土壤优先流模型理论与观测技术的研究进展

优先流是土壤中常见的和重要的水流运动和溶质运移形式。由于土壤优先流的形成和影响因素众多、表现形式多样,加之土壤优先流的快速非平衡特征明显以及土壤高度的空间变异性,准确描述和模拟土壤优先流的时空变化特征一直以来都是土壤水文学界的热点问题和难点问题。该文从优先流的定义、表现类型、形成和影响因素、模型理论与观测技术等5个方面综述了土壤优先流的研究进展,指出该领域今后的主要研究方向为建立土壤优先流的统一判别标准、提升优先流模型理论的有效性、发展优先流的专用观测技术设备。文章对深入研究土壤优先流具有参考价值。     

土壤优先流运动的活动流场模型分形特征参数计算

活动流场模型分形特征参数控制着优先流的产生和发展,因此准确获得活动流场模型分形特征参数值对提高模型的模拟预测精度具有重要意义。该研究采用染色示踪方法,将优先流流场从流动背景中显示出来,通过数字图像分析和采样分析获得优先流流场和流场内土壤含水率的分布模式,根据活动流场模型本构方程拟合活动流场模型分形特征参数值;针对3种常见的入渗后染色区内土壤含水率分布模式,分别提供了相应的活动流场模型分形特征参数的计算方法。研究结果显示,1）由于入渗后土壤水重分布的影响,活动流场区域和染色区域在整个入渗深度范围并不完全重合,因此仅可选择活动流场与染色区域相重合深度范围内受土壤初始含水率影响较小的数据来拟合活动流场模型分形特征参数值;2）土壤质地对入渗后染色区内土壤含水率的分布模式有显著影响,细质地土壤中入渗后染色区土壤含水率沿入渗方向逐渐减小,粗质地土壤中入渗后染色区土壤含水率沿入渗方向先增大后减小。     

再生水灌溉对农田土壤水流运动影响的研究进展

再生水灌溉农田既可节约宝贵的水资源、缓解农业用水紧缺,同时再生水中的多种营养元素和微量元素可促进作物生长、提高粮食产量。但再生水中的物质进入农田后将引起土壤孔隙结构、团聚体结构、黏粒分散特征和水土作用关系等一系列的变化,进而引起土壤入渗性能和导水性能的改变,增大环境污染风险。该文综述了再生水中的悬浮无机固体、大分子有机质、油脂、表面活性剂和盐分对农田土壤水流运动的影响及其作用机理,指出受灌农田土壤结构性质演化过程与驱动机制、受灌农田土壤与灌溉入渗水流之间的相互作用关系为该领域亟需开展的2个研究方向。文章对再生水农田灌溉制度制定、污染风险控制和生态环境保护均有参考价值。     

两相流水沙分离鳃流场的PIV测试及分析

利用粒子图像测速技术,测试了两种工况下垂向异重流式水沙分离鳃中水沙两相流的速度场,给出了分离鳃内泥沙运动的流速矢量分布图、流速云图及三维流场分布图.对测试结果的分析表明,分离鳃内部形成了泥沙沿鳃片上表面向下运动,清水沿鳃片下表面向上运动的垂向异重流现象,加速了泥沙的下沉.此分析结果与实际观察现象及理论分析一致,进一步探明了分离鳃的水沙分离机理.     

基于分形理论的湘江流域洪水分期研究

洪水点据序列具有随机性、非线性、确定性和相似性,这些特性与分形理论研究的对象一致,因此可应用分形理论进行洪水分期的研究。以湘江流域为例,通过分析湘潭水文站洪水散点序列,计算容量维数,确定洪水分期数目,最终划定了湘江流域的洪水分期,并与传统洪水分期方法进行了比较。结果表明,用分形分析法得到的湘江汛期洪水分期和传统方法结果基本一致,但分形理论计算较为客观,说明分形理论在洪水分期中是可行的,值得深入探讨和应用。     

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。     

基于分形理论的土壤优先流运动控制方程

为表征土壤优先流的快速非平衡运动、更准确地预测非饱和带土壤中的水流运动和溶质运移过程,该文在活动流场模型基本理论和土壤优先流表现出的分形特征的基础上,将分形理论引入到连续性模型,根据质量守恒原理建立了描述土壤优先流形式下水流运动和溶质运移过程的控制方程,发展和完善了活动流场模型理论;对比分析了活动流场模型理论与二域模型理论和活动裂隙模型理论之间的联系和区别。研究成果为运用活动流场模型解决优先流条件下土壤水流运动和溶质运移等相关问题提供了参考。     

近55年来降水及人类活动对沅水流域径流的影响

[目的]开展降水和人类活动对沅水流域径流影响的定量研究及其成因分析,为该流域水资源开发利用提供科学依据。[方法]采用累计距平法以及滑动t检验法对沅水流域近55 a的降水量、径流量序列进行趋势分析和突变检验,采用双累积曲线法分别计算降水及人类活动对沅水流域径流量变化的贡献率。[结果]除安江站受人类活动影响较明显,其贡献量为60%外,在变异期Ⅰ(1989—2003年),降水对流域径流的影响量大于人类活动的贡献率;在变异期Ⅱ(2004—2014年),人类活动的贡献率大幅增加并逐步成为径流变化的主要驱动因素。[结论]近55 a来,人类活动因素对沅水流域径流量的影响不断增加,沅水流域下游受人类活动的影响贡献率的增幅最大。     

湖南省铁山水库流域降水演变规律

[目的]分析铁山水库饮用水水源地的降水演变规律,为流域水资源利用以及铁山水库的调度运行提供依据。[方法]运用线性回归、滑动平均、Mann-Kendall检验、累积距平、滑动t检验和小波分析等方法,分析铁山水库饮用水水源地流域1968—2014年年降水、汛期降水和非汛期降水的演变规律。[结果](1)47a间年降水量、汛期降水量和非汛期降水量均呈现不明显的上升趋势。(2)年降水在1987和2003年发生了显著性突变,汛期降水在1992和2003年发生了显著性突变,非汛期降水未发生显著性突变。(3)年降水和汛期降水存在29a左右的主周期,非汛期降水存在28a左右的主周期,各时期的周期基本一致。[结论]铁山水库各时期的降水演变规律基本一致。     

反拱水垫塘淹没冲击射流水力特性研究

【目的】系统研究高坝坝身泄洪水舌在空中的运动规律,以及下游反拱水垫塘流场内的流速分布、紊流结构及底板压强分布。【方法】以溪洛渡水电站工程为例,建立高拱坝及其下游水垫塘物理和数学模型,对工况1(坝身7表孔单独泄洪)和工况2(7表孔与8深孔联合泄洪)条件下反拱水垫塘内形成的淹没冲击射流的水力特性进行研究。【结果】工况1条件下,7表孔单独泄洪时的泄洪水舌不发生碰撞而分别交错射入水垫塘;工况2条件下,7表孔与8深孔联合泄洪时的泄洪水舌在空中发生碰撞后均匀落入水垫塘。2种工况下,反拱水垫塘内形成具有横向和纵向漩涡的淹没冲击射流为复杂的三维流动,塘内临底流速大小相当,最大时均临底流速约为24m/s;水垫塘底板压强在冲击区存在峰值区,且工况1较工况2小,沿纵向分别约为70和90m范围,但工况1最大底板时均压强较工况2大,分别为1 670和960kPa,前者约为后者的1.74倍。【结论】高坝坝身表孔、深孔联合泄洪较表孔单独泄洪具有更大的泄洪能力,在临底流速大小相当的情况下可明显降低底板压强,具有更好的安全性能。