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2022 年 4 期封面
2022, (4)
摘要:
2022 年 4 期目录
2022, (4): 0-0.
摘要:
基于Sentinel-3A SRAL 2级产品的鄱阳湖水位评估与校准
黄对, 王文种, 刘九夫, 张建云, 崔巍, 韦丽, 闵敏
2022, (4): 1-10. doi: 10.12170/20210616005
摘要:
Sentinel-3A卫星合成孔径雷达高度计(SRAL)因其时空分辨率优势在水位监测上应用潜力较大。基于2016—2018年Landsat-8 与Sentinel-2 光学遥感获取鄱阳湖星子站邻近水域,提取湖上Sentinel-3A SRAL 2级产品卫星测高点,提出一种卫星测高水位计算与校准方法,并结合实测水位进行评估。结果表明:Sentinel-3A SRAL 2级产品在鄱阳湖的过境数据有效率为64%,3—9月有连续覆盖数据,12月至次年2月受水位低或湖滩出露影响无有效数据;不同高程系统下的卫星观测水位与实测水位序列的一致性极显著,皮尔逊相关系数为0.999,在0.001水平上显著相关,实测水位变化量与卫星观测水位变化量的皮尔逊相关系数为1,二者的平均偏差为−0.175 m,标准差为0.084 m,其中降轨统计指标值优于升轨,枯水期则优于丰水期,以降轨枯水期指标值为最优:平均偏差、均方根误差、标准差分别为−0.082、0.107和0.076 m。以2016—2017年、2017—2018年、2016—2018年卫星测高水位与实测数据的平均偏差作为校准参数,校准水位的平均绝对偏差都为0.073 m,皮尔逊相关系数为1。研究验证了卫星测高数据计算和校准河湖水位方法的有效性,该类数据可应用于水文、气候变化研究与洪旱监测等。
开封市7.20特大暴雨城市内涝风险评估
冯峰, 喻谦花, 罗福生, 霍继超, 冯跃华, 靳晓颖, 刘翠
2022, (4): 11-21. doi: 10.12170/20210824002
摘要:
河南7.20特大暴雨由于降雨强度大、历时长、洪灾多发引起了广泛关注,特大暴雨导致郑州、开封等城市出现严重内涝。针对城市内涝风险评估问题,对开封市12个自动内涝监测站点数据进行筛选和分析,构建了由短期风险、长期风险2个维度9个影响因子组成的半结构多层次多目标指标体系,在输入层采用信息熵权向量,在准则层对短期风险、长期风险2个子系统采用熵值权向量、对等权向量、决策偏好权向量3种赋权方法,构成改进风险模糊评价模型。对12个站点的内涝风险进行5个级别(极高、较高、中等、较低、极低)的评估。结果显示:在短期风险评估中,5号站点为极高风险,10号站点为中等风险;在长期风险评估中,6号站点为较高风险,8号站点为极低风险;在目标层的最终评价中,3种方法均显示5号、2号站点风险极高,7号、8号站点风险较低。经过与开封市内涝实际情况对比,认为评价体系和改进模型具有较强的适用性,针对城市内涝风险能够给出短期风险、长期风险、综合风险精准的评估结果,为城市进行排水管网完善、内涝积水点防治等提供可靠的数据支持,为应对暴雨引发的内涝问题制定应急减灾预案和应对措施提供依据。
河湖水系连通优化的内涵特征与准则初探
吕良华, 张海滨, 陈晓燕, 耿雷华, 宋翠萍
2022, (4): 22-27. doi: 10.12170/20210622001
摘要:
针对新时期建设具有水资源、水环境、水生态、水灾害统筹治理功能的国家现代水网的需求,如何进行河湖水系连通优化,尽可能降低负面效应,最大程度发挥综合正效应,是河湖水系连通研究领域急需解决的问题。结合新时期河湖水系连通多功能需求,提出了河湖水系连通优化的概念内涵特征,并对概念内涵和特征进行了初步分析和探讨。在此基础上,结合我国水安全形势对河湖水系连通的新需求,从“十六字”治水思路、“十二字”原则、“三先三后”原则、工程与管理并重、遵循自然和历史规律等方面对河湖水系连通优化应遵循的准则进行了初步探讨,以期为河湖水系连通优化的深入研究提供借鉴。
长江经济带生态系统健康评估及时空变化特征
喻志强, 曹浩, 王正勇, 程卫帅
2022, (4): 28-36. doi: 10.12170/20200519001
摘要:
长江经济带生态系统的健康是支撑我国经济社会可持续发展的重要基础。基于“活力-组织力-恢复力-贡献力”评价指标体系,构建长江经济带生态系统健康评估模型,对2000年和2015年各县市的生态系统健康状况进行评估。结果表明:(1)长江经济带生态系统健康空间分异格局总体呈现北部高南部低、上游高下游低的特点,生态系统健康指数的高值区主要位于云南省,低值区主要位于安徽省和江苏省;(2)与2000年相比,2015年生态系统健康指数整体增加,局部降低,其中,生态系统健康指数下降的区域主要位于长三角沿海地区;(3) 2015年长江经济带生态系统健康以四因子主导为主,四因子主导区占研究区县市总数的41.2%,且大部分四因子主导区是由原组织力-恢复力-贡献力主导区转化而来。总体而言,研究时段内长江经济带生态系统健康状况有所恢复,但在人类干扰较大的地区有所下降。
基于Copula函数的大通站水沙特征分析
黄宇明, 缴健, 窦希萍, 郭海军, 丁磊
2022, (4): 37-45. doi: 10.12170/20210408003
摘要:
长江口受人类活动影响较为强烈,其水沙序列一致性遭到破坏。以大通站1965—2019年逐月径流量和来沙量资料为基础,采用滑动窗口算法结合Copula理论的方法,研究长江口来水来沙变化特征及丰枯一致性问题,并分析水沙联合分布模型边缘函数选取不确定性问题。结果表明:(1)受人类活动的影响,大通站水沙组合在1965—2019年间均呈减少趋势,并且在1979和2000年发生突变,水沙序列1965—1979年和1980—2000年阶段最优函数模型均为Clayton模型,2001—2019年则为Frank模型;(2)大通水文站3个阶段水沙序列同步频率分别是84.52%、84.40%和83.20%,远大于丰枯异步频率,揭示了长江上游来水来沙条件具有较强的一致性;(3)PE3-PE3边缘分布组合的95%置信区间小于PE3-GPD组合,说明采用PE3-PE3组合可以减少函数选取的不确定性。通过探讨大通站来水来沙联合变化特征,可为长江口水域水资源管理、河道整治等工作提供参考。
复式断面明渠流能量及动量校正系数研究
曾诚, 邱斐, 丁少伟, 周婕, 徐剑波, 王玲玲, 尹雨然
2022, (4): 46-54. doi: 10.12170/20210705002
摘要:
在复式断面明渠流中,能量及动量校正系数对水力学计算结果的精确性有直接影响。为研究水深比(滩地水深与主槽水深之比)及滩地植被密度对复式断面明渠流能量及动量校正系数的影响,采用基于壁面建模的大涡模拟(WMLES)方法的三维数值模型,对5种水深比和3种植被密度工况进行数值模拟研究。结果表明:由于流速分布不均匀,主槽和滩地的能量及动量校正系数有明显差异,其值均大于1。随着水深比的增大,复式断面的流速分布趋向均匀,能量和动量校正系数随之减小,能量校正系数的变化范围为1.07~1.19,动量校正系数的变化范围为1.03~1.07。此外,随着滩地植被密度的增大,滩地与主槽的流速差值变大,能量和动量校正系数随之增大,能量校正系数的变化范围为1.09~1.59,动量校正系数的变化范围为1.04~1.21。最后,通过回归分析发现能量校正系数与动量校正系数存在线性关系,所得计算式可用于相同工况条件下能量及动量校正系数的预测。
贵港二线船闸输水系统水力特性原型观测
罗慧婧, 严秀俊, 李中华
2022, (4): 55-61. doi: 10.12170/20220107001
摘要:
贵港二线船闸是西江航运干线中的重要通航枢纽,采用简单的闸墙廊道侧支孔出水及双明沟消能的分散输水系统布置型式。为验证输水系统布置及闸阀门运行方式是否合理,对船闸输水系统进行了水力特性原型观测试验。观测结果表明:闸室水力特性及船舶停泊条件基本满足规范及设计要求,船闸进出水口及闸室内流态较好;在当前船闸水头及推荐的阀门运行方式下,输水末期闸室内的超高、降超出了规范要求,改善闸阀门运行方式后,有效降低了惯性水头;船闸原型与模型间流量系数存在偏差,偏差值不超过6%;双线船闸在不同工作时序下运行,相互影响不大。
外来水量诊断法在污水管网预诊断中的应用
冯杭华, 陈海涛, 施翔, 郭帅
2022, (4): 62-69. doi: 10.12170/20210518001
摘要:
为实现污水管网全覆盖、全收集、全处理目标,全国各地区陆续开展排水管网排查与整治项目。以“长江大保护”为代表的污水提质增效项目指出,在全面开展排查修复工作之前,应对管网进行预诊断。提出了基于外来水量分析的诊断方法,介绍了外来水量预诊断的目的、意义、诊断内容及技术路线,并综合运用水量平衡法、化学质量平衡法和基于流量测量的方法对“长江大保护”项目中的南方某城市排污管网进行了诊断。诊断结果表明:该城市污水系统整体外来水占比约为16%,但局部汇水区域旱天外来水量达到50%以上;该市雨水入流现象严重,约一半以上汇水区域雨水入流量达到30%以上。排污管网预诊断,对管网排查、修复工作具有一定的指导意义。
考虑围压效应的块状节理岩体变形破坏数值模拟
詹懿德, 汪发祥, 佘恬钰, 沈佳轶, 吕庆
2022, (4): 70-76. doi: 10.12170/20211220002
摘要:
节理岩体变形模量是深部岩体工程设计及稳定性分析的重要设计参数,开展围压对节理岩体变形特征及破坏形态的研究具有重要意义。采用离散元数值模拟与室内试验测试相结合的研究方法,开展不同围压条件下含两组预制节理的块状节理岩体三轴压缩变形破坏数值模拟研究,主要结论如下:(1)块状节理岩体的变形模量随着围压的增大而增大,当围压超过4 MPa时,变形模量的变化趋于平缓;(2)块状节理岩体的破坏模式分为两种:一是产生沿着已有节理面的滑动破坏;二是产生穿过整个岩体的剪切破坏,且随着围压的增大,块状节理岩体的破坏模式由节理滑动破坏向岩块剪切破坏转变;(3)对于1+2、2+3、3+5和5+7块状节理岩体模型,发生破坏模式转变的围压分别为0.5、1.0、4.0和4.0 MPa。
连续降雨下黄土陡坡开裂及稳定性评价
王磊, 李荣建, 刘军定, 杨正午, 师金锋
2022, (4): 77-86. doi: 10.12170/20211022003
摘要:
连续降雨导致边坡失稳破坏是黄土边坡常见的地质灾害之一。为了深入研究连续降雨对黄土陡坡渗流场、变形场及稳定性的影响,利用具有侧向隔渗和纵向减阻作用的隔离槽技术对黄土陡坡的两侧降雨边界进行处理,在此基础上开展黄土陡坡现场连续降雨(6 d)试验并进行数值模拟分析,描述了黄土陡坡开裂过程和特征,分析了坡体含水率和孔压响应,并探讨了裂缝对陡坡稳定性的影响。结果表明:边界隔离会导致连续降雨陡坡坡顶形成近乎横向贯通的裂缝,基本消除了局部降雨以外土体的边界约束效应;连续降雨后期陡坡开裂对坡体含水率及孔压分布产生较大影响,最大含水率及孔压中心以裂缝为竖向对称轴下移,并造成降雨结束4 d后水分总下渗深度为降雨期间的1.3倍;连续降雨导致陡坡的安全系数降低了58%,而降雨结束4 d后陡坡的安全系数提升了9%,降雨期间边坡开裂极易引发陡坡上半部滑坡。研究结果可为黄土地区边坡的降雨灾害防治提供参考。
深埋锦屏大理岩力学特性与能量演化研究
楼晨笛, 张朝鹏, 吴世勇, 周济芳, 彭媛, 艾婷, 刘洋, 张茹, 任利
2022, (4): 87-96. doi: 10.12170/20210524002
摘要:
与浅层岩体相比,深层岩体赋存环境更为复杂,导致其力学特性与常见的浅部岩体存在较大差异。锦屏二级隧洞工程最大埋深超过2 500 m,其引水隧洞最高地应力达70 MPa,开展高应力条件下硬岩的力学特性研究,具有重要的理论价值和现实意义。采用四川大学MTS815岩石力学试验系统对取自2 400 m深的锦屏大理岩开展单轴和三轴压缩等系列静态力学试验。试验结果表明:锦屏大理岩的单轴抗压强度为180.43 MPa,随围压的增长,大理岩表现出“脆-延-塑”力学特征,围压32.0 MPa为分界点;同时,起裂应力、损伤应力和峰值应力均具有相似的增长趋势,所定义的脆性指标的下降趋势逐渐趋于平缓;低围压下,弹性能在峰前占主导,而高围压下,耗散能增长更为显著,弹性能峰前峰后差值减小,表现出更为明显的塑性特征。研究结果为准确描述深层岩石力学行为、确保深部工程稳定性提供了一定的理论基础。
自然氧化弱膨胀土的剪切破坏特征试验研究
南亚林, 郭鸿, 陈栋梁, 陈文涛
2022, (4): 97-105. doi: 10.12170/20210624001
摘要:
膨胀土体材料在大气环境下自然氧化,其黏粒的化学成分、矿物组分和颗粒结构将发生变化。通过XRF成分检测及室内土工试验方法,研究了不同围压条件下原状土样与氧化土样的剪切变形破坏规律,用硬化系数量化分析了土样从压缩硬化过渡到压剪混合破坏模态的非线性软化特征。结果表明:原状土样氧化后抗剪指标有所增强,内摩擦角变化是抗剪强度增加的关键因素。原状土样和氧化土样的剪切破坏机制较为复杂,在试验设定加载条件下,可能发生鼓曲状压缩、硬化压缩、压剪混合或剪切滑移等各类破坏模态。硬化系数可对土样加载过程中的剪切应力应变关系曲线进行量化,体现压缩硬化向压剪混合及剪切软化破坏模态过渡的非线性变化特征。可为膨胀土氧化效应研究及其土体稳定性分析提供一定的理论参考。
复杂边界条件下膨胀土的体变特性与抗压强度研究
李燕, 王斯海, 朱锐
2022, (4): 106-113. doi: 10.12170/20210627001
摘要:
季节性冻土地区的渠基土易受现场复杂环境的影响,从而影响渠道安全运行。以北疆典型渠道为背景,开展湿干、冻融及其耦合循环条件下渠基膨胀土的体变特性和抗压强度试验研究,探讨不同循环边界条件、不同循环次数下渠基土的变形特征和强度特性。试验结果表明:在湿干循环过程中,试样体积变幅在4次湿干循环后趋于恒定;在冻融循环过程中,试样的体积变幅随冻融循环次数的增长而逐渐减小;在耦合循环过程中,试样的体变特性受湿干效应和冻融效应的综合影响,发生“冻胀融沉”和“冻缩融胀”的临界饱和度约为70%,同时耦合循环中的湿干过程对试样在后续冻结、融化过程中的体变有一定的弱化作用。耦合循环条件下试样的抗压强度衰减最为显著,7次耦合循环后,试样的抗压强度降低了46.9%~59.1%。湿干循环和冻融循环条件下试样的抗压强度衰减程度则与饱和度相关。研究结果可为北疆膨胀土输水渠道的建设与维护提供参考。
考虑环间接头力学特性的盾构隧洞纵向分析模型
姚家晨, 杨建喜, 曾东, 李同春
2022, (4): 114-122. doi: 10.12170/20211208003
摘要:
盾构隧洞环间接头具有明显的非线性力学特性,合理模拟其受力变形响应是隧洞纵向变形分析中的难点。针对此问题提出了一种简便实用的环间接头分析模型,采用可传压不传拉的接触面单元模拟环间接触,采用基于埋置梁广义位移法的梁单元模拟螺栓,能够同时考虑环间接头处的非线性接触状态和接头螺栓的轴向刚度和剪切刚度,且适用于各种环间连接螺栓形状(直螺栓、弯螺栓或斜螺栓)。通过算例,将有限元模型与理论解析模型计算结果进行对比,验证了该模型的准确性。将该模型应用于某实际工程中穿越断层破碎带的盾构隧洞的纵向变形分析,结果表明:输水盾构隧洞在均质基岩中状态稳定,在断层破碎带区域衬砌环间缝变形和螺栓应力显著增大,但均在设计控制范围之内。该模型可为工程安全建设及运行提供一定参考。
考虑冲刷深度的海上风机地震易损性研究
李芬, 王屹之, 洪子博, 胡丹
2022, (4): 123-130. doi: 10.12170/20210630001
摘要:
在地震和波浪等复杂环境荷载作用下,海上风机的桩周冲刷和地震动水压力会显著影响海上风机的动力响应。建立了考虑地震动水压力及桩周冲刷效应的海上风机非线性动力计算模型,首先基于场地相关反应谱选取了34条地震动记录,通过多条带分析方法获取了不同工况下海上风机的地震易损性曲线,进一步讨论了地震动水压力和冲刷深度对海上风机地震易损性的影响。研究表明:在一般设防烈度下,冲刷深度对海上风机受到地震荷载作用时能否正常工作有显著影响,对风机发生永久性破坏概率的影响较小;而动水压力对海上风机4种极限状态下的地震易损性的影响均较小。海上风机易损性分析可为海上风机的抗震设计提供一定的理论指导,并具工程应用价值。
盐冻作用下水工混凝土强度演化模型
甘磊, 冯先伟, 沈振中
2022, (4): 131-139. doi: 10.12170/20210725001
摘要:
寒区盐湖、盐渍土地区水工混凝土结构强度劣化问题突出。基于各向同性连续损伤力学理论,建立了混凝土相对动弹性模量与相对抗压强度的定量关系,提出了硫酸盐侵蚀和冻融协同作用下水工混凝土强度演化模型,并进行模型验证,最后将模型应用于引大入秦庄浪河渡槽结构性能评估。结果表明:该模型能较好地反映受盐冻侵蚀作用下混凝土强度的变化规律;渡槽数值计算结果与运行状况相符,随盐冻侵蚀劣化时间增长,槽身最大压应力和最大位移增加,最大拉应力减小;盐冻协同作用会加快渡槽劣化速率,渡槽运行59.1 a后会发生破坏。研究结果可为寒旱地区受盐冻侵蚀水工混凝土性能评估和运行维护提供理论依据。
不同冻土条件下渠道地基热状况模拟研究
韩洪武, 穆彦虎, 虞洪, 丁泽琨, 陈领
2022, (4): 140-150. doi: 10.12170/20210108001
摘要:
多年冻土区水利工程的建设和运营会对下伏多年冻土产生显著热影响,且不同冻土条件下影响程度明显不同。以高海拔多年冻土区某渠道工程为背景,在考虑冻融土体内水分迁移、冰水相变及土体未冻水含量与温度非线性关系基础上,构建了冻融土体水-热耦合数学模型。利用该模型,开展了气候变暖背景下,渠道多年冻土地基热状况长期演化规律模拟预测,并考虑多年冻土年平均地温(TMAGT)和体积含冰量(iv)的影响。结果表明,当多年冻土含冰量为少冰(iv≤10%)时,渠道垂向和横向热侵蚀显著,运营50年后渠道下部和岸坡下30 m范围已无多年冻土。当T MAGT为−0.5 ℃时,自岸坡向外约10 m范围内下部多年冻土已退化,而当T MAGT为−1.0和−1.5 ℃时,岸坡下部仍有多年冻土分布。随着含冰量的增加,多年冻土热惰性显著增加。当多年冻土含冰量由少冰(iv≤10%)增加至多冰(10%<iv≤20%)、富冰(20%<iv≤30%)时,即使在T MAGT为−0.5 ℃时,运营50年后渠道下部仍有多年冻土存在,但是自渠道中心形成了一个“锅底状”的融化盘。在过水和气候变暖因素作用下,渠底和坡脚多年冻土表现为自上而下的退化模式,而岸坡和天然场地多年冻土退化表现为活动层的缓慢下移和上限附近多年冻土的缓慢升温。