延安地区明代干旱灾害与气候变化研究

通过对陕西省延安地区明代(公元1368—1644年)历史资料的搜集和整理,对该时期干旱灾害等级、时间变化及成因进行了分析。结果表明:在明代的277年中,延安地区共发生干旱灾害91次,平均每3年发生1次。轻度干旱灾害发生17次,中等干旱灾害发生30次,大干旱灾害发生29次,特大干旱灾害发生15次,分别占到干旱灾害总数的18.7%、32.9%、31.9%和16.5%。大干旱灾害与特大干旱灾害发生频次高是明代延安地区干旱灾害的突出特点,指示明代总体为干旱气候期。延安明代干旱灾害可分为4个阶段,第一阶段为公元1368—1420年,为干旱灾害少发期;第二阶段为公元1421—1520年,为干旱灾害多发期;第三阶段为公元1521—1617年,为干旱灾害少发期;第四阶段为公元1618—1644年,为干旱灾害多发期。各等级干旱灾害特别是大与特大干旱灾害显著增加,指示第二、四阶段气候显著变干,降雨量明显减少。延安地区明代出现了2个极端干旱气候亚阶段,分别在1480—1499年和1626—1641年之间,当时年均降水量比现今少200mm左右。     

基于两相双质点MPM的滑坡堵江灾害链生全过程分析

滑坡-堵江-堰塞湖灾害链是高山峡谷地区的典型地质灾害,其中滑坡堵江环节作为该灾害链的衔接过程,往往决定了后续灾害在时间、空间上的延拓规模,合理再现这一复杂流-固耦合过程对于灾害链风险评估至关重要。基于物质点法（MPM）模拟岩土材料非线性的优势,采用Drucker-Prager模型表征失稳运动的岩土体,引入人工状态方程表征水体流动过程,发展了岩土体（固相）与水体（液相）相互作用的两相双质点物质点法（TPDP-MPM）;通过模型试验尺度下滑坡体-水体相互作用过程的仿真分析,验证了TPDP-MPM处理岩土体、水体两相耦合的有效性。以此为基础,针对2011年湖北十堰市二荒村滑坡堵江（平渡河）灾害链,再现了灾害演化全过程,通过演化过程中的速度场与动能分析,认为二荒村滑坡堵江全过程可分为失稳启动、高速滑动、入江制动和堆积成坝4个阶段,揭示了滑坡体在失稳启动和高速滑动阶段的运移模式以及入水制动阶段水体对于滑坡堆积过程的影响规律。研究成果为滑坡堵江灾害链的全过程推演与风险评估提供了理论与方法。     

滑坡涌浪诱发冰湖溃决灾害链过程分析与模拟

近年来滑坡诱发冰湖溃决灾害链发生频率日趋增加,对下游居民及工程设施安全造成严重威胁。为定量描述滑坡诱发冰湖溃决灾害链危害,通过系统分析该灾害链的演化过程及阶段特征,将其划分为四个子阶段：滑坡运动、涌浪传播、冰湖溃决、洪水传播;分别研究各子阶段演化的物理机理及关键因子,建立了相应的数学模型与计算方法,如滑坡运动采用Savage-Hutter模型、涌浪及洪水传播采用浅水波方程等;通过确定各子阶段之间的衔接因子,如滑坡运动特征、涌浪传播特征、坝体溃决特征等,实现了各子阶段的过程耦合与数据传递,建立了滑坡-涌浪-冰湖溃决-洪水灾害链的全过程物理模型,最终完成了该灾害链的过程模拟与危险分析。为验证所建立模型与计算方法的可行性,以四川省甘孜藏族自治州雅拉乡木格措冰湖潜在灾害链为案例,结合现场勘查与卫星影像数据,开展不同情境如暴雨或上下游级联溃决等条件下灾害链的过程模拟与危险分析,且将模拟结果与经验公式计算数据进行对比。结果表明,本文所提方法可较好的完成滑坡诱发冰湖溃决灾害链过程模拟,模型模拟数据与经验公式计算数据较为吻合,且考虑暴雨或上下游级联溃决条件时下游洪水流量呈显著增加趋势。本文研究成果提供了一种新的滑坡诱发冰湖溃决灾害链研究思路,对该灾害链的防灾减灾技术具有重要支撑作用。     

灰色神经网络耦合模型在城市需水量预测中的应用

目的为了更准确预测城市用水量,弥补灰色和神经网络预测模型在中长期需水量预测中的不足.方法采用最小方差法建立了灰色新息递补模型和新息递补BP神经网络的耦合模型即灰神经模型,并对城市需水量进行预测.结果预测沈阳市生活需水量,灰神经网络耦合模型的平均相对误差为0.144%;预测沈阳市工业需水量,灰神经网络耦合模型的平均相对误差为0.19%.在模拟精度方面远远高于其他模型的模拟值,提高了预测的准确性.结论提出了用灰色神经模型来预测城市需水量的方法,能更好地预测城市未来需水量,把影响预测的不定因素降到最低限度,具有广泛的实用性.     

农业干旱监测指标研究进展

从传统监测指标和遥感监测指标两个方面对农业干旱表征指标进行了综述.传统农业干旱监测指标主要包括降水量指标、土壤含水量指标以及作物需水量指标等;遥感监测指标包含基于裸露地表和基于有植被覆盖地表的干旱遥感监测指标两大类.由于遥感方法具有大范围、宏观、动态监测的优势,目前得到了较为广泛的使用.未来农业干旱监测应建立广义的、适合于作物各时期的监测模型,并在此基础上对双层模型进一步简化.     

区域水资源的优化配置模型

基于多目标非线性规划原理,提出了一种适用于多水源、多用户的区域水资源优化配置模型.充分考虑经济效益、用水费用和区域均衡性多个目标,构造了一个新的非线性综合目标函数.以需水量和可供水量为约束条件,采用序列二次规划法求解函数最优值.将该模型用于某市水资源分配,获得了3个规划水平年在3种保证率条件下的优质水资源优化配置方案.结果表明,采用提出的优化方案可以显著提高经济效益,并为未来水资源分配决策提供较为科学的依据.提出的模型具有参数设置灵活等优点,可供缺水地区水资源调配时参考应用.     

黑龙江省1—6月水资源供需预测

介绍黑龙江省１～６月水资源预测计算方法和结果。主要包括各大江河径流量，蓄、引、提水工程等地表水可供水量，浅层和深层地下水可供水量以及农业、工业、生活和其它需水量的计算方法和结果     

基于最大熵原理的洪水灾害灾情评估改进普适模型

作为区域灾害风险管理的重要组成部分,灾情评估可为区域灾害预防与发生以及更好地进行区域经济可持续发展规划提供科学依据.自然灾害灾情评估的难点是估算灾情发生的不确定性、损失的概率分布以及处理评价过程中指标的随机性和评价等级的模糊性.为此,提出了基于信息熵的改进灾情评估模型,用最大熵原理处理灾害发生的不确定性和损失的概率分布,用指数普适公式处理评价指标的变化差异性,并利用加速遗传算法优化相关参数,进而建立了基于信息熵的AGA优化改进灾情评估普适模型.应用结果表明:该模型有效地估算了灾害发生的概率,解决了评估灾害发生的不确定性问题,提高了评价的可靠性,且方法智能化程度高,可在多种灾情评价中进行推广应用.     

灌木对黄土边坡的加固效应

植物对边坡稳定性的贡献源于根系对土体的加劲作用、根系吸水消耗孔隙水压力及其引起的抗剪强度增加.通过对非饱和含根土开展剪切试验建立了根-土复合体的抗剪强度模型,其抗剪强度是根系密度和土壤含水率的函数.通过建立二维根系吸水模型,开展根系吸水条件下的渠道边坡土壤水分运动数值模拟.根据土壤水分动态分布和根-土复合体抗剪强度模型计算了不同气象阶段植被渠道边坡的稳定性.对比相同时刻植被边坡和裸土边坡的稳定性计算结果发现,植物根系通过加劲土壤和吸取土壤水分能够显著增强黄土渠道边坡的稳定性.     

苏州市经济发展与水资源系统关系时序特征研究

利用耦合协调模型和灰色关联模型,考察2007-2018年苏州市经济与水资源系统发展的时序变化特征,定量分析二者之间的协调关系,定位制约协调发展的关键要素.结果表明:苏州市经济发展与水资源系统耦合程度较高,发展过程由失调衰退阶段、调和阶段向协调发展阶段转变,现已呈良好耦合协调发展模式;水资源压力和水资源保护是制约经济发展...     

作物生长条件下蒸发与蒸腾的模拟及土壤水份动态预报

以由能量平衡原理及边界层水汽扩散理论而导出的Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ公式为基础，确立了棵间潜在蒸发及潜在植株蒸腾的计算模式．建立了以作物根量分布为基础的根系吸水模型．结合实测资料，导出了棵间实际蒸发的经验模式．应用上述经验与半经验模型，结合非饱和土壤水份运移方程，对田间土壤水份动态进行了模拟与预测，其结果与实测结果拟合较好．     

基于有限体积法的地表径流与土壤水流耦合分析

为了考虑强降雨条件下地表径流对土体入渗的影响,将地表径流模型同土壤水流模型进行耦合分析. 采用Navier-Stokes方程模拟地表径流,采用Richards方程模拟土壤水流,2种方程均采用有限体积法求解. 在相同计算条件下,将耦合模型数值模拟结果与SEEP/W计算结果进行对比,以验证耦合模型的正确性,根据耦合模型计算边坡在强降雨条件下的入渗情况. 研究发现,在地表径流条件下,边坡坡顶和坡底水头相差较大,坡顶和坡底入渗深度存在明显差异,说明地表径流对土体的入渗有着较大的提高. 研究表明,随着地表径流的增强,土坡入渗强度提高.     

土-作物-大气系统中动态根系生长及水动力学模拟

针对土-作物-大气连续系统的土壤水动力学模型对根系动态生长的模拟不理想,通过引入最新的根系生长模型理论、根长密度分布函数以及联合国粮农组织推荐的计算蒸发及蒸腾总量的模型理论,与现有的模拟水土运动的有限元程序相耦合,建立模拟土-作物-大气系统的水动力学模型.基于荷兰实验农场的小麦实验数据的模拟结果表明,在不同时期、不同深度处土壤中水的体积分数与实验值比较吻合;由于降雨和蒸发的上边界影响,上部土壤中水的体积分数随时间变化较快;除接近地表的个别根长密度模拟点偏差较大外,总体来说根长及根长密度模拟结果与实验值比较吻合;蒸腾量和蒸发量的模拟结果可靠.建立的新模型合理,可以有效地模拟土-作物-大气系统中的根系生长及水动力学.     

安徽淮北地区墒情监测预报和抗旱决策信息系统研究

文章阐述了在安徽淮北地区建立墒情监测预报和抗旱信息系统的重要性,提出适用于淮北地区的土壤墒情监测方法和预报模型,对系统的情息传输、结构及功能作了较详细的介绍,在类似的干旱、半干旱地区均有参考和应用价值。     

浅论黄土高原集雨补灌农业的地位与作用

干旱缺水与水土流失并存是制约黄土高原经济发展的两大瓶颈性因素.集雨补灌农业作为雨水利用的更高发展阶段,更加强调了从时间和空间2个方面对有限雨水资源实施主动调控与利用.大量研究与实践证明,集雨补灌农业不仅是黄土高原不可缺少的水资源开发利用形式,也是黄土高原水土保持工程技术体系的重要组成部分,更是黄土高原旱地农业持续发展的一种综合模式和战略性措施,是对旱地农业的进一步继承和发展.另外,具有工程化、科技化、规模化内涵的集雨补灌农业也已经成为现代节水农业技术体系的重要研究内容之一.黄土高原集雨补灌农业研究的深度和广度将会持续深入,其技术发展更加依赖于高新技术的支撑与应用.     

滑坡–堵江–涌浪灾害链模拟的DEM–CFD耦合分析方法及其应用

滑坡-堵江-涌浪灾害链的演化过程涉及复杂的滑坡-河流相互作用。为了真实再现这一演进过程，本文提出了一种扩展的离散元法（DEM）与计算流体动力学（CFD）耦合数值方法，通过在局部平均DEM-CFD耦合方法中引入流体体积法（VOF）建立了一套能够描述河流自由水面演化的扩展DEM-CFD耦合数值框架，实现了对滑坡涌浪形成及传播过程的追踪；并提出了一种新的局部孔隙率计算方法即虚拟球模型，来克服网格颗粒临界尺寸比的限制，从而实现复杂地形建模要求；进一步通过多个典型算例验证其准确性和有效性。在此基础上，开展了滑坡-堵江-涌浪灾害链演化模拟，并应用至白格滑坡坝形成过程复演，深入分析了滑坡-河流动态演化过程及耦合作用机理。结果表明：所提出的方法能够准确模拟滑坡-河流相互作用；滑坡-河流-河谷地形的耦合作用驱动了灾害演化，滑坡体驱动了涌浪的传播，而河流则增加了滑坡体的动能耗散，且对其沉积过程在河流流向上产生相反影响；模拟得到的白格滑坡运移路径、沉积形态及涌浪侵蚀面积与实地调查结果吻合度较高，成功再现了2018年10月11日白格滑坡堵江事件。本文所提出的扩展DEM-CFD耦合数值方法为深入研究滑坡-堵江-涌浪灾害链演化机制提供了有力的数值工具，对于灾害预测及防灾减灾策略的制定具有一定的参考价值。     

Modeling the crop transpiration using an optimality-based approach

Evapotranspiration constitutes more than 80% of the long-term water balance in Northern China. In this area, crop transpiration due to large areas of agriculture and irrigation is responsible for the majority of evapotranspiration. A model for crop transpiration is therefore essential for estimating the agricultural water consumption and understanding its feedback to the environment. However, most existing hydrological models usually calculate transpiration by relying on parameter calibration against local observations, and do not take into account crop feedback to the ambient environment. This study presents an optimality-based ecohydrology model that couples an ecological hypothesis, the photosynthetic process, stomatal movement, water balance, root water uptake and crop senescence, with the aim of predicting crop characteristics, CO₂ assimilation and water balance based only on given meteorological data. Field experiments were conducted in the Weishan Irrigation District of Northern China to evaluate performance of the model. Agreement between simulation and measurement was achieved for CO₂ assimilation, evapotranspiration and soil moisture content. The vegetation optimality was proven valid for crops and the model was applicable for both C ₃ and C ₄ plants. Due to the simple scheme of the optimality-based approach as well as its capability for modeling dynamic interactions between crops and the water cycle without prior vegetation information, this methodology is potentially useful to couple with the distributed hydrological model for application at the watershed scale.     

冬小麦根系生长二维仿生模拟

以实际冬小麦根系生长试验的观测值为限制性条件,从生命进化的观念出发,把水分含量、水分梯度和温度分布等环境因素作为影响植物根系生长的环境因子,建立根系生长准则,结合非饱和多孔介质中传热传质的数学模型,对不同生长期的根系生长进行了二维仿生模拟,分析了根量分布规律,再现了冬小麦地下根系部分的动态生长过程。结果表明:小麦根系生长呈现出明显的"向水性"。     

Modeling the crop transpiration using an optimality-based approach

Evapotranspiration constitutes more than 80% of the long-term water balance in Northern China. In this area, crop transpiration due to large areas of agriculture and irrigation is responsible for the majority of evapotranspiration. A model for crop transpiration is therefore essential for estimating the agricultural water consumption and understanding its feedback to the environment. However, most existing hydrological models usually calculate transpiration by relying on parameter calibration against local observations, and do not take into account crop feedback to the ambient environment. This study presents an optimality-based ecohydrology model that couples an ecological hypothesis, the photosynthetic process, stomatal movement, water balance, root water uptake and crop senescence, with the aim of predicting crop characteristics, CO₂ assimilation and water balance based only on given meteorological data. Field experiments were conducted in the Weishan Irrigation District of Northern China to evaluate performance of the model. Agreement between simulation and measurement was achieved for CO₂ assimilation, evapotranspiration and soil moisture content. The vegetation optimality was proven valid for crops and the model was applicable for both C ₃ and C ₄ plants. Due to the simple scheme of the optimality-based approach as well as its capability for modeling dynamic interactions between crops and the water cycle without prior vegetation information, this methodology is potentially useful to couple with the distributed hydrological model for application at the watershed scale.