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基于水循环全过程的旱涝级联效应研究框架

水资源保护 2024年第1期40卷 60-70页

作者：郑帅翁白莎严登华任立良王浩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 河海大学水文水资源学院江苏南京210098

气候变化与人类活动影响加剧背景下,亟须实现旱涝灾害风险精准防控。从孕育机理、传播机制、事件评价、风险评估、影响效应等方面回顾了旱涝事件研究现状,明晰了当前在旱涝事件演变机理和评价指标构建方面存在的不足。从水循环全过程视... 详细信息

气候变化与人类活动影响加剧背景下,亟须实现旱涝灾害风险精准防控。从孕育机理、传播机制、事件评价、风险评估、影响效应等方面回顾了旱涝事件研究现状,明晰了当前在旱涝事件演变机理和评价指标构建方面存在的不足。从水循环全过程视角,分析了干旱和洪涝事件在坡面、河道、流域和区域4个尺度与水量和效应2个层面的本质内涵、影响效应及评价方式。基于地表-土壤-地下、坡面-河道、支流-干流及水网工程间的水力联系,分别从水量和效应层面分析了不同空间尺度上干旱和洪涝的内在联系,明确了干旱、洪涝及旱涝级联过程本质上受流域调蓄作用的影响。从旱涝级联效应的内涵、类型、表现形式和关键技术等方面,提出了旱涝级联效应的研究框架。未来应从流域调蓄作用的视角量化不同空间尺度各要素调蓄能力变化,分层调蓄防范化解旱涝风险。

关键词：干旱洪涝水循环旱涝级联级联效应

基于非恒定渐变流-急变流方程的变流量畦灌数值模型

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农业机械学报 2024年第4期55卷 251-261页

作者：刘凯华李江吕玉平缴锡云郭维华顾哲河海大学水文水资源学院南京210098 河海大学农业科学与工程学院南京210098 扬州大学水利科学与工程学院扬州225009

传统畦灌模型多是基于非恒定渐变流方程建立的,在模拟变流量畦灌水流运动时的精度难以保障。本文综合分析了变流量畦灌过程中田面水流的运动状况,将其按照边界条件的不同划分为恒定流量进水阶段、变流量进水阶段、畦首消退阶段、田面消... 详细信息

传统畦灌模型多是基于非恒定渐变流方程建立的,在模拟变流量畦灌水流运动时的精度难以保障。本文综合分析了变流量畦灌过程中田面水流的运动状况,将其按照边界条件的不同划分为恒定流量进水阶段、变流量进水阶段、畦首消退阶段、田面消退第1阶段、田面消退第2阶段等5个阶段,基于非恒定渐变流方程和非恒定急变流方程构建了适用于变流量畦灌系统的渐变流-急变流数值模型,通过2组恒定流量畦灌、4组变流量畦灌的田间试验以及2组文献资料中的畦灌试验数据对模型进行了验证。结果表明,渐变流-急变流畦灌模型模拟值与现场实测结果吻合较好,模拟推进时间决定系数R^(2)均大于0.96、模拟消退时间R^(2)大于0.90。与目前常用的WinSRFR模型相比,渐变流-急变流畦灌数值模型在模拟恒定流量畦灌方面具有相似的精度,且在模拟变流量畦灌方面精度更高。渐变流-急变流畦灌模型可以较精准地模拟变流量畦灌的水流运动状况,可为分析变流量畦灌系统、优化变流量畦灌方案提供支撑。

关键词：畦灌变流量数值模拟非恒定急变流推进消退过程

黄河下游游荡性河段心滩形态特征与水沙过程响应关系

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长江科学院院报 2024年第5期41卷 8-17,25页

作者：张春晋郭淑君张敏姚文艺张晓华黄河水利科学研究院水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室郑州450003 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京210098 郑州黄河河务局惠金黄河河务局郑州450045

黄河下游游荡性河段素以调整速度快与幅度大著称,河道心滩复杂多变,探究心滩形态特征与水沙过程之间的响应关系对于解析下游游荡性河段的河床演变机制具有重要的意义。围绕黄河下游铁谢至高村游荡性河段的心滩面积与数量等形态特征指标... 详细信息

黄河下游游荡性河段素以调整速度快与幅度大著称,河道心滩复杂多变,探究心滩形态特征与水沙过程之间的响应关系对于解析下游游荡性河段的河床演变机制具有重要的意义。围绕黄河下游铁谢至高村游荡性河段的心滩面积与数量等形态特征指标,结合下游水沙及冲淤特性,采用遥感影像和数值模拟相结合的研究方法厘清游荡性河段水沙过程与心滩面积及数量之间的响应关系,揭示水沙变化对心滩形态特征的影响机制。结果表明:自小浪底水库运用以来,下游河道发生剧烈冲刷,游荡性河段累计冲刷量15.37亿m^(3),占下游累计冲刷量的68%;在小浪底水库运用以前,游荡性河段的心滩面积与数量年际变化剧烈,存在着明显的增长与降低变化过程,而小浪底水库运用以后,该河段的心滩面积与数量呈现先减小后增大再减小的变化趋势;随着4 a滑动汛期平均流量和4 a滑动汛期平均来沙系数的增加,游荡性河段的心滩面积及数量分别呈现出减小和增大的变化趋势。数值模拟方法不仅可以较好地再现心滩发育及演变过程,还可以定性地表征特定水动力学因素对心滩形态特征塑造的影响,为阐明游荡性河段的心滩演变理论提供了一种新的研究方法。研究成果不仅有助于阐明河流平面形态的调整过程,还可为今后河道整治工程的布局提供理论支撑。

关键词：心滩演变水动力学模型水沙过程游荡性河段形态特征

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不同降水产品及WRF-Hydro模式在黄河源区的适用性分析

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大气科学 2024年第3期48卷 923-937页

作者：陈亚玲文军杨传国龙银平李光伟贾何佳刘正成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室成都610225 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京210098 成都信息工程大学资源环境学院成都610225 中国科学院大学北京100049

黄河源区是黄河流域主要的产流区和水源涵养区,研究和探索该区域陆面水文过程对理解陆面过程及水文循环特征,揭示陆面—水文耦合过程具有重要的科学意义。本研究基于2009~2018年中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据(China Meteoro... 详细信息

黄河源区是黄河流域主要的产流区和水源涵养区,研究和探索该区域陆面水文过程对理解陆面过程及水文循环特征,揭示陆面—水文耦合过程具有重要的科学意义。本研究基于2009~2018年中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据(China Meteorological Forcing Dataset,简称CMFD)、全球高分辨率降水数据集(Climate Prediction Center Morphing Technique,简称CMORPH)、热带降雨测量卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,简称TRMM)及全球陆地数据同化系统(Global Land Data Assimilation System,简称GLDAS)降水,评估了四类降水产品在黄河源区的降水精度,在此基础上,利用最优降水数据驱动独立运行的天气研究预报及水文耦合模型系统(Weather Research and Forecasting Model Hydrological modeling system,简称WRF-Hydro),探究该模式在黄河源区径流模拟的适用性。结果表明:四类降水产品均能够反映出降水的分布特征,但在量值及细节捕捉上存在显著差异。CMFD在不同时空尺度上都能很好地捕捉到降水的演变特征,其与日观测降水的相关系数达到0.99,均方根误差仅为0.25 mm。在表征降水能力方面,四类降水产品总体表现为CMFD>CMORPH>TRMM>GLDAS,CMFD的平均探测成功率(Critical Success Index,简称CSI)在0.93以上。经参数率定后的WRF-Hydro模式在黄河源区月径流模拟方面表现较好,率定期纳什系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient,简称NSE)均在0.92以上,而验证期丰水年模拟结果明显好于枯水年(NSE=0.15),这与降水和径流的非线性程度有关。本研究方案和结果为亚寒带半干旱气候区大尺度流域水文模拟及径流预测提供了一定的参考价值。

关键词：黄河源区(SRYR) 降水产品 WRF-Hydro模式径流模拟

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基于水龄分布特征的突发水污染水质演变快速预测方法——以蠡湖为例

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武汉大学学报(工学版) 2024年

作者：李嘉霖王玲玲徐项哲赵永刚季益柱徐津胡礼涵朱海水文水资源与水利工程科学国家重点实验室河海大学河海大学水利水电学院水利部水循环与水动力重点实验室河海大学无锡德林海环保科技股份有限公司中水淮河规划设计有限公司

为了分析了不同活水方案下蠡湖水龄的时空分布特征，并应对水体突发水污染问题，（进行模拟研究），并提出了一种基于水龄的水质演变快速预测方法。模拟结果表明，选择由长广溪节制闸进水、环湖河闸和曹王泾闸出水、流量配比为2:1的活... 详细信息

为了分析了不同活水方案下蠡湖水龄的时空分布特征，并应对水体突发水污染问题，（进行模拟研究），并提出了一种基于水龄的水质演变快速预测方法。模拟结果表明，选择由长广溪节制闸进水、环湖河闸和曹王泾闸出水、流量配比为2:1的活水方案，可有效降低蠡湖全湖的平均水龄，并最大化活水区面积。综合分析水龄分布规律，总结并提出了一种基于水龄的水质演变快速预测方法；该方法利用水龄分布的模拟成果，可快速确定污染物的输移路径和到达时间，大幅缩短了预测时间，为突发水污染事故的应急处置提供了有效支撑。研究结果表明，该方法的预测结果与传统水动力-水质耦合模型的模拟成果相吻合，且具有更为快速且便捷的特点。成果对于推动各类水体的水质安全管理具有重要的理论和实践价值。

关键词：水龄突发水污染水质快速预测水安全蠡湖

基于VIC_glacier模型的拉萨河水文模拟及冰川径流研究

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水文 2024年第1期44卷 90-95,103页

作者：谷黄河刘宇清王晓燕代斌张瀚文付晓雷余钟波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 河海大学水文水资源学院江苏南京210098 上海勘测设计研究院有限公司上海200335 扬州大学水利科学与工程学院江苏扬州225009

拉萨河作为青藏高原南部雅鲁藏布江最大的支流,冰川融水是其径流的重要组成部分。本文基于VIC模型和度日模型构建的VIC_glacier模型,模拟了1990—2010年拉萨河流域径流过程。结果表明:(1)与VIC模型相比,VIC_glacier模型在研究区的径流... 详细信息

拉萨河作为青藏高原南部雅鲁藏布江最大的支流,冰川融水是其径流的重要组成部分。本文基于VIC模型和度日模型构建的VIC_glacier模型,模拟了1990—2010年拉萨河流域径流过程。结果表明:(1)与VIC模型相比,VIC_glacier模型在研究区的径流模拟效果更好,日径流模拟值与观测值的相关系数接近0.8,纳什效率系数在0.75以上;(2)从上游到下游,冰川融水对径流的贡献率分别为21.4%(旁多站)、17.7%(唐加站)、14.5%(拉萨站),呈逐渐减少趋势;(3)冰川径流和非冰川径流年内变化均呈现“单峰型”形态,且在8月份达到峰值;(4)1990—2010年间,年冰川径流量整体呈现上升趋势,与同期气温上升的变化规律一致;年冰川融水对径流的贡献率与年降水量呈反比关系。研究成果可为拉萨河流域的水资源管理提供参考。

关键词： VIC模型度日模型冰川融水拉萨河流域

基于不同目标函数的WRF-Hydro模型参数敏感性研究

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中国农村水利水电 2024年

作者：谷黄河石怀轩孙敏涛丁震顾苏烨河海大学水灾害防御全国重点实验室河海大学水文水资源学院

水文与气象预报相结合可以有效提高洪水预报的精度和延长预见期，陆气耦合模型已成为水文气象学者研究的重点。WRF-Hydro模型作为新一代分布式陆气耦合模型在多尺度洪水预报中具有广阔的应用前景，但由于各物理过程参数化方案复杂，模... 详细信息

水文与气象预报相结合可以有效提高洪水预报的精度和延长预见期，陆气耦合模型已成为水文气象学者研究的重点。WRF-Hydro模型作为新一代分布式陆气耦合模型在多尺度洪水预报中具有广阔的应用前景，但由于各物理过程参数化方案复杂，模型计算量大，对该模型的参数敏感性研究还不充分，也影响着模型的模拟精度。本研究以湿润区的新安江上游屯溪流域为研究对象，构建多个单目标和多目标函数，并结合Morris全局参数敏感性分析方法，探究了WRF-Hydro模型在不同目标函数下的参数敏感性。结果表明：土壤参数（DKSAT、SMCMAX、BEXP）主要影响壤中流和地表径流，对径流量影响显著，尤其DKSAT最为敏感，直接影响水在土壤中的下渗速度，增大时基流量显著增高而洪峰流量则明显降低；产流参数（SLOPE、REFKDT）主要影响地表径流和基流分配，对洪水过程线形状有重要影响；河道汇流参数ManN影响汇流速度并主要控制峰现时间；植被参数MP对于总水量有一定影响；坡面汇流参数OVROUGHRTFAC和地下水参数Zmax则最不敏感。不同目标函数下的参数敏感性顺序和最优参数取值有一定差异，单目标函数中以相对误差为优化目标会更侧重于全年径流总量和低流量部分的模拟精度，而以效率系数和Kling-Gupta系数为目标则更侧重于场次洪水和高流量部分的模拟效果；基于几个单目标函数组合的多目标函数综合考虑了不同目标函数的影响，结果在一定程度上优于单目标函数。研究可为合理确定WRF-Hydro模型参数优化策略提供参考。

关键词： WRF-Hydro模型 Morris法敏感性分析多目标函数洪水预报

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基于弯道水力特性的蛙道构建与数值模拟研究

中国农村水利水电 2024年第1期 8-15页

作者：毕博陈菁陈丹洪大林金秋王小军毕利东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 河海大学农业科学与工程学院江苏南京211100

为有效提高渠系水利用系数和耕地利用率,灌区末级渠系普遍采取硬质化建设,又因受到渠道规模和防渗要求的约束,生态化改造相对匮乏。为解决灌溉渠道造成的稻作区两栖动物生境破碎化问题,结合灌区末级渠系输配水的实际情况,创新性地将弯... 详细信息

为有效提高渠系水利用系数和耕地利用率,灌区末级渠系普遍采取硬质化建设,又因受到渠道规模和防渗要求的约束,生态化改造相对匮乏。为解决灌溉渠道造成的稻作区两栖动物生境破碎化问题,结合灌区末级渠系输配水的实际情况,创新性地将弯道水力特性应用于灌溉渠道生物通道研究,通过建立硬质化农渠弯道的三维水流模型并开展数值模拟试验,模拟了不同弯道处于稳定输水条件下的水力特性,分析了水流结构对渠内蛙类运动轨迹的影响,提出了弯段生物通道的设计方法,并通过水流数值模拟和水头损失计算,评估了设置蛙道对蛙类逃脱效果和渠道输水效率的影响。结果表明:90°弯道出弯断面的纵向流速分布和横向环流结构有助于黑斑蛙利用水动力条件逃脱,并由此提出蛙道位置和结构形式的设计方法;结构变化对水流流态和输水效率并无明显影响,水流结构有利于渠内蛙类逃脱,最大沿程水头损失约为3.83×10^(-4)m,能够同时保证蛙类迁移效率和水流安全通畅。研究成果可为灌溉渠道生态修复提供理论依据和技术支持。

关键词：生态型渠道生物通道黑斑侧褶蛙水力特性生态化改造

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微分形式新安江模型

水科学进展 2024年第3期35卷 374-386页

作者：梁忠民赵建飞段雅楠黄嘉璐李彬权王军胡义明河海大学水文水资源学院江苏南京210098 江苏省水利工程科技咨询股份有限公司江苏南京210029

现有新安江模型数学上是代数方程并限于一阶差分方法求解,不可避免存在数值误差,探索数值求解误差控制新途径,对于提高模型计算精度具有重要意义。基于微分系统框架,识别新安江模型的状态变量和通量,推导其控制方程和本构方程,提出微分... 详细信息

现有新安江模型数学上是代数方程并限于一阶差分方法求解,不可避免存在数值误差,探索数值求解误差控制新途径,对于提高模型计算精度具有重要意义。基于微分系统框架,识别新安江模型的状态变量和通量,推导其控制方程和本构方程,提出微分形式的新安江模型(ODE-XAJ),并采用四阶显式Runge Kutta法求解。数值实验结果显示,以解析解为基准,ODE-XAJ绝对误差处于或小于10^(-4)mm量级,可实现对解析解的高阶近似;以ODE-XAJ结果为基准,按归一化平均绝对误差评价,现有新安江模型的数值求解误差约为8.7%。典型流域应用结果显示,ODE-XAJ确定性系数提升0.02,洪量相对误差降低4.3%。研究表明,ODE-XAJ理论上分离了模型的数学方程与具体解法,可有效控制数值求解误差,提升模型模拟精度。

关键词：新安江模型数值误差微分形式 Runge Kutta法屯溪流域

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