Comparison of infiltration models to describe infiltration characteristics of bioretention

Bioretention is one of low-impact development measures, which widely used not only because it can reduce stormwater runoff total volume, decrease peak flow rate and delay peak flow time, but also can remove the runoff pollutants. Infiltration is an important hydrological process for bioretention to evaluate its runoff total volume reduction and pollutants removal. So, it is important to find an optimal infiltration model that can well describe the infiltration performance of bioretention. The Horton, Philip and Kostiakov infiltration models were selected to compare their accuracy when using for describe the infiltration characteristics of bioretention, and the errors between the different models simulate results and experiment results were assessed via the maximum absolute error (MAE), bias and coefficient of determination (R²). The experimental results showed that Horton model is fitting well and flexible under different experiment conditions, especially when the hydraulic head was 10 cm, with MAE of 0.50–0.81 cm/h, bias of 0.1–0.23 cm/h and R² of 0.98–0.99. R² of the Philip and Kostiakov models were all over than 0.87 at the initial infiltration period, but the model fitting accuracy decreased significantly with infiltration time elapse. Furthermore, the total runoff volume capture ratio and emptying time were advanced used to evaluate the flexibility of Horton model, and the Nash-Sutcliffe efficiency coefficients of them were over than 0.61 and 0.58, respectively. Therefore, the Horton model can be optimal selected to describe the infiltration process of bioretention and for its hydrological evaluation.     

基于传递矩阵算法的裂隙注浆扩散机制研究

在裂隙岩体注浆工程中,由注浆压力引起的裂隙位移对注浆扩散过程影响显著。为研究浆体在裂隙岩体流动时浆液的扩散规律,克服以往假设裂隙无开度变化且仅在单一裂隙内考虑浆液扩散的情况,将传递矩阵算法引入宾汉流体本构方程,利用传递矩阵求解任意位置处的裂隙位移,同时建立考虑浆液在岩体间劈裂注浆的简化裂隙岩体模型通过加设阻力来模拟浆液在岩体内扩散的能量耗损,从而在平板裂隙条件下可以完整准确描述浆液在裂隙中及岩体间连续扩散的过程,建立了基于传递矩阵法的裂隙岩体注浆模型。应用有限元软件ＣＯＭＳＯＬ分别建立单裂隙、多裂隙注浆模型对上述理论模型进行对比验证。     

中小流域时空变源混合产流模型及参数区域化方法研究

针对山丘区中小流域洪水预报面临的产流机制混合多变和模型参数难以获取的问题,提出了适用于缺资料地区的中小流域时空变源混合产流模型和基于机器学习CART的参数区域化方法。在小流域地貌水文响应单元划分基础上,利用GARTO非饱和下渗计算模型,从超渗/蓄满机制的平面混合、垂向混合和时段混合三个方面构建时空变源混合产流模型,并采用机器学习CART方法进行模型参数区域化研究。选取不同地貌类型区的15个流域和河南省19个小流域实测降雨径流资料分别对模型适用性和参数区域化方法进行了验证。结果表明,通过与国内外8个水文模型的对比验证,时空变源混合产流模型模拟平均纳什系数为0.78,比其他模型提高约20%;利用本模型和CART参数区域化方法在河南省19个流域计算的平均纳什系数为0.70,比参数随机移植结果提高了35%,本模型和参数区域化方法在山丘区中小流域洪水模拟中应用效果较好。     

湿陷性黄土地区海绵城市建设湿陷性风险模拟评估研究

在湿陷性黄土地区开展雨水集中下渗的海绵城市建设面临着湿陷变形的风险,以黄土湿陷性较为严重的西咸新区空港新城临空产业区为例,采用数值模拟的方法模拟了研究区湿陷性黄土在不同设计降雨情况下的雨水集中入渗后的湿陷情况。应用GAST模型计算雨洪过程,并将降雨量下渗过程作为边界条件输入Midas GTS/NX软件来模拟黄土基础变形情况。通过分析5个典型黄土区因降雨下渗导致的湿陷量,发现其等级为Ⅱ级及以上,其中最严重情况下的雨水下渗深度为5.02~6.51 m,总湿陷量和自重湿陷量分别为468.18~1015.56 mm和88.99~239.03 mm,湿陷等级为Ⅲ级。可见局部集中下渗会导致较高的湿陷风险,故建议在湿陷性黄土地区海绵城市建设中应进行量化评估并合理规避湿陷风险。     

基于统一硬化参量的海洋K0固结土动力本构模型

为方便海洋工程中桩土相互作用计算,根据海洋K₀固结土体特性,对现有相关土体本构模型进行简化。在修正剑桥模型的基础上,基于热力学理论,选用耗散功作为硬化参量,结合原状土体的固结属性,推导了适用于黏土与砂土的统一硬化模型。在此基础上,通过采用旋转硬化与等向硬化相结合的硬化理论来表征K₀固结土在循环荷载作用下的硬化规律,同时引入屈服面收缩参数Θ来描述循环荷载加载过程中土体屈服面的演化特性,进而建立了循环荷载下海洋K₀固结土体统一硬化模型。为验证本文提出的本构模型的合理性,开展了2个案例的对比研究,研究结果表明:新提出的统一硬化模型的计算值与实测值吻合,选用的计算参数少且物理意义明确。     

巴塘水电站导流洞平面闸门流激振动试验研究

针对巴塘水电站导流洞动水闭门过程中门体出现振动的问题,根据水弹性和重力相似准则建立比尺为1∶25的物理模型。通过模型试验,对平面闸门在闭门阶段的振动加速度、持住力以及门体应变等参量进行试验测定。试验结果表明:闸门在局开挡水时,水平向最大单倍位移幅值为91.974μm,振动危害较小;结构最大Mises应力值为11.32 MPa,闸门整体应力满足强度要求,平面闸门安全可靠。通过ANSYS Workbench平台对闸门进行模态分析。结果表明:干模态基频为40.05 Hz,湿模态基频为35.40 Hz,闸门挡水时脉动主频在10 Hz以内,与湿模态第1阶频率相差较大,闸门产生共振的可能性较低。本文采取的水弹性模型试验技术能够较好地反映平面闸门的动力特性,能够较为准确地预测和分析闸门的流激振动响应特性,可为类似工程的结构优化设计及运行安全监测提供参考。     

DEM分辨率对山洪淹没模拟影响

DEM是表征地形状况的重要指标,在山洪淹没模拟中起着重要作用。以2016年7月19日发生在河北省石家庄市井陉县西部山区的特大暴雨山洪事件为研究对象,利用HEC-HMS水文模型和FLO-2D水动力模型,设置5种DEM分辨率方案(30、20、15、10、5 m),从淹没范围和淹没水深两方面分析了DEM分辨率对山洪淹没模拟的影响,并从模型运行时间角度对其运行效率进行了评估。研究表明:DEM分辨率越高,则淹没范围越小,平均淹没水深越大,即模型模拟精度越高,山洪事件的淹没范围及水深越接近于实际调查情况(DEM分辨率为30和5 m时,淹没范围及淹没深度的模拟精度分别为0.56和0.41、0.76和0.79);随着DEM分辨率的提高,尤其从10 m提高至5 m时,模拟结果差异减少,模拟精度的增幅也减小,淹没范围和水深的精度增幅分别为2.70%和3.94%;DEM分辨率越高,则模型运行时间越长,模型运行效率越低,5 m DEM方案下的运行时间为30 m DEM方案的700倍。综合考虑模拟精度及模拟时间,10 m分辨率的DEM对山洪淹没模拟、风险评估及预警预报等更为适用。     

基于CMIP5的中国西北地区暖湿化演变研究

为了解中国西北地区历史与未来时期的气候演变趋势,以CMFD再分析数据集及CMIP5全球气候模式输出数据为基础,从时空维度详细分析了西北地区历史气候的演变特征并对区域未来气候发展进行了预估。结果表明：1979-2018年西北地区的气温、降水量以及近地面空气比湿均呈现出明显的增加趋势,且未来极有可能继续增加;此外,降水量在年内的分配过程越趋均匀化,且降水结构在2001年左右发生了较大突变。整体来看,西北地区的历史气候演变显示出高度的暖湿化倾向。未来情景下,西北地区的气候将继续朝暖湿化方向发展,同时降水量的年内分配不均匀性也将进一步减小,且在RCP8.5排放情景下表现的更为突出。本研究可为西北地区气候变化的影响评估提供参考,同时也为水利、农业、气象和生态等部门的决策提供科学依据。     

基于XCT扫描图像的混凝土二维细观受压断裂模拟

为了研究混凝土细观层次断裂力学特性,对混凝土试件进行原位XCT扫描,基于扫描图像提出了具有真实内部结构特征的混凝土二维细观模型,并预先在水泥砂浆和骨料-水泥砂浆界面插入零厚度粘结裂缝单元用以模拟潜在的裂缝。通过对该模型进行混凝土单轴受压数值仿真模拟,讨论其裂缝的发展过程以及不同细观结构和相应参数对混凝土断裂损伤行为的影响。结果表明：数值模拟得到的混凝土二维模型抗压强度与试验测得的强度相接近;混凝土的抗压强度受到水泥砂浆和骨料-砂浆界面裂缝单元的绝对数值影响,其中水泥砂浆裂缝单元强度对材料强度起控制作用;骨料-砂浆界面裂缝单元强度与水泥砂浆裂缝单元强度的比率对裂缝衍生发展有显著影响。     

黄河干流白银市水川段水面线计算方法对比分析

为克服能量方程逐段试算方法在河道水面线计算上存在的不足与局限,本文以黄河干流白银市水川段为例,采用二维水动力数值计算模型,对4种洪水频率工况下黄河干流白银市段的水面线高程进行计算,并将二维数值计算结果与能量方程计算结果进行复核和评价。经计算可知两种计算方法在计算结果上存在偏差,能量方程在河道水面线计算上是一种近似成果,而二维数值计算能够更加真实反映河道的实际情况,因此在水面线计算时推荐二维数值计算方法。