约束混凝土箱型钢拱架是箱型钢和核心混凝土形成的组合拱架结构,也是有效控制软岩隧洞变形的一种新型支护形式,目前尚缺少关于这类拱架承载特性的研究工作。为此,推导了约束混凝土箱型截面压弯屈服判据,分析了该类型拱架的强度极限承载力和结构稳定极限承载力,同时对比了约束混凝土箱型钢拱架、H型钢拱架、箱型钢拱架3种类型拱架的承载特性。研究结果表明:约束混凝土箱型钢拱架截面屈服判据值在同型号中最高,其轴压屈服强度极限平均为箱型截面的1.4倍、H型钢截面的2.2倍,纯弯屈服强度极限平均为箱型截面的1.1倍、H型钢截面的1.5倍;约束混凝土箱型钢拱架强度和结构稳定极限承载力均高于同型号箱型和H型钢拱架,强度极限承载力是箱型钢拱架的1.3~1.4倍、H型钢拱架的2.2~2.3倍;结构稳定极限承载力是箱型钢拱架的1.03~1.04倍、H型钢拱架的1.10~1.27倍。约束混凝土箱型钢拱架承载特性优势显著,能够为软岩隧洞提供更为可靠和高效的支护。
环境司法协同是长江流域生态环境治理的有力抓手,长江流域作为生态巨系统,在司法保护理念及司法协同措施中均需突出强调流域特殊性。美丽中国建设对生态环境治理提出了更高要求,长江流域内各省市在司法协同实践中积极探索,绩效斐然。但通过对沿江代表性省市环境司法实践样态的检视也可发现目前各地改革步调不一,焦点侧重不同,长江流域立法供给不足、审判机制建设不完善以及协同主体职责衔接不畅等问题凸现。立足长江流域整体性及系统性,通过流域共同立法的推动,流域环境司法专门化机构的设立以及司法与执法工作衔接长效化机制的健全可以有效创新长江流域环境治理司法协同机制,为长江流域生态环境共保联治和经济社会高速发展的平衡提供司法智慧。
为探究石羊河流域水资源-粮食-能源-生态(WFEE)系统协调可持续发展,避免单一资源的部门割裂式发展对其他资源部门造成危害,以西北内陆河流域之一的石羊河流域WFEE系统为研究对象,构建流域WFEE系统耦合协调评价指标体系,采用CRITIC赋权法对各子系统指标赋权,运用耦合协调度模型对石羊河流域WFEE协调发展水平及其时空演变特征进行研究,并对2020—2030年石羊河流域耦合协调度进行预测。结果表明:2000—2020年石羊河流域WFEE系统综合发展指数处于中等水平,能源子系统综合发展指数负增长;石羊河流域WFEE系统耦合度等级为高水平耦合;流域WFEE系统耦合协调度整体呈上升趋势,经历了轻度失调到良好协调共6个阶段;预测结果显示流域耦合协调度在预测期内处于良好协调向优质协调过渡阶段。研究成果可为石羊河流域的可持续管理和资源高效开发利用提供参考依据。
为解析叶尔羌河流域水文气象要素的演变规律及其与水力发电量的关联度,利用Mann-Kendall趋势检验和最大互信息系数等多种方法详细研究了流域各项水文气象要素的趋势性、突变性及其与水力发电量的关联度。结果表明:1960—2017年流域降水量、气温和径流量均呈显著上升趋势,蒸散发和风速则显著下降。其中洪水期的降水和径流上升趋势为0.49 mm/a和0.86 mm/a,是枯水期的4.1倍和2.4倍。气温和径流在所有季节均呈现显著上升趋势,蒸散发显著上升趋势主要体现在夏季和秋季。除风速外其他要素在20世纪90年代附近均出现了突变年份,其中降水量存在多个突变年份。水力发电量与径流量直接相关,而径流量又与积雪、气温和土壤温度等相关,当气温升高时冰雪融化加速,导致径流增大,从而提高水力发电量。
水资源可达性是评价区域取用水难易程度的重要标准,能够反映一个地区或流域水资源的空间差异,受气候、生态环境、经济发展等因素的影响,因此选取坡度、相对高差、径流深、水质分布、土地利用类型这5个空间因子指标并耦合最小累计阻力(MCR)模型对辽河流域网格尺度水资源可达性进行评价,并对水资源可达性与空间需水量进行耦合协调度分析。研究区水资源可达性指数处于0.164~1.0之间,自北向南逐渐递增;研究区水资源可达性与空间需水量的耦合协调度在0.352~0.916之间,以区县为基本单位,流域内耦合协调度轻度失调(0.3~0.4)、濒临失调(0.4~0.5)、勉强协调(0.5~0.6)的区域分别占0.56%、0.46%、0.74%,良好协调(0.8~0.9)和高度协调(0.9~1.0)的区域分别占30.8%和0.9%。
针对目前水面蒸发模型对三峡水库狭长带状河道型的特点考虑不足的问题,分析三峡水库巴东站的水面蒸发变化规律,充分考虑饱和水汽压差、相对湿度、风速和水汽温差共4个主要因素对水面蒸发的影响,引入不同风速量级下的水汽温差函数,建立适合于三峡水库的水面蒸发模型。结果表明:面向三峡水库水面蒸发模型能准确模拟出三峡水库的水面蒸发量,模型在率定期的模拟效果最优,相比于其他传统经验模型,纳什效率系数NSE由0.31提高至0.75,与实测值的误差大幅度下降。同时模型模拟的蒸发量经折算后与三峡水库其他5处站点的实测值能较好吻合,验证了模型的精确性和可靠性,为三峡水库水资源合理利用与科学管理提供了技术支持。
对采自松滋市陶家湖不同部位的3根沉积物柱状样品进行了重金属(Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、As)含量和粒度测定,利用潜在生态风险指数法和地累积指数法评价重金属潜在风险,并利用相关性分析和正交矩阵分解(PMF)模型进行来源解析。结果表明:陶家湖沉积物重金属污染整体上表现为湖心>湖岸>消落带,湖岸污染程度随深度增加而降低,湖心和消落带沉积物污染程度随深度增加而上升;其中,潜在生态风险评价结果显示6种重金属均为轻微生态危害水平,地累积指数评价结果表明Cr为偏中度风险,As、Cu、Pb、Zn和Ni主要表现为轻度风险。相关分析和PMF模型结果表明,沉积物中重金属来源包括矿业源、自然来源,以及农业和工业的复合源,贡献分别为18.8%、52.4%和28.8%,其中Cu主要受到矿业的影响,Pb主要受到自然来源的影响,As主要受到工业和农业活动的影响,Zn、Ni和Cr受到3种来源的影响;水动力条件和人类活动造成陶家湖重金属分布呈现空间差异,消落带水动力较强导致沉积物中重金属含量低于湖岸和湖心,水动力条件改变导致Pb、Ni垂向分布发生改变,矿业发展是造成Cu、Zn分布变化的主要原因,农业活动导致As逐年增加。
目前水库不同土地利用类型消落带土壤中的微塑料赋存特征尚不清楚。通过考察丹江口水库消落带3种不同土地利用类型(裸地、林地和耕地),对土壤中微塑料污染现状进行了调查。结果显示:丹江口水库消落带裸地、林地和耕地土壤中微塑料的平均丰度分别为985±333、798±143、625±175 n/kg,主要聚合物类型为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS),分别占比44.0%、27.2%和11.1%;其中超过75%的微塑料为纤维状,且大约39.5%的微塑料粒径范围分布在50~500 μm之间,为主要的粒径范围;丹江口水库消落带土壤中微塑料颜色以蓝色为主,消落带不同土地利用类型土壤中微塑料丰度存在显著差异性,呈现裸地>林地>耕地的趋势。研究成果对开展水库消落带微塑料污染控制、保障水库水质安全具有重要的科学意义。
坡面径流产沙过程作为山区暴雨洪水过程的重要组成部分,其变化规律及特征对完善山区暴雨洪水过程研究有重要意义。为明确山区坡面土层底部透水性和坡度对径流产沙特征的影响,采用室内人工模拟连续降雨试验方法,设计了坡顶薄坡底厚的试验土槽,选取官山河流域土壤作为试验用土,研究并总结了不同坡度条件下土质坡面的径流变化规律及土壤侵蚀规律。结果表明:①土槽坡度为5°和25°时,地表径流产流率随雨强增大而增大,且均呈现底部不透水侧产流量大于底部透水侧的规律;坡度为15°时,地表径流产流率呈现波动上升趋势,不同底部透水性土槽的地表径流产流量差异不大。②单场降雨条件下壤中流产流率随产流时间增加呈现增加趋势,各坡度之间壤中流产流率变化规律差异较大,但基本呈现出底部不透水土槽的壤中流产流量大于底部透水侧的;坡度为5°时壤中流产流率与地表径流产流率呈负相关关系,坡度为25°时则为正相关关系。③坡面地表流速随降雨强度增大而增大,坡度为5°和15°时不透水侧流速明显大于透水侧,坡度25°时流速差异不大。④不同坡度条件下,坡面侵蚀主要在第2场降雨和第3场降雨产生;坡度为5°和25°时不透水侧坡面侵蚀速率远大于透水侧,15°时呈现交替波动趋势。
水陆频繁变动的库尾消落带生态系统结构单一和湿地功能退化,是水库生态修复治理的重点区域。当前应对“夏高水,秋冬长旱”的消落带生态修复技术效果并不理想。在景德镇市玉田湖库尾消落带应用林泽生态系统构建和生境多样化再造的综合修复技术,在消落带设置低堰碟形湖和生境岛,低堰和生境岛以中山杉等乔木优化构建林泽生境,林下搭配灌木,构建了近自然的“乔-灌-草”消落带湿地生态系统。林泽-生境再造综合修复技术实施后消落带湿地功能得到恢复,玉田湖区域景观质量得到提升,消落带生物多样性Shannon指数达1.69,库尾湿地生物多样性增加明显。该修复模式可为亚热带湖库库尾消落带生态修复提供技术支撑。
采用主客观赋权法和博弈论相结合的方法来评估嘉陵江流域的山洪风险。结果显示,4种客观赋权法得到的洪水危险性分布总体相似,但不同方法的风险等级面积占比略有差异,CRITIC权重法识别出更多的高危险性区域。故选择CRITIC权重法、层次分析法和博弈论相结合,形成组合权重评估得到嘉陵江流域山洪综合风险的空间分布。整体而言,嘉陵江流域的山洪风险呈现出自西北向东南递增的趋势,高危险性地区主要分布在四川盆地及其边缘,涉及四川、重庆等22个县区,而低危险性地区则主要位于流域西北部山丘区。影响山洪风险的因素中,年平均降雨、径流深等致灾条件对山洪风险贡献最大,其次是人口密度和国内生产总值(GDP)等社会经济因素,而坡度、地形起伏度等下垫面条件的贡献最低。研究结果对包括嘉陵江流域在内的长江上游流域的山洪管理和应对提供重要参考。
长江中游城市群是位于我国中部的特大型城市群,在经济社会发展中发挥着重要作用。为探究变化环境下中游城市群的降雨特征和风险,对CMFD、MSWEP 和CN05.1这3种降雨数据在中游城市群的适用性进行了评估,选择中国区域地面气象要素驱动数据集CMFD进行降雨特征分析,同时考虑强降雨量、暴雨日数、高程、坡度、人口、土地利用对区域城市化快速发展前后暴雨灾害风险进行分析。结果表明:包括省会城市在内的高度城市化区域在过去的40 a短历时暴雨发生频率和强度增加,城市群南部强降雨量、暴雨日数存在显著增长趋势,包括江西省新余、抚州、南昌、九江等区域;随着城市化的进程,人口向中心城市聚焦,中高暴雨风险区域增加,环鄱阳湖都市圈中高风险区占比明显增加。为应对区域暴雨风险,需集成多学科多部门城市监测数据,推进高精度多尺度监测-预报-预警系统研发与应用,加强城市化对局地气候和极端降雨影响的机理研究,协调灰-绿-蓝措施以增强城市气候适应性和韧性。
基于三峡和葛洲坝电站2018年实测水位、流量数据和一维解析模型,重点讨论了梯级电站调峰驱动的洪水波在两坝间河道的传播过程。在三峡和葛洲坝同时进行日调峰的背景下,2个电站的出库流量均呈显著的日波动和半日波动现象,两电站的流量日波动幅度平均分别在1 500~2 000 m3/s和1 200~1 500 m3/s之间,黄陵庙和南津关两个水位站的水位日波动幅度均在0.5~0.8 m之间。基于一维解析模型能够很好地模拟和再现两坝间河道的水位和流量波动过程。模型模拟结果分析表明,两坝间河道洪水波以周期为1.2 h的高频驻波进行传播,驻波的最大水位和流量振幅分别约为2.1 cm和210 m3/s。该洪水波是由两个电站调峰流量共同驱动和叠加生成的,下游葛洲坝电站调峰时间对河道洪水波有显著影响,若将调峰时间由现行的0.6 h调整到1.2 h,洪水波振幅将显著增强。河道底摩擦因数对洪水波生成时的波高影响较小,但会影响洪水波在传播过程中的衰减速度。
为研究根土相互作用,量化草本植物根系对土体抗剪强度的增强作用,以Wu和Waldron提出的根系固土模型为基础,考虑根系分布剪切方向、锚固作用长度和有效根数量3个因素,提出了改进模型,对草本植物加筋模型进行改进优化,并利用该模型研究根系与剪切面初始夹角、根系直径等对固土能力的影响。结果表明:改进模型能够很好地拟合试验结果;随着根系与剪切面夹角的增大,逆斜交根系对土体的加筋贡献值先增大后减小,顺斜交根系对土体的加筋贡献值先为0后增大最后减小;随着根系直径的增大,不同分布角度的根系对土体的加筋贡献值均增大,且大致呈正比例关系。
针对砂土-钢板接触界面,通过大型界面剪切试验和PFC细观模拟,探究法向应力和界面粗糙度对砂土-钢板接触界面剪切力学特性的影响及内在机理。结果表明:界面粗糙度增大,界面摩擦角随之增大,界面剪切强度、残余强度提高,砂土剪缩、剪胀性显著;法向应力增大,界面剪切强度、残余强度提高,砂土剪缩性提升,剪胀性降低;界面剪切过程中砂土颗粒向剪切方向移动聚集,强接触力链合并,数量减少,传力性能提升;界面粗糙度通过改变钢板槽内砂土颗粒的数量使其与钢板的接触面积发生变化,从而对界面剪切力学特性产生影响;法向应力影响砂土与钢板接触的密实度和作用力,使得其界面剪切力学性状产生变化。
定量评价裂隙岩体的渗透能力及各向异性特征是水利水电工程地质勘察的重要内容,可为防渗帷幕设计、基坑降排水设计、水工隧洞突涌水预测等提供技术支撑。为了探究近水平层状裂隙岩体的渗透能力,介绍了一种基于“渗流-应力”耦合理论的渗透张量估算方法。该方法联合使用常规垂直钻孔压水试验、水平定向钻孔压水试验与岩体应力测试,通过建立“结构面法向应力-结构面张开度”负指数函数关系,估算结构面的等效水力张开度,计算岩体的渗透张量。该方法在黄河古贤水利枢纽工程中进行了实际应用,分析了坝址区岩体渗透参数各向异性的发育特征。结果表明,相较于常规垂直孔压水试验,所提方法更能表征岩体的渗透能力和各向异性渗透特征,其换算得到的综合渗透系数约是常规垂直孔压水试验的15倍。研究成果可为渗控工程设计提供科学指导。
东莞市地铁1号线新建盾构隧道以1.73 m的极小净距离上跨已营运的莞惠城际隧道,新隧道上、下半圆分别位于全、中风化花岗岩中。此外,在新隧道盾构路径上存在原隧道施工时遗留的若干锚索,对盾构机运行存在重大安全影响。为了保障盾构施工安全及严格限制新隧道施工对既有隧道的影响,采取多方面的控制措施,包括通过试验段和数值模拟优选掘进参数、预先进行地层注浆加固、停机开仓法切割锚索、位移监测等。最终,盾构上跨施工顺利完成,监测显示地层和既有隧道的位移控制取得了良好的效果。通过对该工程的施工控制技术进行较全面的介绍,可为今后类似工程提供借鉴。
为贯彻落实绿色发展理念,促进红层渣土资源再利用,以甘肃天水地区的红层泥岩碎屑为研究对象,开展压实泥岩碎屑试样的侧限膨胀试验,建立改进的Huder-Amberg膨胀模型,获取试样最终含水率随轴向压力变化的函数,绘制试样压缩模量随含水率增大而劣化的曲线,并基于湿度场理论提出一种分层模拟路基吸湿膨胀变形的数值计算方法。研究结果表明:①压实红层泥岩碎屑遇水仍具有较强的膨胀性,最大膨胀应力为120.0 kPa,侧限膨胀率为0.163;②外加轴向压力从最大膨胀应力值降为0时,压实泥岩碎屑试样的最终含水率从20.6%升至40.0%、压缩模量从3 605.8 kPa降至34.1 kPa;③分层确定填筑路基的湿度线膨胀系数方法,与不分层法计算相比,路基吸湿膨胀变形更大,用于工程设计更加保守和安全;④泥岩碎屑遇水产生超过相关规范要求的膨胀变形是其不宜直接作为路基填料使用的根本原因,掺入2%的水泥改性可有效解决以上问题。
花岗岩残积土具有强吸水性、遇水易崩解特性,为工程建设带来潜在的安全隐患。微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术作为一种新型加固方法可显著改良土体崩解性能。为了探究MICP固化花岗岩残积土的崩解特性,对素土样和不同胶结液浓度的MICP固化土样进行崩解试验,并基于X射线衍射图谱和扫描电镜图像分析MICP固化机理。研究表明:素土样崩解过程分为表面吸水剥落、土体软化、完全解体3个阶段,固化土样可分为强行水侵、裂隙发育、剧烈侵蚀和崩解稳定4个阶段;在MICP作用下,残积土崩解曲线由完全崩解特征转变为不完全崩解;随着碳酸钙含量增加,土体抗崩解能力得到明显增强;碳酸钙晶体主要分布在土颗粒表面、孔隙以及接触点上,在土体内分别发挥着包裹、填充和胶结作用,是改良残积土崩解特性的重要原因。研究成果可为土体崩解性能的改良研究提供参考。
为了探究高温水冷循环后玄武岩的静态压缩力学特性及宏微观损伤演化规律,利用HUT-106A试验机对3组温度(100、300、450 ℃)下高温水冷循环(1、3、5、7次)处理后的玄武岩试样开展静态单轴压缩试验,并借助SEM对试样压缩断口进行微观试验。结果表明,温度一定时,随着循环次数的增加,玄武岩的质量、波速、纵波峰值强度和弹性模量均呈劣化趋势,应力-应变曲线逐渐变缓,破坏的突发性和脆性减弱,渐进性和塑性增强,在450 ℃水冷循环7次后其劣化程度最为显著。在损伤破坏方面,温度一定时,循环次数的不同,玄武岩的宏微观破坏形式均存在差异,并在450 ℃水冷循环7次后发生塑性破坏;在高温水冷循环和荷载的共同作用下,玄武岩试样的的总损伤变量演化曲线表现出非线性的特征,且曲线随着循环次数的增加而逐渐变缓,表明玄武岩逐渐由脆性向塑性转变。研究成果可供矿山地下工程的安全稳定性分析参考。
水电站工程安全监测仪器服役时长和时变特性,是影响工程安全监测设计、实施和运行管理的核心因素之一,然而国内外却鲜有对于安全监测仪器服役时变规律的研究。收集了我国10个水电站工程安全监测仪器服役表现的实际大样本数据,总结其重要时间节点,统计其监测仪器总失效率,揭示了安全监测仪器失效率的时变规律。结果表明:①施工期,7个工程监测仪器失效率增量模型符合正态函数,6个工程监测仪器失效率增量先增后减,拐点出现在施工期的51%~84%处;3个工程失效率持续上升。②运行期,工程监测仪器失效率均呈平稳上升趋势,符合线性模型。提出的安全监测仪器服役时变模型均能有效预估各工程安全监测仪器失效率变化情况。
在水华遥感监测领域,水华面积是评估水体水华严重程度的重要指标,也是有关部门采取防治措施和确定应急响应等级的关键信息。针对中低分辨率影像采用传统方法估算水华面积精度较差的问题,以太湖为研究区,对比Sentinel-2、Sentinel-3数据提取水华面积的差异性,分析了Sentinel-3影像NDVI与混合像元中水华面积占比的关系,构建了基于NDVI密度分割法的蓝藻水华面积校正模型,对Sentinel-3提取的水华面积进行了校正;并对比分析了利用该模型与像元累加法、藻华像元生长算法进行水华面积统计与高分辨率Sentinel-2影像统计结果的一致性。研究结果表明:构建的校正模型在Sentinel-3影像水华面积估算中准确度和可靠性优于传统方法,能够有效提升该影像在水华监测领域的应用价值。
水环境质量预报预警是提升水污染防治现代化水平的重要支撑。提出了香溪河流域水环境磷风险平台技术体系,建立了香溪河流域水环境磷风险预报预警平台。该平台具备自动化收集多源异构的气象、水文、水质监测和污染源排放等底座数据并融合处理的功能,可为流域模型的边界条件和过程条件提供支撑,进一步对降雨过程、水文变化、总磷浓度和水环境风险提供预测和评价结果,并对2016年和2020年进行磷风险预报预警应用,为香溪河提升流域智慧化管理水平和推进磷风险管控提供技术支撑。
官山河流域是丹江口水库的主要河流之一,是南水北调中线工程水源地的重要组成部分。系统分析了官山河流域河水氢氧稳定同位素组成和空间分布特征,探讨不同季节河水补给来源及其氢氧同位素影响因素。结果表明:官山河流域河水丰水期δD和δ18O值相对枯水期偏正,丰水期和枯水期氘盈余值(d-excess)平均值分别为12.59‰和11.30‰。官山河流域河水线方程的斜率和截距与长江流域大气降水线极为类似,表明河水主要受长江流域大气降水补给影响,丰水期同位素组成偏正则主要受到降水与水岩作用的共同影响。流域内河水氢氧稳定同位素组成受多重因素影响,其中,沿程蒸发和高程效应对其影响最为显著。研究成果对官山河流域水文循环具有重要的指导意义。
大型引调水渠道工程高地下水位挖方段在运行期易发生衬砌失稳,合理设置渗控措施是保障渠道衬砌安全的关键。针对河南省2021年“7·20”特大暴雨后南水北调中线工程某渠段衬砌失稳问题,通过监测资料和三维渗流模拟对渠道衬砌板失稳成因进行了分析,并利用三维模型分析了增设渠坡竖向减压井和横向排水管措施的效果。研究表明:渠基存在的透水地层为降雨入渗和地下水侧向补给提供了渗透通道,极端降雨导致地下水位升高是渠道衬砌板失稳的关键诱因,增设排水措施可有效消减衬砌板下扬压力。研究成果可为类似渠段险情分析和整治及运行管理提供参考。
引江补汉工程实施将引起三峡库区水文情势和水质变化。为预测引江补汉工程运行对水源区水环境的影响,构建水源区二维水动力水质模型,分析丰、平、枯、特枯水年情景下水源区水文情势、水动力变化和化学需氧量(COD)、氨氮、总磷浓度时空分布特征,并提出相应的水环境保护措施。结果表明:引江补汉工程实施后,龙潭溪取水口水域水动力条件显著增强,各月流速增幅达0~0.04 m/s;工程实施后取水口水质受引水拖拽作用趋向于主库区,不同典型年下该断面COD、氨氮、总磷年均变化幅度分别介于-2.31%~0.41%、4.18%~8.20%、0.77%~1.82%,非引水时段有发生富营养化风险。研究成果可为引江补汉工程水源区水环境保护与治理提供理论与技术支撑。
为满足长距离引调水工程建设及运行安全需求,有必要在工程安全监测系统的基础上,开展工程智能安全监控预警系统建设。设计了长距离引调水工程智能安全监控预警系统的总体架构,从管理模式及流程、专业分析方法、开发技术体系等方面论述了系统关键技术路径,并介绍了系统在珠江三角洲水资源配置工程、引江济淮工程等重大引调水工程中的应用情况。工程实践表明,系统功能模块完善、运行情况稳定,能够有效提升长距离引调水工程安全管理信息化水平和在线监控预警能力,可为同类系统建设提供借鉴与参考。
