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  • 水利学报
  • 2016年 第47卷 第10期
  • 出刊日期:2016-10-28
《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。

2016年第47卷第10期

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  • 变化中的流域“自然-社会”二元水循环理论与研究方法
    王浩,贾仰文
    在人类活动和气候变化影响下,流域水循环发生了深刻变化。水多、水少、水脏、水浑等流域水问题背后的科学基础是“自然-社会”二元驱动力作用下的流域水循环及其伴生的水环境、水生态过程的演变机理,有效解决这些水问题需要一套流域“自然-社会”二元水循环理论来支撑。本文在简述二元水循环研究历程的基础上,从水循环的驱动力、结构、功能属性和演变效应等方面,对比分析了自然水循环和“自然-社会”二元水循环的不同特征,阐述了变化中的流域“自然-社会”二元水循环的基本原理,包括学科范式、科学问题、研究内容与研究方法等。文章还讨论了二元水循环研究面临的机遇与挑战,如水资源的数量-质量-效率统一度量与转化问题及解决方法等,并进行了研究总结。
    2016  Vol.  47(10):    1219-1226    [摘要](317)    [PDF](1898)
  • 东北黑土区小流域“林-旱-水”格局土壤磷空间分布特征研究
    张少良,马泉来,周军,李传宝,高凤杰,黄以权
    磷(P)是作物生长需要的主要营养元素之一,过量施用会导致环境污染,研究土壤P空间分布特征和驱动机制可为区域施肥和农业面源污染防控等提供参考。本文结合经典统计学和地统计学,研究了东北黑土区边缘“林地-旱地-水田”格局下不同土地利用、地形、水文、种植方式等对土壤全磷(TP)和速效磷(AP,通常用Ol-sen-P衡量)空间分布的影响。研究表明,该地区土壤TP和AP的空间自相关程度和空间变异程度均处于中等水平,但AP空间变异程度远大于TP。TP和AP空间分布特征存在明显差异,TP在旱地与林地之间的过渡地带相对匮乏,AP在水-旱交错带区域相对富集,TP和AP含量均在流域出口处达到峰值,分别为0.8 g/kg和60 mg/kg,TP的空间分布特征指示了“旱改水”后早期侵蚀沉积效应依然存在。受土壤理化性质和侵蚀的影响,旱田土壤TP和AP含量均在平地和坡顶达到最高,坡背和坡底最低。林地TP和AP含量最低,水田TP含量高于旱地平地,但水田AP含量显著低于旱地平地。施肥(N、P)、种植方式、土地利用、侵蚀和沉积过程是影响流域尺度土壤P空间分布的主要因素,而水系、村镇空间位置关系影响不显著。当AP>25 mg/kg时,流域中下游,特别是土壤P相对富集的水旱交错区、河流交汇区和流域出口区存在潜在的流失风险。
    2016  Vol.  47(10):    1227-1236    [摘要](134)    [PDF](145)
  • 水电站明钢管强度设计的应力分类法研究
    张伟,郭杭岡,刘林林,韩晓凤
    为适应我国在压力钢管的管材、焊接和加工安装等方面的显著进步,以及与国际规范和工程经验相接轨的现实需求,文中系统研究了国内外明钢管强度设计普遍采用的应力分类法:从承载特性和力学机制角度阐明了明钢管结构计算模型与控制断面选取的依据,对比分析了国内外规范控制断面应力计算方法的异同,依据失效机理和控制断面应力构成提出了控制断面各部位管道应力分类的科学方法,推荐了各分类应力相应的安全度设置水平。研究表明:国内外规范的控制断面选取有差别,而应力计算方法基本相同;支承环近旁管壁边缘断面可不选为明钢管设计的控制断面;管道用钢量主要取决于跨中断面整体膜应力的允许值;采用本文推荐的应力分类和安全度设置水平,在满足强度安全要求下可有效地节省管道用钢量。
    2016  Vol.  47(10):    1237-1244    [摘要](130)    [PDF](112)
  • 怒江泥石流扇地貌特征与扇体堵江机理研究
    吕立群,王兆印,徐梦珍,漆力健,张晨笛
    怒江流域泥石流沟众多,而且主要是两相泥石流。两相泥石流龙头集中了大量的粗大卵石和砾石,形成的扇体阻力大,是改变怒江河流地貌形态的主控因素。洪积扇的数量和规模远远小于泥石流扇,科学区分怒江两岸的泥石流扇和洪积扇对山区防灾减灾意义重大。许多泥石流扇完全堵塞主河形成了堰塞湖,怒江高黎贡山峡谷河段几乎每隔10~20 km就有一个泥石流堰塞湖,峡谷河段形成一段段顺直河谷连接堰塞湖缓流+堰塞坝激流的不断重复的河道,造成堵江的泥石流沟的流域面积多集中在40 km2左右。泥石流堰塞坝尼克点的发育造成了河道内大量泥沙淤积,利用钻孔采样的方法分析了堰塞湖内泥沙淤积规律。野外测量和计算发现组成泥石流的规模和龙头出沟口的速度是造成堵河的主控因素。
    2016  Vol.  47(10):    1245-1252    [摘要](122)    [PDF](129)
  • 黄河主要产沙区近年降雨及下垫面变化对入黄沙量的影响
    李晓宇,刘晓燕,李焯
    近几年,黄河来沙量锐减原因成为人们普遍关注的热点问题。本文以天然产沙量约占流域入黄沙量90%的黄河潼关以上主要产沙区为研究范围,优选了降雨因子和模型的函数型式,改进或构建了各支流在天然时期的降雨~产沙相关模型,进而分析了该区近35年不同时段的降雨和下垫面因素的减沙作用。研究表明,若以各支流1956-1975年前后的降雨-产沙响应关系为基准,1980年以来下垫面减沙作用越来越大,近十多年最为突出。近10年研究区降雨总体偏丰、其中近5年明显偏丰,因此降雨变化不是黄河该时段来沙锐减的原因;2005-2014年和2010-2014年,下垫面因素的实际总减沙量分别为13.87~15.45亿t/a和15.70~18.70亿t/a。
    2016  Vol.  47(10):    1253-1259,1268    [摘要](136)    [PDF](164)
  • 覆膜旱作稻田水均衡及蒸腾耗水规律分析
    石建初,金欣欣,李森,马雯雯,左强
    水稻覆膜旱作(GCRPS)因具有显著的节水、增产效应而备受关注,但有关覆膜旱作稻田的水均衡关系及蒸腾耗水规律仍然还难以被准确刻画。为此,在湖北省十堰市开展了为期2年的田间试验,并在水稻6个主要生育阶段内对3个灌溉水平(TPRPS,传统淹水种植;GCRPSsat,薄膜覆盖并保持根区土壤接近饱和;GCRPS80%,薄膜覆盖并保持根区平均土壤含水量介于田持的80%~100%)、3个施氮水平(N0,不施氮; N1,150 kg N/hm2尿素;N2,75 kg N/hm2尿素+75 kg N/hm2鸡粪)共9个处理进行了水量平衡和蒸腾耗水分析。试验研究结果表明:(1)在不减产甚至增产的情况下,覆膜旱作不仅可以抑制深层渗漏与蒸发等非生理耗水,同时还能减少蒸腾耗水,节水效应非常显著,尤其是GCRPS80%;(2)水稻全生育期内的蒸腾耗水变化规律不受水分与氮素处理的影响,总体均表现为生育前期较低,盛期较高,至扬花期达到峰值,之后逐渐衰减;(3)最大分蘖期之前,覆膜增温效应显著促进蒸腾耗水,之后水分胁迫导致情形逆转;(4)扬花期之前,与不施氮相比,施氮可显著促进蒸腾耗水,但两个施氮处理之间的蒸腾耗水差异不大。
    2016  Vol.  47(10):    1260-1268    [摘要](117)    [PDF](101)
  • 变参数PDS/GP模型及其在洪水频率分析中的应用
    李丹,郭生练,尹家波
    传统的洪水频率分析模型一般假定研究区域是完全均质的,未能考虑分布函数参数会随协变量而变化,忽略了水文序列时空上的异质性。本文将广义Pareto(GP)分布函数的参数作为随机变量,利用自动阈值法确定独立样本的超定量系列(PDS),并将线性矩法和核回归法相结合估计含协变量的模型参数,从而构建了可考虑水文序列时空分布异质性的变参数PDS/GP模型。丹江口水库实例研究表明:定参数模型的尺度参数估计值和设计洪水预测值均在变参数PDS/GP模型的估计区间内,这说明本文提出的变参数PDS/GP模型能够更好地反映参数变化对模型不确定性的影响。而且,变参数PDS/GP模型的估计区间随重现期的增大而变宽,表明频率分析外延存在较大的不确定性,有必要考虑丹江口水库水文序列时空分布的异质性。
    2016  Vol.  47(10):    1269-1276    [摘要](136)    [PDF](167)
  • 黄河流域典型沙质河段冲淤量预估方法及应用
    马睿,马良,张罗号,陈帅
    为扭转宁蒙河段水沙失衡趋势,合理分配输沙用水,提高河道排洪输沙效率,本文根据黄河流域典型沙质河段实测资料,依照河流动力学原理,通过引入水流挟沙力,建立了不同水沙条件下典型河段冲淤量预估方法。实测资料检验表明,该方法能够简便快速地根据进口断面洪水实测水沙因子,较好地预估下游河段的冲淤量。通过分析不同条件下预估冲淤量可以得出,在经历多年淤积而致主槽严重萎缩的情况下,内蒙古巴彦高勒-头道拐段以1 500 m3/s流量级冲刷河槽效率最高,建议在水库调节初期采用小流量多阶段冲刷的方式,达到重塑河槽的效果。根据不同的进口条件快捷估算河段冲淤量,能够为河流水沙过程调控以及河道整治规划提供技术支撑。
    2016  Vol.  47(10):    1277-1286    [摘要](101)    [PDF](117)
  • 混凝土双K断裂韧度的率相关性
    张秀芳,胡少伟,胡晓威
    采用中央带穿透裂缝的立方体劈拉试件几何形式,本文研究了应变率对混凝土双K断裂韧度的影响。试验采用的应变率范围为10-5/s~10-2/s。结果表明:双K断裂计算理论可由拟静态进一步拓展到地震加载率;随应变率增加,起裂断裂韧度线性增加,失稳断裂韧度先增加后保持不变;应变率不高于10-3/s时,高应变率作用下的试件会产生较大的临界裂缝扩展长度,临界裂缝扩展率较为缓慢,但应变率高于10-3/s时,临界裂缝扩展长度反而减小,临界裂缝扩展率呈指数迅速增加。最后,引入名义起裂强度率和临界裂缝扩展率两参数分别建立了起裂断裂韧度和失稳断裂韧度的率相关模型。
    2016  Vol.  47(10):    1287-1297    [摘要](98)    [PDF](111)
  • 用边界效应理论考虑断裂韧性和拉伸强度对破坏的影响
    管俊峰,胡晓智,王玉锁,李庆斌,吴智敏
    采用边界效应理论,研究了断裂韧性和拉伸强度对材料与结构破坏的影响。边界效应模型中通过引入等效裂缝,可同时反映试件前边界与后边界对断裂特性的影响;基于等效裂缝与特征裂缝的比值,即可判断试件处于强度准则、韧度准则或准脆性断裂等何种破坏模式。边界效应模型不仅适用于线弹性断裂条件,而且适用于弹塑性断裂分析,解决了ASTM规范及RILEM规范的局限。鉴于ASTM规范确定材料断裂韧度对试件初始缝长与试件尺寸等的严格限制,本文基于边界效应理论,建立了由RILEM规范中小尺寸试件确定材料断裂韧度与拉伸强度的方法,相关试验成果证明了所提方法的合理性与适用性。
    2016  Vol.  47(10):    1298-1306    [摘要](120)    [PDF](98)
  • 甘肃Q3原状黄土的微观结构对其土-水特征曲线的影响
    侯晓坤,李同录,谢萧,晁建红,赵权利,张常亮
    为了探究原状黄土土-水特征曲线与土样微观结构之间的关系,对甘肃黑方台不同埋深Q3原状黄土进行了基本物理指标的测试,张力计法测得其土-水特征曲线,并利用Fredlund&Xing模型对土-水特征曲线进行了拟合。采用光学显微镜和Photoshop合成技术获得了不同埋深土样的微观结构,统计得到孔隙累积级配曲线和分布曲线。结果表明不同埋深Q3黄土,颗粒组成相同;其土水特征曲线,在饱和区,相同基质吸力下土样埋深(干密度)越大,体积含水率越小;而在过渡区,体积含水率则越大;在残余区,土水特征曲线几乎重合,这种差异主要是由土样的孔隙分布特征所控制。最后根据土样的分布曲线建立了黄土土水特征的本构关系,其预测值同实测值基本吻合。
    2016  Vol.  47(10):    1307-1314    [摘要](87)    [PDF](116)
  • 基于制衡机制的治导线设计
    马良,张红武,钟德钰
    治导线规划是河道整治中的重要环节,然而现行整治规范只限制了治导线设计参数的取值范围,设计中经验性较强,未考虑设计参数之间的制衡关系。基于前人对弯道输沙及送溜能力的研究,兼顾弯道输沙及送溜能力,基于制衡机制得到最优治导线的设计目标函数,通过目标函数求最小值解得治导线的设计参数。将此方法应用于河势控制良好的河段,计算得出的制衡方程最小值、治导线设计参数、设计参数与河段实际情况基本一致,说明方法的可行性,并使用此方法对黄河内蒙古皮房圪旦-白音赤老河段进行治导线规划。
    2016  Vol.  47(10):    1315-1321    [摘要](78)    [PDF](86)
  • 曝气池中气液两相流速度场分布的实验研究与数值模拟
    王蒙,孙楠,王颖,程文
    气液两相流广泛存在于水利工程、废水处理等领域,其在气液装置中的流型流态及速度场分布可直接影响装置运行效能。本文采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对圆柱形气液装置进行PIV实验,获得了准确的气液两相流气相速度场分布;在充分考虑湍流、曳力、升力、湍流分散力等作用下,采用欧拉-欧拉双流体模型和气泡群平衡模型对气液两相流流场进行了数值模拟,并将模拟结果与实验结果进行验证,所得结果误差控制在10%左右。结果表明,本文提出的模拟方法在气液两相流模拟中能够得到较准确的两相流动规律和速度场分布情况。
    2016  Vol.  47(10):    1322-1331    [摘要](77)    [PDF](96)
  • 南水北调东线泵站机组站内叶片全调节优化研究
    李伟,专祥涛
    南水北调工程是解决我国北方水资源缺乏的重大工程,而淮安四站是南水北调东线工程泵站之一。本文在考虑分时电价的基础上研究淮安四站的运行优化问题,建立泵站机组费用最小的叶片全调节数学模型,并针对该模型特点,提出了一种改进的动态规划求解算法。最后,利用算例验证了该算法的可行性。计算结果表明:(1)在设计扬程、机组满负荷工作情况下,叶片全调节的调度方案与叶片角额定安放角度相比,可节约费用4.88%。(2)机组能源经济效率受叶片角和流量负荷转移两个因素影响:其中叶片角与机组自身的特性曲线相关,当扬程较大时,叶片角影响较小;流量负荷转移与机组容量与需求量相关,机组容量越大,负荷转移越显著。当需求量较小时,叶片角是主要影响因素,当需求量较大时,流量负荷转移是主要影响因素。
    2016  Vol.  47(10):    1332-1338    [摘要](82)    [PDF](95)
  • 海上风电伞式吸力锚基础承载性能研究
    刘红军,王荃迪,潘晨晨,常季青
    针对在海上风机基础应用过程中遇到的问题,提出了新型伞式吸力锚基础(USAF),结合其实际条件下的受力特点,采用大型通用有限元软件ABAQUS对其在垂向荷载V和弯矩荷载M以及V-M联合作用下的受力变形特点进行分析。分析中将位移作为失效破坏标准,采用位移加载法和固定位移比加载法分别进行单调加载和联合加载。结果表明锚枝、筒裙的增加可以一定程度的提高USAF的承载性能,其中锚枝的增加对承载性能提高的并不明显,筒裙对承载性能的提高较为明显;弯矩荷载作用下USAF具有刚性短桩的性质并且会发生旋转;在V-M联合加载作用下得到了USAF的破坏包络线以及包络线随USAF主筒长径比的变化规律。通过数值模拟得到了以上结论可以为USAF的推广和应用提供一定的参考。
    2016  Vol.  47(10):    1339-1344    [摘要](67)    [PDF](87)

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