网状河流的构型、流量-宽深比关系和能耗率

网状河流作为一类新河型,已经受到研究者的关注,但对其研究还不充分.该研究基于目前已经报道过的资料及新近取得的研究成果,从河流构型、河道过水断面宽深比与流量关系及能耗率等方面对该河型展开论述,期望引起大家对该河型的兴趣.网状河流在许多方面表现出了独有的特色.从平面构型来看,它以相互连通的多河道围绕非常稳定的泛滥盆地为特征,其中泛滥盆地上植被发育、沼泽湖泊可见.从河道纵、横剖面来看,它具有非常小的河道比降和一般小于40的河道宽深比,总体上属于各类河型中最小的.从沉积体系的剖面构型来看,它以多个孤立的河道砂体"漂浮"在细粒泥质沉积物中为特征.在河道过水断面宽深比与流量的半对数图中可见,其宽深比随流量的增大而减小,并且其散点位于各类河流的最下部.由于其河道比降一般很小,多河道体系中的单个河道的流量相对于其决口前的老河道显然较小,从而其能耗率就相对很小.文中所讨论到的长江三口分流网状河道:东松滋河、西松滋河、虎渡河、藕池河、北藕池河和松澧合流,其能耗率分别为3.0 W/m2,5.5 W/m2,2.8 W/m2,6.4 W/m2,3.7 W/m2和2.7 W/m2,显然都小于10 W/m2,这与长江主河道在枝江附近的140 W/m2相比,差两个数量级.所有这些特征都预示着网状河流与以长江中下游为代表的分汊河流之间有着完全不同的特性,与其他河型更是大相径庭.     

基于系统有序度熵的河流健康评判方法研究

河流系统是一个耗散结构,因此评价河流健康状况可以从系统的观点出发进行探讨研究。本文应用系统论和信息论的有关概念和理论,提出了基于系统有序度熵的河流健康评价方法,导出了综合考虑河流系统多个子系统(健康目标)的河流健康指标的数学表达。以黄河为例,分析提出了黄河健康因子,研究了各健康因子的阈值范围,评价了黄河现状的健康状况。     

河流沉积对于气候和海平面变化响应的讨论

河流沉积地层是古代陆相沉积和大陆边缘沉积的重要组成部分。河流沉积与气候和海平面升降之间的关系虽然研究较多，但是众多的研究集中于河流沉积与相对海平面之间的变化，而研究河流沉积与气候的关系则集中于对近100Ma年以来的河流沉积，而对古代河沉积与气候之间的变化关系研究较少。本文拟对河流沉积与海平面变化和气候变化的响应进行一些讨论。     

水沙变异条件下的河流系统调整及其研究进展

保持河流各方面整体协调是流域开发研究的重点和必然趋势,研究水沙变异条件下河流系统的调整机理,对于河流健康的保障具有重要意义.总结分析了水沙变异与河流系统的作用特性,明确了河流系统中水文、水力、地貌、生态等方面的各种调整实际上是与系统输入特性的特定变化相联系的;回顾了对河流系统及其功能的认识过程与研究现状,展望了将来的研究趋势.     

1960—2020年青藏高原东部主要河流的径流和泥沙变化特征

青藏高原作为“亚洲水塔”,对下游地区用水具有重要作用,在气候变化和人类活动影响下,河流的径流和输沙量已发生显著变化。选取青藏高原东部的黄河、长江、澜沧江、怒江和雅鲁藏布江五大河流源区,利用站点实测数据和Pettitt突变点检验、线性回归等统计方法,系统性地分析了1960—2020年间(近60 a)径流和泥沙的年际和季节性变化特征。主要结论为：(1)近60 a来,长江和怒江流域的年径流显著上升,其余流域变化不显著,径流变化存在较强的空间变异性,在2006年左右存在突变点,大部分站点的年径流在此后的十几年中均呈上升趋势;年输沙量方面,长江流域呈不显著上升,黄河、澜沧江、雅鲁藏布江流域均呈不显著下降,年际变化趋势与径流变化总体一致,但变异性更大。(2)对于60 a尺度的季节径流,上游站点冬、春季径流均呈增加趋势,所有站点夏、秋季径流的变化趋势与年径流总体一致,且夏季径流在空间分布上存在“北增南减”的特征。(3)澜沧江下游的水电梯级开发已经对下游天然径流过程产生干扰,主要表现为径流年内分布的突变,季节差异显著减小,趋于均匀化。以上结论深化了对青藏高原径流和泥沙变化特征的认识,可为开展径流趋势预...     

1951-2010年洮河流域水文气象要素变化的时空特征

采用M-K检验、小波分析和Sen斜率等方法, 对1951-2010年60 a来洮河流域不同地理-生态区间水文气象要素变化的时空特征进行了综合研究.结果表明: 洮河流域水文气象要素呈现多种周期不同尺度的振荡特性, 气温、降水和径流的年代际变化周期以9~13 a和2~5 a最为常见.气温从1990年代中期开始明显上升, 突变的时间北部略早于南部, 西部明显迟于东部;除上游草原牧区外, 降水总体于1990年代初期开始减少;受降水变化影响, 流域河川径流量1990年代发生明显减少.过去60 a, 洮河流域气温以0.18 ℃·(10a)^-1的速率增温;降水以0.03 mm·(10a)^-1的速率减少;河川径流量以11.36 mm·(10a)^-1的速率减小;近30 a来洮河流域以0.63 ℃·(10a)^-1的速率增温, 降水以8.86 mm·(10a)^-1的速率减少, 径流以21.00 mm·(10a)^-1的速率减少.降水和径流变化在不同时期和不同生态-地理区间差异明显, 与区域气候和下垫面因素变化所致的流域能水通量过程的变异有关.     

1961-2016年乌鲁木齐河流域气温和降水垂直梯度变化研究

新疆乌鲁木齐河流域高山区和平原区气候条件差异较大,对该流域气温和降水垂直梯度变化的研究,有利于了解不同地理要素之间的作用过程。利用乌鲁木齐河流域6个气象观测站数据,分析研究了气温和降水的变化趋势、气温和降水及其倾向率与海拔的关系,以及不同月份气温和降水随海拔的变化特征。结果表明：1961-2016年间,乌鲁木齐河流域气温和降水总体呈上升趋势,其中乌鲁木齐站气温和降水倾向率分别为0.189℃·（10a）^-1和28.83 mm·（10a）^-1,大西沟站气温和降水倾向率分别为0.268℃·（10a）^-1和18.85 mm·（10a）^-1;气温和降水与海拔关系密切,随海拔降低气温逐渐升高,而降水呈减少趋势;高海拔区气温升温倾向率总体大于低海拔区,降水倾向率随高度增加而明显增加;月气温变化速率随海拔升高呈“钟”形分布,并在5-8月达到最大;月降水变化速率随海拔变化表现为下降~上升~下降~上升,并在5-8月达到峰值。     

挠力河流域湿地和耕地变化对径流深的影响研究

运用线性、对数、指数和三次函数关系拟合挠力河流域1956～2000年湿地面积、耕地面积以及面降水量对径流深的影响,得出:①三次函数拟合的相关性最好;②湿地面积减少和耕地面积增加与径流深的相关性小于面降水量与径流深的相关性.通过分析湿地面积减少和耕地面积增大对径流递减贡献机理,认为湿地面积减少,降低了湿地冷湿效应,增加了陆面蒸发的潜力;湿地转变成耕地,改变了土壤对降水的再分配过程;耕地面积的扩大增大了土壤蒸发潜力;旱地改成水稻田增大了地表水的利用率和地下水的利用量,这些是流域地表径流深减小的原因.研究结论显示湿地面积的减少和耕地面积的增加对流域径流深的递减有较为明显的贡献;径流深的减小是流域呈干旱趋势的指征.     

大通河流域土地利用/覆被变化的水文响应

以大通河流域为研究区域,利用1985年和2005年土地利用数据,结合SWAT分布式水文模型定量评估了流域土地利用/覆被变化的水文效应。结果表明：1985-2005年大通河流域的土地利用变化主要表现为草地向耕地、居工地转变,草地所占比例由46.7%骤降至20.9%,而耕地面积由1985年的1065.8km²增加到2005年的3243km²;相较于1985年的土地利用情景,2005年土地利用情景下的模拟的多年平均径流增加了1.92×10⁸m³,由于上中下游主要的土地利用/覆被变化不同,导致流域径流变化增加程度由西北至东南逐渐增大;大通河流域年径流的增加主要表现为汛期径流增加,讯期月平均径流增幅达到了0.40×10⁸m³·mon^-1;非汛期径流则呈不明显减小趋势,平均降幅为0.024×10⁸m³·mon^-1。合理规划大通河流域土地利用方式,提高水源区涵养能力,对流域水资源可持续发展具有重要意义。     

河流水质时空变化及其受土地利用影响的研究——以深圳市主要河流为例

从深圳市的现实研究需求出发,在对地表水体主要水质指标因子分析的基础上,研究了深圳市境内五个集雨面积大于100 km2的河流近10年的水质时空变化特征。然后结合5个流域的土地利用详查数据,应用统计分析和空间分析方法论证了流域内土地利用类型与河流水质关键指标之间的相关关系。研究结果表明,从1996-2004年深圳市5个主要河流的有机物污染程度有不断增加的趋势,不同时间段内5个流域的耕地、园地和建设用地的数量对相应河流水质的有机物污染有明显的正效影响作用。因此为了制定和实施合理的水环境保护对策,需要对流域内土地利用结构进行优化调整,以期构建流域尺度上水土资源协调发展的可行预案。     

基于能量耗散关系的黄河内蒙段河床形态调整分析

从河流能量耗散角度研究河床形态调整规律,引入河流功与纵、横向能坡等指标,对50年实测资料进行了研究。黄河内蒙河段受上游水库影响,出现如漫滩洪水减小等水沙过程变化,导致河床宽深比增大,平面活动性增强。在河床形态调整过程中,受水库运用影响的来沙系数与河相系数之间、主槽摆动速率与水沙特征值之间均存在密切联系。分析该河段断面形态变化、平面摆动特性与能量耗散的关系表明:反映河流功的径流量及其过程对河槽过流面积的塑造有直接影响;径流因子与河床形态因子间的相关性受河流能量耗散结构的制约;在研究河段,与来沙系数S/Q有关的河流总功率跟与河段平面摆动速率、月径流离差系数有关的能量分配耗散组合,在不同时期总保持近似制衡关系。     

A rock damage constitutive model and damage energy dissipation rate analysis for characterising the crack closure effect

Due to the insufficiency of the previous damage constitutive model for rock, an improved damage mechanics model for rock is proposed with characterising the crack closure effect. Otherwise, the effective methods of determining the model parameters and crack closure coefficient are proposed. The results represent that the model can reflect the damage evolution of rocks in the deformation process in the crack closure stage and this improved model is more reasonable than the previous model. Crack closure coefficient also has great effect on distribution parameters. The calculation formula of damage energy dissipation rate considered that crack closure effect is derived and the relationships between damage energy dissipation rate and crack closure coefficient are analysed. Crack closure coefficient has great effect on damage dissipation energy rate. Damage energy dissipation rate increases with the decrease of crack closure coefficient and damage energy dissipation rate increases quickly in the post-peak stage.     

低弗劳德数水流二级消力池水力特性试验研究

针对低弗劳德数水流消能问题,在确定单级消力池和二级消力池体型的基础上,采用物理模型试验方法,分别研究了低弗劳德数水流单级和二级消力池的水力特性和消能结构特性。结果表明,在低弗劳德数水流条件下,二级消力池将原单级消力池出池水面较大波动区变成了适应区,对下游尾水位的适应区间显著增加,出池水面波动更小。同时,单级消力池内流线更加稀疏,流速梯度更小;消力池涡量大小明显低于二级消力池,而雷诺应力明显大于二级消力池;二级消力池内雷诺应力大小分区较单级消力池更明显,表面旋滚区明显大于底部旋滚区,水流更加稳定。相比单级消力池,二级消力池消能率显著提高,且有利于下游河床和岸边的防冲保护,工程应用更为有利。     

Experimental and numerical investigation for energy dissipation of supercritical flow in sudden contractions

Dealing with kinetic energy is one of the most important problems in hydraulic structures, and this energy can damage downstream structures. This study aims to study energy dissipation of supercritical water flow passing through a sudden contraction. The experiments were conducted on a sudden contraction with 15 cm width. A 30 cm wide flume was installed. The relative contraction ranged from 8.9 to 9.7, where relative contraction refers to the ratio of contraction width to initial flow depth. The Froude value in the investigation varied from 2 to 7. The contraction width of numerical simulation was 5~15 cm, the relative contraction was 8.9~12.42, and the Froude value ranged from 8.9~12.42. In order to simulate turbulence, the k-ε RNG model was harnessed. The experimental and numerical results demonstrate that the energy dissipation increases with the increase of Froude value. Also, with the sudden contraction, the rate of relative depreciation of energy is increased due to the increase in backwater profile and downstream flow depth. The experimentation verifies the numerical results with a correlation coefficient of 0.99 and the root mean square error is 0.02.     

热力学熵在陆地水文循环演化中的应用初探

陆地水文循环演化过程是开放的、不可逆的能量耗散过程,可以用热力学熵的概念来定量描述.初步给出了水文循环关键要素:降水、土壤入渗、蒸发蒸腾和径流的熵产率的计算方法.计算表明蒸发蒸腾作用对陆地水文循环过程的熵产率影响非常显著,并且蒸发蒸腾能够影响其他要素的熵产率.     

推移质输沙对阶梯-深潭系统消能的影响

阶梯-深潭系统是山区河流上一种河床结构形态,具有稳定河床和消能减灾的作用。推移质运动会影响水流结构并改变河床形态,从而影响阶梯-深潭系统的消能效率。在野外构建阶梯-深潭系统,通过人工加沙试验,研究不同来水来沙对阶梯-深潭系统流场及消能的影响。研究表明,推移质运动使阶梯上紊动略增强,深潭中紊动大为减弱,从而使阶梯-深潭系统消能率降低。推移质运动的增强改变水流能量分配,其消能附加作用使阶梯-深潭结构消能降低和深潭淤埋。     

水-力耦合条件下砂岩声发射和能量耗散的颗粒流模拟

对砂岩进行水-力耦合三轴试验和声发射实时监测,得到水-力耦合作用下砂岩应力-应变曲线和声发射数据。根据试验条件和结果建立离散元颗粒流的水-力耦合双轴模型,研究砂岩声发射和能量演化规律。通过定义耗散能,用耗散能增量较好地诠释了声发射的发展规律。利用微破裂源可追踪声发射局域源,得到水-力耦合条件下的声发射空间分布和裂纹类型。研究表明：（1）孔隙水压力对颗粒的拖拽力削弱了颗粒间的平均接触力,从而降低了砂岩整体强度。（2）孔隙水压力反映出对弹性应变能有一定程度的反复“贮存和清空”作用,造成声发射能量相对离散和峰后的应力波动。（3）渗透压的存在提升了总输入能的耗散效率,降低了总输入能和弹性应变能,须综合考虑总输入能（弹性应变能）和耗散效率才能确定累计耗散能。（4）裂纹分布表现为可能出现与主剪切带呈一定夹角的伴生裂隙带,且受水-力梯度影响,进水端比出水端更密集。（5）张拉裂纹与剪切裂纹的比值于峰值强度处显著增加,峰后趋于稳定。     

胶结充填体三轴压缩变形破坏及能量耗散特征分析

充填体的变形破坏、能量耗散与围压的变化密切相关,通过开展不同灰砂配比、浓度的充填体单轴、三轴压缩试验,基于系列试验结果,研究了不同围压加载阶段充填体的变形特征、破坏模式及能量耗散与围压的内在关系。结果表明,随着围压的增加,充填体的峰值应变随之增大,且两者呈线性相关;低围压时充填体呈现脆性破坏,表现为应变软化特征,随着围压增大,充填体由脆性向应变硬化转化,灰砂比越大、浓度越高,充填体发生脆-延性的临界围压值越大。充填体的破坏裂纹发展形式各异,大致可分为单一、平行、交叉和复合4种类型;宏观破坏表现主要呈“X”状、“Y”状剪切模式,破坏面的类型主要分为：直线式光滑摩擦面、圆弧式破碎摩擦面、直线式破碎摩擦面以及台阶式破碎摩擦面。充填体的峰值强度与围压也呈正线性相关,内摩擦角对灰砂比的敏感性要高于浓度。围压的增大能够相当程度上提高充填体各阶段的应变能,峰前、峰后能耗量、单位体积变形能以及总能耗与围压皆呈正相关性。     

基于能量耗散的脆性岩体张开位移数值模拟

高地应力大型地下洞室群的稳定性问题一直是众多岩石力学工作者的关注热点。从张开位移的产生机制出发,结合能量耗散原理,对高地应力脆性岩体能量耗散本构方程及其工程应用做了初步的探讨。从能量耗散的角度出发,引出了加、卸荷作用时的变弹模模型,并将该理论应用到弹脆性本构方程中;利用FLAC3D软件的二次开发功能,在C++的环境下进行上述模型程序模块的编写工作,实现模型的二次开发;以锦屏一级大型地下洞室群为工程背景,进行实际工程的开挖模拟计算。模拟结果表明,考虑能量耗散的弹脆性模型能更真实地反映实际开挖情况,其结果对类似工程具有一定的指导意义。     

三轴压缩下含瓦斯煤的能耗与渗流特性研究

以重庆松藻同华矿K3煤层制备的煤样为研究对象,利用自主研制的渗流装置,进行了不同围压和瓦斯压力下煤样的三轴压缩试验,并应用能量积聚与耗散的方法,研究了煤样在压缩过程中的能耗特征和渗流特性。结果表明：三轴压缩破坏过程中,含瓦斯煤样存在着能量积聚与耗散。煤样以弹性应变能的形式吸收并储存能量;荷载达到峰值时,煤样储存的弹性应变能在瞬间释放转化为耗散能,成为煤样破坏的源动力。围压和瓦斯压力对煤样的能耗特征有较大影响,随着围压增加,煤样吸收的总能量、储存的弹性应变能和耗散能均会增加;随着瓦斯压力增加,煤样吸收的总能量及耗散能呈现缓慢的增加,储存的弹性应变能呈逐渐下降趋势。围压和瓦斯压力对煤样的渗透性亦有较大影响。应力达到峰值前,随着围压的增加,煤样的渗透性逐步减小;随着瓦斯压力的增加,煤样的渗透性则呈增加的趋势。研究结果可为煤与瓦斯突出的防治和瓦斯抽采提供参考。