Agricultural irrigation of the South Jingyang tableland in Shaanxi Province, China has led to a continuous rise of the groundwater level and has triggered a series of loess landslides, thereby seriously affecting the life and property safety of local residents. Research shows that the major cause of the landslide in the loess layer of the South Jingyang tableland is the rising groundwater level. Therefore, the research on the formation mechanism of landslide in this area should include the investigation of the stratigraphic structure and groundwater level distribution characteristics. On this basis, a series of approaches, such as electrical resistivity tomography (ERT), borehole, and laboratory tests, was carried out on the South Jingyang tableland, and the groundwater level distribution and stratigraphic structure in the study area were determined. The qualitative relationship between resistivity value and water content at different depths was detected using the inversion results of ERT and borehole data. Through laboratory tests, the quantitative relationship between resistivity values under different water contents was established. The precise depth of the groundwater level was inferred by connecting the qualitative relationship with the quantitative relationship, and then a detailed 3D geological model was established by linking the inversion results of ERT with the field borehole lithology data and geological survey data. The detection results show that when the qualitative and quantitative analyses of the ERT inversion results were combined, the distribution of the groundwater level was accurately judged. The ERT is effective in reflecting the stratigraphic structure and hydrological characteristics of the Loess Plateau, and its potential as a supplementary technology for detecting the groundwater level is reasonable. This study addresses the limitation and inaccuracy in determining the stratum structure and groundwater level by solely relying on borehole information or ERT. The established 3D geological model not only provides a basis for the study of groundwater table fluctuation, but also a technical guidance for the stability evaluation of loess slope, landslide prediction, and early warning in the study area.
为合理评价区域水资源分布与经济社会发展的空间均衡问题,在已有方法的基础上,提出了子区域基尼匹配系数与减法集对势相结合的水资源空间均衡评价模型.以水资源总量为基础,与人口数量、第二产业GDP 和耕地面积 3 项指标构建一一对应的匹配关系,利用洛伦兹曲线围成的单个子区域面积比来计算子区域基尼匹配系数,进而计算五元减法集对势,最终得到相应的评价等级,并对安徽省 2011-2018 年 16 个地级市的水资源空间均衡状态进行了评价.结果表明:在 3 组匹配关系中,空间均衡状态最好的为水资源总量-耕地面积,次之为水资源总量-人口数量,最差的一组为水资源总量-第二产业 GDP;3 对匹配关系空间均衡等级的多年均值表现为Ⅴ(反势)级,其中 2012 年和 2015 年的空间均衡状态最差,2018 年的空间均衡状态最佳.
桓仁水库以上的浑江流域内修建的大量水利工程,改变了流域的下垫面条件和产汇流特性.为科学指导水库防洪调度,开展了基于新安江模型的考虑上游水利工程影响的桓仁水库洪水预报方法研究.首先,基于聚合水库的思想,将研究区划分为不同的子流域,并计算各子流域对应的聚合水库库容;然后,根据该库容建立了描述聚合水库蓄泄关系的曲线,给出了聚合水库蓄泄量的计算步骤;最后,利用历史场次洪水资料率定了新安江模型的参数和聚合水库的蓄泄参数.结果表明:率定得到的聚合水库蓄泄关系曲线基本能反映水利工程对洪水过程的影响规律;对于场次洪水,不论是产流还是汇流过程,其模拟精度均得到了较大提高,产流量的预报合格率由 85%提高到 100%,洪峰流量和峰现时间的预报合格率由 80%提高到95%.该研究成果可用于水库实时调度中,研究方法对类似水库洪水预报方案的制定具有借鉴意义.
数据短缺是制约陕北黄土高原区科学防御洪水灾害的关键性因素,探索数据短缺区域的洪水特征值分位数估算方法具有科学意义.以榆林市 28 个水文站点的实测最大一日流量(MDF)的分位数为响应变量,以集水面积、淤地坝控制面积、水文站点的经纬度等 12 个指标为解释变量,研究了线性 CCA 与非线性NLCCA两种同质区域识别方法与线性MLR和非线性GAM 两种区域水文分位数估计方法交叉耦合所形成的 4 种区域洪水频率分析模型的估算效能,并评价了其在陕北黄土高原的适用性.结果显示,NLCCA-GAM 凭借其非线性优势,相比其他耦合模型(CCA-MLR、NLCCA-MLR、CCA-GAM)具有更高的精度和鲁棒性,可作为陕北黄土高原无资料地区洪水特征值分位数的最优估计方法.
砒砂岩是一种风化严重、松散破碎的特殊互层岩体,集中分布在晋、陕、蒙交界地区,分布面积 1.17 万～3.20 万 km2,是黄河粗泥沙的主要来源.从砒砂岩区的生态建设、环境治理及砒砂岩利用的需求出发,对现有砒砂岩文献进行分析,论述了砒砂岩研究的主要进展,包括砒砂岩的成因及分布、物化组成、力学强度、侵蚀过程与机理、砒砂岩区治理进展、砒砂岩资源化利用等.基于砒砂岩的物化性质研究,结合"砒砂岩绿色资源化利用"的思路,展望了砒砂岩作为复配成土材料、改性建筑材料、矿区修复材料等应用前景,还提出了砒砂岩作为旅游资源的潜力.本研究成果可为砒砂岩的治理利用、保障黄河长治久安、推动黄河流域高质量发展提供重要参考.
瑞利阻尼模型广泛应用于结构的多维抗震计算中,阻尼系数计算方法影响地震响应.因此,有必要对多维地震作用下结构的瑞利阻尼系数实用计算方法进行研究.首先,基于单维地震激励应变能时程响应,求得任意阶振型对应应变能响应的最大值,并结合完全平方和平方根(Complete Quadratic Combination,CQC)振型组合方式,得到单维地震激励应变能响应计算方法.在此基础上,利用平方和平方根(Square Root of Sum of Square,SRSS)多维组合方法和等价处理,构建振型阻尼比变化量平方的新型权重因子,并提出了瑞利阻尼系数实用计算方法.分别以带楼板的塔式结构和不带楼板的 K8 单层球面网壳结构为例,对瑞利阻尼系数实用计算方法和已有基于应变能响应阻尼系数算法进行了比较.结果表明:应用瑞利阻尼系数实用计算方法求得的各类结构的节点位移和杆件内力误差均较小,且计算效率更高;所提出的瑞利阻尼系数实用计算方法是合理的,可应用于结构多维抗震计算.
在水资源短缺背景下,优化区域有限水量分配结构、提高非常规水利用效率对促进西北地区经济社会发展和生态环境保护具有重要意义.结合用水公平系数和供水次序系数等表征参数,以缺水量最小、经济效益最大、水体污染物排放量最小为目标函数,采用第二代快速非支配多目标优化算法(NSGA-Ⅱ),构建了区域水量分配模型,并选取鄂尔多斯市为典型研究区,采用区间估计法预测了鄂尔多斯市供需水量,分析了多种水量分配方案下鄂尔多斯市未来的缺水程度及产业结构变化情况,对区域多目标水量分配结构进行了优化.结果表明:规划年 2025 年时,鄂尔多斯市的缺水率为 31.5%,全市第一产业用水占比降低了12.8%,地下水使用量减少了 6.3%,非常规水利用率提高至 91.9%,产业用水结构和水源供水结构得到改善.研究结果可为鄂尔多斯市经济社会可持续发展与水资源高效利用提供参考.
砒砂岩区是黄河流域生态最脆弱、复合侵蚀最严重的粗泥沙集中来源的核心区,为实现黄河流域生态保护和高质量发展国家战略确立的生态保护重大目标,迫切需要创新砒砂岩区生态治理关键技术.针对砒砂岩区生态退化和复合侵蚀的治理问题,通过典型抽样调查、遥感解译统计、室内水化与力学试验、野外原位观测与示范验证等多种方法,重点研发了砒砂岩区生态治理若干关键技术.介绍了砒砂岩区块体状重力侵蚀治理、砒砂岩改性材料谷坊建造、砒砂岩煤矸石改性利用、砒砂岩质地土壤改良提质、生态综合治理模式等的关键技术原理与内容,以及这些技术的示范应用效果;展望了砒砂岩区生态治理理论与技术研究的发展方向,为砒砂岩区生态治理提供科技支撑,并推进脆弱生态区治理技术的深化研究.
平原区无统一流域出口断面,相关模型参数率定与水文模拟是水文学研究的薄弱环节和难点问题.以黄淮海平原为研究对象,基于实测数据、遥感反演结果及同化的区域水循环通量和储量等多源要素数据集,利用可变下渗容量(VIC)模型,构建了基于径流、蒸散发和蓄水量协同率定的模型参数率定方法,评估了其在黄淮海平原水文模拟中的适用性,并利用机器学习、广义似然不确定性估计等方法分析了该模型对水文模拟精度、模型参数异参同效性和径流模拟不确定性等方面的改进效果.得到的主要结论为:①VIC 模型在黄淮海平原具有较好的适用性,与实测值相比,模拟径流和蒸散发量在率定期的相关系数大于 0.9,蓄水量的相关系数大于 0.6;②对于 VIC模型的 6 个参数,第 2 层土壤厚度 d2 最敏感,其次是可变下渗曲线指数 B,其余参数敏感性较弱;③与传统的单一径流率定方法相比,参数协同率定方法提高了蒸散发量和蓄水量的模拟精度,减小了模型参数的优选空间与不确定性置信区间,模拟径流的 90%置信区间约缩小26%,降低了水文模拟的不确定性.研究成果对水文模拟技术进步具有重要的支撑作用.
受全球气候变化影响,黄河源区的水文情势发生了较大改变,预估气候变化情景下未来流域径流变化趋势对区域水资源利用具有重要意义.利用气候模式数据驱动长短期记忆网络(LSTM)模型,研究了未来近期(2030-2059 年)和未来远期(2060-2099 年)不同气候变化情景下黄河源区降水和气温的变化趋势,预估了相应径流过程的系统性变化趋势,并采用气候弹性系数法定量分析了气候变化对区域水资源的影响.结果表明:①LSTM 模型在黄河源区径流模拟中具有良好的适用性,修正后的模型在训练期和验证期的纳什效率系数分别达到 0.84 和 0.87.②2030-2099 年黄河源区的气温呈持续升高态势,年均降水量呈轻微增长趋势,其中汛期降水量减少,非汛期降水量增加.③未来研究区年均径流量呈轻微减少趋势,其中非汛期径流量呈增长趋势,增长幅度大多在 30%左右;汛期径流量呈减少趋势,减少幅度为 30%～40%.④黄河源区水资源对降水和气温的弹性系数分别为 0.392 和-0.085,水资源量对降水变化的敏感性高于对气温变化的敏感性.预计降水量变化-15%～25%时,水资源量变化-5.87%～9.79%;气温升高 1.0～3.0℃时,水资源量变化-7.29%～-2.42%.
解析加气灌溉温室辣椒"生长-养分吸收-产量"间的关系,对于揭示加气灌溉下作物产量影响机制具有重要指导意义.试验设置灌水量(0.6 和 1.0 倍蒸发皿水面蒸发系数)、施氮量(225、300 kg/hm2)和加气量(加气比率 15%、不加气)3 因素 2 水平随机区组试验,采用相关分析和结构方程模型研究加气灌溉对温室辣椒叶绿素含量、光合作用、养分吸收、干物质积累量及产量的影响,分析辣椒生长生理指标、养分吸收对产量的综合贡献.结果表明:①与常规地下滴灌相比,加气灌溉下干物质积累量提高了 13.54%～23.59%(P＜0.05)、产量增加了 13.67%～22.55%(P＜0.05).②辣椒氮、磷、钾养分累积量与净光合速率、干物质积累量和产量均呈极显著的正相关关系(P＜0.01).③在常规地下滴灌模式下,养分吸收对产量的影响主要来自直接作用(路径系数为 0.697),而在加气灌溉模式下,这种影响主要来自生长生理的间接作用(路径系数为 0.574);在常规地下滴灌模式下,生理对生长的直接效果(路径系数为 0.631)大于生理对产量的直接效果(路径系数为 0.220),而在加气灌溉模式下,趋势相反.④总体而言,加气灌溉可增强叶片光合效率,促进植株生长;增加作物对养分的吸收利用是调控产量的重要路径,相较常规地下滴灌对作物增产的优势更明显.
随着我国城市建设规模的不断扩大,高层建筑更加密集,建筑火灾问题日益突出.为进一步探讨纤维纳米混凝土这一新型建筑材料的高温性能,通过高温中劈拉试验,研究了温度、钢纤维体积率和纳米二氧化硅掺量对纤维纳米混凝土高温中劈拉性能的影响.采用扫描电子显微镜进行微观结构观测,探讨了纳米二氧化硅对混凝土强度的增强机理和纤维纳米混凝土的高温劣化机理.结果表明:在常温至 800℃条件下,随着温度的升高,纤维纳米混凝土的劈拉强度和韧性显著降低,峰值变形明显增大,这主要是由混凝土水化产物和骨料受热分解及界面黏结性能减弱造成的;当钢纤维体积率小于 1.5%时,随着钢纤维体积率的增大,高温中纤维纳米混凝土劈拉强度和韧性不断提高,但其增幅小于常温时的,当温度达到 600℃后,钢纤维由拔出破坏变为拉断破坏;纳米二氧化硅掺量为 0.0%～1.5%时,随着纳米二氧化硅掺量的增加,高温中纤维纳米混凝土的劈拉强度和韧性均呈增大的趋势,强度增幅与常温时的接近,韧性增幅小于常温时的;纳米二氧化硅促进了水化物的生成,改善了钢纤维和骨料与基体之间的黏结性能,从而提升了混凝土的劈拉强度.
在近海岸及河流入海口,由于潮汐等因素的影响,泥沙的盐度条件十分复杂.为更好地研究近海岸及河口复杂盐度条件下海岸及河岸的侵蚀速率,将两种不同级配的泥沙制成含盐度分别为 0‰、5‰、10‰、20‰、30‰、40‰的固结泥块,测定了其干密度、含水率等物理性质指标,并开展固结泥块冲刷特性的水槽试验研究,分析了固结泥块的冲刷系数与起动切应力、起动切应力与干密度、干密度与盐度之间的关系,得到了冲刷系数随盐度变化的表达式.分析结果表明:在 0‰～40‰的盐度范围内,盐度(x)越大,冲刷系数(kd)越小,泥块越不易被冲刷,其拟合关系为 kd =-0.0141x1.883-0.2376x1.115+78.9017.研究结果可以为海岸和河流边坡的防护、海岸和河岸的侵蚀速率计算提供参考.
漳河是海河南系的主要支流之一,也是京津冀地区的主要水源之一,了解漳河流域水化学特征对于海河流域水资源管理和京津冀地区的社会发展具有重要意义.本研究综合利用图解法分析了漳河上游地区地表水水化学特征及其主要影响因素,从水化学角度阐述了该区域水循环过程,并揭示了研究区水体主要离子来源.结果表明:①漳河上游地区地表水中的4种主要阳离子浓度由高到低分别为Ca2+、Mg2+、Na+、K+,4种主要阴离子的浓度由高到低分别为HCO-3、SO2-4、Cl-、NO-3;②漳河干流和清漳河的水化学类型以HCO3-SO4-Ca-Mg型为主,浊漳河流域水化学类型表现出了明显的混合特征,浊漳河南源水化学类型为HCO3-SO4-Na-Ca型,西源水化学类型为HCO3-Na-Ca型,北源水化学类型从HCO3-SO4-Ca-Mg型转换为HCO3-SO4-Cl-Na-Mg型;③水岩作用、阳离子交换以及人类活动影响了漳河上游地区水离子特征;此外,不同区域径流汇集也对流域水化学特征产生了重要影响.研究发现,水岩交互是漳河上游水体演化的重要过程.因此,关注山区岩溶过程对于流域水资源精准评估具有重要意义.
防辐射超高性能混凝土是一种极其重要的防护材料,目前该种混凝土普遍存在强度不足和屏蔽辐射能力弱等问题.针对此类问题,在常规混凝土制备的基础上使用赤铁矿对天然河砂进行替换,利用修正后的A&A颗粒堆积模型计算配合比,制备出一种含赤铁矿的新型防辐射超高性能混凝土,并对这种混凝土进行工作性能、孔隙结构、抗压强度和防辐射性能测试.结果表明:赤铁矿防辐射超高性能混凝土具有较高的抗压强度,抗压强度可达到130 MPa;赤铁矿还具有较好的防辐射性能,γ 射线线性衰减系数达到0.1837 cm-1,相对于现有防辐射混凝土,赤铁矿防辐射超高性能混凝土在防辐射的基础上,其力学性能明显提高.研究结果表明,赤铁矿是一种用于制备防辐射超高性能混凝土的较好且经济的材料.
根据四川省30个气象站点1958—2017年的逐日降水资料,采用滑动平均法、Mann-Kendall趋势检验法、Sen's坡度估算法、小波分析法和相对重要性分析法,研究了年际尺度和年内尺度上的降水变化特征及影响年际降水变化的主导因素.结果表明:①降水量的年际分布不均匀,降水序列波动性较大,并以每年0.198 mm的速率减少.②年际间丰枯年份交替变化且分配较为均匀,变化主周期为28年,同时存在13年和8年两个次周期.③降水量空间分布差异大,整体上东多西少、南多北少,且由东南向西北逐渐减少;降水中心位于乐山市西部.④年降水集中于夏季,秋季次之,其中春夏两季降水量呈上升趋势,秋冬两季降水量呈下降趋势,总体上看四季降水量变化趋势不明显;7月降水量最大,相应尺度上的月降水量与日降水量呈对称分布.⑤降水年际变化主要受降水强度和降水频率的共同影响,以降水频率影响占主导的区域分布在西部的高山高原地区,以降水强度影响占主导的区域则集中于东部盆地地区.
气候变化和人类活动的双重影响使得燕山水库入库径流发生了较为明显的变化.为准确揭示燕山水库入库径流演变特征,采用1955—2018年的入库径流资料,综合运用基尼系数和Mann-Kendall(M-K)非参数检验方法分析了径流年内、年际变化特征,并应用Morlet小波变换的多辨分析功能分析了径流序列多尺度周期变化特征.结果表明:①燕山水库入库径流量年内分配极不均匀,其过程线呈单峰型,月径流峰值在20世纪80年代有峰值前移特点;②燕山水库年径流呈下降趋势,年径流突变点大致发生在1963年和1993年;③全年径流变化主周期为15年,春、夏、秋、冬季径流变化主周期分别为14年、12年、11年、3年,同时存在显著的"丰—枯"循环交替变化特征.研究结果可为燕山水库防洪调度和水资源合理利用提供参考.
灌溉是农业生产中的重要环节,大量的田间水灌溉会诱发黄土滑坡等地质灾害,因此研究灌溉过程中田间水分入渗特征对于确定合理的灌溉制度与地区水资源管理具有重要意义.为研究灌溉水在田间的入渗特征,本文通过高密度电阻率法和土体含水率监测系统,在浸水试验过程中观测含水率和电阻率的变化情况,构建含水率和电阻率关系的模型,研究灌溉过程中水分入渗的空间变异性.结果表明,土体含水率随深度增加呈现先增大逐渐减小的趋势,在埋深30 cm处达到峰值.埋深小于1.5 m的土体电阻率受灌溉过程的水分入渗影响较大,随着水分入渗量增加,土体电阻率值减小.埋深大于3.5 m区域由于水分入渗微弱,土体电阻率变化不大.灌溉水在此处土体中的入渗深度约为3.0～3.5 m.构建的含水率和电阻率关系的对数模型 θ=-6.681lnρ+54.59的相关性良好,误差较小,在水文地质调查中合理应用该模型可以得到含水率变化情况.
裂隙岩体的长期强度以及失稳破坏特征对于工程的长期稳定和安全具有重要的影响.分别对无预制裂隙以及含两条预制裂隙的砂岩试样进行相同条件下的室内单轴压缩蠕变声发射试验,基于试验结果,研究了试样的力学特性、声发射特征以及破坏声发射前兆特征.结果表明:相同应力水平下,预制裂隙试样的瞬时应变、蠕应变以及总应变均大于无预制裂隙试样的相应值,预制裂隙对试样的蠕应变影响最大,总应变其次,而对试样的瞬时应变影响最小;预制裂隙试样的长期强度是无预制裂隙试样的79.5％,预制裂隙的存在导致试样长期强度大幅降低,在工程中应考虑裂隙存在对岩石长期强度降低的问题;预制裂隙试样产生的累计声发射事件总数达20837个,是无预制裂隙试样累计声发射事件总数的23.70倍,预制裂隙试样单级应力水平下声发射事件数和各级应力水平下累计声发射事件数均显著高于无预制裂隙试样的相应值,预制裂隙试样内部微破裂活动更为剧烈;声发射b值预测试样失稳破坏的效果优于轴向应变、累计振铃计数.声发射b值能更早地预示岩石的失稳破坏,对于工程中岩石的失稳破坏有较好的预警作用.
与常规卡尔曼滤波相比,渐消滤波能够克服模型不确定性的影响.然而,异常的测量值将引起先验协方差矩阵异常,甚至导致渐消滤波器失效.针对这一问题,本文从工程数据处理实践出发,引入马氏距离构造判别统计量进行探测,并根据探测结果适时采用渐消因子或协方差膨胀因子,提出了一种基于马氏距离探测的改进自适应滤波器.利用全球导航卫星系统和惯性导航系统在工程实践中采集的数据,进行了多组试验,验证了该算法的有效性.试验结果表明,该算法能有效地控制动态模型偏差和异常测量值的影响,提高滤波解算的稳定性,解算精度较高.
