航道水沙要素移动测量技术研究综述

初秀民1，聂梓熠1, 2，刘怀汉3，蒋仲廉1

(1. 武汉理工大学 国家水运安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430063； 2. 中船重工集团公司第七〇九研究所，湖北 武汉 430205； 3. 长江航道局，湖北 武汉 430010)

摘要: 航道水沙要素具有强时变、非线性、随机性等特征，大范围时空数据的快速获取是航道运行观测的难点。随着传感器、物联网、移动计算等技术的发展，基于船载传感器的航道水沙要素观测技术已经成为当前航道测量领域的重要研究方向。介绍了水上水下一体化船载测量系统研究现状，综合波浪、水流、泥沙等要素移动观测技术需求，分析了船载航道水沙要素传感器信息处理技术原理与特点，综述了航道水沙信息多源图像处理智能方法研究成果，展望了航道水沙要素测量核心传感器、智能学习、实时计算等关键技术方法。研究表明：结合新一代人工智能技术开发新型高分辨率的水沙观测传感器，研制集成船载传感器的航道水沙要素移动测量系统在原理与技术上具有可行性。

关键词：航道维护；水沙要素；移动测量；图像处理

1965—2013年中国用水量的时空演变

张之颖1，张 辉2，章 静2，缪丽娟2

(1. 南京信息工程大学 长望学院，江苏 南京 210044； 2. 南京信息工程大学 地理科学学院，江苏 南京 210044)

摘要: 气候变暖、人口增加、经济增长过快共同加剧了我国水资源短缺问题。对我国大陆341 个行政区综合运用BFAST 趋势检验法和空间自相关分析法，探究了1965—2013 年用水量的时空演变规律。结果表明：中国用水量不断增加，用水量趋势变化的突变点主要在1990 年后，突变后增加与减少并存，使用水量增速减小。中国用水量的分布存在空间集聚特征，基本以胡焕庸线为界，用水量的集聚度东高西低（新疆除外）。中国用水量的集聚区域在1995 年前与灌溉用水量相对一致，集聚度高的地区分布在新疆和长三角区域；1995 年后与工业用水量较为相近。工业和城乡用水量集聚度高的地区分布在东北、华北和南方，集聚度低的地区分布在西部，其中农村用水量分布的集聚效应最为明显。探究我国用水变化的时空特征可为水资源保护及用水效率的提升提供科学依据。

关键词：栅格尺度；用水量；时空变化；水资源

以降水为基础的淮北浅埋区涝渍分析与评价

黄爱明1, 2，顾 南1, 2, 3，胡永胜4，闫浩芳2, 3, 5，杜明成2, 3，王国庆2, 3

(1. 河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098； 2. 水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029； 3. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029； 4. 安徽省（水利部淮委）水利科学研究院五道沟水文水资源实验站，安徽 蚌埠 233000； 5. 江苏大学 流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江212013)

摘要: 淮北平原涝渍灾害严重，研究淮北浅埋区的地下水埋深对降水的响应规律及涝渍评价方法，对科学规划区域排涝减灾及农作物增产具有重要意义。基于五道沟实验站32年的日降水、地下水埋深及土壤水分数据，利用数理统计的方法分析了五道沟实验站降水、地下水埋深变化特征，同时分析了作物和不同雨强的降水对地下水埋深的影响。利用正距平法和Z 指数法对五道沟实验站涝情进行评价。结果表明：淮北浅埋区的年内降水主要集中在5—9月；作物生长前期需水少，降水补给量决定了地下水水位的增长幅度，后期需水量过大，地下水水位会持续下降；地下水埋深在年内呈现双峰变化，在地下水浅埋区，地下水埋深对一定范围内的降水具有弹性；对比不同雨强下地下水水位的响应时间发现，随着雨强的增大，地下水水位的响应时间逐渐减小；两种方法均能较好评价淮北浅埋区的涝渍情况，但长期无降水、地下水位过低时会高估受涝渍灾害的严重性，且Z指数法高估程度更明显。

关键词：淮北平原；降水；地下水埋深特征；涝渍分析；作物

基于TIGGE 多模式的6 h 降雨预报精度对比分析

王 昊，江文员，刘益民，李淑贤，刁艳芳

(山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271018)

摘要: 降雨数值预报是预防极端天气导致灾害事件的重要手段，其预报精度是预报产品是否被采用的依据。以跋山水库流域为研究对象，选取了TIGGE 系统中的ECMWF、NCEP、CMA、JMA、UKMO共5个预报模式的控制预报与集合预报，分别从降雨分级预报检验和降雨量预报检验两个角度，利用Brier评分和Talagrand分布图，分析了2007—2019年5—9月控制预报和集合预报降雨数据的精度。结果表明：(1)就降雨分级预报而言，对于无雨、小雨和中雨量级，5个预报模式控制预报和集合平均预报效果相差不大；对于大雨量级，JMA和NCEP的控制预报效果最佳，JMA和UKMO的集合平均预报效果最佳；对于暴雨及以上量级，NCEP的控制预报和集合平均预报均效果最佳；(2)针对降雨量预报，UKMO控制预报和集合平均预报效果最佳；(3)无雨等级的Brier评分最高，且Brier评分随着降雨等级的提升而降低，表明大量级降雨时Brier评分较好；CMA的评分在无雨、小雨、中雨、大雨4个等级表现最好；(4)5个模式Talagrand分布形态均呈粗略的“U”字型，表明5个预报模式集合成员的分散不够。综合来看，UKMO和NCEP的预报效果最佳。据此研究可选出高精度的降雨预报产品。

关键词：降雨集合预报；TIGGE；CMA；BS 评分；TS 评分；跋山水库

山东省极端气候指数变化特征研究

刘 玄，唐培军，吴同帅，冯忠伦，刁艳芳，王 刚

(1. 山东农业大学 水利土木工程学院, 山东 泰安 271000； 2. 潍坊市水文中心, 山东 潍坊261031)

摘要: 为探究山东省极端气候指数的时空变化与特征，选取山东省1979—2020年95个气象站点的逐日气温和降水量实测数据，采用Mann-Kendall（M-K）检验方法和Sen 斜率估计法计算时间变化特征，及InverseDistance Weight（IDW）反距离权重法探究空间变化趋势。结果表明：（1）山东省境内低温极端气温指数（TN10p和FD0）呈下降趋势，下降速率分别为0.004 8和6.42 d/（10 a），高温极端气温指数（TX90p、TXx和SU25）呈上升趋势，上升速率分别为4.06 d/（10 a）、0.32 ℃/（10 a）和2.31 d/（10 a）；其内陆区域和沿海区域极端气温指数表现出了与山东省整体较好的一致性，空间趋势不明显。（2）极端降水指数均呈上升趋势，沿海区域多大于内陆区域。降水强度指数（R95p、R99p 和RX5day）呈显著增加趋势，增加速率分别为22.16、10.83和10.55 mm/（10 a），空间分布上，高值区域多分布在东部沿海区域和南部部分区域，可能会增加洪涝灾害风险。

关键词：极端气温；极端降水；极端气候指数；时空变化

基于适宜生态水位的通州区平原河网引排水研究

徐小溪1，张秀菊1，罗煜宁1，纪鹏程2

(1. 河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098； 2. 南通市通州区水利局，江苏 南通 226000)

摘要: 平原河网地区水系连通，闸泵工程众多，工程调度中存在引水缺指导依据、引水时机欠科学等问题。考虑河道水位与生态需水的逐月变化，提出了基于河道适宜生态水位区间指导闸泵工程引、排水调度的计算方法。以南通市通州区为例，将年内水位划分为3个水位管理期，确定河道适宜生态水位区间并进行修正，以适宜生态水位作为控制目标，对工程现状引排水量进行调整。研究结果表明：（1）高水位时期（7—10月），适宜生态水位区间为1.77~1.99 m；过渡时期（4—6月及11月），适宜生态水位区间为1.54~1.95 m；低水位时期（12月—次年3月），适宜生态水位区间为1.46~1.77 m；（2）在满足适宜生态水位区间的基础上，6月中旬及下旬需增加引水287.56万m3、399.56万m3，其余时段均应减少引水量，共减少引水量6 064.11万m3，7—9月需减少引水量最大。适宜生态水位思路能够客观反映河网水位年内实际变化，便于水利部门管理，给出的基于适宜生态水位约束下工程需调整的引、排水量，可为平原河网地区引排水工程调度提供参考。

关键词：平原河网地区；闸泵工程；适宜生态水位区间；引排水调度

两种水面边界条件下两层流体中内波传播的数值模拟

张周昊，张洪生，王宇鑫，马婷婷

(上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306)

摘要: 基于FLUENT 计算流体力学软件及其二次开发功能，采用VOF（Volume of Fluid）多相流模型，在k-"湍流模型下建立了模拟内波传播的分层数值水槽。设置两层稳定分层，以上下层不同密度差和水深比设置工况，利用平板拍击法造波。在刚盖和自由表面两种上边界条件下进行数值模拟并与各自的理论解进行比较，分析了两者之间的异同。研究发现密度差的改变不会明显影响理论解与数值解之间的一致程度；上下两层流体深度差值的改变会明显影响数值计算结果。上层水深很小时，在自由表面假定下水气交界面处出现了较为明显的垂向速度；在两种假定下，数值模拟的水平速度都体现了非线性的影响。而当下层水深很小时，非线性的影响微弱。鉴于在实际海洋中上层水深远小于下层水深，尤其是当计算运动幅值更大的内孤立波时，采用更为真实的自由表面假定更为合理。

关键词：内波；数值模拟；自由表面假定；刚盖假定

变截面方形桥墩折冲效果数值模拟

闫杰超1，陈 靖2，徐 华2，贾恩实1，陆 杨2

(1. 中铁大桥勘测设计院集团有限公司, 湖北 武汉 430050； 2. 南京水利科学研究院, 江苏 南京 210029)

摘要: 为研究方形桥墩截面变化对局部冲刷特性的影响，通过建立桥墩局部冲刷三维数学模型，对方墩前端不同伸出台阶宽度及相应倾斜坡度情况下的冲刷特性展开模拟研究。结果表明：相较于方墩，墩前伸出一定台阶宽度的结构形式具有较好的折冲效果，但其折冲效果并非随着伸出宽度的增加而增加，墩前伸出台阶宽度约在墩宽的2/3时折冲效果最优；同时，通过在伸出台阶宽度基础上增加倾斜坡面的截面优化处理，得出倾斜坡面高度在床面以上0.4h（h为水深）情况下，随着台阶伸出宽度的增加其折冲效果呈增加趋势，且具有比仅伸出台阶宽度的截面结构形式更优越的折冲效果，最大折冲率高达38%。研究结果可为桥墩结构形式与抗冲防护的综合研究，尤其是大型桥墩基础结构的优化提供参考。

关键词：变截面；方形桥墩；折冲；局部冲刷

冰波运动特性及盖移质输冰能力研究

罗红春1，冀鸿兰1，牟献友1，郜国明2，张宝森2

(1. 内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018； 2. 黄河水利科学研究院，河南 郑州450003)

摘要: 冰下盖移质冰颗粒集体运动时易形成一种特殊的冰情现象——冰波，其运动特性与冰塞形成、堆积演变及输冰能力密切相关。为探究冰波运动特性及盖移质输冰能力，借鉴泥沙输移理论，从理论层面建立了冰波运动的基本控制方程与盖移质输冰率方程，进一步推求了无量纲盖移质输冰强度（输冰能力）与水流强度的本构关系。结果表明：冰波形成需要一定的水力条件，冰波波高与背流面波长的变化及表征水流强度的弗劳德数Fr相关，同时也受水深、冰下阻力等因素的综合影响；建立的输冰率公式体现了输冰能力与水流条件的关系，且考虑了冰盖影响，优化了输冰能力的计算结果；总体上，输冰能力与水流强度呈复杂的函数关系，但水流强度仍是体现输冰能力的主要指标与便捷指标。研究结果可为寒区河流输冰能力的计算提供理论参考，同时可辅助揭示河流冰塞的形成机理。

关键词：冰波；冰塞；盖移质；运动特性；输冰能力

混凝土坝洪水漫顶生命风险评价

李宗樾1，余 雷1，胡泽林2，程 井2

(1. 贵州省大坝安全监测中心，贵州 贵阳 550002； 2. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098)

摘要: 对混凝土大坝洪水漫顶的生命风险评价方法进行研究，以改进传统的评价方法。提出基于Copula 函数和三点式变倍比放大法来随机生成年最大入库洪水过程线概率序列的峰量双变量分析方法，同时进行生命风险的评估；并对溃坝生命风险评价标准进行研究，以得出更符合我国大坝现状的生命风险评估标准。以贵州某水电站为例，对其加固后的洪水漫顶生命损失进行评估，依据风险标准进行生命损失风险评价，结果显示加固后该水电站拱坝洪水漫顶对下游村镇造成生命损失的风险较小，属于社会可接受范围。混凝土坝洪水漫顶生命风险评价的方法考虑了洪水特征量间的相互关系，所得洪水发生概率更加贴合实际。

关键词：混凝土坝；洪水漫顶；生命风险；三点式变倍比放大法；风险评价

混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构型式研究

刘 静1，陆 希1，党发宁2

(1. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065； 2. 西安理工大学 西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048)

摘要: 针对目前特高面板堆石坝存在的面板挠曲变形大、面板缝易拉开、底部面板不能检修等突出问题，提出了一种适用于特高面板堆石坝的新型坝体结构型式——混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构。重点分析了施工期、蓄水期及蓄水期发生地震时，新型复式结构混凝土重力坝的高度、上下游坡比、趾板布置等体型参数变化对大坝结构应力变形及面板挠度等指标的影响，为新型结构型式体型的选择提供参考。优选的新型复式结构型式与常规堆石坝结构的计算结果对比分析表明，复式结构除周边缝张开变位及施工期面板应力大于常规面板坝外，其他指标均占据优势，且周边缝张开变位完全在相应规范及止水结构允许变形范围内，并具有较高的安全裕度。新型挡水结构可缩短混凝土面板长度，改善面板受力状态，减少面板挠曲变形，并有效提升面板堆石坝坝踵及趾板部位的可维修性。

关键词：特高面板堆石坝；混凝土重力坝-面板堆石坝复式结构；可检修性

对水声定位滤波算法记忆衰减方式的改进

马建业1, 2, 3，郑东健1, 2, 3

(1. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098； 2. 河海大学 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏 南京 210098； 3. 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098)

摘要: 水下定位是自动化设备在水下建筑物安全监测工作过程中基础性、关键性的工作。滤波算法是水声定位算法的重要组成部分，有助于抑制噪声还原真实数据。衰减记忆滤波可以一定程度上处理由于模型不准确或模型变化及舍入误差累积等因素所引起的滤波发散问题。记忆衰减方式对算法的性能影响很大，对水声定位中的扩展卡尔曼滤波算法的记忆衰减方式进行了改进，主要改进在判断是否需要进行记忆衰减后，以观测值为标准进行记忆衰减。3 种不同工况的水声定位仿真试验结果，验证了改进算法中记忆衰减方式的合理性和准确性；通过与现有记忆衰减算法仿真比较，改进算法可改善定位效果，提高连续定位精度。

关键词：扩展卡尔曼滤波；记忆衰减；水声定位；水下结构；安全监测

玄武岩纤维提升水泥土抗拉性能的试验研究

张国龙1，任昊铭2, 3，章定文2, 3，徐慧敏4，宋 涛1

(1. 安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088； 2. 东南大学 交通学院，江苏 南京 211189；3. 道路交通工程国家级实验教学示范中心（东南大学），江苏 南京 211189； 4. 中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉 430000)

摘要: 为研究玄武岩纤维对水泥土抗拉力学性能的影响，选取不同长度、直径及掺量的玄武岩纤维掺入水泥土，通过开展单轴拉伸试验、无侧限抗压强度试验和扫描电镜试验，并采用正交试验极差法，分析了玄武岩纤维对水泥土的应力-应变曲线、抗拉强度、拉压强度比和破坏形态的影响规律和微观作用机理。结果表明：玄武岩纤维水泥土的单轴抗拉试验应力-应变曲线可分为弹性变形、破坏、残余强度和稳定4个阶段；纤维变量对抗拉性能影响大小依次顺序为长度、掺量、直径；玄武岩纤维长度9 mm和掺量1.5%为玄武岩纤维的最优单掺参数。玄武岩纤维水泥土的拉压比较未掺入纤维的水泥土的拉压比高，但纤维种类和掺量等对纤维水泥土的拉压比影响较大；三维随机网状分布的玄武岩纤维可提升水泥土的抗拉强度和韧性。

关键词：玄武岩纤维水泥土；抗拉强度；拉压强度比；微观机理

适用于强结构性黏土的修正邓肯-张模型研究

张秋敏1，裴利华2，桂 跃1，杨醒宇2

(1. 昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650051； 2. 中铁四院集团西南勘察设计有限公司，云南 昆明 650504)

摘要: 土体的力学特性受结构性影响十分显著，结构性越强，破坏后变形越大，对实际工程影响越显著。目前对结构性土的特殊工程性质已有广泛认识，但如何用数学方法准确描述其强度和变形间的关系仍是主要研究内容。对分布在云南昭通地区的强结构性黏土进行了试验研究，结果表明：其结构屈服应力高达800 kPa，属于典型的强结构性土。根据常规三轴试验的应力-应变关系，将强结构性黏土的剪切变形划分为结构未破坏阶段、结构逐渐破坏阶段和结构完全破坏阶段；基于破坏过程，对传统邓肯-张模型进行修正，引入损伤比参数，建立适用于强结构性黏土的修正邓肯-张本构模型。对模型中的初始剪切模量、主应力差渐进值和剪切模量参数进行推导分析，各参数值与试验的土体剪切变形规律相符合；对已有结构性土的试验数据进行拟合分析，结果表明该修正模型可以较好地描述强结构性黏土的应力-应变特性规律。

关键词：强结构性黏土；结构屈服应力；邓肯-张模型；应力-应变关系；损伤比

基于Landsat 时序影像和非线性边界监测土壤干旱研究

——以1986—2020年黄河内蒙古段生长季为例

张新平1，权 全2

(1. 西安理工大学 艺术与设计学院, 陕西 西安710054； 2. 西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 陕西 西安710048)

摘要: 土壤温度植被干旱指数（TVDI）是表征土壤干旱状态的常用指标，土地利用/覆被（LULC）类型、LSTNDVI特征空间的干燥与湿润边界的非线性属性是TVDI遥感反演过程需要考虑的问题，然而前人的研究与应用大多忽视了这些条件，带来了部分误差。选取黄河流域典型资源驱动型河段内蒙古“几”字湾都市圈（呼包巴鄂乌五市）作为研究对象，以1986—2020年8期816景Landsat-5/8时序影像和同期30 m土地利用/覆被栅格数据为数据源，剔除建设用地和水体，采用无缝拼接和生长季均值合成重构LST-NDVI特征空间，在4类LULC下，非线性拟合干燥边界和湿润边界，反演得到8期经验证精度可靠的黄河内蒙古段的土壤表层干旱等级空间分布100 m栅格。研究结果可为区域性的土壤旱情预测提供理论参考和技术借鉴。

关键词：温度植被干旱指数；影像拼接；均值合成；非线性边界；黄河流域内蒙古段

跨水库布置的精密仪器厂房微变形与微振动控制研究

张汉云1，王 晨1，季永兴2, 3，张云娟1，王英洁1，高晨晨3，董永霞3

(1. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098； 2. 华东建筑集团股份有限公司，上海 200041； 3. 上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061)

摘要: 高桩框架结构通常用于跨水库建筑物设计，具有桩基悬空高、侧向刚度小等特点，在外界环境变化下易产生变形和振动，影响工程正常运行。针对高桩框架结构的微变形和微振动问题，提出在桩基外部加土体保护的方法进行控制，并以某高桩框架结构为例，采用有限单元法，分析了高桩框架、高桩框架+土体保护两种设计方案下整体结构的自振特性、温度荷载作用下的微变形、高铁经过时的微振动及波浪荷载作用下的位移响应。数值分析表明，高桩框架+土体保护方案可以降低桩基体系的高阶自振频率，避免与场地的共振风险，有效控制温度变化导致的微变形和高铁经过导致的微振动在允许范围内，大幅降低桩基体系在波浪荷载作用下的水平向变形。因此，在桩基外部设置土体保护的措施可以有效控制高桩框架结构的微变形和微振动，是一种经济、高效的振动控制方案。

关键词：跨水库建筑物；精密装置厂房；桩基；土体保护；微变形控制；微振动控制

基于单轴约束试验的早龄期混凝土开裂行为评价

齐广政1，辛建达2, 3, 4，王振红2, 3, 4，汪 娟2，马晓芳2，李金桃2，侯文倩2，段修斌5

(1. 交通运输部天津水运工程科学研究院 港口水工建筑技术国家工程实验室，天津 300456； 2. 中国水利水电科学研究院 结构材料所，北京 100038； 3. 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038； 4. 中国水利水电科学研究院 水利部水工程建设与安全重点实验室，北京 100038； 5. 国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095)

摘要: 早龄期阶段，大体积混凝土由于自身变形受到相邻构件或地基的约束产生温度应力，一旦拉应力超过混凝土自身强度，混凝土便会开裂。鉴于传统的约束圆环法和平板法无法考察温度历程对大体积混凝土温度开裂行为的影响，基于研制的新型开裂全过程仿真试验机在实验室内实现了对混凝土日降温0.3 ℃的速率控制，重现了大体积混凝土浇筑后的真实温度历程，测量了不同龄期（3、7和14 d）快速温降条件（0.5 ℃/h）下混凝土的温度应力，并基于开裂温差分析了龄期和水泥类型对早龄期混凝土抵抗快速温变性能的影响。试验结果表明，混凝土抵抗快速温变的能力与龄期（强度）正相关，松弛能力随加载龄期的推迟逐渐减弱；低热水泥混凝土较中热水泥混凝土应做好更严格的早龄期阶段表面保温措施。

关键词：开裂全过程仿真试验机；早龄期；温度应力；开裂