形成湿地的“淹埋深-历时-频率”阈值研究进展

湿地水文是形成湿地的发生学因素,“淹埋深-历时-频率”(S, D, F)是表征湿地水文的特征指标。为了推进(S, D, F)阈值研究理论和方法的发展,总结了(S, D, F)阈值研究的一致结论:S阈值确定的原则是水饱和至地表;D阈值确定的原则是从水饱和开始到厌氧环境形成的时滞;F阈值应取≥50%。通过对这些一致结论的分析后认为:D阈值确定的原则存在着科学性问题;目前(S, D, F)阈值研究理论针对正常情况下湿地类型,不适合非正常情况下的湿地类型。为了科学地解决(S, D, F)阈值问题,必须构建新的(S, D, F)阈值确定的理论和方法,包括正常情况下和非正常情况(S, D, F)阈值确定的理论和方法以及(S, D, F)阈值科学性检验的理论和方法。     

中中新世以来阿尔金断裂走滑未造成柴达木盆地整体旋转

通过柴达木盆地南八仙剖面磁性地层学研究,建立了部分上油砂山组磁极性序列,认为该剖面时代为7.5~9.0 Ma。从320块样品的古地磁数据分析,揭示了一组高温特征剩磁分量,在95%置信度下通过倒转检验(B级),说明这组高温分量很可能代表岩石形成时的原生剩磁,其特征剩磁方向为:地理坐标下为D_g=358.5°, I_g=40.5°, k=28.5,α₉₅=4.2,层面坐标下为D_s=1.0°, I_s=41.5°, k=34.0,α₉₅=3.8;相应的极位置为λ_p=75.9°N, φ_p=270.5°E, d_p=2.8°, d_m=4.6°。通过与同时代柴达木盆地及邻区的古地磁极对比,说明中中新世以来柴达木地块整体上没有经历明显旋转运动,阿尔金断裂活动致使肃北等毗邻断裂带地区发生了构造旋转。     

温度时序资料确定地下水流速解析模型灵敏度分析

不同深度处的含水介质温度时序资料振幅比或相位滞后能用来计算地下水垂向流速,典型的解析模型是Hatch模型。为了评价Hatch模型的参数灵敏度,采用局部灵敏度分析方法确定该模型的主要影响因子及相关参数与模型响应的依存关系,再由全局灵敏度分析方法评价参数共同作用对模型计算结果的影响。灵敏度分析结果表明:Hatch模型精度的主要影响因子是测点距离（Δz）,其次是介质比热容（ρ_sc_s）和有效孔隙度（n_e）,而基准热传导系数（λ₀）和热弥散度（β）的影响甚微。基准热传导系数和热弥散度与计算流速呈负相关,其余参数则与之呈正相关。因此在实践中,需保证测点距离的准确性,而对基准热传导系数和热弥散度可取经验值。     

黄土高原北部坡面尺度土壤饱和导水率分布与模拟

为探明黄土高原北部坡面土壤饱和导水率(K_s)空间分布特征,为土壤水文过程模拟与预测提供理论依据,采用经典统计学和地统计学的空间变异分析方法,分析了坡面尺度土壤K_s的空间变异特征,并用一阶自回归状态空间模型对K_s的空间分布进行了模拟.研究区坡面尺度K_s的变异为中等程度变异,具有中等程度空间依赖性,变程为42 m.K_s与容重、砂粒、粉粒和黏粒含量在不同滞后距离下均具有自相关关系和交互相关关系.容重和土壤颗粒是影响坡面K_s空间分布的主要因素.状态空间模拟结果表明,基于容重和土壤颗粒的状态空间方程可以很好地解释坡面K_s的变异状况(R2>0.9).一阶自回归状态空间模型可用于田间条件下坡面尺度K_s分布特征的预测.     

城市小型河流水动力弥散和潜流交换过程

为研究城市小型河流中污染物的物理迁移过程规律,分析基流条件下流动水体与暂态存储区之间的滞留交互作用,采用溴化锂(LiBr)作为保守性示踪剂进行野外现场示踪试验,结合一维溶质运移存储模型(One-dimensional Transport with Inflow and Storage model, OTIS)定量解析潜流交换特性,估算纵向弥散系数(D)、潜流交换面积(A_s)、主河道断面面积(A)和潜流交换系数(α).模型度量指标D_aI值和均方根误差值结果表征参数模拟结果可靠性高,拟合效果理想.由泵入点O至下游1 300 m设置的A、B、C、D 4处监测点的模拟结果表明,水文参数D、A_s、A和α均随水文条件而变,OB河段(0~600 m)潜流交换能力较弱,主要以对流弥散过程为主;BD河段(600~1 300 m)具有较强的暂态存储能力,对溶质的滞留时间长;BC(600~1 000 m)和CD(1 000~1 300 m)河段交换系数分别为(3.42×10-6±0.65×10-6)s-1和(2.87×10-6±0.81×10-6 )s-1;河段BC存在2.2×10-5m3/(s·m)的侧向补给流量.4个河段对比发现,城市河流渠道化、河床沉积物贫瘠等特征导致潜流交换能力弱化.     

湿地“淹埋深-历时-频率”阈值研究的理论和方法

针对"淹埋深-历时-频率"(S, D, F)阈值研究存在的问题,根据土壤学、植物生态学、系统论、地理系统学说以及反演理论等的相关原理,系统分析了湿地(S, D, F)阈值确定的理论和方法。结果表明:在正常情况下,水饱和至地表的最大地下水埋深、湿地植物主要根系分布层下限和沉水植物分布下界淹水深分别是湿地土壤上界、湿地植被上界和湿地下界的S阈值;D阈值只能通过湿地土壤或湿地植被边界界定在水位过程线上反演,稳定湿地边界的D阈值应取与50%频率值对应的D值或D值的多年平均值,波动湿地边界的D阈值是常数;"非正常情况下"湿地的D阈值应参照湿地水文地貌分类的同一区域子类中"正常情况下"的湿地的D阈值;检验D阈值科学性的标准是利用D阈值确定的湿地水文边界必须与湿地土壤边界或湿地植被边界耦合。     

黄河下游漫滩洪水冲淤规律

滩地的淤积层分布记录着以往漫滩洪水的特征,即反映漫滩洪水的量级、频率和持续时间等,同时河漫滩也是预估河流泥沙、洪水灾害防治和湿地生态系统保护等的重要组成部分。根据黄河下游水文年鉴资料,分析滩地的淤积与漫滩洪水的定量关系,为未来河流泥沙预估提供依据。经分析得到大漫滩洪水在来沙系数S/Q<0.030 kg·s/m6时,主槽冲刷而滩地淤积,反之则滩槽同淤。当S/Q<0.030 kg·s/m6时,大漫滩洪水滩地的淤积量主要与漫滩系数Q_max/Q_p、上滩水量W₀和含沙量S有关;大漫滩洪水的主槽冲刷量则除了与洪水期水量W和沙量W_s有关外,还与滩地的淤积量有关。一般漫滩洪水,当来沙系数S/Q<0.023 kg·s/m6时,主槽冲刷而滩地淤积,反之则滩槽同淤。一般漫滩洪水主槽冲刷量与来沙系数S/Q和洪水期水量W有关,而滩地淤积量仅与含沙量S有关。黄河下游漫滩洪水滩地的淤积和主槽的冲刷主要发生在孙口以上河段,而孙口以下河段主槽冲刷和滩地淤积量均较少。     

城市雨水地下回灌过程中悬浮物表面堵塞规律

雨洪资源地下回灌是缓解城市供水压力、解决地下水过量开采引起环境负效应的有效途径之一,但堵塞问题却是制约回灌技术推广的关键问题。基于前人理论,研究了入渗介质与悬浮物粒径中值之比(D₅₀/d₅₀)对堵塞层空间分布的影响。以建立表面堵塞预测模型为目的,利用城市雨水回灌细粒石英砂介质开展室内实验,观测雨水回灌的表面堵塞过程并获取渗透性变化的观测数据。根据物理、化学与生物堵塞的产生条件及堵塞特点,判断雨水回灌产生的堵塞性质为物理堵塞。引入过滤模型描述堵塞的发展过程,确定了模型用于模拟细砂表面堵塞的参数值：孔隙堵塞系数（α）为0.15 m²/kg,阻力增长系数（f′R′）为20 000 m/kg。在不改变以上2个参数值的条件下,用该模型模拟不同悬浮物粒径悬浊水回灌细粒石英砂的堵塞过程,取得了较好的拟合效果。此过滤模型可以用于模拟入渗介质与悬浮物粒径D₅₀/d₅₀值小于5的表面堵塞的发展过程,可定量预测堵塞对回灌速率的影响。     

诱发区域性滑坡的降雨阈值

根据降雨预测区域性滑坡是防止滑坡造成人员伤亡的重要途径,其关键是确定诱发滑坡的降雨阈值。按特定地质气象条件分区整理并分析了国内不同地区诱发区域性滑坡的降雨阈值,结果表明降雨阈值与年均降雨量有较大的相关性。除西南部分地区外,我国大部分地区的预报24 h降雨量阈值为年均降雨量(MAP)的0.04~0.08倍,这是因为年均降雨量反映了地区的常规降雨水平,而只有发生非常规的降雨才会诱发滑坡,因而年均降雨量越大对应的降雨阈值越大。分析了目前国内的降雨阈值的确定过程中缺乏详尽数据和论证等问题,并指出了国内的降雨阈值不能反映短时强降雨影响的缺陷。针对国内还没有适用性更广的雨强-持时(I-D)阈值曲线的现状,尝试性地建立了鄂西地区的I-D阈值曲线I=4.0D^-0.51,并在此过程中提出了确定降雨持时D开始时刻的方法。     

EMM2010模型在中国大陆的精度评估及其适用性

基于我国大陆最新观测所得的1 302个地磁测点和32个地磁台站磁偏角D、磁倾角I、总强度F的1 334组准确数据,并结合地壳磁异常能谱变化特征,对增强地磁模型(EMM2010)在我国大陆的精度及其适用性进行了定量分析。结果表明：EMM2010模型(D、I、F)在我国大陆的总体精度分别为10.45′、8.08′、112.85 nT  ;东北、华北与新疆地区模型的精度为13.07′、8.90′、130.89 nT ;华南、青藏高原及其东缘地区模型的精度为7.07′、6.65′、81.84 nT;其精度是受模型有限的截断阶数、各区域的磁异常状况和磁测数据的误差等因素共同影响的。EMM2010模型的精度在我国大陆表现出显著的地域分布特征,与磁异常的分布形态及其复杂程度、梯度密切相关,异常越突出,形态越复杂,模型的精度越低。与世界地磁模型(WMM2010)、第11代国际参考地磁场(IGRF11)相比,EMM2010模型在我国大陆的总体精度平均提高了50%,主要原因是模型不仅包含了地球主磁场,同时还包含了地壳磁场。EMM2010模型应用于我国大陆的实例及精度分析表明,模型具有一定的适用性,但有其局限性,不能准确反映出我国大陆的地磁场信息,鉴于模型的精度,建议在EMM2010模型基础上,结合我国最新的各部门的高精度磁测数据,构建我国高精度的地磁场模型。     

基于DRAINMOD-S模型的滨海盐碱地农田暗管排水模拟

在分析农田暗管排水饱和-非饱和土壤水、盐运移数学模型的基础上,对DRAINMOD-S模型的基本原理和参数输入要求进行了详细描述,利用典型滨海盐碱地区实测土壤、气象、作物等资料,用DRAINMOD模型对不同排水暗管布置方案的地下水埋深进行了长序列模拟,在模拟率定参数的基础上,用DRAINMOD-S模型对0~80 cm土壤层剖面含盐量进行了模拟,结果表明:模型具有良好的水文模拟性能,地下水位及土壤含盐量模拟值与实测值拟合精度较高;可用于预测盐碱地地下水埋深、土壤层剖面中盐分含量,是改良盐碱地农田暗管排水工程设计和水管理的有效工具。     

黑河上中游潜在蒸散发模拟及变化特征分析

基于多源遥感数据产品,利用Shuttleworth-Wallace(S-W)模型估算了黑河上中游流域2000—2010年潜在蒸散发(potential evapotranspiration,ET_P),并考虑不同土地覆被类型,分析了ET_P的时空变化特征及影响要素,分别利用ET_P和ET₀驱动水文模型,比较径流模拟精度.结果表明:① 基于高精度遥感数据,S-W模型可模拟区域ET_P.黑河上中游流域,夏季ET_P对年值的贡献最大,各土地覆被类型的ET_P年内变化趋势一致.总体而言,植被条件越好,ET_P越小;② 在研究区内,相对湿度对ET_P变化的影响最大,叶面积指数(LAI)对ET_P变化的影响与辐射相近.植被越稀疏,ET_P对气象要素及LAI的敏感性越强;③ 与ET₀相比,ET_P能够更好地描述陆面蒸散发能力,相同条件下使用ET_P驱动水文模型模拟精度更高.     

Van Genuchten模型参数对降水入渗数值模拟的敏感性

详细分析不同评价指标下的van Genuchten方程参数敏感性,对于深入认识参数物理意义、合理确定参数值、提高降水入渗数值模拟准确性具有重要意义.用HYDRUS软件建立一维变饱和水分运移模型,以实际补给量、补给过程曲线和极限蒸发深度作为评价指标,采用单因素扰动分析法对van Genuchten方程各参数敏感性进行理论分析,进而选取多组参数实例,分析同一岩性类别下,不同土样土壤水力参数差异及其对入渗补给模拟结果的影响.结果表明:形状系数 (n)、土壤进气值的倒数 (α) 与极限蒸发深度呈负相关关系,是影响极限蒸发深度的显著因素;饱和含水率 (θ_s)、n、饱和渗透系数 (K_s) 对于入渗补给影响的敏感性较高,三者在实际土样粒径分布、干密度和孔隙性的共同影响下发生同向变动.合理的参数敏感性分析及数值模拟调参过程需结合土壤参数的物理意义来开展.      

基于变动饱和带的产汇流模型及其参数确定方法

当前分布式水文模型的参数确定仍主要依赖率定方式,在缺资料地区应用受到限制。建立一种基于变动饱和带产流模式和网格水滴汇流方法的分布式产汇流模型,提出利用下垫面特征来确定模型参数的方法。结合野外入渗试验和参数敏感性分析,建立地表饱和水力传导度(K_0z)和饱和水力传导度随深度衰减系数(f)2个敏感性产流参数与地形参数、土壤类型数据的定量统计关系,利用野外坡面流观测试验确定坡面汇流参数,并在多个实际流域进行应用验证。结果表明：(1)利用地形参数确定K_0z与使用遥感资料确定K_0z的模型精度进行对比,在姜湾实验流域场次洪水模拟的平均确定性系数从0.82提高至0.86,洪峰与洪量误差的平均绝对值分别降低了2.2%和0.95%,但峰现时间误差平均绝对值增大了4%(仍控制在2 h内)。(2)建立姜湾等14个流域参数f率定值与不同深度土壤类型数据的定量关系,移用至七邻等6个流域进行验证,表明参数f关系式与模型率定的精度非常接近,相对误差的平均绝对值为2.8%,场次洪水模拟的平均确定性系数为0.83,洪峰与洪量误差的平均绝对值为10.07%和...     

解决潜水蒸发问题的阿维里扬诺夫经验公式在地下水数值模型中的应用——以格尔木河流域为例

数值模型对地下水流和溶质运移等问题进行模拟的方法以其有效性、灵活性和相对廉价性逐渐成为地下水研究领域的一种不可缺少的重要方法。在地下水浅埋区,蒸发是地下水的主要排泄方式之一,而地下水埋深是影响蒸发度的敏感因子,因此,数值模型中对地下水埋深的拟合精度,将直接影响地下水数值模拟模型的精度。本文以格尔木河流域为例,通过阿维里扬诺夫经验公式的线性与非线性模型的计算结果对比,来说明如何利用蒸发的数学模型提高模拟精度。     

盾构隧道环向开挖面破坏机制及剪胀效应研究

采用刚性滑块构建两种圆形隧道失稳环向开挖面破坏模式,利用编制的非线性规划程序求解隧道失稳环向开挖面支护力系数σ_T /c（σ_T为均布支护荷载,c为有效黏聚力）最优上限解及地层破坏模式,揭示地层参数对隧道稳定性的影响,提出简单实用的极限支护力简化公式。研究结果表明：不排水条件下,当隧道埋深比H/D（H为埋深,D为隧道直径）和重度系数γD/c（γ 为重度）较小时,破坏区域主要集中在隧道中上部,随着H/D和γD/c增大,滑移线起始位置沿着隧道轮廓逐渐向隧道底部扩展,破坏区域向水平方向扩展。排水条件下,地层破坏模式主要有3种。当内摩擦角ϕ 和γD/c较大时,随着剪胀系数的减小,极限支护力和地层破坏范围变化较大,甚至可能引起破坏模式的改变。针对不同深度提出的极限支护力简化公式可快速获得隧道环向开挖面极限支护力。     

基于PFC3D的黄土三轴试验细观参数敏感性分析

从细观角度出发,研究各细观参数对黄土三轴试验宏观力学响应的影响,基于三维离散元PFC3D软件及理论,结合室内三轴试验结果确定数值模拟基本细观参数取值范围,在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa围压下对三轴试样进行颗粒流模拟,通过改变各细观参数值对黄土数值试样宏观力学行为影响程度及正交试验设计的方式,开展黄土三轴数值模拟过程中摩擦系数、孔隙率、颗粒刚度比k_n/k_s、颗粒粒径分布的敏感性分析,建立土体细观参数与宏观力学的关系式。结果表明:不同围压下数值试样峰值强度和剩余强度均与摩擦系数正相关,与颗粒刚度比、孔隙率负相关,而颗粒粒径分布的变化对其影响均小于2%。低围压下(50 kPa),孔隙率对数值试样峰值抗剪强度和剩余强度影响最大,颗粒刚度比次之,高围压下(200 kPa),摩擦系数对数值试样强度的影响比颗粒刚度比更为显著;对数值试样的初始线弹性模量和应变软化特性影响最大的细观参数为孔隙率,刚度比次之,颗粒粒径分布最小,200 kPa围压下正交试验分析结果与数值分析结果一致。通过改变细观参数取值范围的方式系统地分析了其对黄土三轴试验宏观力学性能的影响,为今后离散元软件用于黄土室内试验研究提供了参考。     

风浪相互作用的Stokes模型

结合非线性Stokes波和平行流线性稳定理论推导出了高阶无粘Orr-Sommerfeld方程及相应的波面压力和能量传递计算公式。针对二阶模型,引入拟非线性能量传递系数以考虑非线性能量,并建立了总能量的统一表达式。采用数值方法求解含有奇点的一阶无粘Orr-Sommerfeld方程,获得了考虑水深影响时的能量传递系数。结果表明,Stokes波各阶分量对应着相同的临界层高度,高阶无粘Orr-Sommerfeld方程可通过坐标变换统一求解。水深变浅将降低小量纲一波速c/U₁时的风浪能量传递系数。     

含水饱和度对中阶煤储层应力敏感性影响实验

为了查明含水饱和度对中阶煤储层应力敏感性的影响,对煤层气井储层改造及排采工作提供指导,利用自主设计的实验装置开展了黔西松河矿龙潭组1+3号、15号煤干燥、含水及饱水条件下液测、气测渗透率应力敏感性实验,分析了煤样渗透率、渗透率损害率、渗透率不可逆损害率、应力敏感性系数变化特征。研究结果表明:随着含水饱和度升高,中阶煤液测渗透率应力敏感性增强,加卸载造成的渗透率不可逆损害率增大。含水饱和度升高导致初始气测渗透率降低,干燥煤样孔裂隙闭合程度高,饱水煤样因束缚水饱和度高,具有较强的气测渗透率应力敏感性。干燥煤样、含水煤样适宜采用幂函数表征无因次气测渗透率与有效应力的关系,饱水煤样则更适合采用负指数函数表征两者关系。中阶煤储层压裂及排采过程中应重视储层保护,当煤储层含水性较弱时,应优先考虑采用CO₂或N₂泡沫压裂方式进行储层改造。