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    《水科学进展》2021年第1期中文摘要
    日期:2021年01月28日 09:43:15点击数:字号:【

    1995—2015年全球不同气候带典型冰川补给型湖泊动态变化

    刘吉平1,金  晶1,李晟铭1,2,宋开山3

    (1. 吉林师范大学旅游与地理科学学院,吉林  四平  136000;2. 闽西地质大队闽矿测绘院,福建  厦门  361000;3. 中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林  长春  130102)

    摘要:基于1995年、2005年和2015年3期Landsat影像数据,利用遥感和地理信息系统技术,分析全球不同气候带典型冰川补给型湖泊面积、数量及其对气候变化的响应。结果表明:①1995—2015年全球典型冰川补给型湖泊面积增加了2.32%,数量减少了2.26%,其中以小型湖泊(<1 km2)和大型湖泊(>50 km2)面积变化最为剧烈,中型湖泊(1~50 km2)面积则相对稳定,1995—2005年冰川补给型湖泊面积与数量的变化速率相比2005—2015年较快。②1995—2015年热带、亚热带、温带冰川补给型湖泊面积与数量均在增加,其中以热带冰川补给型湖泊变化最为剧烈,其面积上升了20.62%,数量上升了25.32%,亚寒带与寒带冰川补给型湖泊面积与数量均减少,其中以寒带冰川补给型湖泊变化最为明显,其面积减少了11.3%,数量下降了18.97%。可为全球典型冰川补给型湖泊的变化及其影响因素的后续研究提供依据和参考。

    关键词:湖泊;冰川补给;气候带;全球分布;动态变化;气候变化

    1960—2017年中国降水集中程度特征分析

    刘向培1,佟晓辉1,贾庆宇2,辛卓航3,杨剑刃1

    (1. 解放军31440部队,辽宁  沈阳  110027;2. 中国气象局沈阳大气环境研究所,辽宁  沈阳  110166;3. 大连理工大学建设工程学部水利工程学院,辽宁  大连  116023)

    摘要:降水集中程度是反映降水结构的重要指标。基于1960—2017年中国773个气象站日降水资料,运用降水集中程度(Q),研究中国降水集中程度的时空特征,分析其与降水量、海洋状态之间的关系。结果表明:①中国年平均Q值为0.38,南北较低中间较高;冬季和秋季的降水集中程度相对较高,平均Q值分别为0.53和0.51,夏季和春季相对较低,分别为0.39和0.48。②年降水集中程度变化趋势较小,总体上略有上升,东南升高西北降低;在年和季尺度,Q和降水量均表现出较强的负相关性,年尺度相关系数为-0.71,秋季的相关性最强,相关系数为-0.89,春季的相关性最弱,相关系数为-0.70,降水集中程度和降水量共同影响水旱灾害受灾面积。③Q与NINO3.4指数间的相关性随着滞后时间的延长先增大后减小,当滞后时间为2个月时相关系数最大,平均为0.13,由北向南总体呈“-+-”分布;与PDO指数间的相关系数随着滞后时间的延长先减小后增大再减小,当滞后时间为4个月时相关系数最大,平均为0.12,以负相关为主。

    关键词:降水集中程度;降水结构;降水量;空间分布;变化趋势

    基于水热耦合的青藏高原分布式水文模型——I. “积雪-土壤-砂砾石层”连续体水热耦合模拟

    周祖昊1,刘扬李1,2,李玉庆3,王鹏翔1,4,王  康4,李  佳5,朱熠明1,6,刘佳嘉1,王富强6

    (1. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京  100038;2. 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州  贵阳  550081;3. 西藏农牧学院水利土木工程学院,西藏  林芝  860000;4. 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;5. 水利部南水北调规划设计管理局,北京  100038;6. 华北水利水电大学水利学院,河南  郑州  450046)

    摘要:青藏高原号称“亚洲水塔”,是典型的高寒山区,其广泛存在的积雪、多年和季节冻土,影响了整个区域的水循环过程;青藏高原具有土层较薄、下伏砂砾石层较厚的特点,形成了特殊的“积雪-土壤-砂砾石层”水热介质结构。为深入研究青藏高原的水循环机理,本文选取尼洋河流域作为典型区,基于野外冻土水热耦合试验,结合青藏高原地质及气候特点,构建了包含12层“积雪-土壤-砂砾石层”连续体的青藏高原水热耦合模型,描述了完整的水热耦合模拟方程和参数计算方法。采用2016—2017年冻结融化期0~160 cm深度内的土壤和砂砾石层的温度、液态含水率和冻结深度的实测结果对模型进行了验证,各层温度模拟R2均值为0.91,冻结融化期内液态含水率模拟R2均值为0.52,土壤冻结深度模拟R2值为0.76。结果表明该模型在青藏高原地区有较好的适用性,可反映该地区冻结融化过程中土壤和砂砾石层水分与温度的特殊变化规律。

    关键词:“积雪-土壤-砂砾石层”连续体;水热耦合模拟;青藏高原;高寒山区;积雪

    水资源空间均衡评估模型构建及应用

    杨亚锋1,2,巩书鑫1,王红瑞1,赵自阳1,杨  博1

    (1. 北京师范大学水科学研究院城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室,北京  100875;2. 华北理工大学理学院,河北  唐山  063210)

    摘要:为弥补当前水资源空间均衡评估中对指标模糊性和信息动态性考虑不足的缺陷,基于可变集原理及偏联系数方法构建一种新的水资源空间均衡评估模型。采用可变集方法计算评价对象的相对隶属度,获取级别特征值;利用偏联系数方法探究信息演化对级别的影响,得到基于支持度最大原则的定级策略;综合二者结果对水资源空间均衡状况进行评估。将模型应用于2017年中国31个省级行政区的结果表明:①中国东南地区水资源空间均衡程度良好,西北地区较差,南方优于北方、东部优于西部;②北京市等17个省级行政区的水资源空间均衡状态呈现不同程度的负向演化态势,亟待进一步加强管理,其余地区呈现良性的发展态势;③四川等省份各指标的均衡程度差异较大,需针对性地进行调控与优化。

    关键词:水资源空间均衡;基尼系数;可变集方法;五元联系数;偏联系数

    幸福河评价体系及其应用

    左其亭1,2,郝明辉1,姜  龙1,张志卓1

    (1. 郑州大学水利科学与工程学院,河南  郑州  450001;2. 郑州市水资源与水环境重点实验室,河南  郑州  450001)

    摘要:幸福河是中国新时代江河治理的新目标,对保障河流健康及经济社会可持续发展意义重大。为定量评价幸福河状况,本文通过对幸福河概念内涵的进一步梳理,提出幸福河评价体系;以安全运行、持续供给、生态健康、和谐发展“四大判断准则”为框架,按“目标—准则—指标”三层级,构建幸福河评价指标体系,包括基本指标16个、备选指标34个;参考相关规范、标准文件和研究成果,将幸福河评价指标划分为5个等级,分别给出各指标5个等级的分级标准值;引入“幸福河指数”来定量评价河流幸福河状态,采用“单指标量化—多指标综合—多准则集成”方法,定量计算幸福河指数。最后,以黄河为例,分别对2017年黄河上中下游分段、支流渭河以及流经的9个省区开展幸福河评价的实例应用。经验证,所提出的幸福河评价体系能较好地反映黄河客观实际,具有较强的可靠性和适用性。

    关键词:幸福河;幸福河指数;评价体系;评价指标;评价方法

    水资源承载力动态预测与调控——以黄河流域为例

    黄昌硕1,2,耿雷华1,2,颜  冰1,卞锦宇1,赵雨婷3

    (1. 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;2. 长江保护与绿色发展研究院,江苏  南京  210098;3. 黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南  郑州  450003)

    摘要:为准确预测区域水资源承载力的变化趋势和制定优化的调控方案,从“经济社会-水资源-生态环境”系统互馈机理出发,建立水资源承载力水量、水质、水域空间、水流的全要素诊断体系,识别关键驱动指标;采用支持向量机、系统动力学等多种方法,建立水资源承载力定量动态预测模型,同时制定调控目标,结合分析驱动指标的实现难易程度和代价,采用正交试验方法,优选承载力提升和减负方案。应用于黄河流域水量要素承载力的诊断、预测与调控,结果表明,南水北调西线工程等调水工程运行前各规划水平年黄河流域、上游区、中游区、下游区均处于超载或严重超载状态,运行后均处于临界超载或超载状态,选择非常规水利用、入海水量、亩均灌溉用水量、灌溉面积、万元工业增加值用水量、工业增加值等6个关键驱动指标,进行正交试验,得到了各水平年水量承载力均不超载的最优调控方案,可为黄河流域水资源管理工作提供指导。

    关键词:水资源承载力;动态预测;调控;负荷;黄河流域

    澜沧江-湄公河流域水库联合调度防洪作用

    侯时雨1,田富强1,陆  颖2,倪广恒1,卢  麾3,刘  慧4,魏  靖1

    (1. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京  100084;2. 云南大学亚洲国际河流中心,云南  昆明  650500;3. 清华大学地球系统数值模拟教育部重点实验室,北京  100084;4. 中国水利水电科学研究院,北京  100038)

    摘要:澜沧江-湄公河流域汛期洪灾频发,气候变化极有可能进一步加剧该区域洪水的量级和发生频率,需要上下游合作共同应对。建立了澜沧江-湄公河全流域分布式水文及水库调度模型,模拟1991—2005年全流域13条支流和5个干流防洪控制断面的逐日天然流量过程,在此基础上模拟全流域已建、在建和规划水库的联合调度过程,分析防洪作用。结果表明:①全流域水库联合调度对湄公河5个主要断面均有显著的防洪作用,在完全按照防洪目标对水库进行调度的情况下可将200年一遇洪水减至20~50年一遇。② 公河左岸支流的防洪能力远高于右岸,具有较高防洪能力的支流有澜沧江、南乌河、南俄河、南屯河、濛河、色公河和桑河。③对不同断面起主要防洪作用的支流不同:在琅勃拉邦上游,澜沧江、南乌河起主要作用;在那空帕农断面,南俄河与南屯河加总的防洪作用与澜沧江基本相等;在巴色下游,濛河和色公河的作用均超过澜沧江。澜湄合作机制为上下游防洪合作提供了重要契机,研究成果可为流域国协商建立联合防洪调度机制提供参考。

    关键词:水文模型;水库联合调度;防洪作用;澜沧江-湄公河

    长江口航道淤泥流变特性试验研究

    蒋  勤1,崔  莉1,聂思航1,范书鸣1,应  铭2

    (1. 河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏  南京  210098;2. 上海航道勘察设计院有限公司,上海  200120)

    摘要:为揭示长江口航道淤泥的流变特性,采用Anton Paar MCR302旋转流变仪对长江口航道疏浚淤泥的剪切动力响应进行试验研究,分析容重范围为1.16~1.72 g/cm3的淤泥的基本流变特性及其对容重、盐度、pH值与温度等的响应特性。结果表明:在剪切荷载作用下,长江口航道淤泥具有双宾汉体特性,其剪切应力与剪切速率间的关系可基于Dual-Herschel-Bulkley流变模型进行定量描述;随着剪切加载速率的增大,淤泥表现出复杂的固—液相态转化现象,其动力响应过程可划分为类固态、固—液转化和液态3个典型阶段,分别具有弹性体、黏弹性体和塑性体的变化特征;淤泥的抗剪强度随容重、盐度和pH值的增加而增强,随温度的升高而降低,并以容重的影响最为显著;基于实测结果建立了描述长江口航道淤泥流变特性的经验本构方程,可用于定量分析潮汐和波浪作用下底床淤泥的运动变化。

    关键词:航道淤泥;流变特性;容重;经验本构方程;长江口

    波浪作用下考虑海床变形影响的溶质运移数值模拟

    刘小丽1,2,刘明珠2

    (1. 海洋环境与生态教育部重点实验室,山东  青岛  266100;2. 中国海洋大学环境科学与工程学院,山东  青岛  266100)

    摘要:波浪会促进海水中溶质向海底沉积物运移,但已有研究大多未考虑海床(海底沉积物)变形效应的影响。为揭示波浪作用下海床土变形对溶质运移过程的影响机制,构建了考虑海床土变形影响的溶质运移计算模型,对波浪作用下溶质向砂质海底沉积物中的运移过程进行模拟。结果表明:海床土变形会增大孔隙水流速,进而增大溶质纵向水动力弥散系数,增强溶质运移的机械弥散作用,促进溶质向沉积物中运移;考虑海床变形时的溶质最大纵向水动力弥散系数可达不考虑海床变形时的8.5倍,约为分子扩散系数的545倍;海床土剪切模量越小,土体变形效应越明显,对溶质运移过程的影响越大;海床土饱和度的降低,会进一步加速波浪作用下溶质向海底沉积物的运移过程。

    关键词:波浪;溶质运移;海床;海底沉积物;土体变形;饱和度

    黄土缓坡片蚀过程及其水力参数适宜性试验研究

    和继军1,2,王  硕 1,3,蔡强国4,5,孙莉英2,4,黎雪晴1,3

    (1. 首都师范大学城市环境过程和数字模拟国家重点试验室培育基地,北京  100048;2. 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西  杨凌  712100;3. 首都师范大学北京资源环境与GIS重点试验室,北京  100048;4. 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点试验室,北京  100101;5. 中国科学院大学资源与环境学院,北京  100101)

    摘要:为确定黄土缓坡片蚀过程中侵蚀限制条件的变化及水力参数的适宜性,采用模拟降雨试验,在60 mm/h雨强、3种坡度(7.5°、10°、15°)和2种坡长(5 m和10 m)条件下,验证含沙量作为表征参量判定片蚀过程侵蚀限制条件的可行性,提出检验水力参数与产沙量作用关系适宜性的评价方法。结果表明:①依据含沙量随径流的变化规律,片蚀过程依次经历输沙能力限制阶段、剥蚀能力限制阶段Ⅰ和剥蚀能力限制阶段Ⅱ共3个侵蚀阶段,其中剥蚀能力限制阶段Ⅰ的侵蚀量占绝对优势。②从水力参数的适宜性来看,径流功率和雷诺数均能很好地表征与产沙量的关系,径流剪切力和弗劳德数则不能有效反映与产沙量的关系。③在不同侵蚀限制阶段,径流功率和雷诺数与产沙量的作用关系是不同的。输沙能力限制阶段和剥蚀能力限制阶段Ⅱ时,径流功率和雷诺数与产沙量分别呈指数关系和线性正相关关系;剥蚀能力限制阶段Ⅰ时,该2种水力参数均与产沙量呈线性负相关关系,但作用关系不唯一,且存在雷诺数临界值,即在输沙能力限制阶段和剥蚀能力限制阶段Ⅱ,径流功率和雷诺数与产沙量的作用关系不受坡长效应影响;在剥蚀能力限制阶段Ⅰ,需要同时考虑坡长和雷诺数临界值的共同影响。该研究结果可为深入理解片蚀过程的复杂性提供参考依据。

    关键词:片状侵蚀;侵蚀限制条件;径流功率;产沙量;雷诺数

    黄土高原北部土地利用变化对长期土壤水分平衡影响模拟

    白  晓1,贾小旭2,3,邵明安1,2,赵春雷2,3

    (1. 西北农林科技大学资源环境学院,陕西  杨凌  712100;2. 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室,北京  100101;3. 中国科学院大学资源与环境学院,北京  100190)

    摘要:为探明土地利用变化对黄土高原长期土壤水分平衡的影响,利用校验的Hydrus-1D模型模拟黄土高原北部神木六道沟小流域1981—2050年农耕地—苜蓿草地—天然草地情景下0~ 4 m土壤水分变化过程,量化土壤储水量、深层渗漏和蒸散发等水文变量的演变特征。结果显示:① 农耕地期间年降水的88%为蒸散发消耗,11%为渗漏损失。② 苜蓿草地种植后6 a内,蒸散发大幅增加至年降水的108%,土壤水分负平衡,0~4 m土壤储水量以52 mm/a的速率降低;至7~13 a,年降水几乎全部被蒸散发消耗。③ 苜蓿草地转变为天然草地后,蒸散发量下降31%,土壤水分以45 mm/a的速率逐渐补给,之后年降水量的92%用于蒸散发,8%为渗漏消耗,土壤水分处于相对稳定状态。研究表明不同土地利用方式下的土壤水分平衡模式具有显著差异,种植高耗水植被可造成土壤水分负平衡,导致土壤干燥化,进而对土壤水分补给产生负面效应,改变植被类型可使土壤干层得到有效改善。

    关键词:水量平衡;土壤水分;土地利用;植被恢复;Hydrus-1D模型;黄土高原

    基于Erlang分布蓄水容量曲线的流域产流模型

    闫宝伟1,李正坤1,段美壮2,江慧宁1,刘  昱1

    (1. 华中科技大学土木与水利工程学院,湖北  武汉  430074;2. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江  杭州  311122)

    摘要:蓄水容量曲线是反映流域缺水量空间分布不均匀性的特征曲线,对流域产流计算有直接影响。通过对多个典型流域蓄水容量空间分布的分析,发现Erlang分布能更好地拟合流域的蓄水容量曲线,进一步基于Erlang分布进行流域产流的推导,提出了基于Erlang分布蓄水容量曲线的流域产流模型。应用结果表明,基于Erlang分布的流域产流模型,增加了模型的适应性,模拟结果更接近流域实际的产流过程,比新安江模型能取得更高的模拟精度。此外,该产流模型的参数可由流域地形和土壤类型数据估算,为无资料地区的产流计算提供了一种可行的途径。

    关键词:蓄水容量曲线;产流模型;Erlang分布;新安江模型

    条子泥围垦区水盐特征与植被分布的关系

    詹泸成1,马芬艳2,陈建生3,辛  沛1

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

    摘要:为了探究江苏东台条子泥围垦区的水盐分布规律,揭示圆环状植被分布与土壤水盐条件的关系,于2019年9月对围垦区内用作湿地恢复的区域进行测量和采样。在植被环附近测量了二维、三维大地电阻率,采集降水、地表水、土壤、地下水等样品,测试样品的水盐指标和D、18O同位素组成。结果表明:植被圆环下方3 m深度内均存在对应的高电阻率/低盐度区域,且随着植被类型由中心向外环变化,对应的土壤水盐度也逐渐增大;土壤水盐度是不同植被呈现圆环状分布的重要影响因素,其变化受降水入渗和土壤蒸发引起的盐分集结共同作用;土壤盐度直接影响了不同植被种群的分布格局,而植被对入渗和蒸发过程的影响也反作用于土壤盐度分布。

    关键词:水盐;植被分布;电阻率;同位素;围垦

    农田水盐调控现实与面临问题

    王全九,邓铭江,宁松瑞,孙  燕

    (西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西  西安  710048)

    摘要:农田土壤盐碱化是农业可持续发展的主要威胁之一,为创建适应现代生态农业发展的农田水盐调控方法,在总结农田盐分来源及其累积动力特征的基础上,从土壤盐分影响土壤供养能力和作物生产能力两大方面,分析土壤盐分对土壤作物系统功能的影响途径,明确农田水盐高效调控方向。根据不同时代的治盐理念,将水盐调控发展历程分成4个阶段,以抑制盐碱胁迫对土壤和作物的危害为切入点,解析水利措施、化学措施、生物措施和农艺措施的作用特点和调控目标及适用范围。根据现代农业绿色发展与提质增效需求,凝练盐碱胁迫农田控害增效水盐调控理念,提出水盐调控策略,即调控根际水盐传输动力特征,重构农田水盐分布空间格局,提升农业改土促生措施功效;指出农田控害增效水盐调控急需解决的关键技术,总结了创新水盐调控理论有待深入研究的基础科学问题,以期为盐碱胁迫农田绿色、高效和可持续利用提供指导。

    关键词:土壤盐碱化;治盐理念;水盐调控;智能管理

    Copula函数在水文水资源中的研究进展与述评

    刘章君1,郭生练2,许新发1,许世超1,成静清1

    (1. 江西省水利科学研究院,江西  南昌  330029;2. 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:Copula函数是一种灵活构造多变量联合分布和处理多变量问题的有效工具,在水文水资源领域应用广泛;随着研究的广度和深度不断推进,显示出其良好的适用性和不可替代的优越性。重点综述了近10年来Copula函数在水文事件多变量频率分析、水文事件遭遇组合分析、水文随机模拟、水文模型与预报以及其他问题中的最新应用研究进展与不足。从应用条件、参数估计、不对称性、拟合优选、尾部特性、多变量重现期选取、成果抽样误差等方面阐述了Copula函数应用需要注意的问题。展望了未来Copula函数在水文水资源领域应用中的研究重点和发展方向,为今后的研究提供借鉴和参考。

    关键词:水文事件;Copula函数;联合分布;条件分布;多变量分析

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