南水北调中线工程水位的水动力-神经网络 耦合预测模型

南水北调中线工程通常以闸前常水位调度运行，而水位在闸门调控影响下多数处于非平稳状态，探索其变 化规律对于监测数据和研究方法均有一定限制和要求。监测数据方面，针对大量的高频监测数据选取均值滤波、 滑动平均值滤波、递推中位值平均滤波法、滑动小波变换进行数据预处理，提高数据质量、增强数据预测的可行 性。研究方法层面，以 BP 神经网络模型和长短期记忆（long?short-term?memory,LSTM）网络模型为主体框架，以水 动力模型的模拟数据为辅助支撑，对比单神经网络在不同工况下的预测效果，输出水动力-神经网络组合预测结果。 结果表明：数据预处理是数据分析和预测的必要环节，高频数据滤波处理再预测可以提高数据预测的精度；均值 滤波、递推中位数均值滤波方式对数据预处理的效果最好，指标合理时滤后决定系数（R2）精度均超过 0.95，且均 方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）不超过 0.02，准确性高；基于滤后数据进行模型构建，通过对比数据驱动 模型和数据-机理双重驱动模型的计算结果，R2维持在 0.98 附近，RMSE、MAE 维持在 0.01 左右，耦合模型具有更 好的稳定性和准确性。     

南水北调中线工程典型渠段一维水动力水质模拟与预测

为了研究南水北调中线工程复杂水工建筑物影响下的水流特性以及对污染物在渠道内输移、衰减过程的影响,保证输水过程中的水质安全,分析了突发性污染事故潜在污染源特征,构建了南水北调中线工程典型输水渠段的一维水动力水质模型,模拟倒虹吸、节制闸、涵洞、隧洞、渡槽、公路桥 6 种水工建筑物影响下输水渠道内的水流特性,采用七里庄断面实测水位、流量、水质( 总磷、氨 氮) 数据对模型进行了校核与证; 并运用该模型预测店北公路桥突发水污染事故时,3 种输水流量、 3 种负荷、3 种污染物泄露至渠道后污染物沿程分布规律。结果表明: 该模型能有效模拟复杂水工建筑物下的水动力和污染物输移特性,下车亭分水口处污染物浓度超标与否受输水流量和污染负荷共同影响。针对分水口处水质指标浓度变化,提出合理、有效分水和退水方式,为保障南水北调中线工程输水水质安全提供参考。     

基于水动力耦合的明渠调水工程节制闸安全调控

针对明渠调水工程中流量切换时，由于调控不当导致闸前水位突破水位上下限的问题，提出安全调控可行 域的概念及其划分原则，通过一维水动力模型耦合二分法建立明渠调水工程节制闸的安全调控模型，实现流量切 换时节制闸调控开度、安全水位和调控时间区间的计算，进而得到节制闸的安全调控可行域和调控方案，并以南 水北调中线工程陶岔渠首至淇河节制闸 4 个节制闸开展实例研究。研究过程中根据各节制闸流量变化情况，分 别设置 12 种工况进行计算，结果表明：经模型计算的调控方案调控后，闸前水位控制在安全水位区间内，划分的 安全水位区间-Ⅱ较水位区间-Ⅰ起到了降低水位变幅的作用，模型运算速度快，最长时间为 8.99?s。给出了柔性调 度方案，使得调度更为灵活，面向实际工程更实用、操作性强，为调水工程的调度决策提供了支撑。     

基于遗传程序的南水北调中线水面线计算

目前南水北调中线水面线的推算采用传统恒定非均匀流公式,糙率等水力参数需根据实际情况,定期复核并进行修正,缺乏灵活性。结合中线调度实际,建立了基于遗传程序设计的渠道水面线计算模型,利用遗传程序自动拟合渠段上游节制闸闸后水位与下游节制闸闸前水位、输水流量的非线性关系,从而实现在闸前常水位控制模式下不同输水流量的水面线推算。经在南水北调中线干线工程典型渠段的试用表明,建立的基于遗传程序水面线计算模型灵活性强、拟合精度高、操作方便,具有较高的实际应用价值。     

锚索索力损失对预应力闸墩动态特性的影响

某水电站泄洪闸采用大吨位预应力闸墩承受弧形闸门支臂传递的巨大水推力,通过近2 年的闸墩锚索 拉力监测发现,锚索张拉力损失部分超过15%,并尚未收敛,且闸墩在宣泄洪水过程中曾出现过强烈振动现象. 为进一步明确锚索拉力损失是否对闸墩动态特性(包括模态特性、动位移与动应力特性)产生影响,建立了闸墩 -基础-锚索整体有限元模型,通过制作闸墩水力学模型并采用力传感器测量作用于闸墩上的整体面荷载,获取 不同运行工况下的闸墩整体水动力荷载时程线,以此为有限元模型输入荷载进行闸墩动态响应计算,分析了泄 洪闸预应力闸墩主、次锚索不同索力损失对闸墩的动态特性的影响,研究成果可为工程安全运行提供重要 参考.     

南水北调中线工程分水口敏感性研究

南水北调中线工程按闸前常水位方式运行,分水口(退水闸)流量变化会引起渠道水位的波动,工程正常运行要求渠道水位下降速率不超过0.15 m/h。为了满足这一要求,构建南水北调中线工程一维水力学模型,分析分水口(退水闸)流量变化引起的渠池下节制闸闸前水位的变化过程,进而确定其敏感性。结果表明:同一渠池、同一工况下,不同分水口的敏感性不同;渠道流量越大,分水口的敏感性越小。但是不同渠道流量下的分水口敏感性差异极小,在实际运行中可忽略其影响,用不同渠道流量下的敏感性平均值来最终表征敏感性。     

南水北调东线工程东平湖至济南段水流模拟建模研究

针对南水北调东线胶东输水干线东平湖至济南段输水工程,建立水流模拟的水动力学模型。在对输水线渠道及众多水工建筑物概化的基础上,着重探讨建模过程中的5个关键性问题:①上、下游边界及初始条件处理;②进洪闸及分水闸的入出流过程处理;③新建渠道沿线渗漏量动态化处理;④输水线上倒虹吸、闸的过流量衔接模拟;⑤迭代求解中非线性方程过闸流量的解析化处理。最后,在假定的两种工况条件下进行模拟计算,结果表明沿线各断面计算水位、流量与设计水位、流量拟合较好,并指出工程运行后应根据实测水位和流量资料对已建模型作进一步调试。     

基于MIKE FLOOD的洪泽湖周边滞洪区洪水演进模拟研究

基于实测断面资料建立了研究区的一维水动力模型,基于高精度DEM以及1∶10000地形图建立了研究区的二维水动力模型,并用MIKE FLOOD将一维模型和二维模型进行耦合,构建了洪泽湖周边滞洪区一、二维耦合的洪水演进数学模型。利用2003年历史洪水资料对模型参数进行了率定,并以2007年历史洪水资料进行了验证。以洪泽湖百年一遇设计洪水为模型上边界,二河闸、三河闸以及高良涧闸的现行调度方案的水位-流量关系为模型下边界,对洪泽湖百年一遇设计洪水方案进行模拟计算,当蒋坝水位达到14.33m时,洪泽湖周边滞洪区开始滞洪,得到开始滞洪后不同时段研究区内各类洪水风险要素的动态分布情况以及最大淹没水深、淹没历时,验证了模型的合理性,可用于蓄滞洪区洪水演算分析。     

浙江省钱塘江管理局勘测设计院

杭州下沙排涝闸工程由浙江省钱塘江管理局勘测设计院设计的杭州下沙排涝闸工程为浙江省重点工程,工程等别为II等工程,临钱塘江一线挡水建筑物的级别为1级建筑物。泵站设计流量为39.6m3/s,采用6台潜水轴流泵,排涝闸最大过闸流量为289.96m3/5。水闸净宽为28m,共4孔。     

基于MIKE FLOOD的洪泽湖周边滞洪区洪水演进模拟

基于实测断面资料建立了研究区的一维水动力模型,基于高精度DEM以及1∶10000地形图建立了研究区的二维水动力模型,并用MIKE FLOOD将一维模型和二维模型进行耦合,构建了洪泽湖周边滞洪区一、二维耦合的洪水演进数学模型。利用2003年历史洪水资料对模型参数进行了率定,并以2007年历史洪水资料进行了验证。以洪泽湖百年一遇设计洪水为模型上边界,二河闸、三河闸以及高良涧闸的现行调度方案的水位-流量关系为模型下边界,对洪泽湖百年一遇设计洪水方案进行模拟计算,当蒋坝水位达到14.33m时,洪泽湖周边滞洪区开始滞洪,得到开始滞洪后不同时段研究区内各类洪水风险要素的动态分布情况以及最大淹没水深、淹没历时,验证了模型的合理性,可用于蓄滞洪区洪水演算分析。     

超长倒虹吸出口明满流仿真闸门动态边界设置方法

鄂北调水工程中的孟楼-七方倒虹吸长达72km,其闸门调控下的出口边界设置对倒虹吸管内水力响应过程有显著影响。超长倒虹吸出口闸门处于有压段与明渠段的交界处,属于长有压管道闸孔淹没出流,具有高度耦合、非线性化的特点。常用的有压隧洞泄流公式未考虑倒虹吸内的非恒定流运动,不适于作为长倒虹吸出口边界,Henry公式能够合理反映闸门调控下的水力响应规律,但难以反映水击震荡特性。在此基础上,提出一种将出口闸门涵管化的边界处理方法,仿真结果揭示出在快速关闸时倒虹吸管中伴随有显著水击振荡,下游段事故工况中最大水击压强达25.1m(初始压强为8.8m),最大水击振幅为16m,压强变化特性与类似试验结果相符。提出的方法可为鄂北调水工程的事故工况调度提供技术支撑,也可为类似明满流动态边界仿真建模提供参考。     

时间尺度对平原感潮河网水动力水质模拟精度的影响

为探究不同时间尺度边界入流条件对平原感潮河网水动力水质模型模拟精度的影响,以典型平原感潮河网地区的张家港市中部为研究区域,结合野外同步监测数据、自动高频监测数据、常规监测资料等构建了水动力水质模型进行模拟分析。结果表明:时间尺度、开始取值时刻以及调度情况均会影响模拟精度;研究区域边界入流条件、水动力模拟结果和水质模拟结果可信的最大时间尺度为1 h,水质模拟精度优于水动力模拟精度。     

水力自动滚筒闸门水动力特性数值模拟

水力自动滚筒闸门是一种新型水力自动闸门，它利用水压力产生的推动力矩、闸门自重以及闸门配重产生的回复力矩进行自动启闭，以实现水流的自动调节、运行和排沙。鉴于对该类闸门的水力特性还没有充分研究，本文利用RNG 湍流模型对圆筒闸体绕流流场进行了模拟，并对自由水面引入了水－气两相流分层理论中的流体体积分数法（VOF）迭代求解。通过数值模拟，得到不同时刻计算域内的相体积分布、圆筒闸体附近速度场、压力场以及各工况的受力，并与模型试验实测结果进行对比分析，两者吻合较好。说明VOF法可以在圆筒闸体绕流流场自由表面的计算中应用推广，同时，所得结果对水力自动滚筒闸门的设计具有指导意义。     

保证生态流量下乐昌峡弧形工作闸门稳定性研究

为保护乐昌峡水利枢纽下游丰富的动、植物资源以及满足社会、经济对水量的需求,基于模型试验并结合数值模拟研究了保证该水利枢纽下游生态流量时的弧形工作闸门与两侧闸墩的水动力特性。结果表明,溢洪道与放空底孔弧形工作闸门在下泄生态流量时动位移都可以忽略不计,两侧闸墩的振幅也很小,可以满足稳定性的要求。研究成果为保障枢纽下泄生态流量并同时保证大坝乃至水利枢纽的安全性提供了科学依据。     

基于MIKE21模型的灵璧船闸对新汴河洪水影响分析

为研究船闸对主河道洪水的影响,探究船闸的分流作用,以新汴河及灵璧船闸为研究对象,运用MIKE21对研究区进行网格有限差分、参数率定得到水动力模型,将洪水演进过程进行二维模拟计算。模拟结果表明,在三种不同洪水频率以及船闸建成以后,主河道节制闸上、下游监测点水位下降值在0.106 m以内;而流速变化最大值达0.168 m/s,水位和流速均有较大变化幅度。同时,水流流向和流速在新汴河节制闸和船闸闸墩处发生改变,存在水流的阻滞效应和绕流现象,可能会对过水建筑物及大堤造成冲刷,需要配置闸口处导流设施以及加固堤防。在船闸工程建成后的几种洪水条件下,水流水位和流态变化响应明显,船闸工程对新汴河主河道行洪产生了一定影响,可为下游水文站点提供补偿资料。     

双孔护镜门闸顶泄流水动力特性与流态特征的三维数值模拟研究

江苏南京三汊河河口闸工程采用双孔护镜闸门,为了准确揭示其典型挡水工况下(大闸门关闭,闸顶溢流)闸后水流的水动力特性与流态特征,本文建立了基于时均雷诺方程和RNG k-ε紊流模型方程的封闭模型方程组,对河口闸典型挡水工况的泄流流态进行了三维数值仿真研究。采用非结构化四面体网格和分体网格技术对复杂边界条件下的数值模拟进行优化。计算结果与物理模型试验结果吻合良好,揭示了典型挡水工况下水闸下游水流流态、涡漩结构规律和流速分布特征,对这种新型闸门的安全运行与结构稳定具有重要意义。     

水力自动滚筒闸门振动特性的数值模拟及试验研究

水力自动滚筒闸门在泥沙淤积的情况下开启自如,可有效利用洪水资源。为将这一构想应用于实践工程,本文在模型试验和理论分析的基础上,结合数值模拟,研究了水力自动滚筒闸门在动水压力作用下的振动特性分布规律。对试验中不同种类运行工况下圆筒闸体振动加速度、振动频率、振动位移等振动特性进行研究与分析。利用ANSYS力学分析软件对横置圆筒闸体进行三维建模。考虑振动等动力学特性,采用双向耦合分析以解决振动与大变形问题,采用有限单元法对瞬态控制方程进行离散。比较振动位移的模拟计算结果与试验所测定结果,其变化趋势基本吻合,均当圆筒顶部在水面线附近时简体的振动位移达到最大。筒体在动水压力作用下的最大位移主要发生在沿水流方向的筒顶位置,需要在运行中加以注意。上述结论对于研究、设计直至具体制造应用这一新型自控闸门提供了重要的理论与试验依据。