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界面捕捉的迭代校正水平集方法
张海容;赵兰浩;钱声源;【目的】Level Set (LS)水平集方法作为模拟移动界面的重要工具，但标准LS方法的重新初始化过程会因界面扰动导致严重的质量不守恒问题。现有改进方案往往以牺牲标准LS方法简洁性或高效性来改善界面精度。【方法】为此，本文提出一种界面迭代校正的水平集方法，采用内-外迭代求解方案驱使扰动界面回到正确位置以保持质量守恒性。其中外迭代维持符号距离函数特性；内迭代则基于界面几何位置计算界面插值点的扰动误差，并将其迭代重分配到相邻网格节点至扰动误差趋于零，通过直接校正扰动界面，保持了算法的简洁性。【结果】通过多个经典算例进行验证，结果显示：本文方法在静止、运动以及剧烈拓扑变化的界面算例中，能将质量损失控制在0.62%以内，较标准LS方法的质量误差降幅超一个数量级，而计算耗时相比同精度的单层粒子水平集（OPLS）方法可降低至40%以下。在矩形坝渗流自由面算例中，本文方法所得结果与解析解高度吻合。【结论】结果表明：本文方法具有良好的质量守恒性与界面精度，在降低网格分辨率与计算成本情况下，可获得优于标准LS方法在高分辨率网格中的结果，为求解自由面流动问题提供了一种兼具质量守恒性和计算效率的数值模拟方案。
静态破碎作用下顺倾岩质边坡物理模型多场信息演化与破坏前兆特征研究
郑爱淋;安友豪;李麟玮;李依玲;龙清华;查祖梅;【目的】为揭示静态破碎作用下顺倾岩质边坡物理模型的多场信息演化规律与破坏前兆特征，并为施工安全监测预警提供理论与技术支撑，开展静态破碎作用下顺倾岩质边坡物理模型试验研究。【方法】以贵州省贵阳市二铺村某顺倾岩质边坡为例，按1:30相似比构建物理模型，利用微震、红外热像、土压力及高速相机共同组成的多源监测系统，研究模型的宏观变形破坏特征及多场信息演化过程。【结果】结果表明：（1）在静态破碎剂膨胀作用下，模型失稳经历了微裂纹萌生、局部变形集中、裂缝贯通至块体分离的渐进过程，并依据位移切线角可将此过程划分为初始变形、匀速变形、加速变形和临界滑动四个阶段；（2）模型在静态破碎过程中呈现出明显的多场信息差异演化规律，即土压力与微震信号响应最早，红外热像响应相对滞后，位移场变化最晚但最为清晰直观；（3）模型的多场信息演化具有显著的互补特征，相较于单一监测手段，多场融合监测更能体现边坡失稳破坏前兆信息的可靠度。【结论】顺倾岩质边坡的静态破碎失稳是应力场、位移场、温度场与微震信号耦合演化的结果。因此，应构建以位移为核心、微震与土压力为早期判据、红外热成像为辅助验证的多源协同监测体系，以提升静态破碎施工中岩质边坡失稳前兆识别的准确性与有效性。
青藏高原梯级水电建设对植被总初级生产力的影响
程译萱;雷俊杰;欧阳海军;张原;裴向军;李景吉;陈果;唐晓鹿;【目的】以青藏高原两座典型梯级水电站为研究对象，评估高寒高海拔水电建设对植被总初级生产力(GPP)的影响及其驱动机制。【方法】基于 DEM 水文分析界定影响范围，结合卷积神经网络降尺度方法与 CASA 模型，模拟了 2005—2022 年逐年 30m分辨率植被 GPP时空分布，采用趋势分析、稳定性分析等揭示了GPP时空变化特征及主导因子。【结果】模拟 GPP 与 MODIS和 PML-V2(中国)GPP 具有较好一致性，R2分别为0.913 和 0.853，RMSE 分别为 90.09 和 143.53gC·m-2·a-1，表明CASA模型能较好预测研究区GPP时空变化。2005—2022 年研究区 GPP 总体呈上升趋势，最低值和最高值分别出现在 2010 年和 2021 年(329.08 和428.43gC·m-2·a-1)。研究周期内GPP 增加区域占 89%，建设期增长区域占比降至82%。驱动因子分析表明人类活动和温度是主要控制因子，整个研究周期其贡献率分别为 0.289 和 0.283；建设中人类活动为主要控制因子，贡献率为 0.302。【结论】30m分辨率 GPP 数据能够有效支撑青藏高原梯级水电建设影响区植被固碳功能的时空表征。研究区 GPP 整体呈上升趋势，工程建设未改变 GPP 的基本空间格局，但建设中局部区域 GPP 增长受到一定抑制；建设后部分区域 GPP 出现短期回升迹象，但其变化仍具有一定年际波动和空间差异。研究结果可为高寒高海拔水电工程建设影响评估及生态保护修复提供科学依据。
多目标优化下MOPSO与NSGA-II算法在林海水库防洪调度中的性能比较
孙昊;周毓彦;朱少石;程瑶;尹泽迎;陈兆宇;王麒成;任佳乐;【目的】牡丹江上中游流域是我国东北地区的雨极，2023年8月该流域发生有记录以来的特大洪水，对区域防洪工程体系提出了更高要求。为支撑在建的林海水库工程选择应对极端水文事件的优化调度方法，【方法】以过去70年内4场不同重现期的典型洪水过程为试验场景，在算法稳定性、优化效果、计算效率与适用场景等方面，比较了MOPSO与NSGA-II优化算法在在建水库防洪调度中的优化性能。【结果】结果表明：两种优化算法呈现出显著的性能差异与明确的适用场景，在稳定性方面，NSGA-II洪峰流量标准差均低于MOPSO，水位标准差控制在0.11～0.24m，优于MOPSO的0.18～0.36m；在优化效果上，MOPSO在极端洪水（重现期≥30a）中的平均削峰率达31.1%，优于NSGA-II的23.2%；而NSGA-II在中低频洪水（重现期<30a）中综合表现更佳，平均削峰率为16.6%，优于MOPSO的10.2%；计算效率上，MOPSO优势明显，其平均求解时间仅为119.1s，约为NSGA-II的52.5%，具备快速响应能力。【结论】研究表明MOPSO适用于极端洪水的快速应急调度，而NSGA-II在对稳定性和多目标均衡性有更高要求的中低频洪水方面更具优势。
季节性冰封水库热分层与底层缺氧对气候变化的响应研究
关昊鹏;李依杭;刘淑敏;范思琦;【目的】针对气候变化对季节性冰封水库水环境的显著影响并引发严重供水安全问题，为保障水库供水水质，有必要定量识别气温升高与水位波动对底层水温与溶解氧(DO)的关键影响阈值，为水库适应性调度提供科学依据。【方法】以东北地区大型水源汤河水库为研究对象，通过构建基于Delft3D的三维水动力水质耦合模型，模拟未来气候情景与运行水位组合下水库底层水温与DO的动态演变过程。模型经实测数据验证，水温与DO模拟的决定系数(R2)分别高于0.96和0.88，表明模型性能优越。【结果】结果表明：未来气候变暖与库水位波动的共同作用将显著改变水库底层水热与DO时空分布规律。底层水温随气温升高而显著上升，且受运行水位调控影响，高排放高水位运行情形下水库热分层持续时间达到最长的219天，高排放低水位运行时水库热分层出现时间提前且底层水温达到最高的23.96℃。水库底层DO平均浓度随气温升高而下降，从低排放高水位运行情景的8.21 mg/L降至高排放低水位运行情景的6.07 mg/L；同时，厌氧持续时间从107天延长至154天。【结论】气候变化与运行水位下降会显著加剧水库的热分层现象及底层缺氧风险，需采取动态预警与生态调适相结合的综合防控措施。借助Delft3D水动力水质耦合模型，可基于气候变化模式，定量识别气温与运行水位影响上述过程的关键阈值，为水库在气候变化背景下的水质风险管理提供了具体且可操作的决策依据。
水电站日内调峰对鱼类栖息地适宜性影响
韩宇瑶;王军;王航;陈俊光;李欣桐;王远铭;【目的】控制性电站泄流深刻改变了河流的水文过程与水动力特征，日调节水电站的日内调峰可对上游控制性电站泄流形成的流量过程进行再调节，但这种再调节作用对坝下鱼类栖息地的影响尚不明晰。【方法】以泸定南桥产卵场河段为研究对象，构建平面二维水动力模型，基于泸定水电站2018—2021年齐口裂腹鱼产卵期(3、4月)典型日的逐时入库、出库流量过程，模拟分析各典型流量工况下，以及典型日内逐时流量过程下产卵场河段的水动力特征，并采用栖息地模拟法，分析各典型流量下产卵适宜栖息地的空间分布规律和水电站日内调峰对栖息地加权可利用面积(Weighted Usable Area，WUA)日内变化的影响。【结果】流量变化显著影响泸定南桥产卵场河段的流速与水深分布，其WUA随流量增加而呈单峰变化，并在80m3/s时达到峰值(3.38万m2)。从生境总体水平上看，相较于入库流量情景，出库流量情景下大部分典型日的WUA平均值小幅下降，下降率为1.96%～10.45%，日内WUA最低值显著提升，提升率为13.82%～40.89%。从生境稳定性上看，出库流量情景下多数典型日的生境变异系数、日内WUA平均变化量出现下降，仅2020年部分典型日内的生境变异系数、日内WUA平均变化量上升。从短时生境退化风险上看，大部分典型日内的WUA小时最大减量降低，下降量为903～11747m2。但在2020年3、4月典型日，出库流量情景的WUA小时最大减量上升。【结论】泸定水电站日内调峰对产卵场栖息地的影响因调度过程而异，其日调度在大部分典型日内对泸定南桥产卵场河段的生境总体水平影响较小，但在一定程度上提高了产卵场栖息地的稳定性，降低了短时生境退化风险。而在个别调度工况下，其调度仍可能增加产卵场的生境波动和短时生境退化风险。
基于SD模型与空间均衡耦合的干旱区县域水资源适水发展路径识别
常文娟;谌雪丽;张瑞芹;甘治国;马海波;【目的】识别典型干旱区水资源供需失衡的演变特征及不同调控路径下的系统响应，为区域水资源优化配置与调控提供依据。【方法】以西北干旱区新疆昌吉州为研究对象，构建水资源供需失衡指数与空间均衡度评价体系，建立适用于干旱区的系统动力学(SD)模型，以2009—2023年为模型率定与检验期、2024—2035年为预测期，设置维持现状型(S1)、经济发展型(S2)、节约用水型(S3)和协同发展型(S4)4种情景，对未来需水规模及供需匹配状态进行动态模拟。【结果】2035年，S1情景下昌吉州空间均衡度约为0.49，总缺水量约3.9亿m3，供需失衡程度较高；S2情景下，二、三产业增长参数提高后，区域需水规模进一步扩大，供需失衡程度加剧；S3情景下，通过降低灌溉定额和单位GDP用水强度等措施，需水规模得到有效压缩，失衡程度明显下降；S4情景下，在保持一定经济增长水平的同时实施节水措施，供需失衡程度明显改善，但局部县域仍存在一定供需缺口。【结论】昌吉州各县区水资源供需失衡主要受需求规模扩张与用水强度变化共同影响。在供给能力有限条件下，提高农业灌溉和产业用水效率是缓解供需失衡的重要抓手；在所设情景边界下，协同发展情景下的供需协调状况相对较优。所构建的SD模型可为干旱区水资源优化配置、分区调控和情景决策提供技术参考。
基于Stacking集成的隧道掌子面地下水出水状态智能识别模型
蒋浩然;余海涛;何蕊豫;周宇航;严张萍;唐鑫;【目的】在隧道施工阶段，地下水常是诱发地质灾害的主要因素之一，它会导致岩体软化，削弱围岩的稳定性、破坏支护结构。传统探测和检测地下水的方法不仅耗时费力，而且难以实现对地下水的动态监测。【方法】为快速判识掌子面的出水状态，提出了一种结合可见光图像与机器学习的地下水出水状态智能识别模型。首先在隧道施工现场采集掌子面图像用于构建样本数据库；然后采用三种深度学习模型提取图像特征，基于提取的特征训练SVM、GB、KNN三种地下水出水状态识别基模型；最后通过Stacking集成三个基模型构建地下水出水状态智能识别模型。【结果】结果显示：智能识别模型对测试集的地下水出水状态判识准确率为88.56%；在型现场应用中，判识准确率也达到了89.23%。【结论】结果表明：可见光图像结合机器学习可在隧道地下水地质灾害监测中发挥重要作用；与三种基模型相比，通过Stacking集成后的智能识别模型在测试集上的判识准确率平均提高了3.32%，并且对各类地下水出水状态的判识精确率平均提高了3.33%，召回率平均提高了4.36%，f1分数平均提高了4.00%。
基于多源信息监测与离散元模拟的垂直节理岩石破坏机制研究
白东锋;姚红志;尹乾;乙司建;聂新新;孟波;【目的】深部煤矿巷道帮部围岩多呈现垂直节理发育特征，在采动扰动与地应力耦合作用下易诱发裂纹扩展与结构失稳。为深入揭示垂直节理岩体在单轴荷载作用下的力学响应与破坏机理，【方法】以宁夏羊场湾煤矿围岩为研究对象，开展单轴压缩试验并引入多源信息监测，系统获取应力-应变曲线、声发射信号、纵波波速、能量演化、位移场及视电阻率等全过程数据。同时，基于PFC3D构建节理岩石的三维离散元数值模型，对裂纹扩展、位移场分布、力链及强接触力演化特征进行细观模拟分析。【结果】结果表明，垂直节理岩石的变形破坏过程可划分为压密、弹性和峰后波动失稳三个阶段，其破坏模式表现为节理控制的张拉劈裂与偏心弯折复合特征。峰前阶段以弹性储能为主，声发射与能量耗散较弱；峰后阶段裂纹快速贯通，伴随声发射急剧增强、波速下降、电阻率升高及能量耗散迅速累积。数值模拟结果与试验高度一致，揭示了“节理优先起裂-裂纹沿节理扩展-相邻节理桥接-宏观弯折破坏”的演化规律。【结论】研究表明，垂直节理结构在控制岩体强度极限与破坏模式方面具有决定性作用，多源信息监测与离散元模拟的耦合为深部巷道稳定性评价、灾害预测与支护优化设计提供了科学依据。
黄河流域未来水土保持措施空间格局优化及生态服务功能响应分析
王佳琦;王坤;王利英;周祖昊;赵津;李根茂;夏丽;[目的]在全球气候变化与人类活动影响日益加剧的背景下，开展黄河流域水土保持措施空间格局优化配置是应对生态脆弱、水土流失等问题的重要举措。[方法]考虑水土保持措施空间分布概率和面积，构建梯田、坝地水土保持措施的空间展布方法，获得包括林地、草地、梯田和坝地等四类水土保持措施在内的土地利用类型空间格局。在此基础上，遵循“预测-评估-优化”框架，基于FLUS模型对未来黄河流域水土保持措施空间格局变化进行预测，采用InVEST模型评估其生态服务功能，进而通过多目标协同优化提出未来气候变化情景下四类水土保持措施空间格局的优化配置方案。[结果]根据优化配置方案，黄河流域各项生态服务功能均得到提升，其中产水量平均提升5.3%，净初级生产力（NPP）提升4.9%，土壤侵蚀量减少4.28%，碳储量增加4.89%，生境质量提高5.07%。[结论]研究提出的水土保持措施空间格局空间展布方法和优化配置方案，可为推动黄河流域开展水土保持高质量发展、提升区域生态系统服务功能提供科学支撑。