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基于用高斯分布生成管道的岩溶地下水流数值模拟

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吉林大学学报（地球科学版） 2024年第2期54卷 592-603页

作者：刘国东杜成鸿侯杰杨梦溪陈宇谢杨四川大学水利水电学院成都610065 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室成都610065

为更精确地模拟岩溶区地下水运动,以贵州省黔西南普安县某岩溶水文地质单元为研究区,用基于有限单元法的FEFLOW软件建立研究区岩溶管道等效多孔介质耦合地下水流数值模拟模型。模拟中,在地质条件控制下应用高斯随机分布生成地下暗河的管... 详细信息

为更精确地模拟岩溶区地下水运动,以贵州省黔西南普安县某岩溶水文地质单元为研究区,用基于有限单元法的FEFLOW软件建立研究区岩溶管道等效多孔介质耦合地下水流数值模拟模型。模拟中,在地质条件控制下应用高斯随机分布生成地下暗河的管道,用非稳定三维地下水运动的偏微分方程描述等效多孔介质水流运动,用Manning-Strickler方程描述管道水流运动,将导水断层处理为强渗透条块,将落水洞汇水范围的降水入渗系数设置为1,将泉水处理为定水头的抽水井。流场模拟结果显示,25个观测点计算水位与实测水位关系的决定系数可达到0.9985,纳西效率系数达0.9982,极接近于1;表明基于这些处理建立的地下水模拟模型反映了岩溶地下水运动特征,具有较强的仿真能力,可用于提高岩溶区地下水资源评价精度。

关键词：岩溶地下水地下暗河 FEFLOW 地下水数值模拟高斯分布

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川西亚高山森林苔藓与枯落物持水特征

山地学报 2024年第1期42卷 1-13页

作者：范金花谢汶天曹球铫王根绪孙守琴四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川大学水利水电学院

森林苔藓和枯落物在水土保持、水分涵养方面具备重要作用，但现有研究多单一关注苔藓或枯落物，对苔藓-枯落物层的整体效应的认识较少，尤其针对高海拔西南森林林下的苔藓-枯落物层，更为鲜见。本文以川西贡嘎山针叶林和阔叶林地被层（... 详细信息

森林苔藓和枯落物在水土保持、水分涵养方面具备重要作用，但现有研究多单一关注苔藓或枯落物，对苔藓-枯落物层的整体效应的认识较少，尤其针对高海拔西南森林林下的苔藓-枯落物层，更为鲜见。本文以川西贡嘎山针叶林和阔叶林地被层（苔藓、枯落物）为研究对象，通过野外调查、采样瓶取样浸水试验，分析了单一苔藓、单一枯落物及苔藓-枯落物整体的持水特征。结果表明：（1）贡嘎山苔藓和枯落物最大持水率为327.9%～432.6%,最大持水量为16.6～79.4 t/hm2,有效拦蓄量为7.1～34.2 t/hm2。针叶林比阔叶林具有更大的持水能力和水分拦蓄能力。（2）不同地被组分中，苔藓-枯落物层持水率、有效拦蓄率、持水量和拦蓄量最大，苔藓显著提高了针叶林地被层的水源涵养能力；（3）地被层持水量与时间呈对数关系，吸水速率与时间呈幂函数关系，不同组分持水量和持水率均在0～2 h内迅速增长，2～12 h内缓慢增长，12 h时几乎达到饱和状态。（4）与单一苔藓或枯落物层相比，苔藓-枯落物整体的吸水速率更快，具有更高效的短期降水拦蓄能力。本研究结果可为亚高山森林水源涵养和生态水文研究与保护提供参考和理论基础。

关键词：亚高山森林枯落物苔藓持水特征贡嘎山

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Ⅱ型断裂韧度测试功能开发与试验分析

实验力学 2024年第1期39卷 34-42页

作者：卓莉裴建良刘怀忠肖明砾谢红强四川大学水利水电学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065

断裂韧度作为岩石的重要力学指标,对认识压剪破坏规律具有重要意义。为解决现有设备缺乏围压冲剪试验(PTS/CP)测试功能的问题,本文基于Ⅱ型断裂韧度测试方法进行试验装置开发,在现有设备上实现了PTS/CP测试功能,并通过青砂岩的PTS/CP试... 详细信息

断裂韧度作为岩石的重要力学指标,对认识压剪破坏规律具有重要意义。为解决现有设备缺乏围压冲剪试验(PTS/CP)测试功能的问题,本文基于Ⅱ型断裂韧度测试方法进行试验装置开发,在现有设备上实现了PTS/CP测试功能,并通过青砂岩的PTS/CP试验验证了开发装置的可靠性。青砂岩PTS/CP试验结果表明,在围压侧向约束条件下岩石试样可获得较理想的冲剪破坏面,且随着围压的增大,Ⅱ型断裂韧度K_(ⅡC)先增大后趋于稳定;通过PTS/CP试验所获得的青砂岩K_(ⅡC)与其单轴抗拉强度、I型断裂韧度指标之间的关系符合常规认识,说明了PTS/CP测试功能的合理性和装置的可操作性。PTS/CP测试功能的开发可为岩石及类似工程材料的相关教学和科研工作提供试验支撑。

关键词：围压冲剪试验测试功能开发 Ⅱ型断裂韧度压剪破坏

压剪荷载作用下红砂岩裂纹尖端应变分布特征及起裂机理研究

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实验力学 2024年第2期39卷 195-207页

作者：左金涛卓莉刘怀忠谢红强何江达四川大学水利水电学院四川成都610065 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065

岩石在纯剪切荷载作用下,断裂类型都为Ⅰ型或者复合型断裂,为了研究Ⅱ型断裂,有必要探索压剪荷载共同作用下的断裂机理。本文首先利用剪切盒装置对双边切口的红砂岩试样进行加载试验,然后通过数字图像相关(DIC)技术对试样切口尖端及岩... 详细信息

岩石在纯剪切荷载作用下,断裂类型都为Ⅰ型或者复合型断裂,为了研究Ⅱ型断裂,有必要探索压剪荷载共同作用下的断裂机理。本文首先利用剪切盒装置对双边切口的红砂岩试样进行加载试验,然后通过数字图像相关(DIC)技术对试样切口尖端及岩桥上的应变状态进行分析,最后对裂纹起裂机理做出判断。试验结果显示,剪切角为30°~60°时,试样均从切口尖端起裂,并且起裂裂纹沿岩桥所在平面有不同程度偏转;剪切角为70°时,试样从岩桥中部起裂,起裂裂纹沿着岩桥所在平面扩展。分析试样断裂特征及DIC试验数据后得到的主要结论如下:随着剪切角的增大,起裂平面张拉位移最大值和滑移位移最大值之比逐渐增大,起裂机理逐渐由剪切断裂转变为张拉断裂;当剪切角为30°、40°时,试样岩桥在初始裂缝平面上的应力状态始终处于压剪状态,起裂机理为剪切主导的拉剪复合型断裂;当剪切角为50°、60°时,在加载前期,试样岩桥在初始裂缝平面上的应力状态处于压剪状态,但随着荷载进一步增大,岩桥应力状态逐渐转变为拉剪状态,起裂机理为拉剪复合型断裂;当剪切角为70°时,试样岩桥上的应力状态在加载过程中始终存在拉应力,并且随着荷载增大,切口尖端也出现拉应力,不能达到压剪状态,裂纹起裂机理为张拉断裂。

关键词：剪切盒试验压剪断裂数字图像相关(DIC)技术断裂机理

极端降雨与强人类活动复合作用下山洪灾害研究构想和成果展望

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工程科学与技术 2024年第4期56卷 1-9页

作者：王协康四川大学山区河流保护与治理全国重点实验室四川成都610065

全球气候变暖导致山丘区极端降雨事件多发,降雨强度与量级不断突破区域历史极值,同时叠加区域脆弱环境和强人类活动影响,致使山洪形成及演进致灾成因复杂多变,由此加重了暴雨山洪引发的人员伤亡和财产损失。山洪灾害具有显著的自然和社... 详细信息

全球气候变暖导致山丘区极端降雨事件多发,降雨强度与量级不断突破区域历史极值,同时叠加区域脆弱环境和强人类活动影响,致使山洪形成及演进致灾成因复杂多变,由此加重了暴雨山洪引发的人员伤亡和财产损失。山洪灾害具有显著的自然和社会双重属性,其形成发展是山丘区环境孕灾承灾因子复合作用的结果。中国山丘区局地气候独特,地质地貌类型众多,溪河水系复杂,人类活动影响突出。大量重大山洪灾害事件表明,极端降雨诱发的山洪过程及致灾特征各异,给山洪灾害预报预警防御造成极大困扰,山洪灾害研究仍是当前重大自然灾害防控的重点和难点。长期以来,中国山洪灾害研究多偏重于雨水情时空变化规律,着重研究降雨影响的山洪洪水淹没特征,据此推算山洪灾害防治区的临界雨量与水位阈值,在山洪灾害防治实践应用中取得了较为显著的成效,山洪灾害事件导致的人员伤亡数总体显著下降。然而,受山丘区降雨特征、下垫面组成、溪河形态及人类活动等多因素影响,山洪洪水形成演进时挟带大量泥沙,从而表现为山洪水沙、山洪泥石流等物理过程,导致的局地冲毁、淤埋、淹没等致灾成因及阈值与山洪洪水致灾也存在本质差异,这也是近年来中国重大山洪灾害事件多发的主要原因。针对极端降雨诱发多类型山洪形成演进与强人类活动复合作用致灾防御难题,亟需利用气象学、水文学及河流动力学等多学科知识,采用现场调查、物理试验、数值模拟及理论分析相结合的方法,从传统单一的山洪洪水灾害研究扩展为全类型山洪灾害(山洪洪水灾害、山洪水沙灾害、山洪泥石流灾害)研究,开展全类型山洪引发的冲毁—淤埋—淹没等复合致灾研究,系统探究中国重灾省区重大山洪灾害事件的强降水时空演变规律,剖析极端降雨与强人类活动复合作用下多类型山洪形成及其演进致灾范围、规模特征,揭示气象水文溪河响应与强人类活动影响的不同类型山洪灾害致灾成因,建立气象水文水沙动力过程模拟方法,辨识山丘区流域全类型山洪冲毁—淤埋—淹没风险,提出不同类型山洪灾害易发区识别方法,构建山洪洪水灾害、山洪水沙灾害及山洪泥石流灾害分区分级多指标预警防御方法。该研究有利于提升中国山洪灾害理论技术研究水平,进一步完善中国山洪灾害防治对策。

关键词：山区流域极端降雨强人类活动山洪灾害致灾成因

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高山峡谷区山洪沟口泥沙堆积特征数值试验

工程科学与技术 2024年第1期56卷 237-244页

作者：聂一品兰玲王协康四川大学山区河流保护与治理全国重点实验室四川成都610065

山洪泥石流是高山峡谷区一种常见的自然现象,其运动过程通常伴随剧烈的沟道侵蚀,并在沟口形成显著的泥沙堆积体。由于高山峡谷地区山高谷深,难以通过实地调查及模型实验等传统的研究手段追踪沟床泥沙受山洪泥石流冲刷的运动过程,无法揭... 详细信息

山洪泥石流是高山峡谷区一种常见的自然现象,其运动过程通常伴随剧烈的沟道侵蚀,并在沟口形成显著的泥沙堆积体。由于高山峡谷地区山高谷深,难以通过实地调查及模型实验等传统的研究手段追踪沟床泥沙受山洪泥石流冲刷的运动过程,无法揭示山洪泥石流挟带泥沙的堆积形态及堆积体中泥沙粒径分布特征,易产生对灾害影响范围估计不足导致的区域人员伤亡和财产损失。为探究山洪沟口泥沙堆积形态和粒度特征,以概化的高山峡谷区山洪沟为研究对象,采用耦合的计算流体力学(CFD)与离散单元法(DEM)数学模型,模拟了受到不同流变特性山洪泥石流冲刷的泥沙颗粒在沟口的堆积过程,重点分析了山洪泥石流体积浓度对堆积区中不同粒径泥沙颗粒堆积发展过程的影响。结果表明:泥沙堆积体的发展速度随着山洪泥石流体积浓度增加呈现先增加后减小的趋势,过高的体积浓度促使堆积体形态发生改变。泥沙平均堆积距离随时间变化可以分为高速增加、初次减速、增速恢复和稳定发展4个阶段。随着粒径的增大,泥沙与堆积体中心的平均距离也增大但堆积分散程度减小。泥沙颗粒的分散程度随时间变化过程与泥沙粒径和体积浓度密切相关,可以使用具有3个参数的幂函数对这个过程进行预测。泥沙颗粒粒径的增大加快其在堆积体中的分散速度而山洪泥石流体积浓度的增大使泥沙颗粒的分散速度先增加后减小。研究可为进一步理解山洪泥石流堆积致灾机理提供科学依据。

关键词：高山峡谷区山洪沟泥沙堆积堆积形态 CFD–DEM

基于Delta分位数映射法的青藏高原中东部IMERG卫星降水误差订正

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高原气象 2024年第2期43卷 366-380页

作者：杜娟于晓晶黎小东敖天其四川大学水利水电学院四川成都610065 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065 新疆大学地理与遥感科学学院新疆乌鲁木齐830046

可靠的降水资料对理解青藏高原水量平衡和水循环过程尤为重要。IMERG(Integrated MultisatellitE Retrievals for Global Precipitation Measurement)是新一代卫星降水产品,具有更广的覆盖范围与更高的时空分辨率,但在高原复杂地形条件... 详细信息

可靠的降水资料对理解青藏高原水量平衡和水循环过程尤为重要。IMERG(Integrated MultisatellitE Retrievals for Global Precipitation Measurement)是新一代卫星降水产品,具有更广的覆盖范围与更高的时空分辨率,但在高原复杂地形条件下仍然存在较大的不确定性。鉴于此,本研究应用Delta分位数映射法(Quantile Delta Mapping,QDM),对IMERG日降水数据进行偏差订正,使用2001-2010年的中国区域地面气象要素数据集(China Meteorological Forcing Dataset,CMFD)降水数据和IMERG日降水产品分季节建立传递函数,对2011-2014年的IMERG逐日降水进行订正。研究结果表明:(1)Delta分位数映射法能够有效订正IMERG的降水频率、数值和空间分布,对极端降水和负偏差较大区域的订正效果更为明显。订正后的IMERG降水概率分布更加接近观测概率分布,降水偏差也更符合正态分布,改进了对全年和季节降水空间分布的刻画,提高了月降水的精度。(2)订正后日降水量均方根误差由1.49 mm·d^(-1)降低到1.26 mm·d^(-1),精度提高了15.44%;订正后的日降水在不同降水量级的临界成功指数CSI、命中率POD、误报率FAR、准确率Precision和F评分Fscore均有提高,降低了微量和暴量降水的空报率。(3)对极端降水的订正效果显著,降水强度SDII以及极强降水量R95p和R99p的均值更接近观测值;有效提高了对极端降水空间分布的表征,极端降水偏差从30%以上降低到5%以内;SDII、R95p和R99p的均方根误差从1.59 mm·d^(-1)、6.54 mm·d^(-1)、14.89 mm·d^(-1)降为0.65 mm·d^(-1)、3.01 mm·d^(-1)、8.99 mm·d^(-1),精度分别提高了59.12%、53.98%和39.62%。本研究验证了Delta分位数映射法在青藏高原的适用性,有利于为青藏高原气象和水文研究获取更精确的降水数据。

关键词：青藏高原 IMERG卫星降水偏差订正 Delta分位数映射法

近60年三江源地区降水集中度和季节性降水特征变化分析

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高原气象 2024年第4期43卷 826-840页

三江源作为“中华水塔”,是中国重要的淡水之源和生态系统屏障。降水集中度、季节降水量、降水频率和降水强度的演变是气候变暖背景下水循环的关键过程,对植被生长和水资源管理具有重要意义。本研究利用中国气象局1961-2020年的CN05.1... 详细信息

三江源作为“中华水塔”,是中国重要的淡水之源和生态系统屏障。降水集中度、季节降水量、降水频率和降水强度的演变是气候变暖背景下水循环的关键过程,对植被生长和水资源管理具有重要意义。本研究利用中国气象局1961-2020年的CN05.1日降水格点数据,计算了三江源的降水集中度指数(Precipitation Concentration Index,PCI),厘清了三江源降水集中度和降水年内分配的演变规律,研究了季节降水量、降水频率和降水强度的气候态、年际变化、长期趋势以及距平变化。研究结果表明:(1)三江源地区降水集中指数PCI为17.5,降水具有一定集中性;整个区域PCI由东南向西北递增,降水集中度增大;近60年三江源地区PCI以-1.71%·(10a)^(-1)的变化率减小,降水的年内分配趋于均匀;生长季降水分配的减少将影响该地区农业生产和生态系统的维持。(2)近60年不同季节降水量和降水强度整体呈现显著增加趋势,夏季降水频率减少,其他季节降水频率增加;春夏秋三个季节降水强度的增加主导了降水量的增加,冬季降水频率的增加主导了降水量的增加。冬春季增湿高于夏秋季,春季降水量和降水强度的增长率为8.09%·(10a)-1和6.94%·(10a)^(-1),冬季降雪量和降雪频率的增长率为7.27%·(10a)^(-1)和4.4%·(10a)^(-1);长江源区部分地区的旱涝分布趋于极端化,生态系统的脆弱性加剧。(3)近60年三江源区域平均的降水量、降水频率和降水强度以每年1.36 mm、0.024%和0.0056 mm·d^(-1)的数值增加;降水量、降水频率和降水强度累积距平整体呈现负距平,突变年份分别为2003年、1989年和2003年;雨季降水频率减小,降水强度增加,旱季降水频率和降水强度均增加,这种变化在近10年尤为剧烈。本研究可以为该地区土壤侵蚀、农业生产、水资源管理以及气候变化相关研究提供参考。

关键词：三江源降水集中度降水频率降水强度

若尔盖草甸型弯曲河流侵蚀过程机制与计算模型研究

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工程科学与技术 2024年

作者：邓漩刘超李龙国鲁恒李乃稳四川大学水利水电学院四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点试验室

若尔盖草原作为黄河上游关键水源涵养地，河流岸线侵蚀崩塌问题日益凸显，严重影响草原生态和水源涵养功能。因此以若尔盖草甸型弯曲河流为研究对象，调查了若尔盖草原自然环境特征及河道岸线侵蚀破坏现状，深入探讨了河岸侵蚀过程机制... 详细信息

若尔盖草原作为黄河上游关键水源涵养地，河流岸线侵蚀崩塌问题日益凸显，严重影响草原生态和水源涵养功能。因此以若尔盖草甸型弯曲河流为研究对象，调查了若尔盖草原自然环境特征及河道岸线侵蚀破坏现状，深入探讨了河岸侵蚀过程机制及其影响因素。研究全面分析了长期洪水冲刷、植被根系锚固、冻融和渗流潜蚀耦合作用下的侵蚀破坏机制，揭示了河流岸线侵蚀是由下部粉砂层及砾石夹砂层的冲刷、上部草甸层的坍塌以及渗流和冻融影响共同作用的结果，水流冲刷力与土体抗冲能力的相对大小决定了岸坡的稳定性。同时，通过详细分析土层土粒结构、土层厚度、水流深度、弯曲度及渗流等土体参数与河道参数，构建了具有针对性的计算模型，并通过计算模型与实地测量相结合的方法，验证了BSTEM(bank stability and toe erosion model)模型河岸坡脚侵蚀量和侵蚀速率的模拟结果，证明了计算模型的科学性与可靠性，这种综合研究方法不仅提高了研究的深度和广度，而且为河岸侵蚀的防控提供了更加全面和有效的技术支撑。

关键词：草甸型弯曲河流侵蚀机制计算模型岸坡稳定性