潜流式人工湿地的数值模拟与参数率定

以沈阳辉山明渠河口潜流式人工湿地为例,利用数值模拟预测了该湿地的运行效果。采用多孔介质水流与溶质运移耦合模型,通过对湿地模型的概化与处理,利用FEFLOW软件针对潜流基质层的水流和溶质扩散进行数值模拟,通过敏感度分析确定基质层的孔隙度、渗透系数、弥散系数和吸附降解系数为影响污水处理效果的敏感参数,并通过参数率定对所建立的湿地模型进行了模拟预测,结果证明所构建的湿地模型的预测值与观测值拟合程度较好。可为潜流式人工湿地设计中运行效果预测及参数设定提供一种新的有效方法。     

奎河周边浅层地下水流及溶质运移数值模拟

根据典型地区地下水动态和溶质运移情况,结合水文地质条件和其他资料,建立了相应的水文地质概念模型。利用有限元数值模拟软件FEFLOW实现了对研究区地下水流系统和溶质运移的模拟。在水位过程线拟合、水位误差分析和溶质相关性分析的基础上,对地下水流系统和溶质运移模型进行了识别、校验,并利用所建立的数值模型预测了研究区地下水溶质运移演化情况。     

基于时空分数阶导数模型的潜流带溶质运移模拟

为弥补传统整数阶导数对流-弥散方程在潜流带溶质运移模拟时难以描述介质非均质性引起的溶质运移的不足,在潜流带溶质运移模型中引入时空分数阶导数项,分别从一维和二维角度出发对分数阶导数方法在潜流带溶质运移模拟中的适用性进行讨论。研究发现：时间分数阶阶数α体现溶质运移过程的滞时效应,使穿透曲线具有明显的拖尾特征;空间分数阶阶数β刻画介质非均质性引起的溶质超扩散现象。参数敏感性分析结果表明：引入分数阶方法相较于传统对流-弥散方程使得方程对流速和弥散系数改变的敏感性增强,解决了传统整数阶方法无法准确描述潜流带中介质强非均质性的缺陷。野外示踪试验进一步证明：由于潜流带中介质非均质性强且存在多维流的特点,传统二维整数阶对流扩散方程对溶质运移过程刻画存在不足;一维分数阶导数模型在模拟潜流带溶质运移时,能够更准确计算溶质浓度峰现时间,描述穿透曲线拖尾现象;二维分数阶导数模型受到不同方向参数设置的影响,在没有纵深方向介质差异导致的水流、介质参数差异的前提下,模拟水平面内溶质扩散过程更具适用性。     

潜流人工湿地系统水力设计原则及类型

水力学条件是潜流型人工湿地建立及维持最重要的决定因子,直接关系人工湿地污水处理系统中的流速、流态、停留时间以及与植物生长关系密切的水面线控制等水力因子的设计和确定。概括分析了潜流型人工湿地水力设计的原则和类型,提出了复合潜流人工湿地系统水力模型构建的方法,以及形成系统的水流条件控制方法的研究路线,以期为潜流人工湿地优化设计、优化运行及机理模型的建立提供理论基础。     

畦灌施肥地表水流与非饱和土壤水流-溶质运移集成模拟Ⅱ：模型率定及验证

摘要：利用冬小麦扬花水畦灌施肥试验数据,对构建的畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型进行率定,基于冬小麦返青水田间试验数据,对该集成模型在不同畦灌施肥模式下模拟的地表水流推进时间、沿畦长土壤体积含水率和硝态氮浓度、畦灌施肥系统性能评价指标值等进行验证。结果表明,模拟结果与田间实测数据的相对误差值和平均相对误差值均小于相应的控制误差,构建的集成模型可用于模拟预测不同畦灌施肥模式下地表和非饱和土壤水流溶质运移转化过程及分布状况,为开展畦灌施肥系统优化设计和性能评价提供了有效的数值模拟工具。     

一维变密度溶质运移实验及参数推求

通过室内土柱注水实验,观测沙质土壤中氯离子浓度的变化过程。以变密度水流连续性方程、溶质运移方程和达西方程为基础,运用有限单元法和差分法对这3个方程进行联立求解,建立了一维变密度水流和溶质运移数值模型。利用实验数据反求变密度渗透系数、弥散系数等水动力参数。     

基于SGA和SRFR的畦灌入渗参数与糙率系数优化反演模型Ⅱ——模型应用

利用作者开发的基于SGA和SRFR模型构建的畦灌土壤入渗参数和田面糙率系数优化反演模型，在不同田间灌溉实例条件下进行参数优化估值，分析评价依据地表水流推进(消退)数据估算得到的土壤入渗参数和田面糙率系数进行畦灌地表水流运动过程模拟的效果。结果表明，利用基于地表水流推进数据估算的参数可很好地模拟非稳定状态下的水流推进过程，但其模拟地表水流消退过程的效果却普遍较差，而采用基于地表水流消退数据估算的参数虽可较好地模拟稳定状态下的水流消退过程，但用其模拟水流推进过程的精度却有所下降，只有采用基于地表水流推进与消退组合数据估算的参数，才能获得较佳的综合模拟效果。与人工试算法和离散变量法估算的参数相比，基于SGA优化估值参数模拟的畦灌地表水流运动过程效果更好，SGA是改善参数估值精度的有效手段。     

大型立式轴流泵进水流道两点压差式测流法研究

水泵流量是确定泵站装置效率和能源单耗的关键参数,研究大型立式轴流泵进水流道两点压差式测流法具有非常重要的意义。应用基于Standard k-ε、RNGk-ε和Realizable k-ε湍流模型的RANS方法分别对肘形进水流道的水流流动进行数值模拟,研究了不同湍流模型在数值计算中对壁面压强的预测能力,并与物理模型试验数据进行对比,结果表明Realizable k-ε湍流模型所预测的进水流道压差与试验结果最为接近。对肘形进水流道模型在不同的流量条件下进行数值模拟,分析了壁面的压强分布规律并确定了测压点的具体位置。在肘形进水流道原型的数值计算中,采用了与模型数值计算相同的数值方法,同时引入大并行的云计算技术,预测了大型立式轴流泵现场实测流量与压差的函数关系。     

一种新型双重轮休式潜流湿地及其抗堵塞与去污效果EI北大核心CSCD

为解决垂直潜流湿地易堵塞问题,设计了一种新型双重轮休式潜流湿地,该新型湿地通过控制进出水阀门开关实现预处理池和主体池上层的双重轮休以及水流方向的周期性改变,以提高防堵塞效果。在4个不同轮休周期工况下进行新型湿地对污染物去除效果的试验,确定其最佳轮休周期为5 d;在5 d轮休周期下运行新型湿地与传统潜流湿地,进行抗堵塞能力和去污效果的对比,运行40 d、140 d、160 d后,新型湿地的孔隙率分别为48.43%、46.36%和46.21%,传统湿地的孔隙率分别为46.89%、38.72%和44.37%,新型湿地基质孔隙率下降幅度小于传统湿地;运行160 d后,新型湿地NH_(3)-N、NO_(3)^(-)-N、TN、COD、TP去除率分别为60.40%、70.80%、56.53%、53.12%和48.30%,传统湿地中这些污染物去除率分别为34.99%、51.70%、41.43%、29.84%和47.06%,新型湿地污染物去除率高于传统湿地,且新型湿地中这些污染物去除率下降幅度均小于传统湿地,整个运行过程中去除效果较为稳定。该新型湿地为有效缓解堵塞问题提供了一种新的解决途径。     

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。     

SIMULATION OF SOLUTE TRANSPORT IN FRACTURED NETWORK WITH A PROBABILITY METHOD

The simulation of solute transport in fractured rock mass has been conducted with the Finite Difference Method(FDM), Finite Element Method(FEM) and Finite Analysis Method(FAM), etc.. However, groundwater flow and solute transport is very complex in fractured network compared to the rocks matrix because water flow and tracer particles have different selections of pathways when they travel to the fractured intersections. It is difficult for traditional method to simulate the law of solute transport in fractured network. Hence a new simulation method, the probability method, is developed. In the method, transfer probabilities for fractured network are calculated using the flux of input and output from fractured intersection points, and travel times of tracer particles are determined with random numbers, dispersion parameter and velocity. Furthermore, corresponding computing program is developed using the FORTRAN language. The comparison between simulated and experimental results shows that the probability method is of considerable reliability and is an effective method to simulate solute transport in fractured network, and the case study of the Jinping I-Hydropower Station displays its wide application prospect.     

HydroGeoSphere在锦屏水电站坝址区水流和溶质运移模拟中的应用

将裂隙岩体中的基质用等效连续介质模型描述,裂隙用离散网络模型描述,采用等效连续介质模型和连续-离散裂隙耦合模型模拟了裂隙岩体中的水流和溶质规律,并根据实测的裂隙倾向、倾角、隙宽等几何因素,应用随机的方法产生了裂隙网络.基于洪水期和枯水期的实测地下水位对耦合模型的参数进行了率定,模型的预测结果显示,采用耦合模型而不是等效连续介质模型预测的结果与实测数据拟合较好.在裂隙发育的区域,局部地下水位出现了异常,示踪剂的迁移速度较快,采用连续-离散裂隙耦合模型能够有效地模拟这一异常现象.     

基于QGA-SVM的堆石料离散元细观参数标定模型

针对堆石料离散元三轴试验中存在的细观参数标定影响因素多、耗时严重等问题,在总结分析堆石料细观模型现状的基础上,建立基于量子遗传算法(QGA)和支持向量机(SVM)的细观参数标定模型。模型采用拉丁超立方抽样生成细观参数组,并使用离散元计算其应力-应变曲线;采用QGA对SVM进行训练,使其达到最佳学习效果,以模拟细观参数与应力-应变曲线间复杂的非线性关系;依据堆石料室内三轴试验成果,发挥SVM计算速度优势,采用QGA搜索堆石料细观参数,实现堆石料的离散元细观参数标定。堆石料细观参数实例标定结果表明,所建立的模型可快速、精确地标定离散元细观参数,具有工程应用价值。     

涡粘性模型和对流项差分格式对溶质输运模拟精度影响研究

紊流中的溶质输运和生化反应过程与流场的紊动结构密切相关，对溶质输运、化学反应和微生物生灭等过程进行模拟时能够达到的精度又与所采用的数学模型和差分格式有关。高精度的数值模拟计算方法能够给出不同设计方案下流场内溶质的掺混、输运过程和微生物消长的大量细节，可以快捷、准确地对设计方案的运行效率作出合理评判。数值模拟中的不同处理方法，如采用不同的紊流模型、输运方程差分格式等，对输运和反应过程的模拟精度都产生影响。本文采用不同的涡粘性模型和对流项差分格式的组合计算了输运过程结果，并与实测资料进行对比，分析了不同模型组合对溶质输运过程模拟结果精度的影响，以此为依据提出了计算精度较高的模拟方法。     

分解模型与贝叶斯方法在枯水分析中的应用

本文把随机分解模型应用到枯水径流分析与设计,用贝叶斯统计推断其中的偏态参数C_s。运用结果表明:分解模型能很好地模拟枯水过程,贝叶斯估计能利用区域信息推求模型参数,提高参数估计的稳健性和降低抽样误差。     

入渗条件下地表积水问题的理论分析及应用

本文对渗流的数值模拟中遇到的边界积水问题进行了理论上的推导，进而在通用的二维渗流模型SWMS-2D中实现了该边界的处理，并通过典型算例和实际应用对程序的正确性和实用性进行了检验。研究结果表明积水边界条件在SWMS-2D中的实现是正确和有效的。     

水质模型在平阴湿地水质净化中的应用

平阴湿地示范区的建立主要是对污水处理厂的中水进行进一步深度处理,并考虑湿地的中水净化效果及生态环境恢复作用。此文采用二维水质模块对山东平阴县湿地示范区进行水质模拟研究,得湿地对主要污染物CODcr的衰减率约为3.4%,对中水有较好的净化效果。通过此次研究发现湿地水质净化示范效果良好,为南水北调沿线中水回用及生态修复提供依据。     

Research on Combination Forecast Mode of Conceptual Hydrological Model

The calibration and selection of conceptual hydrological model parameters is an important but complex task in runoff forecasting. In order to solve the calibration of conceptual hydrological model parameters, a multi-objective cultural self-adaptive electromagnetism-like mechanism algorithm (MOCSEM) is proposed in this paper. The multi-objective parameter calibration method of runoff forecasting avoids the “averaging effect” and considers both large and small runoffs hydrological features. In this paper, the self-identifying parameter combination forecasting method (SPCFM), a universality combination forecast model, is developed innovatively to improve forecasting precision by using the extreme parameters of Pareto optimal solutions. Finally, MOCSEM is combined with SPCFM to calibrate the parameters of forecasting model and forecast runoff of Leaf River. The results indicate that the proposed methods improve forecast accuracy and provide an effective approach to runoff forecast.     

畦灌施肥地表水流与非饱和土壤水流-溶质运移集成模拟：Ⅰ模型

本文基于零惯性量方程和一维对流-弥散方程建立起畦灌溉施肥地表水流溶质运移模型,并利用HYDRUS-2D软件模拟二维非饱和土壤水流溶质运移过程,以一维地表水流溶质运移模拟得到的通量条件作为二维非饱和土壤水流溶质运移模拟的上边界,利用编制的程序将两个模型进行集成,构建起畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型。基于多时段分步迭代计算方法,实现沿畦长地表入渗溶质通量动态变化条件下的二维非饱和土壤水流溶质运移模拟。