空间均化水文模型及其验证

本文基于空间均化方法构建了空间均化水文模型SAHM.该模型采用基于空间均化方法建立的宏观尺度水文控制方程描述了计算单元内入渗、壤中流和坡面汇流等基本水文过程,在方程中直接包含了土壤饱和导水率和微地形的空间非均匀性,使SAHM在保持传统"点"尺度方程机理性的同时从理论上避免了方程适用尺度和模型应用尺度的不匹配问题.模型在半干旱半湿润的沁河流域上游进行了验证,并对模型参数敏感性进行了分析,结果 表明,模型具有较高的计算精度和计算效率,可用于大中尺度流域水文模拟、水资源评价和洪水预报.     

微尺度流动界面现象及其流动边界条件分析

水平微尺度毛管中低Reynolds数流体流动出现许多另人费解的现象,如流动前缘并未出现Poiseuille速度剖面,而似一种“段塞式”流动,固/液界面看似不符合无滑移边界条件. 该文针对这些易引起困惑的问题,利用可视化微管流动实验及岩石孔隙仿真光刻模型流动实验,考察了润湿性对微尺度毛管中流体流动的影响,探讨了微尺度毛管中表面流动现象产生的实质.结果表明,在微尺度流动中观察到的小分子液体“段塞流动现象”,以及看似壁面滑移流动等现象,其实质是液/固壁面仍为无滑移边界,三相接触点以尤如运动的“坦克的链轨”发展方式,沿壁面发展,从而产生“段塞式”流动.虽然仍在低速层流的条件下,但由于界面张力的作用,接近动界面处流动质点的运动已不再保持一维直线运动.     

水文模型尺度问题的若干探讨

尺度问题是制约水文模型发展和应用的一个重要因素。在回顾和分析水文模型尺度研究进展的基础上,提出了水文模型尺度研究中的若干问题,包括水文模型与水文过程的尺度关系、时空异质性问题、水文建模与耦合的尺度性、遥感及GIS与水文模型的关系等问题,建议通过建立和发展全球水循环观测网络、加强水文过程的机理研究、从理论的视角来构建多尺度水文模型、基于遥感和GIS技术开展不同尺度水文模型研究等方法来解决水文模型尺度的关键问题,进而利用不同尺度水文模型预测全球水循环变化趋势,更好地应对流域区域乃至全球的气候变化问题。     

浅议地下水模型对地下水管理和保护的技术支撑

我国地下水超采问题严重,引发了诸多资源和生态地质问题.贯彻实施《地下水管理条例》、推动新阶段水利高质量发展,亟须加强地下水管理与保护.概述了国内外地下水模型发展历程和国外全国尺度地下水模型应用,从技术支撑角度系统阐述了研制我国自主产权地下水模型的必要性,以及在全国尺度应用的可行性,从多方面提出模型建设意见.     

水文多尺度仿真在雨量站网密度研究中的应用

从水文多尺度仿真的角度研究雨量站网密度问题,构建了水文多尺度仿真模型族和水文多尺度仿真系统.应用中国梅雨雨量站网实验区的雨量站资料,在水文多尺度仿真系统平台上,以抽站法和水文模拟法相结合,采用多水文模型族进行雨量站网密度研究.研究认为在流量相对误差和确定性系数两项指标都比较稳定的情况下,站网密度与水文模型、服务目标具有密切的关系.在湿润地区和时间尺度为日的条件下,分布式水文模型要求流域具有高密度的雨量站网布局,站网密度应在40km2/站,集总式水文模型对站网密度要求较低,站网密度应在100km2/站.研究认为水文多尺度仿真能够反映雨量站网密度的不同尺度的特征.     

饱和细粒土固结过程中微观结构研究

饱和细粒土物质组成复杂且结构尺度跨度大,受压后微观结构的变化可反映宏观力学行为。借助室内试验（压汞试验、计算机断层扫描技术）及数值模拟方法（数据约束模型）,建立饱和细粒土微观结构三维模型,实现土体物质组分和尺度的初步概化与分类。并尝试从微观结构和微宏观定量联系方面解释固结压力对饱和细粒土微观结构的影响,从而探讨饱和细粒土固结时的微宏观特征,确定固结压力过渡值。目前微纳米级小尺度团聚体的定量信息无法采用其他方法获取,但采用数据约束模型分析方法可以揭示孔隙和矿物团聚体的大小和数量随压力变化的敏感性。固结压力中400 kPa是压力过渡值,显示土体固结过程中孔隙收缩速度变慢,矿物团聚速度显著增加。饱和细粒土承受大于400 kPa以上的压力后,孔隙和矿物连通体的多尺度组合特征变得稳定。结合土体压缩变形特征,推测饱和细粒土蠕变界限在400 kPa左右,对应着土体结构破坏的临界压力。所采用的数据约束模型方法在突破微米级尺度后可实现微纳米尺度分析,可供其他工程材料研究参考。     

小波变换法对不同流域尺度的适定性研究

为了分析小波周期分析模型对不同流域尺度的适应性问题,确定模型的应用范围,文中分别选取具有代表性的、不同类型的3座水库月平均入库流量作为模型的输入源进行验证,结果证明组合模型预测精度的好坏和水库的控制流域尺度是密切相关的.     

冻结缘中未冻水迁移的微尺度研究

冻结缘的微观结构、渗透特性对深入认识冻土的冻胀机理和水分迁移规律有着重要意义。采用冻结缘中冰-土颗粒形成的通道内未冻水的流动满足连续性假设,同时流场可采用N-S方程描述的假设,基于数值耦合分析软件模拟了未冻水在不同的冰-土颗粒组成的孔道微尺度模型中的迁移流动,并为了实测孔隙中水压力遴选传压介质,模拟了具有不同黏度的传压介质在微尺度模型中的流动特性。     

基于分布式水文模型的尺度分析

本文介绍了尺度分析的重要性及尺度分析与分布式模型的一些基本概念、研究现状。分布式水文模型的发展为解决尺度问题提供了一个有效的途径;在现有成果的基础之上,提出了目前研究中存在的问题及其未来的发展方向。     

润湿性微纳米圆管中去离子水的流动特征

在传统的流体力学中,流体在固壁处流速为零,即无滑移边界条件。在微纳米条件下,由于固液界面作用力增大,无滑移边界条件不再适用。该文首先从微米石英圆管中的流动实验现象出发,给出润湿性边界黏滞层厚度随应力变化的边界模型。在此基础上推导出层流条件下,微纳米管中的流量公式,并对流量公式进行渐近分析,同时也分析流动微纳米尺度下的流动特征。最后用微米圆管中去离子水的流动实验,对新建的理论模型进行验证。研究表明:润湿性条件下,边界黏滞层厚度随驱动力的增大而减小;新建立的微纳米尺度下的边界模型和流量公式非常符合实验结果,其中一次方的流量模型应用时更为简单,在压力梯度较小时,指数项起作用产生了非线性流动的效果。     

涌潮三个基本问题研究

涌潮是水位，流速有急剧变化的涨潮波前锋线，涌潮与潮波尺度相差很大，研究时，可针对问题采用不同尺度的模型，大尺度模型在涌潮附近应采用沿水深积发的方程，虽然在解连续可微条件下，ｓａｉｎｔＶｅｎａｎｔ方程与经方程等价，但涌潮近旁，两者的广义解并不相同，涌潮形成中获得关于成因，影响因素方面不少认识，但要定量确定形成长度，在实践和理论上都存在困难，且无必要。     

基于分形理论的新安江模型参数空间尺度效应分析

水文尺度效应一直是当今水文科学研究的前沿问题。基于分形理论建立模型空间敏感参数在不同尺度之间的定量转换方程,进而提出了一种水文模型参数空间尺度效应分析方法。以三水源新安江模型为例,分析模型参数在嘉陵江小河坝站以上流域的空间尺度效应。结果表明:新安江模型空间敏感参数(SM、KG、KI、CG、CI、CS)具有随空间尺度变化的标度不变性,与流域集水面积之间定量关系可用幂函数关系进行描述,并可建立相应的定量转换方程。通过在研究流域不同空间尺度上的应用检验,发现基于分形理论标度不变性建立的新安江模型参数空间尺度转换方程具有较高的适用性,能实现有资料地区模型参数向无资料地区的移用,为无资料地区水文模型参数的确定提供参考。     

旋流流动中的颗粒相非线性双尺度k_p-ε_p湍流模型

基于多尺度湍流的概念,建立了颗粒相的非线性双尺度k_p-ε_p湍流模型.利用该模型对旋流突扩室内的两相流动进行了数值模拟,并且将两相平均速度及脉动速度的模拟结果和实验数据以及颗粒相的单尺度k_p-ε_p两相湍流模型的结果做了对照.结果表明:对两相切向速度,两种模型具有相接近的模拟能力;但是对脉动速度及轴向速度,本模型的预报结果比单尺度两相模型所获得的结果有较大改进.     

绿水评估方法研究进展

在回顾绿水量计算方法的基础上,阐述了水分平衡法、植物生理学法、微气象学法、模型法、遥感法及仪器法的适用条件和特点,认为遥感信息支持下的微气象学法和模型法实际可操作性更大;提出了绿水计算面临的两个关键问题是时间和空间尺度、生产性绿水与非生产性绿水的分离,分析了气候变化和下垫面景观变化对绿水评估的影响,同时展望了绿水评估对水资源一体化管理的应用前景。     

淮阴竹络坝灌区三维虚拟地理场景构建关键技术研究

针对灌区三维虚拟场景构建的多源异构数据,提出了支持灌区水工建筑物三维模型(BIM)与三维虚拟地理场景模型(3D GIS)构建数据采集总体技术路线与技术方法;从宏观尺度灌区地理场景与微观尺度水利设施内部场景可视化2个方面研究了三维虚拟地理场景构建方法;对涉及的基于Cesium的地理场景高效渲染、三维地形模型与水利工程模型无缝融合、水系线性要素空间建模、闸口等点状物建模、水文要素的动态渲染、多尺度模型加载关键技术问题提出了解决方案.根据淮阴竹络坝灌区的特点,采用了"GIS+BIM"融合模式构建了灌区三维虚拟地理场景,为数字灌区建设奠定了基础.     

不同空泡脱落模式下空化多尺度特性研究

云状空化是一种以相变为核心,包含多种尺度空泡生长演变行为的强瞬态多相流动现象。该文采用双向耦合欧拉-拉格朗日多尺度空化模型,模拟了空化数σ=1.2时,绕8°攻角三维NACA66水翼空化流动,通过VOF(volume of fluid)界面捕捉法求解欧拉体系下大尺度空穴演化,利用拉格朗日体系下的离散空泡模型(DBM)追踪亚网格尺度离散空泡运动及生长溃灭过程。结果表明：绕水翼云状空化流动,包含附着型片状空泡生长与发展、回射流产生与推进、云状空泡脱落和宏观片空泡再次生长以及压力波推进4个阶段。离散空泡数量及尺度随大尺度空穴周期性演变而变化,主要分布在强湍流脉动区。在各空化发展阶段,离散空泡集中分布在水翼中后部,微空泡直径概率密度函数均符合单峰Gamma分布,最高空泡数密度泡径为50μm。在湍动程度较小的附着型空穴生长阶段,微空泡数密度相对于空泡直径呈-5/3幂率特征;在湍动程度较大的回射流发展阶段、云状空穴脱落溃灭及压力波推进阶段,较小尺度的微空泡数密度相对于空泡直径呈-2/3幂率特征,较大尺度的微空泡数密度相对于空泡直径呈-6幂率特征。     

基于地理信息系统的生态水文模型研究进展

在明确生态水文学及生态水文模型概念的基础上,重点阐述了基于GIS生态水文模型数据集优化的研究进展,探讨了目前基于GIS实现生态水文耦合相关研究存在的显著问题,即尺度转换、耦合点和耦合方法.并根据当前问题阐述未来生态水文模型发展方向,建立大尺度和适用广泛的生态水文模型将是下一步研究的重点.     

陆地生态系统水体中硝酸盐行为过程模拟原理、进展及存在问题

该文以SWAT、AnnAGNPS、HSPF、RZWQM、BASINS和GLEAMS六种主流模型为例,系统阐述了陆地生态系统模型中硝酸盐行为过程的模拟与应用发展情况,分析了目前主流模型中硝酸盐模拟的原理,探讨了存在的问题,指出了有微生物参与的氮素转化过程的计算方法、氮素与作物耦合过程机理及定量方法方面需要深入的实验研究,以探索其机理,提高模型模拟预测性能。同时指出目前绝大多数的一维田间尺度模型应借鉴区域生物地球化学循环模拟方法或与分布式水文模型耦合进行尺度扩展;流域尺度模型,应进一步加强多个环境耦合过程的模拟研究;详细指出了SWAT、AnnAGNPS流域模型存在的问题及发展方向。     

水文模型的尺度性探讨

分析了水文模型尺度研究的必要性及理论基础,重点阐述了水文模型在原理、结构、复杂度、所需资料等方面存在的尺度性,并提出了水文模型尺度性的数学描述方法。同时指出,定量化评价水文模型的尺度性还有待于深入研究。     

物理性流域水文模型研究新进展

在计算机、空间观测等相关学科发展的推动下，物理性流域水文模型目前己成为流域水文模拟研究的重要发展方向。国内外很多学者通过一些新理论、新方法的应用，促进了物理性水文模型的研究，同时也使它成为了一个充满机遇和挑战的活跃领域。传统的物理性流域水文模型以数值求解控制水流运动的偏微分方程组为基本手段，存在模型应用尺度和方程适用尺度不匹配的尺度问题。为了解决这一问题，学者们开展了大量的思考和研究，同时也构成了当代水文学理论研究的中心内容，目前在物理性流域水文模型方面的研究可以归结为3个代表性的发展方向：在物理性和计算效率之间取得平衡的准物理性水文模型、基于不规则网格的物理性水文模型以及直接在宏观尺度建立数学物理方程的尺度协调的物理性水文模型。