Coupled hydro-mechanical model for partially saturated soils predicting small strain stiffness

In the paper, we present newly developed hydro-mechanical hypoplastic model for partially saturated soils predicting small strain stiffness. Hysteretic void ratio dependent water retention model has been incorporated into the existing hypoplastic model. This required thorough revision of the model structure to allow for the hydro-mechanical coupling dependencies. The model is formulated in terms of degree of saturation, rather than of suction. Subsequently, the small strain stiffness effects were incorporated using the intergranular strain concept modified for unsaturated conditions. New features included degree of saturation-dependent size of the elastic range and an updated evolution equation for the intergranular strain. The model has been evaluated using two comprehensive data sets on completely decomposed tuff from Hong-Kong and Zenos Kaolin from Iran. It has been shown that the modified intergranular strain formulation coupled with the hysteretic water retention model correctly reproduces the effects of both the stress and suction histories on small strain stiffness evolution. The model can correctly predict also different other aspects of partially saturated soil behaviour, starting from the very small strain range up to the asymptotic large-strain response.     

水文学确定性和不确定性方法的耦合初探

水文现象具有确定性和不确定性,常用确定性方法和不确定性方法分析。这两种方法在水文学中广泛应用并愈来愈密切耦合。对这种耦合的背景、实质和途径等进行了初步分析。给出了水文学确定性方法和不确定性方法耦合的内涵;分析了耦合的客观背景,指出确定性和不确定性辩证的统一、不确定性和确定性在一定条件下相互转化是耦合的哲学基础;总结了耦合的三大主要途径:(1)简单混合。对某一个水文问题的解决分成两个部份,一个部份用确定性方法,另一个部份用不确定性法;(2)一般嵌入。指在某种分析法的总体框架下,局部或某些部分嵌入另一种分析法以达到提高分析可靠性之目的;(3)复杂的渗入。指两种方法相互渗透,充分发挥各自特色促使耦合效应独突。     

黄土陡坡降雨冲刷试验及其三维颗粒流流-固耦合模拟

针对坡角为70°的黄土边坡,进行2.7 mm/min降雨强度下的室内坡面冲刷试验。根据边坡冲刷破坏的过程特征,将边坡侵蚀方式演变过程归纳为试验初期的片蚀、中期的细沟侵蚀、到后期的切沟侵蚀和坍塌。试验中坡顶处侵蚀强度大于其他部位,当坡面形成上下贯通的切沟之后,水流开始掏蚀沟槽底部土体,随着冲刷的持续,切沟两侧土体强度降低,坡顶土体发生坍塌。以此为基础利用三维颗粒流软件PFC3D对边坡降雨冲刷过程进行流-固耦合模拟,在模拟颗粒大变形的同时得到颗粒运动轨迹、孔隙率、流体单元内流速等重要参数,这些参数的定量变化过程反映了降雨过程中边坡遭受侵蚀程度及水流侵蚀能力的分布规律:坡顶处侵蚀最为强烈、水流侵蚀能力最强,且两者随高度降低呈减小趋势,与室内试验结果一致。     

高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合机制与数值实现

采用渗流力学、断裂力学理论结合Monte Carlo方法描述岩体裂纹的随机分布,研究高水压作用下岩体原生裂纹的变形和翼形裂纹的萌生、扩展、贯通的渗流-断裂耦合作用机制,建立高水压作用下岩体裂纹的渗流-断裂耦合数学模型,给出该数学模型的求解策略与方法,在Fortran95平台下开发高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合分析程序HWFSC.for。高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合体现在岩体裂纹网络和渗流初始条件都随渗流时步变化。对高压注水岩体裂纹扩展过程进行渗流-断裂耦合分析。结果表明,高压注水条件下,岩体裂纹扩展存在起动水压力,当水压力大于起动水压力时,裂纹尖端开始萌生翼形裂纹,随着裂纹水压力的增加,翼形裂纹扩展,进而与其他裂纹搭接贯通,停止扩展。渗流-断裂耦合分析考虑了裂纹动、静水压力对裂纹产生的法向扩张效应及翼形裂纹的扩展而形成新的渗流通道两方面的影响,连通裂纹数随渗流的发展而增加。岩体裂纹的渗流-断裂耦合分析,能较真实地再现岩体裂纹的水力劈裂现象,描述岩体裂纹的扩展、贯通过程及与之相耦合的渗流响应。     

基于MODIS温度的青藏高原多年冻土活动层厚度变化研究

基于MODIS温度数据,采用TTOP模型和Stefan公式模拟了青藏高原地区的冻土分布并计算了活动层厚度,并与地面观测结果进行了对比。结果表明：2003—2019年青藏高原多年冻土面积为1.01×10⁶ km²;多年冻土活动层厚度区域平均值为1.79 m, 活动层厚度区域平均的变化率为3.67 cm/10a,且草甸地区的变化率明显大于草原地区,5100~5300 m高程带的活动层厚度变化速率最大。     

黄河流域产业绿色化与生态环境绿色化耦合协调度时空演变

以黄河流域35个城市为研究对象,分别构建产业绿色化与生态环境绿色化指标体系,基于熵值法测度两系统综合指数,并通过耦合协调度模型和空间自相关法对2009—2018年两系统耦合协调度的时空特征及空间集聚性进行分析。结果表明：（1）黄河流域产业绿色化与生态环境绿色化综合指数总体呈上升趋势且具有趋同性,上游地区生态环境绿色化水平高于产业绿色化水平,中下游地区相反;（2）时空维度上,黄河流域产业绿色化与生态环境绿色化的耦合协调度总体呈上升趋势,上中下游地区呈现“凹”字型发展特征且稳定程度不同;（3）空间集聚上,黄河流域产业绿色化与生态环境绿色化耦合协调度呈显著正相关性,存在明显聚集性,高-高聚集主要集中于上游地区,低-低聚集由中游地区向中下游地区扩展。     

绿色创新效率与生态治理绩效耦合协调的 时空分异及响应

基于改进的SFA模型对长江经济带108个城市2004—2016年的绿色创新效率与生态治理绩效值进行测度,借助耦合协调模型及探索性空间数据分析法对两系统的耦合协调度和时空分异特征进行分析,进而运用PVAR模型考察其响应关系。结果表明：①2004—2016年两系统整体处于初级协调阶段,未来仍有较大提升空间;空间上自东向西梯度递减,高协调区集中在东部城市;②两系统的耦合协调度具有空间正关联性,低-低集聚城市数多于高-高集聚,协调发展领先城市对周边城市的辐射带动作用较弱;③生态治理绩效对绿色创新效率响应较弱,而绿色创新效率对生态治理绩效响应则较强,且二者均对自身依赖较强,未来优化其互动机制应是长江经济带高质量发展的重点。     

海南省城乡关系演化及驱动机制研究

推进城乡一体化协调发展是事关海南自由贸易港建设成效的重点任务之一,新的发展环境及政策框架正促使海南省城乡关系快速转型。采用变异系数法、耦合协调度模型、回归模型,从城乡空间、经济和社会等维度,分析了建省办特区以来海南省城乡关系演化特征及驱动机制。结果表明：①建省办特区以来,海南省城乡协调综合指数呈现明显的先降后升态势,由1988年的0.319 9到1993年的0.153 9,2019年达0.851 9;②海南省城乡各子系统耦合度和耦合协调度均呈波动上升态势,耦合度主要处于磨合和高水平耦合阶段,耦合协调度由轻度失调转变为初级协调,最后达到中级协调,城乡各子系统间相互作用增强;③海南省城乡关系演化经历城乡二元加剧、城乡二元固化、城乡关系趋缓和城乡一体化初期四个阶段,低水平城乡均衡发展是重要特征,高质量推进城乡一体化协调发展是关键;④经济发展对城乡协调发展影响最为明显,但呈负相关,其次为市场消费、产业结构、乡村发展、交通通达性、城镇发展和政府行为,对外开放对城乡关系演化影响相对较弱;⑤制度创新、对外合作、产业优化、城镇建设和乡村振兴是推进城乡融合发展的重要路径。     

黄河流域经济发展与生态环境耦合协调的时空格局研究

生态环境是经济发展的基础,合理的有序的经济发展既是生态环境的内在要求,也是加强环境保护的重要支撑。推动黄河流域经济与生态环境协调发展是该流域实现生态保护与高质量发展的前提。文中以黄河流域91个地市（州、盟）为研究单元,构建经济发展和生态环境耦合协调评价指标体系,并运用熵值法、耦合协调模型及相对发展度模型对2005—2018年黄河流域经济发展与生态环境耦合协调度时空格局进行分析。结果表明：（1）从时序分析层面看,黄河流域经济发展与生态环境耦合度整体呈小幅波动下降态势,耦合水平较低,长期处于中度耦合的颉颃阶段;协调度总体呈波动下降趋势,主要从濒临失调阶段向轻度失调阶段过渡,协调度水平有待提升;相对发展度整体呈大幅波动上升态势,具体表现为随着时间的推移总体呈现生态环境逐渐滞后于经济发展的状态;（2）从空间分析层面看,耦合度呈现由上游向中下游逐渐增强的空间格局,协调度呈现以省会城市以及沿海城市为高值中心连片分布的格局,具有明显的空间差异性,相对发展度随着时间的推移,整体呈现由分散向集中、由个别到整体的空间形态。     

Analysis of plasma and field conditions during some intensely geo-effective transient solar/interplanetary disturbances of solar cycle 23

The problem of solar wind-magnetosphere coupling is investigated for intense geomagnetic storms (Dst < -100nT) that occurred during solar cycle 23. For this purpose interplanetary plasma and field data during some intensely geo-effective transient solar/interplanetary disturbances have been analysed. A geomagnetic index that represents the intensity of planetary magnetic activity at subauroral latitude and the other that measures the ring current magnetic field, together with solar plasma and field parameters (V, B, Bz, σB, N, and T) and their various derivatives (BV,-BVz, BV², -BzV², B²V, Bz²V, NV²) have been analysed in an attempt to study mechanism and the cause of geo-effectiveness of interplanetary manifestations of transient solar events. Several functions of solar wind plasma and field parameters are tested for their ability to predict the magnitude of geomagnetic storm.