结构性黄土压缩特性的微观非连续变形分析

黄土的结构性与其形成过程密切相关,并对其物理力学性质产生重要影响。针对结构性黄土的大孔隙和胶结特性,对DDA算法进行了扩展,将结构性黄土中起主要胶结作用的黏粒胶结嵌入已有的DDA算法中;使用Monte Carlo法和DDA模拟黄土的沉积过程,该方法能够模拟颗粒下落过程中的相互碰撞及摩擦,分析结构性黄土在压缩过程中颗粒的平动和转动规律,由此构建与原状黄土孔隙比接近的微观结构模型;进一步使用扩展DDA对所生成的黄土结构模型进行不同压力下的一维压缩试验模拟,并与室内压缩试验进行对比。发现胶结试样颗粒位移比不含胶结试样颗粒位移小,但整体规律相似;每个颗粒位移的大小和方向不尽相同,但主要以竖向位移为主;在压缩过程中,不同区域的颗粒位移存在较大差异,上部颗粒位移大,越往下部颗粒的位移越小。该研究成果可为从微观认识黄土力学行为提供一条途径。     

组合隔板式鱼道水力特性数值模拟研究

鱼道是为鱼类提供洄游通道的一种重要的工程措施。基于Flow-3D采用标准RNG k-ε紊流模型和Tru-VOF追踪自由液面方法,对鱼道池室内流场进行三维紊流数值模拟,研究池室内水流流速、流态空间分布,分析鱼道的水力特性对目标鱼类洄游上溯的影响。结果表明:溢流堰与竖缝组合隔板式鱼道在设计流速v=0.75 m/s条件下,竖缝处平均流速为0.83 m/s,竖缝处流速分布范围为0.76~0.89 m/s;堰上流速为0.90~1.12 m/s,回流区流速分布范围为0.09~0.25 m/s,流速大小在鱼类的克流能力范围之内,但靠竖缝隔板处存在明显的主流贴壁现象。为此开展了池室优化方案设计,使鱼道池室流态满足鱼类上溯要求。     

不同植被类型对堆积体坡面径流特性的影响

针对植被防护堆积体侵蚀动力机制的问题,通过野外模拟降雨试验,分析直根系和须根系植被对堆积体径流流速、水力和水动力参数的影响。结果表明:植被削减堆积体平均侵蚀速率达88.34%~92.88%,直根系消减平均流速效益为50.51%,须根系为21.32%~35.61%;裸坡和植被堆积体径流流型均属于层流(雷诺数<40),裸坡径流在降雨强度≤1.2 mm/min时处于急流态,直根系堆积体均处于缓流态,须根系堆积体在急流态和缓流态间变化。直根系对坡面径流的阻滞作用大于须根系;植被防护下堆积体侵蚀速率、水力和水动力参数与裸坡呈显著性差异(P<0.05),径流剪切力和径流功率可用于较好地刻画坡面侵蚀动态过程,呈显著线性关系(R²为0.63~0.96)。研究成果可为生产建设项目工程堆积体水土流失量预测模型的植被因子修订提供科学依据。     

洪湖沉积物碳氮磷分布特征及污染评价

洪湖是中国第七大淡水湖,富营养化问题日益突出。全面了解洪湖沉积物氮、磷、有机质的含量及分布特征,对掌握其富营养化现状与氮磷污染生态风险具有重要意义。在湖区布设了8个采样点,2019年10月采集50 cm柱状沉积物,分别测定不同深度沉积物总氮(TN)、总磷(TP)以及有机质(OM)含量,分析了TN、TP 和OM 含量的空间分布特征及相关性,并运用综合污染指数法评价其对应的污染程度。结果表明:洪湖沉积物TN含量在467.8~8 454.5 mg/kg之间,平均值2 167 mg/kg,为重度污染,其中近一半的采样点表层沉积物TN含量>5 000 mg/kg;TP含量在502.7~1 252.4 mg/kg之间,平均值693.8 mg/kg,除杨柴湖为重度污染外,其他大部分地区为中度污染;有机质含量占比在5.0%~24.9%之间,平均值9.6%,为重度污染。在垂直空间上,TN、TP 和OM 均在沉积物表层垂向深度0~20 cm存在明显的积累,其含量随垂向深度的增加而迅速降低。研究成果可为洪湖富营养化的控制与治理提供科学数据支撑。     

长江上游高洪水期泥沙输移特性

长江上游高洪水期(汛期)泥沙输移特性是决定三峡库区泥沙淤积的关键因素,直接关乎三峡水库使用寿命及综合效益的发挥。借助干、支流长系列水沙资料,分析了长江三峡水库入库寸滩站高洪水期泥沙输移特性,结果表明:近40 a来,寸滩站场次洪水中7 d洪量未出现趋势性变化,而7 d沙量显著减少,高洪水期输沙经历了“涨水输沙占优—涨、落水基本持平—落水输沙占优”的变化过程。2013年以前,寸滩站高洪水期径流及泥沙均主要来自于金沙江,而向家坝、溪洛渡水电站陆续投运后,2013—2019年寸滩站洪水场次(洪峰流量30 000 m³/s以上)共计14场。从径流来源来看,仅4场主要来自于金沙江,其余9场主要来自于嘉陵江,1场来自岷江;从泥沙来源来看,9场主要来自于嘉陵江,其余5场分别来自于沱江、岷江、横江,金沙江已不是寸滩站高洪水期过程中泥沙的主要来源区。研究成果可为三峡水库沙峰排沙调度、库尾减淤调度提供理论支撑,为长江泥沙治理提供保障。     

基于多维产出ZSG-DEA模型的中国水资源污染综合分配效率测算

利用考虑多维产出的零和收益-数据包络分析(ZSG-DEA)模型测算2000—2017年中国大陆31个省级行政区(以下简称省)在水资源污染排放总量固定下的污染综合分配效率及生产、生活与生态3个维度的产出效率,并基于效率最大化原则对2017年各省污染排放额度进行调整。结果表明:31个省污染综合分配效率的平均值由2000年的0.322上升至2017年的0.364,生产维度产出效率是拉动污染综合分配效率提升的主要动力;2000—2017年31个省污染综合分配效率的平均值为0.341,生态产出过量与生活维度产出不足导致污染综合分配效率处于较低水平;污染综合分配效率、生态维度产出效率与生活维度产出效率受经济发展水平影响较小,而生产维度产出效率受经济发展水平影响较大;污染综合分配效率分布由大到小为东部、西部、中部,生产维度产出效率分布由大到小为东部、中部、西部,生态维度产出效率分布由大到小为西部、中部、东部,生活维度产出效率分布由大到小为西部、东部、中部;各省污染排放调整额度与污染综合分配效率呈正相关关系,北京、天津、上海、浙江、青海与西藏等20个效率较高的省可增加污染排放额度,河北、安徽、河南、江西与湖北等11个效率较低的省需降低污染排放额度。     

某抽水蓄能电站地下厂房动力特性研究

抽水蓄能电站具有高水头、大容量、快转速的特点导致振动问题特别突出,强烈的振动会导致机组以及厂房薄弱结构部位发生破坏,影响电站的安全稳定运行。结合某在建抽水蓄能电站,分析了可能与厂房结构发生共振的振源,研究了边界条件、材料特性对结构自振特性的影响,结合粘弹性人工边界条件,分析了在机组动荷载作用下厂房各部位的动力响应规律。     

Influence of rainfall on the performance of bioretention systems modified with activated carbon and biochar

The use of bioretention areas is common in urban stormwater management, but their performance varies significantly depending on rainfall characteristics and design conditions. In this study, a pilot experiment using bioretention columns with different media (commercial activated carbon and river sediment-derived biochar) investigated the influence of rainfall on bioretention performance. The results indicated that the runoff volume retention ratio (R_v), which included the runoff purified and discharged at the bottom of the column, and the runoff retained in media during rainfall event, decreased significantly with increases in the rainfall event return period (p < 0.05). The R_v of the activated carbon and biochar columns decreased with a 2-yr return period and then fell further with a 50-yr return period. Porous material has been shown to improve the water-holding capacity of bioretention media, but it did not result in an improved R_v under heavy rain that exceeded the 2-yr return period. With the increase of the return period from two to 50 yr, the mass removal efficiency (R_L) of total phosphorus and phosphate illustrated a clear decreasing trend in all columns. The total nitrogen, ammonia and nitrate removal did not show a clear trend with return periods because of transformations among different forms of nitrogen and similar saturation periods during the different rainfall events. The influence of the return period on chemical oxygen demand (COD) removal was related to whether the inflow COD reached maximum COD removal capacity of the bioretention media. Under a rainfall event with a specific return period, there were no significant differences in the R_L of all nitrogen species and COD among the different columns (p > 0.05). The addition of adsorptive material, such as activated carbon and biochar, may not be the key factor for improving nitrogen and COD removal under heavy rain that exceeds the 2-yr return period. The bioretention performance of phosphorus removal from urban stormwater runoff could be improved by replacing or adding media with high adsorption capacity, but these improvements would not be significant under heavy rain that exceeds the 2-yr return period. The results provide some reference for evaluating bioretention performance and optimizing bioretention design in the future.     

DEM分辨率对山洪淹没模拟影响

DEM是表征地形状况的重要指标,在山洪淹没模拟中起着重要作用。以2016年7月19日发生在河北省石家庄市井陉县西部山区的特大暴雨山洪事件为研究对象,利用HEC-HMS水文模型和FLO-2D水动力模型,设置5种DEM分辨率方案(30、20、15、10、5 m),从淹没范围和淹没水深两方面分析了DEM分辨率对山洪淹没模拟的影响,并从模型运行时间角度对其运行效率进行了评估。研究表明:DEM分辨率越高,则淹没范围越小,平均淹没水深越大,即模型模拟精度越高,山洪事件的淹没范围及水深越接近于实际调查情况(DEM分辨率为30和5 m时,淹没范围及淹没深度的模拟精度分别为0.56和0.41、0.76和0.79);随着DEM分辨率的提高,尤其从10 m提高至5 m时,模拟结果差异减少,模拟精度的增幅也减小,淹没范围和水深的精度增幅分别为2.70%和3.94%;DEM分辨率越高,则模型运行时间越长,模型运行效率越低,5 m DEM方案下的运行时间为30 m DEM方案的700倍。综合考虑模拟精度及模拟时间,10 m分辨率的DEM对山洪淹没模拟、风险评估及预警预报等更为适用。     

基于SPI的辽宁省庄河市近35年干旱演变特性研究

庄河市是辽南地区的重要水源地,分析其干旱演变特性有利于该地区水资源的合理开发与利用,对于防旱减灾、合理布局产业结构具有重要的现实意义。本文根据庄河市1984年1月1日至2018年12月31日的逐日降水数据计算了1个月、3个月、6个月、12个月共4个不同时间尺度下的标准化降水指数(SPI),并基于SPI对该地区近35年的年际与季节干旱演变特征进行了分析。结果表明:在年际变化方面,庄河市的SPI在2000年以前波动幅度较小,说明该地区的降水在时间上分布较为均匀;但自2000年以来,SPI序列出现较大的波峰与波谷,说明降雨的分布不均匀性有所增强;SPI的时间序列趋势线斜率为负值,说明该地区整体上呈现偏旱趋势,因此其水资源压力不断增大。在季节演变特征方面,夏季干旱和秋季干旱呈现增强趋势;秋旱的发生频率最高,而夏旱的出现频率最低。本研究结果可为庄河地区的抗旱减灾与水资源规划提供科学依据。