中国南北过渡带干旱时空变化

为识别中国南北过渡带的干旱状况,利用研究区内1960-2015年32个气象站逐月降水量和月平均气温等资料,计算每个站点的逐月综合气象干旱指数CI,并利用累积距平法等分析中国南北过渡带干旱变化情况。结果表明:就时间变化而言,干旱强度、干旱历时以及不同等级的干旱发生频率随时间均呈上升趋势,并且,轻旱在所有等级干旱中占比最重,为55.6%;就季节变化而言,干旱的发生具有季节性规律,春旱的强度最大,且历时较长,夏旱最易发生,秋旱的发生频率总体呈现出先增大后减小的趋势,在20世纪90年代达到最大值,冬旱的历时值最短;就空间变化而言,研究区内北部相对干旱,南部相对湿润,武都地区和研究区内的河南地区最为干旱,甘肃南部反而是整个研究区最湿润的地区。     

Operational Prediction of Groundwater Fluctuation in South Florida using Sequence Based Markovian Stochastic Model

The ecosystem of South Florida is characterized by a vast wetland system, karst surficial hydrogeology, and extended coastal boundary. The ecosystem is poised under risks of: ecological failure due to increased fragmentation by urbanization; groundwater flow disruption because of sinkhole formation; and intrusion of oceanic water with decreasing water table head because of drought or over pumping. It was found important to synthesize the spatiotemporal state of the groundwater hydrology and also develop a forecasting model to support the intensive management and monitoring in place. In this study, an objective was set to develop a stochastic sequence model capable of forecasting groundwater levels on a monthly span at a daily time scale. The groundwater level simulation was conceptualized as a sequence of daily fluctuating states of magnitudes and patterns that has a defined probability of occurrence. The model setup involved representation of daily fluctuation magnitudes in ten states and pattern changes in three states. The sequential occurrence of states of magnitudes and patterns at each time step was used for estimation of the transitional probabilities and employed in a hidden Markov model frame work for ensemble generation and estimation of posterior probabilities. A realization was chosen based on the highest maximum likelihood ratio of 90% and smallest root mean square error of 0.05–0.12 m against the historical data. A monthly forecasting at daily time step was done dynamically incorporating observed data at each time step and revising prior and posterior probability estimation in the hidden Markov model formulation. A case study was conducted at three well sites, which are situated at three different hydrogeologic settings. The model not only reproduced annual groundwater fluctuation patterns but also forecasted preceding monthly fluctuations at maximum likelihood ratio above 90% and root mean square error below 0.15 m. A further study was recommended first to analyze break point parametric estimation for seasonal analysis, and secondly to integrate the approach in other hydrological models for the purpose of synthetic groundwater fluctuation generation.     

水岩作用模拟中地下水质组分存在形式的研究

论述地下水质组分的存在形式及其浓度的计算方法 ,认为基于质量作用定律和质量守恒定律的化学平衡计算法优于化学分析法 ;而在水岩作用模拟的数值分析中 ,平衡常数法优于最小自由能法 .对旨在反映水岩系列间反应状态的饱和指数SI及其灵敏度函数的计算亦作了论述 .     

基于RANS方法的波流耦合数学模型

基于RANS水动力方程和k-ε双方程紊流模型提出波流耦合数学模型,研究稳定流条件下波浪传播特性。模型采用体积分数法(VOF)捕捉自由液面,在计算区域两端分别给定进口速度和出口压力边界条件来造流,同时使用内部质量源造波法造波。数值模拟结果与相关试验测量数据吻合,表明所建耦合模型可准确模拟波浪与水流相互作用。研究发现波浪周期和水流速度对规则波流相互作用所产生的波面线和速度分布有明显影响。     

基于ALE方法的渡槽流固耦合数值模拟

地震作用下渡槽动力响应研究是渡槽抗震设计的关键环节。基于ALE理论,选用显式动力分析软件LS-DYNA,研究了地震作用下水体晃动产生的动水压力对渡槽槽身位移和应力的影响。结果表明:槽体结构的横向位移及应力随渡槽槽内水深的增加而增大;在横向地震波的激励下,槽身上部横向位移大于下部;在水体的晃动效应下,槽身底部应力较大。     

电力市场与电力系统交互动态仿真设计

分析了电力交易市场、投资市场与电力系统的功能关系及其数学描述。借鉴实验经济学方法，将电力市场中能用数学模型表达的环节表达为数学模型，而将参与者的主观行为、市场规则、市场监管行为作为数学模型的输入，在实验环境中动态地交互。定义失稳风险，将输电动态阻塞对交易的物理制约转化为经济上各交易应承担的输电风险。在此基础上，建立电力市场动态过程的仿真器平台，实现电力市场与电力系统动态仿真，并采用市场调节的预交易阻塞管理模式实现电力系统技术问题与电力市场经济问题的协调。     

犀牛洞地下河水-岩作用反向模拟

水-岩作用是研究岩溶地下水迁移转化的主要理论基础,采用PHREEQC软件对犀牛洞地下河水-岩作用进行反向模拟。通过模拟得出地下水各矿物相的饱和指数,并计算出地下河径流路径水-岩作用过程中主要矿物相的转移量。模拟结果表明:地下河入口至天窗段水中的H+浓度增大,pH值减小,矿物相的溶解使得Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO24-、Na+、Cl-浓度增大;天窗至地下河出口段水中的H+浓度基本保持不变,Mg2+、HCO3-、SO24-浓度增大,而Ca2+浓度因方解石的沉淀而有所减小,模拟结果与实际水质数据相符。     

鄱阳湖湿地南部区域景观格局演变与动态模拟

基于3S技术对鄱阳湖湿地南部区域景观格局变化的分析和预测为管理和保护湿地提供科学依据。基于2000年、2005年、2010年和2015年的4期Landsat遥感影像数据,构建MCE-CA-Markov复合模型模拟鄱阳湖湿地南部区域的景观格局变化,利用遥感解译图检验模型精度,并根据已检验的景观演变限制条件和因子组合制作较优的适宜性图集,最后对2025年景观格局变化进行预测。研究结果表明:①2000—2015年期间,耕地面积不断减少,建设用地和林草地面积呈上升趋势,未利用地大幅下降,水域面积相对稳定;景观要素增多且连通性变弱,景观破碎化程度增强;②鄱阳湖湿地景观格局的动态变化受到自然因素和人为因素的共同影响,其中社会经济发展和城镇化进程因素起着主导作用;③预测模拟得到的2010年和2015年的景观格局与解译的景观格局基本一致,Kappa系数分别为0.927 1和0.863 2,模拟预测精度较高;④2025年模拟预测结果显示,耕地面积和未利用地面积将持续减少,建设用地和林草地面积呈上升趋势,水域面积无明显变化。预测结果表明研究区域景观格局变化比较活跃,生态环境压力大,需要加强耕地保护和合理利用未利用地。     

海河流域降水量长期变化趋势的时空分布特征

采用非参数统计检验方法(Mann-Kendall)对海河流域32个气象站点的48年间(1957~2004年)月降水量序列长期变化趋势进行分析,并用参数检验法进行对比;同时根据32个站点的结果,用Surfer7.0做出了12个月及年降水量的β值等值线图,年降水量的b值等值线图,对海河流域降水量进行空间变化分析。对12个月统计检验结果的分析表明,7、8两个月份下降幅度较大,以8月份最甚,b值达到-1.146mm/a,β值为-0.992mm/a,7、8月份降水量减少的趋势,造成了海河流域夏季降水量的明显减少,夏季降水量的b值和β值分别为-1.918mm/a和-1.982mm/a,即降水量每年约减少1.9mm;两种方法对年值的统计检验是相同的,均呈现明显的下降趋势,b值和β值分别达到-2.728mm/a及-2.634mm/a。从季节分布情况来看大体上,中部以五台山站为中心的地区变化剧烈,流域的北面山区变化不大;从年值的等值线图可以看出,全流域年降水量出现了明显的下降趋势,呈现以五台山站为中心的强下降趋势区。     

考虑堤基堤身相互作用的软土堤防数值模拟

借助有限元等数值模拟手段,基于复杂地质条件特点和恶劣运行环境影响,分析堤防工程的工作性态,揭示其驱动机制,对及时发现堤防工程安全隐患、合理进行补强加固具有重要意义。以建于软土地基上的堤防工程为对象,开展考虑堤基堤身相互作用的堤防工作性态有限元数值仿真研究,探究适用于软土堤防工程堤基与堤身特性的本构模型和数值计算方法。结合实际工程案例,通过为不同土体选取合理本构模型,建立基于摩擦接触模型的堤防有限元模型,对该软土堤防工作性态进行分析计算,并与未考虑相互作用的有限元计算结果进行对比分析。结果表明:定义摩擦模型的相互作用会使堤防应力和水平位移计算结果有所减小,而竖直位移计算结果稍有增大,经过分析认为,考虑相互作用的计算更符合实际情况。     

Improvement of Multi-Satellite Real-Time Precipitation Products for Ensemble Streamflow Simulation in a Middle Latitude Basin in South China

The real-time availability of several satellite-based precipitation products has recently provided hydrologists with an unprecedented opportunity to improve current hydrologic prediction capability for vast river basins, particularly for ungauged regions. However, the accuracy of real-time satellite precipitation data remains uncertain. This study aims to use three widely used real-time satellite precipitation products, namely, TRMM Multi satellite Precipitation Analysis real-time precipitation product 3B42 (TMPA 3B42RT), Precipitation Estimation from Remote Sensing Information using Artificial Neural Network (PERSIAN), and NOAA/Climate Precipitation Center Morphing Technique (CMORPH), for ensemble stream flow simulation with the gridded xinanjiang (XAJ) model and shuffled complex evolution metropolis (SCEM-UA) algorithm in the middle-latitude Mishui basin in South China. To account the bias of the satellite precipitation data and consider the input uncertainty, two different methods, i.e. a precipitation error multiplier and a precipitation error model were introduced. For each precipitation input model, the posterior probability distribution of the parameters and their associated uncertainty were calibrated using the SCEM-UA algorithm, and 15,000 ensemble stream flow simulations were conducted. The simulations of the satellite precipitation data were then optimally merged using the Bayseian model averaging (BMA) method. The result shows that in Mishui basin, the three sets of real-time satellite precipitation data largely underestimated rainfall. Streamflow simulation performed poorly when the raw satellite precipitation data were taken as input and the model parameters were calibrated with gauged data. By implementing the precipitation error multiplier and the precipitation error model and then recalibrating the model, the behavior of the simulated stream flow and calculated uncertainty boundary were significantly improved. Furthermore, the BMA combination of the simulations from the three datasets resulted in a significantly better prediction with a remarkably reliable uncertainty boundary and was comparable with the simulation using the post-real-time bias-corrected research quality TMPA 3B42V7. The proposed methodology of bias adjustment, uncertainty analysis, and BMA combination collectively facilitates the application of the current three real-time satellite data to hydrological prediction and water resource management over many under-gauged basins. This research is also an investigation on the hydrological utility of multi-satellite precipitation data ensembles, which can potentially integrate additional more satellite products when the Global Precipitation Measuring mission with 9-satellite constellation is anticipated in 2014.     

Geoinformatic Intelligence Methodologies for Drought Spatiotemporal Variability in Greece

One of the most important hazards in terms of cost, frequency of occurrence and impact on humans is drought. Drought indices are estimations of precipitation shortage and water supply deficit. Satellite drought indices are normally radiometric recordings of vegetation condition and dynamics, exploiting the unique spectral signatures of canopy elements, particularly in the red and near-infrared bands. However, the identification of drought based on the Reconnaissance Drought Index (RDI) enables the assessment of hydro-meteorological drought, since it uses hydro-meteorological parameters. RDI is a fairly comprehensive index as it combines the simplicity of use and the successfully assessment and monitoring of the phenomenon. However, the study and understanding of the spatiotemporal variability of drought is not an easy process. In this study the main goal is to use the PCA + clustering method to transform the RDI temporal data (1982–2001) and cluster the different regions of Greece based on that temporal variations. Firstly, Principal Component Analysis (PCA) applied onto 19 annual RDI indices followed by Clustering that was based on certain eigenchannels resulted from the previous PCA analysis. Both methods are linear transformations capable to decorrelate the spatiotemporal information provided in the estimated RDI. The time series presented approach proved to be advantageous in relation to other statistical methods used to describe variability and provide excellent and fast results for stakeholders and environmental organizations. The results are quite satisfactory in classifying the drought-induced climatic regions of Greece.     

凉水河北京南站段壅水特性数值模拟研究

北京南站改扩建工程跨凉水河桥在200m长河道上共布置桥梁18座,桥梁处于河道弯道处,桥墩的阻水影响加大了水头损失,造成河渠壅水。因此,有必要对扩建工程造成凉水河壅水影响进行评价,探索河道平面形态桥间距等因素对壅水高度的影响规律,确保河流和建设工程的正常运行。本次利用平面二维k-ε双方程紊流模型,结合自由表面模拟技术,采用清华大学CREST模型,考虑凉水河现状、规划情况及桥梁设计要求,选取4个断面,按不同流量对北京南站改扩建工程对凉水河壅水影响进行评价计算。计算结果表明:200m长河道范围内出现了不同程度的壅水,桥梁壅水的累积作用明显,凸岸的壅水高度和壅水影响明显大于凹岸。研究结果对凉水河防洪所采取的措施有实际意义,对北京南站改扩建工程的设计起技术指导作用。     

重庆市突发水污染事件时空分布特征

为加强突发水污染事件的风险防范和应急处置,保障长江三峡库区水体环境安全,收集重庆市2009-2018年间165起突发环境事件数据,采用统计分析的方法,探讨10 a来突发水污染事件时空分布及发生特征.结果 表明:突发水污染事件是重庆市突发环境事件的主要类型,占突发环境事件总数的83.6％,其数量总体呈波动下降趋势;突发水...     

中国西北地区气象干旱时空演变特征

中国西北地区气候干燥,降水稀少,干旱频发。基于西北地区136个气象站1961-2016年的观测数据,以标准化降水蒸散指数(SPEI)表征气象干旱,采用线性回归、Pettitt突变检验、小波分析等方法对西北地区的气象干旱时空演变特征进行分析。结果表明：西北全区表现为不显著变湿的趋势,从行政分区来看,陕西、宁夏、甘肃均表现为不显著变干趋势,青海的春季、新疆的年和四季均表现为显著变湿趋势;西北全区及其各省(区)气象干旱的突变年份主要集中在20世纪70-90年代,仅青海的春季以及新疆的年和四季通过了显著性检验;西北全区及其各省(区)气象干旱存在3～9、10～15、17～23、25～27 a的主周期;从空间分布来看,西北地区表现为东部变干、西部变湿的趋势。研究结果可为我国西北地区防旱抗旱以及水资源规划等提供依据。     

某超大基坑挡土墙与土体相互作用的数值分析

以某超大基坑为例,借助FLAC^3D有限差分软件建立考虑土体、地下连续墙、结构梁板等共同作用的三维模型,研究墙体产生侧向位移时基坑外主动土压力的变化趋势墙体发生鼓型侧移时,基坑外主动土压力呈“R”分布;并对影响围护挡墙结构侧移和主动土压力分布的几个参数(内摩擦角、墙土摩擦角、挡土墙入土深度,以及基坑长宽比等)进行敏感性分析,并归纳出变化规律:土体内摩擦角和黏聚力对挡土墙侧移影响较大,随着内摩擦角和黏聚力的增大,挡土墙上的主动土压力和墙体侧移逐渐减小;挡土墙入土深度对挡墙的主动土压力影响不明显,而对挡墙侧移有一定影响。随着挡墙插入深度增大,上部墙体侧移逐渐增大;而下部墙体却相反,当插入比在1.2左右时,墙体侧移最小。在开挖面以上,随着基坑长宽比增大,挡墙上主动土压力逐渐减小;而在基坑开挖面以下,特别在靠近挡土墙底部范围内,随着基坑长宽比增大,挡墙上的主动土压力强度逐渐增大。     

基于SPEI干旱指数的东北地区干旱时空分布特征

基于东北地区86个国家基本气象站1960年-2014年逐月降水量和平均气温数据,计算不同时间尺度下的标准化降水蒸散指数(SPEI),分析不同时间尺度下东北地区季节、年际以及年代际干旱时空分布特征,并与实际干旱成灾面积进行对比分析,验证SPEI在东北地区干旱评估中的适用性。结果表明:春季、夏季和冬季重旱发生频率随时间尺度增大而升高;中旱发生频率随时间尺度增大而降低。近55年东北地区旱涝情势交替出现,干旱频率随年代际变化逐渐升高,干旱程度逐渐加重。整体来看,随时间尺度增加,极旱发生范围逐渐扩大。东北三省在春季、夏季和秋季均有不同频率的干旱事件发生;冬季吉林和辽宁无极旱发生;黑龙江中部无重旱发生。     

松嫩平原南部区域地下水数值模拟预报所反映出的水文地质条件变化

建立了研究区水文地质概念模型和数学模型,采用WINFEM软件对第四系孔隙潜水、孔隙承压水双层含水层进行了仿真模拟,结合新提出的模糊均生函数残差模型REMFAF和其它统计模型对源、汇项的科学处理,对2005、2010及2015年地下水位进行了预报,并通过模拟提出了研究区地下水可开采资源量,与水均衡法的结果基本一致.     

长江上游典型山区森林转型的时空格局及模拟——以贵州省遵义市为例

为了探讨长江上游典型山区森林转型过程,在长江经济带绿色发展背景下,以贵州省遵义市为研究区,分析了城镇化加速时期森林转型时空过程,并采用Logistic-CA-Markov耦合模型对2025年森林转型空间格局进行预测。研究表明:2000—2010年间遵义市森林转型特征显著,10 a间林地面积增加113 033.98 hm²;林地变化存在显著的空间分异特征;从土地利用类型转移看,新增林地来源主要是耕地,林地减少主要是由于水域和建设用地占用,林地的土地利用图谱变化以前期变化型和后期变化型为主;利用Logistic-CA-Markov耦合模型对2025年林地空间格局进行模拟,保持当前城镇化和经济发展水平下,未来15 a森林恢复仍将持续,但恢复速度趋缓。研究成果对指导长江上游生态屏障建设及科学认识山区城镇建设、经济发展与生态保护之间的关系具有一定意义。