分布式水文模型的误差分析

分布式水文模型以其具有明确物理意义的参数结构和对空间分异性的全面反映,能够准确详尽地描述和模拟流域内真实的降水径流过程而被广泛需求和关注。在模拟土地利用、土地覆盖、水土流失等各种变化过程的水文响应,面源污染、陆面过程、气候变化影响评价等诸多领域都有广泛的应用。模型的预报精度和误差至关重要,决定了模型的应用和推广。在分析分布式水文模型建立和验证过程的基础上,提出了模型的4类误差来源:被排除在外的因素引起的误差,实测历史记录资料的随机或系统误差,参数误差和模型结构误差,讨论了各类误差的分析与计算方法,为模型的发展和成长提供了依据。

侵蚀环境人工刺槐林土壤水稳性团聚体演变及其养分效应

采用时空互代法,以典型侵蚀环境纸坊沟流域生态恢复过程中不同年限的人工刺槐林为研究对象,选取坡耕地和天然侧柏林为参照,分析了植被恢复过程中土壤水稳性团聚体变化规律及其与土壤养分状况之间的相互关系。结果表明,侵蚀环境下的坡耕地由于人为耕作干扰,土壤水稳性团聚体含量低下,抗蚀性能较差。营造刺槐林前5 a土壤水稳性团聚体含量较坡耕地显著快速增加,随后增幅变缓,成对数增长,恢复25 a后土壤水稳性团聚体含量已经达到天然侧柏林水平。在植被恢复过程中土壤小粒径的水稳性团聚体逐渐聚集转变形成大粒径的团聚体。相关性分析和回归分析表明,植被恢复过程中>0.25 mm土壤水稳性团聚体与有机碳、全氮、碱解氮、速效钾、容重等相关性达到显著(p<0.05)或极显著水平(p<0.01),与全磷和速效磷相关性较弱。坡耕地退耕营造刺槐林后可以减少人为干扰,增加碳素和氮素供给,提高水稳性团聚体含量,使土壤抗蚀性能提高。

中国沙棘、俄罗斯沙棘和俄罗斯沙棘×中国沙棘光合特性及影响因子

在陕北黄土丘陵沟壑区用LI-6400光合仪对中国沙棘、俄罗斯沙棘和俄罗斯沙棘×中国沙棘光合特性及影响因子进行了测定。测定结果表明三者的光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率日变化均为"双峰"曲线。中国沙棘光合"午休"现象较轻,日光合速率和午后光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率极显著(p<0.01)高于俄罗斯沙棘和俄罗斯沙棘×中国沙棘。中国沙棘光合作用最适气孔导度、大气CO2浓度、空气相对湿度比俄罗斯沙棘小,最适胞间CO2浓度、蒸腾速率、气温、光合有效辐射比俄罗斯沙棘高。中国沙棘在最适气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率和大气CO2浓度下的光合速率比俄罗斯沙棘高;在最适气温、空气相对湿度、光合有效辐射下的光合速率比俄罗斯沙棘低。俄罗斯沙棘×中国沙棘光合"午休"现象比中国沙棘强,比俄罗斯沙棘弱,午后光合速率与俄罗斯沙棘相近;俄罗斯沙棘×中国沙棘最适气孔导度、大气CO2浓度高于中国沙棘和俄罗斯沙棘,最适胞间CO2浓度低于中国沙棘和俄罗斯沙棘,最适蒸腾速率、气温、空气相对湿度、光合有效辐射居于中国沙棘和俄罗斯沙棘之间。俄罗斯沙棘×中国沙棘在最适气孔导度下的光合速率高于中国沙棘和俄罗斯沙棘;在最适胞间CO...

自然侵蚀量和容许土壤流失量与水土流失治理标准

在总结分析国内有关自然侵蚀量、容许土壤流失量研究成果的基础上,探讨自然侵蚀量与容许土壤流失量的关系,讨论制订水土流失治理标准的思路。认为水土流失治理标准的确定有3个参考值:1)标准值,即一定条件下的容许土壤流失量,是水土流失治理至少要达到的目标,且随着对不同土地利用类型的功能需求与可实施的最佳水土保持措施、以及所在水土流失类型区的侵蚀危害与治理约束条件的不同而不同;2)理想值,即正常自然侵蚀状态下的土壤流失量;3)极端值,即土壤流失量为0,不发生水土流失。水土流失治理应是先控制到现时生态环境与社会经济条件下的容许土壤流失量范围内,逐步达到自然正常侵蚀量或制止水土流失的发生;还应引入环境伦理、环境美学及景观设计等理念,最终实现土地的可持续利用、区域生态系统的健康稳定及人与自然的和谐友好发展。

黄土坡面水力学特征参数与土壤侵蚀量间关系研究

通过室内人工降雨模拟试验,研究黄土坡面水流的水力学特征参数与土壤侵蚀量间的关系。结果表明:随着放水流量的增加,出口断面平均流速、雷诺数在逐渐增大,弗劳德数在逐渐减小,坡面流流态也从层流状态逐渐过渡到紊流状态,当放水流量在10.1~19.9 L/min范围内时,坡面水流的流态为层流与紊流之间的混和状态;出口断面的平均流速随着放水流量的增加而增大,二者之间呈良好的幂函数关系;黄土坡面的累计泥沙侵蚀总量随着雷诺数的增加而增大,二者呈幂函数关系;单宽土壤侵蚀产沙量与雷诺数之间拟合关系的好坏受雷诺数取值的影响,当雷诺数的值在临界雷诺数(取500)附近时,单宽土壤侵蚀产沙量与雷诺数之间的负相关性良好。研究结果不仅可以揭示土壤侵蚀水动力过程的内在机制,而且对黄土高原地区生态环境建设具有重要的现实意义。

黄土丘陵区植被次生演替灌木初期土壤物理性质特征

研究了黄土丘陵区植被次生演替草灌过渡灌木初期的土壤物理性质特征。结果表明:当植被次生演替进展到草灌过渡灌木初期,除土壤含水量外,土壤容重、孔隙度、稳定入渗和水稳性团聚体都好于对照白羊草地,表明灌木树种定居的土壤物理条件一般要高于草本群落。植被演替的过程是植被与土壤相互作用复杂变化的过程,它们的相互反馈也是生态恢复的重要标志。随着植物群落的变化土壤也发生着不同程度变化。其中,土壤物理性质各个因子之间的变化是相互影响和相互联系的。土壤稳定入渗速率与土壤容重、土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度和土壤团聚体之间有显著的相关关系;土壤毛管孔隙度与土壤非毛管孔隙度线性显著负相关;土壤容重与土壤总孔隙度极显著负相关。

黄土高原沟壑区不同年限苹果园土壤碳、氮、磷变化特征

管理措施是影响土壤质量演变的重要因素。分析和讨论了5、101、5年苹果园耕层(0—20 cm)和0—200 cm土壤有机碳、全氮、全磷、有效磷和硝态氮含量及其影响因素。结果表明,5年、10年和15年的塬面苹果园表层土壤有机碳依次为7.5、6.7和6.7 g/kg;全氮依次为0.940、.85和0.83 g/kg;但土壤全磷和速效磷含量随着种植年限而增加,与5年苹果园相比,塬面10年苹果园土壤全磷、速效磷含量分别提高了11%、60%,并且磷素的变异性随年限而增加。坡地10年、15年和20年苹果园土壤有机碳依次为6.36、.2和6.5 g/kg,全氮依次为0.76、0.76和0.81 g/kg;与10年苹果园相比,15年苹果园土壤全磷、速效磷含量分别提高了20%、28%。土壤剖面0—80 cm内不同土地利用方式土壤碳、氮、磷含量随土层加深而降低,80 cm以下不同利用条件苹果园土壤碳、磷含量差异不大,氮素含量在100 cm土层下随苹果园种植年限增加而增加。

黄土高原沟壑区不同种植年限果园土壤水分变化

对黄土高原沟壑区不同种植年限果园土壤深层水分变化进行了研究。结果表明,受降水影响0~2m土层水分变化较大,且0~40 cm4、0~80 cm、80~200 cm三个土层土壤含水量之间的差异达到极显著水平;2 m以下由于没有水分的补给,土壤水分含量趋于稳定,出现了干燥现象。随着种植年限的增加,深层土壤的干燥化现象有增加趋势。

有限元子域法分析土石混合介质的饱和导水率

在黄土高原水蚀风蚀交错地区,碎石的存在影响着土壤的水力学特性,因此研究土石混合介质的渗流运动对该地区的植被恢复建设具有重要的指导意义。虽然用有限元法分析地下水渗流的工作很多,但对土石混合介质而言,由于有限元法的解题规模迅速增加,其研究甚少。本模型采用子域法矩形单元,假定土石体中石块含量增加不影响土的孔隙率且石块不透水分析了土石混合介质中的渗流过程。结果表明,影响土石混合介质饱和导水率的主要因素是土石介质的含石率;石块的大小基本不影响混合介质饱和导水率;石块分布方式增加水流路径时,会影响混合介质饱和导水率。这一数值分析结论与土石体渗流问题的部分理论结果和试验结果吻合良好。本模型子域法计算效率高,结果较准确,可用于较大规模的土石混合介质渗流分析,还可推广用于土石混合介质的三维分析和多级子域法有限元技术以获得更大规模的解题效果。

景观格局对土壤侵蚀的影响研究-以岷江上游的小流域为例

岷江上游地区生态环境脆弱，加之不合理的土地利用，土壤侵蚀问题日趋严重。准确定量土壤侵蚀、产沙模数的空间分布，从而分析土地利用及其空间配置对于土壤侵蚀过程是否合理？对减少长江上游的输沙量具有重要意义，是一个严峻的研究课题。本文以GIS为平台，建立泥沙输移分布模型，模拟流域的侵蚀模数、泥沙输移比和产沙模数的空间分布；结合模型模拟结果，分析不同土地利用/覆被方式的侵蚀和产沙特征，并以景观生态学的“格局-过程”理论为基础，通过景观指数——景观空间负荷对比指数，探讨土地利用/覆被的空间格局对土壤侵蚀过程的影响。泥沙输移分布模型模拟的产沙量与实测值比较，结果十分理想。模拟结果表明：两个流域大部分区域属于微度到中度侵蚀，平均侵蚀模数略低于长江上游的平均值；两个流域的平均泥沙输移比均远小于长江上游的平均值；河流两侧1 km范围内是流域主要的产沙区域；不同土地利用/覆被方式的侵蚀模数不同——裸岩>居民点>草地 >农田>灌木林>林地；侵蚀广泛分布在草地、林地和灌木林地上，占流域侵蚀总量的80%以上；灌木林和林地是流域主要的产沙源，占总产沙量的60%以上。景观空间负荷对比指数的计算结果表明：两个流域土地利用/覆被随坡度的空间配置有利于水土保持，但随相对距离、相对高度和运移距离的空间配置不利于水土保持；两个流域“源”大“汇”小的土地利用/覆被组成方式有利于水土保持，且镇江关流域的组成方式更优；景观空间负荷对比指数能够比较全面客观地反映景观格局对对土壤侵蚀过程的影响：两个流域的景观格局均较为合理；且镇江关流域的景观格局优于黑水流域。

森林流域单元水文模型的构建与应用

目前全球缺水、水污染、洪涝灾害以及水土流失仍然非常严重，尤其在我国北方地区。流域水文模型可用来进行不同需水管理的情景分析，为解决我国水问题提供科学依据。分布式水文模型是流域水文模型的发展方向，具有显著特点：1）应用前景广泛，不仅可以模拟流域水文过程，还可以协助模拟泥沙或污染物的运移过程，为水利工程设计、水土保持、环境保护等领域提供技术支持；2）能够预测流域土地利用或气候变化下的流域水文响应过程变化，为管理部门提供决策支持；3）模型所需要的参数全部具有物理意义，可通过实际测量确定，适合模拟实测系列较短或是无观测流域的水文过程；4）对于目前国际水文界的前沿问题—水文尺度转换提供了一种有效的解决途径。 然而分布式水文模型还不完善，如1)真实性问题。对一些水文过程和边界条件还不确定。2)尺度转换问题。目前很少考虑尺度对参数有效性的影响。3)检验问题。还无法判断对有些难以测量的水文状态变量的模拟正确与否。4)计算时间和数据存储的问题。有些分布式水文模型虽然具有很强的水文物理基础和完善的模型结构，但是计算时间过长和(或)数据存储过大，难以应用。上述问题的核心就是对分布式水文模型的核心—单元水文模型的研究不够，需要为进一步完善单元水文模型进行研究。 本文采用饱和入渗理论、Saint-Venant方程、Richards方程、Penman-Monteith方程等等构建了以有限差分法求解的适用于森林流域的单元水文模型，并通过实验室模拟试验和坡地径流场资料进行了验证，主要结论为： 通过不同坡度和不同雨强下的室内坡面产汇流实验模拟，表明：该模型模拟的坡面流和壤中流过程与实测过程基本一致，峰现时间、径流历时、峰值流量、出流总量模拟值与实测值的相对误差均较小，基本小于10%。模型的模拟精度较高，实用性较强，为深入研究壤中流机制和改进流域降雨-径流模型提供了理论依据。 通过坡地径流观测场实测资料的验证，表明：该模型模拟的坡面流过程精度较高，累计流量的精度更高于小时过程的精度，离差系数、效率系数、确定系数均较理想，具有应用价值，有助于改善分布式水文模型在森林流域的模拟效果。

Initiation and development of water film by seepage

When water seeps upwards through a saturated soil layer, the soil layer may become instability and water films occur and develop. Water film serves as a natural sliding surface because of its very small friction. Accordingly, debris flow may happen. To investigate this phenomenon, a pseudo-three-phase media is presented first. Then discontinuity method is used to analyze the expansion velocity of water film. Finally, perturbation method is used to analyze the case that a water flow is forced to seep upwards through the soil layer while the movement of the skeleton may be neglected relative to that of water. The theoretical evolutions of pore pressure gradient, effective stress, water velocity, the porosity and the eroded fine grains are obtained. It can be seen clearly that with the erosion and re-deposited of fine grains, permeability at some positions in the soil layer becomes smaller and smaller and, the pore pressure gradient becomes bigger and bigger, while the effective stress becomes smaller and smaller. When the effective stress equals zero, e.f. liquefaction, the water film occurs. It is shown also that once a water film occurs, it will be expanded in a speed of (U)(t)/(1 - E >).

A study on water film in saturated sand

Water film can serve as a sliding surface and cause landslides on gentle slopes. The development of "water film" in saturated sand is analyzed numerically and theoretically based on a quasi-three-phase model. It is shown that stable water films initiate and grow if the choking state (where the fluid velocity decreases to near zero) remains steady in a liquefied sand column. Discontinuity can occur in pore water velocity, grain velocity and pore pressure after the initiation of a water film. However, the discontinuity and water film can disappear once the choking state is changed. The key to the formation of water film is the choking in the sand column caused by eroded fine grains.

Plasma and electrode emissions from a 1 kW hydrogen-nitrogen arcjet thruster

Arc root behavior affects the energy transfer and nozzle erosion in an arcjet thruster. To investigate the development of arc root attachment in 1 kW class N2 and H2-N2 arcjet thrusters from the time of ignition to the stably working condition, a kinetic series of end-on view images of the nozzle obtained by a high-speed video camera was analyzed. The addition of hydrogen leads to higher arc voltage levels and the determining factor for the mode of arc root attachment was found to be the nozzle temperature. At lower nozzle temperatures, constricted type attachment with unstable motions of the arc root was observed, while a fully diffused and stable arc root was observed at elevated nozzle temperatures.

Sand storms: CFD analysis of Reynolds stress and collision stress of particles near sand bed

Sand storm is a serious environmental threat to humans. Sand particles are transported by saltation and suspension, causing soil erosion in one place and deposition in another. In order to prevent and predict sand storms, the causes and the manners of particle motions must be studied in detail. In this paper a standard k-epsilon model is used for the gas phase simulation and the discrete element method (DEM) is used to predict the movements of particles using an in-house procedure. The data are summarized in an Eulerian-Eulerian regime after simulation to get the statistical particle Reynolds stress and particle collision stress. The results show that for the current case the Reynolds stress and the air shear stress predominate in the region 20-250 mm above the initial sand bed surface. However, in the region below 3 mm, the collision stress must be taken into account in predicting particle movement. (C) 2010 Chinese Society of Particuology and Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.