航道水沙要素移動測量技術研究綜述

初秀民1，聶梓熠1, 2，劉懷漢3，蔣仲廉1

(1. 武漢理工大學 國家水運安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430063； 2. 中船重工集團公司第七〇九研究所，湖北 武漢 430205； 3. 長江航道局，湖北 武漢 430010)

摘要: 航道水沙要素具有強時變、非線性、隨機性等特征，大范圍時空數據的快速獲取是航道運行觀測的難點。隨著傳感器、物聯網、移動計算等技術的發展，基于船載傳感器的航道水沙要素觀測技術已經成為當前航道測量領域的重要研究方向。介紹了水上水下一體化船載測量系統研究現狀，綜合波浪、水流、泥沙等要素移動觀測技術需求，分析了船載航道水沙要素傳感器信息處理技術原理與特點，綜述了航道水沙信息多源圖像處理智能方法研究成果，展望了航道水沙要素測量核心傳感器、智能學習、實時計算等關鍵技術方法。研究表明：結合新一代人工智能技術開發新型高分辨率的水沙觀測傳感器，研制集成船載傳感器的航道水沙要素移動測量系統在原理與技術上具有可行性。

關鍵詞：航道維護；水沙要素；移動測量；圖像處理

1965—2013年中國用水量的時空演變

張之穎1，張 輝2，章 靜2，繆麗娟2

(1. 南京信息工程大學 長望學院，江蘇 南京 210044； 2. 南京信息工程大學 地理科學學院，江蘇 南京 210044)

摘要: 氣候變暖、人口增加、經濟增長過快共同加劇了我國水資源短缺問題。對我國大陸341 個行政區綜合運用BFAST 趨勢檢驗法和空間自相關分析法，探究了1965—2013 年用水量的時空演變規律。結果表明：中國用水量不斷增加，用水量趨勢變化的突變點主要在1990 年后，突變后增加與減少并存，使用水量增速減小。中國用水量的分布存在空間集聚特征，基本以胡煥庸線為界，用水量的集聚度東高西低（新疆除外）。中國用水量的集聚區域在1995 年前與灌溉用水量相對一致，集聚度高的地區分布在新疆和長三角區域；1995 年后與工業用水量較為相近。工業和城鄉用水量集聚度高的地區分布在東北、華北和南方，集聚度低的地區分布在西部，其中農村用水量分布的集聚效應最為明顯。探究我國用水變化的時空特征可為水資源保護及用水效率的提升提供科學依據。

關鍵詞：柵格尺度；用水量；時空變化；水資源

以降水為基礎的淮北淺埋區澇漬分析與評價

黃愛明1, 2，顧 南1, 2, 3，胡永勝4，閆浩芳2, 3, 5，杜明成2, 3，王國慶2, 3

(1. 河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2. 水利部應對氣候變化研究中心，江蘇 南京 210029； 3. 南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029； 4. 安徽?。ㄋ炕次┧茖W研究院五道溝水文水資源實驗站，安徽 蚌埠 233000； 5. 江蘇大學 流體機械工程技術研究中心，江蘇 鎮江212013)

摘要: 淮北平原澇漬災害嚴重，研究淮北淺埋區的地下水埋深對降水的響應規律及澇漬評價方法，對科學規劃區域排澇減災及農作物增產具有重要意義?；谖宓罍蠈嶒炚?2年的日降水、地下水埋深及土壤水分數據，利用數理統計的方法分析了五道溝實驗站降水、地下水埋深變化特征，同時分析了作物和不同雨強的降水對地下水埋深的影響。利用正距平法和Z 指數法對五道溝實驗站澇情進行評價。結果表明：淮北淺埋區的年內降水主要集中在5—9月；作物生長前期需水少，降水補給量決定了地下水水位的增長幅度，后期需水量過大，地下水水位會持續下降；地下水埋深在年內呈現雙峰變化，在地下水淺埋區，地下水埋深對一定范圍內的降水具有彈性；對比不同雨強下地下水水位的響應時間發現，隨著雨強的增大，地下水水位的響應時間逐漸減??；兩種方法均能較好評價淮北淺埋區的澇漬情況，但長期無降水、地下水位過低時會高估受澇漬災害的嚴重性，且Z指數法高估程度更明顯。

關鍵詞：淮北平原；降水；地下水埋深特征；澇漬分析；作物

基于TIGGE 多模式的6 h 降雨預報精度對比分析

王 昊，江文員，劉益民，李淑賢，刁艷芳

(山東農業大學 水利土木工程學院，山東 泰安 271018)

摘要: 降雨數值預報是預防極端天氣導致災害事件的重要手段，其預報精度是預報產品是否被采用的依據。以跋山水庫流域為研究對象，選取了TIGGE 系統中的ECMWF、NCEP、CMA、JMA、UKMO共5個預報模式的控制預報與集合預報，分別從降雨分級預報檢驗和降雨量預報檢驗兩個角度，利用Brier評分和Talagrand分布圖，分析了2007—2019年5—9月控制預報和集合預報降雨數據的精度。結果表明：(1)就降雨分級預報而言，對于無雨、小雨和中雨量級，5個預報模式控制預報和集合平均預報效果相差不大；對于大雨量級，JMA和NCEP的控制預報效果最佳，JMA和UKMO的集合平均預報效果最佳；對于暴雨及以上量級，NCEP的控制預報和集合平均預報均效果最佳；(2)針對降雨量預報，UKMO控制預報和集合平均預報效果最佳；(3)無雨等級的Brier評分最高，且Brier評分隨著降雨等級的提升而降低，表明大量級降雨時Brier評分較好；CMA的評分在無雨、小雨、中雨、大雨4個等級表現最好；(4)5個模式Talagrand分布形態均呈粗略的“U”字型，表明5個預報模式集合成員的分散不夠。綜合來看，UKMO和NCEP的預報效果最佳。據此研究可選出高精度的降雨預報產品。

關鍵詞：降雨集合預報；TIGGE；CMA；BS 評分；TS 評分；跋山水庫

山東省極端氣候指數變化特征研究

劉 玄，唐培軍，吳同帥，馮忠倫，刁艷芳，王 剛

(1. 山東農業大學 水利土木工程學院, 山東 泰安 271000； 2. 濰坊市水文中心, 山東 濰坊261031)

摘要: 為探究山東省極端氣候指數的時空變化與特征，選取山東省1979—2020年95個氣象站點的逐日氣溫和降水量實測數據，采用Mann-Kendall（M-K）檢驗方法和Sen 斜率估計法計算時間變化特征，及InverseDistance Weight（IDW）反距離權重法探究空間變化趨勢。結果表明：（1）山東省境內低溫極端氣溫指數（TN10p和FD0）呈下降趨勢，下降速率分別為0.004 8和6.42 d/（10 a），高溫極端氣溫指數（TX90p、TXx和SU25）呈上升趨勢，上升速率分別為4.06 d/（10 a）、0.32 ℃/（10 a）和2.31 d/（10 a）；其內陸區域和沿海區域極端氣溫指數表現出了與山東省整體較好的一致性，空間趨勢不明顯。（2）極端降水指數均呈上升趨勢，沿海區域多大于內陸區域。降水強度指數（R95p、R99p 和RX5day）呈顯著增加趨勢，增加速率分別為22.16、10.83和10.55 mm/（10 a），空間分布上，高值區域多分布在東部沿海區域和南部部分區域，可能會增加洪澇災害風險。

關鍵詞：極端氣溫；極端降水；極端氣候指數；時空變化

基于適宜生態水位的通州區平原河網引排水研究

徐小溪1，張秀菊1，羅煜寧1，紀鵬程2

(1. 河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2. 南通市通州區水利局，江蘇 南通 226000)

摘要: 平原河網地區水系連通，閘泵工程眾多，工程調度中存在引水缺指導依據、引水時機欠科學等問題?？紤]河道水位與生態需水的逐月變化，提出了基于河道適宜生態水位區間指導閘泵工程引、排水調度的計算方法。以南通市通州區為例，將年內水位劃分為3個水位管理期，確定河道適宜生態水位區間并進行修正，以適宜生態水位作為控制目標，對工程現狀引排水量進行調整。研究結果表明：（1）高水位時期（7—10月），適宜生態水位區間為1.77~1.99 m；過渡時期（4—6月及11月），適宜生態水位區間為1.54~1.95 m；低水位時期（12月—次年3月），適宜生態水位區間為1.46~1.77 m；（2）在滿足適宜生態水位區間的基礎上，6月中旬及下旬需增加引水287.56萬m3、399.56萬m3，其余時段均應減少引水量，共減少引水量6 064.11萬m3，7—9月需減少引水量最大。適宜生態水位思路能夠客觀反映河網水位年內實際變化，便于水利部門管理，給出的基于適宜生態水位約束下工程需調整的引、排水量，可為平原河網地區引排水工程調度提供參考。

關鍵詞：平原河網地區；閘泵工程；適宜生態水位區間；引排水調度

兩種水面邊界條件下兩層流體中內波傳播的數值模擬

張周昊，張洪生，王宇鑫，馬婷婷

(上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306)

摘要: 基于FLUENT 計算流體力學軟件及其二次開發功能，采用VOF（Volume of Fluid）多相流模型，在k-"湍流模型下建立了模擬內波傳播的分層數值水槽。設置兩層穩定分層，以上下層不同密度差和水深比設置工況，利用平板拍擊法造波。在剛蓋和自由表面兩種上邊界條件下進行數值模擬并與各自的理論解進行比較，分析了兩者之間的異同。研究發現密度差的改變不會明顯影響理論解與數值解之間的一致程度；上下兩層流體深度差值的改變會明顯影響數值計算結果。上層水深很小時，在自由表面假定下水氣交界面處出現了較為明顯的垂向速度；在兩種假定下，數值模擬的水平速度都體現了非線性的影響。而當下層水深很小時，非線性的影響微弱。鑒于在實際海洋中上層水深遠小于下層水深，尤其是當計算運動幅值更大的內孤立波時，采用更為真實的自由表面假定更為合理。

關鍵詞：內波；數值模擬；自由表面假定；剛蓋假定

變截面方形橋墩折沖效果數值模擬

閆杰超1，陳 靖2，徐 華2，賈恩實1，陸 楊2

(1. 中鐵大橋勘測設計院集團有限公司, 湖北 武漢 430050； 2. 南京水利科學研究院, 江蘇 南京 210029)

摘要: 為研究方形橋墩截面變化對局部沖刷特性的影響，通過建立橋墩局部沖刷三維數學模型，對方墩前端不同伸出臺階寬度及相應傾斜坡度情況下的沖刷特性展開模擬研究。結果表明：相較于方墩，墩前伸出一定臺階寬度的結構形式具有較好的折沖效果，但其折沖效果并非隨著伸出寬度的增加而增加，墩前伸出臺階寬度約在墩寬的2/3時折沖效果最優；同時，通過在伸出臺階寬度基礎上增加傾斜坡面的截面優化處理，得出傾斜坡面高度在床面以上0.4h（h為水深）情況下，隨著臺階伸出寬度的增加其折沖效果呈增加趨勢，且具有比僅伸出臺階寬度的截面結構形式更優越的折沖效果，最大折沖率高達38%。研究結果可為橋墩結構形式與抗沖防護的綜合研究，尤其是大型橋墩基礎結構的優化提供參考。

關鍵詞：變截面；方形橋墩；折沖；局部沖刷

冰波運動特性及蓋移質輸冰能力研究

羅紅春1，冀鴻蘭1，牟獻友1，郜國明2，張寶森2

(1. 內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018； 2. 黃河水利科學研究院，河南 鄭州450003)

摘要: 冰下蓋移質冰顆粒集體運動時易形成一種特殊的冰情現象——冰波，其運動特性與冰塞形成、堆積演變及輸冰能力密切相關。為探究冰波運動特性及蓋移質輸冰能力，借鑒泥沙輸移理論，從理論層面建立了冰波運動的基本控制方程與蓋移質輸冰率方程，進一步推求了無量綱蓋移質輸冰強度（輸冰能力）與水流強度的本構關系。結果表明：冰波形成需要一定的水力條件，冰波波高與背流面波長的變化及表征水流強度的弗勞德數Fr相關，同時也受水深、冰下阻力等因素的綜合影響；建立的輸冰率公式體現了輸冰能力與水流條件的關系，且考慮了冰蓋影響，優化了輸冰能力的計算結果；總體上，輸冰能力與水流強度呈復雜的函數關系，但水流強度仍是體現輸冰能力的主要指標與便捷指標。研究結果可為寒區河流輸冰能力的計算提供理論參考，同時可輔助揭示河流冰塞的形成機理。

關鍵詞：冰波；冰塞；蓋移質；運動特性；輸冰能力

混凝土壩洪水漫頂生命風險評價

李宗樾1，余 雷1，胡澤林2，程 井2

(1. 貴州省大壩安全監測中心，貴州 貴陽 550002； 2. 河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098)

摘要: 對混凝土大壩洪水漫頂的生命風險評價方法進行研究，以改進傳統的評價方法。提出基于Copula 函數和三點式變倍比放大法來隨機生成年最大入庫洪水過程線概率序列的峰量雙變量分析方法，同時進行生命風險的評估；并對潰壩生命風險評價標準進行研究，以得出更符合我國大壩現狀的生命風險評估標準。以貴州某水電站為例，對其加固后的洪水漫頂生命損失進行評估，依據風險標準進行生命損失風險評價，結果顯示加固后該水電站拱壩洪水漫頂對下游村鎮造成生命損失的風險較小，屬于社會可接受范圍?；炷翂魏樗斏L險評價的方法考慮了洪水特征量間的相互關系，所得洪水發生概率更加貼合實際。

關鍵詞：混凝土壩；洪水漫頂；生命風險；三點式變倍比放大法；風險評價

混凝土重力壩-面板堆石壩復式結構型式研究

劉 靜1，陸 希1，黨發寧2

(1. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065； 2. 西安理工大學 西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

摘要: 針對目前特高面板堆石壩存在的面板撓曲變形大、面板縫易拉開、底部面板不能檢修等突出問題，提出了一種適用于特高面板堆石壩的新型壩體結構型式——混凝土重力壩-面板堆石壩復式結構。重點分析了施工期、蓄水期及蓄水期發生地震時，新型復式結構混凝土重力壩的高度、上下游坡比、趾板布置等體型參數變化對大壩結構應力變形及面板撓度等指標的影響，為新型結構型式體型的選擇提供參考。優選的新型復式結構型式與常規堆石壩結構的計算結果對比分析表明，復式結構除周邊縫張開變位及施工期面板應力大于常規面板壩外，其他指標均占據優勢，且周邊縫張開變位完全在相應規范及止水結構允許變形范圍內，并具有較高的安全裕度。新型擋水結構可縮短混凝土面板長度，改善面板受力狀態，減少面板撓曲變形，并有效提升面板堆石壩壩踵及趾板部位的可維修性。

關鍵詞：特高面板堆石壩；混凝土重力壩-面板堆石壩復式結構；可檢修性

對水聲定位濾波算法記憶衰減方式的改進

馬建業1, 2, 3，鄭東健1, 2, 3

(1. 河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098； 2. 河海大學 水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 南京 210098； 3. 河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098)

摘要: 水下定位是自動化設備在水下建筑物安全監測工作過程中基礎性、關鍵性的工作。濾波算法是水聲定位算法的重要組成部分，有助于抑制噪聲還原真實數據。衰減記憶濾波可以一定程度上處理由于模型不準確或模型變化及舍入誤差累積等因素所引起的濾波發散問題。記憶衰減方式對算法的性能影響很大，對水聲定位中的擴展卡爾曼濾波算法的記憶衰減方式進行了改進，主要改進在判斷是否需要進行記憶衰減后，以觀測值為標準進行記憶衰減。3 種不同工況的水聲定位仿真試驗結果，驗證了改進算法中記憶衰減方式的合理性和準確性；通過與現有記憶衰減算法仿真比較，改進算法可改善定位效果，提高連續定位精度。

關鍵詞：擴展卡爾曼濾波；記憶衰減；水聲定位；水下結構；安全監測

玄武巖纖維提升水泥土抗拉性能的試驗研究

張國龍1，任昊銘2, 3，章定文2, 3，徐慧敏4，宋 濤1

(1. 安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088； 2. 東南大學 交通學院，江蘇 南京 211189；3. 道路交通工程國家級實驗教學示范中心（東南大學），江蘇 南京 211189； 4. 中南建筑設計院股份有限公司，湖北 武漢 430000)

摘要: 為研究玄武巖纖維對水泥土抗拉力學性能的影響，選取不同長度、直徑及摻量的玄武巖纖維摻入水泥土，通過開展單軸拉伸試驗、無側限抗壓強度試驗和掃描電鏡試驗，并采用正交試驗極差法，分析了玄武巖纖維對水泥土的應力-應變曲線、抗拉強度、拉壓強度比和破壞形態的影響規律和微觀作用機理。結果表明：玄武巖纖維水泥土的單軸抗拉試驗應力-應變曲線可分為彈性變形、破壞、殘余強度和穩定4個階段；纖維變量對抗拉性能影響大小依次順序為長度、摻量、直徑；玄武巖纖維長度9 mm和摻量1.5%為玄武巖纖維的最優單摻參數。玄武巖纖維水泥土的拉壓比較未摻入纖維的水泥土的拉壓比高，但纖維種類和摻量等對纖維水泥土的拉壓比影響較大；三維隨機網狀分布的玄武巖纖維可提升水泥土的抗拉強度和韌性。

關鍵詞：玄武巖纖維水泥土；抗拉強度；拉壓強度比；微觀機理

適用于強結構性黏土的修正鄧肯-張模型研究

張秋敏1，裴利華2，桂 躍1，楊醒宇2

(1. 昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650051； 2. 中鐵四院集團西南勘察設計有限公司，云南 昆明 650504)

摘要: 土體的力學特性受結構性影響十分顯著，結構性越強，破壞后變形越大，對實際工程影響越顯著。目前對結構性土的特殊工程性質已有廣泛認識，但如何用數學方法準確描述其強度和變形間的關系仍是主要研究內容。對分布在云南昭通地區的強結構性黏土進行了試驗研究，結果表明：其結構屈服應力高達800 kPa，屬于典型的強結構性土。根據常規三軸試驗的應力-應變關系，將強結構性黏土的剪切變形劃分為結構未破壞階段、結構逐漸破壞階段和結構完全破壞階段；基于破壞過程，對傳統鄧肯-張模型進行修正，引入損傷比參數，建立適用于強結構性黏土的修正鄧肯-張本構模型。對模型中的初始剪切模量、主應力差漸進值和剪切模量參數進行推導分析，各參數值與試驗的土體剪切變形規律相符合；對已有結構性土的試驗數據進行擬合分析，結果表明該修正模型可以較好地描述強結構性黏土的應力-應變特性規律。

關鍵詞：強結構性黏土；結構屈服應力；鄧肯-張模型；應力-應變關系；損傷比

基于Landsat 時序影像和非線性邊界監測土壤干旱研究

——以1986—2020年黃河內蒙古段生長季為例

張新平1，權 全2

(1. 西安理工大學 藝術與設計學院, 陜西 西安710054； 2. 西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室, 陜西 西安710048)

摘要: 土壤溫度植被干旱指數（TVDI）是表征土壤干旱狀態的常用指標，土地利用/覆被（LULC）類型、LSTNDVI特征空間的干燥與濕潤邊界的非線性屬性是TVDI遙感反演過程需要考慮的問題，然而前人的研究與應用大多忽視了這些條件，帶來了部分誤差。選取黃河流域典型資源驅動型河段內蒙古“幾”字灣都市圈（呼包巴鄂烏五市）作為研究對象，以1986—2020年8期816景Landsat-5/8時序影像和同期30 m土地利用/覆被柵格數據為數據源，剔除建設用地和水體，采用無縫拼接和生長季均值合成重構LST-NDVI特征空間，在4類LULC下，非線性擬合干燥邊界和濕潤邊界，反演得到8期經驗證精度可靠的黃河內蒙古段的土壤表層干旱等級空間分布100 m柵格。研究結果可為區域性的土壤旱情預測提供理論參考和技術借鑒。

關鍵詞：溫度植被干旱指數；影像拼接；均值合成；非線性邊界；黃河流域內蒙古段

跨水庫布置的精密儀器廠房微變形與微振動控制研究

張漢云1，王 晨1，季永興2, 3，張云娟1，王英潔1，高晨晨3，董永霞3

(1. 河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098； 2. 華東建筑集團股份有限公司，上海 200041； 3. 上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200061)

摘要: 高樁框架結構通常用于跨水庫建筑物設計，具有樁基懸空高、側向剛度小等特點，在外界環境變化下易產生變形和振動，影響工程正常運行。針對高樁框架結構的微變形和微振動問題，提出在樁基外部加土體保護的方法進行控制，并以某高樁框架結構為例，采用有限單元法，分析了高樁框架、高樁框架+土體保護兩種設計方案下整體結構的自振特性、溫度荷載作用下的微變形、高鐵經過時的微振動及波浪荷載作用下的位移響應。數值分析表明，高樁框架+土體保護方案可以降低樁基體系的高階自振頻率，避免與場地的共振風險，有效控制溫度變化導致的微變形和高鐵經過導致的微振動在允許范圍內，大幅降低樁基體系在波浪荷載作用下的水平向變形。因此，在樁基外部設置土體保護的措施可以有效控制高樁框架結構的微變形和微振動，是一種經濟、高效的振動控制方案。

關鍵詞：跨水庫建筑物；精密裝置廠房；樁基；土體保護；微變形控制；微振動控制

基于單軸約束試驗的早齡期混凝土開裂行為評價

齊廣政1，辛建達2, 3, 4，王振紅2, 3, 4，汪 娟2，馬曉芳2，李金桃2，侯文倩2，段修斌5

(1. 交通運輸部天津水運工程科學研究院 港口水工建筑技術國家工程實驗室，天津 300456； 2. 中國水利水電科學研究院 結構材料所，北京 100038； 3. 中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京100038； 4. 中國水利水電科學研究院 水利部水工程建設與安全重點實驗室，北京 100038； 5. 國核電力規劃設計研究院有限公司，北京 100095)

摘要: 早齡期階段，大體積混凝土由于自身變形受到相鄰構件或地基的約束產生溫度應力，一旦拉應力超過混凝土自身強度，混凝土便會開裂。鑒于傳統的約束圓環法和平板法無法考察溫度歷程對大體積混凝土溫度開裂行為的影響，基于研制的新型開裂全過程仿真試驗機在實驗室內實現了對混凝土日降溫0.3 ℃的速率控制，重現了大體積混凝土澆筑后的真實溫度歷程，測量了不同齡期（3、7和14 d）快速溫降條件（0.5 ℃/h）下混凝土的溫度應力，并基于開裂溫差分析了齡期和水泥類型對早齡期混凝土抵抗快速溫變性能的影響。試驗結果表明，混凝土抵抗快速溫變的能力與齡期（強度）正相關，松弛能力隨加載齡期的推遲逐漸減弱；低熱水泥混凝土較中熱水泥混凝土應做好更嚴格的早齡期階段表面保溫措施。

關鍵詞：開裂全過程仿真試驗機；早齡期；溫度應力；開裂