共同调控;温室气体的排放通量因建坝有所提升,但远低于世界平均水平;潜流带因干湿交替频率和面积的增加,加强了水库关键带脱氮和温室气体削减效应;水库中微生物群落并未因建坝隔离,在沿程和垂向上,水温都是其关键影响因子。

关键词:梯级水库;生物可利用氮磷;甲基汞;温室气体;微生物群落;澜沧江

青藏高原热喀斯特湖与多年冻土的相互作用

柯贤敏1,2,欧安锋1,2,王  玮1,2,牛富俊3,高泽永3

(1. 长安大学水利与环境学院,陕西 西安  710054;2. 长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,陕西 西安  710054;3. 中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室,甘肃 兰州  730000)

摘要:为深入理解热喀斯特湖与多年冻土间的相互作用,本文以青藏高原北麓河盆地典型热喀斯特湖区域为例,构建考虑热传导和热对流过程的水-冰-热耦合模型,对热喀斯特湖作用下的多年冻土退化特征及热喀斯特湖的水均衡进行模拟,计算地质环境和气候变暖对热喀斯特湖水均衡和冻土的影响。研究结果表明:热喀斯特湖周围冻土逐步退化并形成贯穿融区,导致地下水循环模式发生改变;在地表温度作用下,形成的活动层厚度为3.35m;热喀斯特湖在整个模拟时段内表现为负均衡,其排泄量在285 ~388 a间显著增加;地层渗透性能决定了热喀斯特湖和生态环境的发展方向;气候变暖加速多年冻土向季节冻土转变。研究结果可为进一步认识寒旱区生态水文过程提供科学依据。

关键词:冻土退化;地下水循环;水均衡;水-冰-热耦合模型;热喀斯特湖;青藏高原

完善新时期水资源管理指标的方法

吴炳方1,2,曾红伟1,2,马宗瀚1,苟  思3,刘俊国4,王金霞5,蒋礼平3

(1. 中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室,北京  100101;2. 中国科学院大学资源与环境学院,北京  100049;3. World Bank,Washington DC  20433,USA;4. 南方科技大学环境科学与工程学院,广东 深圳  518055;5. 北京大学现代农学院,北京  100091)

摘要:气候变化和人类活动极大地改变了流域水循环和水资源分布,以供需管理为核心的水资源管理方法难以缓解缺水的局面。中国提出了新时期水资源相关管理政策,然而受数据、对象和方法的限制,新政策采用的管理指标和内涵目标间存在差异,在缺水地区还必须增加耗水总量控制的约束指标,实施取水与耗水的双向管控。本文通过综述国内外最新进展和案例,提出新时期水资源管理指标的完善方法:建立以蒸散监测为核心的现代耗水要素监测体系;健全以耗水上限为核心的水资源刚性约束方法,通过综合考虑环境流量用水和生态服务耗水的需求,核定流域人类活动水资源可消耗量的上限,实现水资源的刚性约束;实施耗水约束机制,通过约束农业规模、合理规划生态恢复治理的规模和方式,实现水资源发展的“四水四定”既定原则。期望通过数据、方法和措施的创新能够切实保障新时期水资源治理模式的有效实施。

关键词:水资源;耗水;双控;遥感;蒸散发

GPM近实时反演数据对河南省2021年“7·20” 极端暴雨的比较分析

胡庆芳1,2,张  野1,李伶杰1,2,王银堂1,2,杨汉波3,牛凯杰1,李  哲4

(1. yh86银河国际官网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. 长江保护与绿色发展研究院,江苏  南京  210098;3. 清华大学水利水电工程系,北京  100084;4. Department of Electrical and Computer Engineering,Colorado State University,Fort Collins,CO 80523,USA)

摘要:近实时卫星降水反演数据具有覆盖范围广、空间连续性和时效性较强以及开放获取等优势,是重要的全球性降水资料。针对2021年河南省“7·20”极端暴雨,基于116个地面气象站观测资料及其空间插值数据,综合解析了4种GPM近实时卫星降水数据(IMERG early、IMERG late、GSMaP NOW和GSMaP Gauge NOW)对极端强降水事件的表征能力。结果发现:①IMERG early、IMERG late对站网累积雨量的低估程度在20%左右,GSMaP NOW和GSMaP Gauge NOW的高估程度分别达到了约35%和70%,但2种GSMaP数据更易探测到500 mm以上的累积雨量。②在雨量过程方面,4种GPM数据对小时降水事件均具有较强的分类辨识能力,但未捕捉到主要雨峰过程,定量误差较突出,与地面降水量之间表现出显著的负相关关系。GPM降水数据对小时雨量低于10 mm的降水事件以高估为主;对于小时雨量超过30 mm的降水事件以低估为主,甚至存在普遍低估。③在空间格局方面,4种GPM数据的精度指标均具有较强的时间波动性,IMERG数据的空间相关系数和体积临界成功指数等指标总体上优于GSMaP数据,但后者对较高量级的降水事件更敏感。④2种IMERG数据中,IMERG late相对IMERG early的精度具有较明显改善;2种GSMaP数据中,GSMaP Gauge NOW相对GSMaP NOW提高了对较高量级雨量的探测能力,但也明显增大了较低量级雨量的定量估计误差。本文研究深化了对GPM近实时卫星降水数据性能的认识,为完善GPM降水反演算法、提升其对极端降水的监测能力提供了重要反馈信息。

关键词:卫星近实时降水;极端降水;GPM;IMERG;GSMaP;“7·20”暴雨;河南省

中国降水同位素信息熵时空分布及其水汽输送示踪

王  涛1,陈建生2,严嘉恒3,马芬艳3,张  茜2

(1. 河海大学水利水电学院,江苏 南京  210098;2. 河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京  211000;3. 河海大学土木与交通学院,江苏 南京  210098)

摘要:研究水汽输送过程有助于更好地理解极端降水发生过程。但是,降水系统的复杂性和降水同位素的随机性使得利用降水同位素示踪水汽输送过程具有较大的不确定性。利用信息熵研究了中国降水同位素组成概率分布特征,发现降水氢氧同位素信息熵之间呈现很强的线性关系,且斜率近似为1;对比分析了降水同位素信息熵和其平均值的时空分布特征,发现降水同位素信息熵空间分布可以很好地揭示水汽由海洋向大陆的运移过程,而这一特征并没有反映在降水同位素平均值空间分布上;利用降水同位素信息熵对影响中国的由季风形成的3条水汽通道进行了示踪分析,发现降水同位素信息熵空间分布很好地指示出3条水汽通道的水汽来源和水汽运移路径及其季节变化。

关键词:降水同位素;信息熵;水汽输送;时空分布;水文气象

传统旱涝急转评估指数的局限和改进

涂新军1,2,庞万宁1,陈晓宏1,林凯荣1,刘智勇1

(1. 中山大学土木工程学院水资源与环境研究中心,广东 广州  510275;2. 南方海洋科学与工程广东省实验室,广东 珠海  519000)

摘要:针对传统旱涝急转指数存在错漏判及无法统一旱涝急转等级划分的局限,在明晰旱涝急转定义基础上,提出了一种改进的标准化旱涝急转指数。通过理论模拟和案例实践,结果表明:① 传统的旱涝急转指数变化范围较大,且随着权重参数增大,错判率减小但漏判率增大,因此无法避免错漏判问题;错判情形发生在正常状态转为较为严重的涝或较为严重的涝转为正常状态,漏判发生在相邻的旱和涝等级均较轻的情形。② 改进的标准化旱涝急转指数与旱涝指数的变化范围差别较小,旱涝急转评估可与旱涝评估(如基于气象或水文干旱指数)的分级及阈值设置保持一致,且通过先识别相邻事件是否分别为旱、涝而避免了旱涝急转的错判,构建的新权重项避免了旱涝急转的漏判。③ 作为粤港澳大湾区供水水源的东江流域旱转涝主要发生在前汛期开始的4—5月,发生比例为33.8%;涝转旱主要发生在后汛期结束后的10月,发生比例为18.5%;旱转涝和涝转旱并存的年份有12a。

关键词:旱涝急转;标准化旱涝急转指数;旱涝急转指数;分级;理论模拟;东江流域

基于多源数据融合的海河流域降水资源评价

石羽佳1,王忠静1,2,索  滢1

(1. 清华大学水利系,北京 100084;2. 宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地,宁夏 银川  750021)

摘要:为更准确地评价海河流域降水资源量及其空间分布,将海河流域划分为山区迎风坡、山区背风坡和平原区3个片区,采用人工神经网络叠加一致性修正分片区进行多源数据融合校正,生成海河流域2001—2019年降水融合数据集,并利用该融合数据集对流域降水资源进行全面评价。结果表明:从降水数量来看,原始卫星产品在海河流域高估降水,融合校正数据集精度较原始卫星降水数据有较大提升,得到海河流域2001—2019年的年均降水量为515.2 mm,合降水资源量1 639.4 亿m3;从降水分布来看,融合校正数据集能更好地捕捉降水空间分布,揭示流域东北、东南、西南和中部偏西降水较多,西北部和中部偏东降水较少;从降水规律来看,海河流域平原区降水与空间位置参数存在很明显的联系,流域山区迎风坡和背风坡降水均与高程变化具有明显的关系。

关键词:降水资源;多源数据;融合校正;人工神经网络;海河流域

基于节水优先和工程布局调整的塔里木河流域节水潜力

白  涛1,刘  东1,李  江2,黄  强1,巨  驰1,洪良鹏1

(1. 西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西 西安  710048;2. 新疆水利水电规划设计管理局,新疆 乌鲁木齐  830000)

摘要:为挖掘寒旱区内陆河流域的节水潜力,论证山区水库替代平原水库的可行性,以塔里木河三源流阿克苏河、叶尔羌河、和田河及其干流(简称“三源一干”)为研究对象,在“节水优先”治水方针的指导下,考虑源流区山区水库群、干流区平原水库群以及各行业用水需求,建立并求解了现状水平年和远景水平年的水库群联合调配的模拟与优化模型。结果表明:水库群调度节水的关键在于降低河道内及平原水库库区中无效的蒸发渗漏损失;2035年远景水平年,通过山区水库群联合优化调配的最大节水潜力为2.46 亿m3;制定了源流山区水库替代干流平原水库的布局方案,即结然力克、大寨、其满、帕满、喀尔曲尕和塔里木等6座平原水库的兴利库容分别可削减17%、17%、17%、33%、100%、100%,该方案在保障塔里木河干流供水任务情况下可增加0.21 亿m3的节水潜力。研究成果为实现流域水资源科学调控、保障区域水安全和生态安全提供了理论与技术支撑。

关键词:节水潜力;山区水库;平原水库;节水优先;工程布局;水库群联合调配

寒旱区草地不对称增温现象对蒸散发的影响分析

王国强1,王立波1,刘廷玺2,薛宝林1,段利民2

(1. 北京师范大学水科学研究院,北京  100875;2. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古 呼和浩特  010018)

摘要:选取1981—2020年海拉尔河流域及周边地区气象站点观测资料,结合水文数据,利用适用于植被稀疏下垫面的BTOP(Block-wise use of TOPMODEL)分布式水文模型估算区域蒸散发量,进而在不对称增温现象影响下,分析其对蒸散发的影响特征。结果表明:① 流域内1981—2020年不对称增温现象显著,主要表现为因夜间温度升幅较大为主的昼夜不对称增温及地表温度升幅较大为主的地气不对称增温;② 影响蒸散发的主要气象因子依次为相对湿度、风速、地气温差、地表温度和昼夜温差,且相对湿度、昼夜温差及地气温差与蒸散发量变化趋势相反,其中相对湿度及风速影响强度年际变化平稳,温度因子影响强度则逐年增强;③ 不对称增温对于流域蒸散发量的影响逐年增强,地表增温速率的增强是造成地气不对称增温的主要原因,在此影响下,区域蒸散发呈现减小趋势,故在探究蒸散发量变化原因时,温差变化不可忽视。

关键词:不对称增温现象;蒸散发;Block-wise use of TOPMODEL分布式水文模型;寒旱区

30°分水角明渠水流紊动特性试验研究

程  勇,王文娥,胡明宇,凌  刚,胡笑涛

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室,陕西 杨凌  712100)

摘要:灌区分水口多为直角,附近普遍存在冲刷、淤积及结构破坏现象。天然河流分、汇流多为锐角,为探索非直角分水口区域明渠水流紊动特性,以30°分水角明渠为研究对象,采用声学多普勒点式流速仪测量各断面上的三维瞬时流速,分析典型断面上的时均流速、环流强度、紊动强度、紊动能和床面剪切应力分布规律。试验结果显示:分水口处水流横向流速沿渠宽方向变化较大,易形成环流,导致局部冲淤现象明显;靠近口门侧水流紊动强度变化剧烈且分布无规律,最大值出现在口门上唇断面;分水口处下层水体紊动能明显大于上层水体,紊动能较大值多集中在口门附近;口门断面下唇附近床面剪切应力较大,易出现冲刷侵蚀,破坏渠道稳定;与直角分水口相比,分水角为30°时,泥沙颗粒不易进入侧渠道,水流对渠底及边壁侵蚀速率较低。研究结果可为灌区渠系设计及运行提供参考。

关键词:分水口;环流强度;紊动强度;紊动能;床面剪切应力

堆石矮堰清水冲刷历时发展特性

张  文,王  路,杨克君,刘兴年,聂锐华

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川 成都  610065)

摘要:堆石矮堰是常用的“生态友好型”河道整治建筑物。水流经过堆石矮堰会在其周围产生冲刷,威胁其结构安全。为了提高堆石矮堰清水冲刷尺度的预测精度,基于室内水槽试验研究了堆石矮堰清水冲刷的历时发展特性,分析了水流强度、矮堰淹没度和矮堰透水性对冲刷尺度发展过程的影响。结果表明:清水冲刷条件下,堆石矮堰下游冲刷坑在试验初期发展迅速,随后逐渐变缓;在冲刷发展的任一时刻,冲刷深度和冲刷长度随水流强度的增大而增加,随矮堰淹没度的增大而减少,矮堰透水性的增大使冲刷长度增加,使冲刷深度减少;随着冲刷的发展,冲刷坑纵剖面形态逐渐收敛,其面积与冲刷深度和冲刷长度的乘积线性正相关。基于理论分析和试验数据,提出了堆石矮堰历时清水冲刷深度、长度、体积的计算公式,可用于指导堆石矮堰冲刷设计。

关键词:河流修复;堆石矮堰;清水冲刷;历时发展

滑坡堰塞湖溃决风险与过程研究进展

钟启明1,2,陈小康1,梅胜尧1,单熠博1,杜镇瀚3

(1. yh86银河国际官网,江苏 南京  210029;2. 水利部水库大坝安全重点实验室,江苏 南京  210029;3. 河海大学土木与交通学院,江苏 南京  210098)

摘要:滑坡堰塞湖是山区常见的一种自然灾害,对其溃决风险与过程的科学认知和合理评估是应急处置的关键。外荷载作用下滑坡堰塞体的力学响应、滑坡堰塞湖渐进破坏机理与溃决洪水预测理论是滑坡堰塞湖风险评估研究领域的关键科学问题。本文围绕滑坡堰塞湖形成后的溃决风险与过程展开综述,从定性和定量的角度分别对堰塞湖危险性评价方法进行分析总结,从小尺度、大尺度和超重力场试验技术的角度总结了堰塞湖的溃决机理、溃决过程及其影响因素,从数学方法的角度对堰塞湖溃决洪水预测中经验公式法、简化和精细化数值模拟方法的进展进行总结评价。然而,国内外关于滑坡堰塞湖风险评估领域的研究仍处于起步阶段,空-天-地一体化监测技术、堰塞湖危险性评价中的不确定性问题、堰塞体材料冲蚀特性与溃决机理、堰塞湖溃决洪水精细化模拟等将是未来的重点研究方向。本综述可为堰塞湖防灾减灾和流域水工程风险管理提供有价值的参考。

关键词:滑坡;堰塞湖;堰塞体;溃决机理;模拟方法;风险评估

排海污水挟沙射流研究进展

陈永平1,2,陈雨航2,徐振山1,2,Ebenezer Otoo2,周安骐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. 河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏 南京  210098)

摘要:排海污水中往往含有一定数量的悬浮物,这些悬浮物在排放口附近中呈现出复杂的扩散与沉降特性,具有挟沙射流的典型运动特征。本文系统回顾了静水、恒定流、潮流和波浪等环境下排海污水挟沙射流的研究进展,发现在不同动力环境下挟沙射流泥沙沉积形态存在显著差异性。如何精细刻画波浪-水流-射流多动力耦合过程及其对泥沙输运和沉降过程的影响是排海污水挟沙射流研究的难点所在,对此提出了基于PIV/ PLIF固相分离物理试验、粒子追踪两相流数值模型和拉格朗日积分模型,系统开展波流共同作用下挟沙射流运动规律研究的设想,以期为排海污水工程的优化设计提供重要参考。

关键词:海洋环境;污水排放;悬浮物;扩散;沉降

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