华北水利水电大学学报(自然科学版)

Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power

黄河流域治理与生态保护

  • 河北省夏玉米不同生育期干旱时空分析

    曹永强;王怡涵;冯兴兴;乔鹤;

    基于河北省夏玉米主产区7个气象站点1967—2017年的气象数据和生育期资料,计算作物水分亏缺指数(CWDI),并划分干旱等级,以此分析夏玉米不同生育期的干旱时空变化特征。结果表明:①在夏玉米生长季内,需水量大于降水量;②玉米生育期内轻旱发生的频率为12%~90%;中旱发生的频率为2%~72%;重旱发生的频率为2%~60%;特旱发生的频率为2%~18%;③干旱主要发生在拔节—抽雄和抽雄—成熟时期,且以轻旱和中旱为主,大多数地区都受到干旱的影响,且以石家庄、饶阳、邯郸和黄骅较为严重;④1967—2017年的干旱情况大体呈下降趋势,拔节—抽雄和抽雄—成熟期间的干旱变化趋势大致相同,1996、1997和1968年的干旱情况最为严重。该研究成果可为该地区防御玉米生育期内的阶段性干旱提供科学依据,对河北省抗灾减灾有重要意义。

    2020年04期 v.41;No.171 1-9页 [查看摘要][在线阅读][下载 1468K]
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  • 河南省黄河供水区水资源节约集约利用初探

    杜青辉;刘晓琴;郝阳玲;

    针对河南省黄河供水区自然资源禀赋不足、水资源分布不均、供需矛盾日益突出、水安全保障程度不高等问题,通过系统分析供水区水资源开发利用、水源工程建设、制度保障等方面存在的问题,结合黄河两岸地形地貌和水源工程的布局特点,按照节水优先、空间均衡的要求,统筹黄河安澜和水资源保障,构建了"一轴两翼三水"的现代水网体系,提出了推进农业节水增效、促进工业节水减排、强化生活节水降损、建设水资源节约集约利用工程和强化节水管理等措施建议,为黄河供水安全和水资源优化利用提供支撑,对进一步做好黄河流域生态保护和高质量发展工作具有较强的现实指导意义。

    2020年04期 v.41;No.171 10-14+60页 [查看摘要][在线阅读][下载 862K]
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  • 许昌市建安区北部采空区三维地下水流数值模拟

    王灵敏;王军强;刘荣慧;李卓然;常伟丽;郑萍;

    近年来,许昌市建安区北部采空区出现了严重的地面塌陷、地下水水位下降、地裂缝等环境地质问题,严重影响了当地居民的生命财产安全,迫切需要对该地区地下水动态变化特征进行研究。在分析研究区大量工程地质及水文地质资料的基础上,运用Modflow软件,建立了建安区北部采空区地下水三维非稳定流数值模型,模型采用2015—2018年的水位数据进行了参数识别验证与水位拟合。结果显示:2015—2018年的地下水水位变幅较小,平均变幅为0.5 m,研究区东部雷庄地下水水位降落漏斗区与西张地下水水位降落漏斗区水位有0.2~0.5 m的下降,武庄矿区周围区域地下水水位升幅在0.5 m左右。为了掌握研究区在矿井继续抽水(抽水量不变)情况下地下水流场的动态演化过程,对2018年9月—2021年9月期间研究区的地下水流进行了预测。预测结果显示:该时段地下水水位缓慢上升,水位升幅为0.5~1.5 m,研究区地下水的开采与补给趋于均衡。该研究成果对矿区的持续开采及当地地下水的合理利用具有重要意义。

    2020年04期 v.41;No.171 15-21页 [查看摘要][在线阅读][下载 1476K]
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  • 黄河冰凌单点爆破的数值模拟与试验研究

    许冠超;孟卓伦;赵继伟;

    通过模拟不同工况下的爆破参数,组建黄河防凌爆破数据库,为研发一系列不同防凌器材提供参考,对今后黄河面对不同凌灾选用不同的防凌器材具有重要的现实意义。采用ANSYS-LSDYNA软件建立了冰体爆破数值模型,运用LS-PREPOST后处理程序系统分析了不同炸药埋深、装药量、冰厚等工况下冰体破坏的体积和直径。运用ORIGIN绘图软件对比分析了不同冰厚的最佳爆破位置,得出:冰层厚度在20~60 cm时,以水为约束介质的最佳爆破作用系数K=0.5~1.0;药包位于冰层下的爆破效果明显好于位于冰面或冰层内的爆破效果。数值模拟结果与现场试验结果表现出良好的一致性。

    2020年04期 v.41;No.171 22-26页 [查看摘要][在线阅读][下载 1356K]
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水工结构与材料

  • 胶凝砂砾石材料宏细观参数及破坏模式研究

    黄虎;李坡;霍文龙;张献才;

    采用颗粒离散元方法对胶凝砂砾石材料开展了大量压缩试验,探讨了胶凝砂砾石材料的细观参数和宏观力学参数间的相关性。研究结果表明:材料的弹性模量E与平行黏结法向刚度■和切向刚度■、接触黏结法向刚度k_n、平行黏结黏聚力■呈线性相关,与摩擦系数f呈非线性相关;应力峰值σ_d与接触黏结切向刚度k_s呈线性关系,应力峰值σ_d与平行黏结抗拉强度■、■、f呈非线性关系;结合室内试验,得出了适合胶凝砂砾石材料的细观参数。在此基础上,进一步从细观角度揭示了材料的破坏演化过程。从细观试验来看,试件内部每一次裂纹的产生均伴随着应力降,试件的破坏是一个由内向外发展的过程;第一条主裂缝的贯通出现在峰值应力后,伴随着应力降,裂缝宽度逐渐增大,由于试件受力部位的转移导致第二条主裂缝的贯通,试件最终呈共轭型破坏。

    2020年04期 v.41;No.171 27-38页 [查看摘要][在线阅读][下载 4106K]
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  • 胶凝砂砾石坝应力及变形特点研究

    张建伟;武佳谋;杨世锋;丁泽霖;

    为了研究胶凝砂砾石坝应力和变形的特点,基于摩尔-库伦软化模型和混凝土弹塑性损伤本构模型,设置正常蓄水和超载2种工况对守口堡胶凝砂砾石坝的坝体模型进行有限元分析,并将正常蓄水工况结果与物理模型试验结果进行对比,探究该胶凝砂砾石坝的应力和应变特点。结果表明:正常蓄水工况下,该大坝的应力和变形结果与模型试验结果相近,应力及位移的分布规律、大小基本一致,该结果验证了数值模拟结果的准确性;超载工况下,该大坝的这2种本构模型的应力和应变计算结果相近,应力和位移分布规律一致,且均在坝踵处出现损伤,均未出现整体破坏的情况,说明守口堡胶凝砂砾石坝设计合理,抗压和抗拉特性良好。其模型试验结果及数值模拟结果可为工程实际提供参考。

    2020年04期 v.41;No.171 39-45页 [查看摘要][在线阅读][下载 1871K]
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  • 考虑黏结-滑移效应的FRP筋混凝土受弯构件裂缝宽度计算方法

    郭盛;陈倓;涂建维;

    由于纤维增强聚合物(FRP)筋的弹性模量较低,FRP筋混凝土梁的设计状态通常采用其在正常使用极限状态下的裂缝宽度来控制,故准确预测最大裂缝宽度对FRP筋混凝土梁的设计及应用至关重要。FRP筋混凝土梁裂缝宽度的计算公式依然沿用我国《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》(GB 50608—2010)中的半经验计算公式,计算结果偏小。相较于经验公式,基于应力传递的数值计算模型可以充分反映开裂混凝土和FRP筋之间应力重分布的复杂特性。因此,在综合考虑FRP筋与混凝土间的黏结-滑移效应、裂缝间混凝土拉伸硬化效应以及材料非线性本构关系等问题的基础上,建立了FRP筋混凝土梁裂缝宽度计算的数值模型。数值分析中采用了两种黏结应力-滑移本构模型,通过对比可得,本构模型的选取对计算结果具有较大的影响。将数值模型计算结果与试验结果和按规范中公式计算的结果进行对比后发现:试验梁纯弯区短期平均裂缝宽度的模型预测结果与试验结果较为接近,两者比值的均值为0.92;按修正后的公式计算,结果更精确。

    2020年04期 v.41;No.171 46-51页 [查看摘要][在线阅读][下载 1249K]
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水环境与水生态

  • 基于Landsat影像的采煤对地表植被覆盖度时空变化的影响研究

    李瑞军;杨志文;吴士文;郝仕龙;邓荣鑫;尹卿芳;

    研究地下采煤扰动下地表植被覆盖度的时空变化及驱动因素,可为煤炭资源合理开发和地表植被生态管理提供科学指导。以阳泉市大阳泉煤炭有限责任公司不同开采年份工作面为研究区,基于2009年和2019年的Landsat遥感影像,采用像元二分模型估算植被覆盖度,研究植被覆盖度的空间格局及其时空变化规律,并运用地理探测器模型探究植被覆盖度变化的主要驱动因素。结果表明:研究区近10年来植被覆盖总体情况良好,中高植被覆盖度和高植被覆盖度面积呈增加趋势;地形因子中,植被覆盖度随高程和坡度的增加呈现先增加后减小的趋势,在坡向上呈现出西北坡的最高,而东坡、南坡和东南坡的相对较低的趋势。对比2009—2019年植被覆盖度的时空变化特征发现:2007年前开采的大多数工作面的植被覆盖度明显改善,而2007年后开采的工作面植被覆盖状况呈退化趋势,表明生态系统的自我调节恢复能力会使生态系统逐渐向良性循环方向发展。因子探测结果表明:开采时间是影响植被覆盖度时空变化的最主要因素;交互作用探测中,以开采时间和高程的共同作用最强,表明人为因素与自然因素的协同增加了对植被覆盖度变化的影响。

    2020年04期 v.41;No.171 52-60页 [查看摘要][在线阅读][下载 1298K]
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  • 坡面土壤侵蚀响应机制及其水动力学特征研究进展

    安文涛;宋晓敏;蒋谦;王艳晗;冀晓东;

    坡面是土壤侵蚀的主要发生区。概述了坡面土壤侵蚀发生与土壤性质、降雨、植被、地形、水土保持措施等指标间的响应机制和坡面水动力学参数及机理研究进展;分析表明,坡面土壤侵蚀是一个十分复杂的过程,不仅受土壤内部因素如土壤均质程度、土壤质地、土壤含水量等的影响,还与外部条件如降雨、植被、地形、水土保持工程等紧密相关。但是,现行的土壤侵蚀研究体系并不完善,需要对土壤侵蚀各影响因素之间的相互作用关系和动力学物理机制进一步明确和深入认知。

    2020年04期 v.41;No.171 61-66页 [查看摘要][在线阅读][下载 711K]
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  • 基于HEC-RAS的鹿溪河流域水质治理效果研究

    张世宝;李胜东;冯健;赵进勇;丁洋;于子铖;

    为改善流域水环境、维护生态健康、探讨生态修复措施效益,以鹿溪河流域为研究区,针对其NH_3-N、TP浓度较高的水环境现状,提出5类水环境治理与生态修复措施,并应用HEC-RAS软件建立了一维水动力水质模型,模拟分析了5类水环境治理与生态修复措施在两种工况下对2030年水环境质量的改善效果。结果表明:措施实施后,NH_3-N和TP的削减率可达到95%和93%;在两种工况下的水质改善效果均十分显著;河道枯水期流量较小时,污染物的浓度会升高,建议鹿溪河在枯水期时实施引水工程。

    2020年04期 v.41;No.171 67-73页 [查看摘要][在线阅读][下载 1328K]
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  • 玉米秸秆生物炭对水中对苯醌的吸附性能研究

    李国亭;康恒嘉;赵宝龙;张帅阳;李康丽;PAK Tannaz;

    资源环境问题一直受到人们的广泛关注,农业废弃物玉米秸秆可以用来提取油气,副产物生物炭预期能够用于环境治理。在600℃条件下,通过简单的限氧热解法制备得到玉米秸秆生物炭,将其用于吸附去除在高级氧化过程中产生的中间氧化产物——对苯醌,研究了玉米秸秆生物炭的投加量和溶液初始pH值对吸附效果的影响,玉米秸秆生物炭吸附对苯醌的动力学、热力学作用机理,玉米秸秆生物炭的再生利用性能等。研究结果表明:①玉米秸秆生物炭能够高效吸附去除对苯醌,投加量为0.8 g/L时的去除率可达到97.2%。②在较宽的pH值变化范围内(3.0~11.0)均表现出了较高的去除能力,且生物炭和对苯醌之间产生的∏-∏电子供体-受体(∏-∏electron-donor-acceptor interaction)相互作用占主导。③Elovich和准二级动力学模型均能较好地拟合试验动力学数据,表明玉米秸秆生物炭与对苯醌之间可能存在扩散控制的化学吸附过程。④基于Langmuir模型的玉米秸秆生物炭对对苯醌的最大吸附量q_(max)为94.6 mg/g;与Langmuir模型相比,Freundlich模型能够更好地拟合试验热力学数据,且玉米秸秆生物炭对对苯醌的吸附在很大程度上是多分子层吸附过程。⑤多次循环再生后的玉米秸秆生物炭仍具有较好的吸附去除率。

    2020年04期 v.41;No.171 74-79页 [查看摘要][在线阅读][下载 814K]
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  • 生态航道系统内涵及评价方法

    刘金林;张世宝;王二平;

    目前,航道工程已经由粗放式向生态化、多元化发展,以满足人民对美好生态环境的需求。国内对于生态航道已经有了许多明确的定义,但从统筹规划上来看,航道的生态化发展应从系统层面上考虑。从系统层面来分析生态航道的发展方向,根据当前研究进展分析了生态航道发展悖论,提出了生态航道系统的概念并分析其内涵;介绍了可用于生态航道系统评价的两种方法:生态足迹法与灰色关联法,并针对生态航道系统做出适配,分析了这两种评价方法的特点及应用,并给出了生态航道系统的若干整治措施。

    2020年04期 v.41;No.171 80-83页 [查看摘要][在线阅读][下载 709K]
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岩土工程

  • 三门峡原状黄土的大型直剪试验及其尺寸效应

    朱云江;姜彤;霍继炜;高宇甲;张俊然;赵金玓;

    三门峡原状黄土富含大孔隙且垂直节理较为发育,在工程实践中对其本身的抗剪强度及变形特性有着重要影响。以往的黄土强度和变形试验多数采用常规直剪试验,导致试样避开了多数节理面和大孔隙,使试样的整体代表性降低。通过对三门峡原状黄土进行一系列的大型直剪试验,并结合常规直剪试验分析了原状黄土抗剪强度的尺寸效应。试验结果表明:关于试样的剪应力-剪切位移关系曲线,在50、100 kPa垂直压力下呈现剪切软化现象,而在200、300 kPa垂直压力下呈现剪切硬化现象;在相同垂直压力条件下,大型直剪试验得出的试样抗剪强度低于常规直剪试验得到的,并且这种差异随着垂直压力的增大逐渐变得显著。工程实践中应充分考虑尺寸效应对黄土抗剪强度的影响,进一步提升工程的安全性。

    2020年04期 v.41;No.171 84-89页 [查看摘要][在线阅读][下载 1297K]
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  • 岩石结构的定量评价及其与岩石力学性质的关系

    谢山立;代晨飞;袁广祥;

    岩石的结构特征是影响其力学性质的一个主要因素,许多学者开展了这方面的研究,并提出了结构系数的概念以定量评价岩石结构。通过对已有的有关岩石结构定量化的文献分析,获得了大量的岩石结构数据和相应的力学性质数据,并对这些数据进行综合对比分析,以期获得岩石的结构系数与其力学性质的相关性。研究结果表明:结构系数能够量化岩石结构,并能与岩石的强度建立量化关系,但不能用统一的数学公式表示;岩石的单轴抗压强度(UCS)与结构系数(TC)的关系绝大部分介于UCS=22.059TC-8.823 6和UCS=22.059TC+90确定的直线之间。

    2020年04期 v.41;No.171 90-96页 [查看摘要][在线阅读][下载 1040K]
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