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  • 水利学报
  • 2021年 第52卷 第4期
  • 出刊日期:2021-04-28
《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4期

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  • 城市暴雨洪涝模拟:原理、模型与展望
    徐宗学,叶陈雷
    在气候变化和人类活动的双重影响下,我国城市洪涝问题日趋严重。在对城市水循环规律深入研究的基础上,开发城市水文水动力模型模拟城市洪涝过程,是弄清城市洪涝致灾机理、减轻洪涝灾害和评估海绵城市减灾效果的重要工具。本文从我国城市洪涝现状和海绵城市建设出发,总结了城市洪涝模拟方法,对水文模型、水动力模型以及二者的耦合机理进行了较为深入的分析,并介绍了目前常用的城市洪涝模拟模型。在此基础上,梳理了当前与城市洪涝模拟相关的热点研究领域,并对其未来发展趋势进行了展望。
    2021  Vol.  52(4):    381-392    [摘要](28)    [PDF](18)
  • 三门峡水库汛期排沙效果研究
    侯素珍,胡恬,杨飞,王平
    三门峡水库汛期排沙是解决泥沙淤积问题、控制潼关高程的关键途径。“蓄清排浑”运用以来,非汛期蓄水期库区发生淤积、汛期降低水位运用排泄全年泥沙,基本保持了库区动态冲淤平衡。不同控制水位和入库流量过程存在不同的排沙效果,针对三门峡水库汛期排沙过程的差异,对“蓄清排浑”运用以来汛期排沙特征进行统计,分析了水库敞泄和不同控制水位运用对排沙效果的影响。结果表明,在汛期平水305 m、洪水敞泄的运用条件下,水库排沙具有多来多排的特点,汛期排沙总量与入库含沙量和水量密切相关;完全敞泄时库区冲刷取决于流量大小和敞泄时间,净排沙效率随着水量的增加和敞泄时间的延长而减小,冲刷效率降低;汛期控制运用期,当流量在1000 m3/s以上时、水位在305~311 m也会产生一定的排沙,排沙效果取决于含沙水流在壅水段的滞留时间和出入库流量之比。研究成果可为三门峡水库运用方式的优化提供依据。
    2021  Vol.  52(4):    393-400    [摘要](12)    [PDF](6)
  • 黄河口盐沼湿地植被群落适宜生境模拟Ⅱ:应用
    易雨君,谢泓毅,宋劼,杨志峰
    在径流和潮汐的共同作用下,黄河口三角洲天然盐沼植被具有明显的带状分布特征。本文基于盐沼植被对土壤水盐的响应机理构建地下水动力-种群动力学生境耦合模型,模拟了径流和潮汐共同作用下,黄河三角洲不同土壤水盐条件下盐沼植被适宜生境及生物量的时空分布。以不同年份黄河利津站的水资源量为依据,模拟了最大年、丰水年、平水年和枯水年和最小年5种水文年时间序列方案,模拟不同河流径流过程对河口盐沼植被的影响。研究发现盐沼植被在研究内的适宜生境在黄河两岸呈带状分布,在距离黄河较远的区域呈散点状分布;芦苇的生物量积累主要发生在较窄的条带上,而翅碱蓬和柽柳的生物量积累均匀分布在面状区域,3种盐沼植被在散点状适宜生境上均无生物量积累;丰水年情景下生长季内适宜生境月均面积最大,达研究区总面积16.66%;而枯水年情景生长季内月均生物量最多,最大达13.86万t。研究构建了地下水动力-种群动力学生境耦合模型,能够定量化模拟不同径流情景下河口湿地地下水、土壤水盐条件及盐沼植被适宜生境与生物量分布规律,以期服务于河口三角洲盐沼植被保护与修复。
    2021  Vol.  52(4):    401-408    [摘要](16)    [PDF](8)
  • 低含沙量条件下张瑞瑾挟沙力公式中参数确定及其在荆江的应用
    周美蓉,夏军强,邓珊珊,刘鑫
    水流挟沙力公式及其参数选取的合理性,直接影响到悬沙输移及河床冲淤变形的计算精度。在少沙河流,张瑞瑾水流挟沙力公式被广泛应用,但其系数和指数在不同研究中取值差异较大。本研究首先选取长江中游相对冲淤平衡状态下的水流含沙量资料共计573组,将其近似等于水流挟沙力;然后点绘水流挟沙力和水沙综合参数的关系,从而确定参数km的计算关系;最后将完善后的水流挟沙力公式嵌入到一维水沙动力学模型中,模拟了长江中游荆江段2016年的水沙输移过程。计算结果表明:当挟沙力公式中参数采用计算式确定时,各水文站计算和实测含沙量平均相对误差在26%~36%之间;而这些参数取为常数时,含沙量平均相对误差范围为39~49%。因此当采用计算式确定张瑞瑾沙力公式中的参数时,相较于取值为常数,水沙输移过程的计算精度更高。故该方法解决了以往在低含沙量条件下不易确定挟沙力公式中关键参数的难题,提高了水沙数学模型的计算精度。
    2021  Vol.  52(4):    409-419    [摘要](13)    [PDF](9)
  • 下凹形态裂隙面粗糙程度表征及立方定律修正系数拟合
    甘磊,马洪影,沈振中
    裂隙面粗糙程度直接影响着裂隙的渗流特性,利用高倍数码相机采集孔隙介质模块粗糙裂隙面信息,结合数字成像和MATALB技术拟定典型粗糙度的裂隙面,提出描述试样裂隙面粗糙程度的下凹度,研究下凹度对裂隙过流能力的影响,确定下凹形态粗糙裂隙的立方定律修正系数公式。结果表明:预制混凝土块裂隙面的下凹面积百分比随下凹程度的增大逐渐减小,立方定律修正系数与相对下凹度呈二次多项式关系;采用等效水力隙宽比直接采用1.0 mm光滑裂隙的模拟成果更贴近双重介质渗流水力特性试验结果,平均绝对误差MAE、均方根误差RMSE和平方根R2分别为1.35%、1.06×10-4和0.995。下凹形态粗糙裂隙立方定律修正系数成果与试验结果吻合,该修正系数模型公式是合理的。提出的粗糙度表征方法和修正立方定律能够有效描述下凹形态粗糙裂隙渗流特性。
    2021  Vol.  52(4):    420-431    [摘要](17)    [PDF](9)
  • 新安江模型研究的回顾和展望
    陆旻皎
    本文回顾新安江模型的研发,冀望从中得到启发,展望模型发展的将来方向。因为新安江模型研究有非常庞大的积累,为了突出重点,回顾主要着眼于与模型研发和可利用性有关的几个方面。它们包括流域产流机制、蓄水容量曲线、模型参数及率定、模型参数自动率定和模型参数的时空可移植性等5个方面。了解过去的研究积累和现状,从模型的研究开发、改善和论证,参数空间结构的理解和参数率定,参数在时间空间上的可移植性,以及模型的普及推广的观点出发,提出一些思路和建议。
    2021  Vol.  52(4):    432-441    [摘要](25)    [PDF](17)
  • 考虑颗粒粒径和液桥体积的毛细力计算方法
    张昭,程靖轩,刘奉银,齐吉琳,许增光
    土坝在非饱和渗流作用下的变形过程与湿颗粒间的细观毛细黏聚作用密切相关,因此对湿颗粒间形如液桥的水分的毛细力进行计算分析有助于认识这种作用机理。从颗粒粒径和液桥体积出发,将湿颗粒简化为不等径球体颗粒,先结合其间液桥的几何特征构建了Young-Laplace方程数值解的数据组。其次,将固-液接触角θ≤20°范围内的小体积液桥(VLB*≤1×10-3)表面形状假定为椭圆弧,依据颗粒等效半径推得液桥断裂距离及其毛细力关于液桥体积和颗粒间距的解析公式,并采用已有文献中不等径球体颗粒间小体积液桥的毛细力实测值验证了解析公式的有效性。再次,依据液桥体积变化更广范围内Young-Laplace方程数值解的数据组,引入颗粒半径比构建了适用于大体积液桥(VLB* > 1×10-3)的断裂距离拟合公式,并将其嵌入已有不等径湿颗粒间液桥的毛细力拟合公式中进行改进。最后,采用Young-Laplace方程数值解的数据组评价了已有的与改进的毛细力拟合公式适用性,通过对比预测误差发现:改进公式对半径比在1~128范围内的湿颗粒间不同体积液桥(VLB* ≤0.13)在固-液接触角θ≤40°且颗粒间距不超过液桥断裂距离范围内的毛细力预测效果优于已有公式。将本文提出的毛细力计算方法嵌入典型湿颗粒材料的微细观弹塑性本构模型时,可用于水位骤降时土坝的变形分析及其稳定性评价。
    2021  Vol.  52(4):    442-460    [摘要](14)    [PDF](14)
  • 基于振动信号的水电机组状态劣化在线评估方法研究
    刘东,赖旭,胡晓,肖志怀
    实现水电机组状态劣化评估和故障预警是行业研究的热点。论文提出了一种结合时域与频域特征的机组劣化在线评估方法。(1)先利用检测指数确定振动信号中对机组运行状态最为敏感的时域特征;再以机组健康状态下工况参数X(水头、开度等)和检测指数筛选的振动信号时域特征Y为健康样本,利用最小二乘支持向量机构建机组状态健康模型Y=fX)。基于该模型,以实时工况参数为输入,在线预测对应工况下机组振动信号时域特征健康值,计算健康值与实际值之间的相对误差,作为评估机组劣化程度的时域劣化指标。(2)利用小波变换与奇异值理论对振动信号进行分解,提取健康状态下机组振动信号奇异值特征向量并得到健康聚类中心,实时计算实测信号奇异值特征向量与健康聚类中心之间的相对欧式距离,作为频域劣化指标。结合时域和频域劣化指标,在线计算综合劣化指标评估当前时刻机组劣化程度。结合实际机组运行案例,验证了该模型的有效性和实用性。
    2021  Vol.  52(4):    461-473    [摘要](13)    [PDF](10)
  • 基于无监督特征学习的水电机组健康状态实时评价方法
    胡晓,肖志怀,刘东,吴道平,查海涛,廖志芳
    水电机组健康状态实时评价是状态监测和劣化预警中的重要内容,传统方法采用单一限值比较,不能体现机组个性特色,且适用机组运行工况有限。同时,现阶段已知的水电机组故障类型有限,缺乏故障样本,限制了有监督特征学习方法的实际应用。本文提出了以无监督特征学习技术构建水电机组健康状态劣化指标的新方法,充分利用水电机组状态监测系统中海量数据,挖掘机组正常状态关键特征,建立基于特征空间重构奇异值分解的时域劣化指标和基于自编码器重构误差的频域劣化指标,实时量化评价机组健康状态。以国内某水电站机组轴向振动波形为例,验证了劣化指标的有效性。结果表明,所提出的劣化指标能够反映机组健康状态劣化程度,且比常用时域统计指标更清晰地表现劣化趋势,有效评价机组健康状态,实用性更强。
    2021  Vol.  52(4):    474-485    [摘要](16)    [PDF](12)
  • 基于新型综合干旱指数的珠江流域未来干旱变化特征研究
    李军,吴旭树,王兆礼,尹家波,陈晓宏
    综合干旱指数构建及评估未来综合干旱特征变化具有重要的理论价值和现实意义。本文基于Copula函数,联合降水及VIC模型模拟的蒸散发、径流和土壤水等水文气象要素,构建了一种能综合表征气象-水文-农业干旱特征的新型综合干旱指数(CSDI),并以珠江流域为例进行应用,分析了未来气候变化情景下研究区综合干旱的变化特征。结果表明:(1)CSDI指数综合考虑了与干旱发生、演变密切相关的水文气象要素,能很好地监测到干旱的发生、发展过程,可综合从气象、水文与农业等角度刻画干旱特征。(2)RCP2.6情景下,流域下游综合干旱严重性降低且历时减少,而RCP4.5和RCP8.5情景下,全流域则均增加,严重性和历时分别至少平均增加14.8%和11.5%。(3) RCP2.6情景下,流域上下游超阈联合重现期100年的同频设计严重性和历时值均大幅降低,而RCP4.5、RCP8.5情景下,流域大部分地区则均呈升高。本研究可为研究区防旱抗旱提供新的参考。
    2021  Vol.  52(4):    486-497    [摘要](14)    [PDF](9)
  • 孔隙结构对地下水回灌颗粒堵塞影响的试验研究
    王诏楷,束龙仓,刘波,杨寅星,张运铎
    地下水人工回灌是增加地下水补给量的有效手段,颗粒堵塞是影响地下水回灌效率的主要因素,介质孔隙结构是颗粒堵塞发生发展的直接影响因素。为了研究孔隙结构如何对地下水回灌颗粒堵塞产生影响,基于地下水回灌工程实际,设计并搭建了一维砂柱物理模型,通过玻璃珠介质和石英砂介质的对比试验,研究了介质孔隙结构对地下水回灌颗粒堵塞的影响。定量表达并分析了孔隙结构对颗粒运动过程和颗粒堵塞发生发展的影响。对试验现象进行了定量描述和理论推导,分析总结了地下水回灌试验过程中的颗粒运动规律及颗粒堵塞机理。研究表明,地下水回灌过程中介质孔隙结构越不规则,颗粒堵塞发展越快、发展程度越高、影响范围越大。本研究为地下水人工回灌等提供了一定介质孔隙结构对颗粒堵塞影响方面的理论参考。
    2021  Vol.  52(4):    498-506    [摘要](20)    [PDF](9)

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