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  • 水利学报
  • 2019年 第50卷 第6期
  • 出刊日期:2019-6-28
《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。

2019年第50卷第6期

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  • 溃坝泥石流起动过程及其动力学特征
    舒安平,朱福杨,王澍,沈真全
    溃坝泥石流是由于滑坡、地震等自然灾害或不当的人为堆土弃渣产生大量固体物质淤堵沟道或河流后,在遭遇暴雨或汇流冲刷作用下致使淤堵体突然溃决而形成的一种特殊固液两相流。本文采用自制泥石流模拟变坡水槽,实施了24组溃坝泥石流模拟实验,按照溃决方式和相对剪切力将溃坝泥石流划分为局部型和整体型两类,并分析了这两类溃坝型泥石流的成因,揭示其在起动过程中孔隙水压和水沙因子动力学特征。结果表明,小流量、小坡度下更容易形成局部溃坝型泥石流,否则更容易形成整体溃坝型泥石流,而且后者相对剪切驱动力大于前者,研究成果对于溃坝泥石流防治工程的规划设计以及提高泥石流防灾减灾水平具有重要意义。
    2019  Vol.  50(6):    661-669    [摘要](160)    [PDF](146)
  • 淮河流域水系盒维数与连通度相关性研究
    窦明,于璐,靳梦,李桂秋
    在自然演变和人工干预双重影响下,河湖水系的发育程度和连通效果在不断变化,进而影响到流域水资源的合理开发利用。本文以淮河流域作为研究对象,从数字高程模型中提取了全流域水系结构图,并根据其他资料对结果进行修正;基于当地人工水系建设背景,运用分形理论计算了全流域13个水资源三级分区有、无人工水系情况下的水系分形盒维数;基于河道闸坝工程建设背景,运用图论方法计算了全流域13个水资源分区有、无闸坝工程情况下的水系连通度;最后,采用统计学方法研究了淮河水系盒维数指标与水系连通度指标之间的联系。结果显示,剔除人工水系后的各分区水系盒维数有不同程度的下降,且下降程度与区域水系个数、面积一定程度上成正比例关系;考虑有无人工水系、闸坝工程影响的各分区水系连通度,有的增大,有的减小;水系盒维数与连通度间大体上呈现正相关的趋势关系。研究成果可为有关部门开展淮河流域水系建设工作提供理论支撑,为摸清自然规律和人类活动对水系形态结构、发育情况和连通性的影响提供技术支持。
    2019  Vol.  50(6):    670-678    [摘要](112)    [PDF](94)
  • 水体中溶解氧含量与其物理影响因素的实验研究
    胡鹏,杨庆,杨泽凡,韩昆,潘剑光
    影响自然水体中溶解氧含量的因素包括化学因素、物理因素和生物因素,其中与水力学条件直接相关也易于进行调控的是物理因素。但现有对物理影响因素的研究中,关于水体流速对溶解氧含量及分布情况的系统性实验研究较为缺乏。本文通过搭建模拟河道,营造不同的水动力条件,探究流速、水深及水温对于河道内溶解氧含量及分布的影响。研究结果表明:在不考虑光合作用的复氧时,溶解氧在水体中的分层现象与流速和水深密切相关;对于地表Ⅲ类水,流速达到0.05 m/s时,溶解氧浓度相比于静止水体增加超过50%,饱和度达到90%左右;流速在0.05 m/s以下时,流速对于溶解氧浓度的影响占主导地位,流速超过0.05 m/s后,水温的影响占主导地位,溶解氧浓度随水温升高而降低,但溶解氧饱和度受水温影响不显著。
    2019  Vol.  50(6):    679-686    [摘要](122)    [PDF](88)
  • 多维复杂关联因素下的大坝变形动态建模与预测分析
    李明超,任秋兵,孔锐,杜胜利,司文
    大坝变形监控模型是多维复杂关联性以数学形式表达的集成载体,因而合理量化和集成关联性有利于更加全面而准确地构建数学模型。本文着重从维度、关联、检验、措施及模型五个层面依次对因子相关性、动态因果关系和序列相似性三种关联性进行阐述,提出了一种兼顾相关性和相似性的大坝变形动态监控模型。该模型以环境因子与大坝变形间的因果关系为基础,分别采用耦合相关性诊断方法、动态最大信息系数和标准化动态时间规整算法度量因子相关性、动态因果关系和序列相似性,并通过非线性模型建立、动态输入修正和交叉多输出改进将多维复杂关联性统一于大坝变形动态建模框架中。以西南地区某混凝土坝工程多测点变形监测数据为例,通过多模型性能对比仿真实验对所提方法的有效性和准确性进行了验证评估。结果表明,与常规模型相比,集成多维复杂关联性的大坝变形动态监控模型的预测性能尤佳,以期为大坝变形安全预报提供一种新型建模方法。
    2019  Vol.  50(6):    687-698    [摘要](115)    [PDF](100)
  • 止水帷幕缝隙渗漏变化过程试验研究
    曹洪,朱东风,范泽,骆冠勇,潘泓
    由于施工工艺的原因,止水帷幕一般存在缝隙。在长期渗流的作用下,带缝隙的止水帷幕渗漏量如何发展需要进一步研究。因此,作者自行设计并制作了砂槽模型模拟带裂缝的止水帷幕,并开展了一系列的渗流试验。试验考虑了水力条件、砂样级配和缝隙尺度因素的影响。结果表明,在水头不变的情况下,各试验中均出现了渗漏量下降的现象,但水头升高则会破坏这一现象。缝隙渗漏量下降的实质是砂颗粒移动和聚集导致淤堵的产生,淤堵位置可能在上下游缝口、缝隙进出口或缝隙内。当砂样粒径较细时,缝隙渗漏量下降效果最为显著;当下游回填级配不稳定的砂样时,缝隙渗漏量下降效果不佳。
    2019  Vol.  50(6):    699-709    [摘要](86)    [PDF](85)
  • 干旱区凝结水评估及对水量平衡方程影响
    王忠静,张子雄,索滢
    凝结水是大气中水汽通过凝结作用向地表输送的水分,在水量平衡计算中常被忽略。本文利用西北干旱区黑河水文气象观测网9个站点2016年涡度相关观测数据,计算评估了相应站点范围的凝结水发生情况、凝结水量量级以及相应的能量闭合度情况。结果表明,黑河流域凝结水现象普遍发生,各站点产生凝结水的天数占全年天数75%以上;各站点年凝结水量最大25.13 mm、最小6.56 mm、平均15.47 mm;各站点总凝结水量与总蒸散发量相比,最大28.82%、最小0.77%、平均6.61%;与总降水量相比,最大63.25%、最小3.02%、平均18.54%;各站点能量闭合度平均为0.69,本文估算的凝结水量或低于实际凝结水量。可以认为,凝结水在干旱区水量平衡中不容忽视。基于此,本文提出在干旱区水量平衡方程中,宜显式表达凝结水过程和凝结水项。引入凝结水的水量平衡分析表明,新水量平衡方程在纳入凝结水这一局地水循环因子后,水量平衡方程闭合度明显提高。
    2019  Vol.  50(6):    710-720    [摘要](100)    [PDF](93)
  • 水文序列相依变异识别的RIC定阶准则——以自回归模型为例
    李雅晴,谢平,桑燕芳,陈杰,赵羽西,吴林倩
    水文过程相依性是水文变异的主要表现形式之一,应用自回归模型对其进行拟合时合理确定模型阶数是一个难点问题。本文在分析AIC和BIC准则的基础上,提出了一种以原序列与其相依成分的相关系数作为拟合度指标,同时借用信息熵形式的函数式,作为模型不确定性度量指标的自回归模型定阶准则(简称RIC准则)。以AR(1)、AR(2)、AR(3)和AR(4)模型为例进行统计试验,将不同序列长度下该准则的定阶准确率与其他定阶准则进行比较,试验结果表明,RIC准则对于上述模型均具有较好的适应性,且定阶准确率远高于AIC准则,其中对于前三阶模型RIC准则优于BIC准则,但四阶模型略低于BIC准则。RIC准则的优势是可以同时满足模型定阶、相依程度分级与模型检验的需求,将其应用于实测水文序列分析,结果显示,该准则能较准确地识别自回归模型的阶数,且符合提出的“相依有变异而残差无变异的最小阶数”的检验标准。
    2019  Vol.  50(6):    721-731    [摘要](77)    [PDF](73)
  • 基于水沙组合分类的黄河中下游水沙变化特点研究
    蔡蓉蓉,张红武,卜海磊,张宇
    为进一步揭示黄河中下游水沙关系及变化规律,本文通过自组织映射(Self-Organizing Map)-K均值聚类(K-means clustering)耦合方法,利用黄河中游潼关水文站1919—2018年的年径流量及年输沙量数据,对该站的水沙组合进行分类。结果表明:潼关站水沙类型有沙多水多、沙多水中、沙中水中及沙少水中4种。结合新中国成立后黄河流域水土保持事业的发展情况,以1960年及2000年为时间节点将研究时段分为3个阶段,分析了上述4种类型在3个阶段的出现频率及变化特点。考虑到黄河水沙条件的变化,又对1986年以来潼关站的水沙组合进行分类。结果表明:该站在1986年后的水沙类型有沙中水中及沙少水中2种。两种时间序列下的分类结果略有差异,体现出黄河水沙变化的复杂性。
    2019  Vol.  50(6):    732-742    [摘要](90)    [PDF](99)
  • 基于遗传算法的水源热泵系统抽灌量优化配置
    王麒,李松青,王心义,徐流洋,姬红英,夏大平
    抽灌井设计是水源热泵系统设计中的关键环节之一,但目前对抽水量和回灌量的配置仍依据经验而行,导致运行成本较高。针对该问题,本文利用抽水和回灌现场试验资料,根据抽水井和回灌井的实际布局情况,建立了不同抽灌模式下水源热泵系统运行能耗最小的数学模型,利用遗传算法求解数学模型以实现抽灌量的优化配置。研究表明:水源热泵系统抽灌井施工完毕后,可根据水文地质条件及管道布局情况来优化配置其抽灌量,以实现低能耗运行;遗传算法具有适应性强、全局优化能力高和参数拾取方便的优点,可用于水源热泵系统抽灌量的合理调配;优化确定的以井5为抽水井、井1和井2及井4为日常回灌井、井3为备用回灌井,井5抽水量为90 m3/h,井1、井2、井4回灌量分别为42.5 m3/h、33.4 m3/h、14.1 m3/h,为生产中科学快速调度抽灌模式提供了依据。
    2019  Vol.  50(6):    743-752    [摘要](70)    [PDF](83)
  • 多沙河流中群桩塔基局部冲刷平面尺度模型试验研究
    曹帅,张红武,朱明东,张廷伟
    局部冲刷平面尺度是对塔基附近可能受冲床面进行精准防护的指导依据,也是预测群桩局部冲刷结果的重要组成部分。结合泥沙运动学理论,根据试验观察分析规则分布的群桩局部冲刷平面形态演变及其干扰因素,提出了一个可综合反映水流强度与塔基结构影响的局部冲刷强度指标。在此基础上,采用物理模型试验方法,通过统计不同强度指标下的塔基局部冲刷平面结果,回归分析得到了二者之间的相关关系。最后,采用黄河下游两组工程实例对局部冲刷平面尺度关系式进行了试验验证。其结果表明,拟合公式的计算值与实测值比较符合,误差不大于10%,可为多沙河流中规则分布群桩塔基周围的床面防护提供参考。
    2019  Vol.  50(6):    753-760    [摘要](70)    [PDF](81)
  • 运用温度示踪法确定稳定入渗补给速率
    霍思远,靳孟贵,朱常坤,程绪海
    开展不同水位埋深条件下的地中渗透仪入渗实验,分析包气带温度场变化规律及其控制因素,进而采用多层介质热传导解析方程评价入渗补给速率,探讨了温度示踪法评价包气带入渗补给问题的适用性。结果表明:气温控制包气带温度场整体特征,其对温度场的影响随深度增加逐渐减弱。水位埋深影响土壤含水率,控制包气带介质比热,决定了温度场波动性。灌水改变介质热导率从而影响包气带温度场;灌水量小且灌水温差小,灌水本身的热状态对温度场的影响可以忽略。水位埋深浅时,基于多层介质热传导解析方程的入渗补给速率评价结果更为准确,旱季相对雨季,评价结果准确性整体更高;浅部包气带含水率波动性强是造成评价误差的重要原因,选取更短的评价周期和更深的计算剖面可相对提高评价结果准确性。含水率在时间尺度上的波动是温度示踪法在非饱和带应用的难点及关键。
    2019  Vol.  50(6):    761-772    [摘要](82)    [PDF](71)
  • 基于机器学习短历时暴雨时空分布规律研究
    刘媛媛,刘洪伟,霍风霖,刘业森
    城市内涝风险的精细化管理和防洪排涝市政工程的科学设计,需要对当地降雨的时空分布特征有深入的了解。而传统以单站雨型代表整个区域降雨特征的分析方法,不能满足这一要求。本文尝试将机器算法引入到暴雨时空分布特征研究中,以北京城区2004—2016年降雨资料为研究样本,利用动态聚类算法,提取北京城区短历时暴雨时空分布的动态特征。经分析,北京汛期的短历时暴雨时空分布特征,可以分为3种类型:(1)降雨自西北部山区移动到城中心区,逐渐扩散到城区;(2)降雨集中在城区西南部地区,逐渐向北部和城中心区扩散;(3)降雨集中在城区中心区和东部地区,基本不发生移动。研究结果表明,基于机器学习算法提取的暴雨时空分布特征,与实际暴雨时空动态发展趋势相符,并且有各自对应的降雨形成的不同物理机制,可为城区降雨设计、城市内涝风险管理等工作提供借鉴与参考。
    2019  Vol.  50(6):    773-779    [摘要](114)    [PDF](112)
  • 预应力钢筒混凝土管内壁复式碳纤维加固试验与计算分析
    董晓农,李萌,孙志恒,马宇
    碳纤维加固预应力钢筒混凝土管(PCCP)具有非开挖、工期短、对周边环境影响小的特点。但是,由于碳纤维与混凝土的极限拉应变相差近百倍,传统碳纤维加固PCCP技术无法有效发挥碳纤维的应力水平。本文提出复式碳纤维加固PCCP技术,即在碳纤维与PCCP之间增设自主研发的高压缩弹性垫层,利用垫层的压缩性为碳纤维变形提供空间,显著提升碳纤维的环向应变水平。为了验证复式碳纤维的加固效果,采用直径为0.75 m的钢筒进行模型试验,试验结果表明,当内水压力为1.0 MPa时,复式碳纤维加固技术较传统碳纤维加固技术中碳纤维环向微应变提升20倍以上,被加固结构的微应变降低40%以上。基于拉梅公式的力学模型计算结果与试验结果基本一致,随着垫层厚度或碳纤维层数的增加,钢筒的环向微应变降低,但降低的速度逐渐减小。该技术利用了碳纤维高强和高模量的特性,实现了碳纤维与PCCP共同承受内水压力的效果。
    2019  Vol.  50(6):    780-786    [摘要](73)    [PDF](79)

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