基于小世界网络的海河流域河网结构及功能响应

河网是流域水循环中的水流通道,其空间演变影响着水文过程。人类改造和重建河网使其结构和功能发生了显著变化,分析河网演变下的结构特征和功能响应,对河网健康评估和管理具有重要意义。本文提出小世界河网概念,构建了基于图论的河网评估框架,解析了河网演变下的结构特征、增长模式和功能响应。结果表明:海河流域现状河网具有高连通、大整体、高密集的小世界特征,拥有较高的网络效率;河网发育具有无标度特征,服从节点增长和优先连接的发育模式,受到“小范围连接”的空间约束;与自然河网相比,防洪功能提升了65%,供水功能提升了222%,生态功能降低了78%,功能变化趋于非一致性。评估结果可为流域河网优化管理和规划提供技术支撑。

基于空间统计特征的河网结构分类

提出了基于特征因子进行空间数据库河网结构分类的方法和技术。探讨了各种类型河网的特征,阐述了对河网进行分类的因子及河网分类的方法和过程,描述了河网数据的有向图组织及其分类实验。

基于洪涝灾害控制目标的河网结构-调蓄能力情景模拟研究

采用SOBEK软件平台构建平原河网模型,模拟不同情景下河网结构变化对河网削减洪峰能力的影响,尝试找到能够有效调控洪峰的河面率范围和河网结构参数。研究表明,在不改变河面率的情境下,支流的交汇角度小,交汇点在干流上游时河网削减洪峰能力相对较大;在提高河面率的情境下:随河流弯曲度增大调蓄能力增大,当弯曲度为2.8时河流单位面积削减洪峰的能力达到峰值;随河面率增大河网削减洪峰能力增强,但单位河面积削峰效率存在峰值,模拟得出河面率为3%～5%时,单位河面积增量的削峰效率最强;增加支流面积比增大干流面积能更有效地改善河网的调蓄功能。

20世纪30年代珠江三角洲平原河网结构重建及最大槽蓄容量

基于1954年美国陆军制图局编制的中国地形图、1930―1934年日军参谋本部所绘中国地形图、广东省水文志和研究区各县县志等历史文图资料,重建研究区20世纪30年代的河网模型,对传统农业末期平原河网水系进行高精度复原,计算其最大槽蓄容量并分析其区域特点。结果表明：1）20世纪30年代珠三角河网（除干流河道）的最大槽蓄容量为6.78亿-20.75亿m^3,其极值为20.75亿m^3,平均值为13.38万m^3/km^2。其中1级河道最大槽蓄容量占总量的33.5%-49.1%,对于整个河网的容蓄洪水能力及水资源调度能力影响更大。与现阶段不同,传统农业时代末期（20世纪30年代）珠三角河网的槽蓄容量与河网密度呈正相关,槽蓄容量的大小受河网密度的影响较为明显。2）20世纪30年代珠三角河网的形成与传统时期的农业开发有着密切的关系,当时的河网水系是自然发育与该时期围田业对其开发、围垦的共同结果,围田开发的兴修堤围、挑挖河道等活动对于河网的扩展及其最大槽蓄容量的增加具有客观上的促进作用。

基于流域提取模型的河网结构信息研究

河网结构信息的提取需要相应的流域提取工具和方法,因此构建完备的流域提取模型提高流域信息的提取速度,并将提取出的河网结构信息应用于流域形态和发育演化方面的研究,具有重要的理论意义。本研究中,首先利用ArcGIS软件平台构建流域提取模型,整合流域提取步骤和增加流域信息的提取效率;其次,结合流域结构的描述指标平均分支比和分维数对流域结构进行定量化表达;最终分析不同流域的空间分布状态,流域平均分支和分维数之间呈现反比例变化规律,随着流域的分维数越大,流域结构形态越稳定。

流域地貌与河网结构影响机制及其演化模型的研究进展

流域地貌和河网结构是地球内外营力长期综合作用的结果,是一个地区构造、气候、植被和生物等因素相互作用的最终表现。由于各地区构造、岩性以及气候等条件的不同导致流域地貌和河网结构存在显著差异,进而对流域水文响应机制与特点产生影响。首先,对定量描述流域地貌和河网形态的特征参数进行了梳理与总结,并详述了构造、岩性以及气候等因素对流域地貌和河网结构影响的研究历程;其次,指出如何再现流域地貌演化过程以及定量研究流域地貌形态的主控因素是当前面临的主要问题;第三,对地貌演化模型的诞生、发展及应用进行了回顾与评述;最后,指出将传统地貌学研究方法与地貌演化模型相结合开展流域地貌及河网结构影响机制的研究是未来的主要发展方向。

感潮河网地区水系结构特征及城市化响应

根据20世纪80年代初以及90年代末上海水资源普查的数据,尝试以水利片作为河网地区流域水系结构的基本单元, 类似Strahler水系分级,采用上海水资源管理信息系统中的河道分级体系作为水系分级方案,探讨了感潮河网地区的水系结构特征及城市化响应。研究表明:(1) 非高度城市化地区河网水系总体上具有Horton表现,反映在非高度城市化地区不同水利片的河道数目及河道平均长度随河道级别呈几何级数变化,不同等级水系的发育具有自相似特征。(2) 城市化是改变感潮河网地区水系结构的重要因素,在高度城市化的城区水利片,不同等级河网水系发育的自相似性特征已受到破坏,其影响集中表现为对河网水系分枝比和水面率的削弱,即高度城市化地区河网水系结构趋于简单,非主干河道减少,河网水面率与城市化水平成反比,反映出城市化过程中未能充分与河网结构保护相协调。(3) 河网水系的结构与功能参数之间具有显著的相关水平,说明河网地区水系形态结构与功能密切相关。由于城市化进程表现为对水面率以及分枝比的削弱,指示水面率和分枝比等指标具有表征城市化对水系结构影响的意义,在河网水系保护和结构恢复过程中应高度重视水面率、分枝比以及河网结构自然度等指标。

太湖平原区河网结构变化对调蓄能力的影响

城镇化快速发展导致河网水系萎缩,连通性受阻,河网调蓄能力降低,加大了区域洪灾风险和洪涝损失。基于1960s、1980s、2010s的1:5万地形图水系及三个控制站的水位数据,选取河网密度(Rd)、水面率(WP)、盒维数(D)、水位Hurst指数(H),分析了近50年来太湖流域武澄锡虞地区的水系演变与河网调蓄能力变化;并借助代表性单元流域概念,以水位Hurst指数来表征河网调蓄能力,从河网调蓄的物理机理出发,探讨了河网调蓄与河网结构参数的关系。结果表明:1受快速城镇化影响,1960s-2010s武澄锡虞地区河网密度、水面率及盒维数分别下降了18.87%、24.59%、7.60%,且1980s至2010s各水系指标的衰减率均高于1960s-1980s;2 1960-2010年,研究区年均及汛期的水位Hurst指数呈下降趋势,其所反映的河网调蓄能力与该地区河网水系各指标变化同步,这表明城镇化引起的河流水系衰减导致河网调蓄能力发生明显下降,非汛期水位Hurst指数先增加后降低,表现出一定的不确定性;3基于REW概念与水位Hurst指数值,初步构建了河网结构参数与调蓄能力的关系式,并对关系式进行了验证,基本可行,可在一定程度上揭示城镇化下水系变化对河网调蓄能力的影响,从而为评价平原水网区河网调蓄能力提供了一种相对简便的方法。

大江大河源区河网结构与径流特性研究前沿和重要基础科学问题

基于第133期"双清论坛",本文总结了我国大江大河源区河网结构与径流特性研究所面临的国家重大需求,阐述了江河源区河网结构与径流特性研究的国际前沿和重要基础科学问题,提出了未来3—5年相关学科发展的科学目标与资助重点。

长江与黄河流域因子对河网结构特征的影响

河网是典型的多重分级系统,不同级别河流之间的差异和联系可以通过河流分级法则来表征.常用的河流分级法则包括Horton,Strahler和Shreve分级法则等.在Horton-Strahler分级法则的基础上,水系在发育过程中遵循一些几何规律,包括河数定律、河长定律和面积定律等.上述水系的几何规律构成了河网结构的自相似性.当前,水系结构的几何规律已得到较为充分的研究,但其成因却仍不清楚.

城市化对平原河网水系结构及功能的影响——以苏州市为例

针对城市化对平原河网水系结构的影响所引起的洪涝灾害频发等一系列水文问题,以我国典型平原河网地区苏州市为例,根据不同城市化程度分为主城区、市辖区、其他市县区,基于1991、2001和2015年三期遥感影像与1960s、1980s和2010s三个时期的水系数据,应用RS/GIS等技术,构建水系结构参数指标,重点探讨了城市化对河网水系结构及功能的影响.结果表明:城镇用地迅速增长,主要以牺牲水田、水域等土地利用方式为代价,到2015年全区城镇用地面积所占比重已达到41.35%,土地利用类型的变化规律与城市化进程的差异性保持一致;水系结构变化主要受城市化影响,且基本与城市化进程呈现同步性.近50年来,全区的水面率、河网密度、支流发育系数、主干河流面积长度比、河网复杂度和河网结构稳定度分别减少了19.63%、6.91%、7.34%、1.06%、5.49%和7.87%,城市化水平与各指数均呈负相关关系;人类活动不仅直接影响河流功能,也间接地通过改变平原河网的水系结构导致其功能发生改变,如河网调蓄能力下降、河流生态功能受损等.该研究为城市化地区河流水系保护及防洪减灾提供参考与理论支撑.

太湖平原圩区河网演变模式探析

以汾湖镇为研究区,采用GIS和RS方法分析了全镇及典型圩区近15年来河网结构的变化特征。结果表明:等级最低的圩内河道的河网结构变化显著,而村级以上的骨干河网结构基本没有变化,河网结构趋于稳定;不同圩区河网结构变化存在明显的时空差异。快速城镇化过程中,经过及时规划和治理的圩区河网结构得到了一定的改善,反之,河网结构受到了较大破坏;根据河网结构演变特征及原因,快速城镇化圩区河网结构演变的主要原因是对水系的保护、整治和破坏等人类活动的影响,据此识别圩区河网演变的几种主要模式为:主动引导型、被动改造型、修复完善型和保护优先型。

城市水系结构形态演变特征分析——以哈尔滨主城区为例

为研究哈尔滨主城区河网水系结构复杂性和水系连通性变化特征,本文根据哈尔滨主城区2006年和2015年的数据资料,从时间尺度和空间尺度采用Horton定律计算研究区域内10条沟、渠的水系结构参数。结果表明,从时间尺度分析,10年来,哈尔滨主城区河网水系结构复杂性降低,其中水系结构指标中的河网密度和水面率分别减少19.34%和39.31%;从空间尺度分析,间接与松花江相连的沟、渠和直接与其相连的沟、渠的结构复杂性相比,变化更为显著。采用水系连通性指标分别从时间和空间尺度对哈尔滨主城区水系连通性进行研究,经分析得出,2015年哈尔滨主城区水系连通性与2006年相比,结点数和河链数分别减少14.3%和18.9%;而空间尺度上,直接与松花江相连的沟、渠的结点数和河链数均大于间接与其相连的沟、渠。上述研究结果对今后哈尔滨主城区的规划设计具有一定的参考价值。

河流自动综合方法

本文在分析河网结构的基础上,提出了一种基于河流的结构化的河网自动建立方法,建立了两个结构索引即线索树结构索引及层次结构索引,并根据包含以上索引的结构化河网,对河流的自动综合的一系列技术问题进行了初步的探讨。

DwsM动态并行计算技术

针对DWSM计算模式鲁棒性低、计算时间长、无法实现多核计算等局限性,对模型的算法和存储规则进行相应改进。在遵从DWSM计算逻辑顺序的基础上,抛弃原计算单元顺序表模式关于虚拟河道的假设,采用流域分区概念进行河网树结构的模式设计,在基于叶节点并行计算的基础上研究动态分级并行计算技术,以进一步完善计算模式。以黄河宁蒙段流域为实例,计算结果表明,算法的优化极大地提高了DWSM的计算效率,增强了其对大范围、具有复杂河网结构流域水沙规律研究的适用性。

景观生态学视角下的河流廊道规划

在社会发展、科技进步的同时,人类对河流的开发与改造也日益加剧,导致河道原有生态平衡遭到破坏。根据景观生态学的基本理论,分析了河流廊道的结构特点与生态功能,提出了河流廊道规划体系的主要内容,包括完善河网结构、促进生态过程、提升河道功能价值,为河流水系综合整治提供思路借鉴。

河网等流时线及河网二叉树结构图

根据对流域汇流的特点以及现有汇流计算方法的分析,本文采用了河网等流时线的方法进行河网汇流计算。为了能够适用于计算机编程计算,动态地划分河网等流时线的等级,计算出各级等流时线对流域出口断面的流量贡献比例,论文中提出了河网二叉树结构图和权重河长的概念。并介绍了如何建立流域河网二叉树结构图,划分河网汇流等流时线,最终计算出各级等流时线对流域出口断面的流量贡献的方法。

河流自动选取中的分级优化

水系是具有高度结构化特征的复杂空间数据,在不同水文条件和地形环境下发育的水系形态可以表现为多种模式,如格状河系、羽毛状河系、平行状河系等,使得水系选取具有较大难度。探讨了河流分级(汇流区域特征)、河网结构层次化(河流分布的地理特征)与水系选取之间的关系,提出了基于流域的河流自动选取,从河流的局部重要性出发,考虑河流的分级主要基于两点:一是确定选取单元为流域;二是对流域内河流通过等级关系选取高等级河流,同等级间河流根据长度、密度、河流间距离等综合指标进行选取。

黄河中游黄土覆盖区河流入汇角的特征研究

采用正交回归法计算了黄河中游黄土覆盖区河网的入汇角,并分析了其统计特征、空间分布特征和主要影响因素,建立了河流入汇角与流域水系发育机理间的联系.研究区域内,河流入汇角近似正态分布,空间上具有明显的自东南向西北递增的趋势,整体均值相比其他位于相似气候区的河网偏大.相关关系分析表明,河流入汇角与地形坡度和河道凹凸程度的相关性强于降雨量,干旱度指数在研究区域内部的差异对河流入汇角没有显著影响.河流入汇角的空间变异一定程度上反应了水系发育过程中坡面过程和流水侵蚀相对强度的差异.