WRF模式与Topmodel模型在洪水预报中的耦合预报试验研究

基于空间分辨率90 m×90 m的湖北荆门漳河水库数字高程模型（DEM）地形数据,并从2012-2015年选取了20场洪水过程（其中16场用于模拟,4场用于检验）,将华中区域数值天气预报业务模式WRF提供的三重嵌套空间分辨率3 km×3 km、9 km×9 km和27 km×27 km预报降雨与集总式新安江模型以及半分布式水文模型Topmodel耦合进行洪水预报试验。通过对比试验得到以下结论：当流域降雨的时、空分布比较均匀时,集总式新安江模型可以较准确地预报出洪峰流量和峰现时间,而当降雨时、空分布差异较大时,预报误差也会随之增大。基于DEM数据建立的Topmodel模型可以反映不同降雨时、空分布下洪水预报结果的差异,试验结果表明,3 km×3 km和9 km×9 km洪水预报的输出结果比较接近,且在确定性系数和洪峰相对误差上要优于27 km×27 km的洪水预报结果,而在峰现时差的预报上,则是27 km×27 km的洪水预报结果与实测较吻合。通过研究还发现,虽然当流域降雨的时、空分布存在一定差异时,3种空间分辨率的WRF预报降雨均无法预报出与实测一致的降雨分布,但是在某些情况下,当降雨的时间分布误差和空间分布误差相抵消时,仍然可以得到较为准确的洪水预报结果。因此,高时、空分辨率的模式预报降雨并不一定就能对洪水预报结果产生正贡献,需要通过反复尝试寻找水文模型和数值模式耦合的最佳时、空分辨率。     

粗颗粒硫酸盐渍土水盐迁移规律及变形特性研究

针对封闭系统下粗颗粒硫酸盐渍土在冻结过程中的水盐迁移和变形特性开展了理论和试验研究。基于非饱和多孔介质热弹性理论,考虑孔隙水盐相变,建立了适用于粗颗粒盐渍土水-热-盐-力多场耦合模型,并对单向冻结条件下粗颗粒盐渍土的温度场、水分场、盐分场和位移场分布进行了数值模拟。通过配制含硫酸盐的细砂作为土样开展了单向冻结条件下的室内试验,测定了冻结过程中的温度、水分、盐分以及变形的分布,并与数值结果进行了比较,验证了理论模型的有效性。结果表明:砂土结构孔隙更大,水分和盐分更容易渗透和迁移,在单向冻结试验中,水盐迁移速度更快;细砂的轴向位移呈现先下降后上升的变化趋势,且收缩变形持续时间较黏土更长;由于暖端水分向冷端迁移致使暖端土体孔隙减小,下部土体变得更加密实,土柱下部侧壁压力大于上部。     

随机连续模型分析裂隙岩体耦合行为

利用能够反映岩体水力性质空间变异特性的随机连续模型对隧洞开挖过程中的裂隙岩体渗流-应力耦合过程进行了数值分析。随机渗透系数场通过顺序指示模拟方法生成。顺序指示法是一种非参数地质统计学技术,他允许输入任何形式的渗透系数概率分布而不需要对分布做任何假设。由随机模拟生成的渗透系数场被投影到有限元计算网格中进行耦合分析。力学响应使用基于连续介质的节理本构模型来反映岩体中软弱面的影响。结果表明,随机连续模型能够较好地预测裂隙岩体的稳定入渗率,水力性质的空间变异性对裂隙介质的耦合过程起着重要作用。在不排水条件下,隧洞每次开挖开始时,由于岩石应力重分布,孔隙水受到扰动,短时间内不能流动平衡,因此孔压会迅速上升,这对于围岩稳定是不利的。     

含水率对岩石电荷感应信号影响规律研究

水是诱发矿井灾害的主要因素之一,研究水?岩相互作用下的岩石破坏电荷信号,可丰富矿井水引起灾害的监测方法。为研究含水率对岩石破坏电荷感应信号的影响规律,基于损伤理论推导了岩石损伤破坏力?电耦合模型,得到了感应电荷量与岩石力损伤和水损伤的理论关系。利用自主研制的电荷感应信号数据采集系统,对不同含水率条件下的岩石试样进行了单轴压缩电荷感应信号监测试验,分析了水对岩石力学性质和岩石破坏过程中各阶段电荷感应信号的影响规律,并对含水率影响感应电荷产生的机制进行了讨论。结果表明：岩石变形破坏过程中的电荷感应信号与岩石的损伤程度有关,累积感应电荷量与感应电荷总量的比值可以表示岩石在水和力作用下的损伤量,且含水率越高,试样越易在较低的应力下产生大量的电荷感应信号。不同含水率岩石的宏观破坏特征明显不同,随着含水率升高,岩石的抗压强度降低,裂隙发育,岩石破坏形式由单剪式破坏向张拉和剪切混合破坏转变。电荷感应信号分布形态上,含水率的升高使得高幅值电荷簇数增加,并向弹性阶段发展,且高幅值电荷感应信号主要分布在弹性阶段后期和塑性阶段。感应电荷量上,随着含水率的升高,弹性阶段的感应电荷释放量占比逐渐增大,塑性阶段占比逐渐减小,两阶段的感应电荷量之和占试样变形破坏过程中产生感应电荷总量的90%以上。水通过弱化岩石颗粒和渗透压作用,使岩石在较低应力下产生或扩展裂隙,感应电荷信号更丰富。     

热液成矿作用的地质地球化学动力学——以胶东牟平-乳山金矿带为例

通过对胶东牟平—乳山热液脉状金,铅锌矿床成矿动力学控制规律的研究,说明了建立热液成矿反应体系的方法,并得出以下认识:（1）区域断裂构造活动,通过影响成矿反应体系的热力学性质和条件,控制元素的富集和分散。（2）热液成矿过程中容矿断裂活动可划分为两种作用方式:脆性破裂和韧—脆性张开,构成热液成矿的两种构造动力学环境。（3）热液成矿反应体系是一种开放的动态的热力学体系。断裂的脆性破裂阶段,使体系处于强烈的过饱和状态,矿质在远离平衡状态下快速结晶,加剧物质分异;在脆—韧性张开阶段,矿质在接近平衡态体系中缓慢晶出。（4）热液演化晚期,金在残余溶液中富集;当断裂再次发生构造脉动震颤时,早期形成的块状黄铁矿矿石碎裂,富金溶液充填其中,形成含裂隙金和晶隙金的富矿石。成矿体系热力学演化与构造动力学条件有利的匹配控制着富矿石的形成。     

造山带与沉积盆地的耦合——以青藏高原周边造山带与盆地为例

通过系统分析青藏高原周边造山带与沉积盆地的结构样式、变形特征及形成演化,认为该区中、新生代造山带与盆地之间存在极其明显的耦合关系,主要表现在:(盆)伸展扩张-(山)收缩隆升;(盆)挤压俯冲-(山)挤压仰冲;(盆)负荷沉降-(山)卸荷隆升;(盆)挤压挠曲、顺层滑脱-(山)侧向扩展、逆冲推覆。盆山耦合作用造成造山带具有厚皮构造的厚壳薄幔,盆地具有薄皮构造的薄壳厚幔的岩石圈结构。     

高低空急流耦合对长江中游强暴雨形成的机理研究

对1998-07-22T08-14发生于武汉附近的一次强暴雨过程的分析发现,这次强暴雨发生于南方暖区与北方冷空气脱离的孤立系统中,副热带经圈环流上升支是暴雨发生的大尺度背景场,它的低空入流和高空出流对大尺度雨区的生成与维持具有重要作用.边界层南风急流、低空西风急流和高空西风急流上下的耦合作用是强暴雨发生的重要原因.925hPa上边界层偏南风急流是暴雨区所需水汽的最大提供者和暴雨区对流不稳定能量释放的触发者,850hPa上低空偏西风急流的主要作用是建立和维持了暴雨区中低空的对流不稳定,200hPa上中纬高空西风急流的主要作用是建立和维持了暴雨区高空的条件对称不稳定,三者上下耦合使得中低空对流上升运动得以向上发展和加强,从而产生强暴雨.     

中国湖泊现状及面临的重大问题与保护策略

我国湖泊数量多、类型全、分布广,湖泊的形成演化不仅受流域自然环境因素及变化的影响,而且还深受人类活动的干扰,呈现出不同的区域演变特征和生态环境问题.近几十年来,我国湖泊数量、面积和分布都发生了较为显著的变化,并面临着湖泊萎缩与调蓄能力减少、水质下降与富营养化加重、生物多样性减少与生态退化、河湖水力和生态联系阻隔以及湖岸线和环湖地带过度开发等问题,引发一系列生态与环境后果,严重影响流域居民日常生活和经济的可持续发展.本文通过大量湖泊野外考察和调查,查清了我国面积大于1km2湖泊的数量、面积和分布状况,结合历史湖泊调查和相关研究资料,系统分析了近几十年我国湖泊面临的重大生态环境问题及区域特征,提出了我国湖泊保护的策略.     

长江经济带科技创新、经济增长与生态效益的耦合协调发展研究

运用耦合协调度模型,基于2008—2020年省级面板数据,分析长江经济带科技创新、经济增长、生态效益三大系统的耦合协调及综合发展水平。结果表明：长江经济带综合发展水平及三大系统耦合协调度均呈现上升趋势,并先后经历由经济增长主导和科技创新主导发展的阶段,科技创新与经济增长耦合协调发展是三大系统耦合协调度提升的最大拉动力。经济带各省份综合发展水平与耦合协调度之间呈现出一定的相关性,耦合协调度较高的下游地区省份发展水平始终领先于上、中游地区省份。必须坚持生态优先发展原则,保持科技、经济与生态三大系统及各区域均衡协调发展。