Quantifying flow resistance in mountain streams using computational fluid dynamics modeling over structure-from-motion photogrammetry-derived microtopography     

Yunxiang Chen  Roman A. DiBiase  Nicholas McCarroll  Xiaofeng Liu 《地球表面变化过程与地形》2019,44(10):1973-1987

Flow resistance in mountain streams is important for assessing flooding hazard and quantifying sediment transport and bedrock incision in upland landscapes. In such settings, flow resistance is sensitive to grain-scale roughness, which has traditionally been characterized by particle size distributions derived from laborious point counts of streambed sediment. Developing a general framework for rapid quantification of resistance in mountain streams is still a challenge. Here we present a semi-automated workflow that combines millimeter- to centimeter-scale structure-from-motion (SfM) photogrammetry surveys of bed topography and computational fluid dynamics (CFD) simulations to better evaluate surface roughness and rapidly quantify flow resistance in mountain streams. The workflow was applied to three field sites of gravel, cobble, and boulder-bedded channels with a wide range of grain size, sorting, and shape. Large-eddy simulations with body-fitted meshes generated from SfM photogrammetry-derived surfaces were performed to quantify flow resistance. The analysis of bed microtopography using a second-order structure function identified three scaling regimes that corresponded to important roughness length scales and surface complexity contributing to flow resistance. The standard deviation σ_z of detrended streambed elevation normalized by water depth, as a proxy for the vertical roughness length scale, emerges as the primary control on flow resistance and is furthermore tied to the characteristic length scale of rough surface-generated vortices. Horizontal length scales and surface complexity are secondary controls on flow resistance. A new resistance predictor linking water depth and vertical roughness scale, i.e.  H/σ_z, is proposed based on the comparison between σ_z and the characteristic length scale of vortex shedding. In addition, representing streambeds using digital elevation models (DEM) is appropriate for well-sorted streambeds, but not for poorly sorted ones under shallow and medium flow depth conditions due to the missing local overhanging features captured by fully 3D meshes which modulate local pressure gradient and thus bulk flow separation and pressure distribution. An appraisal of the mesh resolution effect on flow resistance shows that the SfM photogrammetry data resolution and the optimal CFD mesh size should be about 1/7 to 1/14 of the standard deviation of bed elevation. © 2019 John Wiley & Sons, Ltd.  相似文献   

不等式约束Partial EIV模型的WHP拟牛顿修正解法及其精度评定的SUT法     

王乐洋  邹传义  吴璐璐 《大地测量与地球动力学》2019,39(6):648-653

提出一种确定不等式约束Partial EIV模型解及精度评定的新方法，在总体最小二乘准则下，将附有不等式约束的Partial EIV模型转换为标准最优化问题。采取WHP拟牛顿修正的SQP方法求解，并利用SUT法对参数估值进行精度评定，可以减小迭代次数、提高收敛速度，且精度评定方法简单有效。  相似文献   

Redox evolution of western Tianshan subduction zone and its effect on deep carbon cycle     

《地学前缘(英文版)》2020,11(3):915-924

Knowing the phase relations of carbon-bearing phases at high-pressure(HP) and high-temperature(HT) condition is essential for understanding the deep carbon cycle in the subduction zones.In particular,the phase relation of carbon-bearing phases is also strongly influenced by redox condition of subduction zones,which is poorly explored.Here we summarized the phase relations of carbon-bearing phases(calcite,aragonite,dolomite,magnesite,graphite,hydrocarbon) in HP metamorphic rocks(marble,metapelite,eclogite) from the Western Tianshan subduction zone and high-pressure experiments.During prograde progress of subduction,carbonates in altered oceanic crust change from Ca-carbonate(calcite) to Ca,Mg-carbonate(dolomite),then finally to Mgcarbonate(magnesite) via Mg-Ca cation exchange reaction between silicate and carbonate,while calcite in sedimentary calcareous ooze on oceanic crust directly transfers to high-pressure aragonite in marble or amorphous CaCO3 in subduction zones.Redox evolution also plays a significant effect on the carbon speciation in the Western Tianshan subduction zone.The prograde oxygen fugacity of the Western Tianshan subduction zone was constrained by mineral assemblage of garnet-omphacite from FMQ-1.9 to FMQ-2.5 at its metamorphic peak(maximum P-T) conditions.In comparison with redox conditions of other subduction zones,Western Tianshan has the lowest oxygen fugacity.Graphite and light hydrocarbon inclusions were ubiqutously identified in Western Tianshan HP metamorphic rocks and speculated to be formed from reduction of Fe-carbonate at low redox condition,which is also confirmed by high-pressure experimental simulation.Based on petrological observation and high-pressure simulation,a polarized redox model of reducing slab but oxidizing mantle wedge in subduction zone is proposed,and its effect on deep carbon cycle in subduction zones is further discussed.  相似文献   

湿地水文过程与植被响应研究进展与案例分析     

徐力刚  赖锡军  万荣荣  王晓龙  李相虎 《地理科学进展》2019,38(8):1171-1181

生态水文学是20世纪90年代兴起的一门研究生态过程和生态格局水文机制的新学科。湖泊湿地作为中国5大类天然湿地类型之一,湖泊湿地生态水文学的研究业已成为生态水文学的研究的一个重要对象和分支,其核心在于研究湖泊湿地生态系统中多时空尺度的水文与生物格局、过程的耦合特征及其相互作用。论文首先概述了湖泊湿地生态水文学的研究进展,包括其基本理论,内涵、外延及其主要研究内容;凝练了湖泊湿地生态水文学研究的方法体系、思路及框架;针对目前湖泊湿地生态水文学研究中存在的问题及薄弱环节,提出了湖泊湿地生态水文学未来研究的发展趋势和亟需加强研究的重点方向。在此基础上,以长江中游的典型通江湖泊湿地——鄱阳湖湿地为例,通过开展的湖泊湿地生态水文过程与模拟研究的典型案例,阐述了鄱阳湖湖泊湿地生态水文过程的变化及其植被响应研究的最新进展和研究成果。论文对于构建涵盖湖泊湿地水资源、湖泊湿地生态景观格局与流域管理、湖泊湿地生物多样性保育以及湿地资源可持续利用与生态管理等方向在内的战略研究体系,完善湿地生态水文研究与流域生态与管理的技术支撑体系具有重要的指导意义和实践价值。  相似文献   

裂缝、裂隙介质衰减频散研究          下载免费PDF全文

张繁昌  路亚威  桑凯恒  黄建平 《地球物理学报》2019,62(8):3164-3174

为研究裂缝、裂隙介质中波致流引起的衰减,将裂缝看作背景孔隙岩石中非常薄且孔隙度非常高的层状介质,并等价成White周期层状模型.分别考虑不同类型的裂隙和孔隙之间的挤喷流影响,结合改进的Biot方程,推导得到裂缝裂隙介质的刚度与频率的关系.当缝隙中饱含流体时,介质的衰减和速度频散受裂缝、孔隙之间和裂隙、孔隙之间流体流动的显著影响.在低频极限下,裂缝裂隙介质的性质由各向异性Gassmann理论和挤喷流模型获得;而在非常高的频率时,由于缝隙中的压力来不及达到平衡,波致流的影响可忽略.分析表明,裂隙密度主要影响波的衰减,而裂隙纵横比主要控制优势衰减频率和速度显著变化的频率范围;由于不同裂隙的衰减机制不同,衰减和速度频散大小有所差异,但基本趋势相同.  相似文献   

加权EIV模型的经典最小二乘算法     

谢建  龙四春 《大地测量与地球动力学》2019,39(5):544-546

采用GHM方法将EIV模型在最优解处线性化，得到解的近似方差。然后，将EIV模型表达成与Gauss-Markov模型相似的形式，利用标准最小二乘理论推导EIV模型的解及近似方差矩阵，得到与已有算法等价的结论。最后，推导观测值估值和残差的统计性质，建立起一整套EIV模型参数估计和精度评定的体系。  相似文献   

基于傅里叶级数的中国沿海地区Tm模型精化研究     

刘立龙  万庆同  周威  黄良珂  黎峻宇 《大地测量与地球动力学》2019,39(11):1137-1141

本文采用中国沿海地区13个探空站2010~2014年实测地表温度T_s与平均温度T_m数据，利用傅里叶级数分析法精化中国沿海地区T_m模型，并将2015年探空站实测T_m数据与精化模型进行对比检验。结果表明，精化模型在T_m探测方面具有更高的计算精度，其计算大气可降水量的误差概率分布趋近于正态分布，具有较强的稳定性。  相似文献   

渤、黄海生态环境模拟的参数敏感度空间差异分析     

罗辰奕  聂红涛  张海彦 《海洋学报》2019,41(8):85-96

随着海洋生态系统模型的发展，生态变量增多，众多生物过程参数量值的确定成为制约生态环境模拟的瓶颈问题，生态系统结构区域性要求模型中的生态参数具有区域差异。为探究不同海区的关键参数及参数敏感度的空间差异，本研究在渤、黄海建立了ROMS-CoSiNE物理–生物耦合的高分辨率生态系统模型，并对13种生态参数的敏感度空间分布进行分析。结果表明:南黄海中部与渤海及近岸海域的敏感度差异较大。渤海敏感度最大的参数为决定光合速率的浮游植物P-I曲线初始斜率，其次为浮游动物捕食半饱和常数和浮游动物最大捕食率。而南黄海中部敏感度最大的参数为浮游动物最大捕食率，其次为浮游植物死亡率和浮游植物P-I曲线初始斜率。结合敏感度分布及浮游植物生物量收支得出，渤海水体透明度较南黄海偏低、浮游植物生长光限制较强，是引起浮游植物P-I曲线初始斜率敏感度在渤海高于黄海的主要原因。浮游动物最大捕食率及浮游植物死亡率的敏感度空间差异，受渤、黄海浮游植物生物量差异的影响，与生态系统中的高度非线性特征有关。  相似文献   

华南上扬子区深部温度估算及其油气地质意义     

李香兰  刘绍文  徐明  李旭东  郝春艳 《地质学报》2020,94(6):1896-1910

盆地热体制及深部温度估算对油气和区域地热能资源评估具有重要意义。南方上扬子区是海相油气勘探的重要区块,近年来更是我国页岩气勘探的主要选区。然而,由于数据不足及研究目标的分散,该区的盆地热体制特征还有待深化。结合前人已有地热数据,并整合新近开展的稳态测温数据,我们揭示了上扬子区现今地温梯度、大地热流分布特征,继而估算了1000～6000m埋深处的深部地层温度和2套主要古生界海相烃源岩底界面处的温度。结果表明,上扬子区具有中-低温的地热状态,其现今地温梯度和大地热流的范围(平均值)分别为10～74℃/km(24℃/km)和27～118mW/m~2(64mW/m~2),整体上从东北向西南方向递增,呈现出"东北低、西南高"的分布趋势。1000～6000m埋深处估算温度的分布格局与地温梯度及热流的分布趋势基本一致。东北部的鄂西-湘北地区为低温区,中部的四川盆地其大部分为中温区,西南的云南地区为高温区。上扬子区现今地热分布格局受区域差异构造和岩浆作用控制。结合储层温度估算并综合其他油气地质资料,提出川东的石柱-涪陵、川南的威远-自贡-泸州和宜宾-长宁等区的下志留统龙马溪组页岩层系是上扬子区油气勘探有利区带。  相似文献   

黑龙江省海伦市长发镇土地质量地球化学评价及开发建议     

刘国栋  杨泽  戴慧敏  张一鹤  肖红叶  陈江 《地质与资源》2020,29(6):533-542

基于海伦市长发镇1：1万土地质量地球化学调查获得的土壤重金属元素和养分元素数据，参照土壤环境质量标准（GB15618—2018）和土地质量地球化学评价规范（DZ/T0295—2016），采用单指标评价法对研究区土壤养分和土壤环境质量进行评价，并在此基础上，将两者叠加分析，对研究区进行土地质量地球化学综合判定.结果表明：研究区内土壤养分以丰富及较丰富为主，分别占长发镇总面积的37.49%和62.22%，区内缺乏B、Mo；研究区99.94%的土地为无风险（一等），0.06%的土地为风险可控（二等），风险可控土地主要受Cd及Hg元素的影响；土地质量地球化学综合评价结果显示，研究区以一等（优质）土地为主，占评价区总面积的99.66%；研究发现长发镇富Se土地资源面积19.25 km²，土壤中Se含量为0.4×10^-6～1.4×10^-6，平均值为0.44×10^-6；长发镇符合绿色食品产地的耕地面积138.44 km²，占调查区耕地面积的99.84%，其中绿色富Se、绿色食品产地分别为18.53 km²和119.91 km².  相似文献