碰撞作用下单个阶梯-深潭稳定性模型

阶梯-深潭系统是山区河流广泛分布的控制性河床结构,泥沙输移过程中大颗粒碰撞阶梯关键石块,使其发生位移,强烈影响阶梯-深潭的稳定性。以单个阶梯-深潭的关键石块为研究对象,重点考虑碰撞对阶梯-深潭的影响,量化来沙中大颗粒碰撞作用并改进稳定性理论模型,利用新模型分析阶梯-深潭的临界条件和破坏机制。来沙颗粒对关键石块的碰撞作用受自身粒径、运动速度和阶梯下游冲刷程度影响且皆为正相关关系。颗粒撞击减小阶梯失稳临界流量,且参与碰撞的石块粒径越大,减小作用越明显。当η> 0.55时（η=D₁/D,D₁为碰撞石块粒径,D为关键石块粒径）,临界流量下降幅度达到50%以上,表明来沙中卵石漂石对阶梯-深潭稳定性发挥主要影响。山区河流发生低频率洪水或滑坡泥石流,向下游河道输运大粒径石块并与阶梯碰撞,显著增大转动合力矩并降低失稳临界流量,使得单个阶梯-深潭更易达到临界条件发生破坏。     

人工阶梯-深潭破坏案例与稳定性分析

通过2006—2010年4个修建人工阶梯-深潭系统的治理山区河流案例,总结其治理效果和最终破坏原因.以单个阶梯为分析对象,给出其受力表达式,建立单个阶梯-深潭的简化稳定性模型,进而分析来流量和冲刷角变化对其稳定性的影响.单个阶梯的稳定性取决于关键石块粒径、河道坡降、流量和冲刷角.洪水期的洪峰流量和阶梯下游冲刷是阶梯破坏的主要原因,上游来流量增加和冲刷角越大,阶梯越易发生破坏.人工阶梯-深潭系统在洪水期的稳定性是其发挥长期治理效果的关键.     

阶梯-深潭系统的水力特性

阶梯-深潭系统是山区河流中常见的河床形态,具有稳定河床和消能减灾的作用,其水力特性较为复杂。在温峡水库下游温峡河修建典型的阶梯-深潭系统开展野外实验以研究阶梯-深潭系统的水力特性。利用先进的高频声学多普勒流速仪测量阶梯-深潭系统阶梯上游、阶梯上、深潭中和沿深泓线的水力特性。实验在10 L/s、50 L/s、100 L/s、150 L/s、290 L/s 和 420 L/s 6种流量工况下进行。实验结果表明:阶梯-深潭系统流场尤其是深潭流场具有很强的三维性,阶梯上与深潭中水力特性相差很大。阶梯上沿流向的时均流速远大于横向和垂向的时均流速,三向紊动强度处在一个量级且较小。深潭中的时均流速比阶梯上小,但紊动强度远大于阶梯,紊动强度随流量变大增大。实验工况下,阶梯上的相对紊动强度在0.1左右,深潭中则最大超过8.0。随着水流从阶梯上跌入深潭,机械能大量转化为紊动能消耗。实验流量范围内,雷诺应力随流量小幅增大,深潭中的雷诺应力约为阶梯上的50倍。阶梯-深潭系统消能率在实验工况下为64%~91%。     

推移质输沙对阶梯-深潭系统消能的影响

阶梯-深潭系统是山区河流上一种河床结构形态,具有稳定河床和消能减灾的作用。推移质运动会影响水流结构并改变河床形态,从而影响阶梯-深潭系统的消能效率。在野外构建阶梯-深潭系统,通过人工加沙试验,研究不同来水来沙对阶梯-深潭系统流场及消能的影响。研究表明,推移质运动使阶梯上紊动略增强,深潭中紊动大为减弱,从而使阶梯-深潭系统消能率降低。推移质运动的增强改变水流能量分配,其消能附加作用使阶梯-深潭结构消能降低和深潭淤埋。     

阶梯-深潭结构对沟道稳定性的作用机制

阶梯-深潭结构是山区河流中典型的高效消能结构,以消耗水能、增加阻力的方式提升沟道稳定性。通过水槽试验模拟沟道冲刷,探究阶梯-深潭结构稳定沟道的机制及效果,为山区河流消能减灾和稳定河床提供科学和技术参考。结果表明：阶梯-深潭结构能有效消耗水流能量、抑制泥沙输移和提升水流阻力,从而有效控制河床下切和边坡破坏;在阶梯-深潭结构的作用下,沟道的Darcy-Weisbach系数约增加为无结构条件下的4倍,时均输沙率降低20%～66%,但随着流量的增大,阶梯-深潭稳定沟道的效果降低;阶梯高度与长度比(0.1)相同时,结构提升沟道稳定性的效果接近。阶梯-深潭结构自身的稳定是其稳定沟道的关键条件,实际应用过程中需防止结构发生逐级破坏。     

人工阶梯-深潭防治地震区泥石流的探索

阶梯-深潭是山区河流中常见的一种具有高效消能作用的河床结构。2009年采用人工阶梯-深潭系统对文家沟滑坡体上的新生泥石流沟治理进行野外治理实验。在主沟上游段人工构筑33级阶梯-深潭,经历当年几次暴雨,由于通过在深潭内耗散水流的大部分能量,阻止了沟谷下切并有效地控制了泥石流的发生。对野外实验和数值模拟的结果分析表明,在一定的流量下,阶梯-深潭发育的河流系统有助于单位时间内单位重量水流能量耗散率将趋于最小,可以提升河流系统的稳定性。在地震区的泥石流沟内构筑阶梯-深潭系统有利于加速其稳定的进程,并减少灾害的发生。     

生物栖息地隔离对河流生态影响的试验研究

以底栖动物为指示物种对天然破碎河段进行野外调查,并开展野外试验对天然河段进行人工隔离和定期采样分析,研究了栖息地隔离对底栖动物组成及河流生态的影响。结果表明,溶解氧含量在各隔离区中变化不一致;隔离区内动物密度、丰度和多样性均降低,隔离程度越高,降低越显著。从动物组成来看,蜉蝣目和双翅目的相对密度在隔离区中显著降低,蜻蜓目和双壳纲则增加。河流栖息地被隔离后,底栖群落经过一段波动周期后才表现出规律性变化趋势。由于水生昆虫在成虫阶段的飞行扩散,隔离区与天然河流之间仍存在较高的动物流通,但隔离区内的动物组成并不完全是天然河段内的子集。结合研究结果和中国河流实际,提出了保护河流生态及生物多样性的建议和对策。     

山区河流河床结构表征新方法

山区河流的河床结构是来水来沙与河床相互作用的产物,对河床阻力及输沙率的计算具有重要意义。为更科学地表征河床结构的细节特征,采用2017年2次考察金沙江小江流域干支流7个河段的地形测量数据,提出河床结构表征的4个新量纲一数（凹凸数、平均凹度、平均凸度和凹凸度）及其计算方法。新参数的计算原理简单而直观,能够从多角度表征河床结构发育程度及其形态特征,而且当河床结构发育程度较低时,凹凸度的表征结果更具有区分度。结果表明:新参数表征结果与前人单一参数的计算结果具有一致性;吊嘎河下游、陶家小河和清水沟的河床结构凹凸程度大,河床凸起"高凸",凹陷"深陡",河床阻力大,输沙率低;吊嘎河上游、小江、蒋家沟和蓝泥坪沟的河床结构凹凸程度小,河床凸起"低平",凹陷"浅缓",河床阻力小,输沙率大。     

城市泥石流沟的治理启示——以深沟为例

为研究典型工程措施在泥石流沟治理中的作用及影响,结合野外调查及历史资料,对云南东川城区的深沟泥石流治理进行总结：深沟在一系列坝系群建设和多年植树造林的治理下,发育了一定规模的阶梯一深潭系统,使沟道阻力明显增强（经测河床结构强度5p达0．3以上）,消减了泥石流能量,并保护河床不被侵蚀下切,岸坡稳定;而另一方面林草生长能提...     

河流景观生态学的发展与当前核心议题

河流景观生态学已成为河流科学研究与应用的新范式,但国内研究还颇为不足。从河流景观生态学发展的逻辑必然性、主要进程、基本内容与重要理论等方面进行了总结。结果显示,多尺度跨学科整体论河流认识要求和景观尺度上处理河流问题的实践需求共同推动河流景观生态学的迅速发展,其中心议题是河流物理景观系统与生物系统在不同等级尺度上的结构、格局与功能过程,尤其重视物理景观与不同等级生物系统的相互作用关系,对河流景观多尺度等级性、高动态性和有向性等突出性质的认识已取得重要理论发展。指出当前面临5个方面的核心议题亟需取得突破:改进和统一河流景观分类系统、河流景观跨尺度研究、河流景观方法对经典河流生态理论的再认识、河流景观机理与模拟、河流景观对气候变化与区域土地利用/覆被变化的响应研究。     

北方岩溶大泉地下水系统的圈划:以太原盆地东西山地区为例

运用地下水系统分析理论, 以山西省太原盆地东西山地区为实例, 利用GIS技术对区内岩溶大泉地下水系统进行了圈划.运用岩相古地理、地质构造和水文地质分析方法, 首次提取了研究区岩溶含水系统的区域隔水底板等高线、边山断裂两壁投影图及岩溶水系统图等定量或半定量水文地质信息, 圈划出了东西山岩溶水系统的局部饱水带、饱水带和碳酸盐岩非饱水带.研究结果表明, 西山地区兰村泉、晋祠泉属于同一个岩溶子系统; 西冶泉岩溶子系统是相对独立的岩溶水系统; 东山基岩山区大部分属于娘子关泉岩溶子系统, 且东山岩溶水子系统与盆地地下水有密切水力联系而与兰村泉-晋祠泉岩溶子系统无直接关系.这些为模拟盆地地下水系统和评价北方岩溶地下水资源提供重要的科学依据, 对前人就太原盆地边山岩溶水系统边界的确定和内部结构的划分提法有了新的认识.      

Rheological Simulating Study of Mechanical Conditions for Syn-extensional Basin and Mountain Coupling System

This article gives a mechanical model, in which the layers of lithosphere are assumed to be the creep materials, to study the coupling mechanism of a syn-basin-mountain system quantitatively by using the numerical simulating method. A geological dynamic extensional mode given by some geologists is theoretically discussed and verified. The study shows that lithosphere thickening or thinning is closely related to the thermal activity, or in other words, thermal convection beneath the lithosphere. It is one of the important factors affecting the formation of the basin-mountain coupling system. As an essential condition, only the upward buoyant force and the horizontal dragging force caused by the thermal convection jointly act on the bottom of the lithosphere, the stress and strain states in rock‘‘s layers are advantageous to forming the tectonic-landforms of the basin-mountain coupling system. A study on the creep features of the lithosphere shows that the stress and strain in the rock‘‘s layers vary with time when the lasting forces act on the boandary. They increase rapidly at initial stage and decrease steadily after reaching the peak value. Phenomena of stress relaxation are significant for studying the tectonic evolution.     

黄河首曲草地气候变化及生态效应

利用黄河首曲草地气候资料和生态观测资料,分析了黄河首曲草地气候变化特征及其生态效应.结果表明:黄河首曲大部分区域降水量年际变化呈下降趋势,存在2～4 a、6～7 a和10～11 a的年周期振荡特征.气温年际变化呈上升趋势,增温速度均大于全国增温速度.1983年之前气温距平以偏冷为主,1984年之后持续偏暖.草地年干燥指数变化呈显著上升趋势,20世纪80年代末至2004年明显趋于干旱化.气候变化是草地生态退化的自然诱发因素,而超载过牧,滥采乱挖,人为破坏,生物链失衡等环境蠕变是造成生态退化的人为因素,二者共同作用导致黄河首曲草地水资源锐减、生物多样性减少及生态退化.     

黑河流域水资源承载力的生态经济研究

西北干旱内陆河流域水资源是联系生态系统和经济系统的纽带,从生态经济的角度,给出了水资源承载力的概念. 在总结水资源承载力的特点和研究方法的基础上,将水资源承载力的研究纳入了生态经济系统的背景下进行综合集成研究. 以黑河流域中游为例,提出了研究水资源承载力的多目标模型和纳入生态价值模块的途径和方法,从价值量的角度对流域生态系统和经济系统进行了初步的耦合研究,并根据模型的优化分析结果分析了未来20 a黑河流域张掖地区的水资源承载力.     

利津县黄河湿地生态治理浅析

刁口乡自然保护区位于利津县东北部,丰富的湿地植被和水生生物资源已成为当地生态旅游的重要场所和经济来源,但由于区内自然资源开发,特别是石油、天然气的勘探开采,石油外溢引起的大面积水土污染,导致自然生态系统破坏。根据当地地质环境和湿地生态系统特点,制定了工程措施和生物措施的湿地治理设计方案,使黄河湿地生态系统得到恢复,带动当地海洋经济板块发展和产业结构调整。     

灞河生态需水量研究

依据灞河实测径流资料,计算了河道生态需水量,并采用Tennant法对计算成果进行验证。计算结果表明灞河生态需水量占流域多年平均地表水资源总量的43．75％,为灞河水资源开发利用及生态环境治理提供科学依据。     

Water Geochemistry of Three Mountain Streams from Carbonate Watersheds in the Southern French Alps

The chemical composition of water from three streamsflowing through a carbonate watershed wasinvestigated. Although the study area is not spatiallyvery large (a few km²), local inhomogeneitieswithin the lithology appreciably affect the chemicalcomposition of the water and the geochemical gradientas a function of elevation. The main chemical processwhich leads to the observed water chemistry is thedissolution of calcium carbonate by atmospheric andmetabolic CO₂. In the stream La Sigouste, thewater dissolves nearly pure calcite and this reactionproceeds until an equilibrium with respect to calciteis reached. In Le Lauzon stream, local inhomogeneitiesin the lithologic composition prevent theestablishment of an unambiguous weathering budgetwhile, for Le Rif de l'Arc a stoichiometric modelshows that the weathering process is adequatelyrepresented by the dissolution of calcite associatedwith a minor incongruent dissolution of chloritepresent in marls. For the two last streamssupersaturation with respect to calcite is observed.For both streams, supersaturation with respect toatmospheric CO₂ is nearly permanent. The observedaltitudinal gradients of sulfate are interpretedthrough a set of biogeochemical redox reactions.     

塔里木西南缘（齐姆根弧）前陆构造及形成机理

在对齐姆根弧形构造地表地质构造和深部地球物理资料综合分析的基础上，阐述了齐姆根弧形构造的几何学、运动学和分段性，提出了齐姆根弧形构造由依格孜牙薄皮推覆构造段、齐姆根主弧形三角带构造段和叶尔羌棋盘对冲构造段组成，各弧形构造段之间以横向走滑斜冲断层为界；发现了齐姆根弧形构造中规模巨大的塔里木西南盆地白垩系新生界沉积盖层向西昆仑帕米尔被动反(逆)冲逆掩构造系统，阐述了齐姆根主弧形构造段由铁克里克主动逆冲推覆系统、塔里木西南盆地被动反冲逆掩系统和深部双重构造组成。齐姆根弧形构造的隆升时期为喜马拉雅运动，新生代，尤其是第四纪以来西昆仑帕米尔向北和北东整体推移导致的深部双重构造是齐姆根弧形隆升的主因。     

垂直气候带岩溶动力系统特征研究——以重庆金佛山国家级自然保护区为例

利用CTDP300多参数自动记录仪对重庆金佛山国家级自然保护区碧潭泉和水房泉的降雨量、水位、水温、pH值、电导率进行了监测。结果表明,不同海拔高度的表层岩溶泉水化学对环境变化十分敏感,且具不同的表现形式,气温和土壤CO2浓度是引起水化学动态变化的两个重要因子。位于海拔较低的碧潭泉气温,土壤CO2浓度相对较高,岩溶作用也相对强,位于海拔较高的水房泉则相对较弱。受气温控制,前者的水温、pH表现出明显的白天高,夜间低的昼夜变化规律。降雨过程中,至少有两种效应在影响水化学性质:雨水的稀释效应和CO2效应,前者对碧潭泉水化学变化影响较大,降雨可引起泉水电导率、水温及pH的显著下降,降雨强度越大,下降速度与幅度越大,而从泉水电导率下降、pH值略有上升看,两者均对水房泉的水化学变化产生了影响。     

涡动相关仪观测数据的处理与质量评价研究

涡动相关仪能够较准确地直接测量地表—大气间的湍流交换,在世界范围内得到了广泛的应用。但它的使用是有条件限制的,如果不进行必要的修正,得到的通量就可能有较大的误差。以密云观测站一年的涡动相关仪观测数据为例进行分析。结果表明：野点值剔除、坐标旋转以及超声温度订正对地表感热、潜热等通量的测量结果影响均在±1%之内,但坐标旋转对动量通量影响较大,必须对潜热和CO2通量进行空气密度效应订正;湍流谱在惯性副区基本满足-2/3次方定律,协谱基本满足-4/3次方定律。经过对观测数据的筛选和处理后,约75%的观测数据质量较好,2%的数据需要剔除。通量贡献源区分析表明,全天和白天均有超过70%的通量源区落在感兴趣区域内,超过90%的通量贡献最大点落在感兴趣区域内。