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  • 水利学报
  • 2017年 第48卷 第9期
  • 出刊日期:2017--
《水利学报》创刊于1956年,是中国水利学会、中国大坝协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。

2017年第48卷第9期

(下载当期目录)

  • 海绵城市系统构建模式
    王浩,梅超,刘家宏
    海绵城市是我国城市水问题综合治理的一种新理念。目前科学界和实践部门因各自的专业所限和视角不同,对于海绵城市的本质内涵、构建模式和建设途径还存在诸多不同观点,缺乏统一认识,在一定程度上阻碍了海绵城市研究与实践的深入。本文试从对城市水问题的基本判断出发,分析指出海绵城市的科学内涵,综合提出海绵城市构建的系统模式。该模式从系统思维出发,总结了海绵城市建设的本质内涵、系统诊断、基本途径和耦合平衡,并统合于海绵城市"一片天对一片地"核心思想,突破专业限制,从宏观上提出了涵盖海绵城市全要素全过程的系统科学范式,可为海绵城市研究、规划与建设提供基础理论支撑。
    2017  Vol.  48(9):    1009-1014,1022    [摘要](279)    [PDF]()
  • 早龄期混凝土温度场分布的细观数值仿真分析
    王立成,吴迪,鲍玖文,梁永钦
    在细观层次上,将混凝土看作由粗骨料、砂浆及二者界面过渡区组成的三相复合材料,提出了适用于热量传输分析的细观格构网络模型。假定仅有砂浆相在水化过程中释放热量,根据伽略金加权余数法和有限差分法,建立了混凝土各相组分的热传导控制方程及其离散形式。基于所建立的细观格构网络模型,并考虑混凝土在早龄期的"热-化学"耦合作用,开展了混凝土温度场分布的时变数值仿真研究,分析了骨料预冷和边界条件对早龄期混凝土内部温度场分布的影响。与已有试验结果对比表明,所建立的细观格构网络模型能够较准确地模拟混凝土绝热温升的变化规律。
    2017  Vol.  48(9):    1015-1022    [摘要](139)    [PDF]()
  • 水资源承载力指标体系及评判准则研究
    王建华,翟正丽,桑学锋,李海红
    随着社会用水和排泄强度的不断增大,水资源数量和质量成为区域生态环境和社会经济协调发展的主要约束因子,也是影响水资源承载的主要因素。本文从水资源、经济社会、水生态、水环境综合角度,基于"量、质、域、流"四大方面构建水资源承载力"四层三级"评价指标体系,提出水资源承载状况的评价标准、评判方法和水资源承载类型的划分方法,为水资源承载力评估和状态诊断提供方法支撑。本文以天津市为例开展现状水资源承载力评估分析,研究表明:天津市在入境和本地水总水量35.98亿m3、生态补水2.8亿m3、出境水量12.95亿m3、污水一级A出水COD水质标准的情况下,天津市水量承载力区间为1 686万~1 772万人,水质承载力区间为1 169万~1 393万人,水资源承载力区间为1 169万~1 393万人,均值1 281万人;天津市水资源承载状况属于水资源超载区,类型为水质超承载型。
    2017  Vol.  48(9):    1023-1029    [摘要](185)    [PDF]()
  • 分层型水库取水水温量纲分析及其影响因素研究
    郑铁刚,刘之平,孙双科,柳海涛,牛志攀,李广宁
    水温分层作为影响库区水生生态系统的重要因素逐渐成为研究热点。影响下泄水温的主要因素包括:坝前水温梯度、取水水头、取水流量、取水口宽度、温跃层厚度、重力加速度等。通过量纲分析法,基于π定理尝试建立了溢流式分层取水下泄水温估算模型。采用SAS 9.3统计软件对实验数据进行了回归分析,提出了下泄水温估算方程,相关系数达到95.6%。研究结果表明,水温梯度项为下泄水温估算的最主要因素,其次为取水水头项,最后为流量项;随着坝前水温温跃层强度增大,下泄水温升高,且强度越大,对下泄水温的影响越显著;下泄水温随取水水头的增加而降低,下泄水温降低幅度明显小于取水水头变幅;当取水流量逐渐增大时,下泄水温逐渐升高,但取水流量大于临界值时,下泄水温转而表现出缓慢下降趋势;在本文研究范围内,估算方程可以用于较好地预测下泄水温,预测结果与实验数据的相关系数为99.4%。
    2017  Vol.  48(9):    1030-1038    [摘要](109)    [PDF]()
  • 论水文计算中的相关性分析方法
    闫宝伟,潘增,薛野,段美壮
    相关性分析是水文计算的一项重要内容,几乎涉及到水文计算的各个领域,寻求适合的相关性分析方法,对解决实际问题将有很大帮助。本文全面论述了水文计算中的相关性,综述了各类相关性的度量和分析方法及适用范围;分析了线性回归和自回归分析在水文计算中遇到的理论障碍,研究了采用Copula函数解决水文变量非线性和非正态问题的可行性;考虑水库蓄水增量的长程相依性,展望了R/S分析方法在水库防洪风险分析中的应用前景;提出了用主成分分析思想构造洪水事件综合指标的方法,以实现洪水恶劣程度的综合排序;研究了Copula函数分析结果的可靠性,指出了这种方法在应用层面上可能出现的失真问题;最后分析了水文计算常遇到的假相关问题。
    2017  Vol.  48(9):    1039-1046    [摘要](216)    [PDF]()
  • 混凝土水力劈裂试验研究
    杜成斌,陈小翠,陈玉泉,游茂源
    本文采用改进后的楔形劈拉试验密封装置进行了有(无)水压作用下的混凝土(水力)劈拉试验。设计的密封装置通过特制的夹具、硅胶板来实现密封水的作用,以承受施加在混凝土试件预制缝的外部水压力。试验表明,本文设计的密封装置对混凝土试件断裂参数的影响相对较小。根据预埋在裂缝尖端水压力传感器记录的数据,拟合并总结出混凝土试件缝面水压力在不同阶段的分布情况及一般规律。试验结果表明,不论是慢速加载还是快速加载,当水稳定进入裂缝时,缝面水压分布曲线主要由直线段和抛物线段两部分组成;慢速张开情况下裂缝口的水有足够的时间流入裂缝内,快速张开时缝内水的运动明显有滞后性。当慢速与快速加载作用达到相同的裂缝张开宽度时,慢速加载时缝面水压力是快速张开情况下的2~3倍。外水压对混凝土楔形劈拉失稳荷载影响较大,随着外水压的增大,试件的失稳荷载明显减小;快速加载下,失稳荷载比慢速加载时要有所增大。水力劈裂试件的扩展裂缝形状比较平直,而无水压作用时,试件劈裂扩展裂缝形状则有较多的曲折。
    2017  Vol.  48(9):    1047-1054    [摘要](93)    [PDF]()
  • 西藏高海拔地区气象数据缺失条件下的ET0计算研究
    汤鹏程,徐冰,高占义,高晓瑜
    西藏高海拔地区低氧低压(平均不足海平面的2/3)、太阳辐射强(年太阳辐射6 000~8 000 MJ/m2)、近地层空气湿度变化大,加之西藏地区气象资料系列短、站点少,该地区ET0计算具有特殊性及不便性。本研究基于西藏地区9个典型站点20年逐日气象资料,通过引入海拔因子与修正温度常数对Hargreaves (HS)模型进行改进,旨在得到一种少参、准确的高海拔地区ET0简易计算方法。结果表明,海拔2 000 m以上地区Hargreaves-Ele-vation (HS-E)改进模型在不同时间尺度条件下的修正结果均明显优于HS模型且避免了原HS模型在高海拔地区ET0计算出现负值的情况,提升了ET0计算值的实用性与精度。以PM模型ET0计算值为标准进行误差分析,HS-E模型逐日ET0计算的纳什效率系数(NSE)、均方根误差(RMSE)和平均相对误差(MRE)分别为0.8、0.53mm/d和13.80%,逐月ET0计算的NSERMSEMRE分别为0.84、11.90 mm/month和12.50%;对比不同时间尺度条件下(日、月)误差分析结果可知,计算时间尺度越大HS-E模型结果越优。HS-E改进模型在高海拔地区适应性较强,具有较高的计算精度,可作为西藏海拔2000 m以上地区气象数据缺失条件下ET0计算的推荐模型。
    2017  Vol.  48(9):    1055-1063    [摘要](132)    [PDF]()
  • 大区域含水层中局部复杂水流过程的多尺度模拟
    曾季才,查元源,杨金忠
    精细刻画带有小尺度特征的局部复杂水流运动过程,是大区域地下水流运动数值模拟的重要议题。本文建立了一种能进行多时空尺度数值离散的三维地下水流运动耦合模型,用以获取全区域大尺度解及多子域小尺度高精度解。模型采用基于达西定律的三维水头插值算法,以实现多空间尺度模型耦合;同时,针对局部复杂水流条件,进行小尺度模型边界水头二阶时间曲线拟合及自适应时间步长插值,以实现多时间尺度模型耦合;此外,在局部问题的求解上支持任意边界形状及空间范围内的多个自由加密子网格离散,从而充分节省计算成本并保证计算精度。本文以通用地下水模型求解软件MODFLOW在高密度时空网格上的解作为参照解,对比分析了模型在多时空尺度、非匹配自由网格问题中的求解精度。相比传统局部加密或全局加密模型方法,本文模型能大幅度减小矩阵规模和求解工作量;相比传统局部加密多网格耦合模型,本文模型能更精确地刻画局部尺度的复杂水流运动过程。本文模型耦合方案可作为大区域含水层中精细刻画小尺度复杂水流过程的高效数值工具。
    2017  Vol.  48(9):    1064-1072    [摘要](95)    [PDF]()
  • 挡水结构水下爆炸作用的离心模型试验
    胡晶,陈祖煜,魏迎奇,张雪东,梁建辉,黄志杰
    水下爆炸包括冲击波和气泡脉动,两者能量相当,均会对结构产生毁伤作用。水下爆炸载荷试验唯有在离心机内才满足相似关系,设计试验时宜在离心机负载范围内尽可能增加模型尺寸以减小边界效应。针对挡水结构,在离心机内布置压力传感器、高速摄像机、加速度计及应变片测试了冲击波、气泡脉动载荷及结构产生的动力响应。通过试验对比了水下爆炸和空爆产生的载荷,分析其引起结构动力响应的差异。对于水下爆炸,重力加速度的增加引起气泡脉动冲量的减小,而气泡脉动产生的峰值应变基本与气泡冲量呈线性关系,因而模拟气泡脉动对结构作用时应考虑重力效应。
    2017  Vol.  48(9):    1073-1081    [摘要](90)    [PDF]()
  • 渗漏溶蚀作用下碾压混凝土层(缝)面抗剪强度衰减规律试验研究
    孔祥芝,陈改新,李曙光,纪国晋
    采用硝酸铵溶液循环浸泡的方式加速并模拟碾压混凝土层(缝)间渗漏溶蚀过程,应用直剪法测试抗剪强度,研究了溶蚀对混凝土层(缝)面抗剪强度的影响。结果表明,碾压混凝土层(缝)间渗漏溶蚀沿着缝面的法向逐渐向两侧混凝土的内部延伸,缝面溶蚀深度,即溶蚀前锋线至缝面的距离,用酚酞指示剂+电子探针线扫描技术测定,与钙离子累计溶出量呈线性关系,可以定量表征溶蚀程度。渗漏溶蚀引起缝隙两侧混凝土的孔隙率增大,微观结构变差,混凝土层(缝)面摩擦系数、黏聚力下降,但下降速率逐渐降低,衰减规律遵循牛顿冷却定律。试验数据拟合表明,基于牛顿冷却定律建立的以缝面溶蚀深度为自变量的抗剪强度衰减模型能够很好地反映碾压混凝土层(缝)面抗剪强度变化规律。
    2017  Vol.  48(9):    1082-1088    [摘要](85)    [PDF]()
  • 流域洪水资源利用的理论框架探讨Ⅱ:应用实例
    王宗志,刘克琳,程亮,齐春三,谭乐彦
    为验证本文上篇所建流域洪水资源利用模式的合理性与普适性,在南四湖流域开展实例分析。首先评价洪水资源利用现状与潜力,1974-2008年多年平均实际可利用量、现状利用潜力和理论利用潜力分别为14.67亿、2.88亿和7.33亿m3,实际利用率为64.9%。然后针对防洪系统的组成要素,讨论二级坝汛限水位分期运用、湖西河系沟通调控等洪水资源利用方式的选择过程及其相应的实现途径。二级坝后汛期(8月21日-9月30日)汛限水位可从34.20 m抬高至34.35 m,增加兴利库容0.894亿m3,湖泊高水位增幅0.020~0.026 m;提出的湖西河系沟通调控方案,可在几乎不增加防洪风险的前提下(1998年8月洪水),增加蓄水量1.358亿m3。结果表明,集潜力评价、利用方式选择和风险效益综合评估于一体的流域洪水资源利用模式是合理、可行的。
    2017  Vol.  48(9):    1089-1097    [摘要](127)    [PDF]()
  • 水锤泵内部流道优化及性能研究
    李甲振,郭新蕾,杨开林,郭永鑫,黄伟,曹庆皎
    水锤泵是一种不用电和油的自动泵水机械,在缺电、无电的山区、农村具有广阔的应用前景。为解决传统设计过程中难以对流道进行评析、研发周期长以及产品性能低的难题,提出了水头损失系数、阀瓣升力系数、阀瓣受力偏心距和出口流速分布均匀度的水锤泵内部流道评价指标和相应的数学模型,建立了采用前扩式和后扩式流道的水锤泵数值模型,并进行了分析对比。前扩式和后扩式流道的水头损失系数分别为4.51和3.72,泄水阀的升力系数分别为4.11和2.23,泄水阀受力来流方向的偏心距分别为0.21 mm和2.02 mm,泄水阀出口的流速分布均匀度分别为47.8%和69.2%。经对比,后扩式流道的水头损失系数和泄水阀升力系数小,受力偏心距大,出口流速分布均匀度高,是一种较为合理的布置形式。选择后扩式流道制造生产了新型水锤泵,在不同作用水头和扬程下进行多工况性能测试,建立了扬水量评估公式,给出了所需的来水量。
    2017  Vol.  48(9):    1098-1106    [摘要](81)    [PDF]()
  • 基于离散元的颗粒材料三维临界状态与剪胀特性研究
    刘嘉英,马刚,周伟,常晓林
    临界状态通常作为砂土等颗粒材料本构模型中的一种参考状态,是经典土力学框架的一个重要组成部分。根据砂土的细观结构特性,一些学者提出了描述砂土内部结构特性的状态参量,建立了状态相关的剪胀模型。然而受试验条件的限制,目前多采用常规三轴试验研究颗粒材料的临界状态和剪胀特性,未考虑中主应力因素。已有研究表明加载路径对颗粒材料的力学特性有一定影响,本文采用离散单元法模拟了颗粒材料真三轴应力路径试验,分析了加载过程中颗粒材料的应力应变特性及中主应力对临界状态的影响。结果表明:颗粒材料的临界状态线(CSL)在e-lg p平面内是唯一的,与中主应力系数无关。临界状态应力比与应力罗德角的关系可以采用角隅函数近似表达。基于状态相关的剪胀理论,采用Lode角的函数(角隅函数)表示模型参数,提出一个新的应力-剪胀模型。数值试验结果表明,本文采用的三维剪胀模型能够较好地反映了离散元数值模拟中颗粒材料在三维应力路径下的剪胀特性,然而公式的适用性需要更多的试验验证和理论研究。
    2017  Vol.  48(9):    1107-1117,1125    [摘要](79)    [PDF]()
  • 水力机械运行中的拍振和共振问题探讨
    徐洪泉,廖翠林,王万鹏,李铁友
    拍振和共振是常见的自然现象,对水力机械稳定运行危害很大,但在对其研究中存在将二者混淆和对部分虚假拍振信号辨识不清等问题,需深入探讨。本文首先介绍了拍振波的基本原理,通过对几种特殊情况的分析说明了拍振波的拍振频率和幅值范围,并在分析拍振波本质特征、共振基本特征、扰动频率和固有频率差别的基础上进一步论述了拍振和共振的区别,提出了扰动频率和系统固有频率接近不会产生拍振、两个不同的扰动波即使频率相同也不可能产生共振等新见解;其次,本文还分析了采集信号不健全和高频载波两种虚假"类拍振波"的产生原因,提出了提高信号采集频率避免类拍振波和依据拍振波本质特征辨识拍振波的简单方法。
    2017  Vol.  48(9):    1118-1125    [摘要](65)    [PDF]()
  • 直导叶几何参数对双向泵内流场及水力性能的影响
    马鹏飞,王军
    直导叶因其易于加工而广泛应用于轴流式叶片机械。为研究直导叶内的流动特性及其设计方法,以高比转速双向泵为研究对象,基于全结构化网格,采用SST k-ω湍流模型分析了加直导叶时泵内流动损失机理及直导叶几何参数对泵外特性和内流场的影响,总结了直导叶的设计方法。结果表明:直导叶弦长和叶片数增加会扩大发生流动分离的区域,形成大尺度回流;减小导叶-叶片轴向间距会增大直导叶进口冲角,加大分离强度,因此应在结构强度允许的情况下尽可能减小弦长及叶片数并适当增加轴向间距。研究结果可为轴流式叶片机械的直导叶设计提供一定参考。
    2017  Vol.  48(9):    1126-1133    [摘要](67)    [PDF]()

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