长江中下游江湖蓄泄关系实时评估数值模拟
长江流域水生态调度与长江模拟器研发
四五”期间国家发展的重要任务。
2014年，长江经济带建设成为新时期国家发展重大战略。
2016年、2018年、2020年、2023年，习近平总书记先后在重庆、武汉、南京、南昌主持召开推动长江经济带绿色发展座谈会，确定了“共抓大保护、不搞大开发”，“生态优先、绿色发展”的整体方针，突显了长江经济带高质量绿色发展在国家生态文明建设中的战略地位。
2019年以来，生态环境部、国家发展和改革委员会联合开展了长江保护修复攻坚行动计划，流域水环境质量得到明显改善，水生态退化得到初步遏制，但面源污染控制不力、湖泊湿地萎缩、生物多样性损失等问题依然突出。
受气候变化和人类活动的影响，未来长江流域生态保护形势依然严峻复杂，水环境治理和水生态修复任务依然面临巨大挑战。
2021年3月1日，《中华人民共和国长江保护法》正式实施。
贯彻落实《长江保护法》，在科学统筹的前提下进行流域系统治理，最终实现长江流域生态优先下的高质量绿色发展，有2项重要工作需要尽快开展：①国家层面的全流域协调机制要尽快建立，②加强科技创新的引领作用，支撑流域生态环境修复保护和综合管理的流域水系统模拟调控装置需要尽快建设。
针对全球变化带来的生态与环境问题，国内外学者提出和发展了一系列地球系统模型（ESMs）。
以全球大气动力学模式为基础，耦合海洋、陆地、冰冻圈等动力学模式，旨在预测、重构和深入理解全球气候变化过程，评估气候变化对生态和环境的影响。
2002年3月，日本建成地球模拟器（ES）[1]，目前已发展至ES4版本。
2012年，美国国家大气海洋局地球物理流体动力学实验室开发了地球系统模型（ESMs）[2]。
2018年，美国能源部主导发布了E级能源地球系统模型（E3SM）[3]，关注点除气候变化预测外，还将评估气候变化对能源基础设施带来的压力。
2020年，瑞士大气和气候科学研究所发展了一个模块化地球系统模拟器（MESMER）[4]。
2010年，曾庆存等[5]针对国际上地球系统动力模式研究的趋势，提出发展我国的地球系统动力学模式。
洪泽湖中低水位下泄流能力数值模拟
第38卷第5期Vol．38No．5水㊀资㊀源㊀保㊀护Water Resources Protection2022年9月Sep.2022㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(51779074);江苏省水利科技项目(2019031);安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2019A1279)作者简介:薛联青(1973 ),女,教授,博士,主要从事环境水文及生态水文研究㊂E-mail:lqxue@DOI :10．3880/j.issn．10046933．2022．05．005洪泽湖中低水位下泄流能力数值模拟薛联青1,2,成㊀诚1,汪㊀露3,张㊀敏3,张㊀开3(1.河海大学水文水资源学院,江苏南京㊀210098;2.皖江工学院水利工程学院,安徽马鞍山㊀243031;3.江苏省洪泽湖水利工程管理处,江苏淮安㊀223100)摘要:为研究淮河中下游发生中小洪水时洪泽湖的泄流能力,建立淮河蚌埠至洪泽湖出湖口三河闸段一二维耦合水动力模型,模拟分析了重点河段切滩对洪泽湖中低水位下泄流能力的影响及切滩前后的流域行洪过程㊂结果表明:在5年一遇洪水过程下,洪峰时刻淮河干流蚌埠㊁临淮关㊁香庙㊁浮山和洪山头等水文站水位较切滩前分别下降0．02m ㊁0．07m ㊁0．21m ㊁0．55m 和0．70m ,漫滩时间分别减少1d ㊁4d ㊁9d ㊁9d 和17d ;洪泽湖三河闸站水位最高值为13．33m ,相比切滩之前升高0．07m ,湖泊对应的下泄流量为8300m 3/s ,较切滩前增大800m 3/s ,泄流能力提高11%㊂关键词:行洪模拟;泄流能力;切滩工程;漫滩时间;水动力模型;洪泽湖中图分类号:TV213．4㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:10046933(2022)05003207Numerical simulation of discharge capacity under middle and low water levels of Hongze Lake ʊXUE Lianqing 1,2,CHENG Cheng 1,WANG Lu 3,ZHANG Min 3,ZHANG Kai 3(1.College of Hydrology and Water Resources ,Hohai University ,Nanjing 210098,China ;2.School of Hydraulic Engineering ,Wanjiang University of Technology ,Maanshan 243031,China ;3.Jiangsu Hongze Lake Water Conservancy Project Management Office ,Huaian 223100,China )Abstract :In order to study the discharge capacity of Hongze Lake in the middle and lower reaches of Huaihe River during medium and small floods,a one-dimensional and two-dimensional coupling hydrodynamic model was established for the Sanhezha section from Bengbu of Huaihe River to the outlet of Hongze Lake.The impact of key river reaches cutting beachon discharge capacity under middle and low water levels of Hongze Lake and the flood discharge process in watershed before and after cutting beach were simulated and analyzed.The results show that under the five-year flood process,the water level of Bengbu,Linhuaiguan,Xiangmiao,Fushan and Hongshantou hydrologic stations in the main stream of Huaihe River decreased by 0．02m,0．07m,0．21m,0．55m and 0．70m,respectively after cutting beach during the flood peak period,and the floodplain time decreased by 1day,4days,9days,9days and 17days,respectively.The maximum water level of Sanhezha Station in Hongze Lake was 13．33m,which was 0．07m higher than that before cutting beach.The discharge volume corresponding to the lake was 8300m 3/s,which was 800m 3/s higher than that before cutting beach and the discharge capacity increased by 11%.Key words :flood discharge simulation;discharge capacity;cutting beach project;floodplain time;hydrodynamic model;Hongze Lake㊀㊀淮河流域位于我国东部,湖泊众多[1],较大的湖泊有洪泽湖㊁高邮湖和邵伯湖等㊂地处九河下梢的洪泽湖是流域内最大的湖泊,为我国四大淡水湖之一,也是我国目前人工修筑的最大平原水库之一,承接淮河中上游约16万km 2的全部来水[2],最大入湖流量达1．98万m 3/s(1931年)[3],抗洪作用在整个流域具有举足轻重的地位㊂洪泽湖湖面是淮河中游的侵蚀基准面,由于淤积湖底不断抬高,湖区范围因而不断沿河上溯,湖面上升引起淮河中游基准面上升,大部分泥沙特别是推移质泥沙淤积在中游河谷,使中游河道坡降变缓㊂目前淮河下游江苏省的洪泽湖湖底高程为10~11m,比淮河中游的蚌埠河底高程高出2m,从而使得淮河干流中下游河床出现倒比降[4]㊂淮河干流全长约1000km,总落差约为200m [5-6],淮河干流上游及淮南㊁淮北支流坡降大㊁汇流快,产生的洪水峰高历时短,但进入干流中㊃23㊃下游河床后,受倒比降限制,洪水过程变得平缓,一旦流域发生中小型洪水,洪泽湖处于中低水位下,泄流能力不足,洪水下泄时间大幅延长,加之流域平原洼地众多,平缓的洪水过程大幅延长了漫滩的时间,两岸涝灾严重[7]㊂因此,对中低水位下洪泽湖的行洪能力进行分析,并根据分析结果制定合理的方案,对洪泽湖的洪涝治理具有重要的现实意义㊂1㊀研究区概况淮河中游(图1)上起安徽蚌埠,下至洪泽湖出湖口三河闸,地处32ʎ85ᶄN ~33ʎ94ᶄN㊁117ʎ42ᶄE ~118ʎ94ᶄE 之间,位于亚热带季风气候和温带季风气候的分界处㊂洪泽湖位于淮河中游末端,承接淮河中上游约16万km 2的来水,淮河干流入流量占总入流量的70%以上[8]㊂湖区年平均降水量为925．5mm,最大年降水量为1240．9mm,最小年降水量为532．9mm㊂降水年内分布极不均匀,一般集中在汛期6 9月[9],多年平均降水量为605．9mm,占年总降水量的65．5%,集中程度从南向北递增㊂年降水量的空间分布从北向南㊁自西向东逐渐增多㊂湖区多年平均蒸发量为1592．2mm,旱涝灾害的发生较为频繁[10]㊂洪山头至老子山河段为洪泽湖的入湖河道,阻水滩群较多,主要的滩地如图1所示㊂腰东滩位于洪山头下游1．5km 处,滩地面积约为20km 2,高程12．2~14．0m,全滩为圈圩;中港滩位于老子山上游10km 处,滩地面积约为17km 2,高程10．8~11．6m,以圈圩为主;附淮滩位于老子山下游1km 处,滩地面积约为11km 2,高程12．2~12．7m,大部分为圈圩;新滩位于附淮滩以北3km 处,滩地面积约为9km 2,高程11．9~13．3m,大部分为圈圩㊂图1㊀研究区域概况Fig.1㊀Overview of study area淮河中游蚌埠至洪山头河段全长约140km,河道坡降较缓,部分河段呈倒比降㊂两岸洼地众多,高程一般为15~20m,低于河道设计洪水位4~6m,低洼地特别是沿河洼地排涝困难[11]㊂2㊀模型构建2．1㊀数据来源根据建模实际要求,利用已有的高程点及断面资料,并参考相关文献与卫星地图,收集淮河干流蚌埠至老子山河段34个断面数据作为一维模型的断面资料,考虑淮河干流断面形态变化,在浮山至洪山头的倒比降河段设置18个断面,蚌埠至临淮关㊁临淮关至浮山河段分别设置7个和9个断面;二维模型中,由于洪泽湖的地形较为平坦,地形资料选取90m 的DEM 数据,再根据洪泽湖实际湖底高程将湖区散点重采样为1000m,其余区域地形资料为30m 的DEM 数据㊂模拟所需的水文资料包括洪泽湖主要水文站的日尺度出入湖流量和水位;气象资料来源于中国气象数据网,包括模拟时段洪泽湖地区的逐日降雨和蒸散发数据㊁日平均温度㊁日最高温度㊁日最低温度及平均风速与风向㊂淮河干流断面一般比较规则,因此节点平滩水位采用断面宽深比(b /H )曲线最低点时节点水位,并考虑沿程水位衔接,由此确定如表1所示的5个主要断面的平滩水位,再由内插法得到淮河蚌埠以下沿岸的平滩水位㊂表1㊀淮河干流主要断面平滩水位Table 1㊀Flat beach water level of main sections ofmain stream of the Huaihe River断面名称与蚌埠闸的距离/km平滩水位/m 蚌㊀埠018．23临淮关3517．53香㊀庙8216．59浮㊀山10115．46洪山头13715．112．2㊀一二维耦合模型构建在进行模型构建时,要充分考虑耦合模型的收敛性㊂影响耦合模型收敛性的因素众多,包括模型时间步长㊁二维模型网格尺寸㊁地形坏点㊁耦合边界地形匹配程度㊁初始条件㊁糙率以及耦合边界连接方式等,需对上述可能出现的问题进行逐一排除㊂首先将一维河网模型调试稳定,调整时间步长;在二维模型中,需对部分网格进行局部加密并充分平滑过渡,删除地形坏点,避免局部死水区导致的计算发散;在一维模型和二维模型均调试稳定后,要重点解决耦合边界处可能导致的发散问题,耦合边界应设于地形变化较为平顺的区域,对子模型耦合界面附近的地形作适当修正以避免出现较大的地形突变;最后,适当调整耦合模型各部分的初始条件以及糙㊃33㊃率等,尽量避免初始条件与边界条件相差过大以及倒比降河段糙率过小等情况㊂依据水力学特性,将一维水动力模型的范围设置为淮河干流蚌埠至洪山头河段,起到输水及流量分配的作用,全长约137km,沿线控制断面34个㊂一维河网上游边界为蚌埠,采取流量进行控制;下游边界选取洪山头,此处为一二维模型耦合断面,根据模型模拟原理,将此处边界条件设置为名义水位边界,即给予边界任意水位值,不影响模型计算结果㊂洪山头至老子山河段长约40km,为洪泽湖的入湖河道,河道分为三汊,各汊之间设置有可漫顶的生产圩,流态复杂,且该河段呈倒比降,洪山头河底高程约为8m,老子山约为10m,壅水严重㊂考虑实际计算需要与模型稳定性,设定二维模型计算范围为洪山头至洪泽湖出口三河闸段,并包括部分圈圩及行洪区,起到行洪与调蓄的作用㊂格网设置为非结构化网格,包含62319个网格,32894个节点㊂模型除耦合断面外共有9个开边界,其中池河㊁怀洪新河㊁新汴河㊁濉河㊁徐洪河㊁老濉河为上边界,采用流量控制;三河闸㊁二河闸㊁高良涧为下边界,采用水位流量关系曲线进行控制;同时考虑计算精度,在入湖河道及各开边界处网格加密为200m,其余区域网格设置为1000m㊂一维河网模型中,区间降雨选取淮河干流小柳巷站实测降雨资料,二维网格模型气象条件的设定采用洪泽湖附近盱眙站实测资料㊂由于模拟工况选择中小型洪水,对研究区域其余行蓄洪区及部分水工建筑物不进行特殊设置,洪泽湖周边生产圈圩按照堤防建筑物的形式在二维模型中设置,高程为16m,当水位超过圩顶时,按堰流公式计算水位㊂模型通过Mike Flood软件实现耦合[12-13],Mike Flood采用动态解法,通过定义一维水流计算节点和二维计算网格的连接方式,可以实现不同情景的模拟,其中标准连接多用于模拟河湖连通水量交换,将多个Mike21网格与Mike11河段底端相连,Mike11计算模型的流量传递给Mike21,Mike21将耦合边界水位返回到Mike11中,两者结合进行模拟㊂因此,本文选择标准连接进行模型的耦合㊂3㊀模型率定与验证为研究中低水位下洪泽湖的行洪能力,根据1951 2017年实测流量资料,对淮河干流洪峰流量及最大洪量进行频率分析,绘制淮河干流蚌埠站㊁小柳巷站洪峰流量的频率曲线,确定蚌埠站5年一遇洪峰流量为6300m3/s,小柳巷站5年一遇洪峰流量为6000m3/s㊂由于淮河中下游的洪水过程较为平缓,一次洪水过程可长达30d甚至更长时间,在此情况下,对蚌埠站和小柳巷站最大30d洪量进行频率分析,确定两水文站5年一遇30d最大洪量分别为156亿m3与144亿m3㊂同时因为淮河流域防洪规划的不断推进,选取较新的洪水过程进行率定验证㊂综合考虑,选择率定时间为2015年6月26至8月22日,蚌埠站实测洪峰流量为5700m3/s,小柳巷站实测洪峰流量为5500m3/s,30d最大洪量为120亿m3;验证期为2017年9月1日至11月1日,蚌埠站实测洪峰流量为5000m3/s,小柳巷站实测洪峰流量为4600m3/s,30d最大洪量为128亿m3㊂水动力模型率定的关键参数为模拟区域的糙率[14-18],由于模型范围较大㊁影响因素复杂,考虑到模型包括河网与湖泊,故率定水文站选取淮河干流蚌埠站和小柳巷站㊁洪泽湖入湖口老子山站及洪泽湖出湖口三河闸站㊂率定方式采用整体与局部相结合的方法,首先对一维河网和二维网格模型分别进行率定,在确定子模型的糙率后将模型进行耦合,依据耦合结果对各部分糙率进行调整㊂本次率定对不同区域赋值不同的糙率,通过对糙率的反复率定,确定淮河干流蚌埠至临淮关㊁临淮关至浮山㊁浮山至洪山头河段的糙率分别为0．024㊁0．029和0．027,洪泽湖滩地圈圩的糙率为0．033,湖区为0．02㊂为对模拟结果进行定量化评价,选用纳什效率系数(NSE)作为模拟的评价标准㊂率定期和验证期两场洪水模拟结果如图2和图3所示,率定期小柳巷站流量模拟的纳什效率系数达到了0．98,蚌埠站㊁老子山站㊁三河闸站的水位模拟的纳什效率系数分别达到了0．96㊁0．91和0．94;验证期小柳巷站流量纳什效率系数为0．99,蚌埠站㊁老子山站㊁三河闸站的水位模拟纳什效率系数分别为0．92㊁0．97和0．94,说明模型可以很好地模拟中低水位下洪泽湖的行洪过程㊂4㊀模型模拟结果与分析4．1㊀现状条件下泄流能力根据实测资料,2012年蚌埠站洪峰流量为6800m3/s(7月5日),30d最大洪量为156亿m3,与5年一遇洪水过程最为接近,故选取2012年洪水过程进行模拟㊂各入湖河道流量过程如图4所示㊂模拟结果显示,在蚌埠站洪峰流量6800m3/s 的情况下,淮河干流的水位普遍较高,随着河道断面与蚌埠闸距离的增加,漫滩时间逐渐加长,此时洪泽湖水位较低,泄流能力差㊂淮河干流各水文站日均㊃43㊃(a)小柳巷站流量(b)老子山站水位(c)三河闸站水位(d)蚌埠站水位图2㊀率定期模型水文要素模拟结果Fig.2㊀Simulation results of hydrological elements in calibrationperiods(a)小柳巷站流量㊀(b)老子山站水位㊀(c)三河闸站水位㊀(d)蚌埠站水位图3㊀验证期模型水文要素模拟结果Fig.3㊀Simulation results of hydrological elements in validationperiods图4㊀2012年5年一遇洪水洪泽湖各入湖河流流量过程Fig.4㊀Discharge process of rivers entering HongzeLake once in five years flood in2012水位于7月5日到达最大值,蚌埠站最高水位为20．10m,高出平滩水位1．87m,漫滩时间17d;临淮关站最高水位为19．51m,高出平滩水位1．98m,漫滩时间26d;香庙站最高水位为18．02m,高出平滩水位1．43m,漫滩时间25d;浮山站最高水位为17．28m,高出平滩水位1．82m,漫滩时间34d;洪山头站最高水位为16．08m,高出平滩水位0．97m,漫滩时间33d㊂模拟的水位与漫滩时间表明,淮河干流洪水在流域中下游过程变得平缓,下泄不畅,漫滩时间加长,为流域的排涝带来困难㊂洪泽湖在应对中小洪水时存在行洪能力不足的情况,因此,通过整治提高洪泽湖的行洪能力十分关键㊂4．2㊀拟定切滩方案下研究区域泄流能力复核导致洪泽湖泄流能力不足的主要原因是湖区水位偏低,此时洪泽湖下泄流量小,难以达到下泄要求的水位,加之洪泽湖入湖河道沿程滩地圈圩众多,增大了阻水面积与糙率,更加大了洪泽湖泄洪的困难㊂根据‘洪泽湖保护规划报告“[19],洪泽湖入湖河段为规划保护的重点片区,部分滩地需要实行切滩还湖㊂因此,结合实际要求,本文设置切除洪泽湖入湖河道腰东滩㊁中港滩㊁附淮滩㊁新滩方案,对比切滩前后研究区域水动力过程㊂考虑入湖河道的河床变化情况,上游洪山头处河底高程约为8m,下游老子山处河底高程约为10m,现将切滩方案设定为腰东滩㊁中港滩㊁附淮滩及新滩的高程分别切滩至9m㊁9m㊁10m和10m㊂对于切滩后的糙率确定,参考相关研究[20],将切滩等同于河道水位上升的情况,此时切滩导致的下垫面形状的改变对糙率的变化影响较小,故糙率可参考切滩前的滩地糙率进行赋值,同时考虑到切滩对于滩地植物的生长抑制,最终设置滩地糙率高于河道糙率0．01㊂因此,切滩后,腰东滩和中港滩的糙率为0．028,附淮滩和新滩的糙率为0．021㊂㊃53㊃切滩前后模型的计算结果对比如图5所示,切滩后淮河干流的水位整体下降,越靠近湖区下降的幅度越大,如7月5日淮河干流洪峰时刻,蚌埠㊁临淮关㊁香庙㊁浮山㊁洪山头站水位分别下降0．02m㊁0．07m㊁0．21m㊁0．55m 和0．70m,河道漫滩时间分别减少1d㊁4d㊁9d㊁9d 和17d,河道整体漫滩时间明显缩短㊂(a)洪峰时刻沿程水位线㊀㊀(b)淮河干流漫滩时间图5㊀切滩前后淮河干流沿程水位线与漫滩时间变化Fig.5㊀Variation of water level and floodplain time along the main stream of Huaihe River before and after cutting beach(a)水位差㊀㊀(b)流速差图6㊀切滩前后洪泽湖湖区水位差与流速差Fig.6㊀Water level difference and velocity difference of Hongze Lake before and after cuttingbeach(a)水位㊀㊀(b)流速图7㊀切滩前后三河闸站水位与流速变化Fig.7㊀Variation of water level and velocity at Sanhezha station before and after cutting beach图6为三河闸站水位最高时刻(7月13日)洪泽湖水位与流速变化,切滩后,湖区水位较切滩前整体升高0~0．08m,入湖河道水位较切滩前下降0~0．07m;切滩后,入湖河道与湖区流速明显增大㊂从二维模型水位变化来看,切滩后湖区水位整体上升,河道水位下降,有效减轻了河道的洪涝灾害;从流速变化来看,二维模型流速整体增大,洪水下泄速度加快㊂由于三河闸站是洪泽湖重要的水位控制站,对其进行水位变化与流速变化(图7)的单独分析㊂从㊃63㊃全洪水过程来看,切滩前后三河闸站水位变化趋势一致,时间上也基本吻合,这是由于只对洪泽湖入湖河道进行了切滩处理,使得洪水在入湖河道下泄顺畅,并不影响洪水在淮河干流的演进,对整体洪水过程影响较小㊂在开始时刻,因为洪水入湖需要时间,切滩前后三河闸站水位均处于下降状态,但由于入湖较为顺畅,洪水流量较大,切滩后三河闸站水位的下降幅度小于切滩前㊂随着入湖流量的增大,切滩前后三河闸站水位均在不断上升,切滩后的水位始终高于切滩前,两者在7月13日同时达到最大值,切滩前三河闸站水位最高值为13．26m,此时洪泽湖对应的下泄流量为7500m 3/s;切滩后水位最高值为13．33m,相比切滩前升高0．07m,此时洪泽湖对应的下泄流量为8300m 3/s,较切滩前增大800m 3/s,行洪能力提高11%㊂随着入湖流量的降低,三河闸站水位开始降低,在8月5日后,由于入湖流量较小,切滩前入湖河道的行洪能力已满足过水需求,切滩前后的水位趋于一致㊂切滩后三河闸站的流速整体增大,增加值在0．03~0．48m 3/s 之间,这说明洪水下泄速度加快,洪泽湖的行洪能力有所提升㊂洪泽湖切滩前后日均下泄流量的变化如图8所示,总体过程与水位相似,与入湖流量变化呈正相关关系,不同点在于7月7 16日由于切滩后湖区水位升高至13．30m 以上,二河闸开闸泄流,洪泽湖下泄流量增大较为明显㊂图8㊀切滩前后洪泽湖日均下泄流量Fig.8㊀Average daily discharge volume of HongzeLake before and after cutting beach图5~8的模拟结果表明,随着河道与湖区距离的增加,河道水位对切滩工程的敏感度逐渐降低,蚌埠站水位下降仅0．02m,洪峰时刻淮河干流主要水文站水位高于平滩水位,在发生中小洪水时仍有漫滩风险,这可能与淮河干流浮山至洪山头河段河道狭窄㊁坡降为负有关㊂但对洪泽湖入湖河道的部分滩地进行切滩,可在流域发生中小洪水时有效降低淮河干流水位,减少河道漫滩时间,增强洪泽湖泄流能力㊂因此,将洪泽湖入湖河道的切滩工程与浮山至洪山头河段的河道疏浚相结合对淮河中下游洪涝灾害的治理至关重要㊂5㊀结㊀论a.基于Mike Flood 软件,将一维模型Mike11和二维模型Mike21耦合,建立淮河中下游蚌埠至洪泽湖出湖口三河闸段一二维耦合模型,选取2015年与2017年实测洪水过程对模型进行了率定与验证,模拟结果较为精确,模型适用性好㊂选用2012年5年一遇洪水过程对洪泽湖行洪过程进行模拟,模拟结果显示,淮河干流的水位普遍较高,随着河道断面与蚌埠闸距离的增加,漫滩时间逐渐加长,此时洪泽湖水位较低,泄流能力差,在应对中小洪水时存在泄流能力不足的情况㊂b.为增强洪泽湖的泄流能力,减少淮河中下游漫滩时间,减轻沿淮洼地的排涝困难,对洪泽湖入湖河道腰东滩㊁中港滩㊁附淮滩㊁新滩分别切滩至9m㊁9m㊁10m 和10m,运用耦合模型重新对2012年洪水过程进行切滩后的行洪分析㊂结果表明,切滩后洪峰时刻淮河干流各水文站的水位明显下降,越靠近湖区下降的幅度越大,沿程漫滩时间显著减少;洪泽湖水位明显升高,湖泊下泄能力增强;二维模型区域流速整体加快,洪水下泄通畅㊂c.随着河道与湖区距离的增加,河道水位对切滩工程的敏感度逐渐降低,切滩后淮河干流主要水文站洪峰时刻水位仍高于平滩水位,淮河干流在流域发生中小洪水时仍有漫滩风险㊂因此,为进一步减轻淮河中下游的洪涝灾害,需要将洪泽湖入湖河道的切滩工程与浮山至洪山头河段的河道疏浚相结合㊂参考文献:[1]李晓英,吴淑君,王颖,等.淮河流域陆地水储量与干旱指标分析[J].水资源保护,2020,36(6):80-85.(LI Xiaoying,WU Shujun,WANG Ying,et al.Analysis of terrestrial water storage and drought indices in the HuaiheRiver Basin [J ].Water Resources Protection,2020,36(6):80-85.(in Chinese))[2]薛联青,沈海岑,张敏,等.洪泽湖换水能力的时空分布特征[J].水资源保护,2022,38(4):13-20.(XUE Lianqing,SHEN Haicen,ZHANG Min,et al.Spatial and temporal distribution characteristics of water exchange capacity in Hongze Lake[J].Water Resources Protection,2022,38(4):13-20.(in Chinese))[3]张瑞娟.1931年江淮流域水灾及其救济研究[D].南京:南京师范大学,2006.[4]郭庆超,关见朝,韩其为,等.冯铁营引河对淮河干流洪㊃73㊃水位及河床演变影响的研究[J].泥沙研究,2018,43(6):1-7.(GUO Qingchao,GUAN Jianzhao,HAN Qiwei,et al.Effect of Fengtieying diversion channel on flood level and riverbed processes of Huaihe River[J].Journal of Sediment Research,2018,43(6):1-7.(in Chinese)) [5]李致家,梁世强,霍文博,等.淮河上中游复杂流域洪水预报[J].河海大学学报(自然科学版),2019,47(1): 1-6.(LI Zhijia,LIANG Shiqiang,HUO Wenbo,et al.Study on the flood forecasting in complex basins of upper and middle reaches of Huaihe River[J].Journal of Hohai University(Natural Sciences),2019,47(1):1-6.(in Chinese))[6]李志伟,丁凌峰,唐洪武,等.淮河干流污染物分布及变化规律[J].河海大学学报(自然科学版),2020,48(1):29-38.(LI Zhiwei,DING Lingfeng,TANG Hongwu,et al.Distribution and variation of pollutants in main stream of Huaihe River[J].Journal of Hohai University (Natural Sciences),2020,48(1):29-38.(in Chinese)) [7]邓恒.洪泽湖与淮河河湖关系及其调蓄能力研究[D].天津:天津大学,2018.[8]彭兆亮,汪院生,胡维平,等.洪泽湖风生流对风场和水位变化响应特征[J].湖泊科学,2021,33(6):1925-1939.(PENG Zhaoliang,WANG Yuansheng,HU Weiping, et al.Responses of wind-driven circulation to wind field and water level variations in Lake Hongze[J].Journal of Lake Sciences,2021,33(6):1925-1939.(in Chinese)) [9]李波,濮培民.淮河流域及洪泽湖水质的演变趋势分析[J].长江流域资源与环境,2003(1):67-73.(LI Bo,PU Peimin.Study on the 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【国家自然科学基金】_冲淤特性_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
53 三维湍流模型
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推荐指数 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
科研热词 白石水库 黄河 高光谱遥感 长江中下游 钱塘江河口 透水性混凝土桩 连通性 连续弯道 迁移转化 超静孔隙水压力 资料分析 苏北潮滩 芳烃类污染物 耦合数学模拟 紊流数学模型 潮滩高程 演变 滚坡 淹没边界法 淤积 涌潮 洪水过程 泥沙冲淤格局 泥沙冲淤 泥沙 河道响应调整 河道冲淤 河流动力 河床演变学 河床冲淤 河岸侵蚀 沉降 水质模型 水流运动 水沙变化 有限体积法 数值模拟 数值模型 数值切割单元法 故道 库区 多重时间尺度 复杂边界 复合污染 复合地基 图特河北汊 可冲积坡面 分布 交汇流 下荆江 三峡工程
2011年 科研热词 冲淤特性 长江中游 自流灌溉 环流运动 潮波变形 演变过程 渠道冲淤 洪水效应 河道演变 河床冲刷 沙质河床 沙坡头连续弯道 沙卵石河段 江心洲 水沙特性 水沙条件 水文模型 水库泥沙淤积 水位下降 死库容 有效库容 支流入汇 提水灌溉 成因 引黄灌区 崩岸 射阳河闸 天星洲 声学多普勒流速剖面仪 冲淤调整 冲淤平衡 内蒙河段 伊河 东湾流域 下垫面变化 三峡工程 hec模型 推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
不同对流参数化方案对长江中下游梅雨锋暴雨降水预报的评估
比实况要偏大一倍以上（图３ｂ）。对于Ａ区域来说，模式较好的模拟出了０—２４小时的暴雨过程，其中Ｇｒｅｌｌ方案预报的６ 小时最大降水和实况基本吻合，和前面评分得出的结论一致，Ｋｕｏ方案和ＫＦ方案的模拟结果也和实况比较接近。但这两 个对流参数化方案对起报６小时内的降水几乎没有预报能力，ＫＦ方案预报结果略偏小，这可能和模拟中选用的网格距有 关系，ＫＦ方案主要是为网格距２０ｋｍ左右的模式设计的，其对流假设是对流的质量调整需在一个格体中完成．３０ｋｉｎ的网 格就得对流难以启动和发展，因此以后还需要调整网格距对该方案做一定的试验。另外预报的而雨量最大值出现的口寸问要 比实况滞后６—１２小时，随若预报时效的延长，预报和实况问的时间位相差也在加大。暴雨落区Ｂ位于安徽黄山附近，该 地出现强降水和地形的辐合上升运动有很大关系，从图３ｂ、３ｄ可看出，ＭＭ５模式对有地形作用的暴雨区预报能力较差。 模式输出的６小时最大降水量要比实况大的多，但ＢＭ、ＫＦ及Ｇｒｅｌｌ对流参数化方案对该地面雨量的预报还是有一定参考 价值的，此外和Ａ区域相似，模式预报的暴雨出现时间要比实况滞后。
慑．比较宴况和模拟±＾果，“此评估ＭＭ５横式中不同参数化方＃对城大降 水盈的预报能力．同时计算Ⅸ城内所有站点的平均降水磕作为鬃ｌ｝】落Ｋ∞
两雨母位。
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罔３分＊４为Ａ区域耕Ｂ鹾域６小时艟大降水盈利器雨中。晰雨罱的时同演变罔。罔３表明：口种＂流参数化方案都不
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参数化方案，若妞时问内将山现毋缎小的降水．可ＨⅢＫＦ或ＢＭ方寨．当ｉｆ能ｍ现２５ｒａｍ“＾的障木时，改用Ｋｍ方案 进行模式计算，如果判断降水将出现在Ｍ小时Ｕ后．则束用Ｇ ｒｅｌｌ方案较§“另外ＢＳ评分认为雠式ｄ度预报“ｎ 模式庄用ｆ长江中下游梅ｍ讳碰报时，ｍ可在造一方而做适当改进。 ５对暴雨区预报的比较
长江中下游江湖关系演变趋势数值模拟_施勇
长江中下游江湖关系演变趋势数值模拟施 勇,栾震宇,陈炼钢,金 秋(南京水利科学研究院,江苏南京 210029)摘要:以长江中下游防洪系统为对象,概述了在大型复杂防洪系统洪水行为数值模拟基础上,成功地将长江中下游洪水演进数学模型转化为面向长江防洪系统防洪规划方案评估需求的长江中下游江湖水沙演变的数学模型。
为适应防洪规划方案论证涉及江湖水沙相互制衡相互关联客观情况,建立了面向江湖水沙关系及其演变的数学模型。
针对长江中下游江湖水沙运动特点,在水沙数值模拟的范围内侧重对下荆江河道冲刷、荆江三口分流分沙模式、洞庭湖泥沙淤积、江湖耦合等环节进行了讨论,提出了合理可行的数值处理方法。
模拟结果较好反映了江湖水沙演变规律,主要成果已应用于长江中下游防洪规划和防汛调度方案中。
关键词:长江中下游;江湖关系;演变趋势;数值模拟;泥沙;防洪系统中图分类号:P33319 文献标志码:A 文章编号:1001-6791(2010)06-0832-08收稿日期:2009-10-16基金项目:/十一五0国家科技支撑计划资助项目(2006B A B05B04);公益性行业科研专项经费资助项目(200801008;2007Shz02(1-9))作者简介:施 勇(1964-),男,江苏南通人,教授级高级工程师,主要从事水力学及河流动力学研究。
E -ma i:l m rshiyong @2631net长江中下游江湖关系的内涵是:荆江三口分流分沙变化、下荆江河道的河床冲淤变化、洞庭湖泥沙淤积和城汉河道的冲淤变化,构成了一个江湖分合相互影响相互制衡的复杂关系。
下荆江河道的冲淤变化影响荆江三口分流分沙,进而影响洞庭湖区泥沙淤积。
另一方面下荆江加大泄流泄沙抬高了城汉河段水位,反过来顶托洞庭湖水位,进而又影响三口进流进沙过程。
上述4个环节构成了江湖关系演变数值模拟的核心内容。
构建面向江湖关系演变数学模型的关键在于:模型结构具备能够反映上述江湖关系变化的回路结构;模型算法能够精确模拟上述4个环节的演变规律及其相互影响的过程。
新安江模型在资料匮乏的长江中下游山区中小流域洪水预报应用
ke SC)湖泊科学)，2021,33(2)：581-594DOI10.18307/2021.0223©2021by Jofnal of Lake Sciences新安江模型在资料匮乏的长江中下游山区中小流域洪水预报应用**龚f夫1**，陈红兵2,朱芳2,李永凯2,崔明2,李致家1(1:河海大学水文水资源学院#南京210098)(2：宜昌市水文水资源勘测局，宜昌443000)摘要：水文资料匮乏流域的洪水预报(PUBs)是水文科学与工程中一个尚未解决的重大挑战.中国湿润山区中小流域大多是水文资料匮乏的流域，在此地区进行洪水预报的重要手段之一就是水文模型参数的估计•对基于参数物理意义的估算方法(以下简称物理估算法)及两种区域化方法进行了研究，将其用于新安江模型参数的估算及移植•皖南山区的29个中小流域被选作水文资料丰富的测量流域，鄂西山区的3个中小流域被视为水文资料匮乏的目标流域#目的是研究目标流域与测量流域空间位置较远但物理条件相似时，区域化等方法是否可以有效估计模型参数.结果表明，即使目标流域与测量流域空间距离较远，区域化及物理估算法也能一定程度上减少参数估计导致的模型效率损失，且在研究区的最优参数估计方案为单流域物理相似法结合回归法及物理估算法.为长江中下游资料匮乏的山区中小流域提出了可行的新安江模型参数估计方案，为该地区的洪水预报提供指导•关键词：长江中下游;山区中小流域&无资料;新安江模型;参数估计;区域化Applicahon of Xio'njiong Modei io the flow pradiction of ungauged smal i-and mediumsized catchments io the middle and lower raaches of the Yangtze River Basio*Gong Junfu1**,Chen Hongbing2,Zhu Fang2,Li Yongkai2,Cui Ming2&Li Zhijia1(1:College of Hydrologd and Water Resources#Hohai University#Nanjing210098#P.R.China)(2：Hydrologd and Water Resources Surved Bureru of YicCang#YicCang443000#P.R.Rhina)Abstrach:FU w prediction in ungauged basins(PUB)J as impoUant as it J ddicult.PUB J a major unsolved chW U nge in scientific and engineeJng hydrology.So far,empiwcal and stochastic methods have mainly been used for PJ pujose.Many smal l catchments in humid mountainous areas of Chine are with little os no hydrological data.The principal method of Jood forecasting in this area is the parameter estimation of the hydrological model.Xin'anjiang Model was used to predict Jow in this study,and Xin'anjiang Model parameters were estimated based on tUe physical meaning of Pem and regionabzationi Regression and physical similaJty approach were included in regionalization metUods in this study.The29small basins in mountainous areas in southern Anhui Province were selected for gauged catchments,and three small basins in mountainous regions in westem Hubei Province were treated as ungauged catchments.The main goal of this approach was to research whePes regionalization and oPes methods couad e o e ctoeeayestomatemodeapaameteswhen thespatoaaaocatoon oothegauged catchmentsand theungauged catchmentsweCe far away,but the physical conditions were similes.It is shown that:(1)Xin'anjiang Model has high accuracy in Jow prediction of study areas•(2)Even J the space distance of gauged catchments and ungauged catchments J far,regionalization and physicalbased estimation method can also reduce the e/iJency loss caused by parameter es/mabon to some extent.(3)WiP the increase in the number of donor catchments,the etiJency of the physical similaJty approach J reduced.(4)The optimal parameter estimation scheme in the study area is Pe ingenious combination of physical similaJty approach(only one donor catchment),regression approach and physical-based estimation method.A feasible parameter estimation scheme of the Xin'anjiang Model J proposed in this study,which provides guidance for Jow forecasting in smal l ungauged catchments in humid mounWinous areas among Pe middle and Uwes reaches of the Yangtze RJeSi*2019-10-10收稿&2020-06-23收修改稿•国家自然科学基金项目(51679061)和国家重点研发计划项目(2018YFC1508103)联合资助.**通信作者;E-mail:gon/junfu321@.ke Sd(湖泊科学)，2021,33(2)Keywords：The middle and Uwes reaches of the Yangtze Rives；smal l and medium catchmenb in the mountainous area;ungauged；Xin'anjiang Model¶meter estimation®ionalization可靠的洪水预报是防洪决策中的重要依据［1］，是减少甚至避免洪水破坏的第一道防线.在水文学研究及实际工程应用中,相较于水文资料充足的地区，更常见且更有挑战性的是对资料匮乏流域进行洪水预报.国际水文学会（IAHS）曾在20世纪初提出了水文资料匮乏流域的洪水预报（PUBs）10年计划［2］,期间涌现了大量研究成果+ 3A,-资料匮乏流域的洪水预报研究一般被概括为以下两部分［6］:（1）直接针对径流或径流指标进行区域化；！2）针对水文模型参数进行区域化.两者都是基于回归方法或目标流域与测量流域之间的某种距离度量.首先，简单的回归模型显示出较高的应用价值，如Maz/weei等在非洲52个流域建立了径流指标与流域属性的多元线性回归模型，以期通过年平均降雨、流域平均坡度、河网密度和土地覆盖等流域属性估计无资料流域的年平均径流量、基流指数、历时曲线和月平均径流量等径流指标.Marsh—等⑷基于英国土壤类型水文计划（HOST）的土壤数据，使用了一个简单的回归方法较精确地预测了未测量流域的基流指数等径流指标.也有部分研究基于更复杂的回归模型，如Laahe等［10-11］揭示了根据区域特点定制回归模型而不是使用全局模型的好处，其研究表明基于按季节性分组的流域回归模型提供了鲁棒性更强的区域化结果.同样地,地质统计学方法也被用于估计资料匮乏流域的水文变量，比如Sk~ien等阳提出了拓扑克里金法，可以用于解释水动力及地貌特征的空间离散性，该方法避免了输入数据的误差和参数可识别性问题.部分研究［13］认为该方法提供了比回归模型更稳健的估计.另一方面，研究者们越来越认识到，流域空间上的接近不一定导致流域产流模式的相似［14］，当使用更具有水文学意义上的距离量度时，基于距离的方法的估计效果会显著提高［15］-如Mew等［16］将拓扑克里金法与流域特征相结合，提高了该方法的预测性能. Domes等®认为只要保证流域之间的水文相似性，水文模型的参数甚至可以传递数千千米.时至今日，资料匮乏地区的水文预报获得了长足进步，但仍有大量难题无法解决［18］-我国有防洪任务的重点中小河流（汇流面积小于3000km2）有5186条问.近年来，受气候变化影响，由局地强降水造成的中小河流突发性洪水频繁发生，已成为造成人员伤亡的主要灾种.据统计,我国中小流域涝灾害和山洪地质灾害损失约占全国洪涝灾害经济损失的70%~80%，对人民群众的生命财产安全构成了严重的威胁［20］-由于大部分中小河流源短流急，洪水具有历时短、上涨快的特点，加之水文资料短缺，传统的预报方案通常难以对这些地区的洪水做出有效的预报［21］-区域化方法是解决此问题的思路之一，目前针对无资料中小流域的区域化研究较少,姚成等［22］使用区域化方法（空间临近法和回归法）将API模型和新安江模型应用于大别山区及皖南山区的29个中小流域，得到了较高的预报精度.但是在现有的区域化研究中，测量流域与目标流域大多空间分布均匀且空间距离较近.在这些地区,基于空间距离的区域化方法（以下称为空间临近法）由于操作简单且所需资料少而多被使用.同时，基于水文属性距离的区域化方法（以下称为物理相似法）和回归方法也被用来提高预测性能.在自然条件与历史因素的限制下［23］，设立在我国湿润山区中小流域的水文测站分布稀疏,可能导致某一具体区域内的测量流域数量较少.是否可以通过其他资料充足但相隔较远地区的测量流域作为参证流域进行参数估计？为了回答此问题,本研究关注于目标流域与测量流域空间位置较远时,区域化方法是否可以有效估计参数.此时，测量流域与目标流域之间显著的空间差异导致空间临近法无法使用，物理相似法及回归方法是否适用，需要接下来进一步的研究.本研究将皖南山区与鄂西山区分别作为已观测区及未观测区，选用新安江模型进行洪水模拟，并验证区域化方法（物理相似法及回归法）在研究区的适用性-正如PUetc等［24］所言，单独使用参数区域化有诸多弊端，本研究基于新安江模型参数的物理意义先估算出部分参数，剩余参数使用区域化方法（物理相似法及回归法）估计,并比较不同参数估计方案的效果，提出在研究区内最为适用的参数估计方案，为长江中下游资料匮乏的山区中小流域水预供参.1研究区概况及资料来源研究区域为长江中下游地区的32个山区中小流域,其中位于皖南山区的29个流域为有观测资料的测量流域，鄂西山区的3个流域被视为资料匮乏的目标流域，研究区域见图1.各流域面积均不超过1000km2,龚f夫等：新安江模型在资料匮乏的长江中下游山区中小流域洪水预报应用583均为自然闭合流域，受水工建筑物的影响较小，流域平均海拔多在400-1000m,其中雾渡河流域平均海拔最高，为1109mi各流域年平均降水量均在1200-1500m叫年平均蒸发量均在600-800m叫年平均气温14-1601研究流域大多地势，密集，平均坡度大在10-30°,密度大多在00~10km/km2.研究区内型和黏土为主，饱和渗透系数大多在3~12mm/h.土地利用（LUCC）以林地为主，大流域林地面积占比70%以上，甚至达到100%i研究区内植被类型为主，大为常绿针叶林、常阔叶林及灌木i图1研究区地理位置FigO Locations of the research catchments降雨、径流及蒸发资料来自当地水文局，时间步长均为1hi29个测量流域均具有至少30年的观测资料.3个目标流域中，有20082017间共11场观水，有20162018年间共5场观水，下仅有2016共2场观测洪水.DEM来自中国科学院地理空间数，分辨率为30m，用取流域地形、地貌属性;土地利用数据来自中国科学院遥感的2010年LUCC图，分辨率为1km，用取流域土地利用属性；数自于HWSD（世界数）的型图，分辨率为1km，用取流域土属.2研究的研究思路大致如下：在量流域进行新安型的校准，得到量流域的新安型校参数集.然流域物理属性的筛选，筛的流域物理属，运用区域化（回归法、物理相似法），将量流域的校准参数转移至目标流域.与此同时，使用参数物理意义的（以下简称物理），参数•最后，将理与区域化结合，针目标流域的参数案，并不同参数案的效果，得到在研究区内最为适用的参数案•本研究的线图图％22新安江模型及物理估算法2.1.1新安江模型新安江模型是赵人俊+25］于1984年前后提岀的概念性模型,在我国湿润及半湿润地区具有较高的预报精度，已到广泛应用+ 26气巴该模型共有16参数,各参数物理意［29］，其中不敏感ke SO.(湖泊科学)，2021,33(2)参数10个(WM、WUM、WLM、B、C、CP、EX、CC、KE、XE$，敏感参数7个(KC、SM、KI(KG)、CG、CS、L)-根据赵人俊等[3°]提岀的客观优选法，不敏感参数不参与率定，直接赋予固定值•敏感参数的率定使用人工优选结合SCE-NA算法[31],这样既可以快速稳定的优选参数，又能有效避免自动优选参数可能不合理的问题•选用洪峰相对误差、峰现时间误差,纳什效率系数(NSE)对参数率定结果进行评价.依据《水文情报预报规范》两，洪峰相对误差在20%以内，峰现时间误差在3h以内为合格-在目标流域，不敏感参数同样直接赋予固定值，敏感参数需要进行估计.在敏感参数中K与KG满足线性约束，只需估计K即可,因此本研究在目标流域需要估计的参数为6个，见表1-在新安江模型的待估计参数中，壤中流岀流系数K和河网水消退系数CS可以基于参数的物理意义进行估算(物理估算法)-表1目标流域待估计参数Tab.1Estimated parameters of ungauged basins参数参数意义参数取值范围KC蒸散发折算系数一般小于1SM自由水容量一般为10〜50mm,在土层较厚、透水性强的流域可取50mm或更大K/壤中流出流系数0〜06之间CG地下水消退系数0〜1之间CS水流系数0〜1之间L河网汇流滞时大于等于0,在山区中小流域一般小于10h276壤中流与地下水出流系数KC与KG土壤质地可以用来推断土壤的性质，进而估算自由蓄水量对壤中流及地下水的岀流系数(新安江模型中的K与KG).K和KG之和决定了自由水的排水速率，赵人俊等认为KI+KG的值可固定为0.5&KI/KG决定了壤中流与地下水岀流的比例，姚成等⑶〕在GXM模型中提岀了针对栅格的K/KG估计公式，将其修改成适用于新安江模型的形式：KC KG=0"K/=1+2(1_九)(1)KG表2不同质地土壤凋萎含水量Tab.2Wilting moisture content of various soil textures 土壤质地/p土壤质地&呷砂土0.04砂质黏壤土0.16壤砂土0.05粉质黏壤土0.24砂0.09黏0.21粉壤土0.15砂质黏0.21粉土0.11粉黏0.28壤土0.14黏0.28式中，m c为自由水岀流校正系数，根据前人的研究成果a35〕，在湿润流域m c可取为1;/为土壤凋萎含水量，以体积含水量表示，可根据土壤质地取值#见表2[36]-2.1.3河网水消退系数CS李致家等⑶〕针对二叉树结构河网，对河链进行编号，链接河源的河链编号记为厂=1，下游河链的编号等于该条河链的上游总链数+1•并根据矩形河道线性蓄泄关系(式！2))#引入一个无量纲时间i+：vQ(ftt=/(ft(2)式中，Q(ft为河链厂的岀流量,”3/s；W(ft)为河链厂的蓄量,m3&v为平均河道流速，”/s；L为平均河链长，”i在资料匮乏地区一般没有实测流速资料，可以使用经验公式估算.RodOguez-tturbe等+38〕基于运动波理论提岀如下流速公式：v=0.665-弓(p/A)(4)龚f夫等：新安江模型在资料匮乏的长江中下游山区中小流域洪水预报应用585tU—2\J丿o.D式中，P为次洪的平均雨强,c m/h；2为流域面积,km2;D为平均河宽,m；S。
长江中下游江湖关系恢复研究
ＣＮ５３－１２０５／Ｘ ＩＳＳＮ１６７３－９６５５
长江中下游江湖关系恢复研究
吴 波，赵 强，马方凯 （长江勘测规划设计研究院，湖北 武汉 ４３００１０）
摘 要：长江中下游湖泊阻隔改变了江湖关系，使江湖复合生态系统的生境连通性和完整性受损，引发 了一系列水生态环境问题。三峡工程的建成以及 “长江大保护”战略的提出为重构江湖关系提供了条件。但 是针对江湖关系的研究薄弱，成果分散，难以为江湖连通工程的实施提供有效支撑。本文从江湖关系、江湖 阻隔、江湖连通三个方面阐述了长江和周边湖泊的互动过程及意义、湖泊阻隔对水生态环境的负面影响以及 实施江湖连通工程的方式、存在的问题和对策，并结合涨渡湖实施的 “灌江纳苗”工程详细介绍了江湖连通 工程的建设及运行过程，以期为深入认识江湖关系变化效应，实现江湖两利的目标提供参考。
目前已有一些学者针对江湖连通对湖泊水生态 环境的改善作用做了相关研究，如杨卫等人以构建 二维水动力水质模型的方式研究了河湖连通工程对 汤逊湖湖群水环境的影响，结果表明河湖连通工程 能在短时 间 内 改 善 湖 泊 水 质［５］； 陈 书 琴 等 人 对 破 罡湖通江前后湖滨带水生植物进行了研究，结果表 明江湖连通一年后该湖平均生物量更为接近同类湖 泊最佳保有生物量，且优化了其植物物种群落［６］； 严江涌等人对武汉市大东湖水网连通工程的研究结 果表明江湖水体连通后大东湖水系各湖 ＣＯＤ、ＴＮ、 ＴＰ不同程度得到改善，为恢复水生生物多样性提
湖泊通江时水位变化与长江干流紧密相关，形 成并保持 “洪 水 一 片，枯 水 一 线” 的 自 然 景 观。 江湖阻隔后，湖泊水位因人为控制趋于稳定，有的 甚至以水库模式调控为主，在冬季保持高水位［３］。 江湖阻隔也使得湖泊调蓄洪水的能力下降，既难以 在汛期调蓄干流洪水，又易造成湖区内涝，防洪排 涝成本增加［１７－１８］。 １２２ 江湖阻隔对水质的影响
【江苏省自然科学基金】_线性回归_期刊发文热词逐年推荐_20140816
正交试验 模糊理论 模型参考 棱镜高 极大似然估计 极值分布 杭嘉湖地区 最小二乘 最大后验估计 数理统计 数据流 数值模拟 数值分析 性能评价 循环荷载 径向基统计网络 张力控制 异方差 广义逆 年雨量 小波去噪 定量结构-性质相关性 定量结构-性质相关 多氯二苯硫醚 多壁碳纳米管(mwnts) 多元线性回归(mlr) 在线检测开发系统 因果关系检验 回归模型 回归信度模型 回归估计 可持续发展 变化趋势 受弯承载力 原子类型ai指数 单根检验 协同效应 功效模拟 剪切 分子连接性指数 分子电性距离矢量 冠状动脉粥样硬化性心脏病 内皮微粒 内皮凋亡 光学参数 偏最小二乘回归 仪器高 井下三角高程测量 临界动应变 临界动应力 两电机系统 γ 辐射 weibull线性回归模型 t检验
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
推荐指数 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
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基于WRF模式的暴雨天气过程的数值模拟及诊断分析
基于WRF模式的暴雨天气过程的数值模拟及诊断分析袁成松;王秋云;包云轩;严明良【摘要】A heavy rainstorm occurring in the southern part of Jiangsu Province including Shanghai-Nanjing Expressway on September 17th,2009 is simulated by using WRF2.2（Weather Research and Forecasting Model for version 2.2） and NCEP（National Center of Environment Predicting）reanalyzed meteorological data with 1°×1° grid.The verification of the observed data from the Automatic Weather Monitoring System on the Shanghai-Nanjing Expressway displays that the results of the simulation on the rainstorm process are satisfactory and the simulations coincide with the observed values.Diagnoses are made based on the output data from the model.The results are shown as follows：（1）The development and movement of a meso-β-scale low vortex in the middle and lower reaches of the Yangtze River play an important role in the enhancement and maintenance of the rainfall in the process;（2）The moisture convergence zone below 500 hPa is significant and it provides important vapor conditions for the unstable growth of convection and the maintaining of rainstorm by the forming of the deep and humid environment in the rainfall area;（3）There is strong vertical motion in the rainfall area and the vertical structure configuration of the vorticity field is consistent with that of the divergence field.As a result,the unstable energy in the atmosphere release and the strong convective weather forms;（4）The atmospheric stratification is neutral in the middle and upper of troposphere butpotential instable in the lower atmosphere.So there is convection development in the whole layer of the atmosphere,which is conducive to the formation of the rainstorm.%利用新一代中尺度数值预报模式WRF2.2和1°×1°的NCEP气象再分析资料,对2009年9月17日发生在江苏南部地区覆盖沪宁高速公路的一次大暴雨天气过程进行了数值模拟。
【国家自然科学基金】_河势变化_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140801
推荐指数 3 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
科研热词 推荐指数 长江口 3 河道演变 2 河床演变 2 水沙变化 2 阻水比 1 长江口深水航道治理工程 1 铜陵河段 1 输沙量 1 蓄水运用 1 蓄水后 1 疏浚 1 潮流数值模拟 1 潮汐 1 演变趋势 1 演变规律 1 深水航道 1 流态 1 河道 1 河床表面分形维数 1 河床形态 1 河床冲刷 1 河势稳定 1 河势变化 1 河势 1 汉江河口段 1 水流 1 水库淤积 1 斜交桥梁 1 整治工程 1 局部冲刷 1 大通 1 壅水 1 分流比 1 三峡水库 1 三峡工程 1 12.5m航槽 1
推荐指数 4 3 3 3 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2014年 序号 1 2 3 4 5 6
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2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
科研热词 长江口 采砂量 遥感测深 自由发展河弯 游荡性河道整治 河弯流路方程 河床冲刷 南支河段 冲淤演变 上游建库 三峡工程
长江中下游防洪形势变化历程分析
２ 三峡工程建成前后长江中下游江 湖关系变化分析
２．１ 长江中下游干流和两湖冲淤变化 ２．１．１ 长江中下游干流河道冲淤变化
依据 相 关 分 析 成 果［４］，１９６６—１９９８年 宜 昌—湖
口 段 平 滩 河 槽 淤 积 量 为３．５６亿 ｍ３，年 均 淤 积 量 为 ０．１１亿 ｍ３。１９９８—２００２年，宜 昌—湖 口 河 段 总 体 表 现为冲刷，冲刷量５．４７亿 ｍ３，年均冲刷量达１．５６亿 ｍ３。 三峡水库蓄水运用后，２００２—２０１６年，宜昌至湖口河 段平 滩 河 槽 总 冲 刷 量 为 ２０．９４亿 ｍ３，年 均 冲 刷 量 １．４５亿 ｍ３。 ２．１．２ 两湖（洞庭湖、鄱阳湖）冲淤变化 ２．１．２．１ 洞庭湖
第 ３５卷 第 ６期 ２０１８年 ６月
长 江 科 学 院 院 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｄｏｉ：１０．１１９８８／ｃｋｙｙｂ．２０１８０２９８
Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２ ０ １ ８
２０１８，３５（６）：１－５，１８
收稿日期：２０１８－０３－２６；修回日期：２０１８－０５－１４ 作者简介：宁 磊（１９６９－），女，江西乐平人，教授级高级工程师，博士，主要从事防洪规划、洪水调度研究。Ｅｍａｉｌ：１１２３４４９６３８＠ｑｑ．ｃｏｍ
长江中下游暴雨短期集合预报试验(论文)
1、引言我国是世界上多暴雨的国家之一，暴雨对我国经济社会开展和人民生命财产构成了严重危害，民政部数据显示，仅2021年上半年我国就因暴雨导致直接经济损失高达2100多亿元。
而长江流域地区又是我国夏季暴雨灾害频发的地区，针对长江流域的夏季暴雨预报和预警一直是一个科学工作者长期探究的科学难题，很多气象工作者对它的发生开展机理、数值模拟等开展做了很多研究，获得了一些进展，如guo 等通过对1998年长江流域洪水与海温关系的研究得出长江流域洪水和印度洋海温异常有严密关系，周广强等通过对长江暴雨过程中的云滴谱和地面降水的关系，得出云滴谱的不确定性对长江流域暴雨有重要影响，李跃清通过对青藏高原东侧边界层风场与1998年长江暴雨洪水的研究，认为青藏高原东侧边界层风场和长江暴雨有严密关系。
但是暴雨过程本身是一个非常复杂的过程，目前仍有很多未解决的问题。
当前对暴雨预报主要采用数值预报的输出产品，但是由于暴雨的发生开展机理还有很多未解决的问题，数值预报中的物理参数化方案只是暴雨发生开展各物理过程的一种近似，在实际天气预报中会发现采用不同的参数化方案对暴雨的预报会出现较大差异，王晨稀曾用MM5形式里的4个对流参数化方案对非汛期22个降水个例进展48小时预报试验，结果说明各方案之间存在较大差异，并没有那一种方案预报效果是最优的。
同时长江流域特殊地形的影响，长江流域暴雨发生开展的物理过程更为复杂，更易出现暴雨预报的不确定性，因此就需要我们综合考虑各参数化方案的影响。
集合预报就是为解决不确定性问题提出的，所以本文针对物理过程的不确定性，通过中尺度形式中不同物理过程参数化方案来构造物理过程集合预报，检验物理过程集合预报对长江流域这类地形较复杂物理过程较复杂地区的暴雨预报的效果，为该地区的暴雨预报及预警提供参考。
2、天气过程简介2007年5月30日到6月3日，在冷暖空气和西南低涡切变的影响下我国长江中下游地区发生了一次强烈的暴雨天气过程，5月31日至6月1日，受锋面气旋云系及其尾部对流云团的影响，长江中下游地区普降大到暴雨，重庆北部地区6小时降水量到达60mm，安徽安庆市31日晚到6月1日8时市区降水量达163mm，江西出现了当年入夏以来的最强降水其中靖安、新建等8个县市出现了暴雨，安义、修水、奉新、武宁、永修等5个县市出现了大暴雨，湖南也出现大范围的24小时降水量超过降水超过100mm的地区。
偏桥水电站水工模型实验及泄洪闸泄流三维数值模拟
偏桥水电站水工模型实验及泄洪闸泄流三维数值模拟摘要每每在进行水电工程施工时，就不可避免地会遇到泄水建筑物过流能力等突出问题。
而以往，我们解决此类问题最好的办法就是做一下物理模型实验。
新世纪的科学技术不断取得迅速发展，同时在计算机的技术上也有不同程度的改进。
而在知识经济时代与科学飞速发展的进程中，计算流体动力学在学术界有了较大的发展，这都使得我们可以用数值模拟方法来求解诸如水工建筑物泄流问题。
经过数值模拟以后，工程技术人员就能够获得水利水电工程施工中的很大信息，有利地开展工作，使这一类问题能够妥善地解决，同时降低人，财，物的消耗。
而随着时代的发展，数学和物理模型的联系越来越紧密，这为最终彻底解决水利工程泄流问题，提供了新途径。
在本文中，笔者主要是以九龙河偏桥水电站工程为具体的研究实例，在FLUENT软件的帮助下，进行了数值模拟区域的构建工作，同时还使用了非结构化网格，隐式算法，对该水电站的泄洪闸的水流流场按定常流动做了三维数值模拟。
通过研究，我们发现泄洪闸的泄流能力、水面线等计算结果与我们所做的实验的结果有高度的一致性。
从这一点，我们可以看出，在工作中使用的模型比较合适，而且具体的实验方法正确，并最终为我们进行实际工程的设计和研究时提供新的发展思路。
关键词：水电站;模型;泄洪闸泄流;数值模拟;第一章绪论1.1研究的背景、目的和意义1.1.1研究的背景我国地大物博，水资源极其丰富，水系较多，河网有较密的分布。
然而，让人感到惋惜的是，在我国，水资源分布极不均匀，主要水资源分布在西南地区，那里的水在全国的水资源总量占比超过4万，而水能资源更是超过了7成。
从我国刚解放到现在21世纪，总共经历了60多年的风雨历程。
而在这一段时期里，我国的水利建设事业取得了可喜的发展成绩，尤其是在水力水电工程建设上。
可以说，从上世纪70年代末的改革开放以来，随着国家对水利水电事业的重视，以及资金的投入，一大批的大型水利工程已经造福于民，如黄河小浪底工程、三峡工程等，同时他们也为在新时期进行水利工程建设的探索开辟了新的发展道路。
浅谈长江中下游实时洪水调度系统开发
前 陆续 开展后续开发 和完善 ， 即实 际建设 和具体实施 。在应用 过程 中不断提高系统 的稳 定性 和成 熟度 ， 最终形 成可 以在防洪 决 策中实际使用 的决策支持系统 。
实 时 洪 水 调 度 系 统 是 一 个 正 在 发 展 、 分 活跃 的 研 究 开 发 十
实 时洪 水调 度 系 统 ， 须 建 立 在 对 防 洪 工 作 内容 以 及 洪 水 必 预 报一 预 案 分析 一 调 度决 策 实 际 流 程 的理 解 上 ， 水 情 预 报 模 雨
施， 如何提 高洪水预报精 度 ， 长预见期 ， 延 为防洪调度提 供决策
支持 ， 特别是实时洪水调度方案完善 、 防汛预案后效评估及其运
的问题 ， 为了掌 握长 江上 下游 、 左右 岸 和各 区域之 间 的互 动 关
系， 充分 利 用 洪 峰 到来 前 和 洪 峰 之 间 河 道 安 全 下 泄 能 力 ， 选 可 优
强调系统模型仿真与信 息查询 相结 合， 人机 交互与智 能相 结合 。尤其注重 复杂 庞大水 系洪 水预 报与 调度仿 真模 型 的开 发， 更加重视防洪决 策过 程的信息需求 分析 。 日益重视图形界面 、 多窗 口技 术 以及信息 的图像 、 三维 Ｇ Ｓ Ｉ 动 画表示和快速查询 ， 地理空 间数据处理技术 ， 配合模型的信 息
开展 了实 时 洪 水 预 报 调 度 系统 、 洪 决 策 支 持 系 统 的 开 发 。 目 防
决， 仍无法适应长江防汛调度决策的需要 。 同时 ， 随着三峡工程的逐步建成 ， 原有的上下游各主要站 之 间的水文相关关系乃至江 湖关系将 发生调整 ， 致使 原来建立 的 历史数据统计关系 以及经验 估计发 生了变化 ， 传统 水文学方 法
三峡工程建成后长江中下游超额洪量数值模拟
三峡工程建成后长江中下游超额洪量数值模拟
朱丽江;要威;柴晓玲;张黎明
【期刊名称】《人民长江》
【年(卷),期】2011(042)003
【摘要】针对三峡工程建成后,长江中下游河道安全泄量与长江洪水峰高量大的矛盾仍然存在的问题,通过数学模型计算,考虑三峡水库采用试验蓄水期优化调度方案,对三峡工程建成后长江中下游遇不同频率洪水的超额洪量进行了分析计算.结果表明,随着三峡工程的投入运行,长江中下游防洪能力有了较大的提高,特别是荆江河段防洪形势有了根本性的改善.但若遇大洪水,仍存在大量的超额洪量需妥善安置.且三峡建库后的清水下泄,将使遇大洪水时的中下游超额洪量时空分布发生变化,因此需进一步加强相应的观测和研究.
【总页数】4页(P13-16)
【作者】朱丽江;要威;柴晓玲;张黎明
【作者单位】长江勘测规划设计研究院,规划处,湖北,武汉,430010;长江勘测规划设计研究院,规划处,湖北,武汉,430010;长江勘测规划设计研究院,规划处,湖北,武汉,430010;长江勘测规划设计研究院,规划处,湖北,武汉,430010
【正文语种】中文
【中图分类】TV122
【相关文献】
1.三峡工程建成后长江中下游干流河道治理对策 [J], 陈肃利;胡春燕;王永忠
2.三峡工程建成后长江中下游防洪形势及对策 [J], 仲志余;宁磊
3.三峡工程建成后长江中下游防洪对策研究 [J], 谭培伦
4.三峡工程建成后再遇'98大洪水长江中下游防洪形势分析 [J], 仲志余;宁磊
5.上游水库调度下长江中下游超额洪量的空间分布 [J], 王小飞;和振之
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数值模拟技术在长江中下游航道整治中的应用
数值模拟技术在长江中下游航道整治中的应用发表时间：2018-06-13T14:53:42.550Z 来源：《基层建设》2018年第10期作者：杨仲军杨会来[导读] 摘要：目前已经对长江中下游航道展开全面整治工作，其中数值模拟技术得到了广泛使用。
长江重庆航道局重庆市 400147 摘要：目前已经对长江中下游航道展开全面整治工作，其中数值模拟技术得到了广泛使用。
应该根据数值模拟技术的相应特点，与工程应用中的实例进行结合，长江中下游航道政治问题十分复杂，应该建立数值模拟和物理模型并使其进行相互补充，而且数值模拟可以做出一些具有探索性的研究和计算，这些研究能够为物理模型试验打下良好的基础，为解决长江中下游航道问题提供相应的技术支持和科学依据。
关键词：数值；模拟；长江中下游；航道；整治长江中下游航道是长江交通运输的主干道，能够为我国地方经济发展起推动作用。
这个地区属于冲积平原，河道水面广阔、洲滩密布，河床具有较强的可动性，碍航河段较多。
自从三峡水利枢纽投入使用后，水库的下游段的水沙运动规律就发生了较大的变化，逐渐出现了水道碍航这种新的特点，为了解决我国长江干道航线的碍航问题，就应该根据国家制定的长江航道规划来对中下游航道问题展开治理。
目前使用最为广泛的就是物理模型实验以及数值模拟技术，这两种方法都有着其优势，并且可以帮助确定工程方案。
本文介绍了数值模拟技术在航道整治中的一些特点，并且根据相关治理工程实例为基础，对整个中下游航道系统进行数值模拟。
一、数值模拟研究的优势将数值模拟研究同物理模型试验进行对比，其优势主要体现在两个方面：第一，数值模拟研究可以在“点”和“面”之间进行随意拓展。
数值模拟不但具有物理模型研究的方法，可以针对某一处工程地点中的一个“点”展开模拟论证，更重要的就是在“面”上，这里的面主要有两种含义，第一种就是平面上的拓展，数值模拟研究可以在一个较大平面上模拟出河段水流和泥沙运动的方向，不但能够满足局部工程方案的论证需求，同时也能够预测工程实施后对上下游水道可能会造成的影响；另一种则体现了其全面性，物理模型研究的范围十分有限，并且不能分析过多的影响因素，而数值模拟技术就可以对影响因素进行全面、综合性分析，例如对取水处、采砂区以及港区布置等外界影响因素进行全面分析和研究，从而保证制定出的航道整治方案能够兼顾各方利益，并且使整治工程顺利展开[1]。
三峡工程运行前后长江中游河段水质变化模拟
三峡工程运行前后长江中游河段水质变化模拟李林娟;邓鹏鑫【摘要】三峡工程运行后在枯水期增加了下泄流量,提高了长江中下游河段枯水期沿程水位与平均流量,改变了中下游河段污染物排放的水动力扩散特性,进而对河道的水质产生了一定的影响.以三峡工程运行前后武汉河段汉口站水位和流量变化为例,分析其在枯水期、汛期和蓄水期3个典型时段的水文情势变化特征,采用数值模拟方法研究河道排污口附近主要污染物指标(COD和NH3-N)的扩散特性和响应变化规律,并进一步总结分析水位和流量变化对长江中下游沿江城市排污口附近水质特征变化的影响.结果表明:三峡工程运行后,由于流量年内分布趋于均匀化,各个不同时期的污染物扩散范围总体呈现减小趋势.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2018(049)022【总页数】6页(P51-56)【关键词】污染物扩散;枯水位;水质模型;长江中下游;三峡工程【作者】李林娟;邓鹏鑫【作者单位】长江水利委员会水文局,湖北武汉430010;长江水利委员会水文局,湖北武汉430010【正文语种】中文【中图分类】TV697长江中下游沿江城镇是我国经济发展的重要组成部分，为满足长江经济带发展的环境需求，对城市排污提出了更高的要求。
水库建设在满足防洪兴利等前提下，对水库下游的水文情势特征也产生了一定的影响[1-2]。
三峡工程运行前后长江中下游河段枯水期水文要素发生了变化[3]，改变了河段的水动力条件和污染物扩散能力，长江中下游的水域纳污能力相应地有所调整和变化。
根据相关学者研究[4-5]，三峡工程运行前后库区的水环境条件变化较为明显，洪林、张细兵等[6-7]早期研究了三峡水库建成后对洞庭湖水文、泥沙和水环境产生的影响，主要表现为径流年内分配更加均匀，受三峡水库调度运用与泥沙冲刷影响，洞庭湖出口水位以下降为主，水质季节性特征发生变化。
河道排污口污染物迁移转化主要受到对流扩散作用的影响，国内外学者研究河流、水库、河口及海湾等不同水体的水质模型，根据不同水体的水动力特征分别采用垂向一维、平面二维或三维的数值模拟方法。
长江中下游湖泊沉积物氮磷形态与释放风险关系_张路
J. Lake Sci.(湖泊科学), 2008, 20(3): 263-270. E-mail: jlakes@©2008 by Journal of Lake Sciences长江中下游湖泊沉积物氮磷形态与释放风险关系*张路, 范成新, 王建军, 陈宇炜, 姜加虎(中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室, 南京 210008)摘 要: 运用聚类分析、主成分分析和相关矩阵的统计分析手段, 对长江中下游湖群共18个湖泊的沉积物氮磷释放风险以及湖泊沉积物、间隙水和上覆水中氮磷形态以及其他相关地球化学参数进行分析. 草型和藻型湖泊的环境差异是造成氮磷释放风险的主要原因. 氮磷释放风险与铁磷、藻类可利用磷、总氮、总磷、上覆水氮磷含量、间隙水氮含量、孔隙度和有机质含量间的关系最为密切. 决定磷酸盐释放风险的主要形态磷是藻类可利用磷和铁磷, 其他形态磷或者含量较低或者不易被转化释放, 对磷酸盐释放风险影响较小. 有机磷含量对磷的释放风险没有直接决定作用, 但它与有机质含量间呈显著正相关.关键词: 沉积物; 氮磷; 营养盐形态; 释放风险; 湖泊Nitrogen and phosphorus forms and release risks of lake sediments from the middle and lower reaches of the Yangtze RiverZHANG Lu, FAN Chengxin, WANG Jianjun, CHEN Yuwei & JIANG Jiahu(State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, P.R.China)Abstract: Cluster analysis, principal component analysis and correlation matrix analysis were used to analysis the nitrogen and phosphorus release risks from sediments in 18 lakes located in the middle and lower reaches of the Yangtze River, as well as the nitrogen and phosphorus forms and related geochemical parameters from sediments, pore waters and overlying waters. The ecological difference of macrophyte and algae dominated lakes was the main reason of the difference of nitrogen and phosphorus release. The release risks were well correlated with the iron-bound phosphorus (FeP), algae available phosphorus (AAP), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) in sediment, the content of nitrogen and phosphorus in overlying and pore waters, porosity and organic matter content of surficial sediment. The AAP and FeP was the main phosphorus forms deciding the phosphorus release risk and other forms were in less effect on it due to the lower contents or lower transformation ability. The sediment organic phosphorus was not directly related to the phosphorus release risks but remarkably positively correlated to organic matter contents in sediment.Keywords: Sediment; nitrogen and phosphorus; nutrients form; release risk; lake沉积物是湖泊及其流域中营养盐及其他污染物的重要归宿和蓄积库. 沉积物中蕴藏的营养盐可以在一定的环境条件下向上覆水体释放. 这种潜在释放能力的大小主要取决于湖泊沉积物及其上覆水体的物理化学和生物特性的改变. 在湖泊底泥营养盐释放风险的研究中, 沉积物的物理和化学的特性(包括其含量和地球化学形态)是影响沉积物中氮磷营养要素迁移、转化以及生态效应的重要参数.长江中下游有许多由长江洪泛和自然演化形成的湖泊, 其中大于1km2的650多个湖泊中大部分属于浅水湖泊. 这些湖泊目前普遍受到了湖泊水质恶化, 富营养化程度加重的影响, 其生态环境和社会经济效益严重受损. 对浅水湖泊而言, 由于其更复杂的生态类型, 更加频繁的水土界面营养盐交换以及更易受动力作用的影响, 沉积物中营养盐含量和形态的差异对与水土界面交换和上覆水的营养盐含量影响机制更加复杂[1-2]. 虽然湖泊沉积物氮磷形态, 间隙水氮磷含量与潜在释放之间的关系已有一些研究[3-7], 但仍然缺乏较*科技部基础性工作专项(2006FY110600)和国家自然科学基金项目(40501064, 40730528)联合资助. 2006-10-26收稿;2007-12-24收修改稿. 张路, 男, 1975年生, 博士, 副研究员; E-mail: luzhang@.J. Lake Sci .(湖泊科学), 2008, 20(3)264大量样本的系统综合分析. 本文从沉积物营养盐形态与释放风险之间关系的角度, 对长江中下游地区的若干浅水湖泊进行了分类定量探讨, 尤其是对比了草、藻型两类湖泊之间释放风险的差异, 与目前仅为单一湖泊的相关研究相比, 更能揭示湖泊氮磷形态以及相应的地球化学参数对营养盐释放风险的影响规律.1 湖泊背景及样点选择在长江中下游湖群选取18个不同环境类型、不同沉积物及水体营养盐负荷的湖泊(图1). 其中, 洞庭湖、鄱阳湖及洪湖的采样点在湖区中位置如图1所示, 由于这3个湖泊面积较大, 其样点仅代表采样湖区的情况. 其余湖泊的样点一般选择在湖泊中心区. 16个湖泊中, 共有6个湖泊(样点湖区)未见水草, 其中洞庭湖和鄱阳湖未见水草可能是由于采样点区域为砂性沉积物, 且水深较深, 水草无法生长所致. 而另外四个湖泊: 武山湖、八里湖、菜子湖和东湖也未见水草. 其余12个湖泊均有不同程度的水草生长. 表1显示了这些研究湖泊的一些环境参数和采样点位置.表1 18个研究湖泊位置及基本状况*Tab. 1 Location and basic status of 18 analyzed lakes上覆水(mg/L)湖名 地点 东经 北纬 样点水深(m)透明度(cm )水草状况*PO 43- NH 4+西凉子湖湖北咸宁 29°55′31″ 114°07′52″ 1.3 130 1 0.021 0.568 保安湖 黄石大冶 30°17′22″ 114°43′20″ 2.1 200 1 0.002 0.129 洞庭湖 湖南岳阳 29°21′33″ 113°03′17″ 0.9 50 0 0.034 0.161 大官湖 宿松县 30°1′8″ 116°22′51″ 1.4 20 1 0.008 0.378 鄱阳湖 九江星子县29°26′30″ 116°2′21″ 3.2 50 0 0.007 0.157 鲁湖 咸宁北 30°13′50″ 114°10′59″ 2.1 85 1 0.008 0.174 梁子湖 湖北鄂州 30°14′9″ 114°36′57″ 2.0 160 1 0.010 0.449 泊湖 宿松县 30°10′33″ 116°22′45″ 2.0 30 1 0.007 0.190 洪湖 洪湖市区 29°45′53″ 113°22′37″ 1.5 150 1 0.008 0.235 石塘湖 安徽安庆 30°37′41.8″ 117°5′50.4″ 1.1 60 1 0.006 0.295 西武昌湖 安庆怀宁县30°15′36.7″ 116°4′47.8″ 1.1 60 1 0.004 0.397 策湖 黄冈地区 30°15′24″ 115°08′45″ 1.5 80 1 0.102 0.776 太白湖 宿松县 29°58′11″ 115°49′15″ 2.1 50 1 0.011 1.289 武山湖 黄冈地区 29°53′45″ 115°35′38″ 1.8 65 0 0.208 3.648 大冶湖 黄石大冶 30°5′39″ 114°59′34″ 1.0 70 1 0.028 0.582 八里湖 九江市郊 29°41′13″ 115°56′34″ 2.7 50 0 0.013 0.211 菜子湖 安徽桐城 30°50′9″ 117°2′ 7″ 1.0 15 0 0.017 0.438 东湖武汉市区30°33′16″ 114°23′38″ 3.8 80 00.037 0.734* 1表示样点附近肉眼可见水草; 0表示肉眼不可见水草.图1 长江中下游湖群及样点示意图Fig.1 Sketch map of sampling locations along the middle and lower reaches of the Yangtze River张 路等: 长江中下游湖泊沉积物氮磷形态与释放风险关系2652 研究方法2.1 沉积物释放实验对柱状沉积物进行原柱样控温培养, 获得沉积物的氮磷营养盐释放速率[8]. 释放速率flux 按下式计算[8]:n011a 1()()/n j-j-j flux V C C V C C S t =⎡⎤=−+−⋅⎢⎥⎣⎦∑其中, flux 为释放速度(mg/(m 2·d)); V 为柱中上覆水体积(L); C n 、C 0、C j -1为第n 次、0次(即初始)和j -１次采样时某物质含量(mg/L); C a 为添加水样中的物质含量(mg/L); Ｖj -1为第j -1次采样体积(L); S 为柱样中水－沉积物接触面积(m 2); t 为释放时间(d). 所计算的NH 4+和PO 43-潜在释放均为3d 平均表观释放速率, 分别以小写参数符号的形式表示为nflux 和pflux (下同). 2.2 表层沉积物生物地球化学参数沉积物释放实验结束后, 将沉积物柱样按1cm 厚度分层. 取10g 左右的表层沉积物进行以下分析: 形态磷[9]: 利用连续提取法, 对沉积物中的形态磷进行分级提取. 由于闭蓄态磷在生物地球化学循环中参与磷的短时相的交换转化的可能性非常小, 虽进行了提取, 但数据相关分析时未予考虑. 因此主要考虑了如下五种形态磷: 铁结合态磷(fep , mg/kg)、可交换态磷(lp , mg/kg)、铝结合态磷(alp , mg/kg)、钙结合态磷(cap , mg/kg)、有机磷(orgp , mg/kg).对沉积物样品同时测定: 藻类可利用磷[10], 即利用碱性提取法, 对沉积物中可潜在供藻类利用的磷量(aap , mg/kg)进行分析. 利用强酸消解法测定沉积物中的总磷(tp , mg/kg)、总氮(tn , mg/kg); 用高温灼烧法测定有机质含量(以烧失量计, 表示为loi , %); 105℃下烘干法测定沉积物孔隙度(por , %). 2.3 上层间隙水生物地球化学参数将分层的表层沉积物样进行离心和过滤, 获取间隙水, 立即测定间隙水中酸碱度(ph ); 利用比色分析法测定溶解性磷酸盐(po4p )、溶解性氨态氮(nh4p ); 利用总有机碳分析仪(1020A)同步测定了间隙水中溶解性总有机碳(toc )和溶解性总无机碳(tic ). 2.4 湖泊水体基本参数湖水透明度(以透明度盘深度Secchi Depth 表示, sd , cm); 用比色分析法测定溶解性磷酸盐(po4w , mg/L)、溶解性氨态氮(nh4w , mg/L); 电导率仪测定水体中的电导率(ec , µs/cm). 另外, 考察了采样点有无水草(plant , 有水草赋值为1, 无水草赋值为0).3 结果3.1 营养盐及释放风险的地球化学参数聚类分析将18个长江中下游湖泊的生物地球化学特征参数分为4类: 1)表层沉积物: lp , alp , cap, orgp , fep , aap , tp , tn , loi , por ; 2)上层间隙水: ph , po4p , nh4p , toc , tic ; 3)水土界面营养盐潜在释放: pflux , nflux ; 4)湖泊水体基本参数: sd , po4w , nh4w , ec , plant . 从生物地球化学角度出发, 这22个参数都是与营养盐在水土界面上的潜在释放风险和沉积物的营养盐含量、形态和转化相关联的参数. 将参数值构建成一个22×18(参数×样点数)的矩阵, 并对其进行聚类分析(组间均值联接法, SPSS 10.0). 在聚类分析中, 未将采样点有无水草(plant )作为系统变量, 以排除该变量对聚类分析可能产生的影响.聚类分析结果(图2)显示: 这18个湖可以分成具有显著差异的两组(组1和组2), 而组2又可以分为较小差异的两组(组3和组4). 在对湖泊分组的生物地球化学意义进行讨论时我们发现, 组1的4个湖泊: 武山湖、八里湖、菜籽湖和东湖所在样点都未见水草生长. 在全部18个研究湖泊中, 未观察到有水草存在的湖泊共有6个(表1), 除了组1表示的4个无水生植被的湖泊外, 洞庭湖和鄱阳湖在采样点附近区域也未观察到水生植被. 但是, 考虑到洞庭湖和鄱阳湖的采样点没有水草可能与砂性底质和水深有关, 因此, 可以认为组1代表的是没有水草生长的藻型湖泊, 其显著特点是沉积物总磷和藻类可利用磷含量均较高, 属于高营养本底的湖泊. 而组2分为组3和组4, 其中组3有6个湖泊: 泊湖、大冶湖、太白湖、西凉子湖、鲁湖和洪湖, 组4有8个湖泊: 石塘湖、策湖、大官湖、鄱阳湖、梁子J. Lake Sci.(湖泊科学), 2008, 20(3) 266湖、西武昌湖、保安湖、洞庭湖. 该组除洞庭湖和鄱阳湖未见水草外, 其余湖泊为草型湖泊, 且沉积物的营养本底较底.图2 组间均值联接聚类分析法系统树Fig.2 Systematic tree of between group linkage cluster analysis3.2 潜在释放与沉积物、间隙水和上覆水氮磷含量氮磷潜在释放均以沉积物高氮磷营养本底的武山湖为最高, 同样该湖泊沉积物间隙水中的可溶性氮磷含量也相对较高. 同时由于沉积物的潜在释放导致该湖泊的上覆水溶解性氮磷含量在18个湖泊中最高(图3). 从图3中看出, 组1四个湖泊的沉积物总磷和总氮含量平均值为1187mg/kg和2286mg/kg. 与此相比较, 组3组4共14个湖泊沉积物的总磷和总氮含量平均值仅分别为625mg/kg和1122mg/kg. 由于沉积物中的氮磷首先要转化成间隙水中的可溶性氮磷才能在浓度梯度或者动力作用下向上覆水方向移动, 形成潜在释放, 介于沉积物和上覆水之间的媒介－间隙水的含量就非常重要. 从结果看, 组1湖泊的间隙水中溶解性氮磷平均含量分别为4.23mg/kg和0.02mg/kg, 而组3和组4的湖泊为1.84mg/kg和0.02mg/kg. 由于组1湖泊的沉积物和间隙水氮磷含量均高于组3和组4, 因此可以预计组1湖泊的氮磷潜在释放可能高于组3和组4. 实验结果证实了这样的猜测: 组1四个湖泊的磷酸盐和氨态氮的潜在释放速率平均为0.41mg/(m2·d)和13.2mg/(m2·d), 显著高于组3和组4的0.18mg/(m2·d)和3.33mg/(m2·d). 因此, 从这个结果可以直观地认为沉积物氮磷含量与氮磷潜在释放间有一定的对应关系.3.3 湖泊磷释放与磷含量结果按聚类分析结果, 将18个湖泊分为三组. 图4显示了各湖泊组磷释放风险与沉积物中fep、aap、tp 以及间隙水磷po4p、上覆水磷po4w的比较结果. 四个藻型湖泊的磷释放通量高于组3和组4, 组3和组4的释放风险中值相近, 但组3各湖泊的释放风险差异大于组4. fep含量结果为组1>组3>组4, 但组1四个湖泊含量差异较大. aap和tp含量规律类似与fep. 但组1的数据分离度小于fep. 上覆水磷酸盐含量各组间差异并不显著, 但间隙水中磷酸盐含量表现为组1>组3 ≈组4.张 路等: 长江中下游湖泊沉积物氮磷形态与释放风险关系267图3 氮磷潜在释放与沉积物、间隙水、上覆水氮磷含量Fig.3 Potential release of nitrogen and phosphorus and their contents in sediments, pore waters and ovelying coaters图4 三组不同湖泊磷释放潜力和沉积物、间隙水和上覆水磷含量比较箱式图Fig.4 Comparison of potential release of phosphorus and contents of phosphorus in sediments, pore waters and overlying watersN f l u x (m g /(m ·d )t n (m g /k g )n h 4p (m g /L )n h 4w (m g /L ) 武山菜籽泊太白鲁石塘大官梁子保安武山菜籽泊太白鲁石塘大官梁子保安2形态磷含量(m g /k g )磷含量(m g /L )磷含量(m g /L )2J. Lake Sci .(湖泊科学), 2008, 20(3)2684 讨论4.1 沉积物氮磷潜在释放参数的因子分析在进行相关分析前, 有必要对22项与潜在释放有关的生物地球化学参数进行因子分析, 即运用主成分分析法, 筛选出与沉积物潜在释放相关联的参数. 从理论上说, 沉积物的营养盐含量、形态及相应的物理化学条件是影响营养盐潜在释放的条件, 按照连续提取法对沉积物形态磷进行分级提取后, 沉积物形态磷可以分为潜在释放的磷源: 可交换态磷、铝磷、铁磷和有机磷难以利用的磷源: 钙磷等. 而沉积物的有机质含量、间隙水氮磷含量以及酸碱度和有无沉水植物等条件. 可能是影响沉积物氮磷潜在释放的因素.图5表示这些生物地球化学特征参数在经主成分分析(经最大方差法旋转和Kaiser 均一化, Varimax with Kaiser normalization)提取主要因子后, 分为2个主成分(主成分1和主成分2). 其中, 反映释放风险的nflux 和pflux 的两个参数与fep 、aap 、tn 、tp 、po4w 、nh4w 、nh4p 、por 和loi 在同一个主成分1中. 这11个参数构成了影响氮磷营养盐释放风险的主要生物地球化学参数. 从主成分1中可以看出, fep 和aap 提取的因子信息最大, 从统计角度出发, 可以认为这两个参数对该主成分的贡献最大, 而tn , tp , pflux 和nflux 提取的因子信息也较大, 说明这四个参数也是该主成分的重要组成信息. 而loi 、por 、po4w 、nh4w 、nh4p 对该主成分的构成也有一定的贡献, 但不起决定作用. 主成分2包含的参数信息, 如alp 、lp 、cap 和orgp 等与组1中磷释放风险的参数分属两个主成分, 可能说明了这些形态磷对磷的释放风险不起决定作用. 从主成分2中还能看出, 表征湖泊有无水草的特征参数plant 出现在该组中, 是否也说明了有无水草的生长与湖泊沉积物的营养盐释放风险间并不一定有必然的联系. 而主成分2中的ph 可能也说明水体酸碱度与沉积物的营养盐释放风险间的联系并不十分密切, 同样的结论在太湖的梅梁湾和东太湖这两个湖区的沉积物营养盐释放比较研究中得到[4]. 虽然也有一些研究报道认为间隙水酸碱度与沉积物营养盐释放间存在联系[11], 但同样也有许多研究对此结论持怀疑态度[12]. 主成分2中plant 和sd 、ph 具有较高的因子信息可能预示着水草可能对控制湖水透明度和酸碱度有一定的关联作用.图5 营养盐及释放风险生物地球化学参数主成分分析Fig.5 Principal component analysis on biogeochemical parameters of nutrients and their release risks主成分1主成分2张路等: 长江中下游湖泊沉积物氮磷形态与释放风险关系269在进一步分析相关关系前, 对主成分分析的可靠性进一步分析, 分析结果显示主成分1中的参数的公因子方差提取比例都超过了50%(除pflux和por), 且aap在主成分1中提取的公因子方差最高; 而主成分2的公因子方差提取比例均未超过50%. 这预示着相比主成分2, 主成分1的因子提取具有更高的可靠性.4.2沉积物磷形态与磷释放的相关分析已有研究表明, 影响磷潜在释放的形态磷主要是可交换态磷、铝磷、铁磷和一部分有机磷. 前期研究[9]认为虽然可交换态磷和铝磷是容易释放或者容易转化成易释放磷的形态磷, 但是由于沉积物中这两个形态磷的含量很低, 不能决定磷的潜在释放. 而具有易转化性和较高含量的铁磷和一部分有机磷是决定沉积物间隙水磷酸盐含量以及磷释放的形态. 在这18个湖泊的研究中, 发现了类似的结论. 虽然这18个湖泊具有不同的营养盐负荷、不同的环境类型, 但是可交换态磷和铝磷的含量均很低, 约比铁磷低2-3个数量级. 因此, 这些易转化的磷形态与磷释放之间的相关关系比较弱.考虑到聚类分析得到的结果——组1和组3、4间具有较大的差异, 因此在分析这些形态磷和潜在释放之间关系时, 主要考虑了组3和组4的14个湖泊, 相关分析结果仅考虑了这些有水草生长的湖泊.与磷的潜在释放关系最为密切的是藻类可利用磷(aap), 皮尔逊相关系数r＝0.78, 显著因子p＝0.002, 属于极显著正相关. 由于铁结合态磷(fep), 也基本能反映aap的含量, 因此, 磷的潜在释放与fep间也呈极显著正相关. 其他的形态磷均未发现显著的相关关系. 这个结论与太湖几个湖区得到的结论基本类似. 因此, 对于这些湖泊而言, 决定磷潜在释放的沉积物形态磷组分主要是铁磷, 用藻类可利用磷含量来指示磷潜在释放的量也具有较高可靠性.4.3沉积物氮磷形态与潜在释放特征参数的相关关系将聚类分析中构建的22×18的矩阵进行相关分析, 其中未将水草参数考虑在相关关系分析中. 从分析结果看(表2), 与磷的潜在释放显著正相关的主要参数有nflux、fep、aap、tp、po4w和nh4w, 显著负相关的有toc、tic. 与氮的潜在释放显著正相关的有aap、tp、tn, 极显著正相关的有nh4p、po4w、nh4w. 由于po4w和nh4w之间的极显著正相关关系, 所以氮的潜在释放与po4w有关, 但显然水体中的磷酸盐含量(po4w)高低不是决定氮的潜在释放的因素; 同样的, 与磷的潜在释放显著正相关的nh4w也不能说明水体中溶解性氨氮(nh4w)是决定沉积物磷释放的因素. 与此类似, 由于总磷(tp)、藻类可利用磷(aap)和总氮(tn)之间存在极显著的相关性, 因此, 造成了沉积物氮磷潜在释放与这些参数间的表观相关性.从与沉积物氮磷的潜在释放相关的参数看, 主要是沉积物氮磷营养盐的含量决定的. 而铁结合态磷与磷潜在释放间相对较好的相关系数表明用铁结合态磷表征磷的潜在释放是比较合乎规律的, 其次是用aap来表征的藻类可利用磷. po4w与磷潜在释放间的正相关关系可能是释放的结果. 可以推测, 如果水体中的磷酸盐含量与沉积物的潜在释放相关, 那么这样的湖泊水体中的磷酸盐的来源可能与内源性磷关系更大, 而不是外源性磷.从表2还可以预示出: 钙结合态磷(cap)与其他参数均没有显著相关, 仅与电导率(ec)有一定的关联. 由于钙结合态磷是非常不活跃的形态磷, 主要受热力学中的溶解沉淀平衡控制, 而磷酸钙的溶度积K sp为1.6×1044, 很难被溶解, 因此对间隙水、上覆水磷以及磷潜在释放的影响较小, 一般来说钙结合态磷主要表现出沉积埋藏的特性. 有机磷(orgp)与表征有机质含量的loi极显著正相关, 说明这两个参数表征的是有机污染而不是营养盐的污染. 类似的结论在太湖也被发现.间隙水的氨氮含量与氮的潜在释放极显著相关, 而间隙水磷的含量与潜在释放间没有显著相关关系, 是否预示着间隙水中氮的迁移转化更多的受浓度梯度的控制, 而磷在间隙水中的迁移并非只受浓度梯度的控制, 在这个过程中有机磷矿化等地球化学过程可能也起到了很重要的作用[2].5 结论将氮磷释放风险及与之相关的沉积物、间隙水和上覆水中氮磷形态、含量及其它地球化学参数进行聚类分析, 认为湖泊环境类型的差异是造成这些因素差异的最主要原因. 氮磷释放风险与铁磷、藻类可利用磷、总氮、总磷、上覆水氮磷含量、间隙水氮含量、孔隙度和有机质含量间的关系最为密切. 决定磷酸盐释放风险的主要形态磷是藻类可利用磷, 其次为铁磷. 沉积物中有机磷与有机质呈显著正相关,J. Lake Sci .(湖泊科学), 2008, 20(3)270而其他形态磷或者含量较低或者不易被转化释放, 对磷酸盐释放风险影响较小.表2 沉积物氮磷形态与潜在释放特征参数相关关系* Tab. 2 Correlation between nitrogen and phosphorus forms and potential release parametersp f l ux n f l ux f e pl pa l pc a p o r gp a a p t pt np o rl o ip he c n h 4p p o 4p t o ct i cs d p o 4wnfux .53 bfep .50 b.30lp-.04 -.05 -.12alp -.17 -.03 -.08 .84 acap -.14 -.38 -.31 .35. 02orgp -.29 .25 -.08 .49 b . 49 b . 32aap .45 b .41 b .87 a .13. 21 -. 28 . 08 tp .39 b .34 b .63 a . 48 b .58 b-. 14 . 37 . 88 atn .29 .41 b .80 a . 10 . 21 -. 14 . 16 . 94 a . 84 apor .23 .13 .14 . 09 . 13 . 18 . 38 . 28. 35. 28loi .02 .19 -.02 . 28 . 39 . 25 . 62a. 16. 33. 22. 80 aph -.32 -.10 -.23 . 21 . 18 . 06 . 18 -. 35-. 12-. 29-. 15-. 08ec-.07 .03 -.21 . 01 . 02 . 49 b . 24 -. 13-. 05. 06. 26. 46 b -. 05nh4p .31 .71 a -.04 -. 07 . 02 -. 09 . 19 . 19. 19. 24. 20. 33-. 19. 48 bpo4p -.04 .08 -.19 . 43 . 44 -. 18 . 03 -. 12. 06-. 08-. 29-. 14. 52b-. 19-. 15toc -.42 b -.35 -.22 . 13 . 03 . 36 -. 11-. 33-. 28-. 23-. 63a -. 45. 24. 31-. 11. 05tic -.42 b -.31 -.32 . 46 b. 23 . 36 . 07 -. 39-. 15-. 34-. 43-. 35. 57 b . 12-. 19. 33. 69 asd-.19 -.31 -.43 b. 08 . 11 . 46 . 16 -. 43-. 30-. 27. 16. 24. 21. 47 b -. 07. 04. 42 . 09po4w .45 b.69 a.01 . 22 . 09 . 16 . 24 . 25. 27. 28. 11. 26-. 11. 48 b. 84a. 03. 05 -. 01 -. 02 nh4w .55 b .66 a .07 . 06 . 10 -. 03 . 05 . 35. 33. 37. 29. 35-. 24. 50 b . 91a -. 08 -. 12 -. 23 -. 03 . 89 a *Pearson 双尾检验; a: 极显著相关p <0.01; b: 显著相关p <0.05; 符号说明见1.2. 6 参考文献[1] Wetzel RG. 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蓄泄方程的原理及应用
蓄泄方程的原理及应用1. 蓄泄方程的基本原理蓄泄方程是一种用于描述水库或水文系统水位变化的数学方程。
它通过考虑入流和出流量之间的平衡关系，以及水库的容积和水位之间的关系，来描述水库的变化规律。
蓄泄方程可以帮助我们预测水库水位变化、设计水库调度方案以及评估水库对洪水和干旱等水文事件的响应能力。
蓄泄方程的基本形式如下：δV/δt = Qin - Qout其中，δV/δt表示水库蓄水量的变化率，Qin表示入流量，Qout表示出流量。
根据水库的特性和各个因素的影响，我们可以将蓄泄方程进行不同的建模和改进，以更好地适应实际情况。
2. 蓄泄方程的应用2.1 水库调度与水资源管理蓄泄方程可以帮助水库管理人员进行水资源管理和调度决策。
通过建立水库调度模型，我们可以基于蓄泄方程预测不同调度策略下的水位变化，并根据实际需求进行水库的蓄水和泄水操作。
这有助于合理利用水资源、平衡水供需关系，并在洪水、旱灾等紧急情况下提供有效的应对措施。
2.2 洪水预测和防控蓄泄方程在洪水预测和防控中具有重要应用价值。
通过建立基于蓄泄方程的水文模型，我们可以根据历史数据和预测数据，预测水库水位的上升幅度和洪峰时刻，并及时采取相应的防洪措施。
蓄泄方程还能够帮助评估不同洪水防控措施的效果，指导防洪工程的设计和施工。
2.3 干旱监测与水资源管理蓄泄方程也可以用于干旱监测和水资源管理。
通过建立水库水位与水库容积的关系，可以根据实时水位数据对当前水库的蓄水情况进行评估。
而结合入流预测和水位变化率，可以提前预测干旱事件的发生，并采取相应的节水措施，保障供水安全。
此外，蓄泄方程还可以用于评估不同水资源管理方案的可行性和效果。
3. 使用蓄泄方程的注意事项在使用蓄泄方程进行水文建模和预测时，我们需要注意以下几点：1.数据质量：蓄泄方程的建立和应用需要依赖准确、可靠的数据，包括入流量、出流量和水位等数据。
因此，确保数据的质量和准确性非常重要。
2.模型参数：蓄泄方程中的参数可以通过历史数据拟合获得，但不同水库的参数可能存在差异，需要根据实际情况进行适当调整。
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界处理、分蓄洪运用及阻力项计算等环节 , 提出了合理可行的数值处理方法
。为适应复杂几何形状的湖
泊流场和泥沙浓度场的计算要求, 通过引入跨单元界面法向水沙数值通量的逆风分解, 建立了无结构网格上 [ 6] 二维水沙模拟的高性能有限体积算法 , 保证了逐单元以及计算域上水量、动量和沙量的平衡, 实现了二 维 FVM 算法与单元悬床沙交换以及分组挟沙力计算模式的有机耦合 所建蓄泄关系实时评估模型实时评价了各分蓄洪区垸的分洪效果。 1 1 分蓄洪调度模式 长江中下游防洪调度极其复杂, 涉及长江干支流水库的调蓄与错峰调度, 长江堤防的临时加高加固 , 特 别是长江蓄滞洪区的综合运用等。长江中下游防洪调度主要为蓄滞洪区的分洪调度。 经多年洪水调度实践 , 长江水利委员会防汛办总结了长江防洪许多经验, 提炼出针对不同情势的防洪调 度预案
[ 2]
, 综合运用水文学、水动力学、泥沙输运、河床演变理论和数值模型及软件技术, 建立能准
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确、快速、实时地预报防汛调度方案的蓄泄效果数值模型, 据此量化诸种因素变化引起的可能后果和防汛预 案的蓄泄效果, 达到对防洪系统防洪势态整体定量的宏观把握。笔者针对这一问题, 开展了系统研究 。 在长江中下游水沙数学模型的基础上 , 整个研究工作围绕实时洪水预报调度关键问题的科学处理主线展开 , 同时针对三峡建成后江湖关系变化对区域防洪形势的影响预测、防洪对策措施及调度预案的蓄泄关系评估。 本文以长江中下游防洪系统为对象, 概述了笔者近年来在防洪系统洪水蓄泄关系数值模拟和实时洪水预报调 度的关键技术方面取得的主要成果。
第 21 卷 第 6 期 2010 年 11 月
水 科 学 进 展 ADVANCES I N WATER SC I ENCE
V ol 21, N o 6 N ov , 2010
长江中下游江湖蓄泄关系实时评估数值模拟
施 勇, 栾震宇, 陈炼钢, 金
( 南京水利科学研究院 , 江苏 南京 210029 )
收稿日期 : 基金项目 : 2009 10 16 十一五 国家科技支撑 计划资 助项目 ( 2006BA B05B04); 公 益性行 业科研 专项 经费资 助项 目 ( 200801008 ; 2007Shz02 ( 1 9) )
作者简介 : 施 勇 ( 1964- ) , 男 , 江 苏南通人 , 教授级高级工程师 , 主要从事水力学及河流动力学研究。 E ma i:l m rshiyong @ 263 net
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当水流条件为淹没出流时 , 堤垸与河道交换流量 Q 为 2gH 0
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式中 为淹没系数。水流方向由河道与堤垸内的水位差确定。 值得注意的是, 由于溃堤口门扩展是一个动态过程 , 对此过程作某种假设 , 如瞬时溃决或线性扩展 , 都 将影响到溃口流量的计算 。因此需特别重视溃决方式和决口参数的选择。若由于溃决方式和决口参数选 择不当 , 使溃口流量计算偏大 , 就可能造成计算失稳; 反之 , 若溃口流量计算过小 , 则分洪量会偏小, 难以 达到预期的分洪效果。 1 4 洪水模拟与调度模式的耦合 江湖洪水与分蓄洪区垸洪水吐纳交替过程的核心技术是分洪口门处的分洪流量的计算及其与整体江河湖 泊洪水演进模型的耦合数值模拟, 并能反映分洪调度对江湖水情的影响。 1 4 1 计算模式的模拟功能 [ 9] ( 1) 确定自然溃口口门的位置和宽度 分洪溃口方式有两种 : 一种是自然溃口 , 另一种是人工爆破溃 口 , 后一种方式存在分洪溃口最佳位置及其最佳断面尺寸的选择问题 , 本文只讨论前一种方式 , 即自然溃口 口门的位置、宽度的确定计算。 ( 2) 蓄滞洪区垸吐纳洪水的动态模拟功能 , 主要能够准确模拟蓄洪区垸洪水吐纳交替过程。 1 4 2 计算模式 影响堤防溃口口门的因素很多, 主要有溃口处的内外江水位差、流速和堤防土质结构。本文主要考虑溃 口口门与内外江水位差的关系和堤防土质结构 , 即堤防口门扩宽主要取决于溃口水流的冲刷能力与溃口堤防 [ 10] 边界抗冲能力的相互作用。采用沙莫夫起动流速公式可得到最大口门宽 bm ax为 : Qk 1 /3 h d Q k 为需分洪溃口的流量 ; h 为溃口水深 ; d 为溃口堤防土壤泥沙代表粒径。 bm ax = 0 217
秋
摘要 : 以长江中下游防洪系统为对象 , 将面 向长江 中下游 防洪规 划论证 需求的水 沙数学 模型转 化为面 向长江 防洪 系统防汛方案评估需求 的长江中下游蓄泄关系实时评估数学模型。为适应实时蓄泄评估快速、准确的要求 , 提出了 基于水动力学的循环滚动计算模 式、实时 校正模 式和实 时防洪 调度的 试验机 制。实现了 水文学 实时校 正方法 与水 动力学数学模型的耦合 , 建立了基于水动 力学的 实时校 正模式。 为了满 足长江中 下游江 湖蓄泄 关系实 时评价 的需 求 , 探讨了洪水模拟与分蓄洪调 度模式的耦合。通过长江中下游防汛期间的试运行 , 较好地解决了防洪措施蓄泄关 系评估和工程优化调控模式等关 键难题 , 为防洪 规划方 案的制 定和实 时洪水 调度方案 优化提 供了定 量的依 据 , 主 要成果已应用于长江中 下游防洪规划和防汛调度方案中。 关键词 : 长江中下游 ; 江湖蓄泄关系 ; 实时评估 ; 数值模拟 中图分类号 : P333 9 文献标志码 : A 文章编号 : 1001 6791( 2010) 06 0840 07
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防汛方案的蓄泄关系实时评估是防汛决策的重要基础
。优化众多防汛方案的基本手段之一就是蓄泄
关系的实时评估数值模拟模型 , 为了建立适应长江中下游复杂防洪系统的数值模拟模型 , 必须深入地研究复 杂防洪系统洪水调度方案的蓄泄关系问题。具体来说, 需要解决两个方面的问题, 一是如何将水文站的洪水 预报值通过水动力学数学模型推算到整个计算区域包括各河段断面上 ; 二是蓄洪垸的蓄水调度时机、地点及 其启用蓄洪垸的数量等问题。这两个问题涉及基于水动力学的洪水数值模拟及其分洪调度问题。对于蓄泄关 系实时评估来说 , 应满足如下要求: ! 能完整地完成各类防汛信息的处理和输入; ∀ 增强防洪调度方案的 科学性、严密性和可操作性。能够进行历史与实时洪水情势的典型比较分析, 分蓄洪运用时机及空间分布的 分洪效果对比分析计算; # 快速实现长江中下游洪水的实时预报与调度的耦合, 提供各主要站点、险工险 段和重点保护区域的水位流量的 7天预报值和超额洪量。在实时洪水预报的基础上实现分洪调度和分蓄洪过 程的动态显示; ∃ 方便地与水文预报信息系统、地理信息系统有机的结合。通过人机对话, 选取分蓄洪垸、 选择分洪时机, 评价分洪效果。 防洪系统洪水蓄泄演进的数值模拟则是解决上述问题的关键。具体而言, 就是要针对长江中下游复杂江 湖蓄泄关系
洪区的运用方案 , 分析对降低湖口站水位的效果 , 以保证湖口水位不超过保证水位, 确保同马、无为大堤
842 1 2 实时洪水调度预案设置
水
科学ຫໍສະໝຸດ 进展第 21 卷
预设各分洪调度区域的蓄洪堤垸运用方式 (启用与否、溃决历时、口门参数等组合参数 ) , 以交互的方 式初步实现了对分蓄洪区堤垸的受控运用 , 控制各主要站的水位不超过保证水位。当主要站水位不能控制在 分洪水位之下时 , 可通过调整设置分洪区堤垸的运用方式, 包括运用分蓄洪堤垸的个数、分蓄洪水时机和方 式 , 进行调度模拟计算, 以实现主要站位不超过分洪控制水位。 1 3 蓄洪堤垸调蓄计算 洪水预报调度模型, 即以洪水预报模型为基础 , 嵌入各区段的分蓄洪堤垸的分洪模块, 形成江河湖泊调 度模型 , 实现在各种调度预案下的洪水调度仿真。洪水预报调度模型主要包括洪水预报模块、河道湖泊洪水 演进和分蓄洪区垸调蓄洪水计算模块。 蓄洪堤垸吐纳洪水过程是河道水位与堤垸内水位交替变化的过程。外河道水位高于堤垸内水位 , 堤垸纳 洪 ; 当外河道洪水回落, 即堤垸内水位高于外河道水位时, 堤垸吐洪。 堤垸洪水吐纳计算采用水文学调蓄方法, 即由出入堤垸流量转换为水量, 再由堤垸容积曲线确定堤垸内 水位。堤垸自溃或人工爆破口门的流量采用堰闸自由或淹没出流公式计算。 当水流条件为自由出流时 , 堤垸与河道交换流量 Q 为 式中 Q = mB 2gH 0 m 为流量系数; B 为口门宽度 ; H 0 为有效水头。 Q = mB
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。针对长江中下游蓄泄关系实时评估
的关键问题 , 着重对分蓄洪调度模式、实时洪水调度预案设置及其洪水演进模拟耦合等问题进行探讨, 通过
。在长江水利委员会防汛办领导专家的指导下 , 直接就其中与本系统关系最为密切、对长江洪水
演进影响最大的调度预案进行了概化 , 形成长江防洪系统的防洪调度机制。根据长江中下游超额洪量的安排 和各区域防洪控制目标, 划分为 5个分洪调度模块 : ( 1) 三峡水库 - 沙市段 分析三峡水库对荆江河段的补偿调度作用 , 研究隔河岩、水布垭与三峡水库 的联合调度方案。在保证水库安全的条件下, 制定水库运用方案。根据实测和预报沙市水位流量与保证水位 及相应流量的比较和实时工程状况, 分析运用荆江附近区 4 个蓄洪区的必要性并制定分洪运用方案 , 必要时 研究与城陵矶附近区联调 , 保证沙市水位不超过保证水位, 确保荆江大堤的防洪安全。 ( 2) 沙市 - 城陵矶段 根据实测和预报的城陵矶水位、流量 ( 螺山站代表 ) 及荆江分洪区的运用情况 , 研 究三峡水库对城陵矶的补偿调度作用, 提出运用洪湖及洞庭湖区 24 个分蓄洪堤垸分洪的调度运用方案 , 并分 析分洪运用对降低城陵矶 ( 莲花塘站 ) 水位的效果, 保证城陵矶水位不超过保证水位。 ( 3) 城陵矶 - 汉口段 根据实测与预报的汉口水位、流量 , 提出运用杜家台、武湖、涨渡湖、白潭湖、 西凉湖、东西湖等分蓄洪区的运用方案, 分析对降低汉口站水位的效果, 保证汉口站不超过保证水位, 确保 武汉市防洪安全。 ( 4) 汉口 - 湖口段 安全。 ( 5) 汉江丹江口水库 - 武汉段 根据丹江口水库实测和预报入库洪水过程、丹皇区间预报洪水过程以 及皇庄站和沙洋站在不同洪水量级时 , 所允许的下泄流量, 提出丹江口水库的调度方案及不同方案情况下汉 江中下游各控制站水位变化, 遇较大洪水时提出丹江口水库与杜家台分洪区及 14 个分洪民垸联合调度方案 , 并对不同方案组合进行分析比选。在确保水库安全的条件下 , 尽可能减轻下游的防洪压力, 确保汉江遥堤和 下游干堤安全。 分洪调度方案是选取长江中下游的主要分洪区进行组合调度, 分蓄超标洪水 , 达到控制干流水位的目 的。在分蓄洪运用方式上采用两种模式, 即瞬时溃决和逐渐溃决。对于逐渐溃决方式, 可给定溃决历时。洪 湖分蓄洪区东分块和荆江分洪区等有闸的蓄洪区采用闸控方式分洪。并对荆江分洪区、城陵矶附近区、武汉 附近分蓄洪区、湖口附近分蓄洪区分别提供了可重置的分洪控制水位 ( 默认控制水位分别为 45 0 m、 34 4 m、 29 5m、 22 5m 和冻结基面 ), 通过设置不同分洪控制应用水位或设定分洪时间 , 可以试验各种分洪时机及其 分蓄洪区堤垸组合对防洪系统分蓄洪效果的影响。 根据实测与预报的湖口水位 , 提出运用康山、珠湖、黄湖、方洲斜塘和华阳河分