天然河流纵向离散系数确定方法的研究进展

对天然河流纵向离散系数的确定方法进行综述,详细分析了理论公式、示踪试验、经验公式这3种方法的研究现状和发展趋势。讨论了基于断面流速分布的理论公式的适用范围以及国内外学者对该公式使用的拓展;阐述了利用现场示踪试验数据计算纵向离散系数的矩量法、演算法、直线图解法和多种优化方法,并分析了它们各自的优缺点;列举了一些具有代表性的经验公式。探讨了弯道和死水区对天然河流纵向离散系数的影响;阐述了针对传统一维纵向离散方程的缺点提出的一些其他模型,并提出了天然河流纵向离散系数研究中一些有待深入研究的问题。     

河流水质演算模型的逆倒演算法

为解决用下游允许水质浓度过程反推上游控制浓度过程的河流水质浓度倒演算问题,对求解河流水质演算模型的直接倒演算法存在的计算不稳定问题进行摄动分析。结果表明,直接倒演算法演算结果不稳定的原因是其误差级数不收敛所致,据以对直接倒演算法进行改进,提出了河流水质演算模型的逆倒演算法。摄动分析和算例表明,逆倒演算法是稳定的,可用于水环境控制规划和管理。     

黄河下游凌汛期河道水流演进计算分析

对黄河下游凌汛期河道水流演进计算方法进行了论述分析,并对不同典型年在不同条件下的出流过程进行了演算。演算结果表明,黄河下游凌汛期下断面的出流过程与上断面的入流过程有密切的关系。所以,充分利用上游水库工程的防凌功能,根据下游气温变化,合理控制凌汛期水库下泄水量,是缓解下游凌情,减轻凌汛威胁的有效手段。     

黄河潼关河段污染物示踪扩散研究

为探索黄河潼关河段污染物扩散和自净降解规律,以渭河高浓度废污水为示踪剂,2011年5月,在渭河入黄口以下8 km左右的潼关河段设置14个断面,同步观测采样点水文要素和水质因子,分析渭河入黄后污染物沿程浓度分布情况。试验数据显示,渭河水体中高浓度氨氮在渭河入黄口下游约8 km处基本混合均匀。通过现场污染带观测,在基本了解污染物在此河段的混合特性和水质降解特性的基础上,采用Matlab非线性最小二乘法计算求得该河段当时水文条件下纵向离散系数、横向扩散系数E_x、E_y分别为31、0.26 m~2/s。     

河流水团示踪试验数据分析的双站直线解析法

本文提出了一种分析瞬时投放示踪剂条件下的一维河流水团示踪试验数据的新方法.该方法利用2个观测断面的示踪剂浓度观测数据,确定河流纵向离散系数、河流断面平均流速与释放参数等水质参数,并能够根据一级反应速率常数的计算结果判断示踪剂是否为惰性.通过实例应用表明,与利用直线图解法确定河流纵向离散系数相比较,新方法不仅能同时分析2个断面的观测数据,能够在预先不知示踪剂是否为惰性的情况下进行判断,而且具有计算结果可靠,计算过程比较简单、易于应用等特点.     

桂江下游梧州河段纵向离散系数的选定

桂江下游梧州河段纵向离散系数的选定是利用梧州段的示踪实验数据,选用单站改进法和峰值反推法,推算其离散系数。把两种推算的纵向离散系数,分别代入公式C(x,t)=M/A4πD_tt~(1/2)exp[-(x-ut)~2/4D_tt]得时间t的示踪剂浓度值,该值与同一时刻实测值进行比较,计得平均偏差,根据平均偏差小的那种方法确定纵向离散系数,较能符合天然河流的水流特性,经计算结果表明,采用单站改进法计得的纵向离散系数的拟合浓度与实测的示踪剂浓度较为接近,为此,选用其计算结果,即桂江梧州段在枯水期流量为334m~3/s时;纵向离散系数为22.9m~2/s;当流量为398m~3/s时,纵向离散系数为29.7m~2/s。     

阻力线性化条件下纵向离散系数的半解析解法

纵向离散系数是水质模型的关键参数,对于污染物的影响范围具有决定性影响,一直是环境水力学的研究热点。目前纵向离散系数的确定以经验、半经验方法为主,物理机制不够明确。基于底部阻力局部线性化假定,利用幂级数求解断面流速分布,代入Fischer纵向离散系数积分公式,建立了纵向离散系数的半解析方法。利用100余条天然河流数据进行验证,结果表明计算值为实测值的0.3～3.0倍,精度符合工程要求。该方法推导严密、计算量较小,一定程度上反映了离散的物理机制,与前人计算公式的误差在同一量级,具有一定的可靠性。     

基于流速幂级数解的明渠纵向离散系数计算方法

针对纵向离散系数计算多直接采用经验公式或在流速分布的求解中引入经验公式,不能完全反映离散物理机制的问题,基于矩形断面一维水流控制方程,利用幂级数求解流速分布的理论解,提出了矩形断面明渠纵向离散系数的计算方法,并进一步将其推广至天然河流。利用该方法计算了104条天然河流的纵向离散系数,结果表明计算值与实测值处于同一量级,计算结果在可接受范围内。     

闸门调度对下游水体COD浓度衰减的敏感性分析

为定量讨论单一水闸的多闸门调度对下游COD浓度衰减的影响,采用2009—2011年在北运河杨洼闸上下游进行的实地监测数据,通过结合人工神经网络与修正的一维污染物衰减模型,建立了单一水闸多闸门调度对下游水体COD衰减影响的数学模型;并使用权值分析法、Sobol法对该模型进行全局敏感性分析,分别得到上游来水COD浓度、纵向距离、水闸开孔数、开闸高度的一阶敏感性指数和总敏感性指数。结果表明:Sobol方法在神经网络模型敏感度分析中的定量化结果与权值分析法一致;杨洼闸对水流的控制作用明显,且增减开闸孔数比升降闸门高度可更有效地控制流量大小;降解系数与弥散系数的变化对河道内COD的衰减过程影响很小,且通过闸门调度改变水力条件也不会显著提高两者的影响力,COD浓度的衰减主要依靠稀释作用;影响COD降解过程的因素排序为:上游来水COD浓度,纵向距离,水闸开孔数,开闸高度。     

梯形断面明渠纵向离散系数的分析

突发性污染事件发生后需要快速预测梯形断面明渠水质,此时要获得渠道的纵向离散系数。利用试验数据对构建公式的各参数进行相关性分析,根据河流经验公式形式提出了梯形断面明渠纵向离散系数经验公式形式,经过线性相关性分析、回归计算,推求出各参数的系数,得到梯形断面明渠纵向离散系数经验公式。最后,探讨了利用流速分布研究结果修正样本数据,发现最大流速经验公式的选取会影响参数的相关性。将计算结果与实测结果比较,吻合良好,表明该经验公式合理可靠,可以应用于梯形断面明渠纵向离散系数的估算。     

河流上下游控制断面非点源污染特征的分析

为了深入研究河流上下游断面非点源污染的特征及其变化,以及同一断面不同年份的非点源污染特征,以渭河的支流沣河上游大峪口断面和中游秦渡镇断面为研究对象,根据两控制断面2009-2011三年的非点源污染水质水量同步实测资料,运用平均浓度法估算非点源污染负荷,并结合河流断面控制流域的土地情况、人类活动等情况,分析了河流上下游控制断面的非点源污染特征。结果表明:非点源污染是沣河的主要污染源,河流上游区域非点源污染负荷所占比重大于下游区域;河流上下游断面非点源浓度基本相当,下游点源浓度大于上游;下游COD、TP和NO2—N的非点源负荷量是上游的10~20倍;人类活动所产生的点源排放对中下游河流水质影响更大。     

水电站厂房三面墙体式安装间段的自振特性及地震反应特点

在厂房端部的厂房安装间段,由上、下游墙体和端部山墙组成槽形平面,顺河方向轴不对称,地震作用下会发生显著的扭转振动。其自振特性及地震反应特点与仅有上、下游墙体的中间厂房段明显不同。以某待建水电站厂房设计方案为例,探讨由三面墙体支撑的网架屋盖体系的水电厂房结构的自振特性及地震反应特点,建立了有限元计算模型,对三面墙体结构的自振特性及动态分布系数进行了全面的分析;同时通过时程分析法进行了验证。结果表明,上、下游墙体的动态分布系数在横河方向分布不均匀,顶部远离山墙的一侧有明显的鞭梢效应。     

溃坝水流在复杂河道中传播的三维数值模拟

为研究河道弯曲和障碍物对溃坝波传播的影响,采用有限体积法对描述水流运动紊流模型和描述自由水面运动的VOF方程进行离散,建立了溃坝水流运动的三维数学模型,并对急弯河道进行了数值模拟计算。急弯河道溃坝波传播过程的模拟结果与前人实体模型试验结果基本一致。利用该模型研究了丁坝附近溃坝波传播的特性和溃坝水流的内部结构,数值模拟结果表明,溃坝波的传播受河道弯曲或障碍物的影响,产生反射和绕射,使得局部溃坝水流呈明显的三维特性。上游丁坝迎水面受到溃坝波波前的直接冲击,其动水压力远大于作用于下游丁坝的动水压力。另外,障碍物对溃坝水流的影响主要局限在障碍物上游和下游一定范围内,在此范围外,水流呈二维或一维特性。     

黄河头道拐段冰输移及堆积过程数值模拟

头道拐河段因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段最易形成冰坝的河段,研究该河段河冰输移及堆积过程是理解内蒙古段河冰过程及卡冰结坝作用机理的关键。本文基于耦合的二维有限元水动力学模型和DPM(Discrete Parcel Method)河冰动力学模型,模拟了黄河头道拐河段2020—2021年冬季封河过程并进行了验证,讨论了不同水力条件、上游流凌密集度及河道形态对封河过程的影响。结果表明：相比于官牛犋弯道,河道弯曲率大、束窄程度高的什四份子弯道更易形成卡冰,且流量越小,卡冰作用越明显,冰盖向上游发展速度越快。河道流凌密集度小于0.4时,各种流量下研究河段未发生卡冰;流凌密集度增大至0.4,表面流冰首先在弯曲率系数较大的什四份子弯道处形成卡冰,随着流凌密集度和流量的进一步增大,下潜并输移到下游的流凌也会在官牛犋弯道形成卡冰,因此,头道拐河段形成卡冰的流凌密集度临界条件为0.4。应用冰水耦合二维动力学模型可以很好地模拟天然河道河冰输移、堆积过程中河道的水力特性、冰厚增长及封河形态,揭示了影响河冰过程的相关因素及作用机理,为黄河内蒙古段防凌减灾工作提供技术支撑。     

河道多桥连续壅水分析

在实际工程中，经常遇到河段多桥连续壅水计算问题，本文在单座桥梁壅水计算方法的基础上，给出了一种比较简单实用的关于多桥连续壅水高度的计算方法。对于上游任一断面，当其断面处于下游桥梁的壅水范围之内时，它的壅水高度应该是下游桥梁在这个断面产生的壅水高度之和。黄河府谷段多桥连续壅水的实例计算结果表明，多桥连续壅水高度的计算方法简便易行。     

插板透水丁坝透水孔优化方案数值模拟

针对插板透水丁坝透水孔孔数和布置方式对丁坝作用区水流特性和冲淤变化影响的问题,采用CCHE2D水沙数学模型对塔里木河干流其满河段实体模型水槽插板透水丁坝区进行二维水流数值模拟,分析不同透水孔数和不同布置方式对河槽断面流速分布、水位及河床切应力的影响规律,寻求插板透水丁坝透水孔优化方案。结果表明:在来流量、透空率等因素不变条件下,插板透水丁坝透水孔数越多,流速均匀性越好,丁坝下游河床切应力呈减小趋势。当透水孔数达到4孔时,丁坝上游、下游水位、流速和河床切应力变化趋势均趋于稳定,为最佳的透水孔优化方案。研究成果为进一步研究插板透水丁坝区水流特性与缓流促淤效果奠定理论基础。     

基于帕累托最优的新安江流域生态补偿标准

从福祉经济学的角度,借助边际价值的概念,认为由于生态环境保护活动存在的外部性,将会导致流域的经济、环境不能自动达到帕累托最优状态,因此需要对流域上游保护区进行补偿。分析了3种实现帕累托最优的方法：对上游给予补贴、在对上游给予补贴的同时对下游征税、谈判。以新安江流域为例,对1990—2004年流域上、下游环境保护投入和经济发展水平的数据进行计算,结果表明：当对上游给予补贴的同时对下游征税,为使上、下游地区达到各自利益的最大化,流域达到帕累托最优状态,上游地区应获补贴最小为5.2亿元,同等条件下下游地区缴税5.2亿元;通过谈判的方式实现新安江流域的生态补偿,则为使流域整体最优,上、下游可在5.2亿元以上选择合适的补偿量。建议采用谈判的方式在补偿方式和补偿额度上达成一致,使全流域的经济、环境达到帕累托最优状态。     

室内模拟试验确定河流纵向扩散系数研究

采用几何相似原理,在不同流量、流速条件下,以室内模拟试验求得纵向扩散系数,所得结果与同条件下现场分析计算的结果基本上一致,与国内外相近条件和经验计算值接近。室内模拟试验法不仅克服野外条件下示踪剂投放和测试条件的不便,还能够更好地研究不同水动力条件下污染物的扩散运移规律。     

不同径流条件下钱塘江突发性水污染事故影响的预测模拟

采用二维潮流水质模型对钱塘江河口突发性水污染事故对水质的影响进行了模拟预测。分析结果表明:随着上游径流流量加大,污水团输移的速度明显加快,最大浓度也有所降低。同时随着污染物在输移过程中稀释扩散,超标总历时沿程逐渐增大,污染物最大浓度沿程逐渐降低。模拟及计算结果显示:突发污染事故后,加大上游的下泄流量,对加快污染团下移、稀释污染团从而降低污染物浓度的作用非常明显,模拟结果可为处理突发性水污染事故提供提供重要的理论依据。