典型前馈神经网络在潮流模拟中的应用与比较

应用水动力学模型可以在典型情形条件下模拟和预测整个研究区域中潮流运动过程的各个细节，但是对于某些环境与工程问题，人们往往更加关注整个研究区域中某些局部敏感区域在任意条件下的潮流实时变化或快速反馈信息。为了探讨这类问题的解决途径，本文将典型情形下的水动力学模拟方法与前馈型神经网络方法结合，以典型条件下水动力学模拟的结果作为神经网络训练的基础，对深圳湾的潮流运动特性进行了研究。通过论证将神经网络用于二维潮流运动特征模拟的可行性，说明了人工神经网络作为一种非线性动力学系统，能够根据海湾开边界潮流特性有效地模拟研究区域中任一网格对应的水流特性，较水动力学模型更为方便迅捷。利用人工神经网络得出的模拟结果与经过实测资料验证的海湾二维潮流模型计算结果十分吻合。文中对遗传神经网络和其它两种经典的前馈网络(BP网络和RBF网络)的学习能力和模拟效率进行了比较。就三种前馈型神经网络从水动力学数值模拟结果中归纳和提取水动力学信息和数据的能力而言，基于遗传算法的神经网络综合性能最为优越。     

基于非结构网格的长江口二维三维嵌套潮流数值模拟

三维数学模型多应用于局部水域,无法模拟模型周边的大范围流场.为解决此问题,基于非结构网格有限体积法,建立了长江口二维三维潮流嵌套数学模型.模型嵌套边界采用近似处理方法,假设嵌套边界处网格单元分层水平流速服从多项式分布,该处理方法嵌套边界处的三维计算存在一定误差.将模型应用于长江口大范围水域潮流模拟计算.结果表明,潮位及二维三维潮流验证良好,计算精度满足规范要求,这说明该方法能够模拟大范围水域的二维及三维潮流运动.     

泉州湾潮汐、潮流及浅滩干湿变化的数值研究

本文建立了一种适应POM模型特点的干湿点数值处理方法，将其镶嵌于二维POM模型中用以模拟泉州湾的潮汐潮流，两个站点上的模拟结果与实测数据吻合较好。计算结果还显示：泉州湾的潮汐潮流均以半口潮为主；除在湾口中部呈现出较强的旋转流外，湾内大部海域以往复流为主；另外，计算得到的泉州湾内平均潮差约为4m，如此大的潮差是导致湾内浅滩和暗礁在落潮时干出、涨潮时重新被漫过的根本原因。     

苏北沿海大丰海域潮流场数值模拟计算

苏北辐射沙洲海域地形复杂,为了了解大丰海域潮流特征,采用MIKE21水动力模块建立了苏北辐射沙洲海域平面二维潮流数学模型,利用实测资料对大丰海域的潮位和潮流进行了验证。验证结果表明,模型计算值与实测值吻合较好,所建模型能够正确反映大丰海域的潮流特征。数值模拟结果表明,大丰海域的潮流动力强劲,各区域流速较大,往复流特征明显。模拟结果为该海域的工程建设与环境保护提供了科学依据。     

波浪潮流共同作用下的二维泥沙数学模型

波浪和潮流是海岸泥沙运动的主要动力因素。本文在一般的二维潮流泥沙数学模型基础上,考虑到整个波浪场对泥沙运动的影响,建立了波浪潮流共同作用下的二维泥沙数学模型,并将此模型用于锦州湾潮流场、波浪场、泥沙分布和冲淤计算中,得到了与实测资料相一致的结果。     

平面潮流数值模拟中底床摩阻系数的修正

本文从三维潮流运动控制方程出发，假定潮流垂直分布服从对数律，推得了一个较全面反映水深、水位变化梯度和流向等因素的摩阻系数修正表达式，理论分析和应用表明，运用修正后的摩阻系数，平面二维潮流数值模型更为完善，并能适用于陡变地形，从而使复演模拟和工程计算结果更为科学合理。     

二维地表水动力模型与SWMM耦合研究及应用

在高性能高分辨率的二维地表水动力模型基础上,将SWMM模型模拟得到的地下管网节点溢流情况,作为二维地表模型的源汇项,耦合地表二维水动力模型与地下管网模型,对城市暴雨内涝进行模拟。结果表明:该方法无时间尺度问题、数据交换方便,易于实现地表二维水动力模型和地下管网模型的耦合,模拟结果准确。     

最小二乘支持向量机参数反演方法及其应用

针对最小二乘支持向量机(LS-SVM)参数不易确定的问题,利用遗传神经网络模拟LS-SVM计算结果与参数之间的关系,提出了一种基于遗传神经网络(GA-BP)的参数选择方法,该方法利用正交分解法构建训练参数组,并将参数组代入最小二乘支持向量机以获得计算输出值,然后将计算输出值与训练参数组代入遗传神经网络进行训练并获得合适的LS-SVM参数。最后以土石坝渗流分析为例进行验证,结果表明该方法对优化选择最小二乘支持向量机参数十分有效,预测精度可达10-4。     

潮流物质输运过程数值模拟中的误差传递、放大及修正

用二维潮流物质输运模型模拟河口流动的计算中，河道中会发生非物理的物质含量增高的现象。经分析发现，水流和物质输运子系统间，以ADI方法计算水流场而产生的可允许水位误差，造成物质输运模拟时水流量不严格守恒，导致物质输运计算误差积累放大。提出水位水量平衡修正模型，解决了子系统间计算模拟误差传递放大问题，避免了二维潮流物质输运模拟计算中非物理的物质含量增高现象发生。     

近岸海域生态环境模拟中水信息学的应用

介绍水信息学的产生背景。随着海量数据的增长和信息技术的发展，越来越多的水信息学方法应用于近岸海域生态环境模拟研究中。以渤海湾生态环境模拟为例，重点讨论遗传算法优化支持向量机和模糊模式识别优化遗传神经网络在生态环境模拟中的应用。以叶绿素a的质量浓度表征浮游植物生物量作为模型的输出，构建SVM生态模型，并将BP神经网络与遗传算法结合起来对训练样本进行遴选处理。模拟结果表明，所建模型具有较高的认知、泛化能力。     

潮湾型近岸海域污染物入海通量与混合带 响应关系研究

基于美国普林斯顿大学三维变边界(ECOM3D)建立了海州湾水动力水质模型,计算结果表明该模型较好地描述了此海域M2(太阴主要半日分潮)分潮的潮流场和污染物浓度场时空分布特点。据此建立的污染物CODCr入海通量与混合带响应函数关系,可以为环境管理部门进行潮湾型海域的水质管理、污染物总量控制提供科学依据。     

平原河网水动力模型及求解方法探讨

参考国内外有关资料 ,根据河网非恒定流水动力模型的控制方程组和汊点衔接条件 ,建立平原河网水动力节点 河道模型。介绍用特征线法 ,有限体积法和有限差分法中的直接解法、分级解法、汊点分组解法、矩阵标识法、非线性方法等求解的基本思路。对比单元划分模型、混合模型以及人工神经网络模型等平原河网水动力模型 ,分析各个模型的优缺点 ,结果表明 ,节点 河道模型原则上可以求解任何水网的水力参数 ,单元划分模型仅适用于河道流速时空变化不大的情况 ,人工神经网络模型的验证比较困难。指出改进和设计计算方法、应用向量运算和并行算法、数值模拟可视化、数值计算模型软件化是河网数值模拟的主要发展方向     

港珠澳大桥对珠江口水域水动力影响的数值模拟

港珠澳大桥连接香港、珠海和澳门三地,横跨珠江口水域,大桥沿线大量的桥墩和海中人工岛必将对珠江口水域的水动力环境产生影响.采用平面二维潮流数学模型模拟了建桥前后珠江口水域的水动力变化和影响程度,采用非结构网格模拟桥墩和人工岛的形状,有限体积法求解水沙控制方程.模拟结果表明,大桥工程引起的水动力变化区域主要集中在东、西人工岛上下游各5 km及非通航区桥位上下游各1 km范围以内水域,对珠江口水域的水动力分布格局基本不产生影响.     

基于水动力数值模拟的罗源湾水体交换周期及纳潮量计算EI北大核心CSCD

为了分析罗源湾水动力特性及流场情况,建立了基于Mike21的罗源湾水动力数学模型,经率定得到模型湾内海域Smagorinsky系数为0.28,糙率为0.024~0.035,风拖曳系数为0.0010~0.0015。利用该模型模拟计算了罗源湾水体交换周期及纳潮量,结果表明:涨落潮时,罗源湾流速在0.20~1.56 m/s,湾口及可门水道水动力条件好,北岸及西北角水动力条件较差,北岸受湾外海域潮波影响程度低于南岸;罗源湾水体半交换周期约为15 d,15 d、30 d、45 d和60 d后罗源湾水体平均交换率分别为48.5%、69.3%、78.8%和85.5%;秋季时罗源湾平均纳潮量为5.73亿m^(3),大潮纳潮量为7.07亿m^(3),小潮纳潮量为4.40亿m^(3)。建议在罗源湾入海污染源通量管控过程中,综合考虑海域自身水动力条件,合理控制罗源湾西北角入海污染物排放量。     

长江口北支围垦对其水动力影响的数值模拟分析

20世纪50年代以来,上海市和江苏省两地对长江口北支实施了大规模围垦,使北支河宽大幅度缩窄,地形边界显著改变。在利用MIKE21_FM构建长江口—杭州湾二维垂向平均潮流数学模型,并用实测数据对模型进行验证的基础上,对北支大规模围垦前后的潮流场进行了模拟分析。研究结果表明：大规模围垦后,北支全河段平均高潮潮位抬升,平均低潮潮位降低;中上游河段涨、落潮流速增大,下游入海河段涨、落潮流速减小;南北支涨潮流汇流点上提至南北支交汇的崇头,涨潮动力增强。     

九龙江口-厦门湾悬沙浓度及多岔口潮汐汊道泥沙输运的数值模拟

基于环境流体动力学模型(Environment Fluid Dynamic Code/EFDC)水动力和泥沙模块,该文针对九龙江口-厦门湾水域潮动力强、浅滩面积大的特点建立二维潮流泥沙数学模型并利用实测数据进行校验。模型精简适用,成功反演了该水域的水动力场和悬沙浓度场,并能正确反映浅水区域的水沙运动特征。结果表明:在潮流作用下,厦门湾水体中悬沙浓度由外向内递增,悬沙随着潮流的涨落在湾内外作中-长距离的往复运动。湾内特别是浅滩区,大潮期悬沙浓度大于小潮期且浓度随潮变化明显,小潮期悬沙场则较为稳定。采用抓斗式挖泥船(源强Q=7.5 t/h)在翔安东南侧浅滩疏浚作业对邻近保护区基本无影响,但翔安南部"五岔口"型潮汐汊道存在能远程输运近岸疏浚泥沙的"泥泵式"水动力场,促使形成环绕厦门岛东海域的带状悬沙分布,该文进一步揭示了形成该分布的水动力机制。增大疏浚强度可导致白海豚保护区被污染,悬沙带宽度增大,浓度上升。     

基于EFDC的九龙江口-厦门湾三维潮流及盐度数值模拟研究

环境流体动力学模型(EFDC)集水动力模块、泥沙输运模块、污染物运移模块和水质预测模块于一体,可以用于河流、湖泊、水库、湿地和近岸海域一维、二维和三维物理和化学过程的模拟。为了研究岛屿多、岸线地形及流态复杂的九龙江口-厦门湾水动力过程,该文将EFDC模型运用于该水域三维潮流及盐度场的数值模拟,对比实测资料校核了模型参数,利用实测潮位、流速和盐度数据对模拟结果进行了充分的验证,吻合度高。该水域属于规则半日潮类型,平均涨、落潮历时约6 h;潮流以往复流运动为主,表层流速最大可达2 m/s;低平潮前后出现面积合计约74 km2的多处露滩;发现河口区分层及不同类型的盐度锋现象均在低潮后1 h时最显著。结果表明,该模式成功复演了九龙江口-厦门湾潮汐潮流和盐度场的时空变化过程,适用于模拟和分析河口及近海海域的水动力场。     

潮滩围垦对近海潮流及污染物输移的影响研究

为研究潮滩围垦对潮流和污染物输移的影响,基于二维嵌套的水动力水质模型,以通州湾为例分别模拟了不同潮滩围垦工程前后的潮流场及污染物浓度场,并用实测资料对模型进行验证,据此分析潮滩围垦作用下的流速变化和以COD为污染指标的物质输运特征。研究结果表明:通州湾围垦工程具有一定的阻水作用,且在围垦一、围垦二的堤头出现了局部挑流现象,其余海域的流速流向基本没有变化;潮滩围垦阻碍了通州湾南侧海域高浓度污染物的输移扩散,改变了该海域的污染物浓度场,且随着围垦范围的扩大,局部污染物浓度有所增加。综上所述,潮滩围垦改变了潮滩地形、水动力环境特征和污染物输移扩散能力,进而影响到潮滩的水文状况和水质环境。     

基于水动力学数学模型的海湾填海岸线选择

海湾填海岸线的选择往往因顾及围垦面积、防洪、港口与航道以及生态诸方面对水动力学条件的不同要求而变得非常复杂。本文利用水动力学数学模型，以深圳湾为例研究了五种填海方案下的纳潮量、流场、潮位等海湾水动力条件的变化，讨论了流速、潮位变化对防洪、港口航道和红树林自然保护区的影响。在此基础上比较了岸线方案， 指出了在考虑不同水评价指标时对应填海方案的优劣。分析表明，方案优劣次序因满足的对象不同而有所差异；为了最大程度地满足诸对象的要求，需要通过综合比较，给出能够协调多种目标要求的优化岸线。     

深圳河引水冲污的优化研究

从潮差保证率的角度，选择典型潮型作为深圳河海区边界条件，利用沿深平均二维水动力有限元数学模型和多媒体技术，对典型断面的质点运动轨迹进行追踪，分析不同流量与潮型组合时的冲污效果，通过不同流量与潮位过程的组合研究，达到优化去污成本的目的。