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  • 水利学报
  • 2021年 第52卷 第10期
  • 出刊日期:2021-10-28
《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。

2021年第52卷第10期

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  • 山区流域洪涝预报水文与水动力耦合模型研究进展
    江春波,周琦,申言霞,柳高飞,张帝
    受人类活动及气候变化的影响,我国山区流域洪涝灾害频发,研制洪涝模拟及预报模型对于流域洪涝灾害防治及水环境综合整治具有重要的理论意义和应用价值。论文评述了洪涝模拟与预报使用的水文及水动力模型的优缺点,指出单一的水文或水动力模型的局限性。基于此,分析并比较了国内外已有的水文模型与水动力模型的不同耦合方式,包括水文模型与水动力模型的串联耦合、水文模型与一维水动力模型的动态单向耦合、水文模型与二维水动力模型的动态单向耦合。总结了各类耦合模型的优势和适用性,评价了已有耦合模型在计算精度、数值格式稳定性和计算效率等方面所取得的创新。论文探讨了流域洪涝发生和发展的水文过程与水动力过程的互馈机制,分析了水文模型与水动力模型新的耦合方法及可行性,介绍了水文与二维及一维水动力的动态双向耦合模型。动态双向耦合模型预期能更加真实地反映流域洪涝发生及发展物理机制,具有提高洪涝模拟预报精度和计算效率的潜力。各类耦合模型各有其自身优势,可以根据流域及城市防洪实际,选取合适的水文与水动力耦合模型,为山区流域洪涝模拟和预报提供技术支持。
    2021  Vol.  52(10):    1137-1150    [摘要](375)    [PDF](333)
  • 三江平原典型区河水与地下水水量交换的时空变化规律分析
    束龙仓,殷晓然,袁亚杰,吕岩,鲁程鹏,刘波
    地下水与河水之间的水量交换具有复杂的过程,受地形地貌、水文及水文地质条件等的影响。以松花江、黑龙江、挠力河及乌苏里江4条河流作为边界的三江平原典型区为例,通过补充水文地质勘察,结合2000—2018年河水位及地下水位动态的空间分布,对该地区河流代表性河段河水与地下水水量交换的时空变化规律进行深入分析。结果表明:三江平原典型区四周河流代表段的河水与地下水的水力联系较强,研究期内50%以上的年份两者的水位变化呈显著或高度相关,其中松花江富锦段地下水位与河水位相关性最强,挠力河菜咀子段和乌苏里江海青段次之,黑龙江勤得利段最弱;多年平均背景下,挠力河菜咀子段为地表水补给地下水,松花江富锦段、乌苏里江海青段及黑龙江勤得利段皆为地下水补给地表水;松花江富锦段多年平均地表水地下水单宽交换量为10-2m3/(d·m)量级,黑龙江勤得利段为10-5m3/(d·m)量级,挠力河菜咀子段为10-3m3/(d·m)量级,乌苏里江海青段为10-3m3/(d·m)量级;相关系数与地表水地下水单宽交换量大小存在正相关,相关系数越大,单宽交换量越大,MK趋势检验结果表明,各河流代表性河段单宽交换量均存在减小趋势,其中乌苏里江海青段趋势显著,松花江富锦段趋势最小;松花江富锦段单宽交换量年际和年内波动强烈且均占主导地位,年内尺度下仅6月份为显著减小趋势,未构成年际尺度下显著减小的整体趋势,水量交换变化频繁、规律性较弱;黑龙江勤得利段年际及年内尺度波动均占主导地位,与松花江情况类似但波动程度较弱,年内尺度下不存在显著变化趋势,因此未构成显著减小的整体趋势;挠力河菜咀子段主要以年际尺度波动,1—5月存在显著减小趋势,但未增大年内尺度波动,且未构成显著减小的整体趋势;乌苏里江海青段主要为年内尺度波动,6—9月及12月的显著减小趋势增大了年内波动,且构成了显著减小的整体趋势。研究结果可为三江平原典型区水资源评价提供科学依据,为该地区水资源的科学开发利用提供理论参考。
    2021  Vol.  52(10):    1151-1162    [摘要](198)    [PDF](164)
  • 水稻灌区基于多过程耦合的分布式水转化模型
    王璞,卢炤,霍再林
    水稻灌区灌溉-排水过程频繁,定量表征灌区水转化过程对于灌区水资源管理具有重要的意义。针对水稻灌区供-耗-排过程的时空复杂性以及灌区水转化对地下水补排过程的影响,本研究建立了灌区尺度基于灌排过程-农田土壤水分运动与作物生长过程-地下水运动过程耦合的分布式水转化模型,实现了对灌区的供-耗-排动态过程的定量表征。采用黑龙江省和平灌区水稻生长指标、灌区蒸散发量、地下水位变化以及排水沟流量等数据对模型进行了率定验证,结果表明模型具有较高精度。相对于传统灌区水转化模拟方法,该模型有效表征了灌区水转化所涉及的灌排过程、土壤水及地下水运动过程、作物生长过程的时空动态耦合,实现了灌区水转化的分布式动态模拟。同时,模型所需参数较少,避免了以往灌区水转化过程计算复杂的难点。该模型为水稻灌区多环节水转化过程模拟及用水效率评估提供了重要方法。
    2021  Vol.  52(10):    1163-1173    [摘要](153)    [PDF](123)
  • 冰盖下桥墩局部冲刷随时间变化的试验研究
    王军,李志颀,程铁杰,隋觉义
    在寒冷地区,河道中冰盖的存在会改变河道流速分布。与明流条件相比,冰盖条件下水流最大流速点会向河床移动,加剧桥墩周围的局部冲刷。过度的局部冲刷会导致桥梁倒塌。基于水槽清水冲刷试验,对冰盖与明流条件下圆柱型桥墩局部冲刷随时间的变化进行了研究,试验结果表明:冰盖下桥墩局部冲刷速率大于明流。平衡冲刷深度比明流条件下的约大12%,且冲刷平衡所需时间比明流条件下的要约大10%。分析了水流强度与无量纲冲刷深度的关系以及冰盖与明流条件下冲刷深度变化速率的差异,给出了冰盖下局部冲刷深度随时间变化的经验方程,研究成果可供实际工程参考。
    2021  Vol.  52(10):    1174-1182    [摘要](134)    [PDF](102)
  • 江湖关系的历史和未来
    张云昌,张业刚,宋秋龄,沈东亮,许娟
    江湖关系是长江大保护中一对重要的关系,本文从历史文献、地质、考古的角度论证了江湖关系的变迁,剖析了其变化的主要原因,详细分析了1949年以来江湖关系变化的情况,提出维持江湖关系基本格局的必要性,认为处理江湖关系应以“维持格局,长期监测,修复生态,工程辅助,江湖库三利”为基本原则,并在水库优化调度、荆江河道岁修、洞庭湖三口清淤、两湖入江水道整治、开展生态调度、珍稀水生生物放流、水文与水生动植物耦合关系研究及泥沙监测研究等8个方面,提出了近期需采取的主要措施。可为长江大保护工作的开展提供新的思路。
    2021  Vol.  52(10):    1183-1192    [摘要](200)    [PDF](137)
  • 考虑蓄水期弃水风险的水库长期发电调度方法
    曹瑞,程春田,申建建,蒋燕,张聪通
    短期径流的大幅波动使得以平均径流为基础制定的水库长期调度方案面临较大弃水风险,是影响水库长期调度决策合理性的重要因素。本文考虑日尺度径流波动影响,提出一种蓄水期弃水风险量化方法,并建立了耦合弃水风险的水库长期发电调度模型。利用长系列日径流资料,结合风险最小蓄水规则,以不蓄弃水流量为指标量化蓄水期各月弃水风险;采用Copula函数构建月均入流与弃水风险的联合分布和条件概率分布,明晰了特定入流条件的风险置信区间;最后,将弃水风险以弃电损失函数融入优化模型,以获得更符合实际的长期调度方案。以澜沧江流域小湾水库为工程背景进行调度模拟分析,结果表明本文方法能够有效降低水库长期优化调度方案的弃水风险,有利于提高优化结果的可操作性,与传统方法相比,能够使多年平均弃水减少约4.76亿m3、发电量增加约1.15亿kW·h。
    2021  Vol.  52(10):    1193-1203    [摘要](167)    [PDF](133)
  • 具有长引水系统的转桨式水轮机过渡过程计算
    孔昭年,田忠禄,陈卓,陈艳,周同旭,牟全宝
    在水电站设计中,以新型调压阀及其控制系统替代传统调压井具有显著经济效益。基于自行研制的带调压阀的水轮机调速器实时仿真系统和包含水轮机、发电机、引水系统、水轮机调速器等环节在内的水轮机调节系统过渡过程计算软件,采用水轮机流量、力矩特性矩阵法表征水轮机动态特性,建立了刚性水击条件下一洞多机输水系统的数学模型;对带有主配压阀非线性特性的PID调速器,建立了带调压阀的转桨式水轮机调节系统数学模型。研究表明:通过计算只要保证水轮发电机组启动、空载扰动、带负荷、甩负荷自动调节工况下,水轮机调节系统过渡过程满足稳定运行要求,水电站就可以采用调压阀而不设调压井。最后,计算了某具有长引水系统的转浆式水轮机过渡过程,该电站水流惯性时间常数高达27 s,装有2台转桨水轮机、1台定桨式水轮机。计算结果表明,以调压阀代替调压井后,该水轮机调节系统稳定,满足调节保证要求。
    2021  Vol.  52(10):    1204-1216    [摘要](115)    [PDF](86)
  • 大流量调度过程对水库缺氧区抑制阈值条件研究
    刘畅,刘晓波,周怀东,李步东,王世岩,王亮
    大型水库在热分层期间出现的底部缺氧问题将严重影响湖库底层水体水质,威胁水库供水安全。水库大流量调度引起的强水动力条件可有效削弱甚至完全消除库区缺氧现象。本文以引滦入津源头工程——大黑汀水库为例,采用三维水动力-水质模型复演了水库缺氧区的演化过程,发现大黑汀全库在缺氧区稳定发展时段的8月份有2/3区域出现缺氧现象。为应对缺氧引起的供水安全风险,本文基于多情景分析方法给出了大流量调度过程抑制大黑汀水库缺氧现象的分级调度阈值条件。当大流量调度过程日均流量达到96.5 m3/s且持续时长15~30 d时,大黑汀水库约70%~90%的缺氧区可得到抑制;当流量达到115.7 m3/s且持续时长15~30 d时,90%~100%的缺氧区可得到抑制,库区缺氧现象将基本消除。
    2021  Vol.  52(10):    1217-1228    [摘要](142)    [PDF](87)
  • 白格堰塞湖抢险处置应急管理与经验启示
    周兴波,周建平,杜效鹄,陈祖煜
    基于2018年金沙江白格堰塞湖应急处置工作,全面总结了部际联合会商、央地协同联动等应急抢险工作机制,深入分析了金沙江中游梯级水库群联合调度削峰对防灾减灾所发挥的重要作用。研究表明,若无梨园水库拦蓄,将可能新增淹没面积约160 km2,必对沿江两岸造成更大的损失。据此认识到,迅速获取堰塞湖信息是抢险处置的前提,快速研判堰塞湖风险是重要支撑,精准分析溃决洪水是核心技术,协同联动工作机制是基本保证,动态抢险工程管理是科学方法,完善的高坝水库群是应对洪灾的根本手段。进而提出加强乏信息条件下堰塞湖多源信息快速获取与处理技术、乏信息条件下风险快速研判技术能力、抢险处置专用装备研发、抢险工程统筹管理和协同联动体系完善、高坝水库群开发建设和风险防控与应急调度体系建设等建议,为堰塞湖应急管理水平提升和流域综合防灾减灾提供借鉴。
    2021  Vol.  52(10):    1229-1239    [摘要](135)    [PDF](106)
  • 高拱坝溢流表孔分流齿坎的布置体型与作用效果
    孙双科,徐建荣,柳海涛,彭育,薛阳
    在高拱坝工程溢流表孔上设置分流齿坎具有分散水舌能量、降低下游水垫塘底板冲击压强的作用,是一种颇具竞争力的体型优化技术措施。本文结合采用6表孔与7深孔布置的白鹤滩水电站,开展了坝身泄洪水工模型试验研究,系统研究了溢流表孔分流齿坎的布置方法、细部结构体型及其作用效果。研究发现,该工程1#表孔出口采用外侧单边齿坎、4#表孔出口采用双侧边齿坎的分流齿坎布置方法,是降低下游水垫塘底板冲击压强的较优布置方案。针对分流齿坎的宽度与挑角开展的进一步研究发现,单个分流齿坎的宽度宜取表孔出口宽度的0.18~0.23倍、挑角宜采用15°~20°,是较佳的细部结构布置参数。上述研究成果可供类似工程参考。
    2021  Vol.  52(10):    1240-1247,1262    [摘要](119)    [PDF](111)
  • 中国日降水量的概率分布
    顾学志,叶磊,赵铜铁钢,欧阳文宇,张弛
    针对国内目前没有通用、普适性的日降水概率分布的现状,以全国820个气象站实测的日降水数据为研究对象,根据线性矩比值图选定7种参数个数不同的潜在概率分布进行拟合,选取均方根误差作为拟合优度的评价指标,初步判定KAP和P-Ⅲ分布在全国范围内最适用。在此基础上,权衡概率分布参数多少和拟合效果,进一步制定最优分布的选择策略,对KAP和P-Ⅲ分布拟合效果相近的站点,开展基于天气发生器的蒙特卡洛模拟,评价这两种分布模拟日降水序列不同分位点及降水量年际波动的能力,最后按照气候、地理和流域分区给出全国范围内最优概率分布空间分布图。结果表明:KAP分布的适用范围更广,模拟降水全频段的能力更强,参数更少的P-Ⅲ分布作为最优概率分布有3~4个明显的集中分布区域,而目前普遍接受的G2分布拟合效果并不好,不适宜广泛使用。本文的结果可为日尺度降水概率分布选择提供依据,结合研究目的和应用需求来确定最优概率分布,以最大程度减少因选择概率模型不当而造成的偏差。
    2021  Vol.  52(10):    1248-1262    [摘要](252)    [PDF](143)

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