黄土丘陵沟壑区小流域治理对侵蚀产沙特征的影响

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,分析降雨、径流、泥沙资料,研究水土保持综合治理对流域侵蚀产沙、水沙关系、次降雨泥沙输移过程的影响。结果表明：水土保持综合治理的桥子东沟的年降雨侵蚀产沙显著低于未治理的桥子西沟。水土保持综合治理降低了径流平均含沙量、输沙率,桥子东沟的径流平均含沙量、输沙率比桥子西沟分别减少40%、80%。水土保持综合治理改变了次降雨径流含沙量和输沙率动态过程。治理初期,桥子东沟的径流含沙量过程都明显高于桥子西沟,桥子东、西沟输沙率在不同时间段有高有低;治理后期,桥子东沟的径流含沙量、输沙率都显著低于桥子西沟。水土保持综合治理影响小流域次降雨水沙关系。     

西江中游水沙序列的多时间尺度特征

小流域的水沙多时间尺度周期变化分析可为中长期水沙预测提供科学依据,为西江中游水沙序列的多尺度特征提供工程参考依据。选用红水河迁江站1957-2016年年径流和年输沙量数据资料,采用Mann-Kendall趋势检验、小波分析法和耦合关系模型,分析迁江站主要的水沙序列周期及其多时间尺度变化特征。结果表明:迁江站年水沙序列具有下降趋势,多尺度特征基本一致且存在主周期,人类活动、气候波动及水土保持措施等因素对水沙序列的变化有直接的影响。径流序列的第一主周期是25~30 a,第二主周期是13~24 a,第三主周期是3~12 a;输沙序列第一主周期是20~30 a,第二主周期是9~20 a,第三主周期是3~9 a。在5,16和28 a的时间尺度上,受生态环境及人类活动的影响,水沙序列产生较大紊乱,最终输沙序列相较于径流序列趋于稳定,其变化也滞后于径流序列。在耦合关系中,径流序列的R2为0.43,输沙序列的为0.71,输沙序列的显著性高于径流序列;且人类活动利用科学技术通过影响输沙系统,将原水沙系统的矛盾进行缓解乃至解决,使得西江中游水沙系统进入再生时期。     

系统微分响应误差修正方法在VIC模型中的应用与研究

在应用水文模型进行水文预报的过程中，由于流域水文模型结构存在诸多的简化和假设，这些简化和假设会给水文预报结果带来误差，因此需要误差修正技术来提高水文模型在实时预报中的精度。系统微分响应方法利用系统响应函数通过对水文模型的输入、状态变量、参数的修正来修正预报结果，该方法理论基础扎实，具有结构简单、不损失预见期的优点，已在多个流域水文模型中得到了广泛的应用，效果较好。VIC模型是一种大尺度分布式水文模型，该模型通过将流域划分成多个大小相同的网格，在网格内模拟产汇流结果。以闽江建阳流域为研究区域，构建流域VIC模型进行径流模拟，将系统微分响应误差修正方法应用于VIC模型中，通过对模型输入中的降雨量进行修正来修正预报结果，并与传统自回归模型误差修正方法（AR模型）进行对比分析。结果表明：系统微分响应方法在VIC模型中的修正效果较好，纳什效率系数从修正前的0.752提高到0.895，径流相对误差从修正前的7.89%降低到5.71%，而AR模型修正结果的纳什效率系数为0.807，径流相对误差为6.77%，这两种修正方法结果表明系统微分响应方法优于AR模型误差修正方法。结果表明系统微分响应修正方法在...     

冲积河流河型控制的模糊聚类方法研究

建立了冲积河流河型控制的模糊聚类方法的基本理论,包括冲积河流河型自然分类方法、冲积河流河型成因的输沙平衡程度理论假说、冲积河流水沙项输沙平衡程度公式、冲积河流自然分类的河流模糊等价矩阵聚类方法和冲积河流河型模糊控制的3个关键步骤。3个关键步骤为控制指标量选择、控制指标量取值表的制定、河型控制的模糊等价矩阵聚类方法验证。在黄河下游花夹河段的试应用结果表明,在水沙项数可以控制的条件下,河型是可以得到控制的。     

基于数值模拟的分离鳃水沙分离效率及机理分析

利用层流模型和欧拉模型,运用Phase Coupled SIMPLE(PC-SIMPLE)算法,对分离鳃与普通管中的水沙两相流流场进行了静水沉降的三维数值模拟,并根据数值计算结果,对分离鳃与普通管内的速度场和含沙量分布特性进行了对比与分析,探讨了分离鳃的水沙分离效率及机理。结果表明:分离鳃中的速度矢量分布规律与普通管不同;分离鳃的结构形式、其内部的流场特性及含沙量分布特性都有利于水沙的分离,故分离鳃中的泥沙速度、清水速度及泥沙去除率都大于普通管的。探明了分离鳃快速分离水沙的机理,这对分离鳃结构的进一步优化提供了理论基础。     

移动坐标下考虑弯道横向输沙及河

基于移动坐标的计算原理,建立移动坐标下的平面二维水沙数学模型。通过在泥沙运动方程中增加横向输沙项,对该模型进行扩展,使其能较好地模拟弯道环流的横向输沙效应。借助土力学中边坡稳定性理论,对河岸崩塌变形进行数值模拟。将扩展后的模型应用于一概化弯道上,计算结果与现有的认识一致。     

迷宫流道灌水器抗堵塞设计与PIV试验

为提高迷宫流道灌水器的抗堵塞性能,通过数值模拟的方法对梯形流道内含沙量分布以及水沙流速进行了分析,并采用PIV测试优化前后流道内颗粒运动轨迹和速度来进行验证。结果表明:梯形迷宫流道灌水器流道内高含沙量区域主要在迎水面且流速较低的位置,在优化流道时可适当增加迎水面的修改,结合流道整体和加工需求可适当、甚至不修改流道背水面尺寸;以某一含沙量分布线作为流道边界,通过多次数值模拟获得较低含沙量的流道后,进行标准化再选取流道较宽的流道。该方法基本消除了沙粒大量集中的现象,获得抗堵塞性能较好的流道模型。经水沙速度分析和PIV测试验证了该方法不仅保持了灌水器优化前的水力性能,而且抗堵塞能力得到了提高。     

移动坐标下考虑弯道横向输沙及河岸变形的平面二维数学模型

基于移动坐标的计算原理,建立移动坐标下的平面二维水沙数学模型.通过在泥沙运动方程中增加横向输沙项,对该模型进行扩展,使其能较好地模拟弯道环流的横向输沙效应.借助土力学中边坡稳定性理论,对河岸崩塌变形进行数值模拟.将扩展后的模型应用于一概化弯道上,计算结果与现有的认识一致.     

引黄灌渠泥沙迁移特性与渠道挟沙力模型试验研究

【目的】探索灌渠泥沙迁移特性及泥沙级配的沿程变化规律,找出减少渠道泥沙淤积的方法,保障灌区正常运行。【方法】通过对尊村灌区典型干渠高含沙水流实时监测采样,分析了悬移质泥沙沿程含沙量变化及级配特征,并根据实测数据带入4个典型挟沙力公式,筛选出适合尊村灌区的挟沙力公式,进一步改进得到尊村灌区渠道挟沙力计算公式.同时,通过一干渠改造段实测数据,推求出一干渠冲淤平衡比降计算公式。【结果】不同粒径泥沙的输移特性不同,总干渠悬移质含沙量随来水含沙量的增加而增加,渠道淤积主要与粉粒和砂粒量有关,其中砂粒对来水含沙量的变化表现得最为敏感,而黏粒更多的被水流带走,渠道由非平衡输沙经冲刷、淤积达到冲淤平衡输沙的过程比较缓慢。同时沉沙池能有效地减小引水中砂粒量。二干渠末清淤修缮段依旧存在泥沙淤积问题,一干渠剩余未改造部分,在条件允许的情况下,建议增大比降。【结论】含沙量在2 kg/m3内时,一级站来水量在8 m3/s左右,渠道基本实现冲淤平衡。     

洪水期悬移质日平均输沙率计算方法的分析研究

《水文资料整编规范》中所给的在流量和含沙量变化较大的情况下的2种悬移质日平均输沙率的计算方法均是近似计算方法,计算成果含有误差,直接影响流域侵蚀、灌区淤积研究和天然河道、灌溉渠道冲淤分析等成果的精度。提出的“积分法”可以消除近似计算方法所带来的误差,得到精确的悬移质日平均输沙率计算结果,解决了长期以来计算方法存在误差的问题,为下次规范的修改制订提供参考。     

基于遗忘因子和误差修正的水文实

在进行水文预报时，由于影响河道洪水的因素众多，常用的水文预报模型往往不符合实际水文系统的客观规律。对这类系统的参数辨识要求算法具有较强的实时跟踪能力，以适应模拟或预测洪水运动变化过程的要求。利用洪水预报误差信息，对BP网络洪水实时预报校正模型与方法进行了探讨，提出了两种实时预报方法。第一：运用最小二乘递推算法，引入时变遗忘因子实时跟踪模型中时变参数的变化，建立了神经网络在非线性系统中动态的系统输入、输出数据之间的映射关系。第二：利用BP网络模型对误差的可识别性，将模型对输出变量的预报误差再次作为输出变量，对网络可能预报的误差进行实时修正。计算实例表明：以上两种方法提高了神经网络在水文领域的预报精度，给BP神经网络的实时预报方法提供了新的途径。     

小开河灌区地表水沙及地下水联合优化配置模型

水资源供需矛盾、地下水环境保护以及泥沙长距离输送是小开河灌区面临的3个重要问题。针对灌区水资源开发利用现状和长距离输沙的特点,以水资源配置的总体经济效益为目标建立了水量分配效益模型,以地下水合理埋深为目标建立了地下水位控制模型,并将当前水沙优化调度的具体措施模型化建立了输沙效果模型;利用分层序列法按水量模型、水量-水沙模型、水量-水沙-地下水模型的求解次序逐步将三个不同目标的模型耦合在一起,得出了50%及75%水平年时引黄水和灌区地表、地下水联合优化配置方案。该优化模型综合考虑了水资源利用的经济与环境问题,对促进小开河灌区以及黄河下游其他引黄灌区的可持续发展有参考价值。     

小流域土壤侵蚀动态过程模拟模型

建立流域土壤水蚀预报模型将为小流域综合治理、土地利用规划等宏观决策提供依据,为小流域水土保持效果有效评价提供参考。通过对小流域侵蚀动态过程的分析,在水流连续方程、动量守恒方程及泥沙质量守恒方程基础上,对坡面－沟道及各沟道间土壤侵蚀时空关系进行合理耦合,建立了流域系统土壤侵蚀动态模拟过程模型;采用有限元方法对土壤侵蚀模拟模型进行数值离散,建立了小流域系统数值离散模型;在确定流域时空离散方法基础上,采用VC++语言编制流域水蚀模拟程序;在室内人工模拟降雨条件下,对模型小流域50 mm/h降雨强度,5 min降雨历时情况下土壤侵蚀情况进行模拟,在得到流域内典型点处径流流量、径流含沙量及各沟道流速动态过程的同时,将流域内各沟道出口处模拟结果与测量结果比较,径流流量、径流含沙量、流速模拟精度均高于80%。研究结果表明小流域土壤侵蚀模拟模型的建立是可靠的,模型的数值离散方法及编制的计算程序是完全可行的。这一模型的建立将为小流域土壤侵蚀动态过程的模拟预报及实现由小流域向中大流域的侵蚀动态模拟预报提供一定的理论基础。     

南方低山丘陵区滴灌葡萄蒸发蒸腾量实时预报

以浙江低山丘陵区永康灌溉试验站为背景,运用Penman-Monteith公式计算分析了永康长系列参考作物腾发量ET0及其变化规律,建立了ET0实时预报模型,并分析了参数A0取值方法对预报精度的影响。采用双作物系数法确定了滴灌葡萄逐日作物系数,建立了滴灌葡萄蒸发蒸腾量实时预报模型。运用实测的土壤含水率资料,根据水量平衡原理分析计算葡萄实际蒸发蒸腾量,与模型的预报值比较表明所建立的模型及其参数合理。     

基于神经网络模型的输沙过程推估

以皇甫川流域为研究对象,在分析区域降雨及来水量对含沙量影响的基础上,分别构建静态倒传递神经网络及动态反馈式神经网络模型推估汛期输沙过程,并对模型推估结果与误差进行对比分析。研究结果表明:动静态模型对于流域输沙过程的推估均具有良好的模拟效果,效率系数均为0.82以上,动态反馈式神经网络模型的精度略微优于静态倒传递神经网络模型;动态网络模型推估沙峰值的效果更好,更加接近于实际观测沙峰值,推估沙峰误差最小达到了2%;静态网络模型在拟合退沙阶段的效果比动态网络模型的效果好。     

北方土石山区典型流域不同类型洪水的水沙关系差异及归因

基于水文站的降水、径流和泥沙数据，采用聚类分析、含沙量-流量（SSC-Q）滞回曲线等方法，从事件尺度研究北方土石山区弥河流域不同类型洪水事件的径流、输沙特征，揭示各类洪水水沙关系及输沙贡献情况及水土保持措施影响机制。结果表明：(1)弥河流域1951-2021年的261次洪水事件可划分为小型、中型、大型和特大型四类，洪水事件的滞回曲线类型主要为8字形。随着洪水量级的增加，洪水事件的洪水历时和径流输沙量均呈增长趋势，径流和泥沙变率增加，复合型滞回曲线的占比逐渐加大。(2)大型与特大型洪水事件发生频次最低，但输沙贡献率高达86.9%，是北方土石山区输沙的主要洪水类型，主导弥河流域的水土流失灾害，在流域治理中需重点关注。(3)水土保持措施和人类活动对中、小型洪水事件的影响较大，其水沙关系变率超过10%；但对大型洪水事件的影响相对较小，水沙关系变率仅为1.2%。通过合理配置流域中的水土保持措施，当地中小型洪水事件的水沙关系可得到调节，从而达到拦蓄洪水、调控泥沙的目的。同时，亟需持续加强特大暴雨的水土流失及洪水防控措施，避免其给北方土石山区的生态环境等造成严重破坏。研究结果可为该区域水土保持工作的...     

多沙水库非恒定水沙动床数学模型研究

通过选取水流挟沙力、动床糙率等计算公式,考虑河槽在冲淤过程中河宽变化规律的模拟,并着重克服以往数模取恢复饱和系数小于1等理论上的不足,使准二维非恒定水沙动床数学模型在计算多沙水库的水沙运动时符合天然实际,定量结果更为可靠。然后,利用典型水库——黄河三门峡水库1994~1999年实测水沙系列及相应资料,对数学模型进行验证计算,以便该数模能够正确模拟原型泥沙冲淤变化、水位变化、泥沙级配变化、含沙量沿程变化、河床形态调整变化等规律。     

农田墒情测报及灌溉预报自动化研究与应用

应用土水势和不量平衡原理,通过田间试验和室内模拟试验,实现石膏块土水势传感,计算机数字采集,墒情及灌溉预报自动化,灌区应用验证精度较高。     

黄土丘陵沟壑区典型小流域不同洪水类型侵蚀输沙效应

不同降雨-径流格局下的土壤侵蚀响应是土壤侵蚀规律研究中的基本关系之一,以黄土丘陵沟壑区典型小流域岔巴沟的一级支沟蛇家沟为例,分析了不同洪水类型驱动下的小流域侵蚀输沙过程。以蛇家沟水文站1961—1969年记录的45次洪水事件为数据基础,选取洪水历时、次洪水径流深和洪峰流量作为洪水径流过程的特征指标,运用K均值聚类和判别分析相结合的方法,将全部洪水事件划分为3种类型。其中,A型洪水具有短历时、小径流、低变率和中洪峰的特点,是最为普遍的类型。B型洪水具有中历时、中径流、中变率和小洪峰的特点,发生频率居中。C型洪水具有长历时、大径流、高变率、大洪峰的特点,发生频率最低。洪水历时是决定洪水类型的主要因素。不同洪水类型下的输沙模数、平均含沙量及最大含沙量由大到小依次分别为:C、B、A;C、A、B;C、A、B;但其差异并不显著(P0.1)。蛇家沟小流域的水沙关系趋于稳定,径流含沙量的变化可用流量的对数函数进行描述。在径流量保持一致的情况下,不同洪水类型驱动下的输沙模数相对大小(A∶B∶C)为1∶0.93∶1.22。当洪水历时延长1.7倍时,其增沙作用达到极大值,输沙模数最大增幅为22%。研究结果可为流域洪水类型划分、全面科学评估径流调控及利用的水土保持效益提供有益参考。     

三峡水库对下游河流水沙情势影响评估

为了评价三峡水库蓄水后下游河流水沙情势变化特征及其产生的生态影响,运用双累积曲线法、MannKendall趋势检验法和变动范围法(RVA)对三峡水库下游宜昌站1952-2015年逐日流量和含沙量指标进行探究。分析结果表明:三峡水库下游河流水沙特性在2003年发生明显转折,年均流量和含沙量均显著下降;月均流量在丰水期增加,枯水期减少,月均含沙量年内大幅下降;年最小1、3、7、30、90日流量发生高度改变,而年极值含沙量各指标改变度均达到100%;流量脉冲基本属于低度改变,含沙量高脉冲改变度达到100%;流量的逆转次数,含沙量的上升率、下降率和逆转次数均发生高度改变;通过对河流水沙情势改变度评价,其流量属于中度改变,含沙量属于高度改变。三峡水库蓄水后在一定程度上改变了下游河流的水沙情势,对河流生态系统健康带来一定影响。研究结果可为三峡水库下游河流生态保护提供参考。