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  • 水利学报
  • 2020年 第51卷 第2期
  • 出刊日期:2020-02-29
《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2期

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  • 冰下爆破预防冰坝的理论探索及实践
    杨开林,郭新蕾,王涛,郭永鑫,彭旭明,吴煜楠
    把冰、水、热动力学理论与爆破效果相结合,提出了在冰坝易发点沿深泓线实施冰下爆破形成温度场预防冰坝灾害的理论,包括:爆破时间的选择,爆破孔的布置,爆破效果的估计,温度场水温及下游冰盖下水温的影响长度和冰盖融化速率的计算。黑龙江开江期冰下爆破的实践表明,爆破坑平均直径随炸药量的增加而增加,但在炸药量超过18 kg时,爆破坑平均直径随炸药量的增加变化不大;根据实测单位炸药量破碎的冰盖体积的效果,建议冰下爆破预防冰坝的单孔炸药量应不超过9 kg,包括冰盖厚度超过1 m的情况。
    2020  Vol.  51(2):    127-139    [摘要](84)    [PDF](71)
  • 基于三级汇流和产输沙结构的分布式侵蚀产沙模型
    蔡静雅,周祖昊,刘佳嘉,王浩,贾仰文
    黄土丘陵沟壑区面临严重的土壤侵蚀问题,是黄土高原主要产沙区域,针对该区域的土壤侵蚀产沙模拟一直是黄河泥沙研究的热点。尽管如此,已有侵蚀产沙模型对坡面、沟壑侵蚀环节刻画并不完善,沟壑侵蚀过程的忽视限制了模型在沟壑区侵蚀产沙模拟的精度。为此,本文考虑了沟壑侵蚀的特殊性,从分布式水循环模型(theWater and Energy Transfer Processes in Large River Basins,简称WEP-L)的“坡面-河道”二级产汇流结构中单独分离出沟壑环节,提出了“坡面-沟壑-河道”的三级汇流和产输沙结构,从而构建了基于WEP-L的分布式侵蚀产沙物理模型(WEP-SED)。将WEP-SED应用于无定河流域白家川水文站控制区,模型得到的白家川1956—2010年月均输沙率过程与实测过程接近。结果表明,WEP-SED可有效应用于黄土丘陵沟壑区的侵蚀产沙模拟研究。此外,模拟的白家川沟壑环节多年平均侵蚀量约占该区域总侵蚀量的49%,且94%的沟壑侵蚀集中于7—9月。模拟结果充分说明该区域沟壑侵蚀的严重性,细化沟壑侵蚀过程对于提高该区域侵蚀产沙模拟精度具有重要意义。
    2020  Vol.  51(2):    140-151    [摘要](58)    [PDF](51)
  • 基于NGA模型的主余震序列作用下重力坝损伤破坏研究
    翟亚飞,毕仲辉,唐彧杰,马天骁
    传统的线弹性模型和弹塑性DP模型难以真实反映混凝土、岩石地基在遭遇超出其抗拉压强度时的损伤破坏规律。为更加全面地评估余震作用对已损重力坝结构的累积破坏影响,本文采用塑性损伤力学模型来模拟坝体的动力损伤,同时考虑岩石材料的非线性性质,将塑性损伤力学的方法推广到岩体材料,建立了大坝坝体与地基的整体损伤力学模型,实现了重力坝整体动态损伤演化全过程模拟。结合主震与强余震统计关系和NGA地震动衰减关系构造了主余震地震动序列,分别研究了单次主震、单次余震以及主震后余震对强震区混凝土重力坝坝体地基整体损伤演化的影响。研究结果表明:余震作用对坝基的塑性应变累积效应显著,对于主震受损的混凝土重力坝结构,余震作用能够引起结构较大的二次残余变形。
    2020  Vol.  51(2):    152-157,168    [摘要](41)    [PDF](45)
  • 淡水湿地生态系统中微生物驱动氮转化过程研究进展
    陈宏,王泓,吴敏,余关龙,陈婧,刘达山
    淡水湿地在全球氮循环中发挥着重要作用,微生物驱动氮转化过程对于淡水湿地的自然净化功能及水体富营养化控制具有重要意义。近年来,随着分子生物学和生物信息学等技术的快速发展,湿地系统的氮转化功能菌群和微生物多样性等方面的研究取得了突破性进展。与此同时,受气候条件变化及人类活动影响,淡水湿地系统生境因子出现了复杂变化,进而影响了功能微生物及其氮转化途径。氮循环过程中产生的一氧化二氮(N2O)是仅次于二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)的第三大温室气体,与淡水湿地系统微生态及功能密切相关,其产生机理和影响因素也受到广泛关注。由于参与氮循环的微生物复杂多样、功能菌群协同作用机制不明,以及其受气候条件变化和人类活动影响显著,仍有必要深入研究淡水湿地系统的微生物驱动氮转化过程及机制。
    2020  Vol.  51(2):    158-168    [摘要](52)    [PDF](38)
  • 考虑渗透溶蚀作用的防渗帷幕耐久性控制指标
    张开来,沈振中,徐力群,谈家诚,杨超
    帷幕是水工程常用的防渗结构,在其长期的服役过程中,渗透溶蚀会导致固相钙分解,渗透系数增大,防渗作用下降。目前,帷幕的渗透溶蚀耐久性缺乏控制指标,影响工程效益。在综合分析各种相关文献、试验和仿真模拟基础上,本文提出了水泥基材料渗透-溶蚀耦合分析模型,研究了渗透系数、固相钙成分对帷幕渗透溶蚀耐久性的影响,发现孔隙溶液的渗透流速影响帷幕的溶蚀进程,氢氧化钙和水化硅酸钙含量决定了最终溶蚀程度,建议采用帷幕孔隙溶液流速和氢氧化钙含量作为耐久性控制指标,当氢氧化钙含量控制在2%以下、帷幕孔隙溶液渗透流速不超过1×10-6 m/s时,帷幕渗透系数在运行50 a以后增大值在1个数量级以内。
    2020  Vol.  51(2):    169-179    [摘要](53)    [PDF](46)
  • 剪缩型土的剪胀性大数据特征与计算模型
    杨骏堂,刘元雪,何少其
    剪胀性是岩土材料区别于其他材料的重要特征,其基本力学特性目前尚未研究透彻,由此导致相关本构模型无法充分反映岩土材料的变形机制。本文提出了一种并行化的LM优化回归算法,该算法解决了剪缩型土的大规模剪胀性数据回归分析时的全局优化性差、收敛性慢、计算效率低的问题。利用该算法建立了剪胀率与其各影响因素之间的相关性函数。根据剪缩型土的剪胀性大数据特征和基本力学特性,考虑了剪胀率主要影响因素和附加影响因素的综合作用,构造了可以反映剪缩型土剪胀性共同规律的计算模型。该模型和剪缩型土所有实验数据的剪胀率拟合度高达0.938,明显优于剑桥模型和修正剑桥模型下的剪胀模型,而且本模型能够较好地反映不同剪缩型应力路径下剪缩型土的剪胀性。
    2020  Vol.  51(2):    180-192    [摘要](41)    [PDF](29)
  • 河流泥沙水文学模型边界条件参数化方法探讨
    申红彬,吴保生
    针对河流泥沙水文学模型,在对基础方程(考虑上站来水含沙量的幂律函数公式)基本内涵(不平衡输沙理念、相对空间概念及自动调整作用)综合分析的基础上,从河道边界条件(河段长度、宽度、比降等)参数化角度出发,提出根据河道边界条件确定模型参数的方法。边界条件参数化方法途径主要包括:统计分析方法与理论比较途径。其中,统计分析方法宜先对同一河段选用同一进口断面,分别选取下游不同距离出口断面,通过实测资料统计回归,研究参数随距离的变化规律;理论比较途径主要基于对水文学、水动力学模型方程的理论比较分析,探求参数的计算方法。从断面质点系统跟踪角度来看,河流泥沙水文学与水动力学模型关于空间变化的基础方程,经过空—时变量变换均可表示为关于时间变化的滞后响应模型方程形式,两者区别在于对描述系统水沙组合的特征变量选择不同。河流泥沙水文学模型边界条件参数化最终结果转化为了水沙质点系统的调整时间与泥沙沉降时间,这从另一角度提供了对河流泥沙水文学模型方程物理意义的理解。
    2020  Vol.  51(2):    193-200    [摘要](56)    [PDF](34)
  • 海上大直径单桩基础p-y曲线修正
    张海洋,刘润,袁宇,梁超
    海上风力发电作为一种具有前景的可再生能源,目前的增长十分迅速。超大直径钢管桩是目前海上风机结构的最常用基础型式,API规范建议的p-y曲线法是目前评价钢管桩水平承载能力的主要方法,但其对大直径桩基的适用性有待探讨。本文通过开展系列三轴CU试验标定了等向硬化模型中的各个参数,并通过与实测土体应力-应变曲线的对比验证了建立的等向硬化模型的可靠性。基于该模型采用三维有限元方法分析了黏土中大直径桩基的水平受荷特性,结果发现规范方法低估了大直径刚性桩p-y曲线的初始刚度和土体极限抗力,因此考虑土体强度不均匀性、桩土间粗糙度及桩径效应的影响,对极限土抗力pult和桩体变形参数yc进行了修正,提出了大直径刚性桩修正p-y曲线计算方法。基于现有离心模型试验验证了所提方法的合理性,为海上风机大直径单桩水平承载力计算提供了参考。
    2020  Vol.  51(2):    201-211    [摘要](46)    [PDF](25)
  • 基于作物水分关系改进土壤水分胁迫修正系数的反求方法
    吴训,石建初,左强
    土壤水分胁迫修正系数是宏观根系吸水模型的重要组成部分,其所含拟合参数通常基于反求方法予以评估,但传统反求方法未考虑不同胁迫条件下作物生长差异对潜在蒸腾速率的影响,也难以顾及前期水分胁迫对根系吸水或蒸腾带来的滞后影响(常导致复水后作物蒸腾与根区土壤水分变化趋势不同步),从而对参数评估带来较大偏差。鉴于此,本文提出两点相应的改进措施:(1)利用有效叶面积指数对遭受水分胁迫作物的潜在蒸腾速率进行校正;(2)在了解复水后蒸腾变化过程的基础上,仅利用蒸腾与根区水分变化动态基本同步阶段的相关实测数据来优化参数,以尽可能规避或减小滞后影响(即蒸腾与土壤水分变化的不同步过程)。基于不同灌溉处理冬小麦室内土柱栽培试验对改进方法的可靠性进行了评估,结果表明:与传统方法相比,基于改进方法优化参数所建立的根系吸水模型显著改善了冬小麦实际蒸腾速率和相对蒸腾速率的估算精度,使估算值与实测值间的均方根差(RMSE)分别保持在0.07 cm/d、0.04 cm/d以内,而决定系数(R2)则均在0.96以上;模拟的土壤含水量分布也与实测值吻合良好(RMSE ≤ 0.012 cm3/cm3R2 ≥ 0.83)。因此,所提出的改进方法可有效用于优化土壤水分胁迫修正系数中的拟合参数,为建立合理的根系吸水模型从而准确估算或模拟作物蒸腾耗水动态和土壤水分迁移过程奠定一定基础。但基于优化参数所建立的根系吸水模型仍难以准确再现根系吸水在复水后的缓慢恢复过程,有关复水后根系吸水的水分胁迫滞后效应机制及其定量表征仍需进一步深入研究。
    2020  Vol.  51(2):    212-222    [摘要](40)    [PDF](30)
  • 长期恒荷载作用下混凝土时变断裂试验研究
    韩小燕,高洪波,吴智敏,马鹏
    服役中的大体积混凝土结构处在长期荷载作用下,与服役时间相关的时变断裂问题直接关系到结构的安全。采用标准三点弯曲梁试件,分别施加约0.7Pmax、0.75Pmax、0.8Pmax、0.85Pmax、0.95Pmax的恒定荷载进行长期加载,试验测得在不同恒荷载水平下的时变裂缝口张开位移CMOD(t)。试验结果表明,CMOD(t)在持载阶段不断增大,CMOD(t)-t曲线呈现出三个阶段特征:第一阶段,CMOD(t)快速增大而裂缝口张开速率CMOR(t)逐渐减小;第二阶段,CMOD(t)增大而CMOR(t)几乎不变;第三阶段,CMOD(t)和CMOR(t)都快速增大直至试件断裂破坏。与不考虑时间相关性的单调加载静态断裂试验相比,时变断裂试验的临界裂缝口张开位移CMOD(tc)偏大;随着恒荷载水平的增大,时变断裂临界裂缝口张开位移CMOD(tc)减小且接近单调加载静态断裂的临界裂缝口张开位移。对于不同恒荷载水平的试件,其时变断裂寿命tcr随着长期恒荷载水平的增大而减小,且时变断裂寿命与荷载比P/Pmax成指数关系。
    2020  Vol.  51(2):    223-231    [摘要](48)    [PDF](33)
  • 基于MSWEP的祁连山地区降水空间分布特性解析
    黄琦,覃光华,王瑞敏,向俊燕,胡庆芳,李伶杰
    综合评价了全球性降水数据MSWEP(Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation)在祁连山区的适用性,解析了其在不同时空尺度上的误差特征,采用结合地面雨量资料GSOD(Global Surface Summary of theDay)订正后的MSWEP(Corrected MSWEP,COMSWEP),重点探讨了祁连山地区降水的垂直分布特性。结果表明:(1)MSWEP在日、月、年等尺度上总体低估了研究区域地表降水,对暴雨及以上日降水事件存在比较严重的漏报,在雨季的精度要明显高于旱季;(2)相对于MSWEP,COMSWEP在各种时间尺度上与地表降水更为吻合,对雨季降水和年降水具有较好估计效果,但在旱季仍存在较明显系统偏差;(3)MSWEP和COMSWEP均表明祁连山区多年平均降水量在空间上呈由东至西递减、北坡略高于南坡的总体格局,而在时程上雨季降水主导了全年降水,但在不同分区和时间尺度上,COMSWEP降水量均明显高于MSWEP;(4)MSWEP和COMSWEP均反映祁连山地区东段最大降水高度带在3000 m左右,超过此高度带多年平均降水量变化甚小,而中段和西段多年平均降水量随海拔呈现先增加后降低的趋势,最大降水高度带分别位于4100 m和4500 m左右。
    2020  Vol.  51(2):    232-244    [摘要](63)    [PDF](36)
  • 农村不同排污方式水质调查与治污新策略
    朱木兰,黄永福,李地金,王思越,陈恩
    目前全国各地正在积极推进农村生活污水整治工作,为了该项工作能够合理选用最佳排污方式即污水收集方式,选取厦门某个亟待整治的村庄,针对该村3种不同排污方式即污水经PVC管道排放、排水沟排放和荒地排放,开展了水质调查。调查结果表明,从荒地排出的污水水质最好,经简单沉淀后有望满足农田灌溉标准;其次是硬化排水沟;水质最差的是PVC管道。基于该调查结果,提出农村污水整治工作应改变目前简单效仿城市采用管道排污的思维,建议充分利用农村中现有荒地这种天然土壤渗滤系统;充分利用农村现有排水沟进行排污以便沿程削减污染物质,应尽量避免新建排污管网。最后,本文还提出一种治污新措施即集生态景观与“渗、蓄、滞、净、排”功能于一体的LID新型排水沟。
    2020  Vol.  51(2):    245-252    [摘要](53)    [PDF](37)

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