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  • 水利学报
  • 2017年 第48卷 第5期
  • 出刊日期:2017-5-28
《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。

2017年第48卷第5期

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  • 中国多尺度不同量级极端降水发生率非平稳性研究
    顾西辉,张强,陈晓宏,范科科
    利用中国1951-2014年728个气象站点日降水数据,采用核估计技术、Cox回归模型、泊松回归和广义可加模型(GAMLSS)等全面分析了不同阈值条件下基于超阈值(POT)抽样的中国极端降水发生率非平稳性特征。研究表明:(1)西北部极端降水发生率在年际上分布最不均匀,阈值的增加导致不均匀程度和范围加深和扩展。西北部和东南部年际尺度极端降水发生率呈显著上升趋势,可能引发更严重的洪涝灾害;中部和东北部则相反,极端降水频率趋于减弱;(2)基于Cox回归模型的分析表明,厄尔尼诺/南方涛动(SOI)、北大西洋涛动(NAO)、印度洋偶极子(IOD)和太平洋年代际涛动(PDO)等气候指标均为影响不同区域年内尺度极端降水发生率的显著气候因子,年内尺度极端降水发生率在很大程度上依赖气候指标的变化,呈现出非平稳性特征;(3)除西北部外,其他大部分区域极端降水年发生次数没有展现过于离散的特征,然而阈值的增加导致出现过于离散特征的倾向愈益明显。当太平洋年代际涛动(PDO)和厄尔尼诺/南方涛动(SOI)处于正相位且越大时,中国西部和中部年极端降水发生次数将随之增加,东北部则相反。气候指标与850 hPa的回归关系表明风向及携带的水汽量则可能是气候指标影响极端降水频率的因素。
    2017  Vol.  48(5):    505-515    [摘要](52)    [PDF](63)
  • 水库滑坡位移与水动力耦合预测参数及其评价方法研究
    贺可强,郭璐
    针对库水涨落诱发滑坡致灾机理,在系统分析水库边坡位移与库水位变化规律及其相互作用关系的基础上,运用弹塑性力学基本原理,提出了以库水位下降引起的边坡下滑动力增量作为边坡的加载动力参数,以相应边坡位移变化量作为边坡位移响应参数,以此确定水库边坡库水动力增载位移响应比参数并建立预测模型。运用动力增载位移响应比预测模型对三峡库区典型水库滑坡-黄土坡滑坡关键部位监测点进行了动力增载位移响应比计算,并采用Geostudio软件对该滑坡稳定性进行了数值模拟分析。该滑坡的位移响应特征与稳定性演化规律表明,该滑坡关键变形部位的动力增载位移响应比参数变化规律与其实际位移与稳定性演化规律基本吻合。研究结果表明了动力增载位移响应比参数是水库滑坡有效的位移动力评价参数,可运用该参数及其评价方法对水库滑坡进行稳定性分析与评价。
    2017  Vol.  48(5):    516-525    [摘要](42)    [PDF](37)
  • 城市洪涝仿真模型地下排水计算方法的改进
    张念强,李娜,甘泓,王静
    为了增强对城市地下排水的模拟能力,获取更为详细的计算结果信息,提高城市洪涝分析水平,对现有洪涝仿真模型的地下排水计算进行了改进,提出在同一模型中对排水管网采用简化和细化相结合的计算方式。简化计算采用等效体积法实现,细化计算采用建立真实管网的一维动力波方程实现,并在特殊道路通道和网格上实现地上、地下水流交换。同时,在降雨产流计算中考虑地面透水性,形成了面向城市降雨产、汇流和排水的洪涝全过程模拟模型。改进后的模型对地下排水的模拟适用性更强,计算结果更为丰富,提高了区间暴雨导致的城市洪涝模拟能力。文中以上海市蕴南控制片洪涝分析计算为例,说明改进模型可获得较好的应用效果。
    2017  Vol.  48(5):    526-534    [摘要](40)    [PDF](44)
  • 气候变化对科尔沁沙地蒸散发和植被的影响
    王思如,雷慧闽,段利民,刘廷玺,杨大文
    近30年来科尔沁沙地的植被呈现显著退化,揭示气候变化下科尔沁沙地关键生态水文过程(如蒸散发和植被)的变化特征及其影响对荒漠化防治具有重要意义。本研究开发了水文过程与植被生长耦合的生态水文模型(WaVEM),模拟解析了科尔沁沙地各气象因子变化对实际蒸散发和植被变化的影响程度,探讨了气候变化下科尔沁沙地植被变化的响应规律。结果表明,1964-2013年间,在降水变化不显著而气温显著升高情况下,实际蒸散发和年最大叶面积指数均未发生显著变化。降水的年际变化是导致实际蒸散发和植被变化的主要因素,潜在蒸发的影响次之。短期的干旱会导致植被锐减,而短期干旱结束后植被能够迅速恢复;多年连续干旱是导致科尔沁植被显著退化的主要因素。
    2017  Vol.  48(5):    535-544,550    [摘要](39)    [PDF](36)
  • 丁坝局部冲刷坑形态演变及冲刷平衡临界条件
    张立,孙忠克,徐东坡
    丁坝局部冲刷坑垂向冲深、平面宽度及上下游边坡构成了冲刷坑几何形态的三维特征。局部冲刷达到平衡状态时,冲刷坑上下游边坡保持相对稳定的斜率。其与泥沙颗粒水下休止角大小及冲刷平衡临界条件的关系仍不太明确。一系列清水冲刷试验表明,不同来流强度条件下冲深与展宽速率存在非对称特征,坝体上下游边坡斜率随时间演变振荡衰减至相对稳定坡度。坝体上游坡度均较下游陡,比值近似常量为0.5。边坡斜率略小于泥沙颗粒水下休止角,比值下限近似为常量0.7。
    2017  Vol.  48(5):    545-550    [摘要](35)    [PDF](32)
  • 考虑诱导缝的碾压混凝土重力坝控裂结构温度场与温度应力数值分析
    李明超,张梦溪,王孜越
    同常态混凝土坝一样,碾压混凝土重力坝在施工期仍然存在温度应力问题,较大的温度应力会诱发不可控的温度裂缝,而在坝体中设置诱导缝,可使裂缝在已做好防护措施的诱导缝部位产生,以降低不可控温度裂缝的危害。针对碾压混凝土坝的温度裂缝问题,将诱导缝的优势与新研制的高流动防渗抗裂混凝土(High-fluidity Im-permeable and Anti-cracking Concrete,HIAC)材料相结合,根据规范要求制定了设有诱导缝的碾压混凝土重力坝控裂结构方案,建立含有裂缝和HIAC的碾压混凝土坝有限元模型,实现了施工期温度场和应力场的仿真计算与分析。基于计算结果,以坝体上游防渗层施工期的主拉应力为指标,从时间和空间两方面对含诱导缝方案进行评价研究,并对控裂结构诱导缝的布置位置和长度进行了优化,从而得到保障应力释放效果、缝长更短以及施工简便的控裂结构方案。
    2017  Vol.  48(5):    551-559,567    [摘要](23)    [PDF](29)
  • 基于总体最小二乘法的系统响应修正方法
    包为民,孙逸群,周俊伟,司伟,张乾,程翔
    为了提高实时洪水预报的预报精度,提出了基于总体最小二乘平差理论的系统响应方法。传统的系统响应方法基于最小二乘法,只能考虑观测值的误差,因而传统的系统响应方法不能考虑动态系统响应矩阵存在的误差。对传统方法进行了分析并引入了总体最小二乘平差理论,改进方法同时考虑了动态系统响应矩阵和观测值的误差。针对动态系统响应矩阵的病态情形,通过总体最小二乘的岭估计解法给出稳定解。通过改进方法对新安江模型中的土壤含水量进行修正,应用于七里街流域,并与传统的系统响应方法进行比较。结果表明,两种方法都能提高模拟精度,改进方法相比于传统方法精度明显提升;改进方法的修正效果要优于传统方法,更加稳定。
    2017  Vol.  48(5):    560-567    [摘要](39)    [PDF](41)
  • 沟道截断对分布式土壤侵蚀学坡长提取的影响
    张宏鸣,杨勤科,王猛,晋蓓,王雷,李锐
    地形是影响土壤侵蚀的重要因子,分布式土壤侵蚀学坡长是地形因子的重要参数。坡长与侵蚀过程相关,且受地形影响较大,在提取过程中,遇到沟道截断,坡长不再累计。由于沟头位置较难确定,通常沟道提取采用设置一定的汇水面积阈值来实现。然而,沟道对坡长提取结果的影响、不同阈值对坡长提取结果的影响、在无法确定沟头位置情况下如何更加合理地设置截断阈值等问题,亟待研究。本文以黄土高原县南沟和韭园沟流域DEM为数据源,对沟道引起的坡长截断进行对比分析。结果表明,沟道截断对坡长提取的平均值影响小于对坡长最大值的影响;不同区域对坡长的影响小于阈值设置的影响;黄土高原地区的沟道截断阈值可参考平均坡长降低的变化率为4%来设定。
    2017  Vol.  48(5):    568-575    [摘要](27)    [PDF](25)
  • 基于分形理论的坝基裂隙岩体注灰量与导水率关系研究
    樊贵超,钟登华,任炳昱,吴含,李晓超
    由于天然岩体裂隙分布的隐蔽性和不确定性,很难准确评价天然裂隙岩体的渗透性和可灌性。离散裂隙网络作为描述天然裂隙网络的有力工具,能在一定程度上反应裂隙岩体的某些特征,但都是基于统计意义上的概率分布,无法反应裂隙网络参数的内部联系以及微观特征。Mandelbrot提出的分形几何是描述不规则物体的重要工具,研究发现裂隙网络中的裂隙迹长分布服从分形特征,很多学者利用这一理论对裂隙网络的渗透性进行了研究,推导了裂隙网络渗透系数的表达式。然而缺乏裂隙网络的可灌性和灌浆量的研究。本文首先利用裂隙网络的分形特征和裂隙迹长与隙宽的关系,建立了裂隙岩体导水率的分形模型,推导了裂隙岩体导水率与分形维数的关系表达式,并与已有研究结果进行了对比,证实了该关系式的可靠性。其次,分析了裂隙岩体灌浆注灰量与分形维数的关系,进而推导了注灰量与导水率的关系式,根据注灰量与导水率的关系曲线对灌浆区域的划分,定义了3个不同的灌浆区域:正常区域、微小裂隙区域和扩展区域,分别对应于正常灌浆、微小裂隙较多和裂隙扩展变形这3种不同的灌浆状态。最后,通过与工程实测数据的对比,证实了本文注灰量与导水率关系式的可靠性和适用性,也说明了3个灌浆区域的划分是合理并且重要的。因此,该关系式和灌浆区域的划分可以用来预测和评价实际工程灌浆施工的合理性和可灌性。
    2017  Vol.  48(5):    576-587    [摘要](28)    [PDF](27)
  • 桥墩影响下弯槽冰塞形成临界条件和冰厚变化的试验研究
    王军,汪涛,李淑祎,陈胖胖
    天然河道中,桥墩的存在改变了局部水流特性,对冰塞形成及演变产生影响。通过模型试验,研究了桥墩存在及桥墩位置不同时对冰塞演变过程的影响,试验结果表明:桥墩的存在改变了桥墩附近的水流结构,使得桥墩附近水流输冰能力相对增大,冰塞厚度减小;相比于将桥墩安置在两弯连接直道段,将桥墩安置于弯道顶点处时,桥墩附近水流输冰能力增大;在两弯连接的直道段和弯道顶点处同时放置桥墩时,弯道平衡冰塞厚度介于单墩放置于两弯连接的直道段与单墩放置于弯道顶点处时的弯道平衡冰塞厚度之间。
    2017  Vol.  48(5):    588-593    [摘要](27)    [PDF](29)
  • 基于响应曲面模型的泵站进水池参数优化方法研究
    资丹,王福军,姚志峰,叶长亮,许建中,李端明
    泵站进水池的结构参数,特别是吸水喇叭管参数取值对泵站整体流态影响很大。本文基于响应曲面模型和CFD数值模拟,以垂直布置的吸水喇叭管悬空高、后壁距和淹没深度为设计变量,以进水池压力场、速度场和涡量场评价指标的加权函数为目标函数,进行2因素和3因素的优化设计分析。研究结果表明,变量之间对进水池流态的交互作用较大,淹没深度对最优悬空高、后壁距的影响不可忽略,且淹没深度与悬空高的交互作用(P=0.0019)较其与后壁距的交互作用(P=0.0696)大。针对本文垂直布置型式的吸水喇叭管,推荐最优参数组合是悬空高0.77 D,后壁距0.37 D,淹没深度2.19 D。在该组合下实际值与预测值误差不大于4.82%,与泵站设计规范推荐值相比,其计算域水力损失降低0.98%,流速分布均匀度提高5.92%,机组纵剖面涡量分布特征值降低3.1倍,大大改善了进水池的流态。这表明所建立的二次多项式响应面模型能够较精确地表示设计变量与目标函数之间的关系,基于响应曲面模型的优化设计方法可有效用于泵站进水流场的流态优化。
    2017  Vol.  48(5):    594-607    [摘要](31)    [PDF](34)
  • 黑土区农田土壤含水量空间变异性的尺度效应研究
    孔达,王立权,刘继龙,付强
    为研究黑土区农田土壤含水量空间变异性的尺度效应,测定32 m×32 m、48 m×48 m、64 m×64 m、80 m×80 m和96 m×96 m 5种采样面积上的土壤含水量,运用传统统计学、地统计学和多重分形等理论,分析土壤含水量空间变异性随采样面积的变化规律。结果表明:研究区不同采样面积土壤含水量的平均值介于31.13%~33.57%,均存在由小于采样尺度和实验误差导致的变异,空间相关范围介于25.80 m~123.60 m,空间相关程度介于16.742%~29.874%,空间变异程度介于0.0292~0.1026;随采样面积的增加,土壤含水量的平均含量和变异程度都逐渐减小,由小于采样尺度和实验误差导致的变异与空间相关范围都先降低后增加,空间相关程度先增加后降低,造成不同采样面积土壤含水量空间变异性的局部信息有所差异。
    2017  Vol.  48(5):    608-612,622    [摘要](25)    [PDF](37)
  • 华南红壤区坡面产流产沙对植被的响应
    廖义善,孔朝晖,卓慕宁,李定强
    植被对坡面水蚀具有重要影响,其减水、减沙效益广受关注。以广东省五华县源坑水小流域2011-2014年的径流小区次降雨水沙观测数据为基础,分别在次降雨、月、年及不同降雨区间讨论植物类型差异、月际植被盖度变化、年际植物生长及不同次降雨量对坡面产流、产沙的影响。研究结果表明:(1)在次降雨尺度,植物小区平均减沙效益、减水效益分别为24.77%、12.95%,其减沙效益大于减水效益;(2)在各降雨区间,相较于裸土小区,桉树、松树和糖蜜草小区分别在次降雨量为20~30 mm、20~40 mm和20~50 mm的降雨区间具有较为显著的减沙效益。松树和糖蜜草在次降雨量为10~50 mm的降雨区间均具有显著的减水效益。但在次降雨量>50mm的降雨区间植物的减沙、减水效益均不显著。(3)在月尺度上,各径流小区产流、产沙量均无显著差异。但由于月际植被盖度的变化,不同月份植物减沙效益数值顺序存在一定变化,但植物减水效益数值顺序较为稳定均呈现为糖蜜草 > 松树 > 桉树。(4)在年尺度上,桉树,松树和糖蜜草的减沙、减水效益区间分别为7.00%~38.66%、2.98%~8.76%,7.74%~37.30%、6.67%~19.67%和8.35%~45.33%、10.00%~23.36%。各径流小区年均次降雨产流、产沙数值顺序均呈现裸土小区 > 桉树小区 > 松树小区 > 糖蜜草小区。各植物小区的减水效益与减沙效益相一致,表明相较于植物通过改变水沙关系减沙而言,植物主要是通过减水来减沙。
    2017  Vol.  48(5):    613-622    [摘要](25)    [PDF](21)
  • 非饱和砂土抗拉强度的试验研究
    蔡国庆,车睿杰,孔小昂,刘超,赵成刚
    越来越多的岩土工程涉及到土体的抗拉强度问题,如土石坝心墙裂缝、地面开裂、水力劈裂等都是土体拉伸破坏的表现形式。为研究非饱和土的抗拉强度特性,对平卧式土体抗拉强度试验装置中侧壁倾角的设计值进行了理论推导,基于此分析对传统的土体抗拉强度试验装置进行了改进,并以非饱和细砂为研究对象,运用等速率单轴拉伸方法开展了不同干密度和含水率条件下的非饱和土抗拉强度试验研究,探讨了土体抗拉强度随干密度和含水率的变化规律,结果表明:非饱和细砂的抗拉强度随干密度的增大而增大,随含水率变化呈现“增-减-增”变化规律。
    2017  Vol.  48(5):    623-630    [摘要](25)    [PDF](31)

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