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  • 水利学报
  • 2021年 第52卷 第5期
  • 出刊日期:2021-05-28
《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5期

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  • 半偏减法集对势在引黄灌区水资源承载力动态评价中的应用
    金菊良,沈时兴,崔毅,张修宇,何飘,宁少尉
    为有效处理、充分挖掘水资源承载力动态评价中评价样本与评价标准之间的不确定性,分析识别区域水资源承载状态及其变化的物理机制,构建了引黄灌区水资源承载力动态评价的半偏减法集对势方法(SSSPP)。SSSPP在河南省大功灌区的应用结果表明:从承载力系统角度看,灌区总体承载状态得到改善,且从2013年起更为明显,2017年灌区5县均为水资源临界超载,其中距离黄河干流越远的县承载状态越差;从承载力子系统角度看,各县的承载支撑力均呈小幅恶化态势,这是限制灌区承载力提升的主要原因,承载压力在波动中减小、承载调控力显著增强;从承载力评价指标角度看,各县的支撑力指标人均水资源可利用量、水资源开发利用率长期处于反势,压力指标人均GDP、缺水率长期处于反势或偏反势,这些均是灌区承载力调控的重点对象,而部分县调控力指标灌溉水有效利用系数、生态环境用水率由反势逐步发展为偏同势或同势,这是承载力提升的重要原因,反映其对农业和生态用水的管控。可见,SSSPP可分别从承载力系统、子系统和评价指标三个层次定量解析引黄灌区水资源承载状态及其演变特点,既可测度灌区承载力的强弱,又可诊断影响承载力的重要子系统和关键指标。半偏减法集对势的内涵更具解释性、方法直观、计算简便,是减法集对势与一阶效应全偏联系数相结合的一种改进减法集对势,为准确判别资源、环境、生态承载力动态评价等集对系统所处状态及其发展趋势提供了新的有效途径。
    2021  Vol.  52(5):    507-520    [摘要](290)    [PDF](185)
  • 江湖水沙输移与长江中下游造床流量的关系
    孙昭华,周炜兴,周坤,周歆玥,陈立,李义天
    长江中游江湖系统滞洪沉沙作用对干流造床流量会产生一定影响。针对该问题,选取枝城至大通为研究河段,以1953年至三峡水库蓄水前水沙资料和2002年河道地形资料,采用多种方法估算了长江中下游造床流量,分析了江湖水沙输移对受分流、汇流影响河段内造床流量的影响机制。分析结果表明:城陵矶以上为分流沉沙区,中水和洪水流量概率密度存在微弱转折,当枝城流量大于35 000~40 000 m3/s的临界范围时,干流河道呈淤积状态;城陵矶以下为汇流稀释区,中洪水流量概率密度呈分段幂函数分布,流量超过40 000 m3/s左右的临界范围时,流量-含沙量关系由正相关转为负相关。城陵矶以上的造床流量在28 000~35 000 m3/s范围,为沿程减小;城陵矶以下在36 000~44 000 m3/s范围,为沿程增大。荆江河段内,枝城来水来沙是决定造床流量的主要因素,分流分沙关系为次要因素,流量概率与流量-含沙量关系均会影响造床流量。在城陵矶以下,造床流量主要受中洪水流量概率分布影响,江湖系统调蓄洪水作用是影响造床流量的重要因素,沿程汇流对造床流量影响较小。三峡水库运行后,坝下游中洪水频率、水沙搭配关系均发生调整,但河床再造过程中,上述主要影响因素及其主次关系无变化。
    2021  Vol.  52(5):    521-534    [摘要](173)    [PDF](106)
  • 黄河内蒙古河段典型凌情过程模拟
    王涛,余弘婧,郭新蕾,刘吉峰,陈玉壮,佘云童
    近十几年受人类活动和气候变化等影响,黄河内蒙古河段冰情出现新的特征,突发凌情频繁出现,原有的内蒙古河段冰模拟方法已不能满足当前凌情防治的需要,亟待建立能反映凌情物理特性变化规律的河段冰情动态发展数学模型。在实测资料基础上,研究了黄河内蒙古河段冰情时空变化规律,以及河道资料不完整、支流流量资料缺乏及冰桥位置的确定等问题。应用一维冰情数学模型模拟2012—2013年凌汛期黄河内蒙古河段冰情发展过程,并对水温、冰盖厚度、冰盖前沿发展和流量的模拟值和实测值进行了对比分析,模拟值和实测值吻合较好。本研究为黄河防凌提供科学依据和方法支撑,也为天然江河、人工渠道冰情全过程模拟提供了研究思路和技术手段。
    2021  Vol.  52(5):    535-545    [摘要](174)    [PDF](114)
  • 鄱阳湖单退圩实践与思考
    雷声,张秀平,袁晓峰,黄萍,孙东亚
    单退圩是1998年洪水之后国家整治江湖的有力措施之一,已成为鄱阳湖防洪体系的一部分。2020年,鄱阳湖发生超历史记录洪水,单退圩首次大范围运用。通过回顾设立背景,分析本轮洪水的基本特点和运用实践过程,总结了单退圩取得的防洪成效,同时也揭示出单退圩存在法律地位不清、管理制度不明、未建立运用补偿机制、圩堤设置需优化、蓄排难度较大等问题。下一步应进一步调整圩堤范围,并优化运用方案,确保洪水蓄得进、排得出,探索平原蓄洪库建设,实现洪水资源化,补齐鄱阳湖应对超标准洪水短板。
    2021  Vol.  52(5):    546-555    [摘要](171)    [PDF](100)
  • 冰期河湖与大气的热交换模型
    杨开林
    河湖与大气的热交换模型是计算分析冰凌形成、发展、消融时空变化规律的基础。基于现有太阳辐射、长波辐射、蒸发和对流模型研究成果,以现场冰情要素观测及历史天气资料为依据,建立了适用于冰期计算分析的河湖与大气的热交换非线性模型。提出了考虑晴天散射的太阳辐射计算模型,以Iziomon公式计算大气长波逆辐射,以俄罗斯冬季公式计算蒸发和对流。基于现场观测雪面或冰面温度Ts接近于Ta的实际,提出了在Ts=Ta点对河湖与大气的多参数非线性热交换模型线性化,然后利用历史天气资料,采用线性回归的方法确定热交换系数hsa。研究证实:(1)气象站风级或者风速资料一般不能准确估计地势低洼河面的风速;(2)采用典型年历史天气资料得到的hsa可用于预测其他年的热交换;(3)hsa与Ta成正比,且北京、沈阳、保定、包头的hsa的平均值>10.0 W(/m2·℃);(4)漠河和拉萨的hsa略小于北京等地区。
    2021  Vol.  52(5):    556-564,577    [摘要](129)    [PDF](73)
  • 基于改进自回归流模型的坝基三维裂隙网络多参数模拟
    张亦弛,吕明明,关涛,王佳俊,余佳,任炳昱
    在水电工程坝基三维离散裂隙网络(Discrete Fracture Network,DFN)随机建模中,关键在于对裂隙的倾向、倾角、开度等几何多参数的多维联合分布估计。然而,现有基于典型分布的DFN模拟方法存在缺乏考虑裂隙参数之间的相关性,且难以实现对裂隙参数多维联合分布的高精度概率密度估计的问题。针对上述问题,本文提出一种改进的自回归流模型——密度峰值聚类自回归流(Density Peak Clustering Autoregressive Flow,DPCAF),通过采用高斯混合分布与DensityPeak聚类算法改进标准化特征空间的基础分布,弥补自回归流在分布估计的过程中难以考虑裂隙优势分组的不足,提高对于多峰的联合分布的拟合能力;进一步提出基于DPCAF模型的裂隙网络多参数模拟方法,考虑裂隙几何参数之间的相关性,实现其多维联合分布的精确极大似然估计与采样。工程应用结果表明,DPCAF模型相比于现有基于典型分布的方法能够更好地拟合复杂的多参数联合分布,且具备能够建立裂隙几何参数关联关系的优势,从而保证了DFN模型的可靠性。
    2021  Vol.  52(5):    565-577    [摘要](164)    [PDF](101)
  • 三峡库区木鱼包滑坡不同库水升降速率变形响应离心模型试验研究
    冯文凯,易小宇,孟睿,肖锐铧,苏永超,朱权威
    本文采用地表位移监测和离心机模型试验研究了木鱼包滑坡在不同库水升降速率条件下的变形响应规律,取得以下认识:(1)木鱼包滑坡在重力和库水等因素作用下,促滑段不断挤压抗滑段而发生推移式蠕滑变形。(2)木鱼包滑坡变形主要受库水位高程和升降速率影响,降雨对滑坡的变形影响有限。165~175 m水位时,较高的库水上升速率才能造成月累计位移量大于30 mm的滑坡变形事件,而较低的库水下降速率则能造成大量月累计位移量大于30 mm的滑坡变形事件。145~165 m水位时,滑坡对库水升降速率的变形响应降低,滑坡月累计变形量基本处于30 mm以下。(3)滑坡的变形与库水浮力和动水压力有关。库水升降速率较小时,坡体内外水头差很小,库水浮力控制滑坡的变形;在库水升降速率提升后,坡体内外水头差增大导致动水压力增强,促使滑坡在库水抬升阶段的变形减弱,而在库水下降阶段的变形得到加强。(4)木鱼包滑坡的变形响应表现出自调节自适应性,首次蓄水对滑坡稳定性影响最为显著,后续的周期性库水升降过程中,对库水变动响应的敏感性有所减弱。以上研究结果可为三峡库区滑坡防治和库水调度优化提供有益借鉴。
    2021  Vol.  52(5):    578-588    [摘要](111)    [PDF](60)
  • 考虑太阳辐射的寒区衬砌渠道水-热-力耦合冻胀模型与应用
    江浩源,王正中,刘铨鸿,王羿,谭志翔,孟晓栋
    寒区渠道走向导致的太阳光遮蔽产生了阴阳坡效应,引起了渠道水、热、变形的非对称分布。为探明其对渠道冻胀破坏的影响规律,本文提出了渠道阴影计算方法,采用HOTTEL晴空辐射模型,基于辐射度算法建立了考虑太阳辐射时空变化的渠道热辐射边界方程,并结合冻土水-热-力耦合理论构建了“环境-冻土-工程”相互作用的耦合冻胀模型。基于寒区“E-W”走向大型输水渠道现场监测数据验证了该模型的准确性,并系统分析了渠道温度场、水分场及变形场的耦合作用及发展变化的不对称、不同步规律。仿真结果表明:太阳辐射和阴坡遮蔽导致阴阳坡热边界差异显著,其日均温差最大为3.5℃,阴坡早于阳坡15 d冻结,晚于阳坡1 d融化,冻深最大差值为31 cm;冻结期内阴坡冰含量明显高于阳坡,而融化期阳坡冰融化较快,水分场呈条带状分布;坡板和底板最大冻胀变形分别发生在1/4~1/3坡长处和偏阳坡处,阴阳坡冻胀变形差值最大为4.0 cm。上述不对称、不同步冻结特征的宏观表现均是由阴阳坡太阳辐射的空间效应和昼夜温差的时间效应引起的温度梯度和冻结速率差异所致,就此给出了冻胀数值模拟热边界合理选取的建议,为寒旱区大型渠道防冻胀设计、复核及修复提供理论依据。
    2021  Vol.  52(5):    589-602    [摘要](135)    [PDF](73)
  • 土石坝心墙掺砾土的渗透特性冻融演化规律试验研究
    鲁洋,刘斯宏,张勇敢,杨蒙,王柳江,李卓
    高土石坝普遍采用掺砾黏土作为心墙区的压实填筑材料,而高寒区土石坝心墙在施工过程中面临严峻的冻融问题。对经历冻融作用后的压实掺砾黏土料开展一系列三轴渗透试验,研究冻融条件下其渗透特性的演化规律。试验结果表明:冻融作用后,掺砾黏土的渗透系数较未冻融时增大,且增加程度受冻融次数、围压、掺砾量和初始含水率等因素影响。随着冻融次数的增加,渗透系数逐渐增大,且在第1~2次冻融过程中增幅最大;低围压和高初始含水率情况下冻融导致的劣化作用更为突出,渗透系数增大更显著;掺砾量对渗透特性冻融演化规律的影响与掺砾黏土内部的土-石细观结构分布密切相关;随着初始含水率的增加,冻融后的渗透系数逐渐增大,但增幅在压实试样处于最优含水率的干侧时较大,而在湿侧时则较小一些。研究结果可为高寒季冻区高土石坝的防渗设计和冬季施工过程的冻融防控提供一定的指导依据。
    2021  Vol.  52(5):    603-611    [摘要](161)    [PDF](82)
  • 基于MIC与BiGRU的水电机组振动趋势预测
    毕扬,郑波,张亚武,朱溪,江亚兰,李超顺
    为提高水电机组振动趋势预测的准确率,本研究提出了一种基于最大信息系数(MIC)与双边门控循环神经网络(BiGRU)的水电机组振动趋势预测模型。首先,预处理阶段采用小波系数阈值去噪(WTD)方法对历史振动信号数据进行降噪处理以消除强背景噪声的干扰,并将振动信号划分为多个训练样本以改善算法的鲁棒性;其次考虑水力、电气与机械不平衡力因素的影响,基于MIC对与振动信号关联性强的状态参数进行特征选择作为模型的参考输入;再采用BiGRU网络建立振动信号预测模型,进行超前多步的振动信号趋势预测;最后利用训练好的模型对在线获取的振动数据进行实时预测。为评估模型的预测性能,本研究采集某抽水蓄能水电站的振动监测数据进行多组对比实验,验证了所提方法具有较好的预测能力和泛化能力,适用于水电机组振动的趋势预测。
    2021  Vol.  52(5):    612-621,632    [摘要](110)    [PDF](64)
  • 干湿交替下混凝土中水分和多离子耦合传输的数值研究
    陈伟康,刘清风
    干湿交替区混凝土结构的耐久性问题非常突出,非饱和混凝土中的氯离子传输在受到水分对流效应主导的同时,由于混凝土孔隙液中始终存在着多种自由离子,异种离子间的电化学耦合效应对氯传输的影响同样不可忽视。本文着重考虑多离子间电化学耦合效应和水分对流效应对氯离子传输的共同影响,建立经第三方实验验证的水分-多离子耦合传输模型。通过数值研究发现,干湿交替下多离子间电化学耦合效应会在孔隙液中产生时变的静电势,并对传输预测造成显著影响,10个干湿循环后考虑多离子传输的氯离子含量可达单一离子传输的1.26倍。同时发现干湿时间比的减小,干湿循环次数的增加,干燥过程水分边界饱和度的减小,三者均会放大电化学耦合效应对氯离子传输的影响。结果表明在干湿交替环境下,若仅考虑单一离子传输会导致对氯离子摄入量的预测偏低,致使混凝土的耐久性设计偏危险。
    2021  Vol.  52(5):    622-632    [摘要](138)    [PDF](70)

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