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  • 水利学报
  • 2020年 第51卷 第10期
  • 出刊日期:2020-10-30
《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10期

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  • 水足迹框架下稻田水资源利用效率综合评价
    操信春,崔思梦,吴梦洋,任杰,郭相平
    为综合评价稻田水资源利用效率,优选高效灌排模式,本文基于水足迹理论,考虑水资源利用率、水资源产出效益和水量及环境效益3个方面,构建稻田水资源利用效率综合评价指标体系,利用层次分析法和模糊综合评价模型对2015—2018年各处理稻田水资源利用效率进行综合评价,并与单个指标的评价进行对比。结果显示:各处理作物水足迹年均值分别为976.8(浅水勤灌)、1008.7(浅湿灌溉)、954.4(控制灌溉)和792.6 mm(蓄水-控灌),蓝、绿及灰水比例年均值分别为16.4%、40.9%和42.7%;水资源产出效益在水资源利用效率评价中占据首要位置;各处理稻田水资源利效率综合评分值在2.8058~3.9432之间,等级为中或中高,优选出的高效灌排模式为蓄水控灌;作物水分利用效率、作物水足迹与综合评价的对比表明水资源利用效率综合评价至关重要。基于水足迹的稻田水资源利用效率评价能够为农业用水效率评价提供一种新视角,为农业节水尤其是水稻节水的科学研究和决策提供实践依据。
    2020  Vol.  51(10):    1189-1198    [摘要](1642)    [PDF](857)
  • 复杂防洪系统优化调度的三层并行逐步优化算法
    朱迪,梅亚东,许新发,刘章君
    逐步优化算法(POA)在求解水库群防洪优化调度问题方面,应用广泛且较为有效。但是随着水库数量的增加和计及洪水演进、干支流汇入等因素,该算法求解复杂防洪系统调度的效率降低。本文在POA算法基础上,引入莱维飞行更新策略、模式搜索法以及并行技术,提出了三层并行POA算法(TPPOA),并应用于赣江中下游复杂防洪系统的防洪优化调度中。结果表明,相较常规防洪调度规则和POA算法,TPPOA获得的调度策略可以有效降低下游防洪控制点洪峰流量,减轻下游防洪压力。此外,在6核心CPU计算机下,TPPOA计算速度约为POA算法的3~7倍,计算速度更快。本文为复杂防洪系统的优化调度提供了一种新的方法。
    2020  Vol.  51(10):    1199-1211    [摘要](1552)    [PDF](779)
  • 智慧灌区的架构、理论和方法之初探
    史良胜,查元源,胡小龙,杨琦
    我国灌区面临着多元化、精准化和智能化的管理需求。结合人工智能技术的发展趋势和水利学科本身特点,尝试提出智慧灌区的定义和基本功能。从灌区的感知智能、认知智能和管理决策三个方面讨论了智慧灌区研究的难点,初步论述了智慧灌区架构、理论和方法。在灌区感知智能方面,提出非接触式与接触式观测相结合、移动式和固定式观测相结合的观测体系,开发适用于灌区不同尺度观测的机器视觉技术、灌区特征解译技术和天地空数据智能交换技术;建立大数据环境下的信息理论,支撑灌区多源观测体系的研发和海量数据的解译和分析。在灌区认知智能方面,提出物理方程和机器学习相结合的灌区建模思路,建立“数据-物理”混合认知智能的理论基础,开发非完整先验物理机制下灌区水分、盐分、养分、污染物迁移转化以及作物生长和生态系统演化模型,开发灌区物理机制挖掘方法和动态建模方法。在灌区决策方面,提出可满足众多决策者需求以及可处理多种目标的智能优化决策系统,实现灌区尺度上的水量、水质和生态的最优化管理。
    2020  Vol.  51(10):    1212-1222    [摘要](1546)    [PDF](819)
  • 渤海湾典型人工鱼礁区域流场分布与海床泥沙起动特征
    舒安平,王梦瑶,秦际平,王澍,朱福杨
    由于我国渤海湾近海环境的不同程度污染及渔业资源的过度捕捞,人工鱼礁的建设作为改善海洋生态环境、增加渔业产量的重要措施已受到了日益受到重视。本文以渤海湾辽东湾区觉华岛近海人工鱼礁区域为研究对象,通过实施9组室内水槽模拟实验,采用PIV测试技术,重点研究了不同流速及鱼礁间距条件下人工鱼礁区域上升流、背涡流及海床泥沙临界起动切应力的变化特点。结果表明:随着流速增加,在相同人工鱼礁群间距条件下上升流特征值均呈现增加趋势,背涡流特征值变化不大;在同一流速下,不同间距的人工鱼礁群上升流在扩大25%间距时各项特征值达到最大;首个分礁群后背涡流特征值随间距增加而有增大趋势,最大面积也出现在扩大25%间距鱼礁区域;另一方面,通过对比分析人工鱼礁投放前、后泥沙临界起动切应力变化特点,表明在投放人工鱼礁后,各个单体礁前后区域较未投放人工鱼礁群前海床泥沙更容易起动;对于相邻的单体礁,沿水流方向的前一个礁体前后的泥沙较后部礁体前后的泥沙更易起动。本项研究成果对渤海湾觉华岛等近海人工鱼礁优化布局与投放操作流程和渔业资源增产增收具有重要指导意义。
    2020  Vol.  51(10):    1223-1233    [摘要](1476)    [PDF](753)
  • 快速评价海水入侵区地层渗透性实验研究
    戴云峰,林锦,郭巧娜,孙晓敏,陈永强,刘九夫
    为快速评价海水入侵区不同埋深地层渗透性,减少实施常规水文地质试验对存在污染含水层的扰动,提出利用振荡试验技术确定滨海地层渗透系数。室内海水入侵砂槽物理模型中实施了注水式振荡试验,在人工潜水含水层和承压含水层中同步监测了试验主井和相邻观测井中水位响应;龙口海水入侵区地下水分层监测井中实施了提水式和注水式振荡试验;利用配线法计算了室内实验和现场实验中目标地层渗透系数。结果表明:海水入侵砂槽物理模型中实施振荡试验为滨海含水层现场利用振荡试验确定不同埋深含水层渗透系数提供了重要经验;相比于提水式振荡试验,注水式振荡试验更易于实施,激发方式(提水和注水)的不同并没有对试验结果造成明显的影响;利用振荡试验在非常短时间内(单井水位恢复时长大部分少于5 min)确定了龙口海水入侵区重要监测断面上不同埋深含水层渗透系数,实验结果准确可靠。
    2020  Vol.  51(10):    1234-1247    [摘要](1435)    [PDF](1432)
  • 冰盖条件下桥墩局部冲刷研究进展
    王军,苏奕垒,侯智星,程铁杰,隋觉义
    冬季,寒冷地区的河流会出现冰盖或冰塞现象。冰盖的存在使水流湿周增加,流速剖面与明流条件下完全不同,最大流速出现在河床表面和冰盖底部之间,具体位置取决于河床和冰盖的相对粗糙程度。因此,冰盖条件下桥墩局部冲刷过程不同于明流条件下的局部冲刷过程。明流条件下的桥墩局部冲刷是国内外学者研究的热点问题之一,但关于冰盖条件下桥墩局部冲刷的研究工作却非常有限。在简要回顾明流条件下桥墩局部冲刷研究成果的基础上,对冰盖条件下桥墩局部冲刷的研究成果进行了综述和讨论,并提出了今后的研究方向。
    2020  Vol.  51(10):    1248-1255    [摘要](1453)    [PDF](751)
  • 河道特征对黑龙江上游冰坝生消影响
    宋春山,朱新宇,韩红卫,林立邦,姚植
    为探究黑龙江上游典型河段不同河道特征与冰坝形成的相关性,在2019年开江期进行了GPS追踪试验,观测开江期流速变化及流凌阻塞程度,并采用多元回归方法建立典型河段河道特征与冰坝生消相关的预报模型。试验结果表明:黑龙江上游不同河段开江期流速呈现先减小后增大的趋势,所得流速变化可以反映开江期各河段流冰阻塞情况,低流速区域与冰坝易发河段契合良好。将典型河段预报结果与实际冰情对比,结果表明在“武开江”条件下,河道比降区间为2‰~3‰,河道弯曲系数处于2.0~3.0之间,河道突缩宽窄比超过3.0的河段易形成冰坝。与传统经验统计预报模型相比,河道特征回归模型优先考虑河道特征元素,预报精度为85%,更为准确地模拟了黑龙江上游各河段在“武开江”期间的冰坝发生概率。
    2020  Vol.  51(10):    1256-1266    [摘要](1462)    [PDF](1444)
  • 混凝土骨料随机分布的分形研究及其对破坏特性的影响
    任青文,殷亚娟,沈雷
    混凝土的破坏特性和损伤破坏形态具有明显的离散性和随机性,骨料的随机分布形态是重要的影响因素之一。但是对骨料分布的量化表征一直是比较棘手的问题。在假定混凝土是由骨料、砂浆及两者之间的界面组成的三相复合材料基础上,建立了细观混凝土力学模型。对36组不同骨料分布形式下的混凝土试件的单轴拉伸力学行为进行了数值研究,并利用盒维数和多重分形谱表征骨料分布,研究其随机分布规律以及对混凝土破坏特性的影响。发现多重分形谱较盒维数可以更好地提取局部细节特征,为骨料分布的量化研究提供了一种新的方法。进而统计分析了骨料分布多重分形谱谱宽与拉伸强度、软化段曲线(脆性)和裂纹分布盒维数的相关关系,研究表明骨料分布多重分形谱谱宽与拉伸强度和脆性呈反相关关系,与裂纹分布盒维数成正相关关系,即骨料分布多重分形谱谱宽越小,骨料分布越均匀,峰值应力越大,脆性越明显,裂纹扩展越规则,裂纹分布盒维数越小。该研究有助于加深对混凝土破坏特性和开裂破坏形态的认识。
    2020  Vol.  51(10):    1267-1277,1288    [摘要](1468)    [PDF](758)
  • 超固结非饱和土的弹塑性双面模型
    李潇旋,李涛,李舰
    为了研究超固结非饱和土具有的应变软化和剪胀等复杂的力学特性,在弹塑性理论框架内,将巴塞罗那基本模型(BBM)与一种可描述材料循环塑性的硬化法则相结合,建立一个在静态及循环荷载作用下超固结非饱和土的弹塑性双面模型。该模型含有一个边界面和一个加载面,二者在应力空间中随着加卸载进行演化。采用径向映射法则和移动的记忆中心原理来反映超固结非饱和土的循环塑性特征。模型考虑了吸力和超固结的影响,在吸力等于零的时候退化为饱和黏性土的弹塑性双面模型;在无超固结且吸力不等于零的情况下退化为BBM模型。通过与相关静态试验数据的比较,所建模型可以较好地反映静态加载下超固结非饱和土的力学特征;此外,还利用模型对超固结非饱和土的动态力学特性进行了预测。
    2020  Vol.  51(10):    1278-1288    [摘要](1439)    [PDF](748)
  • 坝基岩体裂隙渗流效应数值模拟方法
    蒋中明,肖喆臻,唐栋
    为获取工程尺度的裂隙岩体三维渗流效应,在裂隙岩体基质岩块和裂隙水力传导特性研究基础上,推导了含裂隙单元渗透系数表达式。基于嵌入裂隙单元(EFE)模型,使用离散裂隙网络(DFNs)技术与连续介质渗流分析方法,提出了利用连续介质渗流分析方法模拟非连续介质渗流效应的数值模拟技术,通过算例对该方法的有效性进行了验证,分析了单元尺度大小对该方法计算准确性的影响,并提出了提高计算精度的措施。工程实例研究表明裂隙岩体渗流分析的EFE模型能够真实地模拟坝基岩体渗流路径和孔隙压力分布,更好地揭示坝基的扬压力实际非规则分布形态。
    2020  Vol.  51(10):    1289-1298    [摘要](1463)    [PDF](760)
  • 拱坝-库水相互作用的振动台破坏试验研究
    张宇,冯新,齐晗兵,范哲
    为探究拱坝-库水相互作用对拱坝强震失效模式和超载能力的影响,在振动台上开展模型动力破坏试验。基于弹性力-重力相似律设计模型,考虑了材料率效应,利用天然水模拟库水,缝的模拟考虑了键槽影响以及裂纹尖端开裂相似条件。选择模型基频对应的谐波逐级加载开展超载试验,并运用多种技术手段监测模型损伤破坏全过程。试验表明,库水的预压作用能够充分发挥拱结构的抗压特点,使得顶拱拱向应力分布均匀。本次试验与不考虑库水的研究结果对比,得出结论:库水并没有降低拱坝结构整体超载能力,在宏观裂纹出现前约束顶拱动态应力的发展,使得顶拱与拱冠梁趋于同时破坏。本文研究结果可为评估坝库相互作用对拱坝超载能力与失效模式的影响提供试验依据。
    2020  Vol.  51(10):    1299-1306    [摘要](1455)    [PDF](753)
  • 整体浇筑堆石混凝土拱坝拱梁分载法分析研究
    金峰,张国新,娄诗建,何涛洪,张全意
    贵州省遵义市地处气候温和地区,为了充分发挥堆石混凝土拱坝的优势,在取消振捣/碾压和冷却水管温控措施的基础上,简化坝体构造与施工、加快施工进度,在保障工程建设质量和安全的前提下,提出了不分横缝,整体浇筑的堆石混凝土拱坝。本文针对绿塘、龙洞湾、沙千和风光4座整体浇筑堆石混凝土拱坝,采用拱梁分载法进行应力分析,对拱圈封拱温度的选取,自重荷载处理方式,坝体与地基材料参数对拱坝应力的影响等开展研究,对4座拱坝的安全性进行论证,建议了辅助温控措施,并提出了整体浇筑堆石混凝土拱坝拱梁分载法应力复核方法及其控制标准:应根据拱坝实际浇筑温度估算拱坝每个拱圈的计算封拱温度,参照混凝土拱坝设计对坝体与地基材料参数进行取值,采用拱梁分载法进行拱坝应力复核,相应的允许应力标准初步可按照1.5~2.0 MPa控制。本文提出的分析方法除可以应用于整体浇筑堆石混凝土拱坝以外,对整体浇筑的碾压混凝土拱坝和砌石拱坝也有重要参考价值。
    2020  Vol.  51(10):    1307-1314    [摘要](1433)    [PDF](743)

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