黄土丘陵沟壑区治理与非治理对比小流域侵蚀产流比较研究

研究水土保持综合治理时小流域侵蚀产流量和次降雨径流过程的影响.以黄土丘陵沟壑区第Ⅲ副区内治理小流域桥子东沟和未治理小流域桥子西沟为对象,分析水土保持综合治理不同阶段小流域侵蚀产流量年际变化和次降雨径流过程.结果表明:桥子东沟产流次数较桥子西沟减少了42.86%,年径流模数为桥子西沟的5%～63%;桥子东、西沟的多年平均径流系数分别为1.80%和4.03%;桥子东、西沟年径流深比值略有下降,治理后期在0.6以下.桥子东沟在治理后期的次降雨起流和洪峰流量的出现都晚于桥子西沟;桥子东、西沟次降雨洪峰流量、洪水历时比值不断下降,治理后期分别为0.41和0.61.水土保持综合治理的实施有效减少了治理流域的侵蚀产流量,对次降雨径流过程影响很大.     

湿周法估算河道内最小生态需水量的理论分析

研究了不同河道几何断面的湿周法理论,分析了各种几何断面的湿周-流量关系。结果表明,当河道断面呈三角形、U型和抛物线型时,湿周-流量关系曲线可近似用幂函数拟合;当河道断面呈矩形和梯形时,湿周-流量关系曲线可近似用对数函数拟合。通过采用斜率为1法和曲率最大法确定曲线变化点,估算最小生态需水量发现,不论郡种断面,用斜率为1法和曲率最大法估算的结果差异很大,斜率为1法的估算结果均大于曲率最大法。分析同一流量下、不同断面形态对湿周法的适宜情况结果表明,在同一流量下,几何尺寸接近的不同断面,矩形和梯形断面有较大的湿周值,从湿周法初衷来讲,则更有利于生物生境的保护。     

六圆弧蛋形断面正常水深直接计算方法

【目的】研究六圆弧蛋形断面正常水深的简单计算方法,为该断面的工程设计提供技术支持。【方法】根据面积分割法计算六圆弧蛋形断面的面积、湿周和水力半径,根据明渠均匀流理论计算不同流量时渠道的正常水深,通过优化拟合研究蛋形断面正常水深的简单计算方法。【结果】优化拟合得到了蛋形断面水深处于不同位置时相对断面面积、相对湿周、相对水力半径的计算公式,确定了正常水深与流量的关系及水深的迭代计算公式,通过优化拟合研究,最后给出了正常水深的简化计算公式。【结论】所建立的六圆弧蛋形断面正常水深的理论计算公式和近似计算公式计算过程简单、精度高,平均误差为0.204%,最大误差为1.129%。     

黄土丘陵沟壑区典型小流域SCS-CN方法初损率取值研究

 【目的】初损率是SCS-CN方法进行流域地表径流预报的基础输入参数之一,影响着径流模拟精度。论文通过研究确定黄土丘陵沟壑区典型小流域初损率取值,为SCS-CN方法在该地区的适用性评价提供参考。【方法】SCS-CN方法中,初损率定义为初损量（Ia）与流域最大蓄水能力（S）的比值,通常取标准值0.2。然而,已有研究表明不同区域初损率取值存在差异。论文选取黄土丘陵沟壑区桥子西沟小流域1987—2006年14场典型降雨事件,采用反算法（BC）和事件分析法（EA）确定流域初损率。【结果】结果表明,两种方法计算初损率均小于标准值0.2,事件分析法计算值（0.17）与反算法计算值（0.1）相比略偏大。初损率取0.1、0.17和0.2分别计算研究降雨事件径流深,采用皮尔逊相关系数（r）、模型效率系数（E）、相对误差（RE）、绝对误差（AE） 和图形拟合5种评价标准分析模拟结果,确定研究流域初损率为0.1。论文采用两种算法计算桥子西沟流域初损率,结果与标准值显著不同,初步推断是研究流域与SCS-CN方法最初研发区域地质地貌及气候条件存在较大差异所致。【结论】不同区域应用SCS-CN方法时,需利用当地观测数据率定研究流域初损率,才能进行流域地表水文模拟。     

黄鹿坝水文站水面流速系数分析

本文采用黄鹿坝水文站32份实测流量数据，合理地确定出水面流速系数，解决了以往流量测验中的问题，证明了以往经验系数的合理性。在以后大洪水采用0.6一点法测算流量困难时，能较准确测算该站（断面处）流量。为拱坝河流域水资源资料的收集提供方便，从而为其流域水资源的合理开发、利用做出贡献。     

量水槽出口宽度对堰槽组合量水设施过流能力的影响

【目的】研究量水槽出口宽度对堰槽组合量水设施水力性能及对测流的影响，为扩大堰槽组合量水设施的适用性提供参考。【方法】对3种量水槽出口宽度（b=25，35和45 cm）在不同流量（5～71 L/s）下的35种工况进行水力性能试验，通过中垂面30个测点的水深及垂线平均流速变化，分析出口宽度对设施中垂面水面线和佛汝德数（Fr）沿程变化的影响，明确槽内流和堰槽流的流量阈值；根据流量（Q）与量水槽内测点水深的相关性，分析量水槽出口宽度对流量系数的影响，并建立不同量水槽出口宽度下的流量公式。【结果】3种量水槽出口宽度条件下，中垂面水深和Fr的沿程变化均表现出相似的规律，即中垂面水深在上游段表现稳定，进入量水槽后逐渐下降至出口后的薄水层区域；Fr值在上游段相对平稳，保持在0.1～0.2，进入量水槽后逐渐增大至最大值1.2～1.5，且增大速率沿程变大。上游段的水深和量水槽内的水深均随量水槽出口宽度的增加而减小，出口段、薄水层区域和下游壅水区域的水深受量水槽出口宽度影响不大。上游段至量水槽内部过渡扭面段的Fr值随量水槽出口宽度的增加而增大，量水槽内部梯形窄段的Fr值随着出口宽度的增加而减小。同一量水槽出口宽度下，槽内流的流量系数随流量的增加而增大，堰槽流的流量系数随流量的增加而减小。同一相对作用水头下，槽内流的流量系数随量水槽出口宽度的增加而减小，堰槽流的流量系数随出口宽度的增加而增大。基于建立的3种量水槽出口宽度下的流量公式，得到的流量计算值与实测值的相对误差均在2%以内，使堰槽组合量水设施的适用范围进一步扩大。【结论】量水槽出口宽度对上游和量水槽内的水深有明显影响，出口宽度的增加能够增大堰槽组合量水设施的流量阈值及过流能力，并使临界水深的断面位置向下游推移。     

田间便携式短喉槽的数值模拟

为进一步研究田间便携式短喉槽过槽的水流特性及测流精度,基于临界流原理和RNGk-ε三维湍流模型,利用FLOW-3D软件对喉道宽度为76mm的田间便携式短喉槽在16种工况下的水力特性进行全流场数值计算,获得了时均流场、槽内水流流态、断面流速分布及佛汝德数,并与试验实测值进行对比分析。结果表明:1)模拟流场分布及流态与模型试验情况具有一致性,量测流量范围宽,最大可达40L/s,能够满足田间量水的流量要求;2)水深、断面流速、佛汝德数模拟值与实测值基本吻合,相对误差均小于10%;3)该短喉槽最大水头损失占总水头的12.89%,小于长喉槽最大水头损失占总水头的13%;4)通过回归分析得到了田间便携式短喉槽的上游水深-流量计算公式,其最大测流误差为9.95%,满足灌区量水精度的要求。     

浅析动水法在混凝土衬砌渠道应用中的局限性

混凝土衬砌渠道在应用动水法时其结果往往差强人意,甚或毫无意义,明晰其误差产生原因,有利于明确动水法的实际应用。本研究以石津灌区四干三分干南四支混凝土衬砌渠道为实例,通过变水位静水法测验建立了渗漏强度函数,并以同年度流量观测资料拟合了渠道流量与水深的函数关系。基于两函数,以水量平衡原理为依据,模拟1km渠道长度时动水法的实施情况。实例分析结果表明,当流量在0.4～0.8m~3/s情况下,1km渠道上下游断面流量损失为3.615～4.130×10~(-3) m~3/s,水位落差介于2.415～3.026mm。混凝土衬砌渠道渗漏量很小,1km渠道渗漏量引起的水位下降常不足5mm。动水法中水深观测常用的水尺,在流动水中已很难保证如此高精度的观测,可见混凝土衬砌渠道的测渗工作当谨慎采用动水法。     

U形渠道圆头量水柱的数值模拟

为进一步研究U形渠道圆头量水柱过流特性及测流精度,利用Flow-3D软件对U形渠道圆头量水柱水力特性进行数值模拟,将渠道水流流态及水面线的实测值与模拟值进行对比,同时研究不同规格的圆头量水柱流量与驻点水深的关系及水头损失情况,并拟合出其流量公式。结果表明:模拟值与实测值的相对误差10%,两者具有较好的一致性,数值模拟结果可为圆头量水柱的结构优化提供依据。流量与驻点水深有很好的线性相关关系,相关系数0.98;水头损失随收缩比的减小而增大,相比量水槽水头损失较小,但顺流长度过大,水头损失反而增大;根据数据拟合出的流量公式,最大相对误差为9.74%,平均误差为2.66%,满足精度要求。     

应用地径对小兴安岭主要针叶树种胸径和材积预测模型的构建

以黑龙江省伊春市五营林业局丽林实验林场的小兴安岭3个主要针叶树种(落叶松(Larix gmelinii)、红皮云杉(Picea koraiensis)、臭冷杉(Abies nephrolepis))为研究对象,共选取472株解析木数据(树种、胸径、树高、地径等基本信息),采用平均断面积区分求积法计算解析木材积;选取线性、二项式、幂函数3种方程形式构建胸径-地径模型,选取线性、二项式、幂函数、指数函数、自然对数的方程形式构建材积-地径模型,采用加权回归法对模型异方差进行校正;选择平均偏差、平均绝对误差、预测平均百分比误差、平均绝对百分比误差4个指标,采用留一交叉法对所有模型进行预测精度评价;引入虚拟影响因素,采用非线性方差检测方法,检验不同树种间胸径-地径关系的差异、材积-地径关系的差异。结果表明：(1)分别采用线性、二项式、幂函数,拟合了3个树种的胸径-地径间的相关关系,其中二项式模型的预测精度最高。(2)分别选取线性、二项式、幂函数、指数函数、自然对数,拟合了3个树种的材积-地径间的相关关系,其中二项式模型的预测效果最好。(3)选择材积预测值作为误差方差函数评价指标,幂函数、指数函数...     

坡面流水力学参数的估算

径流流量、流速、水深以及地表坡度是水动力学特性的重要参数,且相互关系密切。采用水槽试验,研究分析了径流水深、流速与流量、坡度的相关关系。结果显示,径流流速随坡度和流量增加,呈幂函数形式递增,相关系数R2为0.92;水深随坡度的增加,呈线性递增趋势,随流量增加,呈幂函数递增趋势,其相关系数R2为0.98;对关系模型进行检验发现,它们都具有很好的估算效果。     

三峡库区森林小流域森林理水调洪功能模拟研究

为给三峡库区理水调洪型植被建设提供方法和依据,该文以四面山响水溪森林小流域为研究对象,采用美国地质调查局（USGS）主持开发的MMS（模块化模型系统）,构建适合于三峡库区的分布式暴雨水文模型PRMS_Storm,模拟暴雨产流过程.结果表明:① PRMS_Storm用来模拟响水溪森林流域暴雨产流过程满足国家乙级洪水预报标准,可用来发布洪水预报;②综合不同森林群落水文功能评价结果,提出流域3种森林群落配置情景:针阔混交林型(情景1)、阔叶混交林型(情景 2)、综合配置型（针阔混交林、常绿阔叶林和灌木林）(情景 3);③对各森林群落配置情景的模拟表明,各配置情景都可使地表径流减少20%以上,壤中流增加16%以上;与流域植被现状相比,各配置情景,分别可削减洪峰20.8%、9.6%和18.9%;最大降雨峰值0.8 mm/min的降雨过程削减洪峰的作用非常明显,尤其对短历时降雨洪峰的削减作用更明显;针阔混交林型理水调洪作用最优,是最优的理水调洪配置情景,其次是综合配置型,阔叶混交林型较差.但是,从所研究的响水溪流域实际情况出发,综合配置更符合实际,是最佳理水调洪型群落配置.      

晋西黄土区降雨过程对小流域产流的影响

目的探究降雨过程（雨型）对小流域产流过程的影响,为小流域尺度上产汇流分析提供依据。方法以山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站的蔡家川小流域为研究对象,利用蔡家川小流域2007—2017年场降雨径流数据,根据雨量在降雨过程中集中的位置进行雨型划分,并采用LSD多重比较法分析不同雨型的特征,在不同土地利用类型的小流域尺度上探究雨型特征与产流的响应关系。结果（1）蔡家川流域的降雨可划分为前期型降雨（I型）、中期型降雨（Ⅱ型）、后期型降雨（Ⅲ型）和均匀型降雨（Ⅳ型）。Ⅰ型降雨为短历时强降雨,是主要降雨雨型,占总降雨频次的44.6%,平均雨量为24.6 mm,降雨侵蚀力最强,集中分布在6—8月;Ⅳ型降雨为长历时小雨强降雨,平均历时716 min,平均雨量为17.84 mm,降雨侵蚀力最弱,多出现在雨季的前期（5月份）和后期（9月份）;Ⅱ型和Ⅲ型降雨的特征介于Ⅰ型和Ⅳ型降雨之间,多发生在6—8月,降雨量和频次相对均衡。（2）不同雨型条件下小流域的径流深、洪峰流量排序为:Ⅰ型降雨 > Ⅲ型降雨 > Ⅱ型降雨 > Ⅳ型降雨,洪峰滞后时间排序为:Ⅳ型降雨 > Ⅱ型降雨 > Ⅲ型降雨 > Ⅰ型降雨。（3）Ⅰ型、Ⅲ型降雨条件下农地小流域的径流深和洪峰流量高于封禁小流域,Ⅱ型和Ⅳ型降雨条件下封禁小流域的径流深和洪峰流量略高于农地小流域,封禁小流域的洪峰出现时间均滞后于农地小流域。（4）降雨量和历时对农地小流域产流的影响更大,雨强分布对封禁小流域产流的影响更大。结论不同雨型的降雨特征差异性显著,Ⅰ型降雨是引起小流域产流的主要雨型,大雨量强降雨更易造成流域的水土流失;封禁小流域削减径流、延长洪峰出现时间的作用显著,尤其对大雨量强降雨的调节作用更明显;在晋西黄土区降雨量、降雨历时和降雨过程中的雨强分布是影响小流域产流过程的重要因素。      

高寒地区居住小区海绵化改造建设研究

目的受既有建筑、管网、高差等基础条件的限制，城市建成区的海绵化改造是海绵城市建设的难点，尤其是高寒地区居住区海绵建设面临诸多现实问题和技术困难。本文以西宁市安泰华庭小区海绵化改造为例，详细介绍其海绵化改造具体方案，并验证实施方案的有效性，为此类地区开展海绵城市建设提供案例依据。方法通过对现状场地条件分析、LID设施的选择与布置，运用SWMM建立不同重现期（2年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇）2 h降雨下海绵化改造前后的两种模型，并进行对比，同时在改造后模型中使用实测降雨数据模拟，并与排放口实测数据对比验证。结果（1） 依据场地现状可使用下凹绿地、植草沟渠、高强度透水铺装、屋顶花园、雨水调蓄池5种LID设施组合的海绵设施系统。（2） 在10、20及50年重现期降雨条件下，C1排水口的流量峰值分别降低了83.45%、79.31%和57.39%，峰现时间延迟了82、40和30 min，C3排水口的流量峰值分别降低了65.96%、34.04%和22.34%，峰现时间延迟了65、50和62 min，达到了很好的削峰延时效果；改造后50年重现期下排水口的流量均低于改造前2年重现期排放口的流量，小区的防洪排涝能力由2年一遇提高到50年一遇。（3） 通过与3次实际降雨值和产流数据对比，发现模拟数据与实际监控数据能够很好地匹配，说明设计模型的参数率定合理，模拟结论具有较高的可信度。结论使用多种LID设施组合的海绵系统改造后的区域相对于未改造区域的产流峰值、出流量均大幅度降低，充分说明了在高寒地区海绵化改造的实施有效地削减了外排量，实现了削峰、延时、去污等综合目标。      

低佛氏数水跃紊流数值模拟研究

【目的】研究低佛氏数(Fr₁)水跃紊流的水力特性。【方法】采用VOF方法处理闸门上、下游表面,用二维RNG型k-ε紊流数学模型,对低佛氏数（Fr₁=2.0～4.5）水跃紊流进行数值模拟,研究了不同低佛氏数水跃的跃后水深、水跃长度及流速分布,分析了水跃区及其下游明渠流区压强、紊动能、耗散率和水跃消能率的特性。【结果】淹没系数大于1.2时,水跃长度均大于其他经验公式计算的水跃长度,且水跃长度增幅随佛氏数的增加而增大。水跃区断面各点时均流速最大值沿程减小;跃后明渠流区,断面各点平均流速沿程无明显变化。水跃区主流与漩滚交界处附近,特别是泄水闸门附近的紊动能及耗散率均最大。随着佛氏数的增加,理论和实际消能率均增大,且理论消能率大于考虑了跃后紊动能的实际消能率。【结论】低水头水利枢纽泄洪功率较大,应充分考虑低佛氏数水跃实际消能率低的水力特性,设计合理的消能设施以解决其消能防冲问题。     

土壤含水率对近红外传感器标定模型的响应研究

为提高近红外传感器测量的准确度,进一步理解不同标定模型对土壤含水率测量精度的影响。利用土壤表面的近红外反射光强来预测土壤含水率,通过归一化处理将反射光强转化为相对吸收深度和相对反射率,采用2种标定方法,分别建立土壤含水率与相对吸收深度之间及土壤含水率与相对反射率之间的线性模型与非线性模型。选取我国东北地区的黑土进行标定,并用独立的试验数据对模型进行检验。结果表明,吸收深度法的线性和非线性模型的预测值和实测值符合度较好。反射率法的线性模型和非线性模型对土壤的含水率预测均方根误差(RMSE)分别为2.89%和2.95%,相对吸收深度法非线性模型的RMSE值明显大于其他3种模型,预测准确度最低。说明不同标定方法会影响土壤含水率的预测结果。4种模型的预测精度能够满足测量要求。     

杉木植被小流域产流特征研究

应用基准集水区法比较系统地研究了杉木植被小流域的产流特征。采用Hewlett等所确立的通用水文过程线分割方法,对10场典型降雨径流过程分析后确认:当地主要产流类型有两类;当地条件下杉木植被小流域水文响应值较大,水源涵养作用不佳,原因在于当地森林植被处于中幼林期,且破坏严重。建立了一日降雨径流数学模型,可用于预报一场降雨的日平均流量,确定不同小流域产流差异的降雨量临界值。     

基于温光和土壤湿度的丹参根生长发育预测模型

【目的】研究丹参根生长发育与温度、光辐射和土壤湿度的关系,建立丹参根生长发育预测模型。【方法】以紫花丹参为试材,通过小区试验测定其主根长、主根最大直径（主根粗）、根鲜质量、根干质量、根粗>3 mm分根数及根含水量;测定丹参生长环境的温度、光辐射和土壤湿度,求出环境影响因子积,分别绘制丹参主根长、主根粗、根鲜质量、根干质量、分根数及根含水量与环境影响因子积的关系曲线,模拟其方程,建立丹参主根长、主根粗、根鲜质量、根干质量、根粗>3 mm分根数及根含水量的预测模型,采用回归估计标准误差(RMSE)对所建模型的预测效果进行检验。【结果】丹参主根长、主根粗、根鲜质量、根干质量、根粗>3 mm分根数及根含水量与环境影响因子积分别呈对数函数、二次多项式函数、二次多项式函数、二次多项式函数、幂函数及对数函数关系,其预测值与实测值之间的RMSE分别为0.778 2 cm,0.510 9 mm,3.925 4 g,2.588 6 g,0.685 0和1.097 0%。【结论】成功建立了基于温光和土壤湿度的丹参根生长发育预测模型,该模型的RMSE较小,预测效果较好,可以较为准确地预测丹参根的生长发育进程。     

臂坡对堰槽组合设施测流影响分析

针对堰槽组合设施在遭遇洪水、水位较高时引发的坡脚掏蚀、岸坡冲刷崩塌等问题，将设施两侧堰顶设置一定坡度，形成向槽内倾斜的臂坡，使水流向设施中部集中，减少对两岸边坡的冲蚀。采用水力性能试验的方法，对3种臂坡(0，1/16和1/8)在12种流量(6~61 L/s)条件下的中垂面水深、弗汝德数沿程变化规律、臂坡对设施泄流能力的影响及流量公式进行研究。结果表明:1)3种臂坡下的堰槽组合设施水深沿程变化相似，随着臂坡的增大，中垂线上游水位壅高增大，两侧堰靠近岸坡一侧的堰上水深减小，明显减少了水流对两岸边坡的冲蚀；2)臂坡对临界流断面位置影响较小，集中出现在排淤量水槽梯形窄段的后半段；同一流量下，堰槽组合设施的流量系数随臂坡的增大而减小；同一臂坡下，堰槽组合设施的流量系数随着流量的增大而减小；3)相对水头较小时，流量系数变化明显，相对水头较大时，流量系数相对稳定，将流量系数分为变动流量系数和稳定流量系数2个区，并分别拟合出不同臂坡条件下的流量计算公式，与实测流量相比，臂坡为0、1/16和1/8时，相对误差绝对值的最大值分别为2.22%、2.37%和2.21%，平均相对误差分别为0.88%、0.95%和1.15%。此外，在流量为11 和21 L/s时，臂坡的增大使得流量公式计算值的相对误差由-2.22%降至-0.44%和由2.35%降至-0.24%。综上，臂坡的存在能够减少水流对两岸边坡的冲蚀，对临界流断面的影响较小，增大臂坡还可有效提高堰槽组合设施在小流量情况下的测量精度。