海绵措施下降雨径流模拟及污染物削减率评价

【目的】为探明海绵措施对降雨径流的削减效果和污染物削减能力,以固原市23 km2海绵试点区为研究对象,模拟不同重现期下海绵措施实施前后降雨径流及污染物的变化规律。【方法】采用高精度地形、GPU加速技术,构建适用于固原市洪涝模拟的水文水动力模型。【结果】结果表明:(1)不同降雨情景下,实施海绵措施后,年径流控制率提高16%~20%,污染物削减率均在98%左右。(2)降雨雨型对径流总量控制率影响明显,小雨量时,大部分降雨被留在当地。(3)模型模拟结果为海绵措施布置提供了指导依据,2号积水点建议布设路旁植草沟和渗井,以减少主干道往该处汇流的水量;3号积水点建议完善排水管网;6号积水点建议布设植草沟及滞留溏;10号积水点建议在西侧主干道布设生态植草沟、透水性路面。【结论】构建了适用于固原市的洪涝模型,可实现海绵措施布置对降雨径流和污染物削减率的模拟,为该城市雨洪管理和城市规划提供了科学依据。

基于GPU加速的溃坝洪水演进模拟研究

溃坝洪水演进与淹没范围快速模拟,对指导抢险救灾至关重要。为此,引入GPU加速技术,构建了一套高效高分辨率溃坝数值模型,与经典三驼峰溃坝试验对比发现,模拟结果与试验结果非常吻合,并利用该模型模拟了典型溃坝洪水演进及溃口流场、溃后水位变化情况。结果表明,模型能较好地模拟溃坝洪水演进,较好捕捉溃口发展过程及泥沙输移。t=200 s时溃决流量出现小峰值4 m3/s,t=450 s时,溃决流量出现最大峰值13.8 m3/s;随着下泄流量增大,溃口加速侵蚀和冲刷并逐渐连通,溃口由0.21 m扩大至0.40 m。GPU加速比约为CPU的10.33~13.75倍,且网格数越多,加速效果越明显。

塔克拉玛干沙漠土壤粒度分布特征及其对粉尘释放的影响

塔克拉玛干沙漠是中国西北的重要粉尘源区,研究区域粒度分布特征及粉尘释放量有助于评估区域大气环境质量及其气候效应。基于此,按照空间分布特征及下垫面类型(农田、沙丘、荒漠)环塔克拉玛干沙漠采集地表土壤样品138个,利用Mastersizer2000激光粒度仪分析土壤粒度组成,利用DPM模型计算粉尘释放通量,以期揭示塔克拉玛干沙漠地表土壤微团粒粒度分布特征及其对粉尘释放通量的影响,研究结果表明:1)138个样品中流动沙丘和沙垄的粉砂和黏粒含量累计之和最少,约占10%~18%左右,属于砂质土和砂壤质土。农田(绿洲、林带区)样品多为草甸土,粉砂和黏粒累计含量约占50%~80%,戈壁(荒漠区)样品中粉砂和黏粒的含量差异较大,砂质土和砂壤土的粉砂和黏粒的含量累计之和约占20%~30%。2)地表土壤微团粒中粒径较小的是细砂和粉细砂,可用3个对数正态分布群体表示,即:粉细砂群体、细砂群体、粗砂群体,中值粒径依次为90、225、500μm,标准偏差分别为1.02、1.53、1.08,各占比例约为30%、49%、21%。3)塔克拉玛干沙漠粉细砂和细砂的粉尘释放量最大,中砂粗砂次之,极粗砂最少,其最大差值的数量级为10^-2μg/(m^2·s)。研究结果可以较好地反映不同下垫面粉尘释放差异,对定量评估区域乃至全疆的粉尘释放量等具有重要意义。

近地层沙尘水平通量与集沙效率野外观测分析

沙漠是沙尘物质的重要源区,沙漠近地层沙尘水平通量的测量与研究是认识沙尘输送过程、评估风沙活动强度的基础。集沙仪是测量沙尘水平通量的最重要手段之一,被广泛应用于各种观测试验中。集沙效率是集沙仪最重要的参数,是校正沙尘水平通量测量数据的依据。选择塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的典型平沙面为观测点,利用全自动高精度集沙仪,H-11B型Sensit风蚀传感器、10 m气象塔,于2010.7-2010.8月开展了野外观测试验,基于观测数据对全自动集沙仪的集沙效率、近地层沙尘水平通量进行了分析研究。结果表明:相同时段内,集沙总量与Sensit风蚀传感器所记录的跃移颗粒数具有较好的线性关系,R^2值平均为0.6053;全自动集沙仪在5 cm高度上的平均集沙效率为94.3%;观测期间,不同沙尘天气过程的沙尘输送量存在显著差异,通过宽2 cm×高5 cm截面的最大沙尘水平通量为190.335 kg,最小为1.2 kg;5 cm高度上的跃移输沙率总体上随着风速的增加而增大,但其中有部分天气时段输沙率随风速的变化不一致,而此情况下对应时段的地表温度明显更大。

塔克拉玛干沙漠腹地贴地层风沙流结构研究

利用微梯度集沙仪在塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区实测的2014年7—8月贴地层输沙量梯度观测资料(观测高度区间0~5 mm、5~15 mm、15~35 mm、35~85 mm),对沙尘天气过程贴地层风沙流结构进行了研究。结果表明:(1)沙尘天气(沙尘暴和扬沙)过程中,随着风速的增大,各高度层输沙量也随之增大。沙尘暴天气中,风速<7.5 m·s^(-1)时,15~35 mm处的百分含量超过5~15 mm处的百分含量,风速>7.5 m·s^(-1)时,15~35 mm处的百分含量达到最大,其余各高度含量变化不明显。扬沙天气中,风速<8.0 m·s^(-1)时,百分含量最大值出现在35~85 mm高度处,占48.9%,风速>8.0 m·s^(-1)时,大小依次为:15~35 mm(49.5%)>35~85 mm(31.7%)>0~5 mm(12.7%)>5~15 mm(9.2%)。(2)两种天气过程中,沙粒的平均粒径在垂直高度上均呈现先减小后增大的趋势。粒径峰值均处在125~250 um,极细砂含量最高,细砂次之。与扬沙天气相比,沙尘暴天气过程中极细砂、细砂、中砂在各高度层上的含量略微下降,粉尘含量有所升高。

高精度集沙仪在土壤风蚀研究中的应用

设计了一种全自动高精度集沙仪,可以根据试验要求实时采集不同方位的沙样,获取沙样质量数据,实现全自动高频次连续集沙.利用气象数据和风蚀传感器采集的数据,在野外风沙观测场对全自动高精度集沙仪进行测试分析.结果表明,不同强度沙尘天气下,集沙仪翻斗的翻转频率随着天气强度的增大而增加,呈幂函数关系y=2.115x 0.9841,R 2=0.92,1 min翻转次数由0.3次增加到1.3次.随着天气强度的加强,单次翻转集沙量呈逐渐减小的趋势.发生沙尘暴时,单次翻转集沙量为3.72 g;强度为Ⅰ级扬沙天气时,单次翻转集沙量为4.03 g;强度为Ⅱ级扬沙天气时,单次翻转集沙量为5.00 g.全自动高精度集沙仪野外应用效果良好,是一种适合高精度自动监测野外风沙活动的新型测量工具.

沙尘天气下输沙率的野外观测与分析

2014年7月—2014年8月借助风速仪、微梯度集沙仪,通过野外监测系统获取的试验数据,对塔中地区2014年7月—2014年8月沙尘天气过程中贴地层输沙率进行分析,得出:0～85 mm高度内,随着风速的增大,35～85 mm无论是绝对的输沙量还是相对的输沙量都减少。0～85 mm高度内,各层输沙率最大值均出现在风速为8 m·s-1左右,波动较为显著;最小值出现在6.5 m·s-1左右,波动不明显;沙尘天气中,输沙率最大值出现在5～15 mm高度,最小值出现在35～85 mm高度。扬沙天气中,风速>9.2 m·s-1时,输沙率最大值在0～5 mm处。沙尘暴天气,拐点风速为7.5 m·s-1,<7.5 m·s-1时,输沙率增加不显著,>7.5 m·s-1时,输沙率增加显著。通过微梯度集沙仪获得的上述试验数据是风沙工程设计的一个极重要工程参数,具有重要的实践意义。

塔中地区近地层风沙流的结构特征

[目的]分析特定高度的风沙流结构,阐明其风沙流运动规律,为防沙治沙提供理论依据。[方法]采用全方位微梯度集沙仪和风速仪,收集2014年7月至2014年8月风沙流输沙样,通过对近地层0—85mm风沙流输沙率、风速进行分析。[结果]输沙率与风速的最佳拟合关系为幂函数,相关系数为0.968 7。随风速的增大,风沙流输沙率主要集中在0—35mm,0—5和15—35mm百分含量基本呈上升的趋势,5—15和35—85mm百分含量基本呈下降的趋势。[结论]风沙流运动是一种贴近地面沙物质的搬运过程,随风速的增大,输沙量越来越集中在0—35mm范围内。因此,采取各种措施改变近地表层的风状况及风沙流结构就能有效地削弱风沙活动的强度。

基于精细化观测的沙尘通量分布特征

研究沙尘随高度的变化特征对揭示沙尘物质在近地层分布特征具有重要意义。为揭示0—80 m沙尘通量的垂直分布规律,在野外实测的基础上,选取2008年7月20日、8月7日、8月19日、8月29日4次沙尘天气,对贴地层(0—0.05 m)、中间层(0.05—2 m)、近地层(2—80 m)的沙尘通量进行对比分析。结果表明:贴地层(0—0.05 m),沙尘通量随着高度的增高呈增加趋势,最大值为1604.29 g∙mm−2。中间层(0.05—2 m),沙尘通量随高度分布的关系为幂函数关系,且随着高度的升高沙尘通量减小,决定系数R2值均在0.9以上。近地层(2—80 m),沙尘通量随高度增加呈分段函数分布,32 m、48 m处为沙尘通量的拐点高度。由此看出,研究沙尘通量对阐明沙尘输送机制非常重要,不仅可加强对沙尘输送的定量研究,还可为沙尘输送的数值模拟提供重要参数。

塔克拉玛干沙漠不同下垫面梯度输沙样粒度特征分析

在塔克拉玛干沙漠腹地一次沙尘天气过程中,选取沙丘顶部和平坦沙地两种不同下垫面,收集了6个高度层输沙样粒度进行统计分析。结果表明:沙丘顶部和平坦沙地的沙尘粒度均呈正态分布,且峰值主要集中在90μm-125μm极细砂区域,各占53.24%和60.23%左右,其次为细砂和粗粉砂约占40%,剩余粒度级占约10%。沙丘顶部的偏度值大多为负值,粒度分布形态为右偏;平坦沙地的偏度值大多为正值,粒度分布形态为左偏。随着高度层的升高,平均粒径变小。沙丘顶部的平均粒度分布较平坦沙地而言,相对平缓且各粒级沙尘颗粒物分布范围更广。

荒漠过渡带不同下垫面的粒度特征分析

沙尘天气过程中,利用BSNE集沙仪收集了肖塘地区荒漠过渡带不同下垫面的近地表沙样,采用英国MALVERN公司Mastersizer2000型激光粒度分析仪对收集到的沙样经过粒度测量.结果表明:(1)荒漠过渡带不同下垫面1m高度内输沙量的含量受下垫面性质和近地层沉积物粒度特征的影响,输沙量的对数与高度呈线性相关;(2)沙样粒度组份以极细沙、细沙和粗粉砂为主,>1mm的沙粒出现在0.2m以下;(3)输沙沙样的平均粒径值主要集中于2φ~5φ,且随高度增加而减小;标准偏差(σ1)的取值范围在0.85~1.71之间,偏度(SK1)呈正偏和极正偏,峰度(KG)值分布在1.19~1.81,属于尖锐型和很尖锐型.上述研究结果可为有效抑制沙漠入侵绿洲,共同维护区域生态环境的稳定起到重要支撑.

泥石流的数值模拟及危险性评价

泥石流具有突发性、速度快、破坏力强的特点,其运动规律研究和危险性预测,具有重要的现实意义和理论价值。基于GPU(图形处理单元)加速技术的二维水动力模型,采用二阶Godunov格式有限体积法求解方程,以确保计算精度,并使用GPU加速技术提高了计算效率。以溃坝型水槽泥石流运动特征及贵州省普洒村滑坡泥石流危险范围预测作为模拟参照,利用所构建的GAST(GPU Accelerated Surface Water Flow and Transport Model)二维水动力模型完成泥石流理想水槽试验模拟和危险范围预测。结果表明:数值模拟与实测结果吻合度较高;GPU加速技术的应用有效解决了泥石流模拟过程中计算量大的问题,在PC机上模型运行快速高效。此模型为泥石流运动规律模拟与预测提供了新方法,为防灾减灾提供了技术支撑。

西安市暴雨致涝成因分析及对策

受全球气候变暖和城市化进程加快的共同影响,近年来西安市极端降雨事件频发,2020年7月更是短时间内连续遭遇两场极端降雨事件。由此引发的内涝灾害已给社会造成了较大危害,成为制约城市经济社会发展的重要因素。通过调研西安市2020年7月内涝实况,从水文气象及下垫面因素、市政工程及排水设施因素、设施管理因素三方面深入分析了西安市内涝成因,并提出了开展暴雨致涝预报预警工作、加强防洪排涝基础设施建设、提倡系统治理及灰绿协同并举的内陆城市防涝方法。

相关回归分析法在工程水文中的应用

水文预报的目标是对未来的水文现象做出事先估计,它不仅是获取准时预报信息的途径,也是保证工农业安全生产的有效手段。相关回归分析法是数理统计中最常用的一种方法,本文基于此方法对水文资料进行统计分析,结果表明,该方法符合水文现象特性,具有较高的精度,能很好地运用于水文预报工作中。

塔克拉玛干沙漠沙尘天气频数统计研究

利用1994年-2016年塔克拉玛干沙漠肖塘站和塔中站的地面气象观测资料,分析了沙尘天气及沙尘气溶胶之间的变化特征。结果表明风蚀和沙尘天气的发生频次二者符合指数函数关系,y=1.89e0.062x,R2=0.62;沙尘气溶胶和沙尘天气二者发生的频次符合线性函数关系,y=0.382x-0.81,R2=0.73;1998年-2014年塔里木盆地沙尘暴发生频次约为931次,春季和夏季发生频次高达395次、446次。研究结果可为塔里木盆地持续性沙尘天气研究中亟待解决的科学问题提供基础数据支撑。

我国多年冻土退化及其环境效应研究综述

近数十年来,受气候变暖与人为活动的共同影响,大部分多年冻土区的冻土开始融化,对寒区环境产生了很多负面影响。本文对前人研究工作进行了归纳和总结,得出:多年冻土退化对寒区工程稳定性造成危害,对冻土地区的水文循环及东亚气候产生了显著影响;森林、草地和湿地生态系统进一步退化,微生物的冻土环境发生改变,使储存在冻土中的大陆土壤有机碳以温室气体的形式迅速释放出来,加剧了全球气候变暖和冻土退化进程,形成恶性循环。在今后的研究和防治工作中,应加强冻土退化预测,减少人为因素影响,确保高原多年冻土区的可持续发展。

基于SWMM的市政管网清淤方案优化研究

城市管网系统常会出现淤堵致使管网排水能力降低,且管网清淤工作难度高,效率低。为此,采用SWMM模拟技术提出一套快速恢复管网排水能力的清淤方案,分析清淤前工况的管网溢流节点位置确定重点清淤管道,通过清理重点清淤管道快速恢复管网排水能力。以陕西省沣西新城天福和园小区的管网系统为例,按照全局管网淤积系数(GSC)将清淤前工况划分为7种情况;在不同设计降雨条件下分别进行模拟,并对管网排口流量过程和管网总溢流量进行统计分析,该管网系统共有31根排水管道,通过模拟分析确定了11根重点清淤管道,建立清淤后工况模型。模拟结果显示:清淤后,7种情况的管网排口流量过程线恢复至与无淤积工况几乎完全重合;管网总溢流量较清淤前工况大大降低,降低百分比最小的情况也达到91.2%。

河西走廊制种玉米不同施肥与灌溉定额优化研究

为了探索如何提高玉米膜下滴灌的水肥利用率,研究了不同土壤水分和肥料调控的效果,连续两年(2019-2020年)进行了田间灌溉试验,设置不同灌溉定额和有机肥使用量处理T1(CK)、T2、T3、T4、T5共5个处理。结果表明:①不同处理对制种玉米产量的响应不同,2019-2020年不同施肥处理,T5产量最大为6860.57 kg/hm^(2),较T1(CK)处理提高23.12%(P<0.05),T2、T3、T4处理较T1处理,分别提高6.77%、14.8%、17.97%(P<0.05)。②不同化肥使用量处理的增产率与CK呈线性拟合关系,表明化肥在合理使用范围内助于增产;不同灌溉制度增产率与CK拟合呈负指数关系,并非灌溉水量越大越好,应以作物需水规律为指导。③综合考虑农艺性状、果穗经济性状、作物产量及增产率等指标表明河西走廊制种玉米种植区最佳灌溉定额为5400 m^(3)/hm^(2),各生育期灌水定额分别为拔节期825 m^(3)/hm^(2)、大喇叭口期825 m^(3)/hm^(2)、抽雄期975 m^(3)/hm^(2)、扬花期975 m^(3)/hm^(2)、灌浆期975 m^(3)/hm^(2)、乳熟期825 m^(3)/hm^(2)。综上所述河西走廊绿洲灌区制种玉米高效节水栽培和产业化发展提供理论与技术参考,实现农户实行大面积推广复制,提高玉米产量带动农户脱贫致富。

甘肃省金塔北海子国家湿地公园水文调查与监测

水域面积及水质环境的健康状况对湿地公园维持局地生境系统稳定具有重要作用。采用遥感影像解译和CAD软件建模,分析了甘肃省金塔北海子国家湿地公园的水域面积、储水量等。结果表明,2010~2018年水域面积总体呈波动增加趋势,2013、2018年分别达到最大值20.7、30.7 km^(2);年际变化则呈现不同的规律,2010~2011年湿地水域面积处于萎缩期,分别为11.4、9.9 km^(2);2011~2013年水域面积增幅较大,约为108.5%,2017年较2016年增幅较大,约为103.5%,湿地水量有增大趋势。2017、2018年储水量超过10000 m^(3),最大值为12555.1 m^(3)。各类监测水质指标均符合国家地表水环境质量标准,未出现污染指标和污染源。因此,金塔北海子国家湿地公园已达到重要湿地保护级别。