梯形断面明渠纵向离散系数的分析

突发性污染事件发生后需要快速预测梯形断面明渠水质,此时要获得渠道的纵向离散系数。利用试验数据对构建公式的各参数进行相关性分析,根据河流经验公式形式提出了梯形断面明渠纵向离散系数经验公式形式,经过线性相关性分析、回归计算,推求出各参数的系数,得到梯形断面明渠纵向离散系数经验公式。最后,探讨了利用流速分布研究结果修正样本数据,发现最大流速经验公式的选取会影响参数的相关性。将计算结果与实测结果比较,吻合良好,表明该经验公式合理可靠,可以应用于梯形断面明渠纵向离散系数的估算。     

基于外调水入渠的冰期渠道水力热力协同调控方法

为破解高纬度地区长距离渠道冬季冰盖下输水能力不足的问题，以一个梯形断面尺寸一定的渠道模型为例， 利用数值模拟方法，分析气温、入渠水温、输水流量等热力和水力因子对冬季渠道水温沿程衰减的影响规律，并 采用多元拟合的方法提出适合该断面尺寸渠道的不冻长度公式。分析两种离线水库补水模式对渠道水体的温控 效果及补水流量、气温、补水水温对补水间距的影响，并将不冻长度公式用于补水间距的计算。研究表明：在接 近冰点的渠道断面，通过外调水入渠，能够延长渠道不冻长度，可在一定输水距离范围内避免渠道结冰，从而解决 长距离输水渠道冰期输水能力不足的问题。研究成果对长距离输水渠道冰害防治和冰期输水能力提升具有一定 参考价值。     

冰盖对层流垂线流速分布的影响研究

冰盖下的缓慢水流流动可近似为两平行斜板间的层流流动,这为求解冰下层流的垂线流速分布提供了理论基础。采用理论分析的方法对明渠层流及冰下层流的垂线流速分布进行了比较,发现二者的垂线流速分布均可用统一形式的抛物线型公式表示。其中,明渠层流的垂线流速分布可完全确定,冰下层流的垂线流速分布则会因水流纵向压强梯度的不同而不同。同时,冰下层流同一水深处的流速、垂线平均流速、最大流速、单宽流量、流速梯度的最大值均小于明渠层流对应值。结果表明,冰盖通过影响垂线流速分布来影响过水断面的流量,造成流量及输水效率大幅降低,为保证冬季输水渠道的输水效率,应尽力避免冰盖的不利影响。     

淹没柔性植被明渠恒定水流水力特性的试验研究

采用三维多普勒超声测速仪(ADV)对淹没柔性植被明渠恒定水流的水力特性进行了试验研究。采用羽毛来模拟天然河道的柔性植被,对不同的植被密度、不同淹没度和不同流量条件下柔性植被明渠恒定水流流速场进行了测量,得到了淹没植被情况下纵向流速和雷诺应力沿垂向的分布。结果表明,植被上层区域与植被区域水流表现出不同的水力特性,植被上层区域的雷诺应力近似为直线分布,纵向流速呈经典的对数律分布;而植被区域,纵向流速则呈“S”型分布。在分析植被上层水流雷诺应力与纵向流速的关系的基础上,利用普朗特混合长度理论推导了植被上层水流流速的理论表达式,该公式的计算结果与实测数据符合良好。     

含柔性植被明渠水流水力特性的试验研究

采用粒子图像测速(PIV)技术对含柔性淹没植被明渠水流的水力特性进行试验研究。利用人造水草模拟天然柔性植被,对不同密度、不同流量条件下含柔性植被明渠恒定均匀流场进行了测量,得到了淹没植被情况下纵向流速、雷诺应力、紊动强度沿垂向分布与曼宁系数的变化情况。试验结果表明:纵向流速的垂向分布可以分为3区,包括自由水面区、中间冠层区和近床面区。自由水面区流速随植被密度增大而增大,中间冠层区与近床面区流速随植被密度增大而减小。雷诺应力与紊动强度的峰值出现在植被冠区顶部附近,并随着植被密度增大而增大。     

明渠冬季安全输水措施研究

冬季明渠输水的主要方式有冰水混合和冰盖下2种.冰水混合流对渠道的过流条件要求较为苛刻,运用时受限制较多;冰盖下输水可以实现明渠冬季输水安全运行,但必须控制流冰期渠道的水流流速和水流弗劳德数.冰期输水的注意事项主要有:渠首蓄冰运行、渠道断面设计应采用窄深式、尽快使明渠形成冰盖、冰盖输水宜采用无自由表面输水、提高渠道内的水温等.     

钱塘江河口突发溢油事故的油膜漂移轨迹研究

针对钱塘江河口的强潮特性,采用数值模拟方法计算出垂向平均的二维潮流场,根据实测垂向流速分布的分析成果将其转换为表层流场,在此基础上采用拉格郎日质点追踪法,模拟三江口在不同潮汐时刻突发溢油事故时油膜的漂移轨迹,分析油膜漂移规律和对取水口的影响风险,为杭州市提高应对突发溢油事故的应急能力提供技术支撑。     

深水明渠附着水下空间体的水动力特性与体型优化

大型长距离输水明渠边坡衬砌破坏后,受供水保证率制约通常只能不停水修复,而现有施工技术在深水渠道中难以使用,寻找快速环保地进行明渠不停水修复已成为亟待解决的重大技术难题。突破传统施工围堰概念,提出使用"水下无底拱穹结构"作为大型明渠不停水修复的施工平台。以南水北调中线干渠某渠段为例,采用数值模拟与物理模型验证相结合的方法,开展了空间体的水动力特性及体型优化研究。首先基于水下空间体的构造与选定的约束条件,利用Rhion和Flow 3D软件搭建了研究渠段的三维水动力学模型;分别对设计的三种体型水下空间体进行了水动力数模计算,分析了渠道流态与流场、断面流速分布、回流强度、壅水及阻力损失等水力要素的特征,计算了空间体的绕流阻力,对比总结了三种体型空间体的水动力学特征。结果表明,半椭圆形水下空间体绕流阻力较小,对渠道过流能力影响最小,可考虑作为水下空间体的应用选型。本文的研究为渠道内快速开展不停水维修提供了新思路与技术参考。     

基于CFD的顺直明渠断面流场数值模拟研究

为研究顺直明渠断面的流速分布,选取梯形明渠为例,基于计算流体动力学(CFD)方法建立三维顺直明渠数值仿真模型,采用刚盖假定法和流体体积(VOF)法分别捕捉自由水面,对比研究了不同宽深比明渠的断面流速分布;选取标准k-ε 模型、RNG k-ε模型及雷诺应力模型(RSM)分别封闭雷诺平均(RANS)方程,对比评估了各数值模...     

淹没柔性植被明渠恒定水流水力特性研究

采用三维多普勒超声测速仪(ADV)对淹没柔性植被明渠恒定水流的水力特性进行了实验研究。采用羽毛来模拟天然河道的柔性植被,对不同的植被密度、不同淹没度和不同流量条件下柔性植被明渠恒定水流流速场进行了测量,得到了淹没植被情况下纵向流速和雷诺应力沿垂向的分布。分析表明,植被上层区域与植被区域水流表现出不同的水力特性,植被上层区域的雷诺应力近似为直线分布,纵向流速呈经典的对数律分布;而植被区域,纵向流速则呈“S”型分布。在分析植被上层水流雷诺应力与纵向流速的关系的基础上,利用普朗特混合长度理论推导了植被上层水流流速的理论表达式,理论公式所得结果与实测数据符合良好。     

地下水水源地污染预警应用研究——以浑河冲洪积扇为例

地下水水源地污染预警是集中城镇供水的地下水资源保护和管理的重要依据。为了控制地下水污染,使地下水保护更具预见性和主动性,提出了基于水质现状和污染风险的地下水水源地污染预警思路。水质现状是预警基础,决定预警的起始状态;污染风险考虑了污染源载荷风险和污染危害性,反映人类活动对地下水的影响,决定区域污染状况的发展变化。以浑河冲洪积扇饮用水水源地为例,通过各因子的评价和叠加分析得到地下水水源地污染预警值,结果显示浑河冲洪积扇地区大部分水源地存在不同程度的污染警情。研究结果可为当地地下水水源地保护提供依据。     

我国西北地区主要农作物贸易对区域水资源影响

随着我国粮食生产重心的北移,西北地区在全国粮食安全中的作用日益凸显,然而该地区水资源缺乏,水土资源时空匹配性差对当地的生态安全、粮食安全和水安全构成了巨大威胁。近些年,伴随着城市化和区域贸易的快速发展,西北地区农作物产量和外运量均快速增长,大量的农作物虚拟水伴随贸易输送到全国各地,进一步加剧了西北地区的水资源压力,严重制约当地的可持续发展。基于此,本研究对2000-2015年西北地区主要农作物生产水足迹和伴随着农产品贸易的虚拟水流动格局进行了量化分析,在此基础上评估了西北地区农产品贸易输出引发的水资源压力。结果表明,研究期内2000-2015年西北地区主要农作物生产水足迹呈上升趋势,从2000年的417.16亿m~3增长到2015年的439.87亿m~3。与此同时,农产品贸易伴生的虚拟水流动量显著增加,从2000年的220亿m~3增长到2015年的272.99亿m~3,严重加剧了当地的水资源压力。陕西、内蒙古、新疆和甘肃水资源压力均高于全国平均水平,陕西更是呈重度水资源压力状态。因此,本文从技术发展和宏观战略层面提出了创新农业实体水资源利用效率、建立虚拟水补偿机制以及合理优化调整区域产业结构的应对策略与建议,为保障我国西北地区水资源可持续利用提供了科学参考。     

西南地区典型岩溶地下水系统污染模式

岩溶地下水资源是西南地区社会和经济发展的重要保障,随着城市化进程的不断加快,西南地区岩溶地下水污染问题也日益凸显,直接威胁当地群众的健康安全,已成为社会热点。以西南地区典型岩溶地下水系统污染实例为研究对象,通过分析每个岩溶地下水系统污染实例的水文地质条件、污染源特征、污染物迁移规律及污染危害等方面,归纳总结西南地区典型岩溶地下水系统污染模式,分为四种:间歇型入渗污染、持续型入渗污染、灌入型污染和越流型入渗污染。该项研究便于识别污染物的运移特征及规律、掌握污染范围和污染程度,为西南岩溶地区地下水污染物的防治工作提供重要的借鉴意义。     

溃堤洪水的二维水动力模型及其应用

为了减少堤防溃决造成重大的生命财产损失,加强防洪减灾非工程措施建设,建立了溃堤洪水的二维水动力模型,对溃堤洪水的精细化仿真模拟。该模型考虑了溃堤口门展宽变化,局部网格加密处理,并采用干湿水深理论与热启动技术对模型进行优化。将该模型应用于黄河内蒙段南岸灌区的溃堤洪水演进模拟,利用2008年杭锦旗奎素段实际溃堤数据对所建模型进行验证,结果表明:流场分布均匀且光滑,计算结果合理可靠,模型具有较高的计算精度及可靠性。采用该模型模拟了沙圪堵工程与奎素段堤防同时溃决的情形,并绘制了洪水风险图,为该地区防洪风险管理决策提供了重要的技术支持。     

柳河流域特征污染物负荷模拟及污染源解析

基于通用流域负荷模型(GWLF模型),选取柳河流域为研究对象,利用2006-2014年的水文水质数据进行水文化学过程的模拟,评估流域节点断面的月径流量及特征污染物负荷通量,根据模型结果分析了特征污染物的污染来源及贡献率。结果表明,从年际变化上看,COD、氨氮和总氮的总负荷通量近年来有所下降,总磷的总负荷通量呈逐年上升趋势。从年均水平上看,COD、氨氮的点源污染与非点源污染贡献率相差不大,均接近50%;总氮的非点源污染贡献率远远高于点源污染,贡献率高达79.6%;总磷的污染来源主要为点源污染,贡献率高达74.9%。根据特征污染物的污染源解析结果,提出有针对性的削减和控制污染的措施,为流域水污染管控提供依据。     

基于模糊相似的长距离输水管线系统 风险评价指标体系确立

长距离输水管道工程因其复杂性而存在诸多风险,由于失事后果的严重性,通过实践获取各风险事件的发生概率及事故造成的损失很不现实。鉴于评价指标的模糊性和关联性对评价结果的客观性影响很大,通过引入模糊相似理论和三角模糊数,提出了模糊相似评价方法。以东北某长距离埋地输水管道供水工程为例,对初步识别的风险事件进行筛选,并完成了对风险评价指标集的模糊相似评价。评价表明,暴雪和山体滑坡、工程总体布局不尽合理和流量调整频繁、设备失灵和监控系统失效、管理设施不完善和资金保障不到位、人为破坏和通信故障等五组指标具有较高的相似度,结果比较符合实际,可剔除权重较小的相似指标,新确立的风险指标体系能在一定程度上简化风险综合评价的复杂度,方法简便可行。     

水泥改性土填筑施工现场试验及其工程应用

水泥改性土填筑施工质量是影响膨胀岩(土)地区渠道边坡稳定性的重要因素。针对南水北调工程水泥改性土换填的实际情况,通过对传统路拌法、拌合站厂拌法施工工艺现场碾压试验结果的分析研究,提出了一种新的水泥改性土换填施工方法——集中场拌法。该方法克服了路拌法和拌合站厂拌法的缺点,已成功运用于南水北调中线工程水泥改性土换填施工中,为类似工程的施工提供了参考。     

虹吸式管道排沙技术在西霞院水库清淤中的试验研究

为研究虹吸式管道排沙技术在西霞院水库清淤中的应用及效果,基于水库库区现场的清淤试验,利用西霞院水库上下游水位差的虹吸作用,辅以破土射流冲吸式吸泥头扰沙,通过对输沙管道沿程含沙量和流量等特征值的跟踪监测,研究单泵及双泵串联条件下,200m3/s、220m3/s、230m3/s、240m3/s、250m3/s、300m3/s和330m3/s共7个流量级不同试验工况下测点含沙量的变化范围、趋势及粒径级配等,并对试验清淤效果进行定量分析。水库清淤的现场试验结果表明:随着虹吸式管道排沙试验的工况流量不断增大,所测的平均含沙量呈现出增大趋势,而最大含沙量呈现先增大后减小的趋势,整个试验过程最大含沙量达到342.61kg/m3,清淤2 000m3泥沙的生产成本为10.56万元。     

基于偏最小二乘及最小二乘支持向量机的 人工加糙渠道糙率预测模型

影响渠道糙率的因素相当复杂,且因素间又存在一定的相关关系。为取得更为精确的糙率预测效果,采用偏最小二乘(PLS)法对影响人工加糙渠道糙率的因素进行分析,提取影响自变量的重要成分,结合最小二乘支持向量机(LSSVM)建立了人工加糙渠道糙率预测模型。结合实例,通过对某人工加糙渠道相关试验数据进行PLS-LSSVM模型的训练及预测,并将预测结果与单独使用PLS、LSSVM及公式法的预测结果进行对比,其结果显示:基于PLSLSSVM模型的预测平均绝对百分比误差MAPE为1.38%,均方根误差RMSE为2.24×10~(-4),预测精度均优于PLS、LSSVM及公式法的预测结果。结果表明,将PLS与LSSVM相结合的PLS-LSSVM模型,综合了PLS与LSSVM各自的优势,应用PLS-LSSVM模型可有效进行人工加糙渠道糙率的预测。     

基于AHP-灰色定权聚类的长距离输水工程闸门 应急调控方式研究

针对长距离输水工程,提出了应急调控过程中影响闸门调控效果的6项指标,包括调控时间、调控后污染范围、调控后污染物峰值浓度、调控成本、操作难易程度及调控对工程的影响;然后利用层次分析法建立和量化影响闸门调控效果的各项指标,并引入灰色定权聚类方法对闸门调控方式进行灰色分类,建立三角白化权函数,更能准确地确定闸门调控方式。最后以南水北调中线总干渠京石应急段起点至西黑山分水口之间的渠道为例,运用AHP-灰色定权聚类方法,确定了中线工程应急调控过程中较为合理的闸门调控方式为同步闭闸。