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小浪底水库运用后黄河下游游荡段游荡程度变化特点及机理

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地理学报 2024年第5期79卷 1161-1176页

作者：刘雨晨夏军强周美蓉程亦菲武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室武汉430072

为实现黄河下游游荡段游荡程度变化的定量评价,提出了游荡指数的计算方法;本文结合Landsat影像,分析了小浪底水库运用后游荡段游荡程度的变化特点及机理。研究表明,2000—2022年黄河下游游荡段整体游荡程度降低,游荡指数由0.918减至0.6... 详细信息

为实现黄河下游游荡段游荡程度变化的定量评价,提出了游荡指数的计算方法;本文结合Landsat影像,分析了小浪底水库运用后游荡段游荡程度的变化特点及机理。研究表明,2000—2022年黄河下游游荡段整体游荡程度降低,游荡指数由0.918减至0.674,且游荡程度降低速率先快后慢。其中铁谢—伊洛河口河段和花园口—夹河滩河段游荡程度显著降低,伊洛河口—花园口河段游荡程度基本不变,夹河滩—高村河段游荡程度有所增加。此外,游荡段游荡特性演变与水沙、河床边界条件变化以及局部河势调整密切相关。从水沙条件来看,小浪底水库运用后黄河下游输沙锐减、洪峰调平,使得河道全线冲刷、流路集中,以致游荡段游荡特性减弱,且丰水年较枯水年更有利于河势归顺;从河床边界条件来看,沿程河岸约束性强的河段游荡特性趋于减弱,且河床纵向稳定性增加是游荡段游荡程度降低及降低速率减慢的因素之一;从局部河势调整的影响来看,朱寨—东坝头河段河势变化是夹河滩—高村河段后期切滩频发的重要原因。

关键词：游荡程度时空变化演变机理游荡指数 Landsat影像黄河下游

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沙波形态及运动特征的概化数学模型研究

应用基础与工程科学学报 2024年第2期32卷 426-441页

作者：曹玉芹夏军强周美蓉邓珊珊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

水库修建后坝下游水沙条件发生显著变化,推移质补给大量减少,悬移质占输沙量的主要部分.在河床持续冲刷过程中,沙波运动从以推移质为主逐渐转变为推移质与悬移质共同输移.建立了一维沙波形态及运动特征的概化数学模型,对比了基于推移质... 详细信息

水库修建后坝下游水沙条件发生显著变化,推移质补给大量减少,悬移质占输沙量的主要部分.在河床持续冲刷过程中,沙波运动从以推移质为主逐渐转变为推移质与悬移质共同输移.建立了一维沙波形态及运动特征的概化数学模型,对比了基于推移质和悬移质输移的沙波运动特征,采用已有公式对基于推移质运动的沙波形态变化和运动速度进行了验证,并讨论了不同参数对沙波运动的影响.模拟结果表明:(1)基于推移质运动的沙波向下游运动,沙波上各点的运动速度与其高程正相关,迎流面冲刷,背流面淤积,沙波形态逐渐向不对称发展,沙波运动临界时间为31.78h,与已有解析解误差仅为1.5%;基于悬移质运动的沙波未向下游运动,以垂向冲刷为主,沙波上各点冲刷强度与其高程正相关,波高逐渐减小,沙波形态基本对称且趋于消亡;(2)基于推移质运动的沙波波峰和波谷的运动速度计算值分别为51m/d和17m/d,与已有公式的最大相对误差小于26%,形态曲线的平均相对误差小于19%,故计算结果能较好地反映沙波运动特征;(3)水沙参数对沙波的影响比沙波初始形态参数更显著,增大单宽流量和减小水深均能使沙波运动增强,且对水深变化的响应更加敏感.

关键词：沙波运动推移质悬移质沙波形态沙波演化模型

考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型

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水科学进展 2024年第2期35卷 244-255页

作者：王小杰夏军强李启杰侯精明武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北武汉430072 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

为准确模拟城市洪涝过程,以地表二维流动模型和SWMM一维管流模型为基础,同时考虑地表径流与地下管流交换的3种模式,构建了城市地表与地下管流双向耦合的水动力学模型。采用水槽试验算例和理论算例对耦合模型进行验证,并将耦合模型应用... 详细信息

为准确模拟城市洪涝过程,以地表二维流动模型和SWMM一维管流模型为基础,同时考虑地表径流与地下管流交换的3种模式,构建了城市地表与地下管流双向耦合的水动力学模型。采用水槽试验算例和理论算例对耦合模型进行验证,并将耦合模型应用到英国Glasgow城市街区,分析排水管网和不同地表地下水流交换模式对城市洪涝过程的影响。结果表明:模型在试验算例和理论算例的模拟中均具有较好的精度和可靠性,模型能够准确地模拟具有排水管网的城市洪涝演进过程;与无排水系统相比,检查井简化法、雨水口法和雨水口-检查井法3种水流交换模式下Glasgow城市街区模拟的最大淹没面积分别减少9.3%、23.2%和24.5%,其中对重度积水的消减作用更显著,淹没面积分别减少43.6%、79.9%和80.9%;检查井简化法的消减作用要远小于雨水口法和雨水口-检查井法,后两者差异较小。雨水口法和雨水口-检查井法比较符合实际情况,且雨水口-检查井法的计算效率更高更简单,因此,在城市洪涝模拟中采用雨水口-检查井法考虑地表径流与地下管流交换过程更符合实际。

关键词：城市洪涝 SWMM 地表二维模型模型耦合地表径流与地下管流交换

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三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究

中国科学：技术科学 2024年第4期54卷 722-733页

作者：王增辉夏军强周美蓉齐张辛西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072

针对大部分水库调度模型中水沙输移计算大幅简化且与库水位计算过程间只有单向耦合的问题,本研究构建了基于激波捕捉式有限体积法与河网算法的库区水沙调度模型.该模型采用河段连接单元内水沙质量与动量守恒方程的准二维求解算法,河网... 详细信息

针对大部分水库调度模型中水沙输移计算大幅简化且与库水位计算过程间只有单向耦合的问题,本研究构建了基于激波捕捉式有限体积法与河网算法的库区水沙调度模型.该模型采用河段连接单元内水沙质量与动量守恒方程的准二维求解算法,河网算法可以反映干支流交汇角的影响,并且使用OpenMP技术实现了并行求解.该模型的水库调度模块将调度方案表示为5个触发条件和4个调度指令参数构成的调度规则表,由水沙动力学模型向调度模块提供入库监测断面的水沙条件与实时更新的水位库容关系,水库调度模块为水沙动力学模型提供库区下游边界条件,从而实现两者双向耦合.采用2020年三门峡库区实测水沙数据进行了模型验证,库区三个河段的水位、流量和含沙量计算结果与实测值相符,在坝前水位最快下降速度达到2.3 m/h的敞泄排沙时段,数值计算过程稳定且成功预测了出库沙峰.针对近年黄河来沙量减少而潼关高程下降趋势并不稳定的问题,应用模型开展了三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究,通过对不同的汛期和非汛期调度方案的模拟分析,初步确定了坝前控制水位对于年内库区冲淤量和潼关高程影响显著的时期,研究结果可以为三门峡水库调度方案进一步优化提供思路.

关键词：水库调度数值模拟三门峡水库潼关高程冲淤量

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径流与涌潮对钱塘江尖山潮滩演变的影响分析

水科学进展 2024年第3期35卷 463-474页

作者：劳聪聪曾剑夏军强辛沛河海大学水灾害防御全国重点实验室江苏南京210098 浙江省水利河口研究院浙江杭州310020 武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室湖北武汉430072

潮滩湿地具有生态系统服务、海岸防护等重要功能,认识其在涌潮与径流作用下的潮滩演变特征,对保护钱塘江涌潮区域湿地至关重要。基于钱塘江尖山潮滩151张地形及径流、水位、泥沙和遥感数据,探究潮滩演变特征与驱动机制。结果表明:(1)尖... 详细信息

潮滩湿地具有生态系统服务、海岸防护等重要功能,认识其在涌潮与径流作用下的潮滩演变特征,对保护钱塘江涌潮区域湿地至关重要。基于钱塘江尖山潮滩151张地形及径流、水位、泥沙和遥感数据,探究潮滩演变特征与驱动机制。结果表明:(1)尖山潮滩呈动态平衡,在观测区,枯季淤积速率为0.01 m/d,坡度降至1‰后稳定;洪季崩岸速率达3 m/d,崩退宽度达113 m,但洪季后以0.05 m/d的速率恢复。(2)洪季潮滩处的涌潮略强于枯季,洪水促进河势分汊,而涌潮主要通过南汊输沙,减少了北汊潮滩处泥沙输送。(3)钱塘江流量是控制潮滩年内季节性冲淤变化的关键因素,潮滩变化速率与流量、初始高程及潮差呈多元线性关系。(4)洪水改变河势,潮滩泥沙供应减少,含径流的退潮流冲刷增强使其崩岸退缩,但当水流冲刷减小、涌潮与涨潮流输沙占优时,潮滩迅速淤积。

关键词：潮滩演变地形动态监测洪水事件涌潮钱塘江河口

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鄱阳湖湿地碟形湖-河流水稳定同位素变化特征及其指示意义

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湖泊科学 2024年第2期36卷 487-498页

作者：陶士勇张翔夏军强肖洋熊兴基徐晶武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室武汉430072 长江水资源保护科学研究所武汉430051 武汉大学海绵城市建设水系统科学湖北省重点实验室武汉430072

为深入认识鄱阳湖湿地区域水循环过程,于2019年112月在鄱阳湖国家级自然保护区对降水、河流水、主要碟形湖水进行系统采集,综合分析碟形湖-河流水稳定同位素的动态变化特征及其指示意义。结果表明,鄱阳湖湿地修河和赣江的同位素组成具... 详细信息

为深入认识鄱阳湖湿地区域水循环过程,于2019年112月在鄱阳湖国家级自然保护区对降水、河流水、主要碟形湖水进行系统采集,综合分析碟形湖-河流水稳定同位素的动态变化特征及其指示意义。结果表明,鄱阳湖湿地修河和赣江的同位素组成具有明显的季节性变化规律,4月河水同位素最为富集,57月逐渐贫化,之后呈现出不断富集的变化趋势,整体上与降水同位素的时间变化特性相似。在空间分布上,各段河水的同位素组成均具有相对稳定的沿程分布特征,赣江在修河汇入点上、下游的同位素特性在大多数月份没有呈现出明显变化。碟形湖水同位素的年内变化范围比河水大,并且相对富集。主要碟形湖水的δ2 H-δ18 O关系接近当地大气降水线,具有更小的蒸发线斜率以及系统性偏离的特征,反映碟形湖主要受到当地降水补给,经历了一定程度的蒸发作用。基于指数模型方法估算修河和赣江水体的平均滞留时间(mean residence time,MRT)分别为1.54和0.81年,赣江较短的MRT表明鄱阳湖流域具有不同水体组分相互快速转化的水力条件,修河上游柘林水库的调蓄作用导致其MRT明显大于赣江。通过假定碟形湖水的蒸发过程遵循瑞利分馏模型,全年的同位素监测结果揭示蚌湖、沙湖、大湖池的年平均蒸发损失量分别为15.5%、15.0%、14.1%,不同碟形湖之间蒸发程度的差异可能与地形、植被和水动力条件等因素的综合影响有关。

关键词：稳定同位素平均滞留时间蒸发碟形湖-河流水鄱阳湖湿地

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小浪底水库汛前调水调沙模拟与综合效益评估

湖泊科学 2024年第5期36卷 1550-1561页

作者：夏军强张贤梓依王增辉陈翠霞周祖昊武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室武汉430072 西北农林科技大学水利与建筑工程学院杨凌712100 黄河勘测规划设计研究院有限公司郑州450003 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

为提高汛前调水调沙期多目标博弈过程中小浪底水库的综合效益,本文构建了调水调沙模拟与综合效益定量评估数学模型。该模型由3个模块构成,其中:水沙计算模块考虑库区明流与异重流输移及干支流倒回灌过程,水库调度模块衔接库区水沙计算... 详细信息

为提高汛前调水调沙期多目标博弈过程中小浪底水库的综合效益,本文构建了调水调沙模拟与综合效益定量评估数学模型。该模型由3个模块构成,其中:水沙计算模块考虑库区明流与异重流输移及干支流倒回灌过程,水库调度模块衔接库区水沙计算和坝下泥沙冲淤计算,效益评价模块采用经济效益指标衡量水库的综合效益。采用2013年和2014年汛前调水调沙过程对该模型开展了参数率定和验证工作,计算结果可模拟异重流潜入、演进、出库的全过程以及水库调度和发电过程。根据历年调水调沙实践经验选取关键调度参数,最终拟定降低对接水位或减小壅水程度的5种方案,采用模型对各方案展开调水调沙过程计算和综合效益评价。结果表明,调度过程中改变对接水位和壅水程度在减淤效益和兴利效益间存在冲突。通过比较综合经济效益指标,最终推荐对接水位为222.57 m并减小库区壅水的方案作为优选方案,可获得最大的综合效益。

关键词：汛前调水调沙水库调度综合效益数值模拟小浪底水库

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黄河下游近期持续冲刷过程中床沙粗化特性分析

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水力发电学报 2024年第5期43卷 1-12页

作者：曹玉芹夏军强周美蓉陈建国武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室武汉430072 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

床沙组成的变化影响悬沙沿程恢复及河床阻力变化。本文基于黄河下游7个水文站1999—2020年的实测床沙资料,计算了各水文断面不同粒径组床沙占比的年际变化,分析了近二十年持续冲刷过程中不同河型河段床沙的时空粗化特性,讨论了河床冲淤... 详细信息

床沙组成的变化影响悬沙沿程恢复及河床阻力变化。本文基于黄河下游7个水文站1999—2020年的实测床沙资料,计算了各水文断面不同粒径组床沙占比的年际变化,分析了近二十年持续冲刷过程中不同河型河段床沙的时空粗化特性,讨论了河床冲淤过程对床沙粗化的影响。从时间来看,小浪底水库运用后,不同时期床沙的粗化特点不同,拦沙初期(2000—2006年)急剧粗化,拦沙后期(2007—2020年)粗化放缓,高村站及上游各站床沙呈波动粗化,高村站以下则变化不大,且粗化程度最强处由游荡段向下游过渡段转移;从空间来看,床沙沿程细化,游荡段以极粗沙为主,过渡段以粗沙和极粗沙为主,弯曲段的中细沙不可忽视。拦沙初期各河段床沙组成的调整表现为中细均冲;拦沙后期则表现为中粗均冲,极粗沙占比增大,利津以上各站细沙占比不足5%,对悬沙的补给受限,中沙和粗沙仍经受冲刷,极粗沙对相应悬沙有较好补给作用。河段汛后床沙中值粒径与河床累计冲刷量呈良好的幂函数正相关关系,但拦沙后期床面已粗化到相当程度,河床冲淤对床沙粗化的影响受限。研究结果有助于掌握近期整个黄河下游床沙的粗化现状及预测下游河道冲淤变形规律。

关键词：床沙粗化不同河型补给受限持续冲刷黄河下游

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鄱阳湖典型洲滩湿地植物水碳稳定同位素与内在水分利用效率变化特征

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湖泊科学 2024年第1期36卷 99-111页

作者：陶士勇张翔夏军强刘浩源徐晶熊兴基肖洋武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室武汉430072 武汉大学海绵城市建设水系统科学湖北省重点实验室武汉430072 长江水资源保护科学研究所武汉430051

在极端水文事件频发和人类活动影响加剧的背景下,鄱阳湖水文情势的异常变动给洲滩湿地植物带来了一系列影响。为进一步了解鄱阳湖湿地植物水分利用来源和内在水分利用效率(iWUE)的季节变化规律,揭示优势植物在生长过程中对不同水分变化... 详细信息

在极端水文事件频发和人类活动影响加剧的背景下,鄱阳湖水文情势的异常变动给洲滩湿地植物带来了一系列影响。为进一步了解鄱阳湖湿地植物水分利用来源和内在水分利用效率(iWUE)的季节变化规律,揭示优势植物在生长过程中对不同水分变化的适应策略,于2020年12月-2021年5月在鄱阳湖国家级自然保护区蚌湖和修河之间的典型洲滩湿地上设置监测断面,对灰化苔草(Carex cinerascens)、南荻(Triarrhena lutarioriparia)植物样品及其潜在水源样品进行系统采集,测定并分析了水、碳稳定同位素的动态变化特征和指示意义。结果表明,典型洲滩湿地苔草和南荻植物茎水的氢、氧稳定同位素组成没有表现出明显差异,从冬季至春季,植物茎水的δ^(18)O值总体上均呈现波动富集的变化趋势。苔草在春季生长期iWUE没有表现出明显变化,而南荻在萌发时期iWUE最低,之后的生长期iWUE具有显著的增长趋势。在各潜在水源当中,植物茎水的同位素组成与土层中的重力水最为相近,其次为与根系分布联系密切的土壤水。在春季降水频繁时,来源于降水且埋深较浅的重力水可能是植物利用的主要水源,而在枯水期重力水埋深较深时,植物采取降水和土壤水的混合利用模式应对水分胁迫。植物叶片有机质的δ^(18)O值分析发现,苔草在萌发生长期i WUE的变化与光合作用能力相关的因素有关,南荻iWUE的变化主要受气孔导度变化的影响。

关键词：稳定同位素植物水分来源内在水分利用效率叶片有机质湿地生态系统