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  • 水利学报
  • 2021年 第52卷 第12期
  • 出刊日期:2021-12-28
《水利学报》创刊于1956年,是中国水利学会、中国水利水电科学研究院、中国大坝工程学会主办的综合性学术刊物,是水利行业创刊最早、国内外最具影响的学术期刊,在水利工程类核心期刊中排第一位,被国内外多家检索系统收录。《水利学报》刊登反映水利、水电、水运领域较高水平的学术论文、专题综述和工程技术总结,开展学术论文的讨论和评论,介绍国内外科技动态和消息。主要专业范围包括:水文及水资源、防洪减灾、灌溉排水、水力学、泥沙、河港水运、岩土工程、水工结构及材料、水利水电施工及监理、水力机电、水利经济、水环境、水利史研究等。

2021年第52卷第12期

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  • 广域预报信息驱动的水库群实时防洪全景调度研究
    周建中,贾本军,王权森,张勇传,方威,张余龙
    针对已有防洪调度模型与方法无法有效应对上下游断面间水力联系的复杂性,未能准确提供并充分利用多个关键性控制断面的水文信息,尚不足以合理协调区域防洪和整体防洪安全的问题,本文开展了多断面洪水广域预报信息驱动的水库群实时防洪全景调度研究。首先依据水库防洪调度规程,使用一维水动力学模型模拟生成多种设计洪水条件下干支流河道沿程断面的水文过程,构建反映水库调蓄影响下的上下游断面间洪水演进动力特性的数据集,并以此为依据建立多断面水位流量的交互效应线性回归预测模型,实现干支流多断面洪水广域预报。在此基础上,提出广域预报信息驱动的梯级水库群防洪全景调度方法。为验证本文模型有效性,以长江上游梯级水库群为实例对象开展研究。结果表明:本文模型在下游断面实时防洪状态与上游库群调度决策之间较好地建立了一种动态响应的互馈机制,能够有效解析调度决策对下游防洪断面的影响,充分利用多断面洪水广域预报信息进行防洪全景调度决策,更好地保证并协调流域中区域和整体的防洪安全。研究成果已在长江三峡水利枢纽调度通信中心初步应用,促进了长江上游水库群防洪调度水平的进一步提升。
    2021  Vol.  52(12):    1389-1403    [摘要](173)    [PDF](127)
  • 高海拔地区水电工程智能建造挑战与对策
    樊启祥,林鹏,魏鹏程,李果
    开展高海拔地区水电工程智能建造关键挑战问题与对策研究,对促进水电安全、优质、绿色、高效开发具有重要意义。本文总结了高海拔地区水电的自然环境、建筑结构、工程建设等特点,从生态优先、本质安全、精品工程、资源利用、价值创造方面阐明了高海拔智能建造面临的挑战。基于“全面感知、真实分析、实时控制、持续优化”的闭环建造控制理论,聚焦高海拔地区水电工程建设中将会出现的新问题,建立了智能建造三维四要素协同系统分析框架;对典型河段的生态调控、地下空间环境健康、土石方智能平衡、水工隧洞智能衬砌、深厚覆盖层地基智能振冲、地质灾害防治及绿色生产辅助系统等,提出了相应的智能建造方法和对策,以充分发挥智能化技术和管理在资源投入、工艺过程、业务流程、结构性态、工程进度和实物成本等六大管理要素中的重要作用,推进高海拔水电工程智能建造技术创新和管理提升。研究结果对高海拔地区水电工程智能建造技术与管理的应用和发展具有指导意义,也可供其它水工程及基础设施工程建设借鉴。
    2021  Vol.  52(12):    1404-1417    [摘要](112)    [PDF](94)
  • 黄河内蒙段河冰微结构特性及影响因素分析
    张邀丹,李志军,李春江,张宝森,邓宇
    冰的微结构特性不仅能够反映冰的生长过程,而且对冰的力学、热学、光学和电学性质也具有重要影响。为深入认识黄河冰的微结构特性,对黄河内蒙段不同位置的河冰及乌梁素海湖冰进行现场取样,观测冰晶体结构、冰密度、冰内含泥量和冰内气泡,同时观测冰下流速。结果表明:黄河内蒙段河道内不同位置冰层中冰晶体结构差异明显,单一的粒状冰和柱状冰很少,冰层内存在大量的冰花冰,大部分冰晶体结构表现为冰花冰、粒状冰与柱状冰相互交替;冰内含泥量和气泡含量是导致黄河冰密度变化的主要原因,且不同晶体结构下,冰晶体粒径尺寸、冰密度、冰内含泥量、冰内气泡含量和气泡等效直径的变化范围不同。通过将黄河与乌梁素海的冰微结构及冰形成过程进行对比分析,发现环境温度和水动力条件是造成黄河冰微观结构特性的主要原因。
    2021  Vol.  52(12):    1418-1429    [摘要](81)    [PDF](59)
  • 漂流性鱼卵安全漂流的临界水动力条件实验研究
    胡鹏,唐家璇,杨泽凡,曾庆慧,杨明达
    漂流性鱼卵安全漂流的水动力条件对于生态流量目标制定、鱼类生境保护和早期资源量恢复具有重要意义。为了探求近天然条件下鱼卵安全漂流的临界水动力条件,本文通过建设室外大型明渠,对56种不同工况下,不同流速、水深、水面宽以及水流雷诺数对鱼卵漂流的影响进行了实验研究。结果表明:水面宽一定时,鱼卵安全漂流对流速的要求随水深的升高而降低;水深一定时,在一定流速范围内,水面越宽,鱼卵收集率越高;相比于单一流速条件,以水流雷诺数作为漂流性鱼卵能否安全漂流的判别条件更加科学合理,在明渠均匀流中,水流雷诺数达到7.9×104以上时,鱼卵收集率超过90%,实现安全漂流。相关成果对于开展天然河流鱼类产卵期敏感生态需水目标制定、鱼卵漂流轨迹模拟、水利工程生态调度等具有支撑作用。
    2021  Vol.  52(12):    1430-1438    [摘要](91)    [PDF](54)
  • GRACE重力卫星监测煤矿开采区地下水变化研究
    李舒,师鹏飞,谷晓伟,付新峰,倪深海,张楠
    黄河中游是国家煤炭资源的聚集区,大规模、大范围的煤矿开采对地下水产生了较大扰动,而该区域的地下水是生产、生活重要的水源,因此,实时监测地下水变化是十分必要的。近年来,GRACE重力卫星为区域水储量变化监测提供了新的途径,本文利用GRACE重力卫星结合全球陆地数据同化系统GLDAS反演了黄河中游的重要支流-窟野河流域2009年的陆地水储量和地下水水储量变化,通过与降雨量、蒸发量、GLDAS和地表-地下水耦合模型的模拟结果进行分析比较后发现:GRACE可用于监测煤矿开采区地下水水储量变化,与基准期2004—2009年相比,2009年研究区陆地水水储量减少量为15.5 mm/月,地下水水储量减少量为29.4 mm/月。煤矿开采产生的导水裂隙带导通了土壤水与地下水交换的通道,导致土壤水的变化量与地下水水储量的变化量存在着较强的相关性,其相关系数达到0.84。
    2021  Vol.  52(12):    1439-1448    [摘要](94)    [PDF](53)
  • 二层结构的流域生态调度研究I:方法与模型
    游进军,薛志春,林鹏飞,蒋云钟,魏娜
    针对现有生态调度研究和实践以工程为中心、流域水量调控考虑不足的问题,提出在水量调控基础上进行工程调度的二层结构流域生态调度模型。模型上层先模拟水资源配置决策下的径流过程、水利工程入流以及供水结果,以此为目标和约束条件优化工程调度规则,作为下层水利工程调度的依据,实现符合总体水量决策下的流域整体生态调度。根据影响河道水量过程的决策因素,从社会经济需求控制、水源开发利用和工程运行调度三方面分析流域生态调度调控措施,按照经济生态逐步协调均衡的原则提出从现状模式到综合模式的方案设计方法,形成流域生态调度的整体方法和模型。
    2021  Vol.  52(12):    1449-1457    [摘要](106)    [PDF](62)
  • 基于“知-意-行”结构的中国河流开发与保护公众调查
    刘海龙,鲍秋然,许孝宸,张佳奇,周语夏
    随着长江大保护、黄河高质量发展战略的实施以及长江保护法的颁布,需要了解公众对河流开发与保护的认知与态度。本文在对河流相关研究及已有公众调查分析的基础上,通过网络问卷进行了基于“知-意-行”结构的中国河流开发与保护的公众调查。主要结论包括:(1)从知的层面,大部分被调查者认为中国河流目前处于高强度大规模开发,或开发对生态有较大影响的状态;对河流生态价值重视程度高;偏好自然与近自然河流的比例高,但对其了解并不充分;地方河流存在恶化趋势,人河关系已明显改变;(2)从意的层面,大部分被调查者关注河流保护比较被动;对保护措施了解不够;行动参与意愿不高;(3)从行的层面,被调查者在河流保护行动的实际参与水平较低。针对部分结论的相关性分析显示:对我国河流开发基本现状的认知与对家乡河流开发的生态影响的认知显著相关;对河流生态价值重要程度的评价与对河流状态的偏好显著相关;参与河流保护活动与对河流保护事件的关注程度显著相关等。最后分析了官方媒体与非政府组织的作用,考虑了公众认知的时代性与多利益方的因素。
    2021  Vol.  52(12):    1458-1469    [摘要](80)    [PDF](43)
  • 三峡水库运行后宜昌-城陵矶河段冲刷重心下移与时空演变
    王华琳,郑珊,谈广鸣,李凌云
    三峡大坝下游河道的冲刷发展影响着长江中下游的防洪、航运及区域经济发展。本文以宜昌至城陵矶河段约400 km长河段为研究对象,基于2002—2018年河道的来水来沙、泥沙粒径和横断面形态观测资料,计算并分析河道垂向冲淤、横向摆动、平滩面积、平滩水深和冲淤量的变化,根据河道平面形态将研究河段划分为32个子河段,对子河段平均平滩面积和平滩水深的变化速率进行分级,引入空间聚类分析方法,对冲刷强度等级最高的河段在时空尺度上分布进行聚类分析,研究河道冲刷重心的时空迁移规律。结果表明,三峡水库运用后下游河道经历了蓄水初期冲刷较强(2003—2007)、175 m正常蓄水运用后冲刷减弱(2008—2012)和上游梯级水库运用后冲刷增强(2013—2018)的三个阶段;空间上,宜昌至枝城及上荆江河段普遍冲刷,以弯曲型为主的下荆江河道以冲为主,但冲淤交替频繁,同时冲淤强度具有随时间衰减的特点;冲刷重心具有向下游迁移的趋势,在三峡水库蓄水初期冲刷重心向下迁移较快,之后减缓,上游梯级水库运用后,冲刷重心下移速率明显加快,之后再次减缓,2003—2018年冲刷重心平均下移速率约7.5 km/a。
    2021  Vol.  52(12):    1470-1481    [摘要](78)    [PDF](50)
  • 基于透明土技术与颗粒流方法联合开展管涌细观机理研究
    倪小东,寇恒绮,左翔宇,王媛,陆江发
    我国现今拥有堤防总长度超30万公里,但管涌型渗透破坏频发,造成极大社会经济损失,故开展管涌细观机理研究对于解决堤防工程安全问题具有重要意义。当前有关管涌细观机理研究主要从模型试验、数值模拟两个方面开展,并且大多从颗粒摩擦系数、颗粒级配和细料含量等角度揭示该细观机理。本文提出一种基于透明土技术、颗粒流模拟联合开展该细观机理研究的方法,并从颗粒间接触力链的细观角度分析颗粒摩擦系数、颗粒级配和细料含量对管涌发生、发展的影响。首先结合PLIF(平面激光诱导荧光技术)与透明土技术自行设计可视化模型试验平台,其次基于MRI(磁共振成像)技术,借助Avzio软件实现对透明土样二维切片的三维重构,然后将重构模型导入PFC3D中并进行相同条件下的颗粒流模拟,通过比对模型试验与数值模拟结果,验证本方法开展管涌细观机理研究的可靠性,最后进行重构模型在不同颗粒摩擦系数、颗粒级配和细料含量条件下的数值模拟,并从力链角度论述各组试验规律。本文可为管涌细观机理研究提供一种置信度高、可行性好的新途径。
    2021  Vol.  52(12):    1482-1497    [摘要](89)    [PDF](74)
  • 深层隧道排水系统中井隧水力学特性研究
    安瑞冬,游景皓,廖磊,孟文康,李嘉
    深层隧道排水系统(深隧)是布置于深层地下的大型排水工程,一般由调蓄隧道、入流竖井、通风设施(排气井)及排水泵站组成,具有调蓄雨洪及控制溢流污染的作用。其中调蓄隧道为避开地铁等城市地下工程往往布置于距离地面30~60 m深处,入流竖井连接地表浅层管网和深层隧道。深隧系统竖井内部的水力学特性复杂,具有单宽流量大、落差高及大量掺气等特点,处理不当将造成较大的破坏。而极端降雨期间,由于未能充分排气而产生的间歇喷涌,也会对设施造成损害。本研究采用物理模型试验和水-气两相流数学模型CLSVOF(CouplingLevel Set and Volume Of Fluid),研究了不同结构竖井(旋流式竖井和螺旋阶梯式竖井)水力学特性和调蓄隧道中的间歇喷涌问题。根据施工条件设计的两种竖井方案的消能率接近,旋流竖井存在负压及较大震动、排气不畅,而螺旋阶梯式竖井流速较低且流态稳定。在对调蓄隧道中“间歇喷涌”的数值模拟研究中,排气井管径对间歇喷涌的影响十分显著,模拟情景中最剧烈的喷涌会产生5.35倍初始状态下的测压管水头和38.2 m/s的喷涌速度。
    2021  Vol.  52(12):    1498-1507    [摘要](97)    [PDF](70)

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