一种新的平原河网水质模型——组合单元水质模型

根据平原河网的水力、水质特性,论述了用单元划分法求解单元水质特性的可行性,首次提出并建立了平原河网组合单元水质模型,并将该模型应用于江苏某河网的水质计算,取得了满意的成果。     

平原河网地区河流曲度及城市化响应

河流曲度是河流平面形态的重要表征指标,以平原河网地区典型区域——上海为例,分析了20世纪50年代中心城区高密度河网的河流曲度特征,诊断了近60年以来快速城市化对区域河网及河流曲度的影响。研究认为:①近60年来上海中心城区河网密度下降幅度达67.22%,高强度人类活动导致区域河网水系分枝结构与自然规律完全相反;②平原河网地区是顺直型河流的典型发育区域,研究初期上海中心城区顺直型河流占85.40%,进一步分析表明曲度小于1.1的河流比例高达70.57%,河流形态接近于直线型;③上海中心城区消亡河流以顺直型为主,其消亡速率约为较高曲度河流的12倍,采用加权平均曲度指标描述区域河网萎缩对河流曲度的影响具有更好的直观性和科学性;④上海城市河流综合整治实践中,工程水利的倾向性强于生态水利,60.9%的河流整治项目开展了裁弯取直工程措施。     

遥感和GIS支持下的平原河网区暴雨产流模型研究

分析了产流模型研究和应用现状及平原河网区产、汇流特点,提出了遥感、ＧＩＳ支持下的平原河网区暴雨产流模型。模型将下垫面因素和暴雨因素列为随时空变化而变化的因子,并用遥感技术实时获取雨前土壤含水量等可变的区域下垫面数据;从物理成因出发,建立了反映暴雨产流内在机理、适合实际应用的数学模型,使模型具有高度的适应性,并对全区各时空单元的产、汇流情况分别进行计算模拟,模型计算结果与实际情况较为相符。     

GIS支持下基于DEM的中等流域的划分——以富县为例

以陕西富县为例,探讨在GIS环境下从数字高程模型(DEM)中提取流域特征并进行中等流域的划分的详细过程,包括DEM的预处理、流水方向的确定、汇流累积量分析、河网的提取和子流域的划分,通过设定不同的汇流累积量的阈值,通过实验,富县地区的阈值设为20 000,得到中等流域的划分结果较为合理。     

基于汇水区分级划分的城市洪涝模拟

为了有效提高城市暴雨洪涝模拟的精度, 针对城区复杂下垫面和雨水井数据缺失情况, 分别提出雨水井节点数据的确定方法和基于空间信息的汇水区分级划分方法。以武汉市青山区为研究区域, 选取2场典型降水过程, 开展SWMM模型的参数率定和验证工作, 并将基于不同方法划分的汇水区模拟结果与实际渍水数据进行对比。结果表明: ①提出的雨水井节点数据确定方法, 在雨水井实测数据缺失的城市洪涝模拟中具有一定的可靠性和适用性。②基于空间信息分级划分法、水文分析结合泰森多边形法和泰森多边形法所划分的汇水区, 模拟的最大积水深度中分别有100%、63%和75%的典型验证点与实际渍水程度相符, 模拟的溢流点中分别有80.0%、76.4%和77.4%的溢流点位置与5年一遇降雨渍水风险图相符。基于空间信息分级划分法所得的汇水区比较符合真实汇水情况, 且模拟结果比其他2种方法更加准确。③ 5年一遇降雨重现期下, 3种方法划分的汇水区所模拟的积水对研究区域影响程度相对较小, 但遇到高于此重现期的暴雨会出现不同程度的内涝。本研究可为城市暴雨洪涝模拟中雨水井节点数据确定与地表空间离散化提供新方法, 模拟结果可为城市防洪减灾提供参考。     

分支河流体系河网形态演变规律——以格尔木河流扇为例

为了探索分支河流体系河网分布规律,为创建储层建模训练图像提供知识库信息。利用Google Earth、Global Mapper、91卫图助手等现代地理信息软件,系统测量了现代格尔木河流扇表面河道分叉特征,应用Horton定律和分形方法建立了河流扇的河网形态模型。结果表明：①格尔木河流扇从顶点到入湖段共识别出26级河道,882个节点和2162个河道段,泉线上、下的河道表现出不同的河网形态;②泉线上部共发育64个节点,每级河道数目增长是上一级河道的RB=1.8900倍,每级河道平均长度是下一级河道的RL=1.0095倍,即河网形态特征参数RB=1.8900和RL=1.0095;泉线下部共发育818个节点,每级河道数目增长是上一级河道的RB=1.0279倍,每级河道平均长度是下一级河道的RL=0.9899倍,即河网形态特征参数是RB=1.0279和RL=0.9899;③河网形态特征参数受坡度影响变化较大,坡度较大则河网形态特征参数较大,坡度较小则河网形态特征参数较小。河网形态特征参数定量表征促进了分支河流体系沉积学发展,为开展陆相盆地储层建模和砂体预测提供了新的知识库信息     

分支河流体系河网形态演变规律——以格尔木河流扇为例

为了探索分支河流体系河网分布规律,为创建储层建模训练图像提供知识库信息。利用Google Earth、Global Mapper、91卫图助手等现代地理信息软件,系统测量了现代格尔木河流扇表面河道分叉特征,应用Horton定律和分形方法建立了河流扇的河网形态模型。结果表明：①格尔木河流扇从顶点到入湖段共识别出26级河道,882个节点和2162个河道段,泉线上、下的河道表现出不同的河网形态;②泉线上部共发育64个节点,每级河道数目增长是上一级河道的RB=1.8900倍,每级河道平均长度是下一级河道的RL=1.0095倍,即河网形态特征参数RB=1.8900和RL=1.0095;泉线下部共发育818个节点,每级河道数目增长是上一级河道的RB=1.0279倍,每级河道平均长度是下一级河道的RL=0.9899倍,即河网形态特征参数是RB=1.0279和RL=0.9899;③河网形态特征参数受坡度影响变化较大,坡度较大则河网形态特征参数较大,坡度较小则河网形态特征参数较小。河网形态特征参数定量表征促进了分支河流体系沉积学发展,为开展陆相盆地储层建模和砂体预测提供了新的知识库信息     

珠江三角洲中部子平原形成演变机理研究——以大鳌平原为例

海侵盛期以来珠江三角洲的形成演进受到原始地貌的控制,潮汐动力和河流作用被复杂的地貌单元分割和重塑。珠江三角洲中部平原依据其演进过程的空间位置和边界,相关的动力系统可以分成若干子平原,分别是番禺平原、顺德平原和大鳌平原。文章着重报道大鳌平原海侵盛期以来的形成演变机理的研究成果。基于收集的1700余个各类钻孔资料和本课题野外钻取的18个钻孔,进行了210个\{14 C\}测年和沉积物粒度等相关分析,应用本课题开发的PRD-LTMM长周期'动力-沉积-形态’模型计算6000年以来的古珠江河口湾的流场、泥沙浓度场、冲淤厚度和岸线演变,以及对上述结果的地貌动力分析,揭示了大鳌子平原各主要沉积体的形成演变过程以及沉积动力机理。结果表明:1)大鳌子平原是外部海洋和河流等动力经过古磨刀门、古横门和五桂山所改造的复杂地貌动力环境下形成的; 2)大鳌子平原可以依据其沉积动力结构进一步分成至少3个主要的动力沉积单元,分别是古磨刀门大鳌沙涨潮三角洲、五桂山北麓边沿沉积体和磨刀门-古横门汇潮点沉积体; 3)3000~2500aB.P.的短暂高海面,导致古海湾纳潮量相应增大,出现大鳌沙第2次高沉积期。反映了局部小尺度动力结构与三角洲地形演进及海洋动力变化的密切互动关系。     

基于DEM的数字水系的生成

讨论了由DEM生成河网过程中所用的填平和主干河道数字化的方法,通过填平方法,解决了由洼地引起的河网不连续的问题;而对主干河道进行数字化处理,则解决了平坦地区主干河道偏离其自然位置的问题。经过这些处理后生成的河网,与实际情况比较接近,从而使水文要素的模拟更具有实际意义。     

引黄平原地区现代水网构建初探——以山东省聊城市为例

以山东聊城市水利建设的实践为例,提出依托徒骇河、马颊河及其支流,引黄工程、引金工程、引卫工程,南水北调及其配套工程、平原水库,形成"五纵、四横、二十一库、五湖"的跨流域调水大动脉、防洪调度大通道和水系生态大格局。延伸打造县级现代水网,全面提升水利基础设施支撑能力,以水资源可持续利用支撑和保障经济社会可持续发展。     

一个稳健的河网水情数据同化耦合模型

为解决河网水情动态系统的数据同化问题,将水情量测数据作为内边界条件,建立了一个基于误差最小二乘原理的河网水情数据同化耦合模型.同时,为了有效控制水情状态变量的校正程度,避免因校正过度而破坏河网系统的水量平衡关系,构建了一个能有效控制及平衡各量测变量校正程度的权重矩阵.通过模拟算例和实例应用,系统检验了模型在河网水情仿真与预报中的实时校正能力,并得到了理想的结果.结果表明:模型理论完备、构建简便、数据同化可控性好,能够有效地进行河网水情动态系统的数据同化,提高河网水情仿真与预报的精度.     

基于不确定性分析框架的动态环状河网水质模型--以温州市温瑞塘河为例

以温州市温瑞塘河为背景,基于不确定性分析的框架,开发了动态环状河网水质模型。用HSY(Hornberger,Spear and Young)算法作水质参数的不确定性分析,求得模型参数的空间分布,从而提高模型使用的可靠性、降低决策的风险度。模型由水量子模型及水质子模型两部分组成:水量子模型采用圣维南方程并用四级解法求解;水质子模型采用CSTR(Continuously Stirred Tank Reactor)模型的机理,并结合环状河网特征作了修正,由于只需解常微分方程,因而避免了矩阵求解,显著提高了计算效率,使得用HSY算法进行不确定性分析成为可能。模型选取温州市温瑞塘河流域的鹿城区河网进行了首次应用,用HSY算法率定水质参数并讨论了参数的不确定性。对参数率定结果进行验证,结果比较理想。最后简要讨论了参数不确定性传递。     

地下河系统水动态监测网络优化对比分析:以桂林海洋-寨底地下河系统为例

基于我国南方地区岩溶发育极不均匀、水位水质动态变化快的特点,通过对信息熵法和防污性能法所得结果的对比,分析在缺少系列监测资料条件下,利用岩溶水系统防污性能评价结果快速布设地下河系统水动态监测网的可行性及其布设原则。根据防污性能评价结果,结合水循环特征,桂林海洋-寨底地下河系统水动态监测网需由17个监测站组成;采用信息熵法对现有35个监测站进行优化后,认为只需要12个监测站就可组成最优监测网,但这12个监测站点与采用防污性能评价法得到的点位完全重合,且均位于防污性能差的地区。对比分析认为,以地下水系统防污性能评价结果布设地下水动态监测网是可行性的,因为岩溶发育区既是防污性能差的地区,也是地下水动态变化快的地区,能充分反映地下河系统水质水量变化。采用防污性能评价法布设地下水动态监测网时,需要充分认识和了解地下河系统水文地质条件和地下河管道结构特征,且需要遵循以下原则:(1)在岩溶发育相对较弱的系统中部(基本上不存在防污性能差的地区)不设置监测站点;(2)在距离地下河出口较近的岩溶发育区内(即防污性能差的地区)监测站点可由地下河出口替代;(3)对于多支管道系统,岩溶发育相对较弱且距离较短的小型支管道上可以不布设监测站,由支管道与主管道交汇处的监测站代替。     

基于未确知信息的环状河网水质数学模型研究

以圣维南方程组、对流扩散方程以及未确知信息理论为基础,建立了环状河网一维水动力与未确知水质数学模型。采用Preissman四点隐格式法对圣维南方程组进行离散和采用显式差分对对流扩散方程进行离散,对河网水动力与水质分别进行了合理的编码,并考虑了泵闸等控制工程、降雨径流的影响,采用河网的三级解法编制河网非恒定流的计算程序求解各断面的水位Z和流量Q,实现了水动力和水质两模块之间的数据连接,且对微分形式的水质模型运用未确知数学理论进行了含有两个未确知参数的水质计算,从而不仅能获得污染物浓度区间值,还能得到相应的可信度。实例研究表明,建立的河网水动力模型和未确知信息的水质模型是可靠的,可以用于河网水质治理工程的数值模拟研究和水环境评估。     

An automated approach for conditioning discrete fracture network modelling to in situ measurements

Creation of a geological fracture network model conditioned to in situ geometric measurements is of great importance to geoprofessionals, as fractures dominate pathways for fluid flow, a major concern for many engineering applications. This paper introduces and applies the Stochastic Nelder Mead simplex method to automatically calibrate stochastic parameters of geometric characterisations of a discrete fracture network model. This method can overcome the non-convergence of a previous exploratory approach on the classic Nelder Mead method by others, and is an effective substitution to the manual trial-and-error method and is complementary to existing conditional simulation approaches. The procedure to integrate the Stochastic Nelder Mead with a discrete fracture network is presented in detail, and a case study was conducted. Results show that the improved model can better handle the stochastic nature of the underlying system and effectively simulates the observed number and mean trace length of these fractures, although the model results underestimate its standard deviation. Simulated distributions of trace lengths and spacings are within acceptable ranges except for some small offsets, which can be adjusted during model runs.     

感潮河网二维水流-输运耦合数学模型

感潮河网水流不仅受径流、潮汐动力的双重影响,还常受水闸调度等人类活动的影响,水动力条件极为复杂。针对水闸调度影响下感潮河网复杂水动力及其伴随物质输移扩散模拟,提出了考虑水闸调度并集成输运对流项的水流-输运通量耦合求解器,建立了基于非结构网格Godunov格式的二维水流-输运耦合数学模型。采用具有时空二阶精度的MUSCL-Hancock预测-校正格式,结合变量重构限制器技术,在保证计算精度的同时避免了数值振荡。运用斜底三角单元网格表达水闸线状地形,并通过地形调整模拟了水闸启闭过程。算例研究表明,该模型计算精度高,可有效模拟水闸调度影响下感潮河网水流运动及污染物输运过程,具有较好的推广应用价值。     

Optimizing a piezometric network in the estimation of the groundwater budget: a case study from a crystalline-rock watershed in southern India

An estimate of the groundwater budget at the catchment scale is extremely important for the sustainable management of available water resources. Water resources are generally subjected to over-exploitation for agricultural and domestic purposes in agrarian economies like India. The double water-table fluctuation method is a reliable method for calculating the water budget in semi-arid crystalline rock areas. Extensive measurements of water levels from a dense network before and after the monsoon rainfall were made in a 53 km² watershed in southern India and various components of the water balance were then calculated. Later, water level data underwent geostatistical analyses to determine the priority and/or redundancy of each measurement point using a cross-validation method. An optimal network evolved from these analyses. The network was then used in re-calculation of the water-balance components. It was established that such an optimized network provides far fewer measurement points without considerably changing the conclusions regarding groundwater budget. This exercise is helpful in reducing the time and expenditure involved in exhaustive piezometric surveys and also in determining the water budget for large watersheds (watersheds greater than 50 km²).     

典型岩溶区地下水系统重金属元素分布特征浅析——以广西坡月地下河为例

地下河为岩溶地下水系统的重要组成部分,为查清典型岩溶区地下水系统中重金属指标的含量变化及空间分布特征,文章以广西坡月地下河系统为例,通过不同断面两次采样分析,重点剖析地下河系统在水文地球化学作用下,地下水中以“五毒”元素及Zn、Al和Mn为代表的重金属元素含量。分析结果表明:坡月地下河水体pH值在7.34～8.10 之间,水体中“五毒”元素、Zn、 Al和Mn的检出含量极低或未检出,质量浓度均远小于国家地下水环境质量标准中的Ⅲ类水质标准,适合各种用途。检出含量较高的点主要为地下河明流段或补给区地表水,含量最高分布在坡心地下河出口水体,其原因是坡心地下河系统区内工矿企业和其它经济活动干扰相对较强,特别是工矿企业的矿石和尾矿渣的露天堆放（如金矿）是引起地下水中重金属元素的检出或超标的重要因素。      

Evaluation of rain gauge network in arid regions using geostatistical approach: case study in northern Oman

A geostatistical approach based on ordinary kriging is presented for the evaluation and the augmentation of an existing rain gauge network. The evaluation is based on estimating the percentage of the area that achieves a targeted level of acceptable accuracy. The variances of kriging estimation erros at un-gauged locations were assumed to be normally distributed. Kriging estimation erros with a probability that equals to or exceeds a given threshold value of acceptance probability were assumed to have satisfactory accuracies. The percentage of the area that achieved the targeted probability of acceptance is delineated and used to judge the overall performance of the existing rain gauge network. A study area in northern Oman located in Sohar governorate is selected as the pilot case. The area has 34 rain gauges and it is characterized by a terrain surface that varies from coastal plain to mountains. For a threshold value of 0.85, and 0.90 of acceptance probability, the existing network achieved area of acceptable probability of 88.71 and 77.72 %, respectively. For a success criterion of 80 %, the existing rain gauge network indicated acceptable performance for acceptance probability threshold of 0.85 and inadequate performance is noticed in the case of probability threshold of 0.90, which necessitated further network augmentation. A sequential algorithm for ranking and prioritization of the existing rain gauges is used to classify the existing rain gauges into base and non-base rain gauges. The base rain gauge network for mean annual rainfall comprised about 29 of the existing rain gauges. The identified non-base rain gauges were sequentially relocated to achieve higher levels of percentage of area with acceptable accuracy. The percentage of area with acceptable accuracy increased from 88.71 % for the original rain gauge network to about 94.51 % for the augmented network by adding four rain gages at probability acceptance threshold of 0.85. It also increased from 77.72 % for the existing network to 90.50 % for the augmented rain gauge network at acceptance threshold of 0.9.