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北京师范大学学报 (自然科学版)

JOURNAL OF BEIJING NORMALUNIVERSITY (NATURAL SCIENCE)

2014年10月 第50卷第5期 Vol.50 No.5 Oct. 2014

目 次 CONTENTS

1

基于MIKE 11和MIKE 21的城市暴雨洪涝灾害风险分析=Risk analysis of Urban flooding by using MIKE 11 and MIKE 21

初祁 彭定志 徐宗学 孟德娟 甄婷婷 姜其贵

摘要: 应用MIKE 11和MIKE 21分别构建北京市大兴区天堂河下游地区一维和二维水动力学模型,采用DHI MIKE FLOOD耦合模拟了不同暴雨重现期下该地区的淹没特性.为分析该地区暴雨洪涝灾害的危险性,研究模拟了不同情景下各骨干渠道考虑限制下泄流量的排水状况,整个研究区淹没范围随时间的演变趋势和空间上的分布状况.研究结果表明,整个研究区现状防洪能力不足20 a一遇设计标准,且研究区局部区域最大淹没深度超过2 m,最大积水时间超过8 h,是防洪排涝的重点区域.该结果可为下一步暴雨风险评估,滞洪区的选址和闸坝调度方案的制定提供参考依据.

2

基于SWMM模型的北京大红门排水片区雨洪模拟研究=Simulation of urban storm at Dahongmen drainage area by SWMM

赵刚 庞博 徐宗学 杜龙刚 钟一丹

摘要: 大红门地区属于北京市洪涝多发区,近年来,随着城市化进程加快,洪涝灾害进一步加剧.本研究基于SWMM模型构建了该区域一维管网、河网模型相耦合的城市雨洪模拟模型,并分别选用20000808、20030627、20010724号实测三场暴雨和洪水资料,对模型参数进行了率定和验证.结果表明:率定期流量相对误差分别为3.37%和-7.45%,洪峰流量相对误差分别为-7.65%和-9.84%,峰现时间相对误差分别为2 h和0;检验期20010724号洪水流量相对误差为18.28%,洪峰流量相对误差为14.4%,峰现时间相对误差为0.研究结果表明,该模型能够较好的模拟北京大红门排水片区的雨洪过程,可为该区域的防洪决策提供技术支撑.

3

SWMM模型在城市暴雨洪水模拟中的参数敏感性分析=Analyzing parameter sensitivity for the SWMM model in urban storm water simulation

史蓉 庞博 赵刚 杜龙刚 钟一丹 左萍

摘要: 城市降雨径流管理模型SWMM模型采用离散化的空间参数来描述区域的水文变化特性,从物理意义上描述了城市雨洪过程.但众多不确定的参数影响了模型的应用效果,有必要对其参数进行敏感性分析.研究将SWMM模型应用于北京市大红门排水片区,采用2000—2003年3场独立场次洪水资料对模型进行率定与验证.在此基础上利用Morris筛选法定量分析了模型参数对模拟结果的影响.结果显示,模型能够较好的模拟大红门片区的暴雨洪水过程,径流量相对误差皆在20%之内.在上述参数中,模拟洪峰和相对误差都对N-Imperv(不透水区曼宁系数)、Imperv(不透水率)及Slope(坡度)较为敏感,相关系数对N-Imperv(不透水区曼宁系数)和Slope(坡度)较敏感.

4

基于SWAT模型的母猪河流域水资源时空变化特征研究=Spatiotemporal variation of available water resources in the Muzhu River basin

左德鹏 徐宗学 李福林 张明芳 刘品

摘要: 在山东胶东半岛母猪河流域构建了分布式水文模型SWAT,在模型参数敏感性分析、参数率定、模型验证的基础上,对研究区月水文过程进行模拟,并在此基础上分析了母猪河流域近年来水资源时空变化特征.研究结果表明米山水库水文站月径流过程模拟效果较好,率定期和验证期R2ENS均在0.8左右.母猪河流域多年平均年径流深为372.5mm,西母猪河源区年均径流深较高,东母猪河子流域较低,流域年径流深基本上呈西高东低的空间分布特征.春夏两季与年径流深空间分布特征较为一致,而秋冬两季径流深空间分布较均匀.汛期710月份流域产流量约占全年总产流量84,极易引发流域性大洪水,而非汛期产流量严重不足,流域水资源短缺问题十分严峻.

5

太湖流域土地利用变化对径流的影响研究=The impact of land use changes on streamflow in Taihu basin

张明月 彭定志 林荷娟 邱玲花

摘要: 选取太湖流域作为研究区,利用2001和2010年的MODIS土地利用数据,以及1991—2012年降雨资料,采用L-THIA(Long-Term Hydrological Impact Assessment)模型对流域近年来的径流过程进行模拟,探讨土地利用变化对径流的影响.结果表明:从2001年到2010年,耕地面积由59.3%减少到57.7%;草地面积由8.9%减少到7.3%;裸地/荒地面积由0.5%增加到1.7%;滩涂面积由1.4%增加到2.5%.在2001年土地利用条件下,模型模拟的1991—2012年均径流量为6.03×109 m3;而在2010年土地利用条件下,年均径流量为6.66×109 m3,径流变化主要由裸地/荒地以及滩涂两种土地利用类型变化引起且由土地利用变化引起的年均径流量增加了9.4%.

6

概念性水文模型HYMOD在雅砻江流域的适用性研究=Application of conceptual hydrological model HYMOD in the Yalong River basin

全钟贤 罗华萍 孙文超  鱼京善 李占杰

摘要: 雅砻江流域蕴藏丰富水能资源,是我国水电开发的重点流域.长时间序列水文数据是水电站设计、水电开发生态效益评估的重要基础数据.当前雅砻江流域水文站点密度稀疏,水文数据较为缺乏.分布式水文模型是估算长时间序列河川流量的常用工具.本研究以雅砻江流域甘孜上游地区为研究区域,探讨使用数据较少的概念性水文模型HYMOD在雅砻江流域的适用性.采用通用似然不确定法GLUE作为HYMOD自动校正及不确定性分析方法.模拟结果表明,模型率定与验证结果NS系数值均超过0.74,该模型在研究区域的应用效果较好,能够用于估算雅砻江流域长时间序列河川流量.

7

甘肃北山地区三维地质建模方法对比研究=Comparison of 3D geological modelings in Beishan Gansu province

王景瑞 胡立堂 尹文杰

摘要: 三维地质建模是可视化表达地下地质体的空间分布和有效分析空间数据的重要方法.甘肃北山区域面积大而且地质构造较为复杂,是我国高放废物地质处置预选区之一.本文在综述国内外地质建模工具和特点的基础上,基于甘肃北山地区地质和水文地质条件,采用ArcSceneGoCADPetrel以及DHI-WASY公司的FEFLOW Explorer软件构建了三维地质模型,展示了高程信息、断层分布、渗透系数的空间变化,同时将各软件建立的地质模型进行对比,发现GoCADPetrel建立的三维地质模型较优.建立的地质模型,其结果将有助于快速分析甘肃北山高放废物地质处置效果.

8

一种综合反映土地利用变化对流域土壤侵蚀及泥沙量反馈影响的建模方法及应用=An integrated approach to model impacts of land use changes on soil erosion and its application at river basin scale

方青青 王国强 付青

摘要: 土地利用决定了土壤可蚀性和水文结构.合理的建模方式对正确的评估土地利用变化对流域土壤侵蚀的影响尤为重要.然而土壤侵蚀模型的模拟结果的可靠性受制于众多参数的空间变化.本研究基于格网的分布式土壤侵蚀及泥沙输移模型,结合实验室场次模拟降雨实验以及在单次暴雨条件,揭示流域尺度上土地利用变化对土壤侵蚀及产沙量的影响.其中,土地利用变化主要通过比较卢氏流域(河南境内)1990年和1995年土地利用变化图,以及在1990及1995年土地利用图的4场模拟降雨的反馈特征,发现从1989到1996年平均侵蚀速率随着土地利用变化持续增加,尤其是森林转化成耕地的类型区域.结果表明土地利用变化对区域土壤侵蚀及泥沙供给有显著影响.

9

辽河流域昌图县玉米地径流污染试验研究=Runoff pollution from corn field land of Changtu county in Liao River watershed

申萌萌 苏保林 黄宁波 管毓堂 赵永胜 宛俊虎

摘要: 随着化肥施用量的增大,农田径流污染引起的非点源污染问题日益严重.为加强对非点源污染的控制,并为农田径流污染研究提供依据,选取辽河流域玉米地进行小区试验,研究其在自然降雨条件下的径流流失.试验过程中共观测到28场降雨,获得5场出流数据.结果表明,对所选试验地点(坡度5%,种植玉米),降雨量在29.2 mm以上时可能产生径流,形成非点源污染;在降雨产流条件下,氮、磷次降雨平均质量浓度(ρEMCs)与降雨量和降雨强度没有明显相关关系,总磷的流失量与降雨量呈明显的正相关关系.计算得到此次试验中玉米地的总氮、总磷和CODcr的输出系数分别为5.46 、0.57、25.79 kg·hm-2·a-1.

10

苏州相城区望庭镇水稻田降雨径流污染特征研究=Runoff pollution characteristics of a small paddy plot in Wangting Town of Xiangcheng District, Suzhou City, Jiangsu Province

管毓堂 苏保林 黄宁波 张占恩 张磊 申萌萌 周静雯

摘要: 为研究水稻田非点源污染降雨径流的流失规律,减少水田中氮、磷等对地表水环境的污染提供科学依据,在自然降雨条件下,开展水稻田降雨—产流—产污同步观测的非点源试验,分析了降雨强度、降雨前田面水深、农田管理等因素对水田产流、产污的影响,计算次降雨平均质量浓度(ρEMCs). 试验结果表明:同一场次降雨不同污染物的流失规律有很大不同,不同场次降雨的ρEMCs差异也很大;水稻田降雨前期的田面水深是决定径流产生的一个重要影响因子,对于分析是否有径流产生和异常数据的解析有重要作用; 化肥的施用以及降雨距离施肥后时间间隔是影响ρEMCs的重要因素; 苏州望亭镇的试验点, 总氮(TN)、总磷(TP)的径流输出系数分别为4.363 和0.156 kg·hm-2,分别占稻季施肥量的1.21%和0.35%.

11

内蒙古义长灌域土壤盐分变化特征分析=Variation of soil salinity in the Yichang irrigation district Inner Mongolia

刘显泽 岳卫峰 贾书惠 陈爱萍

摘要: 土壤盐渍化是影响作物产量与制约农业发展的重要因素.本文根据义长灌域2012年5—12月份的野外实测资料,分析了试验区土壤含盐量在垂向剖面上的分布特征和变化规律;研究了地下水埋深和矿化度季节性变化规律及其对土壤盐分运移的影响.研究结果表明:强烈的蒸发促进盐分向土表运移,随土层深度的增加,土壤含盐量呈降低趋势;土壤积盐脱盐交替频繁,交替周期与灌水周期相对应;地下水埋深受灌排系统影响较大,作物生育期内地下水矿化度无较大波动;由于土壤盐分运移受多种因素影响,在野外试验条件下,单一因素如地下水埋深或地下水矿化度与土壤盐分运移的关系不显著.研究结果可为义长灌域土壤盐渍化防治与水土利用提供理论依据.

12

沣河洪水过程溶解有机物的荧光特征及来源分析研究=Fluorescence and source of dissolved organic matter during storm flows in the Fenghe River

马梦娇 张淑荣 丁爱中 贾彤辉

摘要: 利用三维荧光光谱技术对陕西西安境内的沣河秦渡镇水文站和高桥水文站的暴雨期间洪水过程的溶解有机物进行研究,讨论了荧光溶解有机物的来源、组成、分子结构等特征.结果表明强降水带来了更多荧光溶解有机物,表现为冲刷效应,洪水过程河流溶解有机物的荧光峰主要以代表陆源有机物的类富里酸荧光为主,类蛋白荧光较弱或没有检测出,表明人为污染影响较小.结构特征为腐化程度高、芳香性大,以大分子的有机物为主.春季首次强降水冲刷的有机物结构成分较为复杂,点源污染稀释作用和水库泄洪作用对洪水过程有机物的浓度、组成、结构等变化特征也有很大影响.

13

全国水资源分区社会经济及用水量数据汇总系统设计与实践=Processing system for economic and water consumption data in the national water resources regions

程涛 崔英 鱼京善 孙文超 杨中文

摘要: 用水效率评价是水资源利用“3条红线”管理重要组成部分.作为水资源管理基本单元,如何合理估算各水资源分区社会经济及用水量是开展用水效率评价的基础.本研究构建全国水资源分区社会经济及用水量数据汇总系统,将县级行政区数据向水资源三级区数据进行转化.其核心是利用人工神经网络模型建立土地利用及高程等信息与社会经济及用水量的相关关系,对全国县级行政区与水资源三级区套图形成斑块的社会经济及用水量进行估算,之后按照水资源分区进行汇总.计算结果显示分区汇总后的数据基本合理同时极大力高了工作效率,能够作为开展水资源分区用水效率评价的有力工具.

14

基于.NET的马斯京根参数率定软件开发及其应用=Development and application of software to estimate Muskingum Model parameters under .NET framework

王子丰 徐宗学 魏国孝 赵捷

摘要: 马斯京根模型是经典的一维汇流模型,它在洪水预报、径流模拟领域应用广泛.马斯京根模型应用的关键在于对模型参数做出合理的率定,但目前尚缺乏计算机软件.在此背景下,本研究设计了一种面向对象编程模式下的马斯京根模型参数率定软件,并在.NET框架下使用C#语言完成了程序开发.该软件内置了试错法、最小二乘法、线性代数方法和遗传算法4种参数率定算法,具有Excel文件输入输出功能以及计算结果显示分析功能.经过实际应用,结果表明该软件操作方便,提高了马斯京根模型参数率定效率,具有较好的推广应用价值.

15

黑河生态调水前后中游土地利用变化分析=Land use changes after ecological water diversion in midstream of the Heihe River basin

苏龙强 徐宗学 程春晓 赵捷 王子丰

摘要: 水资源对干旱区土地的开发利用起着决定性作用,基于GIS的空间数据处理功能及数学统计分析功能,分析生态调水前后1986—2000年和2000—2005年2个时期黑河中游土地利用的动态变化.结果表明:调水前,耕地和城乡建设用地处于增加状态,调水后增速加快;调水前,林地、草地和未利用土地均处于减少状态,调水后,林地和草地减速有所缓解,未利用土地的减速增加;调水政策的实施使水域面积从减小趋势转变为增加趋势.实施黑河生态调水后,中游土地利用整体变化速度加快.调水前,土地利用变化的主导类型是耕地、草地和水域;调水后,土地利用变化的主导类型为耕地、未利用土地和草地.黑河中游土地资源的开发程度呈增加趋势,调水后比调水前发展速度快.

16

黑河流域上中游植被蒸散发时空演变趋势及其影响因子分析=Temporal-spatial variations in evapotranspiration in the Heihe River basin and their correlation with different meteorological/hydrological factors

程春晓 徐宗学 张淑荣 刘昌明 王志慧

摘要: 结合遥感产品及气象站点数据,分析了黑河上中游2001—2012年蒸散发(ET)时空演变规律及分布格局,对比分析地表温度(LST)、空气温度、降雨、水汽压、相对湿度、风速6个环境因子对ET的影响.结果显示,2001—2012年时间段黑河上中游年ET有略微下降趋势(R2=0.01), 12 a的年平均ET为470.3 mm,年ET最小值出现在2001年,2002年发生了"突增",2003—2007年呈现上下波动趋势,2008年发生了"突降",2008—2012年呈现了显著上升的趋势(R2=0.97),同时上、中游区域年平均ET呈不同的变化趋势.对整个研究区域生长季内ET呈显著影响的因子为降雨、空气温度和水汽压.同时,由于气象条件及地表供水条件的时空变化,针对不同区域及不同植被类型,影响ET变化的主要环境因子也发生变化,除空气温度和水汽压之外,农田ET对能量供给的太阳总辐射变化较为敏感,草地ET对水分供给的降雨变化较为敏感,林地ET则对表征大气湍流情况的风速变化较为敏感,而灌木ET对地表温度的变化较敏感.

17

黑河上中游流域地表植被对干旱的响应=Vegetation response to meteorological drought in upper and middle reaches of the Heihe River basin

赵 捷 徐宗学 左德鹏 王子丰 余学林 程建忠

摘要: 在干旱半干旱区,水量是植被生长发育的重要因素.本文基于黑河上中游流域2000—2010年MODIS遥感叶面积指数(LAI)产品、中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集等多源数据,计算研究区域各栅格逐月的累积相对湿润指数,通过皮尔逊回归分析,建立LAI与累积相对湿润度指数的相关关系,以此定量评价黑河上中游流域不同土地覆被类型(农田、森林、草地、聚落、湿地)LAI对气象干旱的响应.结果表明: 1) 植被对干旱的敏感性随植被生长的不同阶段而变化,多数类型的植被在每年的8月份对干旱最为敏感; 2) 不同类型的植被受干旱影响的程度不同,干旱对农田和草地的影响较大; 3) 含虚拟变量的回归模型能够合理地描述干旱对植被的影响,模型具有一定的精度.

18

黑河流域地下水埋深与气候变化对植被覆盖的影响研究=Space time variety rule of vegetation response to dynamic change of groundwater and climate changing in Heihe River basin

宋鹏飞 白利平 王国强 徐宗学 吴滨滨

摘要: 植被是联结土壤、大气、水分的自然纽带,在一定程度上,植被变化能在全球变化研究中充当"指示器"的作用.黑河流域位于我国西北干旱地区,气候变化敏感, 以黑河流域为研究区,采用1998—2008年Spot-Vegetation的NDVI数据,以同时期的气象数据和区域地下水埋深数据为基础,通过ENVI、Arcgis等软件对数据进行统计分析,利用多元统计模型分析植被指数NDVI与年均温、年地下水埋深之间的定量关系,得出如下结论: 1) 黑河流域植被覆盖呈上升趋势,其中春季增加趋势最大;在空间分布上,黑河流域上中游的张掖、金塔等地区植被覆盖增加趋势明显,植被覆盖下降的区域主要在下游地区. 2) 黑河流域的年均地下水水位整体上呈下降趋势,地下水位埋深由年均3.09 m上升到4.67 m,其中地下水埋深较深的位置主要集中在上游,处于张掖市张掖农场周围,下游地区埋深普遍较浅. 3) 植被覆盖指数NDVI与温度成正相关,与地下水位埋深呈现负相关,综合分析NDVI变化趋势与气候变化和地下水之间的关系,建立三者之间的定量关系.本研究为定量评价由植被覆盖为主要表征的区域生态环境状况提出了科学的依据.

19

考虑地表水-地下水交换的分布式水文模型GISMOD开发与应用=A grid-based integrated surface-groundwater distributed hydrological model (GISMOD): development and application

 磊 徐宗学

摘要: 详细介绍了一个基于网格、考虑地表水-地下水转换的分布式水文模型GISMOD.该模型由预处理程序、空间插值模块、蒸散发模块、参数设置和径流模拟5个部分组成.GISMOD不仅考虑了蓄满产流和超渗产流2种产流机制,而且提供了3种空间插值方法和8种蒸散发计算方法,具有良好的适用性.该模型将流域在水平方向上划分为若干相同大小的网格,在垂向上把土壤概化为3层,并根据不同土地利用、土壤和岩石类型设置参数,按照水位流量关系式计算不同土层间的水流交换量.黑河流域的实例研究表明,模拟结果与实际情况基本一致,即黑河流域上游地区以表层水下渗为主,在中游地区地下水反补河流.从季节上看,补给水量和下渗水量呈现出相反的变化规律,当下渗水量较高时,补给水量相应减少.最后,将模拟径流量与莺落峡实测结果进行对比,不论在日尺度还是月尺度GISMOD均取得了较好的模拟效果.

20

黑河干流中游地区地表水和地下水集成模拟与应用=Integrated surface water-groundwater model and application in the middle branches of the Heihe River basin

胡立堂

摘要: 黑河干流中游地区内地下水和河水、泉水的转化以及综合利用具有西北干旱区的典型性.在一维明渠汇流和三维地下水流耦合数值模型的基础上,结合19952003年的黑河水位、流量和地下水头监测等数据对模型进行了识别,分析了正义峡站黑河水位和流量、地下水头变化和地表水和地下水综合利用状况,说明模型是可靠的.同时,利用GRACE重力卫星和GLDAS土壤含水量数据反演了20042012年地下水储量的变化,根据20042007年监测和模拟地下水头对比效果反推了研究区的地下水开采量,模拟发现地下水向黑河排泄水量、泉水溢出量和潜水蒸发量基本呈逐渐下降的趋势.其成果可为黑河干流中游地区水资源管理和综合利用提供服务.

21

流量数据量对分布式水文模型参数率定结果的影响分析——以黑河流域上游为例=Impact of discharge data on the calibration of a distributed hydrological model: a case study in the Heihe River basin

崔兴齐 滕建标 姚晓磊 孙文超 鱼京善

摘要: 缺资料流域水文模型的参数率定是水文学科的一个研究重点.除传统的参数区域化方法以外,考虑到在部分缺资料流域可能存在少量短时间序列或零星不连续径流量观测数据的实际情况,近年来采用少量不连续径流量观测数据率定模型参数的方法逐渐引起关注.本研究以我国西北内陆的黑河流域上游为研究区域,选取分布式水文模型SWAT(Soil and Water Assessment Tool)为研究工具,使用SUFI-2方法作为参数自动率定与不确定性分析工具,分析不同径流量观测数据数量对模型参数率定结果的影响.研究结果显示, 4组不同径流量数据在验证期的Nash效率系数均为0.67,表明使用1年的径流量数据进行参数率定时所获得的模拟效果可以达到使用多年径流数据率定参数的水平;比较各组模拟结果获得的P因子和R因子,表明使用1年径流量数据进行模型率定的不确定性会更大.

22

基于VIC模型的黑河上游流域径流模拟不确定性分析=Uncertainty analysis of VIC model based on GLUE method

何睿 庞博 张兰影 史蓉

摘要: 研究采用VIC(variable infiltration capacity)模型对黑河上游流域地区的水循环过程进行模拟,并应用GLUE(generalized likelihood uncertainty estimation)不确定性分析方法定量探讨模型参数的敏感性和输出的不确定性.研究结果表明,VIC模型率定期和验证期的Nash效率系数分别为0.620.64,流量过程线拟合较好;所选需测定的VIC模型的7个参数中,最大基流量Dmax、下层土壤最大含水量的比例系数Ws以及第一层土壤含水层厚度d1 3个参数对模型敏感,其中参数d1最为敏感;除部分低流量区外,实测流量基本在置信度90%下模型预报的不确定性范围内.研究结果表明,VIC模型能够较好地模拟黑河上游流域的径流变化过程,具有较好的适应性.

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