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  • 水利学报
  • 2016年 第47卷 第6期
  • 出刊日期:2016-6-28
《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6期

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  • 多模式集合模拟未来气候变化对水稻需水量及水分利用效率的影响
    王卫光,丁一民,徐俊增,缴锡云,杨士红
    在模拟水稻水分利用对未来气候变化响应的研究中,考虑气候模式以及降尺度方法的不确定性,有助于获取更加稳健的模拟结果。本文采用SDSM和BP神经网络两种统计降尺度模型分别对HadCM3和CGCM3两种大气环流模式的3种气候情景(A1B,A2和B2)进行统计降尺度模拟,再基于贝叶斯模型平均方法(BMA)集合降尺度结果,并由此驱动ORYZA2000水稻模型,模拟21世纪中后期(2050s和2080s)3种情景下水稻生长周期、产量、需水量及水分利用效率。结果表明:BMA相对于简单模型平均法(SA)可以更有效地减小气候模式的偏差;在未来的两个时期内,由于气温的不断升高以及辐射的下降,水稻产量显著下降,生长周期明显缩短;需水量随着辐射的降低而降低,但在2080s,气温的迅速上升带来了需水量的升高,但仍低于历史基准期水平,而需水量的下降并不能抵消产量下降对水分利用效率的负面影响。
    2016  Vol.  47(6):    715-723    [摘要](217)    [PDF](59)
  • 基于动态试算反馈的水资源承载力评价方法研究——以沂河流域(临沂段)为例
    王建华,姜大川,肖伟华,赵勇,王浩,徐怀霞
    人类社会的发展使得水资源与水环境问题日益突出,传统水资源单一数量承载力已不能满足水资源规划与管理的需求。本文从水质水量耦合角度构建了量质平衡方程和针对水功能区划水质目标的地表水资源可利用量计算方法,在此基础上提出了以人口数量与GDP规模为表征指标的水资源承载力计算模型。该模型利用人口空间展布的方法将社会经济指标拆分到水资源分区,用承载水平下的生活用水量与Ⅰ-Ⅲ类水资源可利用量平衡关系对结果进行试算检验,考虑了水质水量对水资源承载力的双重约束,也反映了地表水资源可利用量的动态变化特性。模型在沂河流域进行了应用,选用CODcr为污染物控制指标,分析计算了沂河流域不同水平年的水资源承载力,验证了模型计算结果的合理性与科学性。计算结果可以评估和预测流域未来时期的水资源承载程度,为流域/区域经济社会的可持续发展提供依据。
    2016  Vol.  47(6):    724-732    [摘要](140)    [PDF](40)
  • 新型旋流环形堰竖井泄洪洞数值模拟和特性分析
    郭新蕾,夏庆福,付辉,杨开林,李邵军
    生态环境友好型的洞内旋流消能工是当前泄洪消能领域一个重要的研究热点和方向。为克服以螺旋型经典涡室或传统喇叭形堰构成的旋流竖井泄洪洞易出现的漩涡、气爆、振动、防空蚀设施复杂等难题,改变一般的防漩、消涡观念,提出一种新的由自调流潜水起旋墩为核心构成的旋流环形堰竖井泄洪洞,虽脱胎于常规喇叭形竖井泄洪洞,但在泄洪流态和消能防蚀方面又另辟蹊径。作为一种新型的旋流布置体型,已有研究缺乏系统性,其复杂的水流特性并不是十分明了。依托广东清远抽水蓄能电站泄洪洞工程,对新型环形堰竖井泄洪洞进水口、旋流泄洪洞、出口的复杂水流运动进行了三维数值模拟,并对部分水力参数的特性进行了解析计算,获得了该新体型旋流空腔流态、自由水面、合成流速、压力等水力要素的分布规律。结果显示:计算得到的上述水力学要素分布规律与模型测量值吻合较好,模拟值与初步建立的新体型水力特性理论解析值较为接近,表明解析计算方法具有一定的实用价值。模拟计算结果为进一步明晰新型环形堰竖井泄洪洞各部分水流特性和揭示自调节潜水起旋墩的旋流运动机理提供依据。
    2016  Vol.  47(6):    733-741,751    [摘要](87)    [PDF](22)
  • 堰塞湖溃坝快速定量风险评估方法——以2014年鲁甸地震形成的红石岩堰塞湖为例
    石振明,熊永峰,彭铭,熊曦,朱艳
    2014年8月3日云南昭通市鲁甸县发生6.5级地震,形成高83 m,库容2.6亿m3的红石岩大型堰塞湖,严重威胁上下游生命财产安全。由于震后地质条件恶劣,道路堵塞,环境危险,且堰塞坝寿命极短,现有方法很难在有限时间内对堰塞坝进行快速且定量风险评估。本文提出一套基于最基本的堰塞坝几何参数、河道三维地形信息和人口分布数据的快速定量风险评估方法,可以实现任何堰塞坝突发区域内的溃坝、洪水演进和生命损失分析:首先采用地理信息工具快速获取坝址、上下游河道三维地形信息;然后采用统计模型和HEC-RAS软件模拟溃坝和洪水演进过程;最后采用风险分析模型计算得到下游生命损失。本文将该方法应用于红石岩堰塞湖案例分析发现:开挖泄流槽可以降低峰值流量和生命损失,但不能防止溃坝;开挖泄洪支洞后,可以避免在非汛期情况下发生溃决;但在极端洪水情况下(如百年一遇)仍会发生溃坝,并产生较大的洪水和生命损失,因此仍需要加固坝体,做好观测,并准备好应急预警和疏散预案。本方法可针对突发堰塞湖进行快速定量的风险评估,为堰塞湖的应急管理和决策提供依据。
    2016  Vol.  47(6):    742-751    [摘要](79)    [PDF](20)
  • 基于高压压水试验的裂隙岩体非线性渗流参数解析模型
    刘明明,胡少华,陈益峰,周创兵
    高渗压条件下裂隙岩体的渗透特性是高压引水隧洞近场渗流场分析与工程防渗设计的重要参数,一般通过现场钻孔高压压水试验获得。针对钻孔高压压水试验流量-压力曲线的非线性特征,建立了基于Forchheimer方程的裂隙岩体非线性渗流参数(渗透系数k和非线性系数b)解析模型。该解析模型中的渗透系数解析表达式与现行钻孔压水试验规程推荐公式一致,不仅形式简洁,而且物理意义明确,是现行规程推荐公式在非线性流条件下的拓展,可作为高压压水试验条件下钻孔压水试验规程修订的重要依据。对海南省琼中抽水蓄能电站高压岔管区钻孔高压压水试验成果的分析表明:Forchheimer方程很好地表征了高压压水试验过程中流量-压力曲线的非线性特征,本文提出的解析模型为高渗压条件下裂隙岩体非线性渗流参数的合理取值提供了有效的方法和手段,克服了现行钻孔压水试验规程对高渗压条件下裂隙岩体渗透性难以正确表征的局限和由此带来的工程防渗设计风险。
    2016  Vol.  47(6):    752-762    [摘要](176)    [PDF](16)
  • 考虑围岩衬砌相互作用的钢筋混凝土衬砌数值模拟
    周辉,高阳,张传庆,向天兵
    考虑围岩与衬砌相互作用下,如何实现拟衬砌结构的准确模拟是深埋水工隧洞设计施工所重点关心的问题。论文提出了一种"实体单元+结构单元"的钢筋混凝土衬砌模拟方法,并在数值计算软件中实现,对其参数取值开展了研究,确定了适用于该方法的界面刚度计算公式及界面厚度取值范围。得到如下结论:(1)FLAC手册中推荐的界面刚度公式更加适用于该方法;(2)界面厚度的合理取值为0.55倍钢筋半径。最后通过受压和受弯构件的理论解验证了不同受力环境下方法的合理性,并结合锦屏二级水电站引水隧洞钢筋应力的实测数据,验证了结论的适用性,对工程计算中相关参数取值有很好的借鉴意义。
    2016  Vol.  47(6):    763-771    [摘要](77)    [PDF](13)
  • 基于贝叶斯推理与改进的MCMC方法反演地下水污染源释放历史
    顾文龙,卢文喜,张宇,肖传宁
    有效识别地下水污染源信息既是设计合理修复方案的基础,也是依法治污明确责权的依据。本文将污染源反演过程转化为贝叶斯推断过程,并与克里格替代模型相结合,提出了一种反演地下水污染源释放历史的新思路,同时针对求解过程中采用的Metropolis抽样算法提出改进方案。算例结果表明:(1)该方法能够有效识别地下水污染源释放历史,反演结果的平均相对误差为3.45%;(2)在500次迭代条件下,改进的Metropolis算法将反演结果的平均相对误差从57.41%降低至3.45%,有效提高了反演效率与精度;(3)在污染源释放速率有较大差异且存在扰动的条件下,反演结果并未出现大幅偏离或波动的异常,效果稳定。
    2016  Vol.  47(6):    772-779    [摘要](79)    [PDF](20)
  • 汶川震区滑坡堆积体降雨入渗产流特征人工模拟实验研究
    甘凤玲,何丙辉,王涛
    5.12汶川地震引发了大量的滑坡堆积体,在雨水的冲刷下,不仅会造成山体崩塌,还会发生次生灾害。本文以汶川震区滑坡堆积体为研究对象,采用室内人工模拟降雨方法,探讨了不同降雨强度和土石比条件下滑坡堆积体坡面产流与入渗规律。结果表明:(1)除土石比1:4的滑坡堆积体在所设计的降雨强度(1.0,1.5和2.0 mm/min)和土石比为1:2滑坡堆积体在降雨强度为1.0 mm/min时没有出现产流,其他条件下的滑坡堆积体的产流时间随着降雨强度的增大而减小,而产流率随着降雨强度的增大而增大,且土石比为1:1的平均产流率比土石比为1:2的滑坡堆积体大。(2)根据3种入渗模型的对比分析,可知Horton模型为最适合震区堆积体的入渗模型。(3)在降雨强度为1.5 mm/min时,土石比1:1的滑坡堆积体累积产流量比土石比为1:2的堆积体大;在降雨强度为2.0 mm/min时,土石比1:1和1:2滑坡堆积体累积产流量的变化规律几乎相同。本研究可为汶川震区滑坡堆积体的灾后修复提供实验依据。
    2016  Vol.  47(6):    780-788    [摘要](65)    [PDF](12)
  • PA-DDS算法在水库多目标优化调度中的应用
    杨光,郭生练,刘攀,李立平,刘章君
    Pareto存档动态维度搜索(Pareto-Archived Dynamically Dimensioned Search,PA-DDS)算法是一种求解多目标问题的随机搜索启发式算法。本文将PA-DDS算法引入考虑供水和发电的多目标优化模型优化水库调度图,与非支配排序遗传算法(Non-dominaled Sorting Genetic Algorithm Ⅱ, NSGA-Ⅱ)和多目标粒子群算法(Multi-Objec-tives Particlce Swarm Optimization,MOPSO)对比了收敛性,并在求得非劣解分布的均匀性和与理论Pareto前端的相似性方面与NSGA-Ⅱ进行比较,分析该算法求解水库多目标调度问题的优化性能,对比分析不同目标下的优化调度图。结果表明:PA-DDS算法能够得到更高质量的非劣解集,优化调度图与原设计调度图相比,能更有效协调供水和发电的矛盾,在小幅降低(0.96%)发电量的前提下显著提高(8.07%)水库供水量,平均每年增加经济效益0.55亿元。
    2016  Vol.  47(6):    789-797    [摘要](160)    [PDF](32)
  • 一种新的洪水频率分析方法研究
    王雪妮,周晶
    为解决采用参数法做洪水频率分析时的线型限制问题,同时避免非参数统计法计算过程中复杂的核函数选取问题,提出一种新的洪水频率分析手段,即基于概率密度演化法来推求洪水频率值。首先通过对概率密度演化法的介绍,给出了年最大洪峰流量联合概率密度函数模型;其次利用具有方向自适应性质的单边差分格式对模型进行数值求解,并对求解结果进行积分,得到洪峰流量概率密度函数值;最终,通过三次样条插值及梯形法由洪峰流量概率密度函数值推求洪峰流量频率值。分别以台湾石门水库及黑龙江省嫩江下游的大赉水文站为例,对其洪水频率进行分析。研究结果表明,同实际工程计算中经常应用的参数洪水频率分析方法相比,采用基于概率密度演化法得到的洪水频率曲线能更好地拟合经验频率点据,是一种有效的水文频率分析方法。
    2016  Vol.  47(6):    798-808    [摘要](143)    [PDF](39)
  • 基于SWAT模型的绿水管理生态补偿标准研究
    杨国胜,黄介生,李建,尹炜
    绿水是降水渗透到非饱和土壤中用于植物生长的不可见的水,绿水与蓝水相对应,是陆地淡水系统的重要组成部分。长久以来,人类在水资源利用和管理方面都集中在可见的蓝水,而忽略了生产性绿水的管理与利用。本文以南水北调中线水源区堵河上游流域为研究区域,围绕水源区水源保护目标,将绿水管理与生态补偿相结合,构建了基于绿水管理的水源区生态补偿框架,通过SWAT模型对管理措施进行效果模拟,以此确定绿水管理的生态补偿标准。研究结果表明,梯田、石线、等高耕作和地表覆盖4种绿水管理措施在水源涵养、水土保持和水质保护方面均产生了良好效益,并且效益成本比均大于1,适合在水源区进行应用和推广,绿水管理生态补偿标准为1784万元/a,平均为每年343.5元/hm2。绿水管理生态补偿机制具有长效性、稳定性和能够提高农民保护水源积极性等优势,可为水源区生态补偿提供借鉴。
    2016  Vol.  47(6):    809-815    [摘要](143)    [PDF](20)
  • 滑坡涌浪的初始形态及其衰减规律的研究
    岳书波,刁明军,王磊
    通过滑坡涌浪模型试验,运用高速摄像机记录滑坡入水形成涌浪的过程,并采用多功能监测系统测量滑坡涌浪形成后沿程传播的水位变化过程线,揭示了滑坡涌浪的初始运动形态特征和衰减变化规律。由于滑坡体的高速入水,水体的形态从冲溅形态发展到前涌形态再到后溃形态,伴随着冲溅形态水体的大片落下、前涌形态水体的前涌和后溃形态水体的向后溃倒,最终形成初始形态的涌浪。创新性地引入涌浪初始形态Froude数,并据其数值范围将涌浪的初始形态分为三种形态:常规涌浪、推移涌浪、跃冲涌浪。在运动的过程中,常规涌浪衰减为波形较稳定的波;推移涌浪将慢慢地衰减为常规涌浪;跃冲涌浪先衰减为推移涌浪再衰减为常规涌浪。
    2016  Vol.  47(6):    816-825    [摘要](69)    [PDF](12)
  • 梯级水库群优化调度精英集聚蛛群优化方法
    冯仲恺,牛文静,程春田,武新宇
    将蛛群优化方法(SSO)这一新型群体智能寻优方法引入梯级水库群优化调度领域,并提出精英集聚蛛群优化方法(ESSO)进一步改善SSO的性能表现。ESSO在标准SSO方法寻优机制基础上,从精英个体动态更新策略与邻域变异搜索机制等两方面予以改进,提升蜘蛛群体的多样性与优秀个体领导能力,均衡方法的全局开采能力与局部勘探能力。澜沧江流域工程实例表明,所提ESSO方法能有效克服标准SSO的"早熟"缺陷,有效提升方法的搜索能力,可望为大规模梯级水库群优化调度提供一种新的高效求解思路。
    2016  Vol.  47(6):    826-833    [摘要](84)    [PDF](20)
  • 基于遗传程序的南水北调中线节制闸过闸流量计算模型研究
    曹玉升,畅建霞,陈晓楠,黄会勇
    南水北调中线线路长,沿线分水口门多,且无在线调蓄水库,输水调度技术难度大。输水调度通过调整总干渠沿线各节制闸过闸流量,以满足分水口门的供水需求。目前中线过闸流量计算采用传统水力学经验公式,需根据实测水情数据,定期人工修正公式中参数,灵活性差。本文通过南水北调中线输水调度实践,建立了基于遗传程序结合水力学方法的过闸流量模型,根据实测流量计算流量系数,并利用遗传程序自动拟合节制闸的闸前水位、闸后水位、闸门开度与流量系数的非线性关系,进而实现过闸流量计算。经在南水北调中线节制闸的试用表明,该模型具有很强的自适应能力,灵活性强,拟合精度较高,而且较好地避免了直接拟合流量时泛化能力较弱的不足,具有较强的实际应用和推广价值。
    2016  Vol.  47(6):    834-840    [摘要](93)    [PDF](19)
  • 水文及水资源
  • 跨流域水库群最优调供水过程耦合研究
    郭旭宁,雷晓辉,李云玲,郦建强
    为了有效描述和求解跨流域水库群最优调供水过程,本文建立了基于0-1规划方法的水库群最优化调度模型,统一考虑并最终确定了最优调供水过程。为减少模型单次求解的变量数目,同时增加算法全局搜索的能力,本文借用逐步优化算法的思想,对传统粒子群进行改进,提出了逐步优化粒子群算法(PRA-PSO)对模型进行求解。最后,通过中国北方某大型跨流域调水工程的实例研究分析了模型的合理性和有效性。最优调供水过程的确定不仅可为采用隐随机优化方法确定跨流域水库群调水规则和供水规则提供最优化样本过程,而且对跨流域调水工程调度运行评价具有重要意义。
    2016  Vol.  47(6):    -    [摘要](13)    [PDF](1)
  • 基于遗传程序的南水北调中线节制闸过闸流量模型研究*
    南水北调中线线路长,沿线分水口门多,且无调蓄水库,输水技术难度大。输水调度通过调整总干渠沿线各节制闸过闸流量,实现用水户所需的供水目标。过闸流量计算是中线水量调度模型的重要组成,目前通过传统水力学经验公式进行计算,在输水运行过程中,需不断根据实测水情数据,定期人工修正公式中参数,并更改程序源代码中的参数,灵活性差。本文通过南水北调中线输水调度的实践,建立了基于遗传程序结合水力学方法的过闸流量模型,根据实测流量计算流量系数,并利用遗传程序自动拟合节制闸前、后水位、闸门开度与流量系数的非线性关系,进而实现过闸流量计算。经在南北调中线节制闸的试用表明,该模型具有很强的自适应能力,灵活性强,拟合精度高,而且较好地避免直接拟合流量时泛化能力较弱的不足,具有较强的实际应用和推广价值。
    2016  Vol.  47(6):    -    [摘要](21)    [PDF](3)

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