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《水利水运工程学报》2022年第5期中文摘要
日期:2022年10月31日 09:48:14点击数:字号:【

河南省典型枯水年水资源脆弱性评价及贡献因子识别

王利平1, 2, 3,张怡雯4,张建云2, 3, 5,刘翠善2, 3, 5,王国庆2, 3, 5

(1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350; 2. yh86银河国际官网 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029; 3. 水利部应对气候变化研究中心,江苏 南京 210029; 4. 水利部信息中心,北京 100053; 5. 长江保护与绿色发展研究院,江苏 南京 210098)

摘要: 水资源脆弱性评价是水安全的重要度量方式,水资源安全是区域可持续发展的基础。以河南省18个市区为研究单元,从自然条件、社会经济、供用耗水等3个子系统选取指标建立评价体系,运用熵权法、线性加权法求解其典型枯水年水资源脆弱性,从城市、区域、全省角度分析水资源子系统指数、脆弱性指数,并采用贡献度模型识别了水资源脆弱性主要贡献因子,以期为河南省水资源管理提供科学依据。结果表明:(1)整体上看,3个子系统水资源脆弱性指数大小排序为自然条件>供用耗水>社会经济;城市和区域的水资源子系统指数、脆弱性指数存在一定的差异,且有自西南向东北逐渐增大的趋势;全省水资源为Ⅲ级中等脆弱性。(2)18个市区及全省水资源脆弱性3个子系统贡献度排序为自然条件>供用耗水>社会经济;水资源脆弱性的主要贡献因子集中在自然条件子系统的4个指标。此外,社会经济子系统中的亩均化肥折纯量和供用耗水子系统中的人均综合用水量、亩均灌溉用水量也是主要贡献因子。最后,提出“多渠道供水,提高供水侧能力”“合理扩张城镇、优化人口经济结构,提高城市水平”“提高用水效率,节约用水”的差异化“降脆”策略,以实现水资源可持续发展。

关键词:水资源; 脆弱性; 因子贡献度; 水安全; 河南省

黄河流域多尺度区域界定及其应用选择

左其亭1, 2, 3,吴青松1,姜 龙1,张 伟2, 3

(1. 郑州大学 水利科学与工程学院,河南 郑州 450001; 2. 郑州大学 黄河生态保护与区域协调发展研究院,河南 郑州 450001; 3. 河南省水循环模拟与水环境保护国际联合实验室,河南 郑州 450001)

摘要: 黄河流域涉及区域广阔、问题复杂多样,相应的研究内容较为丰富,存在空间研究范围和分区不一致的问题。立足于黄河重大国家战略目标任务和不同研究需求,考虑流域与沿黄行政区在资源利用-经济发展-生态保护等方面的关联性,将黄河流域空间研究范围界定为黄河流域区、黄河干流流经区、黄河流域涉及区和黄河全行政区,并对其他研究范围及分区进行了说明;从空间范围、研究内容、行政管理3个方面对比分析4种区域界定方案,明确了不同方案之间的联系和区别;依据针对性和目的性等原则,系统梳理了不同研究内容对空间范围的选择情况,解决了什么情况下可以或应该选择某个特定空间范围的问题。研究成果可为后续黄河流域相关研究提供统一标准和参考依据。

关键词:多尺度; 区域界定; 方案对比; 应用选择; 黄河流域

北三河流域水资源供需平衡对降水变化的敏感性

刘 涛1, 2, 3,赵泽锦4,刘利成4,王高旭1, 3,吴永祥1, 3,吴 巍1, 3,田雪莹1, 2, 3,张妮娜2, 3

(1. yh86银河国际官网,江苏 南京 210029; 2. 河海大学 水文水资源学院,江苏 南京 210098; 3. 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029; 4. 红河州南源供水有限公司,云南 蒙自 661000)

摘要: 分析不同区域水资源供需平衡对降水变化的敏感性,并结合考虑云水资源和降水效率的空间分布,有助于常态化人工增雨作业地点的确定,对实现空陆水资源的统筹利用具有重要意义。以北三河流域为研究区域,基于新安江模型和彭曼-蒙特斯公式分析了研究区需水量对降水变化的响应,并探讨了不同计算单元水资源供需平衡对降水变化的敏感性。结果表明:当降水量增加时,流域平水年产水量增加的比例大于枯水年与特枯年,农田灌溉需水量随降水量的增加大致呈线性减小趋势;在不考虑外调水和地下水超采的情况下,自然降水情景的流域资源性缺水量分别为35.46亿m3(降水频率p=50%)、43.17亿m3(p=75%)和46.30亿m3(p=95%),缺水峰值分别出现在5月、7月和8月;各单元缺水量对降水变化的敏感性主要由产水变化主导,空间上呈由北向南逐渐递减的趋势,当平水年降水量增加20%时,北部地区缺水量相对减少率达到150%以上,中部介于30%~50%,南部则小于15%。

关键词:敏感性分析; 供需平衡; 降水变化; 北三河流域; 新安江模型

黄河流域水资源与产业升级互动关系研究

刘建华1, 2,唐 琦1

(1. 郑州大学 管理学院,河南 郑州 450001; 2. 郑州大学 黄河生态保护与区域协调发展研究院,河南 郑州 450001)

摘要: 构建黄河流域水资源与产业升级综合评价指标体系,根据计算所得指数进行时空分析,运用面板向量自回归(PVAR)模型,通过格兰杰因果关系检验、脉冲响应与方差分解等方法,对黄河流域八省区2010—2019年水资源与产业升级的互动关系进行实证分析,提出相应对策建议。结果表明:(1)黄河流域八省区通过优化水资源利用方式难以促进产业结构调整,需要寻找新的发展驱动力,提高产业链附加值,构建现代化产业体系;(2)黄河流域八省区优化水资源利用对提高产业环境友好程度产生促进效应,应着力推动黄河流域水资源可持续利用,建立黄河流域生态补偿机制;(3)黄河流域八省区提高产业环境友好程度对改善水资源状态起积极作用,应大力发展可再生能源,提升产业绿色化水平,恢复水体状态。

关键词:黄河流域; 水资源; 产业升级; PVAR模型

太湖流域典型洪水的降水和水位要素解析

胡庆芳1, 2,朱荣进1,王银堂1, 2,李伶杰1, 2,李曦亭1

(1. yh86银河国际官网 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029; 2. 长江保护与绿色发展研究院,江苏 南京 210098)

摘要: 为加深对流域洪水运动规律的认识,开展了太湖流域2020年洪水与2016年、1999年和1991年3场历史洪水的对比分析,全面剖析了4场流域性洪水对应的降水、水位要素的异同。结果表明:在降水时程分布上,1991年、1999年和2016年致洪降水过程比较集中但存在间歇期,而2020年致洪降水可视为一次连续降水过程,累积雨量大但时程分布较均匀;在降水空间分布上,1991年与2016年洪水期降水为“北部型”降水,北部水利分区致洪雨量明显高于其他分区,1999年为“南部型”降水,南部水利分区致洪雨量明显高于其他分区,而2020年则为“全流域型”降水,各水利分区致洪降水差异相对较小。受降水过程影响,1991年、1999年和2016年洪水期太湖水位上涨过程中存在一定回落或平稳期,但2020年洪水期太湖水位表现为持续性上涨过程。2020年洪水期南部浙西区代表站最高水位明显超过了1991年和2016年,但北部湖西区和武澄锡虞区水位情势不及1991年、1999年和2016年严峻。总体上,2020年太湖流域洪水规模与强度低于1999年等年份,其灾害损失也较小,但对流域及区域设计暴雨、洪水计算和洪水调度仍具有重要参考价值。

关键词:太湖流域; 洪水; 降水; 水位; 集中度

珠江三角洲地区极端降水时空演变特征

邹贤菊1, 2,宋晓猛1, 3,刘翠善3

(1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116; 2. 厦门水务集团有限公司,福建 厦门 361008; 3. yh86银河国际官网 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029)

摘要: 研究区域极端降水演变对科学应对变化环境下区域水资源利用及防灾减灾具有重要意义。选取气候变化检测指数专家组(ETCCDI)定义的6个极端降水指数(最大持续干旱日数、最大持续降水日数、极端降水日数、极端降水总量、最大日降水量和日降水强度),采用线性趋势法和克里金插值法对珠江三角洲地区极端降水变化进行时空演变分析,并采用交叉小波识别大气环流异常因子(厄尔尼诺-南方涛动、北大西洋涛动、太平洋年代际振荡和印度洋偶极子)与极端降水的相关关系。结果显示:(1)除最大持续降水日数外,各极端降水指数均有不同程度增加,表明珠江三角洲地区极端降水正在增加,但变化不显著;(2)极端降水增加的站点主要集中在区域中部和北部,其中变化显著站点主要位于珠江口北部和区域北部;(3)不同气候态下各极端降水指数总体空间分布相似,但变化趋势空间差异较大,且变化幅度有所增加,表明随着年代际的推移极端降水越来越明显;(4)印度洋偶极子对最大持续干旱日数的影响最显著,而厄尔尼诺-南方涛动对其他极端降水指标的影响最显著。

关键词:珠江三角洲地区;极端降水指数; 时空演变; 大气环流; 水资源

模拟履带-软黏土相互作用的环形触探仪研发

黄伟健,廖晨聪,刘世奥,叶冠林

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240)

摘要: 海底履带机器人在软黏土海床上行走时会压陷并剪切土体。压陷反映了履带贯入深度与土体强度,剪切则决定了土体能够提供的驱动力。传统地面力学中的贝式仪将压陷和剪切过程剥离测试,忽略了两者之间的相互作用关系。提出了新的环形触探形式与工作方法,将床面行走的压陷和剪切过程统一到触探仪的压陷贯入和扭转剪切中,通过与前人室内模型试验的对比,验证了环形触探概念的有效性和可行性。针对海床常见的正常固结软黏土,采用修正剑桥模型结合有限元方法,基于环形触探仪对履齿结构参数齿高、齿距进行了敏感性分析,探究了履齿结构参数对软黏土强度发挥的影响。研究结果表明,齿高、齿距对软黏土的强度发挥影响显著,适当增大齿高、缩小齿距有助于软黏土强度的充分发挥。

关键词:履带; 软黏土海床; 压陷; 剪切; 环形触探仪

超高水头大型船闸闸室明沟消能特性研究

陈 明1,陈沿吉1,苗健康2,黄海津1

(1. 重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室,重庆 400074; 2. 湖南省交通规划勘察设计院有限公司,湖南 长沙 410200)

摘要: 为研究超高水头、大尺度船闸闸底廊道侧支孔输水系统闸室明沟消能特性,以单级水头60 m、有效尺度为280 m×40 m(长×宽)的闸室为研究对象,采用三维紊流数值模拟方法,针对流速、紊动能、剩余比能及流速分布均匀度等参数进行分析,阐明了双层侧支孔单明沟和单层侧支孔双明沟的消能特性,并对比了两种明沟消能工的消能效果。结果表明:对于双层侧支孔单明沟布置型式,垂向间距d与支孔面积平方根D之比由d/D=2.29增加至5.71的过程中,消能效果先变优后变差,当d/D=3.43时可达到较佳的消能效果;双明沟型式考虑合理的宽度(单个明沟宽度b与支孔面积平方根D之比b/D=2.71)后,相比双层侧支孔单明沟型式,消能效果更佳。研究结果可为类似船闸的消能工设计提供技术支撑。

关键词:船闸; 超高水头; 大尺度; 明沟; 消能特性

基于速度与加速度准则的泄水闸裂缝工作性态诊断

徐世媚1,黄耀英1,徐小枫1,殷晓慧2,郝 丹3,陈 飞3

(1. 三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002; 2. 三峡基地发展有限公司,湖北 宜昌 443002; 3. 汉江王甫洲水力发电有限责任公司,湖北 襄阳 430048)

摘要: 裂缝实测资料综合反映了现场复杂因素对水工混凝土结构宏观裂缝性态的影响,考虑时效分量是评价裂缝工作性态的重要依据,可基于速度与加速度准则对裂缝工作性态进行诊断。结合王甫洲水利工程泄水闸实际情况,选取水工混凝土结构裂缝典型位置安装裂缝计组,监测获得经历不利荷载工况下的裂缝实测资料,建立反映温度非线性效应的裂缝统计模型,分离获得时效分量,采用速度与加速度准则对时效分量进行诊断。裂缝实测资料的应用分析表明,考虑温度非线性效应的裂缝统计模型拟合效果较好,虽然王甫洲水利工程泄水闸检修门库裂缝部分测点时效分量表现不收敛,但均趋于闭合,由此诊断该泄水闸裂缝目前处于稳定状态。该方法能简便且可靠地反映裂缝的时变规律,可为水工混凝土结构的裂缝工作性态诊断提供参考。

关键词:裂缝诊断; 速度与加速度; 时效分量; 泄水闸; 裂缝开合度

膨润土石灰改良黄土强度及微观结构试验研究

高梦娜1,王 旭1, 2,李建东1,张延杰1,蒋代军1

(1. 兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070; 2. 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室,甘肃兰州 730070)

摘要: 黄土工程性能较差,必须经过处理才能作为路基填料使用。为了提高黄土路基的承载力,更好地解决黄土路基的工程病害问题,在黄土路基填料中加入膨润土和石灰,通过不同组合掺量的膨润土-石灰-黄土的无侧限抗压强度试验与核磁共振试验,分别从土体强度和孔隙结构的角度出发,研究各掺量膨润土-石灰对黄土路基填料强度及孔隙结构的改良效果。试验结果表明:膨润土可以有效填充黄土的孔隙,石灰能使土体内分散的颗粒连成整体,并使土体无侧限抗压强度提高4.01倍;改良黄土的无侧限抗压强度随着养护龄期的增大而增大;与素黄土相比,改良黄土的孔隙度降低,大孔隙占比显著减少。通过微观电镜扫描发现土颗粒之间连成整体,且颗粒间的大孔隙也基本被填充。因此,膨润土和石灰对黄土填料的改良效果较为显著。

关键词:膨润土; 石灰; 无侧限抗压强度; 微观结构;黄土改良

基于时空聚类挖掘的库岸边坡位移监测数据约简

陈 波1, 2,詹明强1, 2,黄梓莘3

(1. 河海大学 水利水电学院, 江苏 南京 210098; 2. 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏南京 210098; 3. 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司, 湖南 长沙 410014)

摘要: 库岸边坡失稳会对工程自身效益和周边安全造成巨大损失,而位移监测数据可以直接表征库岸边坡安全状况。传统变形位移分析一般仅考虑单个监测点,不同监测点之间位移的相似性和关联性有待挖掘。基于时空数据挖掘领域的聚类方法,综合考虑测点属性和空间特征,采用K-means算法度量测点间的相似程度,实现变形区域划分;在变形区域划分基础上,采用遗传算法优化的投影聚类算法,将高维数据向低维空间映射,通过提取测点数据特征,筛选得到重点关注的测点和压缩数据量。经实例工程数据验证,时空聚类挖掘方法便捷、有效,逐步实现了边坡位移监测数据约简,可用于类似库岸边坡的监测数据挖掘。

关键词:库岸边坡; 位移; 时空数据挖掘; 划分聚类; 投影聚类

不同渗透系数的非均质黏土劈裂注浆数值模拟

申时钊1,涂小兵1,雷进生2,周 珂2,刘金鑫2,唐亚周2

(1. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 310000; 2. 三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌443002)

摘要: 针对地下工程中软弱黏土地层病害治理问题,考虑黏土材料的非均质性与低渗透性,对黏土进行劈裂注浆加固特性分析。基于Weibull分布函数理论构建非均质黏土地层模型,对黏土进行劈裂注浆加固模拟;基于注浆模拟计算结果,分析不同均质度与渗透系数对黏土劈裂注浆效果的影响。结果表明:土体劈裂注浆难度随均质度的增大而增加,均质度较高土体劈裂后产生的裂缝较为单一,裂缝分布范围较小;均质度较低土体劈裂产生的裂缝宽度较大,裂缝影响范围更广。浆脉扩展的长度及增长幅度随土体渗透系数的增大而减小,高渗透系数土体的劈裂浆脉宽度要大于低渗透系数的土体,渗透系数较小土体的浆脉长度始终比较大,浆脉距注浆孔越远,其宽度越小。研究可为软弱黏土地层劈裂注浆的工程应用提供指导。

关键词:地基加固; 劈裂注浆; Weibull 分布; 渗透系数; 非均质地层

基于埋置梁广义位移法的桩基拱式渡槽受力分析

胡荣金1,皮家骏1,潘世洋2,黄永涛3,刘晓青3

(1. 中铁水利水电规划设计集团有限公司,江西 南昌 330029; 2. 常州工学院 土木建筑工程学院,江苏 常州213032; 3. 河海大学 水利水电学院,江苏 南京 210098)

摘要: 桩基拱式渡槽包含梁柱与块体结构,采用有限元分析时应分别采用梁单元与等参单元离散,存在梁单元与等参单元之间转角位移协调问题。从梁单元节点作为主节点的广义位移公式出发,建立了梁单元节点作为从节点时其转动位移与所埋置等参单元节点位移之间的埋置梁广义位移表达式。通过设置不同的网格尺寸和单元刚度,研究了梁单元与等参单元之间采用主从或从主广义位移模式对桩基上拱式渡槽结构分析的适用性,并将分析结论应用于某拱式渡槽的受力分析。研究结果表明,在保证计算精度的前提下,埋置梁广义位移法有效提高了计算效率,可用于梁板柱与块体结构的相互作用分析。

关键词:广义位移法; 拱式渡槽; 有限元; 主从节点; 埋置梁

基于图像识别技术的测压管群水深智能获取方法

樊顾飞,高 昂,王芳芳,罗 洁

(yh86银河国际官网,江苏 南京 210029)

摘要: 为在水工模型试验中准确同步获取过水建筑物不同部位水压力,提出并设计了基于图像识别技术的测压管群水深智能获取方法与系统。该系统采用非接触式(侧拍)影像采集方式,实时拍摄多个测压管内水面浮标的运动影像(反映水深变化过程),将影像资料导入计算机;利用软件识别系统,采用灰度化、二值化及开操作等对图像进行预处理,然后使用findContours获取各个测压管水面浮标质心坐标,通过标定系数转换为实际水位数据,最终得到各个测压管内水深同步变化的时间序列。通过水工模型试验验证,该方法较传统人工测量方法获得的数据误差在±1.5%内,且获取方式更快捷、数据更丰富,可为水工模型试验中测压管群水深测量提供新的思路。

关键词:测压管群; 图像识别; 水深; 模型试验

协整和集对分析法在降雨资料短缺地区的插补移用

王秀杰1, 2,齐喜玲1, 2,滕振敏3,李丹丹1, 2

(1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072; 2. 天津大学 建筑工程学院,天津 300072;3. 崇左市左江治旱工程管理中心,广西 崇左 532200)

摘要: 针对中小流域降雨资料短缺,洪水精确预报难度大的问题,提出利用线性协整和集对分析(SPA)方法分别对台风雨和非台风雨下的观测降雨数据进行插补移用,以驼英水库为例,进行洪水预报研究。研究得出:(1)基于台风雨协整计算结果发现雨量站之间存在协整关系,协整模拟结果与实测降雨的纳什系数均在0.85以上,相关系数达到0.90,主雨峰和场次降雨误差均较小,说明协整理论可用于降雨资料短缺时的数据插补;(2)非台风雨降雨序列经补充集合经验模态分解(CEEMD)和集对分析(SPA),根据综合联系度拟定数据移用最优方案,显著提高了降雨数据移用的有效性及准确性,提高了洪水预报精度。该方法可为其他同时存在台风雨和非台风雨地区降雨资料的插补移用提供新思路。

关键词:降雨资料; 插补移用; 洪水预报; 协整关系; 集对分析; 补充集合经验模态分解

考虑鱼类生态需水过程的漓江并联水库群生态调度

杨培思1, 2,王 丽3,莫康乐1,陈求稳1,李 婷1,曾晨军1,唐 磊1,张 辉1

(1. yh86银河国际官网,江苏 南京 210029; 2. 河海大学 水利水电学院,江苏 南京 210098; 3. 重庆交通大学 河海学院,重庆 400074)

摘要: 水库群联合运行带来巨大的经济和社会效益,同时也对河流生态造成诸多影响。为提升漓江流域水库群联合运行的发电、通航、生态保护和青狮潭水库蓄水综合效益,构建了考虑鱼类生态需水过程的并联水库群多目标调度模型,采用第三代非支配遗传算法(NSGA-Ⅲ)对模型优化求解。结果表明:(1)与常规调度相比,优化调度在保障发电工程效益的同时,实现了通航与生态效益的提升;(2)构建的并联水库群多目标生态调度模型,在枯、平、丰水年的生态流量满足率都维持在47%之上,尤其保障了鱼类越冬、产卵和繁殖期的生态需求;(3)实施漓江并联水库群联合生态调度,青狮潭水库在枯水年和丰水年蓄水量分别增加22.26×106 m3和24.55×106 m3,缓解了青狮潭水库供水压力。研究可为并联水库群多目标生态调度提供相关参考。

关键词:生态需水; 多目标; 生态调度; 水库群; 漓江

常州市主城区畅流活水方案模拟比选及现场试验研究

穆守胜,柳 杨,乌景秀,范子武,刘国庆,谢 忱

(yh86银河国际官网,江苏 南京 210029)

摘要: 为了改善常州市主城区水环境,通过数值模拟计算与现场试验相结合的方法,开展畅流活水水环境提升方案研究。利用优质丰富的长江水作为引水水源,通过魏村枢纽和澡港水利枢纽引水,围绕新建工程大运河西枢纽及与4座活动堰工程的调度组合,设置了5组模拟方案,通过水动力数学模型,模拟各方案下城区内部河道流量分配情况,并结合现场试验论证了推荐活水方案的效果。结果表明:推荐方案形成了3级水位差、水位调控精准、流量分配合理的畅流活水格局,河网水环境改善显著,同时大部分水质指标在引水结束后16 d内均仍处于较好的状态,但部分河道的水质反弹明显。通过数学模型开展水动力调控是改善平原河网城市水环境的有效手段;但需要强化日常监测,根据水质变化情况合理确定活水周期,同时对部分水质异常点位开展污染源解析工作,保障河网水环境的长效久治。

关键词:平原河网; 水环境; 畅流活水; 水动力; 水质; 数值模拟; 现场试验

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