基于降雨空间变异的潜水运动随机模拟方法Ⅱ——条件模拟

建立了降雨空间变异条件下基于KLPC解法的潜水运动条件模拟方法，假设平面上若干测点的降雨量已知，分析了当随机模型中加入雨量站观测值时水头、流速和水动力弥散系数标准差的变化情况。研究结果表明：在条件模拟中，由于降雨协方差具有非平稳结构，需要采用数值解法来求解Fredholm方程；条件模拟方法计算出的水头、流速和水动力弥散系数的标准差要小于非条件模拟的结果；在降雨空间变异条件下，降雨的相关长度越大，方差越大，条件模拟对水头标准差削减越明显；与水头相比，条件模拟下流速和水动力弥散系数的标准差的消减更为明显，因此在考虑降雨的空间变异性时，条件模拟可减小溶质运移输入参数的不确定性具有一定作用。     

西咸新区降雨空间非一致性对内涝过程影响模拟研究

为分析降雨空间分布非一致性对城市内涝的影响,应用耦合了水文和水动力过程的数值模型,以陕西省西咸新区海绵城市部分核心试点区为研究区域,对不同重现期设计暴雨及离差系数Cv条件下的内涝过程进行模拟,并对内涝积水总量峰值、重度内涝积水总量峰值及其与均匀降雨情况下的内涝积水削减进行对比分析。结果表明:相比于空间均匀降雨,各重现期下空间分布不均匀的内涝积水量均会减少。各重现期下,Cv值越大,即降雨越不均匀,相比于均匀情况内涝积水削减量越大。当Cv值为0.07、0.11、0.15及0.2时,积水总量削减率分别为1.94%～2.05%,3.00%～3.17%,4.08%～4.23%,4.86%～5.15%。重度内涝情况下,同一Cv值,相比于均匀情况内涝积水削减量随设计降雨重现期变长而增多,当Cv=0.07、Cv=0.11、Cv=0.15、Cv=0.20时,削减率的范围分别为2.00%～2.51%、2.60%～3.82%、3.66%～4.98%、3.80%～5.83%。研究结果揭示了降雨空间分布非一致性对内涝的影响规律,为城市内涝防治工作提供了理论依据。     

土壤溶质运移两种新的求参方法的应用

本文通过对3种不同质地土壤(砂质壤土、壤质粘土和粉砂壤土)的室内水盐入渗实验资料的分析，依据山口(Yamaguchi)等提出的斜率法和等斜率法，由土壤溶质运移的穿透曲线数据，同时估算了平均孔隙流速和水动力弥散系数，并与实测值、简化解析解法及矩法求算的结果进行了比较。此外，作者还探讨了抛物插值和Brenner数大小对求参精度的影响。     

基于数据同化的降雨数值空间分布模拟研究

降雨数值模拟是延长水文预报预见期的重要方法,但由于降雨数值模拟中驱动数据所提供的初始场和边界场条件和大气的实际状态并不是完全吻合,导致模拟结果存在误差。减小降雨数值模拟的误差是提高水文预报精度的关键问题,特别是在大气数值模式和分布式水文模型耦合模拟过程中,高精度的降雨信息是准确模拟的关键。本文基于WRF模式和三维变分数据同化方法,选取雷达反射率和GTS(Global Telecommunication System)数据作为同化资料,开展基于数据同化的降雨数值空间分布模拟研究,从降雨的空间展布和指标评价两方面对同化前后的模拟结果进行对比。结果表明:同化后的模拟数据在CSI指标和RMSE指标上都优于同化前的模拟数据,说明同化后模拟数据的误差小于同化前的误差;将同化前后的数据展布在网格图中,发现同化后的数据可以更加准确地刻画降雨的空间分布规律,说明通过数据同化方法提高了模拟降雨和实际降雨空间分布的一致性,改善了WRF模式模拟降雨空间分布的能力。     

基于SWMM模型的金川河降雨-径流预警预测平台研究

准确模拟降雨-径流动态变化规律是河流面源污染精准治理的先决条件。在收集分析金川河子流域、交汇处、排口、导管、闸门、泵站及运营制度等相关数据的基础上,概化金川河水系,采用SWMM构建金川河河网水动力模型,并基于模型开发不同降雨特征（少量多次降雨、短期暴雨）条件下水系径流预警预测平台,展示金川河流域的流量、径流变化趋势,以实现流域降水模型的快速推演和预警预测功能。     

基于随机水流网络的土壤水非均匀运动数值模拟

用显色示踪方法通过试验研究了黏土的非均匀流动模式,建立了离散网络模型,根据土体的统计特征描述相互作用的大孔隙和流动通道,构建水流运动的网络系统与小孔隙连续介质的耦合模型。用控制体积有限元法求解两区土壤水分运动的基本方程,采用整体法将土壤基质水流运动方程和不规则水流网络区水流运动方程耦合,解决了网络通道交叉引起的水流相互影响的问题,提高了计算效率。模拟与实验结果对比表明,离散网格模型及方法较好地描述出了优先流运动的特点,比等效连续体模型更为有效的刻画了土壤水流非均性规律。     

基于SCS和GIS的不同降雨情景城市内涝过程模拟方法

针对城市暴雨内涝灾害频发的现状,基于城市暴雨强度公式、芝加哥降雨过程线模型、SCS(Soil Conservation Service)产流模型以及基于地理信息系统软件ArcGIS的局部等体积法,提出一种关于城市暴雨内涝过程的模拟方法。选取武汉市内涝灾害严重的汤逊湖流域作为研究对象,使用该方法对流域内多种重现期暴雨内涝量的积水高程和积水淹没范围进行模拟。结果表明:汤逊湖流域内产生的内涝较为严重,10 a一遇的暴雨即可对低洼地区造成轻微内涝;不同重现期暴雨产生的积水区域基本是一致的,但重现期越长的暴雨产生的积水高程越深,淹没范围越广,对周边造成的影响越大。该研究成果对城市暴雨内涝的预防与治理具有借鉴和参考价值。     

基于Copula函数的降雨随机模拟方法在古黄河流域的应用

以江苏省宿迁市古黄河流域上游宿迁闸站、中游刘老涧站、下游新袁闸站3个水文站39年(1980—2018年)的月降雨量资料为例,利用二维Copula函数进行月降雨量随机模拟。基于Copula函数建立3个站点两两间月降雨量的联合分布,结合Gibbs抽样法实现3站的月降雨量随机模拟,通过比较实测和模拟的月降雨量,对模拟预测的有效性进行验证。结果表明,上、中、下游降雨量之间具有较强的相关性,二维Copula函数可有效建立研究区域相邻站点间的相关性结构,可用于该流域降雨量的随机模拟,为该方法在其他领域的应用提供参考。     

基于HYDRUS-1D模拟的降雨入渗条件下VG模型参数敏感性分析

为了定量描述土壤水力参数变化对HYDRUS-1D模型输出变量10 cm层土壤水分动态分布、累积入渗量及湿润锋运移距离的影响,分别对HYDRUS-1D模型中的VG模型的5个土壤水力参数进行单因素扰动,采用修正的Morris筛选法分析降雨入渗条件下各土壤水力参数的敏感性。结果表明:模型参数的敏感性并不是一成不变的,针对不同的输出结果,参数敏感性随时间变化规律不同,根据研究需要确定参数敏感性区间对简化试验工作具有重要意义;边界条件也是影响模型参数敏感性的重要因素之一;对于不同的受影响研究对象,5个参数的敏感性不同。因此在应用模型模拟时,应该确保高敏感性参数的准确性及边界条件的真实性。     

基于时域格林函数的有航速船舶与波浪相互作用的数值模拟

基于深水时域格林函数的数值处理方法及开发的计算程序,采用三维时域数值模拟方法,在线性势流理论框架内对深海波浪中航行船舶的辐射问题和绕射问题进行了求解,研究探讨了航行船舶与波浪相互作用问题.研究中对不同航行速度的Wigley型船水动力系数和波浪力进行了数值计算,通过与试验及文献计算结果的比较,验证了三维时域数值计算程序的有效性.     

非饱和水流动态空间变异的随机分析

本研究首先根据野外３０ｍ×３０ｍ的小区域上以一定的间距布设１００个土壤张力监测网点，对土壤张力在空间和时间上变化进行了观测，并对土壤张力的空间变异结构进行了随机统计分析．然后以野外实测的土壤水力特性参数样本的统计分析结果为基础，在假设有关土壤水力特性参数及非饱和水分运动变量为二阶平稳随机场的条件下，应用小扰动分析法导出了层状土壤非饱和水流变量（张力）方差的解析结构．理论分析和试验结果同时表明，土壤张力的方差随张力均值的增大而增大，且方差是均值的二次函数，同时土壤张力的变差函数也是土壤张力平均值的二次函数．     

Stochastic simulation of fluid flow in porous media by the complex variable expression method

A stochastic simulation of fluid flow in porous media using a complex variable expression method (SFCM) is presented in this paper. Hydraulic conductivity is considered as a random variable and is then expressed in complex variable form, the real part of which is a deterministic value and the imaginary part is a variable value. The stochastic seepage flow is simulated with the SFCM and is compared with the results calculated with the Monte Carlo stochastic finite element method. In using the Monte Carlo method to simulate the stochastic seepage flow field, the hydraulic conductivity is assumed in three different probability distributions using random sampling method. The obtained seepage flow field is examined through skewness analysis, and the skewed distribution probability density function is given. The head mode value and the head comprehensive standard deviation are used to represent the statistics of calculation results obtained by the Monte Carlo method. The stochastic seepage flow field simulated by the SFCM is confirmed to be similar to that given by the Monte Carlo method from numerical aspects. The range of coefficient of variation of hydraulic conductivity in SFCM is larger than used previously in stochastic seepage flow field simulations, and the computation time is short. The results proved that the SFCM is a convenient calculating method for solving the complex problems.     

坡面径流阻力计算模式对比研究

坡面流是污染物迁移、土壤侵蚀、泥沙输移的主要动力因素,阻力系数是影响坡面流模拟的重要参数。为比较三种阻力计算模式(阻力系数为常数、以淹没度为变量的Lawrence模型和阻力分割模型)在裸坡、砾石覆盖坡面、植被覆盖坡面三种常见坡面上的适用程度,本文建立了坡面降雨径流模型,对不同类型坡面的产流进行了模拟。坡面径流模型采用扩散波模型,坡面降雨入渗模型采用考虑坡度影响的Green-Ampt模型,当存在植被时,考虑冠层降雨截留损失。结果表明:在裸坡上,三种阻力计算模式均适用;而在有砾石覆盖和植被覆盖的坡面上,考虑阻力系数时空变化的阻力分割模型模拟精度最高。阻力系数对坡面径流流量的影响在坡面汇流的涨水与退水阶段较大,而在稳定阶段很小。对有植被覆盖坡面,降雨强度存在阈值,大于阈值时,不同阻力模式对坡面流模拟结果影响甚微;反之,需选择合适的阻力计算模式,且坡长越长,坡度越缓,降雨强度阈值越大。     

李官堡水源地地下水流场数值模拟及预测

随着工业规模的发展,各城市都面临着地下水资源如何科学利用的难题,北方缺水城市沈阳李官堡水源地就面临着新增工业造成的用水压力,如何对该水源地的水资源进行科学评价是合理取用水的前提。在对模拟区范围、边界条件和孔隙水介质进行概化和对水文地质参数及其他参数确定的基础上,将该区域地下水流系统概化为均质、各向同性、二维、潜水非稳定地下水流系统,运用GMS模型软件对研究区的地下水流场进行了数值模拟预测。通过模型识别和可靠性分析认为,所率定的模型参数符合实际且模型边界条件合理;预测认为该区域地下水资源量不能满足新增企业用水量9.8万m3/d的需求。该评价方法不仅具有应用和推广价值,而且具有为地下水资源科学规划提供科学依据的重要作用。     

李官堡水源地地下水流场数值模拟及预测

随着工业规模的发展,各城市都面临着地下水资源如何科学利用的难题,北方缺水城市沈阳李官堡水源地就面临着新增工业造成的用水压力,如何对该水源地的水资源进行科学评价是合理取用水的前提。在对模拟区范围、边界条件和孔隙水介质进行概化和对水文地质参数及其他参数确定的基础上,将该区域地下水流系统概化为均质、各向同性、二维、潜水非稳定地下水流系统,运用GMS模型软件对研究区的地下水流场进行了数值模拟预测。通过模型识别和可靠性分析认为,所率定的模型参数符合实际且模型边界条件合理;预测认为该区域地下水资源量不能满足新增企业用水量9.8万m3/d的需求。该评价方法不仅具有应用和推广价值,而且具有为地下水资源科学规划提供科学依据的重要作用。     

Numerical simulation of groundwater flow and land deformation due to groundwater pumping in cross-anisotropic layered aquifer system

In a natural aquifer, the aquifer properties are complicated, which normally vary with aquifer depth and geographic characteristics. Most previous studies have been limited to the case of isotropic aquifer with uniform characteristics. In the proposed model, the fully coupled ground water flow and land deformation due to groundwater pumping in cross-anisotropic aquifer system is used to analyze and predict. Based on this model, pumping-recovery tests in various conditions are numerically simulated to reveal the effects of cross-anisotropic aquifer behavior on hydraulic head and land deformation. Finally, the proposed method is applied to a project in Shanghai of China due to pumping of groundwater predicted. Comparing the calculated results with the measured field values indicates that the methods can be a useful tool for designing groundwater pumping projects.     

水电站调压室内三维湍流场数值模拟

运用计算流体动力学方法(CFD)对某抽水蓄能电站尾水调压室进行了数值模拟。计算时选用适合调压室流动特性的Realizablek-ε湍流模型,采用标准SIMPLE算法,离散格式采用一阶迎风格式。计算结果揭示了调压室内流道流场的速度及压力分布规律,并据此计算出调压室水头损失系数。将水头损失系数计算结果与水力模型试验结果进行比较,发现采用CFD方法计算得到的结果不论在变化规律上还是数值上均可达到与模型试验结果相当的精度,表明CFD方法可以应用于调压室的设计和优化中。     

地下水流速及介质非均质性对重非水相流体运移的影响

重非水相流体(DNAPL)在地下介质中的运移分布受多种因素影响,包括DNAPL的物化性质、泄漏速率、地下水流速和介质非均质性等。本文采用地质统计方法生成渗透率随机场刻画非均质性,运用T2VOC模拟不同流速情形下DNAPL在均质/非均质介质中的运移分布,以评估地下水流速和非均质性对DNAPL运移的影响。研究结果表明,地下水流速的增大显著促进了DNAPL的水平和垂向运移。相同流速情形下,非均质性的增强使得DNAPL污染羽分布形态及运移路径的空间变异性增强,出现明显的蓄积和绕流。当DNAPL运移的优势通道方向与流速方向相反时,水流对DNAPL水平运移的促进作用将减弱,反之,其促进作用增强。随着流速与非均质性的同时增强,水平方向上污染羽的扩散范围增大,另外水平和垂直方向上质心位置(一阶矩)及展布范围(二阶矩),污染池起始位置及其长度的空间变异离散程度增大。