基于MCMC和ES-MDA方法的地下水数值模型非均 质参数场及开采量的反演研究

马尔科夫链蒙特卡罗方法(MCMC)和多重数据同化集合平滑器方法(ES-MDA)近年来在地下水参数反演得到广泛应用，但对三维多层非均质含水层参数反演精度和计算效率还缺乏对比分析。本文构建了含有基于Karhunen-Loève展开的非均质参数场的潜水和多层承压水含水层案例，并建立了地下水数值模型和基于Kriging方法的替代模型，模拟含水层分层水头变化，探讨了基于替代模型的MCMC、替代模型和数值模型相结合的两阶段MCMC以及ES-MDA方法反演的含水层渗透系数以及开采量。结果表明，针对本文算例，在非均质参数和开采量的反演中，相比而言，两阶段MCMC反演参数精度更高，ES-MDA方法计算效率更高。本研究为地下水数值模型参数反演方法选择提供参考依据。     

山东省德州地区地下水流场动态分析

地下水的开采对于地面沉降影响较大,尤其是对于一些特定含水层,过量的开采会导致形成地面沉降漏斗,存在一定安全隐患。基于三维非稳定渗流模型,以试点法为计算手段对德州市德城区进行地下水不同含水层渗流流场分析。分析不同开采量条件下特定含水层渗流流场特性,揭示了地下水在特定含水层中的运动规律,可为计算地面沉降问题提供参考依据。     

悬挂式止水帷幕圆形基坑承压含水层地下水非稳定流计算

针对悬挂式止水帷幕基坑中复杂的地下水流动,建立了考虑止水帷幕的圆形基坑承压含水层地下水非稳定流动计算模型。通过对地下水流动计算模型的Laplace变换和有限Fourier余弦变换,推导了Laplace空间的水头降深解,采用Stehfest数值逆变换提出了悬挂式止水帷幕圆形基坑承压含水层地下水非稳定流水头降深半解析解。在验证计算方法正确性和数值逆变换计算准确性的基础上,利用工程实例验证了计算方法的工程适用性。分析了悬挂式止水帷幕插入深度对圆形基坑地下水流动的影响规律,阐明了止水帷幕对基坑内外地下水控制的积极作用,为合理开展悬挂式止水帷幕圆形基坑承压含水层的减压降水设计提供了计算方法。     

大凌河流域地下水脆弱性评价

以大凌河流域为例,采用改进的SPA连续随机增加法生成考虑了含水层非均质特性的渗透系数对数lnK,然后对渗透系数可能的非均值空间分布利用随机场次进行模拟,对流域地下水脆弱性利用DRASTIC法进行科学评价。结果显示:两种模型计算得到的含水层脆弱性变化走势和等级分布区域总体保持一致,基于OK法的脆弱性等级整体要高于fLm法,相对而言fLm的评价图连续性较差;所构建的不确定性模型能够准确、客观的反映流域地下水分布的真实状况,可为解决地下水环境问题及丰富发展随机理论的应用提供一种新的途径。     

长江三角洲平原浅层地下水资源评价三维数值模型

针对长江三角洲平原浅层地下水开发和利用的问题，以吴江市为例，将第四纪松散岩类孔隙含水层作为主要目的层，建立地下水系统的三维数值模型。通过模型的识别、验证，并按照地下水水位不能低于微承压含水层顶板的要求，结合实际情况计算出合理的地下水开采资源量，并通过计算在开采过程中引起的地面沉降值，证明了在该开采量的作用下不会引起灾害性地面沉降的发生。     

基于井水位潮汐响应探讨含水层的水力特征及其变化

为了科学地认识应力荷载对地下水渗流运动规律的影响,揭示井孔-含水层系统与地震活动的响应关系,以华蓥山断裂带附近的大足井和北碚井为例,基于潮汐响应推求观测段含水层水力特征参数,探讨汶川地震对含水层水力特征及地下水流运动状态的影响,并对其变化机制进行解释。结果表明：大足井附近含水层中地下水运动以径向流为主,利用潮汐径向流模型计算出含水层水平渗透系数与以往抽水试验的结果基本一致;北碚井孔-含水层系统中地下水垂向流和径向流并存,引入越流含水层系统模型得到越流系数范围为1.5×10-8~2.5×10-8 s-1;汶川地震后,北碚和大足井水位均发生了阶降变化且含水层中地下水垂向流运动增强,分析认为原因是该区域侏罗系砂岩含水层在较大范围内存在着统一的水力联系,且局部裂隙发育,倾角较大,地震导致含水层发生膨胀变形和裂隙疏通,在重力作用下地下水顺层或沿裂隙通道流动。研究结果有助于提高对含水层受力变形与渗流相互作用的认识,进一步深化井孔-含水层系统对地震活动响应机制的研究     

基于和声搜索算法的地下水污染源与未知含水层参数的同步反演研究

地下水污染源反演问题和含水层参数反演问题都是典型的地下水逆问题。在未知含水层参数（渗透系数、弥散度等）等先决信息的情况下进行地下水污染源反演计算时,需要根据已有的监测数据（水位和浓度等）对地下水污染源和未知含水层参数进行同步反演。在同步反演优化问题中,决策变量包括污染源位置、强度以及待求的含水层参数。本文对同步反演模型的框架组成（包括污染物迁移模型和反演优化模型）进行分析后,在对已有的各种和声搜索改进算法进行研究的基础上结合同步反演模型提出一种改进的和声搜索算法,最后将同步反演模型和改进的和声搜索算法应用于具体的算例研究。研究表明,改进的和声搜索算法具有算法稳定高效、求解精度高等特点,能够广泛应用于复杂的地下水污染源和含水层参数反演问题。     

基于和声搜索算法的地下水污染源与未知含水层参数的同步反演研究

地下水污染源反演问题和含水层参数反演问题都是典型的地下水逆问题。在未知含水层参数(渗透系数、弥散度等)等先决信息的情况下进行地下水污染源反演计算时,需要根据已有的监测数据(水位和浓度等)对地下水污染源和未知含水层参数进行同步反演。在同步反演优化问题中,决策变量包括污染源位置、强度以及待求的含水层参数。论文首先介绍同步反演模型的框架组成(包括污染物迁移模型和反演优化模型),然后在对已有的各种和声搜索改进算法进行研究的基础上结合同步反演模型提出一种改进的和声搜索算法,最后将同步反演模型和改进的和声搜索算法应用于具体的算例研究。研究表明,改进的和声搜索算法具有算法稳定高效、求解精度高等特点,能够广泛应用于复杂的地下水污染源和含水层参数反演问题。     

基于GMS的滨海油田输油管线地下水污染物预测

运用地下水数值模拟技术,采用GMS中的MODFLOW模块建立地下水流场模型,MT3D模块建立地下水溶质运移模型,利用地下水实测流场与计算流场进行比较,率定含水层参数,并对建立的模型进行校正与识别。最后,预测滨海油田油井和输油管线在正常、输油管道破裂与老化腐蚀造成的原油泄漏等3种工况下,原油地下水污染物第10年内与20年内的时空分布特征及对周边村庄的影响。     

银川地区饱和细砂含水介质弥散实验研究

以水动力弥散理论为基础,在中国石油宁夏石化分公司炼油厂和废渣场各采取5组潜水含水层细砂岩心样,采用NaCl做示踪剂,进行室内一维沙柱弥散实验,以半无限含水层中污染物迁移模型的解析解计算了弥散度,并探讨了室内一维沙柱实验测定含水层弥散参数的误差来源,为地下水水质模型的建立提供基础。研究表明:炼油厂潜水含水层弥散度与废渣场潜水含水层弥散度基本接近。模型误差是对室内一维沙柱实验确定弥散参数产生影响最大的一类误差。目前,需加强银川平原大尺度含水层弥散特征的研究。     

GAMLSS模型在黄河流域蒸发皿蒸发量序列统计建模中的应用研究

本文采用广义可加模型(GAMLSS),以年份序号作为解释变量拟合模型参数,对黄河流域蒸发皿蒸发量序列的非一致性特征进行研究。考虑到流域空间差异性和年内变化,从年、汛期、非汛期3个时间尺度来研究黄河流域29个水资源三级区面蒸发量序列的非一致性特征。研究结果表明,黄河流域各水资源三级区的面蒸发量序列在不同时间尺度上均具有较为明显的趋势变化;非汛期蒸发序列呈现出显著的趋势变化,与一致性模型拟合结果相比,黄河流域非汛期蒸发序列的AIC准则(Akaike Information Criterion)和SBC准则(Schwarz Bayesian Criterion)值减少明显,能更好地反映出非一致性变化的特征。     

吐鲁番市地下水功能评价

吐鲁番地处内陆,干旱缺水,地下水是其经济发展和环境维持的重要支撑,为了合理开发和利用吐鲁番地下水,急需开展地下水功能评价。本文以吐鲁番地下水为研究对象,选取地下水开采潜力、生态敏感性、土壤盐渍化程度为评价因子,采用ARCGIS软件对各指标进行空间分析,运用层次分析法确定各指标权重值,对地下水的资源、生态和地质环境功能综合评价。结果表明,北盆地沿火焰山一带及南盆地艾丁湖乡、恰特克勒乡、迪坎乡一带,地下水可持续开发利用;北部天山山区、北盆地、托克逊县南部地下水的综合功能一般,可利用性一般,不宜再大规模开采;南部山区及库木塔格沙漠地下水功能弱,地下水不宜开采利用。     

设调压室水电站输水发电系统耦合振荡特性研究

设调压室水电站输水发电系统是复杂的水机电耦合系统,目前对耦合系统的振荡特性以及各个子系统间的耦合作用关系尚不明晰。本文首先将整个水电站系统分为“引水隧洞-调压室”子系统和“压力管道-机组”子系统,针对“压力管道-机组”子系统的稳定性提出了耦合振荡域的概念并推导了其解析公式,然后结合特征值分析法和数值模拟揭示了耦合系统的振荡特性,最后运用频域分析法探究了两个子系统间的幅频特性及相互作用关系,提出了衡量系统耦合振荡稳定性的定量指标。结果表明：当调速器参数在耦合振荡域外取值时,水电站系统恒不稳定,因此调速器参数在耦合振荡域内取值是整个水电站系统稳定的必要条件。当调速器参数在耦合振荡域内取值时,耦合系统的稳定性由低频振荡模式决定,将系统低频振荡模式的频率代入到两个子系统的幅频特性函数之积中,可以得到振荡叠加率,该值反映了系统扰动在闭环系统中增益值,具有明确的物理意义,当振荡叠加率小于1时,受扰系统趋于稳定。研究成果不仅丰富了水力过渡过程理论体系,对提高水电站运行稳定性也具有较好的工程应用价值。     

水泵水轮机无叶区压力脉动产生机理研究

抽水蓄能电站厂房振动问题是影响电站及电网安全稳定运行的关键技术难题。本文首先介绍了水泵水轮机无叶区压力脉动的幅值和频率特性,总结出无叶区压力脉动幅值大于其它位置、水轮机工况无叶区压力脉动幅值大于水泵工况、水泵水轮机水轮机工况大于常规混流式水轮机等规律性特征,指出了无叶区压力脉动的主频为叶片通过频率。其次,本文应用自由涡环量等于常数原理,通过对水泵水轮机水轮机最优工况远离运行区、水轮机工况转轮叶片进口速度三角形、飞逸转速工况压力脉动幅值最大等问题的深入分析,提出了水泵水轮机水轮机工况无叶区高幅值压力脉动源自于转轮叶片进水边正面脱流产生的自由涡这一机理性认识。     

高海拔区特征环境驱动下混凝土坝服役性能研究进展

以青藏高原为代表的高海拔地区汇聚着中国一半以上的待开发水能资源，在国家推动实现碳达峰与碳中和目标的重大战略背景下，相关地区水利水电工程的劣化状态、运行性态、灾变模态日益受到关注。在系统梳理高海拔地区典型环境基础上，从研究方法、影响规律、主控致因、防控措施等方面介绍了低大气压力、强太阳辐射、低温、低湿度、大温度日较差等高海拔地区自然环境特征对混凝土坝服役性能影响的主要研究进展。针对现有研究在高海拔区混凝土坝工程健康诊断与灾变风险防控方面的不足，从复合特征环境工况下的大坝性态馈控、混凝土多尺度劣化规律、材料与结构长期性能演化、工程组合系统行为分析等视角给出了进一步探讨的命题。     

基于InVEST模型的赤水河流域生态系统服务功能评估研究

通过开展流域生态系统服务功能评估,分析生态系统服务功能时空动态演变趋势,能够快速识别流域整体健康水平和退化程度,为流域生态系统保护提供决策依据。本研究采用ArcGIS和Fragstats软件分析了赤水河流域1980—2015年6期土地利用的时空动态变化和景观格局特征,采用InVEST模型综合评估了赤水河流域的水源供给、土壤保持、碳存储和生境质量等生态系统服务功能,并分析了35年间流域生态系统服务功能的时空分异特征。研究结果表明:赤水河流域1980—2015年土地利用未发生显著变化,保持了相对天然的生态系统状况。流域产水量近年来略微增加,中下游是主要的产水区。流域整体土壤侵蚀状况为微度侵蚀,轻度侵蚀面积近年来略微增加。赤水河流域为碳源区,流域碳储量呈降低趋势。流域生境质量指数平均值约为0.78,生境质量整体呈改善趋势。研究可为赤水河流域的生态环境保护提供参考。     

变化环境下洪涝风险演变特征与城市韧性提升策略

在全球气候变暖与快速城镇化的背景下，极端暴雨洪涝发生的可能性与不确定性在增大，同时洪涝威胁对象、致灾机理、成灾模式、损失构成与风险特性均在发生显著变化。本文基于郑州“7.20”特大暴雨水灾的实地调研与典型案例的剖析，阐述当代社会洪涝风险连锁性、突变性、传递性的演变机理与趋向，结合国际社会与水共存、韧性提升的理念与实践，探讨变化环境下与新时代基本国情相适宜的洪涝灾害防治策略。研究结果表明，应对快速城镇化进程中极端暴雨洪涝灾害，需以流域为单元做好综合治水的统筹规划；韧性城市只有建成不怕淹的城市，才有利于实现人水和谐的目标；在发展不均衡、不充分的现实条件下，完善与健全洪涝灾害风险管理与应急管理体制与运作机制，不仅在于保障安全，而且要为新时代经济社会快速平稳发展保驾护航。     

基于量热法的水电机组发电机效率试验研究

在水电工程现场,发电机效率试验受到现场安装条件的限制和测试时间的要求,很难有效和及时的开展,针对这种现状,本文简要介绍了基于量热法的发电机效率测试原理,再结合发电机效率试验中关键技术难点,如冷却管路的改造如何满足流量测量的要求、分项损耗的计算与总体损耗的校核与验证,以及试验过程和时间的组织计划等问题,提出了优化和解决方案,最后通过在西非科特迪瓦苏布雷电站的测试实施,证明优化设计方法具有良好的操作性和有效性,可为其他海外水电工程的发电机效率测试提供实施参考和技术依据。     

混凝土坝水平缝面智能冲毛系统研发及应用

新老混凝土水平施工缝面处理是确保坝体混凝土整体性的关键工序。目前混凝土坝施工主要根据经验采用高压水人工冲毛方式对冲毛位置、冲毛时间等进行控制,存在工作强度高、作业主观性强等不足,难以实现冲毛质量的精准控制。针对上述问题,本文研究了混凝土水平缝面智能冲毛系统。基于工业机器人、自动化控制等技术研制智能冲毛装备,实现混凝土坝仓面无人冲毛作业;耦合多源传感器信息,建立智能冲毛装备运动学模型以及路径规划方法,实现智能冲毛装备自主避障;结合机器视觉理论,建立基于卷积神经网络的混凝土冲毛表面图像智能分类模型,实现冲毛质量的客观分析;同时,开发云端监控平台和无线通讯子系统,实现与智能冲毛装备之间的信息传输和多平台互联互通,并进行智能冲毛装备的有效管理和远程控制。此外,通过现场试验验证了智能冲毛系统的可行性和可靠性,研究成果为混凝土坝冲毛施工实现无人化作业、科学化质量管控提供了新的思路和技术手段,具有十分重要的现实意义和应用价值。     

基于模态分解和云粒子网络的大坝基岩地震动输入研究

在大坝抗震安全评价中基岩地震动输入多采用实测数据或人工生成等方式,而当坝址仪器损坏或历史震害资料不足时,确定基岩地震动就变得尤为困难。本文提出对大坝基岩地震动进行反演的研究思路,并开发了基于经验模态分解和云粒子网络的分解—训练—反演混合模型,在不依赖场地历史震害资料的情况下,仅用少量周边测站数据即可确定大坝的基岩地震动。首先,选取坝址周边地表及基岩的地震动实测记录,采用经验模态分解法将地震加速度序列分解;其次,通过粒子群算法建立与神经网络连接权值的映射,采用云理论优化粒子群算法的全局寻优能力,建立反演模型,将分解后的加速度序列作为训练集进行反演训练;然后,选取与大坝处于相似地质情况的地表实测地震动信息,结合反演模型对大坝基岩输入地震动进行反演;最后,以紫坪铺大坝为研究实例,通过对比传统输入方法,验证该模型的适用性。结果表明：本文所提的混合模型综合性能稳定,能较好地反演地震加速度序列,模型决定系数均大于0.9,平均绝对百分比误差均在11%左右;采用本文反演得到的基岩地震动进行计算,较已有研究成果计算误差降低0.79%~17.28%,与工程实际动力响应更为吻合。本文方法可为解决大坝基岩输入地震动的获取提供一条新途径。