以混合山地丘陵和平原地形,并包含大型水库的瀛汶河流域作为研究对象,提出了一种适用于混合地形流域中小流域的命名方法。利用WordView遥感数据和ArcGIS中的Hydrology水文分析模型,对该流域的空间分布特征进行了探索和分析。本研究得出如下结论:①共提取了1条主干流、22条一级支流、48条二级支流以及1个大型水库在内的完整水系网络;②根据本研究提出的混合地形小流域提取划分方法,最终得到了28个小流域,其中包括3个干流小流域和1个水库型小流域;③结合地形形态类型,小流域可分为坡面型、区间型和完整型,数量分别为3个、3个和22个,分别占比10.7%、10.7%和77.57%;④根据河网支流空间分布统计结果,流域上中下游的一级支流分叉数分别为0.33、0.77和1.50条二级水系/一级支流;⑤单位面积内一级支流长度与二级支流长度分布趋势相反,导致瀛汶河流域河网密度在上中下游的结果较为接近,为(0.53±0.1) km/km2。研究结果可为混合地形小流域的提取划分及空间特征分析等相关研究提供借鉴和启示。
“三线一单”生态环境分区管控体系是目前我国推动生态文明建设和实现高质量发展的关键手段,流域综合规划环境影响评价(环评)技术导则明确提出了评价应充分衔接已发布实施的“三线一单”成果,阐述了流域综合规划体系及主要环境影响特性,提出衔接“三线一单”的流域综合规划环评设计框架,可实现“三线一单”成果贯穿流域综合规划的全过程。在此框架下流域“三线一单”的制定成为流域综合规划环评的重点,提出了流域“三线一单”的制定方法,以赣江流域为研究对象阐述了应用过程。对流域综合规划环评和“三线一单”成果落地等工作具有指导作用。
河流泥沙交换运动是河流泥沙运动力学中主要难题之一,泥沙交换运动的过程与强度决定了河床冲淤的速率,从而引起河床冲淤演变。归纳总结了河床泥沙上扬通量推演过程及影响因素、河床泥沙粗细交换中泥沙扩散方程以及泥沙交换层厚度方程的形成过程、泥沙交换数学模型的建立、泥沙交换试验研究的方法等最新研究进展,同时梳理该方向研究存在的关键问题和未来趋势。目前尚未统一化的理论公式,计算方法均以经验公式为主,且缺乏可靠实测资料的充分验证。研究有助于深入了解河流近底泥沙交换研究的最新进展,为未来深入研究泥沙交换的重点方向提供参考。
环保疏浚是治理湖泊污染底泥,消减内源污染的重要手段,而科学合理确定疏浚范围的控制指标是保证治理效果和工程经济性的关键,但现阶段相关技术标准对底泥中持久性有机污染物(POPs)的控制指标并未予以明确。研究结合相关技术指南和规程,以长江流域鸭儿湖复合污染底泥为研究对象,通过收集梳理国内外相关学者的研究成果,对底泥中的二噁英、甲基汞及短链氯化石蜡(SCCPs)等持久性有机污染物(POPs)进行分析。分析结果表明:对于不具备渔业功能的湖泊,建议二噁英总毒性质量比和SCCPs质量比控制指标分别为5~10 ng/kg和900 ng/g;对于具备渔业功能的湖泊,建议参考地区背景值提高控制指标标准;对于底泥表层甲基汞质量比>5 ng/g的区域,应限制渔业养殖功能。根据湖泊功能提出的技术建议,为复合污染底泥修复补充了理论依据,也为今后同类湖泊治理项目的实施提供了一定的经验和借鉴。
水体透明度提升是改善水质观感的重要技术路径。根据2023年4—12月对长三角一体化先行启动区内典型水体(湖荡、圩内河道、圩外河道)的实地监测结果,探讨区域内典型水体的透明度(SD)时空分布特征、影响因素及提升目标。研究结果表明:监测期间,湖荡、圩内河道、圩外河道SD均值分别在61.17、68.75、45.08 cm左右;空间上,西塘镇及黎里镇东南区域SD整体较好(>70 cm),而元荡、金泽镇东北区域以及太浦河相对较差(<50 cm);降雨对SD影响较大,尤其是圩内河道;相关性分析显示,悬浮物浓度为SD的首要相关指标(R=-0.65~-0.79),总磷与SD的负相关性在湖荡水体中尤为显著(R=-0.71),而叶绿素a仅在圩内河道中与SD无显著相关性。此外,研究进一步构建了SD与浊度、悬浮物、总磷的拟合曲线模型,其中SD与浊度的整体拟合效果最佳(R2=0.66~0.74),并以近岸主要的沉水植物能够存活为要求,确立了先行启动区SD的初期目标值应控制在59.14~83.06 cm以上。
在实际修复工程中,对高黏粒含量的重金属污染土进行淋洗是十分困难的。这既是因为高黏粒含量土渗透性差,也是因为黏粒含量对于污染土淋洗的具体影响规律和机理尚未明晰。通过固结试验和振荡离心试验探究了不同黏粒含量土壤的固结和重金属吸附解吸特性。研究结果显示,不同黏粒含量土壤的物理力学特性存在显著差别,高黏粒含量土壤具有更高的液塑限和更大的压缩性,而土壤的渗透性和孔隙比则更低。并且,黏粒含量的增加显著提高了土壤对重金属离子的吸附能力,同时降低了药剂淋洗的去除效果。黏粒含量从20%增加到50%,重金属吸附量最大可提高50%,去除率最大可降低20%,其中,在20%和30%黏粒含量之间的变化尤为显著,主要原因是大量团聚体的形成。这些物理力学特性和吸附解吸特性的差别将对土壤淋洗技术和参数的选择产生较大影响,研究结果可为重金属污染土淋洗修复技术的优化提供一定的参考依据。
生物炭具有疏松多孔、高比表面积的性质,是一种环境友好型的土壤改良剂。为研究生物炭对红黏土的持水能力及常用护坡草种生长的影响,以桂林红黏土为研究对象,将不同原料类型和掺量的生物炭掺入红黏土中,进行了持水量试验、盆栽种植试验、酸碱度试验,结合扫描电镜(SEM)阐释生物炭对红黏土持水能力的影响机制。试验结果表明:红黏土的饱和持水量和pH值均随4种生物炭掺量的增加而增大,生物炭的掺入有效地改善了植物生长环境条件;掺入生物炭后草种的发芽数和株高都得到提高,但掺量>5%后会抑制草种生长;通过微观测试发现,生物炭充填于红黏土团聚体之间的孔隙中,因其多孔性和亲水性,使红黏土的饱和持水量提高。研究成果有助于生物炭在红黏土地区生态护坡工程中的应用。
准确预测径流是预防洪涝灾害的基础。针对这一问题,提出一种基于多变量变分模态分解与皮尔逊相关性重构的日经流预测组合模型,该模型首先运用多变量变分模态分解(MVMD)方法分解日径流数据,然后,针对分解后的模态分量,运用皮尔逊相关系数法对该分量进行重构分类为波动项和随机项,运用思维进化算法(MEA)优化BP神经网络对波动项进行预测;运用灰狼优化算法(GWO)优化极限学习机算法(ELM)对随机项进行预测。最后,对两个模态分量预测融合得出最终预测结果。以汉江流域中的安康水电站与白河水电站径流数据为例进行分析,结果表明:安康站平均R2为0.87,白河站平均R2为0.93,预测模型预测效果较好、准确性较高,具有预测合理性。研究结果可为预防洪涝灾害和合理调控水资源提供依据。
为系统获取土层变形有限元数值模拟所需的土体力学参数,以武汉长江一级阶地“上黏下砂”典型二元结构土层(粉质黏土、粉土、粉砂和细砂)为研究对象,通过系统的物理性质试验、固结试验及三轴固结排水加载-卸载-再加载试验,测定土体的修正摩尔-库伦硬化模型关键参数( 、 、 、c'、φ'、Rf)。基于试验数据,结合国内其他地区的试验结果与经验值,系统分析武汉长江一级阶地典型土层模量参数间的定量关系,并提出参数取值的建议。研究成果补充了《湖北省基坑工程技术规程》中黏性土与粉土的有效应力强度指标,修正了砂土参数的工程取值(如砂土 c' 的非零特性)。该研究不仅为长江一级阶地类似工程提供了直接参数依据,还可为岩土工程有限元分析参数反演、参数敏感性分析及工程适应性校正提供重要参考。
为研究单向冻结条件下非饱和铅污染黄土中热-质迁移及土体变形规律,首先,建立单向冻结条件下铅污染黄土中水-热-污染物-力耦合数学模型;其次,利用有限元法数值模拟了负温条件下土体温度、体积含水率及污染物浓度的变化规律,结合室内试验验证了模型的有效性;最后,分析了温度梯度、土体初始饱和度及污染物初始浓度等因素对污染物迁移、结晶及土体变形的影响。研究表明:负温作用引起土体内污染物由暖端向冷端迁移,随温度降低,冻结区污染物浓度达到峰值后渐趋稳定;负温梯度增大,负温端污染物浓度增大,污染物溶解度下降,结晶量增长;冻结区污染物的浓度随初始饱和度的增大而增加;污染物初始浓度升高,结晶体积含量随之升高,但相对于冰晶体膨胀量,污染物结晶膨胀对土体位移影响不明显。
为研究冻土一维热传导温度场模型试验相似准则,创新性提出基于微分方程解析解求取相似准则的方法,首先采用分离变量法得到了一维非线性热传导方程的解析解,再利用相似转换法推导出了考虑和不考虑热交换2种情况下冻土模型试验的相似准则,最后利用有限元软件ABAQUS验证相似准则的准确性。结果表明,当不考虑热交换时,时间的相似常系数始终是几何尺寸相似常系数的平方;当考虑热交换时,模型试验必须采用与原型不同的土体,此时得到的相似准则更具有理论意义和实际价值。该研究成果充分考虑了热传导过程中的边界条件,有望为非线性热传导问题的研究和模型试验设计提供理论参考。
利用粒径分布曲线预测土水特征曲线(SWCC)的传统模型在计算含水量时通常需要将粒径分布曲线分段处理,且往往忽略了土壤颗粒表面的薄膜水含量,导致预测精度受到很大限制。为了解决以上问题,基于颗粒点对点接触假设,使用威布尔函数描述粒径分布曲线,通过杨拉普拉斯方程确定毛细水含水量,并考虑薄膜水含量的影响,建立一个基于粒径分布和薄膜水的土水特征曲线模型。然后选取非饱和土壤数据库(UNSODA)中26个土壤样品进行验证,并与AP模型和MV模型进行对比分析。结果表明,相较于AP模型和MV模型,新模型能更准确地预测土壤的土水特征曲线,且由于考虑了薄膜水含量,使新模型在高基质吸力段的含水量预测误差显著减小。
传统的大坝变形预测模型难以反映效应量与环境量之间存在的复杂非线性关系,预测效果常常不够理想。考虑到LSTM模型具有较强的非线性学习能力,PSO模型具有优越的全局寻优能力,将PSO应用于LSTM超参数全局寻优之中,建立基于PSO-LSTM的大坝变形组合预测模型,既可以解决传统预测模型在描述非线性特性方面的不足,又可以提高LSTM超参数取值的合理性,并为提升大坝变形预测精度提供一种新思路。运用所提出的方法,以某混凝土重力坝和某混凝土拱坝实测水平位移为例,进行了实例研究。研究结果表明,所提出的PSO-LSTM组合模型在模型的RMSE、MAE和R2等指标方面均优于单纯的LSTM模型和传统的监测统计模型,在3种预测模型中,PSO-LSTM组合模型的预测效果更优。
库水升降及降雨引起库岸地下水动态变化,地下水动态升降是顺层碎裂岩质滑坡变形破坏的直接诱发因素之一。通过三峡库区木鱼包滑坡近7 a监测数据、勘察资料等,研究了降雨、库水位与地下水位之间的定量关系,以及坡体变形对地下水的响应机制。研究表明:①地下水升降明显先于坡体变形,由降雨和库水位来预测地下水位,可进一步判断坡体变形情况,这为滑坡预警预报提供了有力依据。② 当坡体前部地下水位超过最高库水位(175 m)时,坡体变形在浮托减重效应影响下,动水压力作用逐渐增强。③获得了降雨抬升地下水位的阈值,持续降雨10 d降雨量达150 mm,坡体前部地下水位抬升3.22~6.88 m;30 d内降雨量300 mm,坡体前部地下水位抬升10 m左右。④2017年10—12月,前部平台QSK1钻孔地下水位高达184.2 m,比库水位(175 m)高近10 m,72 d坡体位移量为88.5 mm。该研究成果为库区顺层岩质滑坡监测预警、防灾减灾和库水调度提供理论支撑。
