基于等容瞬时单位线的水文模型研究

流域下垫面空间分布的不均匀性对径流的形成有较大影响,流域蓄水容量曲线解决了流域产流空间异质性的问题,但在采用瞬时单位线进行地表汇流计算时,又将其作为空间分布均匀的净雨处理,局部产流并没有实现局部的汇流。考虑汇流时间与蓄水容量的空间相关性,通过Copula函数构造二者的联合分布,以条件概率的形式反映不同蓄水容量处汇流时间的空间分布特征,进而以等蓄水容量为计算单元,提出了等容瞬时单位线的概念,相当于采用变单位线的方式计算单元产流量的地表径流,从而可以实现局部产汇流计算过程的统一。由此,创建了基于等容瞬时单位线的水文模型IIUHH,并根据Copula函数的类型构建了多种形式的IIUHH,最后选择清江上游作为案例进行验证。结果表明:Clayton型的IIUHH在研究区域表现更优,相比于新安江模型,Nash效率系数可以提高4%~12%,Kling-Gupta效率系数可以提高13%~27%,洪峰相对误差则可降低26%~36%,较大程度上提高了洪峰和洪水过程的模拟精度。研究成果可为流域高精度径流预报提供技术支撑。

基于代谢理论的城市群水资源承载力综合评价

【目的】随着中国城市群的可持续发展,水资源短缺和时空分布不均等问题日益突出,水资源承载力对城市群的可持续发展具有重要的理论和现实意义【方法】基于区域水资源代谢理论,构建综合考虑区域水资源特征、社会经济系统特征和可持续发展原则的评价指标体系,采用TOPSIS计算了2019年京津冀城市群(BTHUA)的水资源承载力(WRCC)指数。在综合分析区域水资源现状的基础上,提出了提高区域水资源承载力的建议。【结果】结果显示:2019年BTHUA的整体承载能力指数并不高,北京市(0.5612)、天津市(0.5306)和唐山市(0.4075)评分较高,WRCC处于中等水平,仍有进一步发展的潜力。石家庄市(0.3843)、秦皇岛市(0.3165)、衡水市(0.2952)、承德市(0.2935)和邢台市(0.2674)评分中等,WRCC达到了临界值,并且发展潜力有限。而廊坊市(0.2214)、邯郸市(0.2188)、张家口市(0.2115)、保定市(0.2086)、沧州市(0.2026)评分偏低,WRCC达到上限,进一步发展的潜力非常有限。【结论】根据物质流分析,(1)水资源系统上,京津冀地区整体水资源生产能力不容乐观,水资源开发潜力不足;(2)社会经济上,BTHUA社会规模已经超过了水资源的承载能力,未来还将继续扩大;(3)生态系统上,除北京、天津、秦皇岛市,其余城市生态用水占比皆达不到标准。该研究考虑整个用水系统,可以得到比其他方法更全面、更准确的水资源承载力状况,可以为制定科学、可持续的水资源发展战略提供参考,并提供水资源利用政策和未来社会经济发展的建议。

多沙河流水库淤积形态与库容分布耦合设计

针对多沙河流水库运行过程中由于入库含沙量较高,库区往往会发生严重泥沙淤积而侵占水库有效库容,造成水库使用年限降低、损害水库综合效益发挥等问题,为保障多沙河流水库库容充足和长效运行,通过分析水库拦沙期和正常运用期内库区泥沙冲淤变化规律,发现多沙河流水库库区存在高滩深槽、高滩中槽、高滩高槽3种泥沙淤积形态,提出了多沙河流水库淤积形态与库容分布耦合设计方法和“深槽调沙、中槽兴利、高槽调洪”的库容分布模式,以及以高滩高槽淤积形态为下边界的防洪高水位、校核洪水位、移民水位等特征水位设计新方法。

不同植被类型根系对土壤水分分布的影响

为探究不同植被类型下的根系对土壤水分分布的影响,以江西省北部武宁县的典型针阔混交林、毛竹林和休耕地为对象,采用染色示踪实验,并观测和采集土壤和根系样品,分别测定0~20,20~40和40~60 cm土层的土壤理化性质、植物根系特征、土壤蓄水性能和土壤团聚体稳定性等指标,分析不同植被类型其对土壤水分分布的多重影响和影响机制。结果表明:1)针阔混交林和毛竹林均在0~60 cm土层出现大面积的染色情况,而休耕地则仅在0~20 cm土层出现,且根系越多的土层,染色面积往往越突出;2)随着土层深度的增加,土壤含水量、最大持水量、饱和含水量,有机质含量,平均质量直径和几何平均直径均显著降低(P<0.05);3)针阔混交林和毛竹林的根系数量分别为休耕地的16.96和30.95倍,其深层(40~60 cm)的蓄水能力(最大持水量)分别高出休耕地3%和10%,土壤团聚体稳定性(平均质量直径)分别高出13%和23%;4)根系特征指标、土壤蓄水能力指标和土壤团聚体稳定性指标均与染色面积比显著正相关(P<0.05)。综上,3种类型样地中,土壤中丰富的根系对土壤蓄水能力和土壤团聚体稳定性均显示出明显的促进作用,进一步促进土壤中的水分分布。因此针阔混交林和毛竹林的水分分布程度均强于休耕地。为有效提升区域水土保持功能和生态风险抗性,需加强森林资源的管理和保护,提高林地植被的多样性以提高地下根系的分布密度和深度。

密云水库2022年营养盐时空分布与原因分析

2020年9月,南水北调工程停止向密云水库反向输水,库区水体来源相对稳定。对库区整体营养盐时空分布的探究,可以揭示库区水环境变化,对指导密云水库水质安全管理调度具有重要意义。通过对密云水库2020-2022年总氮(TN)、总磷(TP)、氨态氮(NH_(4)^(+)-N)、硝态氮(NO_(3)^(-)-N)四项营养盐成分的对比分析,可以看出:2022年库区水体营养盐呈上升趋势,NH_(4)^(+)-N和NO_(3)^(-)-N变化趋势相似,表现为浅水区域较高,深水区域较低;TN与TP的变化趋势相似,表现为浅水区域较低,深水区域较高。上游入库水体携带高营养盐可能是库区水体营养盐升高的原因之一;蓄水量对库区营养盐的影响具有多面性;浮游藻类对营养盐的利用对营养盐浓度以及分布的影响较小;新增淹没区土壤营养盐物质的释放对库区水体的营养盐含量影响较小;库滨带植被的淹没致死在一定程度上推动了密云水库营养盐含量的升高。

新疆柴窝堡盆地地下水库调蓄能力的初步研究

本文应用GMS(Groundwater model System)模型软件对新疆柴窝堡盆地地下水系统进行了模拟调参。根据所调给水度μ值,计算出盆地目前最大的地下可调蓄量约为36.608×108m3。同时结合本区水文地质条件,得出结论:新疆柴窝堡盆地地下水库在取水水源、取水条件、地下库容等方面都具备调蓄水资源的能力。如果用其调蓄水资源,既可以增加水资源的利用量、解决城市季节性缺水问题,又能优化水资源的时空分配,能较好地缓解乌鲁木齐市区的供水不足状况。

用VIC模型模拟黑河上游流域水分和能量通量的时空分布

受地形起伏影响,山区流域的水分和能量通量时空分布差异很大.利用水文模型VIC(variable infiltration capacity)对黑河上游流域的水文和能量时空分布进行了模拟,并通过观测对模拟结果进行了验证.结果表明:VIC模型能够较合理地模拟研究区径流过程,对净辐射的计算也较准确,模拟得到的部分水分通量和能量通量(感热、潜热和土壤热通量)在趋势上较一致,但在数量上存在偏差.积雪过程对研究区的水文和能量循环有重要影响,VIC模型对积雪的模拟偏差较大,导致了每年4月左右的模拟径流偏低,也没有模拟出积雪融化导致的土壤含水量上升;同时,积雪模拟的不准确也明显影响到能量通量的模拟.在研究区,土壤水分变化受土壤冻融影响明显,VIC模型对气温较高、不发生冻融过程的7-9月土壤水分变化模拟较好,但是在其他月份,对积雪及表层土壤消融导致的土壤水分迅速增加和土壤冻结导致的土壤水分迅速减少两个过程的模拟比较差;VIC模型能够给出水分和能量各通量的时空分布,较好地揭示研究流域各个通量的空间异质性及相互影响.

济宁市地下水库特征参数分析

针对研究区的疏干含水层空间,分析确定了调蓄下限水位、调蓄上限水位以及对应的透支库容和调蓄库容。借助ArcGIS软件分析了库容的空间分布规律。结果表明,研究区地下水库总库容接近7亿m3,调蓄库容超过4.4亿m3,调蓄潜力很大。此外,由于受潜水含水层给水度和潜水水位埋深的影响,各特征库容的空间分布特征不尽相同。这对在地下水开采漏斗区,利用疏干含水层空间进行地下水库规划建设,及区域水资源的可持续开发利用有着重要的实际意义。

温度和粒径分布对贝壳砂土壤水分的影响

为阐明贝壳砂及其粒径组成对温度的响应规律,探讨贝壳砂的土壤蓄持水分能力,在30℃和50℃条件下,测定分析原生境贝壳砂及其不同粒径贝壳砂土壤水分随温度的动态变化。结果表明:2种模拟温度下,贝壳砂涵蓄水分的潜能和失水率均低于潮土类,贝壳砂在高湿阶段脱水过程缓慢,蓄持水分能力强。贝壳砂和潮土类土壤水分随烘干时间的变化可分为3个阶段,表现为土壤水分含量高、失水率大的瞬变阶段,曲线变化平缓的渐变阶段和土壤达到恒重的平稳阶段。30℃和50℃条件下,贝壳砂的粒径由细变粗,饱和水分失水时间越长,贮蓄水分的能力增强,但失水率也随之增大,束缚水分能力弱,持水能力降低。受基质本身颗粒形状差异的影响,不同粒径河沙则表现出完全相反的变化规律,表现为粉粘粒、细砂粒的河沙保水性较好,粗砂粒次之,石砾最差。不同粒径河沙和贝壳砂随温度变化的趋势类似,30℃条件下土壤水分随烘干时间先平缓渐变后陡直瞬变,50℃条件下则表现为相反的变化规律。土壤蓄持水分潜能除了与土壤类型、粒径分布密切相关外,还与温度变化以及土壤本身的水分含量有关。

水侵枯竭气藏型储气库运行初期合理配注方法

在早期建设的水侵枯竭气藏型地下储气库投产之初,以节点压力综合评价方法确定的注气能力来进行配注。但由于对储气库短期高速渗流特征认识不清,注气量大且速度过快,导致气驱水前缘非均匀稳定外推,对有效库容恢复和扩容达产效率均会产生不利影响。为此,通过室内机理分析和注采动态跟踪研究,明确了地层亏空程度、气水分布特征、地层倾角、注气井控半径是影响储气库配注的主要地质因素。利用气水地层渗流基本理论和物质平衡原理,以注气驱替气水界面稳定运移气体临界渗流速度和注气井控范围内地层吸气能力为约束,借鉴国外储气库注气量优化设计经验,建立了水侵枯竭气藏型储气库投产运行初期合理配注方法,成功指导了国内某地下储气库投产方案的设计。该储气库实际运行效果表明:经过3个周期运行,注气驱替效果好,稳定扩容,达容率超过85%,预计第4周期将达到90%。结论认为,所建立的配注方法具有一定的适用性,为国内同类型储气库投产方案设计提供了科学依据。

一种新安江模型中土壤水蓄水容量空间分布的计算方法

首先构建一个以自然子流域为计算单元的分布式水文模拟系统,每一个计算单元内,利用土壤水蓄水容量曲线表示张力水的空间分布,在单元之间,认为坡度大的单元土壤层厚度和蓄水容量小,同样的降雨先产流。通过建立计算单元蓄水容量与地形坡度间的关系,考虑了地形坡度对产流的影响。在淮河流域上游大坡岭流域的应用结果表明,所用方法得到了理想的模拟结果。

蓄水条件下土壤pH与电导率的空间分布与关系的研究

采用网格法对陕西富平国土资源部退化及未利用地土地工程整治重点实验室中试基地对流-弥散盐碱地试验田进行采样,分别测定0~10、10~20、20~30、30~50、50~70、70~100、100~150、150~200 cm的土壤p H及电导率。研究了蓄水条件下土壤p H与电导率的空间分布特征及二者之间的相关关系,结果表明:在蓄水条件下,土壤p H和电导率均随着土壤深度的增加而增加;土壤p H与电导率均在20~50 cm土层处具有最高变异系数;土壤p H与电导率呈极显著正相关关系。通过掌握蓄水条件下土壤p H与电导率的空间分布特征及相关关系可以为盐碱地地区盐渍化的防治和盐碱地的合理利用提供依据。

湖南省水库与干旱情势空间匹配关系研究

根据湖南省地质、地形等条件,以县域为单元将湖南省划分为9个区域,对省内14000多座各类型水库开展空间统计,分析了水库空间分布规律,并采用SPI-3指数法计算得到4-9月重旱及以上干旱频率的空间分布,对比研究了水库分布与干旱的空间匹配关系。结果表明:湖南省水库分布具有明显的空间分异特征,丘陵区水库数量密度一般要大于山地区,但受大型水库不足的影响,库容密度一般要小于山地区。洞庭湖平原腹地水库密度极低,而外围岗地区则拥有全省最大的水库分布密度。不同分区水库供水能力与人口、耕地的匹配关系也有很大差异。湘东南罗霄-南岭山地区单位面积兴利库容和人均兴利库容最大分别可达54397.32 m^(3)/hm^(2)和3286.53 m^(3),而在湘中南岩溶丘陵区、洞庭湖区等地区则分别不大于3450 m^(3)/hm^(2)和210 m^(3)。湖南省水库的空间分异特征主要受地质、地形等地理条件控制,山地区水库规模大、数量少,而丘陵区水库小、数量多。总体上看,湖南省水库供水能力与干旱的空间分布存在明显的失衡错位,如衡邵盆地不仅年均降雨量少、重旱频率高,而且水库供水能力也处于全省较低水平,再加上岩溶区“保水难”的特性,该区成为省内干旱情势最为严重的地区。

蓄水坑灌体系温度对土壤氮素运移转化影响

通过研究体系温度对蓄水坑灌施条件下土壤水分及氮素运移转化的影响,明确蓄水坑灌土壤水氮时空分布特征,探究土壤水氮运移迁移转化机理,以期为水肥合理灌施提供理论基础。通过模拟构建蓄水坑灌模型,以大型控温箱精确控制土壤温度,采用克里克空间插值法分析了蓄水坑灌条件不同体系温度下的水分、硝态氮、铵态氮时空分布特征,结果显示7 h左右土壤水分、养分完成入渗进入再分布阶段,土壤水分随着时间的推移其垂向和径向迁移距离均逐渐增大,同一时刻,温度越高其横向与径向迁移距离越大,且靠近蓄水坑壁区域的土壤含水率相对越低;土壤中铵态氮含量在不同温度下随时间推移均呈现先增后减的现象,低温下第15 d时土壤养分再分布核心区出现下降趋势,中、高温第10 d时已出现下降趋势,且其迁移距离远低于水分、硝态氮的迁移距离;土壤中硝态氮含量在10℃下第10 d时出现增高现象,而20、25、35℃下第5 d时已出现增高现象,由蓄水坑周边至湿润体边缘呈现"低-高-低"的分布态势。表明再分布阶段温度升高能提高水分的再分布速率,提高脲酶活性加快尿素水解转化为铵态氮,同时促进硝化反应进程抑制铵态氮在土壤中的积累,当土壤含水量过高时,会抑制土壤中氮素的硝化作用。

河西畦田春小麦不同生育期灌水对土壤水氮空间分布的影响

试验采用规格为30 m×3 m条田，分别沿畦长中心位置布设了5个测点(每个测点距畦首依次为3、9、l5、21、27 m)用于定点测定不同生育期春小麦0 100 cm土层深度内灌前2 d和灌后2 d土壤含水量和硝态氮的含量，评价了土壤水氮空间分布的变异性、土壤水氮贮存效率和土壤水氮沿畦长空间分布均匀性。结果表明：不同生育期内不同处理间灌前2 d和灌后2 d土壤水分空间分布均为中等变异性，灌后2 d的变差系数小于灌前2 d的变差系数；土壤硝态氮空间分布状况除拔节期灌前2 d灌水量90 mm和灌水量60 mm 为强变异性外其余均为中等变异性；不同生育期灌水对不同处理间的土壤水贮存效率无显著影响，成熟期春小麦不灌水处理的土壤水贮存率明显低于灌水处理；不同生育期灌水对不同处理间土壤硝态氮贮存率有显著影响，其中成熟期不灌水处理能使土壤硝态氮的贮存率增加，灌水减少了根系层内土壤硝态氮的贮存率；不同生育期灌水对不同处理间土壤水分和土壤硝态氮含量沿畦长的空间分布均匀性均无显著影响，其中成熟期不灌水处理对土壤水分沿畦长的空间分布均匀性的影响显著小于成熟期灌水处理。

煤矿分布式地下水库渗流场分析及优化调度

煤炭规模化开采势必产生扰动裂隙场,进而破坏地下水系统,并产生大量矿井水,导致矿井突涌水风险。为了保障煤矿生产安全,并将矿井水储存在井下供生产和生活使用,提出了煤矿地下水库理论框架和技术体系。煤矿地下水库建设的关键难题是库容(或储水量)的评估与控制,即将矿井水储存在采空区后,如何保障不断增加的矿井水不会危及到后续煤炭开采活动。基于此,提出了在煤矿区建设多个地下水库,通过管道将多个地下水库相互连接起来形成相互连通的分布式地下水库,并可在多个水库间进行水量联合调度的技术思路。其优势是可以通过水库间的水量调度保证每个水库中的矿井水在安全库容范围,特别是可以使威胁现有采区的地下水库储水量得到有效控制,防止水害发生。以某煤矿分布式地下水库建设为例,根据矿井开采区的地质资料,计算不同高程区域的储水能力,确定分布式地下水库的库容-水位曲线;在此基础上,建立分布式地下水库的地下水数值模拟模型,预测矿区的涌水量;并针对矿区的涌水量,结合地表水资源,按照水量供求关系,进行矿区水资源的优化调度,使得矿区涌水得到合理和高效利用。

蓄水容量曲线设定分布式霍顿模型土壤含水量初值

分布式水文模型对土壤含水量的空间描述能力对土壤墒情模拟、分布式输出等具有重要的意义。但分布式水文模型的土壤含水量空间分布计算,需耗费大量的计算资源。为了提高分布式模型的计算效率,从定性的理论分析和定量的数据比对2个方面,证明蓄水容量曲线和分布式模型中逐单元土壤含水量序列的相关关系,并建立了二者之间的转换公式,据此可以将面平均的土壤含水量转换为空间分布的土壤含水量。用离散蓄水容量曲线法设置分布式模型的土壤含水量初值,并与传统模型预热法进行比较,结果表明两种方法得到的土壤含水量空间分布总体趋势完全一致,次洪模拟效果相同,并且节省了大量的计算资源,极大地提高了分布式模型的计算效率。

基于水动力-水质模型的湖库纳污能力量化

"湖库纳污红线的核定"是我国最严格水资源管理制度中三大核心内容之一,也是保障城市供水安全、水资源可持续利用的关键问题之一。我国现行纳污能力的计算往往采用对稳态水质模型的解析求解,但无法获得不同来水、排污和内源污染等多种因素影响下水体纳污能力的时空动态变化。水动力-水质模型能够反映湖库水质和外部营养负荷之间的定量关系,可精细模拟水质指标在库区内的时空变化过程。基于EFDC模型,以深圳市重要饮用水源地——石岩水库为例,构建了水库三维水动力-水质模型,动态模拟了水位和水质的时空变化;并按照水功能区目标要求,探讨了该水库典型年的纳污能力的季节性变化。结果表明:EFDC模型能够准确模拟石岩水库水动力和水质要素的变化过程,水位、COD_(Mn)和NH_3-N模拟的相关系数达到了0.97、0.60和0.90;基于构建的三维水动力-水质模型,考虑到排放口位置和条件、水质的时空分布特点、底泥释放等实际因素,计算得到石岩水库2011年COD_(Mn)和NH_3-N纳污能力分别为2 158、511 t/a;纳污能力的季节性差异很明显,夏季和秋季较大,春季和冬季较小。研究成果可为我国饮用水源地水质管理和污染控制提供科学依据,也可为我国最严格水资源管理制度的实施提供一定的参考和借鉴。

栅格型分布式流域水文模型构建

基于地貌形成理论,充分考虑了流域内地形、植被、土壤、土壤水分等因素对流域蓄水容量空间分布的影响,提出了蓄水容量空间分布模型及建模方法,在此基础上,结合垂直混合产流机制,建立了概念性分布式流域水文模型。项目研究应用RS和GIS,是对传统水文模型改进的创新尝试,同时指出建立基于RS和GIS的耦合水文模型是未来的发展趋势。

利用土壤蓄水量研究区域农田土壤水分时空分布状况

在农田土壤水分实测资料的基础上，以土壤蓄水量为指标研究了黑龙江省区域农田土壤水分的地理分布特征、垂直分布特征、随生长季的变化规律以及盈亏状况。