二元年径流演化模式及其在无定河流域的应用

由于受人类社会活动影响的不断加强,流域水循环过程变得越来越复杂.探索流域年径流量的演变规律对定量分析变化环境中的水资源状况和预测流域未来水资源的演变规律具有特别重要的意义,因为以年为时间尺度能最好地反映天然和人类活动驱动下的流域水资源变化规律.在水资源的二元演化模式下提出了年径流的天然-人工二元演化理论,并在黄河中游的无定河流域进行了应用.应用实例中着重对无定河流域下垫面动态变化情况下的降水径流关系进行了深入的对比分析,并提出了代表流域水保措施的水保指标面积的概念,利用水保指标面积来反映流域下垫面条件,并建立了反映流域下垫面动态变化的降水径流经验模型.     

黄河源区水循环变化规律及其影响

黄河源区的水文循环规律在20世纪90年代发生了很大的变化.河源地区水循环变化的主要特点是在降水量变化不大而且略有增加的前提下,径流量有比较明显的下降,而且径流也更加集中在汛期.河源地区的水平衡调蓄量一直处于负均衡状态,从而导致了该地区生态环境的恶化.径流减少的主要原因是蒸发量的增加.河源区径流量与上游各水文站的径流量有较好的相关关系,河源区径流减少,整个黄河上游地区的来水量也有下降趋势,影响全流域的水资源供需平衡.径流减少后当地生态环境恶化,河道系统的水文循环发生深刻的变化.今后的演变趋势是由于西北地区温度持续变暖,21世纪的水循环的演变趋势将是蒸发量增加,径流量进一步减少.因为水利工程的修建,局部生态环境恶化态势会有所缓解,但是对于下游的生态环境影响却很复杂.     

用混合回归模型预测黄河三门峡站年径流变化的初步研究

年径流形成过程受到很多因素的影响,对其未来的精确描述十分困难,常用的成因预测法和统计预测法都有其一定局限性.以年径流作为自回归因子,降水、气温和用水做为回归因子,建立了年径流预测的混合回归模型,并以黄河三门峡站为例,对黄河三门峡站天然年径流未来变化进行了6种方案下的预测.研究表明,混合回归模型既能较好地模拟气温、降水及耗水变化对年径流量的影响,也能体现年径流自身的演变规律.     

松嫩平原洪水资源利用引蓄水方式研究

以松嫩平原为背景，在河流水资源结构分析的基础上，提出了平原地区洪水资源利用蓄水模型。综合考虑需求、可蓄水量以及蓄水时可承受的风险等因素，将洪水利用状况划分为全蓄型和分蓄型。根据蓄水区蓄水前后防洪能力的变化，提出模型应用风险分析标准及其评估方法。并以嫩江下游大赉河段为例，选择代表性水文年进行分析，结果表明：从利用角度，按照生态、农业需水状况引蓄洪水，不仅能够缓解春旱，而且所产生的蓄水风险也可以承受；从防洪角度，能够大幅度削减洪峰流量，所蓄水量能够提高枯水期河道径流量，改善河流水资源结构。     

岷江源头区森林景观动态与土壤侵蚀的关系

为了解岷江源头区森林经过变迁对土壤侵蚀的影响,利用遥感和GIS技术分析了岷江源头区的森林景观动态(1974～2002年),应用USLE模型计算该区域同时期的土壤侵蚀变化.近30年来,随着森林景观面积的持续增加,土壤侵蚀量逐渐减少,各景观类型的散布指数也随着土壤侵蚀量的减少而增加.各不同的森林景观控制土壤侵蚀的能力存在差异,针叶林最优,阔叶林次之,针阔混交林最差.森林景观破碎度随土壤侵蚀的增长而增加,分布在较轻侵蚀区中的景观斑块具有更复杂的形状.     

基于水热耦合平衡方程的黄河流域径流变化归因分析

选择黄河流域38个典型子流域为研究对象,基于流域水热耦合平衡模型,计算了各流域径流对气候和下垫面变化的弹性系数;进一步针对各流域在1961~2010年间的径流变化,定量区分了气候变化和下垫面变化对各典型子流域天然径流减少的影响程度.结果表明:径流的气候弹性和下垫面弹性具有一致性,黄土高原地区的水文过程对气候和下垫面变化更加敏感.下垫面变化对绝大多数子流域的径流量减少起主导作用,特别是黄土高原地区水土保持对径流的影响不可忽视.本研究表明,基于流域水分-能量耦合平衡方程的径流弹性分析方法,对定量区分气候和下垫面变化对流域径流的影响具有广阔的应用前景.     

基于遥感叶面积指数的水文模型定量评价植被和气候变化对径流的影响

摘要针对经典概念性降雨径流模型较少考虑植被信息的问题,本文以澳大利亚南部典型中尺度Crawford River试验流域为研究基础,采用基于NOAA/AVHRR 遥感叶面积指数的Penman-Monteith蒸散发模型对原新安江模型和SIMHYD模型进行改进,借助改进的水文模型模拟植被变化后的径流过程,并尝试定量划分植被变化和气候变化的径流响应.结果表明：新安江-ET 模型和 SIMHYD-ET 模型与原模型相比,模拟精度有一定提高.另外,在 Crawford River 流域有 25%的面积植树造林情况下,流域年径流总变化量为 32.4 mm,为造林前多年平均径流量的 47.6%. 其中,由植被变化引起的径流变化量为 20.5 mm,为造林前多年平均径流量的 30.1%;由气候变化引起的径流变化量为 11.9 mm,为造林前多年平均径流量的 17.5%.说明造林使该流域径流量明显减少,而且相对于气候变化而言,植被变化对径流量的影响更为显著.     

塔里木河流域山区和绿洲潜在蒸散发的不同变化及影响因素

通过塔里木河流域天山山区中部和西南部山区11个气象站以及开都-孔雀河、阿克苏河、喀什和叶尔羌绿洲共18个气象站的气象数据,对比分析了塔里木河流域山区和绿洲在1960-2006年间潜在蒸散发变化的不同趋势及气象因子的不同影响,并根据潜在蒸散发与山区降水、绿洲耗水之间的相互关系,分析了山区和绿洲潜在蒸散发变化趋势不同的原因.塔里木河流域山区和绿洲都具有潜在蒸散发下降的趋势,且潜在蒸散发的下降主要表现在其空气动力学项的减小,但绿洲潜在蒸散发的下降趋势明显强于山区.山区辐射和风速下降对潜在蒸散发的影响最为显著,而绿洲风速下降的影响最为显著.基于蒸散发互补相关理论分析发现,塔里木河流域山区和绿洲潜在蒸散发的下降分别与降水和绿洲耗水的增加紧密联系,反映了自然因素变化和人类活动对潜在蒸散发的不同影响.     

黄河下游水资源转化结构及其变化规律

在黄河下游河流生态环境需水量和河流系统功能研究的基础上,结合研究区域的实际情况,针对水资源在河流系统中的不同服务目标,将通过黄河下游各主要水文断面的水资源划分为生态环境水、资源水和灾害水3个组成部分(简称“三水”),并分别对“三水”的概念及其在实践中的意义进行了阐述.通过对1950～2001年逐日水文数据的整理分析,计算了每年的“三水”数量,探讨了50多年来“三水”的相互转化情况及其变化规律.结果表明,自20世纪50年代以来,尽管水资源优先用于满足河流系统功能最基本的需要,但可用生态环境水在比例增加的同时水量却不断减少,与黄河下游河道最小生态环境需水量的差值不断增大;而潜在可利用的资源水无论是数量还是比例均呈明显减少趋势.20世纪90年代以来,沿岸实际需水量已经超过潜在可利用的资源水量而需动用早已不足的生态环境水,使河流系统正常功能进一步受损、河道日益萎缩,进而导致灾害水在总水量大幅减少的情况下其比例及潜在危害仍无明显减小.     

三峡水库支流河口淤积及拦门沙形成风险研究

三峡水库库区分布有大小66条支流,水库蓄水后部分支流河口泥沙大幅度沉积,其形成拦门沙坎的可能性亟待揭示.本文以多期次水下地形为基础,辅以原型固定断面观测成果,基于DEM数字高程模型,计算和分析了三峡水库蓄水后库区支流河口段泥沙淤积量及其沿程、平面的分布特征,研究了三峡库区主要支流河口泥沙堆积形态及成因.结果表明,三峡水库蓄水后2003年3月～2011年11月间库区支流累计淤积泥沙1.8亿m3.水库蓄水使得支流河口段水动力条件减弱是泥沙淤积的根本原因,支流来沙、倒灌泥沙及交汇段干支流河势影响泥沙淤积幅度和范围.三峡水库支流河口段淤积的泥沙以干流倒灌为主,支流来沙堆积的现象也存在,随着干支流来沙量趋于减少,支流河口淤积形成拦门沙坎的风险较小.     

基于条件风险价值的两阶段随机规划模型在草地生态系统恢复中的应用——以三江源区为例

以三江源草地生态系统为例,构建了基于条件风险价值的两阶段随机规划模型,通过综合考虑环境需求、水土流失、治理成本等若干因素,对三江源区4个州的超载畜牧面积、草地修复面积进行优化分析,对超载带来的损失、修复带来生态效益增加及成本增加进行了核算,为三江源区的生态恢复与管理提供了理论依据.本文的优化分析结果表明,草地超载畜牧面积以及由此带来的损失随着随机水平的增加而减少.此外,三江源区的生态经济收益将随着风险因子值增加而减少,决策者所持风险态度对生态恢复方案的制定起着决定性影响.优化结果有助于决策者在经济效益与系统风险之间进行权衡,建议将减少牲畜总量作为草地恢复和治理的主要目标,同时发展生态畜牧业以促进草地生态与畜牧业协调发展.同时,建议相关地区进一步完善畜牧业生态补偿机制,协调好地区经济发展与生态系统保护之间的关系.     

水资源系统整体模型研究

基于新近发展起来的复杂适应系统理论,建立了流域级的水资源系统整体模型,用于分析研究流域的水资源管理和配置.通过一个整体的模型框架,将水资源系统中水文、生产、生活、生态环境和管理制度等子系统的相互作用通过内生变量进行联接,从而取代以往组合模型仅仅通过计算结果的传递来描述子系统间作用的方式.结合整体模型框架的特点,提出了用于求解这个高纬度的非线性模型的嵌套遗传算法,并应用于黄河流域,分析了南水北调西线工程的合理调水量及其边际效益.     

鄱阳湖与长江干流水量交换效应及驱动因素分析

针对长江与鄱阳湖复杂的江湖关系,立足于"湖补江"、"湖分洪"等水量交换过程,基于概念解析、方法定义等手段,提出了顶托强度指数、倒灌强度指数及水量交换系数的概念和计算方法,定量表征了长江与鄱阳湖间顶托、倒灌、"湖补江"、"湖分洪"等水量交换相互作用及年内变化过程,并利用了TFPW-MK和MK趋势分析法研究了水量交换年际变化趋势,从流域来水差异、三峡水库调度及湖区水位容积变化角度,探讨了驱动江湖水量交换效应变化的机制及量化影响.研究成果表明:综合影响下鄱阳湖汛期7~9月多年平均顶托强度27.5%,时常发生倒灌现象,平均倒灌强度8.3%,水量交换以"湖分洪"状态为主;枯水期12~4月多年平均顶托强度8.8%,水量交换以"湖补江"状态为主.2003年三峡水库运行调度以来,增加了长江中下游干流12~3月流量,湖口顶托强度增加6.0%;汛期削峰作用降低湖口顶托强度4.8%,倒灌强度减弱2.3%.近20年来鄱阳湖湖区容积变化导致多年平均顶托强度降低0.14%.长江与鄱阳湖流域来水差异是直接驱动江湖关系变化的主因.本文加深了对通江湖泊水量交换机理的认识,研究成果可为鄱阳湖湖泊综合治理提供借鉴.     

深海热液羽流动力学特性的数值模拟研究:以卡尔斯伯格脊大糦热液区为例

建立了基于雷诺平均方法的计算流体动力学模型以模拟深海层化环境下高温热液羽流的上升、扩散和湍流混合过程,并应用于研究西北印度洋卡尔斯伯格脊大糦热液区羽流的特性.根据现场测量数据,分析了模型的参数敏感性,重点讨论了喷口流量、环境浮力频率等因素对羽流运动过程的影响.计算得到了层化海洋环境中热液羽流的三层流场结构形态以及最大上升高度、中性浮力高度等关键环境参数.结果表明,经典卷吸假设仅适用于0.6倍最大上升高度以下的羽干区域,而中性层水平输运和羽帽区循环等作用使得羽流上部具有复杂的结构;湍流动能和湍流耗散率均在热液口附近达到最大值,而湍流黏度的最大值却出现在羽帽区,说明羽帽区存在强烈的湍流混合.通过所建立的模型对大糦热液区所探测到的热液羽状流进行了定量模拟,其结果得到了现场观测数据的验证,并估计了高温热液喷口的热通量约为39.38 MW.研究结果对海底热液喷口的示踪、海洋物质能量循环过程研究和海底多金属硫化物资源勘查与环境评价具有支撑价值.     

适用于超声速湍流扩散燃烧流动的火焰面模型

为了建立适用于超声速流动的湍流扩散燃烧模型,本文首先分析了火焰面模型应用于超声速流动的物理基础,然后数值模拟了轴对称超声速射流形成的氢气/空气扩散燃烧流场,利用实验数据校正了火焰面模型中重要物理量标量耗散率的模型系数.计算结果与实验数据的对比表明,本文修正后的火焰面模型对超声速湍流扩散燃烧流动的模拟能力是令人满意的.基于火焰面模型理论以及数值模拟结果,本文首次研究了湍流脉动对平均状态方程以及化学反应源项的影响机理,得到以下结论：组分浓度和温度脉动相关项对平均状态方程影响很小;温度脉动会降低水的生成速率,但其影响较小;组分浓度脉动在接近于氧化剂一侧区域增加水的生成速率,而在另外的大部分区域会降低水的生成速率;组分浓度与温度的脉动相关作用会很大程度上降低水的生成速率.     

考虑温度影响的UH模型

首先分析了温度对饱和粘土力学特性的影响规律,基于真强度概念并结合潜在强度的确定方法推导出不同温度下饱和粘土临界状态应力比的理论计算公式;随之将温度作为变量引入到姚仰平等人提出的UH模型（采用统一硬化（Unified Hardening）参数建立的三维超固结土弹塑性本构模型）中,建立了能够考虑温度影响的UH模型;并根据姚仰平等人提出的变换应力方法,将模型简单地三维化.该模型继承并发展了UH模型,不仅能够描述某一恒温下超固结土的硬化、软化、剪胀等应力应变特性,而且能够反映由于升温引起的体积变化特性.与修正剑桥模型相比,所提出的模型仅增加了一个参数来反映粘土的前期固结压力随温度升高而降低的特性.在常温时此模型就退化成原始的UH模型,而在常温且无超固结时就退化为修正剑桥模型.模型的温度适用范围为介于孔隙水熔点与沸点之间的温度（例如本文所采用试验所涉及的介于适用范围内的温度20℃~95℃）.通过与已有的试验结果对比分析表明,模型能够较为合理地描述超固结土的基本力学特性.     

塔里木河下游生态输水与生态调度研究

以塔里木河下游为研究对象,通过连续14年的动态监测、资料收集、野外数据采集及实验室数据处理,对塔里木河下游生态输水的特点及方式、生态输水后的生态环境变化进行了系统的分析与评估,同时对下游生态调度策略与模式进行了初步探讨,得出以下结论:(1)塔河下游生态输水经历了从单通道、双通道输水,向汊河输水和面状输水方式的转变;(2)从河水耗散分析看,补给地下水占比最大为57.7%,土壤与植被消耗占37.9%,入湖水量与河道内水面蒸发所占比例为4.4%;(3)输水后塔里木河下游地下水位上升、地下水水质明显好转,植被面积扩大,群落物种种类增加,胡杨长势好转,表明塔里木河下游生态退化的趋势得到遏止,但生态脆弱性依然没有根本转变;(4)为了更好地巩固生态恢复的成效,应制定合理的生态调度计划,在河道线状输水的基础上,进一步扩大受水区范围,有效补给地下水,合理调控地下水位;(5)生态变化是一个长期而缓慢的过程,需从地表水、地下水、植被响应、生物多样性等方面,长期监测输水对生态环境恢复的响应,以利采取更为科学有效的措施.     

考虑盐岩蠕变的盐穴储气库地表动态沉降量预测

将盐穴储气库地表沉降量计算分为造腔和存储两个阶段进行研究,考虑了盐岩蠕变性的影响,采用扩展形式的Gaussian曲线表示沉降区形状,建立了盐穴储气库地表动态沉降量计算模型,并推导出相应的地表动态沉降量计算公式.采用本文模型、Schober＆Sroka模型、Fokker模型和FLAC3D对某盐穴储气库地表动态沉降量进行了模拟计算,分析了盐穴储气库的造腔速率、内压、埋深、直径、高度和时间等因素对盐穴储气库地表动态沉降量的影响,并对比了计算结果.计算结果表明：本文模型考虑到盐岩蠕变性特征具有较高的计算精度,可以满足实际工程计算精度要求;盐穴储气库地表动态沉降量随着造腔速率、埋深、直径、高度和时间增加而增加,随着内压增加而降低;内压、埋深、直径和时间对盐穴储气库地表动态沉降量影响比较显著,而造腔速率和高度对其影响不显著.     

基于嵌入式系统动力学的人水系统模拟及应用

基于人水系统概念和嵌入式系统动力学（ESD）方法，以一个相对独立的城市区为例，介绍人水系统模拟的ESD模型，说明ESD模型的优越性。通过ESD模型的模拟计算，分析实例区人水系统演变的主要影响因素以及调控方向和措施。模拟结果表明，该城市区总用水量在各年远未达到水资源可利用量，而水质控制目标已经达到临界状态；其发展的瓶颈是污水处理能力偏低，可以通过建设污水处理厂，增加污水处理能力，以提高该区的发展规模。     

致密砂岩气水相对渗透率模型

致密砂岩富含微米级孔隙,其气、水两相流动复杂,如何建立可靠的相对渗透率模型是目前亟待解决的问题.基于流体单管流动方程耦合二阶滑移模型,结合分形理论,建立了致密砂岩储层气、水相对渗透率模型,该模型考虑了气体滑脱效应、孔喉结构参数、含水饱和度分布,模型的可靠性通过多个已发表的气水相对渗透率实验数据验证.结果表明:1)建立的模型可用以描述致密砂岩储层微米尺度孔隙中的流体流动行为; 2)压力和含水饱和度增加都会减小滑脱效应对气相相对渗透率的提高作用,当压力小于1 MPa时,气相相对渗透率对压力极为敏感;温度对气相相对渗透的影响有限,可忽略; 3)孔径分布分形维数和孔隙迂曲度分形维数增加,有利于气相相对渗透率的提高,但会降低水相相对渗透率,且孔径分布分形维数的影响更大.