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星载GNSS-R反演土壤湿度研究进展与思考

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武汉大学学报（信息科学版） 2024年第1期49卷 15-26页

作者：张双成郭沁雨马中民刘奇胡胜伟周昕赵贺斌长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室陕西西安710054 地理信息工程国家重点实验室陕西西安710054

土壤湿度作为陆地水循环中最为活跃的部分,在陆面水分的形成、转化和消耗过程中扮演重要角色,同时它也是影响水文过程、植被状态及气候条件的关键参数。传统的直接测量法耗时耗力,无法实现大范围监测需求,而光学遥感法易受云层、植被遮... 详细信息

土壤湿度作为陆地水循环中最为活跃的部分,在陆面水分的形成、转化和消耗过程中扮演重要角色,同时它也是影响水文过程、植被状态及气候条件的关键参数。传统的直接测量法耗时耗力,无法实现大范围监测需求,而光学遥感法易受云层、植被遮蔽,微波遥感法则无法兼顾时空分辨率。首先,介绍利用全球导航卫星系统反射测量(global navigation satellite system-reflectometry,GNSS-R)技术反演土壤湿度的基本理论,并分析反演过程中出现的误差源以及现有的误差校正方法及其局限性。然后,从3个方面分析了近年来星载GNSS-R反演土壤湿度的研究进展:(1)星载GNSS-R星座发展现状;(2)星载GNSS-R反演土壤湿度的算法综述,包括经验模型、半经验模型和机器学习方法;(3)融合星载GNSS-R与其他数据反演土壤湿度的进展及方向。最后,讨论了目前利用星载GNSS-R技术反演土壤湿度所面临的技术难点,并对未来研究重点进行展望。

关键词：星载GNSS-R 土壤湿度机器学习旋风全球导航卫星系统

考虑干湿循环影响的残积土μ–CT扫描与渗流模拟

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工程科学与技术 2024年第2期56卷 228-235页

作者：安然陈昶牛玉璋武汉科技大学城市建设学院湖北武汉430065 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

花岗岩残积土广泛分布于中国东南沿海地区,其孔隙结构常因炎热多雨环境引起的干湿循环而发生扩张,改变土体的渗透性能,诱发工程事故。为了揭示干湿循环作用下花岗岩残积土细微观结构与渗透特性的演变规律,对原状样进行0到8次的脱湿–吸... 详细信息

花岗岩残积土广泛分布于中国东南沿海地区,其孔隙结构常因炎热多雨环境引起的干湿循环而发生扩张,改变土体的渗透性能,诱发工程事故。为了揭示干湿循环作用下花岗岩残积土细微观结构与渗透特性的演变规律,对原状样进行0到8次的脱湿–吸湿处理,开展微米计算机层析(μ–CT)扫描试验以获取土体的3维数字化模型,并结合扫描结果与AVIZO软件进行多通道渗流模拟,最后根据试验结果分别从定性和定量角度探究了土体孔隙体积分布与渗透系数的演化规律。结果表明:根据μ–CT扫描的图像结果,花岗岩残积土内部结构被划分为赤铁矿、石英、黏土和孔隙;3维重构模型反映了孔隙结构的扩张与连通模式,孔隙数量和尺寸在干湿循环过程中明显提高,孔隙率和孔隙连通率均与循环次数呈正相关;根据孔隙体积分布曲线可将土中孔隙分为微孔、中孔、大孔和裂隙4种类别,小体积微孔在干湿循环过程中逐渐转化为大体积的连通裂隙;3维渗流模型中的流线数量和分布密度随干湿循环次数增加而明显提高,由渗流模拟计算得到的绝对渗透率和渗透系数也不断增大;渗透系数的计算值总体上与实测值的演化规律相符,说明基于μ–CT扫描结果的渗流模拟可作为评价土体渗透特性的一种辅助手段。研究结果为深入了解花岗岩残积土渗流特性的环境损伤效应提供了重要的参考价值。

关键词：花岗岩残积土干湿循环 μ-CT扫描 3维数字化模型渗流模拟

考虑融雪及土壤冻融的新安江模型及其应用——以雅砻江上游径流模拟为例

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水科学进展 2024年

作者：董宁澎王浩余钟波杨明祥张居嘉徐世琴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河海大学水灾害防御全国重点实验室 Hydrology， Agriculture and Land Observation Laboratory， Division of Biological and Environmental Science and Engineering， King Abdullah University of Science and Technology

寒区为中国大江大河的主要产流区，其径流预报精度直接影响下游水利工程调度和水资源科学管理。针对传统概念性水文模型较少考虑积雪融雪及土壤冻融过程对径流过程的叠加影响这一问题，以新安江模型为基础，以降水量和气温为驱动数据，... 详细信息

寒区为中国大江大河的主要产流区，其径流预报精度直接影响下游水利工程调度和水资源科学管理。针对传统概念性水文模型较少考虑积雪融雪及土壤冻融过程对径流过程的叠加影响这一问题，以新安江模型为基础，以降水量和气温为驱动数据，提出了基于“等效土壤温度”和“土壤冻融特征曲线”的概念性土壤冻融模块来刻画积雪融雪及土壤冻融共同影响下的流域产流过程，构建了考虑融雪产流和土壤冻融的新安江模型。以雅砻江甘孜水文站以上流域为典型研究区，开展了流域2017—2022年冰雪消融期逐小时的径流模拟分析。结果表明，相比于HBV模型，考虑融雪产流和土壤冻融的模型可以显著提升流域冰雪消融期的水文模拟精度，各年份消融期径流的纳什效率系数中位数由0.69提升至0.83，相关系数中位数由0.88上升至0.92。本研究所提出的考虑融雪及土壤冻融的新安江模型可以为寒区的水文业务预报提供科学支撑。

关键词：寒区融雪产流土壤冻融新安江模型水文预报

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PCCP断丝破坏规律Ⅱ:数值模拟研究

水利学报 2024年第1期55卷 48-59,70页

作者：窦铁生董晓农牛文龙李炎隆宁靖华黎康平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 西安理工大学北旱区生态水利国家重点实验室陕西西安710048 中国电建集团山东电力管道工程有限公司山东济南250117

目前预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,PCCP)断丝的数值模拟要么整圈删除断丝,要么将断丝的预应力损失范围假设为固定值,无法依据砂浆损伤程度来判断断丝预应力损失范围是否扩展。本文通过抽象分析砂浆、预应力... 详细信息

目前预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,PCCP)断丝的数值模拟要么整圈删除断丝,要么将断丝的预应力损失范围假设为固定值,无法依据砂浆损伤程度来判断断丝预应力损失范围是否扩展。本文通过抽象分析砂浆、预应力钢丝和管芯混凝土之间的两两相互作用机制,引入弹簧单元、内聚力模型和塑性损伤模型,提出了管芯混凝土预压应力施加、任意位置钢丝割断和断丝预应力损失范围扩展的全过程模拟方法,明确了调控断丝预应力损失范围的初始大小、扩展时机和扩展幅度的关键参数。基于原型试验建立了恒定内压下集中和离散断丝的数值模型,从内压加载到断丝破坏的全过程角度验证了新模拟方法的合理性,揭示了管芯的预应力损失和破坏规律,使实际工程中各种三维断点分布的模拟成为可能,可为更精准地预测和评估断丝PCCP结构性能提供新手段。

关键词： PCCP 集中断丝离散断丝数值模拟方法预应力损失破坏

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光滑床面上智能泥沙颗粒弱起动过程试验研究

泥沙研究 2024年第1期49卷 16-23页

作者：马崟凯及春宁许栋谭红唯冉启华天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072 河海大学水利部水循环与水动力系统重点实验室江苏南京210024 河海大学水利水电学院江苏南京210024

为揭示泥沙起动的微观力学机制,通过在圆球中植入无线陀螺仪传感器制作智能泥沙颗粒,进行明渠水槽起动试验,结合视觉测量技术,实时采集颗粒位移、速度、加速度、角速度等高频数据,研究不同来流流速对粗颗粒泥沙弱起动过程影响的动力机... 详细信息

为揭示泥沙起动的微观力学机制,通过在圆球中植入无线陀螺仪传感器制作智能泥沙颗粒,进行明渠水槽起动试验,结合视觉测量技术,实时采集颗粒位移、速度、加速度、角速度等高频数据,研究不同来流流速对粗颗粒泥沙弱起动过程影响的动力机制。试验发现,粗颗粒泥沙起动是一个平动和转动叠加的复杂动力过程,呈现出绕流脱涡激励下的横流向和顺流向摆动及周期性转动等运动模式,具体模式和颗粒雷诺数密切相关,试验工况中,颗粒雷诺数为386时横流向摆动现象最显著。基于测量数据,进一步分析了颗粒起动过程中的冲量和动能特性。

关键词：智能泥沙颗粒颗粒雷诺数泥沙起动水槽试验

基于水资源配置模型的供水安全韧性评价—以北京市为例

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水利水电技术(中英文) 2024年

作者：王利贺华翔游进军任政薛志春河北工程大学水利水电学院河北工程大学河北省智慧水利重点实验室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市水科学技术研究院

【目的】在全球气候变化背景下，人类活动加剧引发城市供水风险增加，尤其是特大型城市供水安全面临巨大挑战。为评估特大城市在供水风险事件中可能受到的影响以及承受风险的能力，【方法】通过解析供水安全韧性内涵，选取风险率、可恢... 详细信息

【目的】在全球气候变化背景下，人类活动加剧引发城市供水风险增加，尤其是特大型城市供水安全面临巨大挑战。为评估特大城市在供水风险事件中可能受到的影响以及承受风险的能力，【方法】通过解析供水安全韧性内涵，选取风险率、可恢复性、稳定性和脆弱性作为评价指标，以模糊综合评价法评价供水安全韧性；以北京市为例，通过分析城市供水安全涉及的风险场景，设置了三种供水风险组合情景；采用ROWAS水资源调配模型，模拟各情景的缺水方案，评价北京市整体及各区域的供水安全韧性。【结果】研究结果表明：（1）各情景下区域供水安全韧性的空间差异性较大；（2）通过各情景对比分析，识别了与水源保障范围相匹配的供水薄弱区域，为提高局部区域供水保障能力指明了方向；（3）在最不利情景（情景3）下，北京市整体供水安全韧性水平较低，评价值仅为0.116，与情景1相比下降68.8%，与情景2相比下降12.5%，进一步说明外调水对北京市供水系统的重要性。【结论】该方法通过情景模拟，有助于识别特大城市各区域在应对供水风险事件中存在的区域短板，为提升城市供水安全保障能力、风险管理的超前决策水平提供技术支撑。

关键词：供水安全韧性供水风险情景组合 ROWAS模型模糊综合评价北京市

基于CEEMDAN-CNN-GRU-LSTM的边坡变形预测模型

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武汉大学学报(工学版) 2024年

作者：周新新郑东健储冬冬赵汉施彦彤河海大学水利水电学院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏省水利科学研究院

为提高边坡位移变形预测精度，针对边坡变形的突变性和复杂性，首先采用自适应噪声完备集合经验模态分解将初始边坡位移变形序列分解为多个平稳的子序列；其次，通过卷积网络进一步挖掘子序列时序特征，利用门控循环单元对重构的子序列... 详细信息

为提高边坡位移变形预测精度，针对边坡变形的突变性和复杂性，首先采用自适应噪声完备集合经验模态分解将初始边坡位移变形序列分解为多个平稳的子序列；其次，通过卷积网络进一步挖掘子序列时序特征，利用门控循环单元对重构的子序列进行预测；然后，运用长短期神经网络对产生的残差序列进行训练，得到残差预测值；最后集成初始预测值和残差预测值，得到最终预测结果。根据某水电站边坡的分析结果，本文提出的预测模型较于其他模型具有较高的拟合度和较低的预测误差，能够更精确地预测边坡变形。

关键词：边坡预测自适应噪声完备集合经验模态分解卷积神经网络门控循环单元长短期记忆神经网络残差分析

基于水龄分布特征的突发水污染水质演变快速预测方法——以蠡湖为例

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武汉大学学报(工学版) 2024年

作者：李嘉霖王玲玲徐项哲赵永刚季益柱徐津胡礼涵朱海水文水资源与水利工程科学国家重点实验室河海大学河海大学水利水电学院水利部水循环与水动力重点实验室河海大学无锡德林海环保科技股份有限公司中水淮河规划设计有限公司

为了分析了不同活水方案下蠡湖水龄的时空分布特征，并应对水体突发水污染问题，（进行模拟研究），并提出了一种基于水龄的水质演变快速预测方法。模拟结果表明，选择由长广溪节制闸进水、环湖河闸和曹王泾闸出水、流量配比为2:1的活... 详细信息

为了分析了不同活水方案下蠡湖水龄的时空分布特征，并应对水体突发水污染问题，（进行模拟研究），并提出了一种基于水龄的水质演变快速预测方法。模拟结果表明，选择由长广溪节制闸进水、环湖河闸和曹王泾闸出水、流量配比为2:1的活水方案，可有效降低蠡湖全湖的平均水龄，并最大化活水区面积。综合分析水龄分布规律，总结并提出了一种基于水龄的水质演变快速预测方法；该方法利用水龄分布的模拟成果，可快速确定污染物的输移路径和到达时间，大幅缩短了预测时间，为突发水污染事故的应急处置提供了有效支撑。研究结果表明，该方法的预测结果与传统水动力-水质耦合模型的模拟成果相吻合，且具有更为快速且便捷的特点。成果对于推动各类水体的水质安全管理具有重要的理论和实践价值。

关键词：水龄突发水污染水质快速预测水安全蠡湖

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循环加卸载下大理岩渐进损伤的能量特性研究

岩土力学 2024年第8期45卷 2373-2386页

作者：刘晓裴江权李邵军辛杰陈朋飞中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049

为探究锦屏大理岩渐进损伤过程中的能量特性,开展了5种围压下岩样的三轴循环加卸载试验,分析了循环加卸载下大理岩渐进损伤的弹性模量演化、能量演化及分配规律、能量演化的围压效应、损伤演进特性,并系统剖析探讨了基于能耗比和能耗差... 详细信息

为探究锦屏大理岩渐进损伤过程中的能量特性,开展了5种围压下岩样的三轴循环加卸载试验,分析了循环加卸载下大理岩渐进损伤的弹性模量演化、能量演化及分配规律、能量演化的围压效应、损伤演进特性,并系统剖析探讨了基于能耗比和能耗差定义的两种岩石强度失效的能量判据。研究结果表明:大理岩从初始屈服到进入残余阶段的整个变形破坏过程中,加载段弹性模量和卸载段弹性模量均呈现单调退化的弹塑性耦合特征,应避免采用弹性模量不变假定计算弹性应变能带来的偏差;围压升高不仅能够有效提升大理岩的吸能和储能效率,也能强化大理岩的吸能和储能极限,同时还能抑制大理岩的能量耗散效率和耗散能的提升幅度;岩样从峰前到峰后的能量演化是一个弹性能占比逐渐降低,耗散能占比逐渐升高的过程,残余阶段能量占比趋于稳定,其残余弹性能和残余耗散能均随着围压的增加呈现近似线性的增长,而最大弹性能和最大耗散能则随着围压的增加呈现非线性的增长。考虑初始损伤和残余承载力修正的损伤演化方程能很好地捕捉不同围压下岩样基于耗散能定义的损伤变量的变化特征。进而,基于能量相对比例定义的能耗比判据可视为大理岩的材料失效判据,基于能量绝对差值定义的能耗差判据可视为大理岩的结构失效判据。

关键词：大理岩循环加卸载能量演化特征损伤特性失效判据