城市地表径流-灰尘-污染物输移研究进展

城市地表"径流-灰尘-污染物"作为一个三相介质系统,相互作用机理十分复杂。分别从城市地表灰尘颗粒对不同种类污染物的吸附效应及时空分布规律、地表(坡面)降雨径流特性及过程模拟、地表径流-灰尘-污染物协同输移与削减等方面,总结与分析了现有的研究进展。从本质上来看,城市地表灰尘可视为由不同粒径泥沙颗粒组成的综合体,有必要基于泥沙运动力学理论加强对地表径流中灰尘颗粒运动规律的研究,并以灰尘颗粒对不同污染物的吸附、沉淀作用为纽带,探讨"径流-灰尘-污染物"的协同输移与削减机制。其中,如何有效扩展城市调查样本容量,比较研究不同下垫面径流动力特性,并从径流能量或功率角度出发,研究不同粒径灰尘颗粒的分组起动与输移规律,并建立在径流输送过程中的挟沙力方程,将是今后需要深入研究的问题。     

城市地表灰尘径流冲刷过程模拟

为弥补当前描述城市地表灰尘径流冲刷过程的指数衰减模型偏于经验、物理力学机制认识不足的问题,考虑到地表灰尘的泥沙物质属性,基于泥沙科学、从泥沙运动力学角度研究地表灰尘的径流冲刷过程与模拟方法。通过比较发现,地表灰尘径流冲刷指数衰减模型与河道冲刷条件下输沙调整的滞后响应模型具有一定的相似性。基于上述比较结果,参考河道冲刷条件下输沙调整的滞后响应模型方程,针对地表径流汇流的延时效应及不平衡输沙特点,并考虑地表灰尘颗粒的非均匀性及分组冲刷过程,对地表灰尘径流冲刷指数衰减模型进行了改进,建立了地表灰尘的分组不平衡冲刷模型。结合广东东莞牛山工业园区地表灰尘径流冲刷过程的实测资料,对模型进行了应用比较。结果表明:相比指数衰减模型,分组不平衡冲刷模型模拟地表径流灰尘浓度值与实测值变化趋势更为符合,确定性系数与纳什效率系数由0.15与0.59升至0.73与0.70,模拟效果进一步提高。研究结果有助于促进地表灰尘径流冲刷过程模拟由经验分析向具有物理基础的模拟方法转变。     

水流交汇区污染物输移扩散特性

为分析水流交汇区污染物输移扩散规律,开展了交汇区污染物浓度分布规律的实验和数值模拟研究。建立了交汇区污染物扩散的水气两相流数学模型,并采用实验结果进行验证,对交汇区不同流量、动量和交汇角情况进行实验和数值模拟研究。结果表明:含高浓度污染物的支流汇入干流后,在交汇口下游支流侧形成较长的污染带,且支流与干流的交汇角和流量比(动量比)越小,污染带越狭长;在污染带范围内,污染物浓度梯度较大;污染物分布主要受随流输移和扩散的综合作用影响,其中在交汇区污染物的扩散作用明显。     

规则波导斯托克斯漂移对污染物输移的影响

为研究斯托克斯漂移对近岸污染物输移的影响,首先建立波导流和考虑斯托克斯漂移的对流扩散数值模型,通过数模结果与实验结果的比较,研究平直斜坡地形下规则波入射时斯托克斯漂移对污染物输移的影响,波导流模型中波浪场基于波能守恒方程来模拟,波导流场基于Longuet-Higgins提出的辐射应力来模拟,污染物对流扩散模型考虑了斯托克斯漂移的影响。其次,利用一个算例来验证对流扩散模型,结果表明数值模型计算结果与解析解吻合良好。最后,利用该模型模拟了两个实验工况下污染物的输移,数值模拟结果与实验结果吻合良好,表明斯托克斯漂移对近岸污染物向岸线方向的输移有比较明显的影响。     

河流碳输移与陆地侵蚀-沉积过程关系的研究进展

河流碳输移与陆地侵蚀-沉积过程紧密相关。首先就机械和化学风化两种不同的陆地侵蚀机制在提供河流碳源方面所发挥的不同作用作了详细论述,并比较了季风流域和非季风流域间河流碳输移在通量及性质上的差异。之后对陆地碳沉积机制进行了归纳,指出了包括大坝截留,河漫滩、河口-近岸带沉积及陆地碳沉降等几种可能的陆源碳踪迹。陆地环境的截留效应相对于侵蚀尚不太清楚,今后应加强对陆地碳沉积的研究,进一步明确各种碳沉积的作用机制及其对全球陆地碳汇的贡献量。此外,人类活动对陆地侵蚀-沉积过程及河流碳循环所产生的直接或间接的影响也有待于今后继续深入探索。     

极端降水下的城市地表-地下空间洪涝过程模拟

极端降水引起的城市内涝问题日益严峻,大量地表积水甚至衍生出部分地下空间的淹没受灾。针对目前水文水动力模型地下空间研究应用不足的现状,以郑州市某片区2021年“7·20”特大暴雨下的内涝过程为例,构建基于InfoWorks ICM的区域地表-地下空间联合模拟模型,对地下空间采用概化蓄水池法和水力连通法2种方式建模,分析局地内涝的成因、发展和影响。结果表明：地下空间内涝对地表积水的削减作用有限;概化蓄水池法简洁易行,水力连通法详细还原地下淹没过程;累积雨量和强降水时段对地下空间洪涝均有重要影响。地表-地下空间洪涝模拟丰富了城市暴雨洪水预警预报的内容,为防灾减灾提供支撑依据和参考。     

A field study of turbulence and sediment dynamics over subaqueous dunes with flow separation

This study examines flow, turbulence and sand suspension over large dunes in Canoe Pass, a distributary channel of the Fraser River delta, Canada. Dune morphology is characterized by a symmetrical shape and steep leeside slopes over 30°. Velocity was measured with an electromagnetic current meter and suspended sand concentration with four optical backscatter (OBS) probes. The general patterns of time-averaged velocity and sand suspension are consistent with previous studies, including an increase in mean velocity and decrease in turbulence intensity and sand concentration with height above the bed, reversed flow with high turbulence intensity and high sand concentrations in the leeside flow separation zone and an increase in near-bed velocity and sand concentration along the stoss side of the dune. Frequency spectra of near-bed velocity and OBS records from leeside separation zones are composed of two distinct frequencies, providing field confirmation of scale relations based on flume experiments. The low-frequency spectral signal probably results from wake flapping and the high-frequency signal from vortex shedding. The wake-flapping frequency predominates outside the separation zone and is linked to turbulent structures that suspend sand. Predictions from a depth-scale Strouhal Law show good agreement with measured wake-flapping frequencies. Cross-correlations of OBS records reveal that turbulent sand suspension structures advect downstream at 23–25° above the horizontal. These advection angles are similar to coherent flow structures measured in flumes and to sand suspension structures visualized over large dunes in the field.     

雄安多要素城市地质标准体系研究

雄安新区作为多要素城市地质调查试点城市,急需建立城市地质标准,为高水平现代化城市管理提供全方位技术支撑。从城市地质与现代城市行政管理有机融合的角度角度出发,通过分析我国城市地质标准现状和雄安新区规划建设需求,研究提出雄安多要素城市地质标准体系。研究表明:高起点规划、高标准建设雄安新区,需要建立一套系统的、完整的、先进的多要素城市地质标准体系;标准体系应该包括空间、资源、环境和灾害等子体系:空间涵盖全域、重点区、特色小镇、工程建设场地等四方面,资源涵盖地热、矿泉水、地下水等三方面,环境涵盖土壤质量、地下水质量、湿地质量等三方面,灾害涵盖地面沉降、地裂缝、地震、砂土液化、地面塌陷等五方面。与雄安新区规划、建设、运行等不同阶段城市管理密切结合,需要研制30项城市地质技术标准,包括空间标准6项、资源标准9项、环境标准7项、灾害标准8项。     

Using GIS for analysis of urban systems

It is recognized that the spatial organization of urban system can be abstracted as three main components: a set of points, which describes the structural characteristics such as social and economic properties of individual city; a set of lines, which indicates the patterns of interaction among the cities; a set of spheres, which indicates how and to which extent each city affects the area around it. Even if such substance of urban system coincides with the main purpose of GIS for spatial or geometric data types such as point, line and region, little attention has been given to this point. By an evidence analysis of China, the application of potential analytical capabilities of GIS for urban system is attempted in this study. We find GIS acts as an efficient tool not only for the spatial structure analysis of urban system, which including potential distribution of cities, extraction of principal linkages among cities, and delimitation of subsystems; but also for the verification of socio-economic attributes and dynamics of urban system. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

城市暴雨强度公式研究进展与述评

能够客观反映城市降雨特征与规律的暴雨强度公式是城市排水防涝基础设施建设、海绵城市建设过程中相关工程规划、设计的重要前提。简述了暴雨强度公式推求的过程,从暴雨强度公式型式、暴雨资料选样方法、频率曲线选择、频率曲线参数估计以及暴雨强度公式的参数求解等方面,系统梳理了国内外发展现状,深入分析、归纳了各种方法的优缺点,对暴雨强度公式编制过程中存在的两步最优与直接拟合、公式拟合的"异参同效"、公式及参数合理性分析以及编制长历时暴雨强度公式等问题进行深入剖析,认为暴雨强度公式还需在全要素误差分析、成果合理性检验、降雨空间分布、气候变化对城市未来降雨的影响等方面进行深入研究。     

河流管理中含植物水流问题研究进展

河流管理涵盖灌溉、防洪、河流生态、环境等众多内容,其目的在于保护和恢复河流生态系统的整体生态功能。植物是具有生态功能河流的重要特征,为动物提供了栖息地,是维持河流健康发展的重要因素。由于植物的存在改变了水流运动特性和泥沙及污染物输移规律,含植物水流问题引起了河流管理领域的广泛关注,并且成为河流动力学新的重要的研究课题。回顾了当前国内外河流管理中含植物水流问题研究的主要成果,归纳为水流阻力、紊流结构、泥沙运动和被动标量扩散输移四个方面的研究内容,详细介绍了重要的研究方法、结论和量测手段,讨论了含植物水流问题当前研究存在的不足,并指出今后的研究趋势。     

黄河下游河道边界条件影响输沙效率研究述评

如何高效输沙始终是黄河下游河道治理的一个根本问题,其中河道边界条件对泥沙输送具有重要的影响,这源于两者之间存在的耦合作用。对现有河道边界条件影响输沙效率相关研究进展及存在的问题进行了系统的总结与分析。河道边界条件不仅影响河道空间沿程输沙效率,而且河道边界条件的演化还决定了输沙效率的时间调整过程。这种影响在不同输沙计算方法(水文学方法、水动力学方法)中的表现形式有所不同,但反映物理本质相同,彼此之间存在一定的联系。能否反映水沙运动与河床变形之间的相互作用及耦合特性,这是判断输沙模拟有效性的关键所在。河道输沙与河床变形作为泥沙赋存状态同一问题的两个方面,提出了从河床演变学角度研究输沙效率的问题,为相关研究的开展提供思路与参考。     

中国城市洪涝问题及成因分析

随着经济社会的发展,中国步入城镇化快速发展的阶段,城镇化率已由2000年的36.22%增加到2014年的54.77%。在全球气候变化与快速城镇化背景下,中国城市洪涝灾害日益严重。阐述了全球气候变化及城镇化对城市降水和极端暴雨的影响机制,并从流域产汇流角度分析了城镇化对洪水过程的影响,系统剖析了中国城市洪涝频发的主要原因。在成因分析的基础上,进一步提出了中国城市洪涝防治的应对策略,主要包括:①以低影响开发理念为指导,加强城市基础设施建设,建设海绵城市;②建立城市洪涝立体监测、预报预警和实时调度系统,强化城市洪涝科学决策能力;③健全和完善城市洪涝应急预案,强化应急管理能力,完善灾害救助和恢复机制。     

多沙河流平面二维泥沙数学模型研究

针对冲积河流河床演变速度快、边界调整幅度大的特点,采用积分方法数值求解水流泥沙基本方程,建立了适合于多沙河流泥沙及河床演变规律的二维数学模型,在数值方法方面考虑了物质守恒性及对多变边界的适应性,采用了比较简单的动边界处理模式。通过工程实例的计算验证,证实了模型所采用的基本方法是合理的,模型有较强的河床边界适应能力,可用以解决有关多沙河流河床演变预测及浑水洪水预报的有关问题。     

河流水沙运动对污染物迁移转化效应研究进展

河道内水流和泥沙是污染物迁移转化的主要载体,研究河道内污染物迁移转化过程以及水沙运动对其影响对于治理日益恶化的河流水环境非常重要。结合国内外研究最新动态,对水沙运动作用下污染物迁移转化的试验研究、作用机理、理论模式和数学模型等进行了总结和概述,重点对几种典型的理论模式和数学模型进行了比较分析。目前河流水沙运动对污染物迁移转化效应相关研究存在试验方法比较局限、作用机理存在分歧、理论模式和数学模型不完备等问题,需要进一步进行室内和野外试验技术创新、颗粒界面动力学的微观探索以及污染物在上下覆水和界面上迁移转化理论研究。对河流水沙运动对污染物迁移转化效应研究的研究方向提出了展望。