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  • 水利学报
  • 2020年 第51卷 第5期
  • 出刊日期:2020-05-30
《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。

2020年第51卷第5期

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  • 黄土丘陵沟壑区林草变化对流域产沙影响的规律及阈值
    刘晓燕,党素珍,高云飞,杨胜天
    围绕植被变化与土壤侵蚀的关系,已有海量研究成果,但提出的植被盖度~土壤侵蚀量响应规律多是基于坡面小区上的观测成果,反映的是植被变化在"本地"的水沙响应,不能反映植被变化对小区下游的坡面、沟谷和河道的"异地"效应。在近20年黄河来沙锐减的背景下,如何在较大的流域尺度上,评价林草植被变化对流域产沙量的影响,已经成为亟待解决的重大科学问题。本文在对黄土丘陵区地貌和产沙特点分析的基础上,引入了易侵蚀区、林草有效覆盖率(Ve)和产沙指数(Si)等新概念,利用黄土丘陵区流域实测的林草、降雨和水沙数据,分析了林草植被变化与流域产沙能力之间的响应规律及其机制,提出了可基本遏制流域产沙的林草阈值。研究结果表明,流域的产沙指数均随林草有效覆盖率Ve的增大而减小,二者呈指数关系;当Ve ≤ 40%~45%时,产沙指数随Ve增大而迅速降低,不过在Ve<20%时改善植被的减沙作用不太稳定;Ve>40%~45%后,改善植被导致的产沙指数递减速率越来越小。流域的林草植被覆盖程度越差,产沙强度对雨强越敏感;当Ve>50%~60%后,决定流域产沙量的首要因素是有效雨量,雨强次之。林草植被改善是通过对流域产洪量和含沙量的共同减少、以及地表径流输移阻力的增大,实现对流域产沙量的削减;削减洪水和增大阻力均将导致黄丘区地表的水蚀动力降低,含沙量降低则是地表物质补给困难的直接反映。对于黄土丘陵区的第1~4副区,要实现流域产沙模数≤ 1000 t/(km2·a)的目标,林草有效覆盖率应达55%~65%以上,该阈值自东向西递增。对于黄土丘陵区的第5副区,当林草有效覆盖率Ve>45%~50%后,流域产沙量也趋于稳定,但因产沙机制特殊,即使林草梯田有效覆盖率达到60%以上,仍难以基本遏制流域的产沙;而且,河(沟)床产沙占比越高,依靠林草植被改善而削减产沙的难度越大。该成果可为认识近20年黄土高原植被改善与黄河泥沙锐减的关系,提供理论依据。
    2020  Vol.  51(5):    505-518    [摘要](60)    [PDF](98)
  • 洪涝灾害三参数损失函数的构建Ⅱ——实例研究
    李超超,程晓陶,王艳艳,付德宇
    为了验证三参数洪涝灾害损失函数构建方法的合理性与适用性,以高度城镇化的太湖流域为对象开展实例研究。以现状与未来情景下太湖流域的洪涝灾害评估结果作为洪涝损失-重现期曲线构建样本,选取3组函数构建了太湖流域洪涝灾害风险函数。对3组函数的拟合结果进行对比,选择最优S型函数作为预测模型,并且根据函数转折点对洪灾风险进行了分级。研究表明,基于Gompertz函数的损失-重现期函数曲线对洪涝灾害损失的变化规律有较好的适应性,对未来洪水风险演变的预测较为合理。
    2020  Vol.  51(5):    519-526    [摘要](35)    [PDF](38)
  • 不同温度条件下水工沥青混凝土抗压特性及防渗性能试验研究
    宁致远,刘云贺,王为标,张凯
    为研究水工沥青混凝土在不同温度条件下的力学特性和经荷载作用后的防渗性能,在-30℃~30℃条件下对其进行了抗压试验研究,并对荷载和温度作用后的试件进行了渗透试验分析。试验结果表明:温度对水工沥青混凝土的应力-应变全曲线、抗压强度、弹性模量、峰值应变以及破坏模式等力学特性有显著影响。对比水工沥青混凝土在-30℃~30℃条件下应力-应变全曲线特点,可推断-10℃~0℃为其应力-应变特性变化的过渡温度区间。水工沥青混凝土的抗压强度和弹性模量随温度的升高而降低,峰值应变随温度的升高而增大。基于试验结果,本文提出的经验公式较好地反映了抗压强度、弹性模量以及峰值应变随温度变化的规律。在-30℃~0℃条件下,水工沥青混凝土的破坏模式主要为骨料开裂和沥青胶浆与骨料的黏结破坏;在10℃~30℃条件下,破坏模式主要为黏结破坏。此外,水工沥青混凝土经荷载作用后的防渗性能与温度环境有关。在10℃~30℃温度环境中,水工沥青混凝土承受7%的轴向压应变后,其渗透系数仍在10-7~10-6 cm/s量级,防渗性能良好。
    2020  Vol.  51(5):    527-535    [摘要](38)    [PDF](63)
  • 澜沧江流域枯水年发电效益与下游生态-出境水互馈博弈研究
    蔡方园,何艳虎,陈晓宏
    针对流域河道内水资源综合利用目标之间存在的互馈竞争关系,本文以澜沧江干流景洪水电站为研究对象,基于博弈理论构建了水电站发电效益与下游生态-出境水的完全信息静态博弈模型,并耦合支付函数最大化方法,探究在枯水典型年来水总量的约束下,水电站发电效益与下游河道内生态需水-出境流量之间的竞争博弈关系。纳什均衡解表明,在下游河道内生态需水流量选择最小值参与博弈时(天然径流量的21%),景洪水电站发电效益(多年平均年发电量的80%)和澜沧江出境流量保证率(93.7%)在该典型年达到最高,总效益最大。此外,研究还发现景洪以下河道枯水期的日流量大于504 m3/s(出境流量下限值)、800 m3/s(航运需水下限值)的保证率由常规调度下的78.4%、40.3%提高到博弈均衡调度方案下的93.7%和48.8%。研究对于优化流域水库调蓄以协同发电和下游河道内用水综合效益具有借鉴作用。
    2020  Vol.  51(5):    536-544    [摘要](33)    [PDF](45)
  • 基于InSAR技术的古滑坡复活早期识别方法研究——以大渡河流域为例
    张永双,刘筱怡,姚鑫
    近年来,青藏高原东缘高山峡谷区古滑坡复活呈现活跃趋势,并造成重大灾害损失,因此古滑坡复活的早期识别成为地质灾害研究领域普遍关注的课题。本文以大渡河流域为例,在古滑坡发育特征调查分析的基础上,提出了基于InSAR技术的古滑坡复活早期识别的一般步骤:①分析古滑坡及周边主要SAR数据源及其适宜性,制定最优InSAR监测方案;②通过InSAR综合观测,获得高质量的长时间序列变形,筛选显著变形部位(特征点);③根据特征点的时序变形曲线,进行古滑坡复活的演化阶段判别和稳定性预测。基于斋藤原理,提出了古滑坡复活的三段式演化过程;结合PS-InSAR监测的累积位移-时间曲线,提出了将弹性变形与匀速变形之间的拐点作为古滑坡复活的起点标志,把匀速变形向加速变形转变的拐点作为复活失稳的标志,为高山峡谷区隐蔽型古滑坡复活的早期识别提供了新途径。
    2020  Vol.  51(5):    545-555    [摘要](25)    [PDF](85)
  • 区域雨水资源化潜力计算及时空分布规律研究
    孟凡香,李天霄,付强,刘东,杨丽妍
    为充分利用雨水资源应对区域水资源紧缺问题,以黑龙江省松嫩平原为研究区,考虑地下水补给量和基流量对雨水资源化潜力的影响,引入分布式水文模型SWAT,提出了适用于研究区的雨水资源化潜力计算模型,计算了研究区的雨水资源化潜力,分析了研究区雨水资源化潜力时空分布规律。结果表明:研究区雨水资源化潜力在时间和空间上均存在一定差异,各分区之间以及同一分区不同年份雨水资源化潜力及其构成也存在较大的差异;生育期多年平均可利用雨水资源化潜力为343.78亿m3,占生育期多年平均雨水总量的50.28%;各分区产流量在雨水资源化潜力中占比均较大,建议要注重提高降水径流汇集、径流蓄存和集雨补灌等相关技术;在土壤水增量占比大的分区要注重节水灌溉技术的应用。总体来看,黑龙江省松嫩平原地区雨水资源化潜力巨大,应该科学合理提高雨水资源利用率,保障区域农业可持续发展。
    2020  Vol.  51(5):    556-568    [摘要](30)    [PDF](92)
  • 断层上覆土体破裂的离心试验模型参数设计及应用
    沈超,薄景山,张雪东,黄静宜,梁建辉
    强震发震断层引起的上覆土层变形及地表破裂是工程场地评价中备受关注的问题之一。本文基于土工离心模型试验,通过自行设计的模型试验参数和自行研制的断层错动模拟装置,在100g离心加速度下成功地模拟了逆断层的错动过程,研究了基岩面以上厚度约为40 m、含水量为6%的砂土地表变形演化过程和内部变形特征。试验研究表明,在地表开始产生隆起变形之前有较短暂的整体抬升阶段;土体内部先后产生两条破裂面,向上扩展的同时均向下盘方向弯曲,最终贯通地表的为后产生的第二条破裂面,且第二条破裂面始于底部偏上盘一侧。此外,结合线激光位移传感器获取的高精数据,分析给出地表变形演化规律,地表开始隆起时所需的临界位错量,地表变形影响区域和地表陡坎平移规律。上述研究成果为进一步认识逆断层错动下较厚土层的变形规律提供参考。
    2020  Vol.  51(5):    569-579,588    [摘要](25)    [PDF](150)
  • 沥青混凝土心墙堆石坝地震变形评价方法及其可靠度分析
    李炎隆,唐旺,温立峰,吴海波
    沥青混凝土心墙堆石坝可就地取材,工程造价低,在我国西部强震区被广泛应用。因其工作条件复杂,且筑坝材料具有非线性特性,故其地震安全评价问题一直受到工程界的关注。因此开展地震作用下沥青混凝土心墙堆石坝的可靠度分析具有理论意义和工程应用价值。本文以坝体裂缝作为坝体地震变形破坏的判断依据,将坝体地震变形倾度作为地震安全的控制指标,建立了基于倾度法和中心点法的沥青混凝土心墙堆石坝地震变形可靠度分析方法。以某98 m高的沥青混凝土心墙堆石坝为例,进行了地震变形的可靠度分析。结果表明:基于本文沥青混凝土心墙堆石坝地震变形可靠度分析方法,获得的大坝设计基准期内的年计地震变形失效概率py=2.156×10-6,对应的可靠指标β=4.6,满足规范要求;采用倾度法和中心点法相结合,可以考虑坝体材料分区的影响,获得较为准确的土石坝地震变形失效概率结果,对土石坝具有普遍适用性。本文提出的土石坝坝体地震变形可靠度分析方法,可为沥青混凝土心墙堆石坝抗震设计、地震风险分析以及风险等级的建立提供依据。
    2020  Vol.  51(5):    580-588    [摘要](37)    [PDF](73)
  • 双井抽灌处理地下水污染的回收率理论公式
    张帅,王旭升,姜永海,杨昱
    采用抽出处理法修复地下水污染场地需要有一定的回收率,以达到充分净化的目标。当地下水存在侧向径流时,抽出处理法的回收率不一定能够达到100%。对于"一抽一灌"双井单元,井孔扰动下的地下水稳定流场可分为内循环区、外循环区和非循环区,某些情况下内循环区或外循环区不存在。由内循环区的水动力学特性得到回收率的理论公式和变化曲线。回收率取决于地下水侧向径流的方向和相对强度,随抽水流量的增大而增加。回收率公式可用于抽出处理法的井孔设计,地下水污染物的目标去除率越高,所需要的回收率越大。针对北京某试验场,应用该方法进行了回收率优化评估。
    2020  Vol.  51(5):    589-596    [摘要](25)    [PDF](53)
  • 多体接触问题面面接触算法研究
    李广凯,刘传东,肖仁军,马怀发
    本文重点研究了面面接触算法:(1)将主从面算法与位码算法相结合,定义了共享实常数组用以标识"接触面对"的主面单元和从面单元,借鉴了位码方法的编码思想,将三维空间潜在接触面按一维数组分类排序,实现接触面的全局搜索;(2)点面算法与内外算法相结合,判断主节点沿平均法线方向的投影点是在目标面单元的内部或外部,并通过单元的面积坐标确定接触点局部坐标,进而得到接触关联矩阵,完成接触局部搜索定位,从而避免了求解局部接触点坐标的非线性方程;(3)本文算法将每一个接触块体作为子区域,每个子域可以独立地进行有限元剖分,并采用了拟高斯迭代法隐式求解位移增量和接触力,按照所提出的接触算法策略编制了FORTRAN源代码程序;(4)由数值算例得到了与赫兹接触问题的理论解几乎完全吻合的计算结果,同时借助于商业软件的类似接触计算功能对本文算法的计算结果进行了比较验证,结果几乎完全一致。本文算法的另一优点在于在接触搜索预处理过程中已考虑了接触区域的分解,可以方便地进行高混凝土坝和岩体高边坡静动力稳定的并行计算处理。
    2020  Vol.  51(5):    597-605    [摘要](22)    [PDF](80)
  • 基于Vine Copula函数的河湖连通水环境多因子联合风险识别研究
    杨蕊,吴时强,高学平,张晨
    河湖连通工程是水资源调配和水生态环境保护与修复的重要途经,同时作为一个包含着模糊性、随机性、灰色性以及未确知性信息的复杂系统工程,其不可避免地存在一定的风险。本文基于Vine Copula函数构建了南四湖在南水北调东线一期工程运行前后水环境多因子联合风险模型,通过对总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)和叶绿素a(Chl-a)4种风险因子的敏感性分析,识别出运行后的关键风险因子;结合南四湖Ⅲ类水的供水水质要求,设置了运行后关键风险因子不同风险状态(即Ⅳ类和Ⅴ类)组合下的系列风险情景,识别出运行后潜在水环境多因子联合风险。结果表明:TN、NH3-N、Chl-a为关键风险因子;当TN和NH3-N达到Ⅴ类水标准限值、Chl-a为35 μg·L-1时,工程运行后水环境联合风险变化速率增大,不确定性提高,需及时响应,建议重点关注TN和NH3-N指标。
    2020  Vol.  51(5):    606-616    [摘要](35)    [PDF](63)
  • 基于离散元方法与水动力学耦合的河冰动力学模型
    翟必垚,刘璐,张宝森,沈洪道,季顺迎
    流凌和冰坝是我国北方冬季比较常见的河冰现象,尤其冰坝,可导致严重的凌洪灾害,是河冰研究中的重要部分。本文将离散单元方法与二维水动力学相耦合,建立河冰的动力学数值模型,以模拟河冰输移、聚集、堆积,以及冰坝形成的动力过程。针对河道中大量密集且几何形状随机的流冰现象,采用扩展多面体单元对冰块进行构造,并通过离散元接触模型表征河冰输移和冰坝形成过程中冰块间的相互作用。河流水动力部分则采用考虑河冰影响的二维非定常浅水方程进行描述,并采用有限元方法进行数值计算。冰水耦合中的计算参数由河冰离散单元与其所在水动力学有限元网格节点的位置插值计算得到。通过对冰盖封河造成水位抬高过程的数值模拟,并将计算结果与理论分析结果以及DynaRICE河冰模型的模拟结果进行对比,以验证模型的有效性。在此基础上,对规则河道中河冰输移、堆积和形成冰坝的过程进行数值模拟和结果分析。通过以上河冰离散元与水动力学的耦合方法及其对河冰动力过程的数值模拟,对河冰动力过程从细观角度进行新的认识并为河冰动力过程研究提供一种有效的数值方法。
    2020  Vol.  51(5):    617-630    [摘要](36)    [PDF](139)

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