坡度与降雨强度对坡面侵蚀产沙过程影响的试验研究

鉴于坡度和降雨强度的变化对坡面侵蚀产沙过程影响明显,通过设计室内大型试验土槽,采用室内人工模拟降雨的方法,对不同坡度和降雨强度下坡面侵蚀输沙动态过程进行试验研究。结果表明,在降雨强度不变的条件下,累计产沙量、输沙率随坡面坡度增大而增大;同一坡度下累计产沙量、输沙率随降雨强度的增加而增加;输沙率与降雨强度呈线性关系,与坡度呈幂函数关系。进而基于试验结果,通过二元非线性回归,建立了输沙率、单位面积单位时间产沙量、坡度及降雨强度之间的经验公式。     

某大学校园及周边不同下垫面降雨径流污染过程研究

以大学校园及其周边区域降雨、径流和径流水质3年观测试验数据为依据,分析不同下垫面降雨过程、径流过程及污染物运移过程的规律及特征,计算出不同下垫面污染物输出系数。结果表明,雨水中氨氮浓度高于Ⅳ类水质标准,悬浮物、硝酸盐氮和COD浓度均低于最高水质标准;产流时间与产流前平均降雨强度呈幂函数关系,不同下垫面径流过程与降雨过程呈正相关关系;径流强度是径流携带污染物运移的重要影响因素,径流强度增加,径流携带污染物质量随之上升。污染物输出系数计算结果表明,屋面主要污染物为含氮污染物,餐饮街道主要为有机污染,不同下垫面悬浮物、硝酸盐氮、氨氮和COD输出系数均值分别为2294.91、7.21、14.86、430.34kg/hm2/a。     

考虑地形与降雨因素的植被混凝土边坡侵蚀量研究

利用室内模型植被混凝土边坡冲刷试验数据54组,建立BP神经网络模型,输入层采用3节点,对应3个受制因子(降雨强度、坡率、降雨历时),隐含层节点数4,输出层为1节点,输出侵蚀模数。样本数据随机分成44组训练样本与10组测试样本,通过建立的神经网络训练学习,对测试样本的计算值与真实值比较,验证计算模型的合理性;同时根据权值矩阵分析受制因子的影响显著性。研究结果表明,大部分样本数据真实值与计算值相对误差小于10%,决定系数R~2=0.960,说明BP神经网络能很好应用于植被混凝土边坡泥沙侵蚀模型的计算预估中;受制因子显著性排序为降雨强度降雨历时坡率,其中降雨强度显著性为2,远大于降雨历时与坡率。该结果在一定程度上能够对植被混凝土边坡施工与设计提供参考。     

溃坝波数值模拟及其在坡面水流问题中的应用

为探讨不同方法模拟溃坝波的适用性和准确度,采用基于Roe格式的近似黎曼解方法与追踪自由表面的VOF方法模拟了二维对称矩形溃坝模型。结果表明,两种方法均能较好地模拟出溃坝波的传播过程,但与实测值的对比分析发现,采用Roe格式模拟的结果与实测值拟合较好,VOF方法对网格尺寸的要求较Roe格式更加精细。由此,基于既考虑降雨强度的变化,又考虑降雨动量和风的影响的缓坡和陡坡都适用的坡面径流基本方程,构建了基于Roe格式的坡面水流水动力模型,模拟了自然降雨条件下的坡面流运动情况,并通过相应的模型试验进行对比验证。模拟流速与实测流速之间拟合度较好,表明模型具备了模拟大坡度、浅水(深水)流的能力,为坡面流的水动力学机制研究提供了参考。     

降雨和径流综合作用下的细沟断面形态分异特征

为探究特定细沟自身的空间形态差异及其形成机制,采用室内模拟试验,研究了沿程冲刷与溯源侵蚀共同作用条件下细沟断面形态的分异特征。结果表明,沟宽与宽深比沿坡长方向呈先减小后增大的非线性规律,沟深则呈沿程减小的线性规律;沟宽与流量、坡度指数关系中的流量指数、坡度指数沿坡长方向分别由0.95、0.79降至0.47、0.31,沟深关系中流量与坡度指数也呈类似的沿程递减规律,宽深比指数关系中的两个指数在坡面下方均接近于0;沿程冲刷对细沟断面的塑造作用体现为沟宽与沟深的同时增加,作用强度沿坡长方向降低;溯源侵蚀的塑造作用体现为沟宽增大速率大于沟深,断面向宽浅方向发展,作用强度逆坡长方向降低;沿程冲刷与溯源侵蚀在空间上的叠加效应导致了细沟断面形态的分异特征。因此,在沟蚀防治过程中,可在一定汇流范围内布置截排水设施,以避免形成较大股流导致沿程冲刷与溯源侵蚀。     

基于基本单元的沿渡河流域分布式汇流模型

在概化基本单位为"V"形基本单元和马蹄形基本单元基础上,提出了分布式汇流模型(即坡面汇流、河道汇流模型).给出了坡面汇流"V"形、马蹄形基本单元面积-时间曲线及时段单位线方程,推求了基本单元坡面最大汇流时间;利用马斯京根法建立了河道汇流的水量平衡方程和槽蓄方程.以沿渡河流域为例,概化出59个基本单元,计算出内、外单元的平均面积、链长及坡长,采用新安江模型分析沿渡河流域的雨洪资料,利用其中10场地表径流资料对模型参数进行率定,验证结果表明模型合理可靠,具有较好的实用价值.     

库水位变动及降雨共同作用下心墙坝坝坡稳定性研究

为研究库水位变动和降雨共同作用对心墙坝上下游坝坡稳定性的影响,考虑渗流场和应力场的耦合作用,基于非饱和渗流原理,考虑不同降雨强度、不同降雨类型（4种）及不同库水位升降速率,对心墙坝遭遇库水位变动和降雨时的渗流和坝坡稳定性情况进行有限元模拟。结果表明,水位变动速率主要影响上下游坝坡安全系数趋于稳定的时间;降雨类型和降雨强度是影响心墙坝下游坝坡安全系数的主要因素,但对上游坝坡的安全系数变化影响较小;在下游坝坡安全系数〖JP2〗趋于稳定时,各降雨类型的安全系数大小为前锋型≥中锋型＞〖JP〗平均型＞后锋型;无论是水位上升阶段还是水位下降阶段,降雨都会降低下游坝坡的安全系数。该研究结果为心墙坝遭遇极端工况条件时进行风险分析和应急管理提供了参考依据。     

基于SWMM的武汉市城区雨水管网初雨特性分析

以武汉市黄孝河城区雨水管网系统为例,基于SWMM模型对初期雨水特性进行模拟分析,以COD≥50mg/L为初期雨水的界定标准,分别从初雨持续时间、污染物冲刷比例及径流深度三方面综合分析降雨强度和汇水面积大小对初雨特性的影响。结果表明,初雨持续时间整体变化范围较大;初雨污染物冲刷比例和径流深度主要受降雨强度的影响,且变幅较大;武汉市城区最佳控制初雨径流深度可取7.00mm,初雨径流中污染物占整场降雨冲刷污染物总量比例的均值为56.8%。     

基于正交设计的土坡稳定影响因素敏感性分析

以西昌昔格达组地层边坡为例,采用正交设计和方差分析研究了土体参数、坡面结构及地质结构对土坡稳定性影响的敏感性,通过比较同一因素在不同水平下计算获得的试验指标平均值,分析了显著影响边坡稳定因素的敏感性.结果表明,土体参数和坡面结构对土坡稳定性影响显著;土体重度减小、抗剪强度指标提高、坡度变缓、马道变宽、单级坡高变小等均使土坡趋于稳定.     

蚁蚂吐河流域降雨径流关系变化分析

分析流域降雨径流关系对于区域水资源规划管理有重要意义。以蚁蚂吐河流域为例,采用统计学方法,分析1956～2018年下河南水文站降雨-径流关系变化趋势,结果表明蚁蚂吐河流域降雨年际变化不明显,呈缓慢减少趋势,但径流深呈显著下降趋势且变化幅度大幅减小。通过M-K检验、双累积曲线法分析,降雨径流关系发生突变的年份为1998年,1998年以后径流系数显著减小。选择1998年前后典型年进行分析,月径流变化幅度减小,汛期产流量明显减小。初步分析是由于汛期降雨量减少,流域内植被覆盖度大幅提高、水土保持工程大量增加,造成蚁蚂吐河流域下垫面条件改变,共同影响降雨径流关系。     

边坡下涵洞顶部垂直土压力三维数值计算

针对边坡下涵洞顶垂直土压力计算理论尚无系统研究的现状,为得到边坡下涵洞顶垂直土压力的变化规律,采用三维数值模拟计算方法,较为系统地研究了边坡下涵洞顶垂直土压力,以明确坡率、坡高、填土高度对洞顶土体垂直土压力的影响。结果表明,土压力系数均大于1,应力集中现象明显;土压力系数随填土高度的增加呈先增后减的趋势;随着坡高的增加,土压力系数呈非线性增大趋势,但在填土高度大于一定值后土压力系数趋于稳定;在一定填土高度范围内,坡率越大土压力系数越大,超过这个范围土压力系数差异很小。     

基于正交试验设计和通径分析的反倾坡变形敏感性研究

针对反向倾倒边坡变形的敏感性问题,将正交试验设计和通径分析相结合,基于数值模拟的试验结果,筛选坡角、倾角、层厚、坡高、层间摩擦角和体积模量共六项影响因素作为主因子。此外,由于兼顾正交试验设计的试验组正交性和通径分析的理论优势,进一步分析了因子间交互作用对输出效应的影响。结果表明,坡面转动变形量主因子的敏感性影响总排序为坡高层厚坡角倾角结构面摩擦角,体积模量对于转动变形量为次要影响主因子;交互作用因子中最主要的组合为坡高-倾角,且互为协同作用。     

修正的Mohr-Coulomb准则在重力坝建基面抗滑稳定分析中的应用

针对有限单元法在重力坝建基面抗滑稳定控制中量化标准缺失的问题,采用自适应隐式本构积分算法推导了修正的Mohr-Coulomb准则,通过ABAQUS编写成UMAT子程序,用于重力坝建基面抗滑稳定分析,并针对典型重力坝坝型选取常见下游坝坡率,应用强度折减系数法分析了同一网格尺寸下不同坝高对建基面屈服区的影响。结果表明,在对应建基面屈服区贯通率达到15%时的强度折减系数随坝高增加而降低,且在强度折减系数小于1.8时建基面的屈服范围与坝高呈正相关,强度折减系数为1.6时具有明显的线性关系,并结合工程实例验证了结论的可靠性。     

高海拔寒冷地区混凝土筑坝层面结合特性试验分析

高海拔寒冷地区坝工混凝土分层浇筑时坯层层间粗糙度评价与结合质量控制一直是施工管控薄弱点，为此，尝试采用3D激光扫描并联合多指标评价主成分分析法，构建粗糙度综合评分F值，对施工坯层面粗糙度进行量化评定；并针对高海拔寒冷地区低温干燥环境特点，分析了不同浇筑坯层间歇时间和层面粗糙度的量化指标对混凝土层间结合性能的影响。结果表明，混凝土试样层面F值最大的是平均凿毛深度4.5 mm糙面，其层面粘结劈拉强度最高；低温干燥环境(温度5℃、湿度30%)明显影响层面粘结性能，劈拉强度与整浇混凝土强度同比衰减10%左右；且层面粘结劈拉强度与间歇时间呈典型负相关性。     

基于SWMM的调蓄池对城市面源污染削减作用研究

鉴于目前我国城市面源污染仍未达到标准化状态,无法更好地指导规划设计,在前期基础资料收集和实际调研的基础上,借助GIS等工具,建立了精细化SWMM模型,通过编制Control Rules控制语言,实现了雨水调蓄池控制,分析了区域内面源污染特点及不同重现期(1、2、3、5、10年)下调蓄池面源污染控制效果。结果表明,城市面源污染程度受降雨强度的影响较大,表现为降雨强度越小(形成径流),径流污染程度越大;分流制雨水调蓄池在城市面源污染控制上可起到较好的调控效果,但单一的调蓄池控制措施无法实现径流污染物排放平均浓度达到地表Ⅲ类水体的标准。     

基于Budyko假设的乌伦古河源区径流变化特征及归因识别

揭示流域径流演变特征及定量识别驱动因素贡献率对流域水资源适应性管理和水安全保障至关重要。基于乌伦古河源区二台水文站1960～2015年实测逐月径流序列及同期气象和人类水土资源开发利用影像数据，采用滑动移除小波分析法、Mann-Kendall趋势检验法、滑动t检验法等方法分析水文气象要素序列演变趋势及突变特征，基于Budyko假设的弹性系数法定量识别气候变化与人类活动对研究区径流变化的贡献率。结果表明，乌伦古河源区径流序列呈不显著上升趋势，降水序列呈显著上升趋势，潜在蒸散发序列呈显著下降趋势；径流序列于1995年发生突变，相较于基准期1960～1994年，变化期1995～2015年径流对降水、潜在蒸散发及下垫面特征参数的敏感性系数分别增加了8.8%、25.0%、7.8%;降水与潜在蒸散发、下垫面特征参数变化对径流变化的贡献率分别为39.2%、7.0%、53.8%,研究区径流变化由人类活动与气候要素共同驱动，人类活动为主要驱动因素。     

无资料区小流域山洪灾害过程数值仿真研究

为揭示无资料区小流域山洪灾害爆发过程及致灾机理，以江西省樟树市芗溪河小流域为例，建立暴雨洪水情况下松散体运移数值模型，分析了暴雨发生过程及泥沙运移规律。结果表明，对河道而言，高地势、坡降变化处与汇流地区流速较大，对于坡面较缓、汇水面积大的区域，汇流点流速相对其他区域增长尤为显著；流域初期局部积水，短期内出现地表径流，汇集而成的水流冲刷出多条沟壑，泥沙多在下游出口处沉积；流域水深、流速与降雨量相关，降雨量越大，水深流速越大，冲刷情况越显著。研究成果对于该地区山洪预警具有积极意义。     

基于渗透破坏试验的粘土临界坡降影响因素分析

为分析粘土临界坡降的影响因素,以合肥某基坑土样为例,首先开展单一粒径级土体的渗透破坏试验,分析临界坡降随干密度和均值粒径的变化规律;其次,开展多粒径混合粘性土的渗透破坏试验,讨论在干密度一定时,不均匀系数、曲率系数对临界坡降的影响。结果表明,干密度对土体临界坡降影响最为显著,均值粒径次之,临界坡降随干密度三次方的增加而线性增加,随均值粒径的增加而线性减小,随孔隙率的增大而减小;不均匀系数对土体临界坡降影响较为显著,曲率系数次之,临界坡降随不均匀系数、曲率系数的增加而线性减小。     

基于InfoWorks ICM模型的内涝预警降雨量阈值研究

针对池州市当前缺乏精细化内涝预警降雨量阈值的问题,利用城市综合流域排水模型InfoWorks ICM构建了池州市主城区暴雨内涝模型,并选用4场实测排口流量数据和历史内涝积水点对城市内涝模型进行率定和验证,发现该模型具有较高的准确度和可靠性。在此基础上,以内涝积水深度为预警指标,对不同降雨历时,不同雨型的设计降雨情景下研究区域的积水深度进行模拟。结果表明,降雨历时对暴雨内涝预警的降雨量阈值影响显著,而降雨雨型对暴雨内涝预警的降雨量阈值影响不明显。研究得出的降雨量阈值可为池州市主城区暴雨内涝预警和内涝应急管理提供参考依据。     

SWAT模型在大尺度流域的应用探索

为检验SWAT模型在大尺度流域径流模拟的应用效果，构建了巴西巴拉那河上游流域分布式水文模型并分析了模型的敏感性参数，利用17个流量站进行模型参数率定和验证。结果表明，土壤蒸发补偿系数和SCS径流曲线数是影响模拟的最敏感参数；对于实测站点密度较大的子流域，模型可以较好地模拟流域径流变化，17个流量站中有11个站的R²值大于0.5;受降水数据不足和土地利用变化等因素的影响，模型验证期表现不如率定期。可见SWAT模型可以作为大尺度流域的径流模拟工具，但模拟精度很大程度上取决于降水数据质量。