水文状况是维持河流系统健康的关键因子,利用监利站1966—2023年洪水要素摘录资料,从时间特征、频率和强度3个方面进行了量化分析。结果表明,下荆江漫滩洪水过程最早起始日期,相较于1960年代的中值7月5日,1970—2000年代提前了约8 d,2010年代以后有所推迟;最晚终止日期的中位数从1960—1980年代逐渐推迟至10月5日,1990年代以后则显著提前;1970—2023年的漫滩洪水过程频次波动减少,2020年代初剧减为2次/a; 总历时、 总落水历时、 总涨水历时、 平均流量、 最大流量和年总洪量均表现为在1960—1980年代逐渐增加,至1990年代以后逐渐较少;平均历时和最大漫滩洪水过程历时则呈波动变化;平均洪量在1960—1990年代逐渐增加,2000年代显著减少,2010年代后则大幅增加。反映出在1960—1980年代下荆江漫滩洪水过程与降水量的变化特征相一致,1990年代以后则很大程度受到了上游水库调洪作用的影响,但平均历时、最大漫滩洪水过程历时和平均洪量仍然具有对降水量变化的良好响应。研究结果可为理解下荆江河床演变及生态状况的变化及其生态修复提供信息。
降水是地表水循环中重要的一个环节,为获取高质量栅格降水数据,依托现行4种栅格降水产品,并考虑多种辅助变量为输入,通过多种机器学习模型及其集成模型,获了长江流域0.1°的融合降水产品,并对获取的融合降水产品性能与原始4种降水产品性能进行了比对。研究表明:①RF、CatBoost、KNN、Lasso、DTREE、XGBoost、HGBR和ETREE 8种机器学习模型性能比较而言,以RF综合表现最优;②基于不同机器学习模型组合构建的9种集成模型中,以分季集成模型ELM4-S综合表现最优,且其在综合性能上比RF有所提升;③基于ELM4-S和RF获得的长江流域融合降水产品,明显优于4种原始降水产品,同时兼备了不同原始降水产品的优点,且在降水空间分布上能够体现出降水量随地形变化的细节特点。生成的长江流域2001—2023年日降水产品,可作为高精度降水产品用于生产应用与科学研究。
针对H-ADCP流量在线监测存在的特征流速选择困难、计算复杂度大及流量成果精度不高等难点,综合考虑特征数据降维、神经网络、支持向量机以及粒子群算法等人工智能算法,构建了基于特征自适应优选的H-ADCP流量在线监测模型,即FAO(Feature Adaptive Optimization)模型。选择受潮汐影响、水位流量关系复杂的罗湖水文站为研究对象,采用2019年和2023年实测流量资料,从各种算法的优缺点、降维数据的适用性以及模型稳定性等多个方面分析了FAO模型的适用性。结果表明:FAO模型具有较好的自学习能力,实测流量样本较少时,具有较好的流速特征学习能力和流量预测精度,检验期流量预测样本的均方根误差RMSE为6.06 m3/s、决定系数R2达到了0.93。提出的研究方法和模型可为流量在线监测研究提供新的研究思路和方法。
为了探索三峡工程运行前后长江干流污染物通量变化规律,基于2000—2023年长江干流重要控制断面污染物及径流量监测数据,分析各断面水质、径流量以及污染物通量逐年变化情况,并开展通量相关性分析。采用Spearman相关性分析法评估分析了三峡工程运行前后污染物通量时空变化特征,结果表明:2000—2023年长江干流沿程各断面主要污染物高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)浓度年际变化均呈现总体下降趋势,2013年是长江干流水质变化的重要转折点;三峡水库坝上断面年径流量和污染物年通量特征值变化趋势一致性更高,三峡工程对长江干流污染物存在明显的拦截效应;长江干流主要污染物指标中CODMn与径流量呈极显著性相关,三峡大坝的拦截作用放大了泥沙对坝上断面水体TP的影响,从而削减了径流量的影响,导致坝上断面TP与径流量相关性不显著,三峡水库对上游来水的缓冲作用,使得坝下断面水体中NH3-N浓度年际变化较小,进一步证实了三峡工程运行对长江干流主要污染物通量变化存在显著影响。研究成果可为长江流域水环境管理和保护提供科学依据。
东昆仑山北缘的那棱格勒河流域不仅是青藏高原地热、河流、盐湖并存且联系补给的典型区域,更是研究高山-深盆转换带硼元素富集成矿的热点流域。针对流域尺度硼元素迁移过程中的同位素分馏影响,系统阐述硼元素特性及其同位素示踪的优势和局限性,解析那棱格勒河流域地热水、河水、盐湖卤水的高硼元素富集特征与水化学一致性,辨析河流与盐湖的高硼物质来源。基于当前那棱格勒河流域地表水体硼元素富集与成矿研究现状,提出研究河流、源汇过程需探讨风化、示踪方法需量化指标等关键问题,以期深入理解青藏高原“地热-河流-盐湖”系统中硼元素地表循环过程。
三北防护林是我国重要的生态建设工程,但近10 a来,三北地区的防护林出现了不同程度的衰退,防护功能明显下降。为揭示三北地区防护林的水分影响树木退化的过程以及三北地区防护林衰退过程,以张北地区广泛分布的小叶杨防护林为研究对象,基于树木年轮和树轮稳定碳同位素技术分析不同退化程度小叶杨防护林的退化过程及其对干旱事件的响应差异,探讨同一地区杨树正常生长或出现退化的可能原因。结果发现不同退化程度的小叶杨内在水分利用效率(iWUE)差异显著,重度退化和轻度退化的小叶杨iWUE显著高于未退化的小叶杨iWUE,干旱胁迫可能是导致防护林出现退化的主要原因;1997年极端干旱的发生以及1999年5月—2001年6月长时间的干旱可能是导致张北小叶杨防护林发生衰退的起点,2006年9月—2012年8月长时间的干旱进一步加剧了这种衰退;树木自身抵抗力的差异是导致张北地区防护林出现部分退化的重要原因。
随着气候变化,鄱阳湖流域的降雨也发生一定改变,对土壤侵蚀产生潜在影响。通过对共享社会经济路径(SSPs)和通用土壤流失方程(USLE)耦合,建立了未来时期气候影响下土壤侵蚀模拟方法。结果显示:在时间上,未来时期鄱阳湖流域土壤侵蚀面积减少,但土壤侵蚀量增多。SSPs2-4.5、SSPs4-6.0、SSPs5-8.5情景下侵蚀面积分别减少906、916、912 km2/a;土壤侵蚀量分别增加2 022.60×104 、2 098.61×104 、3 154.35×104 t/a。在空间上,未来时期西北部和南部强烈及以上侵蚀面积增加,流域整体土壤侵蚀加剧。SSPs5-8.5情景下流域土壤侵蚀最严重,土壤侵蚀量达17 247.61×104 t/a;SSPs2-4.5情景下流域土壤侵蚀相对最少,土壤侵蚀量为16 115.86×104 t/a。
为探究不同水位下三峡水库近坝段消落区土壤碳排放情况,选取龙潭坪和兰陵溪消落区160 m以下、160~170 m和170 m以上的3个高程区间进行土壤呼吸原位测定和分析。结果显示:不同高程与土壤呼吸之间不存在正相关关系,随水位高程增加,土壤呼吸速率先升高后降低,并在中度水淹胁迫情形下达到最大值;土壤呼吸存在显著的时间变异性,整体呈现7月=8月>9月>6月>5月的趋势,不同消落区虽存在微小差异,但均在8月达到土壤呼吸峰值。综上,中等程度的干湿交替会使得土壤碳排放达到最大,过高或过低的水淹胁迫均抑制碳排放强度。夏季是消落区植被生长旺盛和代谢活动最为旺盛时期,土壤呼吸速率明显高于其他季节,尤其是7月和8月土壤呼吸速率相对较高,且8月的中等水淹区土壤呼吸达到峰值。研究成果可为三峡水库消落区碳排放定量分析及岸滩生态建设后的碳循环研究提供依据。
复杂环境条件下,水利工程泄洪建筑物会出现正向和侧向进水并存的复合式进水工况,导致其进水口方向与河流主流方向不一致,进水口前产生的漩涡特性复杂,使得常规消涡措施效果并不理想。针对复合式进水工况下泄洪洞存在的漩涡问题,依托某抽水蓄能电站开展模型试验研究,分析漩涡产生原因并提出消涡思路,设计消涡措施。结果表明:在水流进口侧,缩短消涡梁间距可有效截断漩涡增大路线;同时,在布置3根消涡梁基础上,增设3块贴合进口形状的30°三角消涡板,并延长中间消涡竖梁宽度的方法可增加消涡能力。该方法可将直径7.5 cm的吸气漩涡彻底消减为直径0.1~0.3 cm的表面漩涡,达到完全消除复合式进水工况下吸气漩涡的目标。研究成果可为类似进水口的消涡设计提供有效参考。
调整段作为抽水蓄能电站侧式进/出水口的重要组成部分,其长短直接影响到进/出水口双向过流条件下的水力特性及工程造价,因此开展相关研究具有重要意义。在两河口抽蓄电站侧式进/出水口体型的基础上,分析了调整段长度对侧式进/出水口水力特性的影响规律。结果表明:①发电工况(出流)下,调整段长度的增加,可降低进/出水口水头损失,均化拦污栅断面流速;抽水工况(进流)下,调整段长度的增加,可降低进/出水口水头损失。②当调整段长度L与扩散段长度T满足L≥0.3T时,进/出水口双向过流的水力特性较好;当0.1T≤L<0.3T时,进/出水口双向过流水力特性略差但满足规范设计要求。研究成果可为调整段的设计及优化提供支撑。
土的阻尼比是地基土体动力响应特性中的重要参数之一。为了探究杭州湾松散粉细砂在脱水路径下的阻尼比演化特性,基于自主改进的非饱和土共振柱,开展不同饱和度下的小应变动力特性试验,探讨了不同应力状态下阻尼比随饱和度的变化规律。结果表明:粉细砂土在饱和度相同条件下,净应力越大,阻尼比越小;随着饱和度的降低,初始饱和粉细砂的阻尼比基本不变;随后迅速衰减,在最优饱和度Sropt处达到最小值;当饱和度低于最优饱和度后,阻尼比呈现略微增加趋势;依据土-水特征曲线(SWCC)和内部孔隙水形态的演化,可将阻尼比随饱和度的变化分为边界效应阶段、过渡阶段和残余饱和阶段这3个阶段。研究成果有助于揭示饱和度对粉细砂阻尼比的影响机理。
南京九乡河拓浚工程需在与之交叉的既有地铁4号线隧道上方大范围卸土,采用压板结构对隧道进行加固。为分析加固工程基坑开挖对盾构隧道的影响,并评估加固结构对隧道隆起的抑制作用,建立三维有限元模型进行数值计算。分析不同工况下隧道的变形情况,并针对加固结构施工的最不利工况,计算隧道曲率半径以及内力分布。结果表明:采用桩-墙-板结构对抑制隧道的隆起变形具有较好的作用;基坑采用分部抽条开挖,可有效控制地层扰动,从而控制隧道变形;土体满堂加固对抑制隧道隆起变形效果明显;隧道内配重能抑制隧道隆起变形,但作用有限。
近年来,极端气候事件频发,西北地区夏季昼夜温差加剧,白天高温持续时间延长,导致水汽迁移对路基湿度的影响愈加显著。采用自制的一维土柱模型试验装置,开展了边界加热条件下黄土土柱的水汽迁移试验,分析了昼夜温差循环与持续加热2种高温作用方式下一维封闭土柱的水汽迁移规律,并探讨了不同加热作用对土柱温湿度分布特性的影响。结果表明:在升温阶段,土柱温度沿高度呈线性分布,升温速度先快后慢,且2种加热方式下土柱温度分布最终均趋于稳定。土柱湿度受水分迁移、液态水汽化、气态水迁移及蒸汽压超饱和时的凝结作用等共同影响。2种加热方式下土柱含水率分布呈现反“S”型曲线,昼夜温差循环加热时土柱上部22.5 cm含水率高于持续高温加热。2种加热方式下土柱湿度均能达到平衡状态。
为探究冻融循环条件下石灰固化盐渍土的力学性能与损伤演化规律,重点分析了石灰掺量、养护龄期和冻融循环次数对其无侧限抗压强度的影响,并建立基于统计分布的损伤本构模型,预测冻融环境下固化盐渍土的应力-应变响应与性能退化。以吉林西部镇赉县盐渍土为研究对象,分别添加3%、6%和9%的石灰作为固化剂,在最优含水率(20%)和压实度(90%)下制备试样,分别养护7 d和28 d并进行0~60次冻融循环。通过无侧限抗压试验和扫描电镜(SEM)测试分析宏观力学性能和微观结构变化。基于Weibull分布函数,利用试验数据建立损伤演化模型。结果表明:最优石灰掺量为6%,养护28 d时无侧限抗压强度达835.01 kPa,是未处理土的4倍以上;未经处理与固化盐渍土在冻融后均表现为应变软化型和脆性破坏;随冻融次数增加,固化土强度逐渐下降,但仍显著高于素土;SEM图像显示,石灰处理有效减少裂隙发育,改善微观结构完整性;所建立的Weibull损伤模型可准确模拟不同冻融次数下的应力-应变全过程,冻融次数越多,拟合效果越好。综上,石灰固化可显著提升盐渍土的强度和抗冻融性能,在6%掺量和28 d养护条件下效果最优。基于Weibull分布函数的损伤模型能够有效表征固化盐渍土在冻融过程中的力学行为与损伤演化。研究成果为寒区盐渍土固化处理提供了理论与技术支持,创新点在于将微观结构变化与宏观力学响应相关联,并建立了适用于冻融条件的统计损伤预测模型。
岩体结构面的聚类分析是进行岩体工程稳定性评价的重要基础。而传统的聚类方法存在对初始聚类中心敏感、分组结果较差且效率低下的问题,因此,本研究提出了一种基于改进麻雀算法(SSA)和K-medoids算法相结合的不连续面聚类算法(KS-SSA)。首先,利用SPM混沌映射初始化麻雀种群;然后,利用改进的SSA算法确定初始聚类中心,以此作为K-medoids算法的初始聚类条件对结构面产状数据进行分组,引入轮廓系数(SC)确定最优聚类组数;最后,通过人工数据和现场实测数据验证了该方法的有效性。并将该方法应用于怒江某岩质边坡的结构面分组。结果表明:新算法对结构面的聚类结果良好,具有较强的鲁棒性。研究成果可以为随机裂隙网络的模拟提供数据支撑。
为研究多级等幅循环荷载下应力幅值对红砂岩力学行为和断裂模式的影响,通过MTS-816岩石力学试验机和声发射监测技术,分析了循环荷载过程中红砂岩的强度和变形行为,总结了不同应力幅值下声发射参数的演化规律以及试样最终破坏模式。结果表明:较低的应力幅值对砂岩试样有强化作用,而高应力幅值下砂岩的损伤劣化则较为严重;应力幅值的增大对砂岩有硬化作用,循环荷载下红砂岩的刚度和弹性应变能整体上有所提高;在单个疲劳阶段中,声发射信号随循环次数的增加逐渐由活跃趋于稳定;在较大应力幅值下,试样破坏时的声发射振铃计数更加活跃,对应声发射累计曲线中的突增现象更明显;随着应力幅值的增大,试样破坏时的裂纹贯通和岩块脱落现象更显著。研究成果有助于揭示循环荷载对致密红砂岩力学特性和断裂行为的影响机理。
水工混凝土结构易因设计施工缺陷及服役期环境温湿度交变、多场耦合荷载作用,产生表观裂缝、剥蚀和内部空洞、蜂窝等损伤,结构连接处易发生错台与沉降差。其中,水下结构因承受更高荷载及复杂环境,检测需求尤为迫切。聚焦水下结构无损检测技术研究进展,系统分析了光学成像技术、声呐扫描技术、浅地层剖面技术和冲击映像法的应用现状与发展趋势。光学成像技术可识别表观缺陷,但受水体能见度限制且分辨率不足;声呐技术适用于浑浊水体,却易受噪声干扰且缺乏缺陷特征数据库。针对内部缺陷,浅地层剖面技术对基础脱空检测具潜力但应用较少;冲击映像法通过应力波识别内部缺陷,但信号解析精度不足。未来重点研究方向包括:①构建深度学习驱动的多源数据融合框架,提升光学/声呐系统特征识别能力;②发展声光协同检测技术,融合光学细节与声呐环境适应性;③开发应力波信号分离算法与定量评估模型,提升冲击映像法精度。
地下水的动态变化是诱发土质滑坡发生的重要因素。以三峡库区典型厚层土质滑坡——谭家湾滑坡为例,利用多年积累的全球导航卫星系统(GNSS)地表位移、地下水及降雨监测数据,结合多次现场调查,研究降雨条件下导致地下水水位动态变化诱发土质滑坡的变形机制。研究结果表明:谭家湾滑坡变形集中在中前部与左侧,且与降雨事件密切相关,前期降雨量决定坡体变形对前期单次强降雨的响应程度;此外,地下水位与降雨入渗有显著时空相关性,水位上升速率受前期和期间降雨强度影响;坡体变形的趋势受到水位动态变化的控制,同时坡体稳定性也受地下水位峰值持续时间的制约;降雨入渗后引起地下水动态迁移有2条路径,其中经路径AB形成的动水压力结合地形条件,促使了Ⅰ-1滑体的变形。研究成果可为降雨条件下土质滑坡变形机理、早期识别及预警等研究提供理论依据。
川藏铁路隧道建设中,存在着因地质原因引起的高温地热问题,会对喷射混凝土的使用造成不利的影响。为了研究高温地热环境对喷射混凝土用水泥砂浆性能的影响,在实验室模拟了地热环境对试样水化硬化特征和力学性能的影响,并从微观机理上对其变化规律进行了阐释。结果表明:速凝剂的加入使得C3A快速水化,形成针棒状的AFt晶体相互搭接,使水泥快速凝结;温度升高则显著提升了早期水化速率,从而提高样品的早期抗压强度, 60 ℃下1 d抗压强度达到28 d的64%;过高的温度会使水泥在短时间内产生大量水化产物,不能有序沉淀,导致孔隙结构劣化;高温导致水分快速流失,AFt向AFm转化,以及热应力导致微裂纹的形成,从而使孔结构进一步劣化并对后续强度的发展产生不利的影响。研究成果有助于理解高地温环境下喷射混凝土水化硬化过程和力学性能发展规律。
《水工混凝土结构设计规范》(NB/T 11011—2022)是水电工程钢筋混凝土结构设计的主要依据。然而该标准中有关设计基准期与分项系数等条文在应用中仍存在一些疑难点或不易明确的问题,易造成工程应用偏差。结合笔者团队多年大中型水电站水工结构设计经验,对标准中设计基准期、使用年限、目标可靠指标、可变作用取值、分项系数设置、地震组合等方面的问题进行了分析探讨,发现水电行业的结构目标可靠指标βt相比国内其他行业处于较低水平,相关规范关于统计类可变作用设计基准期的规定缺失,目前的持久状况分项系数取值不能保证水工混凝土结构安全度总是高于房建工程;基于此,提出了提高目标可靠指标、 增加楼面及平台活荷载设计基准期 100 a规定等相应建议措施,以期为工程设计应用及标准修编提供参考。
由于复杂的江-河-湖相互作用,鄱阳湖地区频繁遭受洪涝灾害的侵袭。综合运用水文统计分析和二维水动力模拟方法,深入探讨了鄱阳湖与长江之间的顶托作用,揭示了湖泊洪水传播的时空规律及其对周边地区防洪的影响,为鄱阳湖洪水管理提供参考。研究结果表明:①鄱阳湖的年最大出湖流量主要受流域内洪水控制,而年最高湖水位则主要由长江洪水决定。②洪峰流量通常在48 h内到达湖泊出口,而洪峰水位的传播时间稍长,为54 h。③湖泊的蓄水作用会缩短流量峰值到达的时间;当与长江洪水相遇时,水位峰值可能因顶托作用而延迟达10 d。④“五河”洪水入湖后的传播路径各不相同,对湖泊不同区域的影响程度也有所差异,特别是抚河洪水,在相同流量下对湖泊造成的壅水效应最为显著。⑤长江的顶托作用还显著影响鄱阳湖的水面坡降,当长江洪水流量远超“五河”流量时(即顶托强度f>6),湖面变得平缓如库区,用水位-库容关系计算鄱阳湖水量误差小;而在流域大洪水期间,湖水落差急剧增加,其中蕴含的“动库容”平均高达8.4亿m3。
相关性分析是水文分析中采用较为广泛的基础性方法,针对该方法使用过程中对时间序列一致性考虑不足的问题,以鄱阳湖代表性站点星子站、湖口站水位序列为研究对象,采用对比分析的方法,对水文变异对相关性分析的预测精度、演变规律等造成的影响进行了定量研究。结果显示,考虑水文变异后,鄱阳湖星子站、湖口站1—4月份的水位序列相关性拟合效率系数整体高于不考虑水文变异的情况,同时也能提升星子站水位的预测精度,且变异形式差别越大,精度提升效果越明显。
我国最大的淡水湖泊鄱阳湖于湖口汇入长江,长江-鄱阳湖汇流河段演变与江湖水沙关系互为因果。根据近30 a长江-鄱阳湖汇流河段实测水沙数据和水下地形等资料,分析了近期河床演变特征和江湖水沙变化差异。结果表明:①干流河段河势总体稳定,仅张家洲洲头、张北水道进口段及官洲洲头存在年际间一定幅度的崩退和淤长;张北水道进口段深泓摆动显著,最大摆幅达900 m,张南水道进口段及官洲洲尾存在幅度<400 m的深泓摆动。②张家洲入汇河段“两岸淤积、中泓冲刷”,张北水道中上段“左淤右冲”,下段冲淤交替,张南水道内除官洲总体淤长之外,总体以冲刷为主,最大冲深8 m,冲刷强度高于鄱阳湖通江水道区。③2003年以来,干流来水来沙减幅不平衡特征(减幅分别为10.6%和70%)是造成张家洲河段以冲刷为主的主要因素,自然节点控制和湖区采砂是湖口以下河段局部水沙分布异常的重要原因,干流与湖区冲刷差异会影响鄱阳湖保水能力。
长江与鄱阳湖之间存在复杂的水量交互关系,揭示水库调蓄作用下长江-鄱阳湖交汇系统顶托效应的变化规律,对区域防洪减灾和江湖系统治理具有重要意义。基于三峡水库运行前后长江-鄱阳湖交汇段长序列水文数据,通过构建顶托强度指标以及干-支流汇流比函数,揭示了上游水库调蓄对长江-鄱阳湖交汇系统顶托效应的影响规律,主要结论如下:①鄱阳湖出流对长江的顶托强度呈先增强后减弱趋势,强度峰值出现在3月下旬至6月下旬区间;三峡水库运行后,湖对江的顶托作用整体减弱,以4—5月份及9—11月份的减弱幅度最为显著。②顶托强度与江湖汇流比呈显著正相关,汇流比<0.15时湖对江的顶托作用微弱,>0.2时湖对江的顶托作用急剧增强。③在三峡水库以及鄱阳湖五河水库群共同调蓄下,枯水期、消落期和汛后蓄水期的江湖汇流比呈普遍减小且分布集中的变化特征,相应时段湖对江的顶托强度整体减弱。④长江干流流量过程坦化是汇流比变化及顶托强度减弱的主导因素,其贡献率显著高于鄱阳湖入流过程改变,河床地形调整对顶托效应的影响则相对有限。研究成果可深化对变化水沙条件下长江-鄱阳湖相互作用机制的认识,为江湖系统治理提供科学支撑。
基于“压力-状态-响应(PSR)”模型,构建了涵盖29个指标的鄱阳湖水生态安全评价指标体系,通过综合评价,对鄱阳湖2014—2022年的水生态安全状况进行了定量评价,并采用主成分分析和随机森林方法识别了影响鄱阳湖水生态安全的关键因子。结果表明:2014—2022年鄱阳湖水生态安全总体处于“一般”至“较安全”等级,生态系统基本稳定但呈轻微下降趋势;主成分分析与随机森林结果表明,年均水位、人均GDP、城市污水排放、富营养状况和水质达标率是影响水生态安全的关键因素,未来需要通过统筹水资源管理、优化经济发展模式、强化污染治理与生态修复等措施以保障鄱阳湖水生态安全。研究结果为大型淡水湖泊水资源管理与生态保护提供了科学依据与决策支持。
