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水科学进展

时间:2018-09-28 15:59    点击量:

《水科学进展》是由南京水利科学研究院、中国水利学会主办,以水为论述主题的学术期刊,主要反映暴雨、洪水、干旱、水资源、水环境等领域科学技术的最新成果、重要进展、当代水平和发展趋势,报道关于水圈研究的新事实、新概念、新理论和新方法,交流新的科研成果、技术经验和科技动态,是全方位和深度了解中国水科学进展的重要窗口。本刊为全国中文核心期刊,中国科技核心期刊,被美国《Ei》和《CA》收录, 2003、2004、2005年连续获“百种中国杰出学术期刊”称号。多次获江苏省优秀期刊奖,并入选江苏省期刊方阵。2009年获“华东地区优秀期刊奖”。为研究中国不同区域的降雨特征对径流总量控制效果的影响,利用186个气象站近30年的日降雨量资料,通过空间分析与统计计算,得到不同年径流总量控制率所对应的设计降雨量以及年均控制降雨量;结合年径流总量控制率与年均控制降雨量的关系将中国区域分为9种类型。结果表明:中国设计降雨量地域变化明显,广东、四川、广西、河北和河南等省的标准差为全国平均水平的1.5~3倍,且随年径流总量控制率的提升而增加,源头径流控制效果差异明显;南部地区径流控制效果多为"高量低率";"低量低率"区位于甘肃、宁夏等地,面积占比为9.44%,其降雨特征不适合发挥源头控制设施的效果;而最适宜发挥源头控制作用的"高量高率"区位于西南部分地区,面积占比为3.80%。选取太湖流域下游的武澄锡虞和阳澄淀泖水利片区为研究区,基于1980s和2010s两期水系和土地利用类型数据,利用全局自相关、局部自相关和地理加权回归模型等方法,分析河网密度空间变化特征,并探讨其与土地城镇化的关系。结果表明:近30年研究区河网密度下降幅度达11.3%,其中,一、二级支流密度分别下降18.1%和11.3%。城市及周边地区下降幅度最大;因淤积和填埋造成的区域河道衰退是河网密度下降的主要原因;土地城镇化速度与支流衰减长度呈指数关系,且存在区域差异;当土地城镇化速度达40%以上时,支流长度快速减少。此外,水网密布区域河网密度下降和衰退强度更大。因此,在城市建设过程中需要加大对水系的保护力度。水库拦沙是金沙江下游沙量减小的主要原因,对三峡水库的入库水沙条件产生了重要影响。为了系统掌握金沙江流域水库拦沙情况,基于1956年以来流域内水库及实测水沙资料,采用经验公式、典型调查以及输沙平衡原理相结合的方法,对近60年不同阶段金沙江中下游的水库拦沙情况以及水库建设对金沙江流域减沙贡献权重进行了定量研究。结果表明:1956-1990年、1991-2005年和2006-2015年水库拦沙对屏山站的减沙权重分别为0.3%、48%和83%,可见水库拦沙作用逐步增强;1956-2015年,金沙江流域水库年均拦沙0.310亿t,其中大型水库拦沙量占总拦沙量的89%,尤其是2011年以来,随着金沙江中下游以及雅砻江梯级水库群的陆续建成,流域内水库群年均拦沙量达1.92亿t,对屏山站同期年均输沙量的减少权重在90%以上。针对跨流域调水工程的实时调度决策问题,考虑受水水库的供水效益与引水成本,建立受水水库实时调度的理论分析框架,制定最优引、供水决策,分析预报不确定性对调度决策的影响,提出预报信息可利用准则。辽宁省大伙房应急入连工程的应用表明:若受水水库可用水量较少,引水后水库当前时段供水效益与时段末蓄水效益均增加,最优决策满足引水边际成本、供水边际效益与蓄水边际效益三者相等;随受水水库可用水量增多,水库按需供水,引水仅提升蓄水效益,最优决策使引水边际成本等于蓄水边际效益。若水库期望蓄水量较小,水库缺水概率较大,预报信息可利用性取决于可接受缺水风险;反之,水库弃水概率较大,预报信息可利用性取决于可接受弃水风险。为了定量获取防洪保护区在多洪源和复杂边界条件下的溃堤洪水风险信息,以非恒定流控制方程为理论基础,建立了多洪源一维河网水动力学模型和防洪保护区二维洪水演进模型,利用溃坝模型实现河道与保护区的耦联,并采用局部网格加密和相似建筑物模拟等方法处理保护区内道路等复杂边界的导阻水作用。利用所建模型模拟了长江、汉江和东荆河3种不同洪水来源, 在4种不同位置溃堤情况下汉南至白庙长江干堤防洪保护区的洪水淹没情景,采用基于淹没水深的损失率关系法对比分析了4种计算方案的淹没面积、经济损失和受灾人口。结果表明:模型构建合理、稳定性和适应性好,复杂边界对洪水演进过程影响明显,不同洪源溃堤情形的风险信息差异较大;在计算条件下,以长江发生1954年型300年一遇洪水向新溃口情形下的淹没损失最严重,其淹没面积达3 790 km2,受灾人口为196.8万人,经济损失约802亿元。研究成果可为洪水风险管理与避洪转移决策提供有力的技术支撑。溪洛渡等河道型水库具有库容大且径流量大的特点,热动力过程和水温分布迥异于天然河流或湖泊。通过温度链对溪洛渡水库坝前水温进行长期高频监测,选取升温期和降温期典型时段,分析表层水温的昼夜变化和温跃层的内波现象;计算表面热交换,并分析其对水温变化的影响。结果表明:水面混合层在水面热交换的控制下周期性出现和消失;在升温期水面吸热对于变温层升温过程有重要影响;在降温期,水面失热驱动了垂向混合,入流降温形成侵入流,共同控制变温层的降温过程;温跃层中24 h周期的内波形成与出流日调节有直接因果关系。与实测数据计算的水面热通量相比,采用气象站日值数据的溪洛渡数值模型的模拟值偏小。岸滩侧蚀崩塌现象普遍存在于冲积河流演变过程中,是河道治理需重点关注的问题之一,岸滩侧蚀崩塌速率的准确量测则是崩岸机理及其治理措施研究的关键基础。基于图像处理技术,建立了河岸侧蚀崩塌速率试验量测系统,通过图像追踪河岸模型上边缘示踪网格位置变迁,提出了一种河岸侧蚀崩塌速率测量方法。以试验水槽为例,对河岸侧蚀崩塌速率进行了量测,并与经验公式计算值进行了比对,两者基本吻合,可较好地反映流速、土体级配等岸滩侧蚀崩塌速率的影响因素及其变化规律。研究成果可为江河崩岸机理的深入研究提供技术支撑。为揭示线性剪切来流对串列双方柱绕流特性的影响,基于多步格式的特征线算子分裂有限元法,在计算域出口处采用对流边界条件,建立线性剪切来流的方柱绕流数值模型。对剪切参数为0~0.4的不同间距比下串列双方柱绕流数值模拟,结果表明:剪切来流可以抑制涡漩脱落,降低斯特劳哈数;上游方柱驻点随剪切参数的增加向高速侧移动,当剪切参数大于0.3时驻点的位置不再发生变化。进一步通过对比剪切参数分别为0和0.1的模拟结果发现:串列双方柱间隙内流场有无涡脱产生与该区域内水平方向时均速度场为负的区域是否连续有关;间距比和剪切参数通过改变方柱周围的速度场对作用于方柱表面的压力产生较大影响,迎流面与背流面的压力差剧增导致方柱平均阻力系数剧增。汊口分流是河流动力学中一个经典的科学问题,感潮河段内的汊口由于受到潮波运动的影响,会产生明显的剩余环流,使其分流过程与非感潮河段汊口存在明显不同。为揭示潮波运动对汊口分流的影响,引入分流不均匀系数概念,以长江口为研究对象,依据2002年地形建立平面二维数学模型。分别开展"无径"、"无潮"和"径潮"3种情况模拟,定量地分解出径流、潮流和径潮相互作用对分流的影响程度,并探讨深水航道整治工程对分流过程的影响。结果表明:潮波运动在枯季和洪季分别以32.95% 和35.71%的程度对南北港分流不均匀系数产生抑制作用,使分流趋于均匀。深水航道整治工程使得南港的径潮相互作用增强,潮平均水位壅高,减弱了径流向南港分配增加的趋势。冰塞的出现使上游水位壅高,极易诱发凌洪灾害。桥墩墩型是影响桥墩附近冰塞壅水的重要因素之一。通过模型试验,对不同墩型影响下的平衡冰塞水位增值过程进行研究,并与无桥墩条件和明流情况进行了对比。试验结果表明:在试验冰水流量比条件下,当Fr≤0.145时,无桥墩条件下平衡冰塞水位增值小于有桥墩;当Fr>0.145时,无桥墩条件下平衡冰塞水位增值大于有桥墩;桥墩墩型引起的平衡冰塞水位增值由大到小排序为长方形桥墩、尖端形桥墩、圆端形桥墩和圆柱形桥墩。易发生冰塞的河段,建造桥梁时应当尽量选用圆柱形、圆端形桥墩。波浪力是作用在离岸建筑物上的主要荷载,准确预测作用在结构上的波浪力在实际工程设计中极其重要,它决定着该结构是否能够安全可靠地工作。目前的研究大多集中在单向波浪作用下结构物所受的波浪力,而真实的波浪是三维多向不规则波浪。基于物理模型实验,系统地研究了多向不规则波浪作用下大尺度墩柱所受波浪力的特性。结果表明波浪的方向分布对波浪荷载具有明显的影响,尤其是对横向力,在方向分布宽度较大时,作用在墩柱上的横向力可达此时作用在墩柱上正向力的40%,这在实际工程设计中不能忽略。针对水资源承载力预警方法的研究,通过揭示水资源-社会经济-生态环境复合系统间各要素的相互作用机制,可有效地对水资源承载力的突发和异常状况进行事前行为评价和预警,是资源环境承载能力预警研究的关键组成部分。为此,借鉴有关学科领域对预警系统现有的研究成果,立足于水资源承载力预警系统的概念和机制,从诊断、预测、评价和调控方面对水资源承载力预警的主要方法进行综述,并提出水资源承载力预警未来研究重点和主要发展方面的建议,包括:① 进一步完善水资源承载力预警系统的概念界定;② 构建水资源承载力预警指标体系;③ 深入水资源承载力预警系统的整体研究;④ 重视实现水资源承载力预警动态性预测;⑤ 进一步加强水资源承载力调控措施方面的研究。潜流带是河流生态系统中活跃的生态群落交错区,是地表水和地下水相互作用的重要界面。研究潜流带内存在的潜流交换机制对评估水资源的开发利用以及维持和修复河流生态系统健康有着重要意义。系统介绍了温度示踪方法的一维垂向稳态和瞬态热运移解析模型,梳理归纳了基于温度示踪的时序数据采集方法、信号分析方法和数值方法的相关研究进展,最后对比论述了温度示踪方法的优势和存在的主要问题,同时指出了地下水的多维流动、温度测量的不确定性以及非理想条件对解析模型的影响仍是未来温度示踪方法需要进一步研究的重点。

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