基于降雨空间变异的潜水运动随机模拟方法Ⅰ——非条件模拟

将降雨视为随机场,考虑降雨入渗补给量与地下水埋深的关系,采用二维稳定-非稳定潜水运动的KLPC模型,分析了降雨的空间变异性对水头均值、方差和协方差的影响,利用变异系数描述了水头、流速和水动力弥散系数的变异程度。结果表明,KLPC算法的随机模型具有优越的计算效率;水头方差随降雨场方差和相关长度的增大而增大;在降雨空间变异的条件下,水头随机场呈现出明显的非平稳特性且具有各向异性结构;在非稳定流中,水头协方差表现出“扩散”和“平移”的特性;水头的变异程度较小,在随机模拟中可以不考虑降雨空间变异对地下水流动的影响;但水头的变异导致了流速和水动力弥散系数强烈的变异性,在溶质运移的随机分析中需要予以充分重视。     

均质与非均质土中水动力弥散规律研究

为探究均质与非均质土中溶质迁移扩散的一般性规律,通过室内柱试验对不同条件下的水动力弥散现象进行观察监测。并利用经典的对流扩散(ADE)模型拟合分析相应的溶质穿透曲线。结果表明：在均质土中溶质浓度对水动力弥散系数和穿透曲线的影响甚微;而溶质迁移流速对水动力弥散具有促进作用,流速越大,水动力弥散系数越大,穿透曲线完成时间越快;同一流速下,水动力弥散系数与砂土的平均粒径存在正相关关系,且平均粒径越大的砂土,受流速影响越大。此外,土壤中溶质迁移扩散时存在明显的尺度效应,一般迁移距离越远溶质水动力弥散系数越大。与均质土壤介质相比,层状土壤的非均质性及不同层状结构对水动力弥散作用更为显著。     

沼液中全氮在非饱和均质土壤中的吸附特征试验

为探讨沼液中全氮在非饱和均质土壤中的吸附特征,在室内恒温条件下,对非饱和均质土柱采用一维沼液吸附试验,测定不同沼液浓度、土壤密度及沼液入渗水头条件下渗出液电导率及全氮含量,并应用对流弥散溶质运移模型和CXTFIT2.0软件对试验数据进行拟合,得到了不同试验方案下的全氮平均孔隙水流速和水动力弥散度。试验结果表明:不同试验方案下较大密度土壤的渗出液电导率峰值点均小于较小密度土壤的峰值点;峰值点后渗出液的电导率与峰值点差值随沼液浓度的增大而增大;相同土壤密度及入渗水头条件下,随沼液浓度的增大,吸附曲线逐渐向右偏移,全氮运移吸附转折点对应时间及被截获在土柱中的全氮量增加,而吸附转折点渗出液相对浓度、平均孔隙水流速及水动力弥散度均减小;相同沼液浓度及土壤密度条件下,随入渗水头增大,土壤对全氮吸附达到饱和所需时间减少,平均孔隙水流速及水动力弥散度增大;相同沼液浓度及入渗水头条件下,随土壤密度的增大,全氮吸附转折点对应时间增长,水动力弥散度增大,而平均孔隙水流速减小。     

排水条件下饱和土壤中镉运移实验及其数值模拟

对流弥散方程(CDE)是模拟重金属在土壤中动态的常用方法之一。本文运用动态饱和土柱实验比较了重金属镉(Cd)在不同质地的碱性土壤中吸附和运移特征，并运用Batch实验获得的吸附参数作为初始值，应用所建数学模型模拟了排水条件下Cd在饱和土壤中的吸附和运移过程。结果表明，不同质地的土壤对Cd运移的阻滞作用有所差别；水动力弥散作用对Cd在土壤中的运移过程有明显的影响。对流弥散方程能较好地模拟排水条件下Cd在饱和土壤中的运移过程。     

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。     

承压含水层中非达西径向稳定流动抽水模拟试验

为分析抽水井附近水流的非达西流动,采用装填均质河砂的扇形密闭水槽模拟承压含水层,开展了外边界水头恒定条件下的定流量抽水试验,获得到了水流稳定流动时的水头降深曲线。通过比较试测水头降深与达西流动理论水头降深,以及比较相邻两压力传感器之间的平均水力梯度与相同流速下的达西水力梯度,进行了非达西流动的判别,比较结果发现本试验条件下存在明显的非达西流动现象。同时,应用基于Izbash方程的非达西稳定流动水头降深解析解,对不同流量下的试验数据进行了拟合分析,发现抽水流量对非达西稳定流动的Izbash方程系数值影响较小。通过不同平均方法获得了描述本试验中非达西流动的Izbash方程系数的适宜取值为k=7.17×10-7,n=1.65,此时不同抽水流量下拟合水头降深曲线与试测水头降深曲线吻合良好,表明基于Izbash方程的非达西稳定流动水头降深解析解可较好地描述抽水井附近的非达西径向稳定流动。     

饱和-非饱和土壤中吸附性溶质水动力弥散实验研究

本文通过室内土柱对轻壤土和重壤土饱和、非饱和水动力弥散实验，得到了吸附性溶质水动力弥散参数的计算方法。根据一维饱和弥散实验结果，由相应的解析解，用简化计算方法求得饱和水动力弥散系数Dsh和阻滞因子R；对于一维非饱和弥散实验，在分析溶质的水动力弥散理论的基础上，推导出求解非饱和土壤水动力弥散系数Dsh(θ)的计算公式。     

基于Fluent的潮流能提取水动力影响数值研究

利用CFD软件建拉三维数值水槽水动力模型,并对三种推力系数下放入潮流能发电机后水流流场的变化进行模拟计算分析,以推力系数取0.75为例,从水位和流速变化的角度分析和讨论潮流能提取对水动力的影响,并对三种推力系数下的流速减小进行对比分析.计算结果表明:发电机阻碍了水流的运动,发电机附近流速明显下降,同时发电机下游产生明显的尾流效应,发电机周边及尾流外流速明显加快;推力系数越大,流速变化值越大,同时流速恢复得越慢.     

泰东河流域降雨汇流数值模拟研究

为提高降雨汇流过程计算的精度与准确性,在对现有技术条件进行分析的基础上,提出采用水动力模型进行数值模拟的计算方案。以泰东河流域为对象建立模型,并进行了降雨汇流过程的平面二维水动力数值模拟,计算了给定条件下降雨汇流过程的发生发展过程。研究结果表明:与水文计算中采用的单位线法、等流时线法等常规方法相比,采用平面二维水动力数值模拟技术能够较为真实地表现流域降雨汇流发生发展的完整过程。     

土壤水动力弥散系数的室内测定

用粉砂壤土进行了室内非饱和水动力弥散试验,依据质量守恒原理,推导了水动力弥散系数的计算公式,根据垂直土柱法测定的土壤水盐动态数据,计算了非饱和粉砂壤土的水动力弥散系数,并建立了该土壤水动力弥散系数与孔隙流速之间的关系。该方法物理概念清楚,计算公式简单实用。     

浙江乌牛新闸闸下三维水流冲刷数值模拟研究

低水头水闸往往具有较大的单宽流量,从而导致过闸水流能量较为集中。经消能工消能后,闸下水流紊动仍较剧烈,具有非常复杂的三维特性,致使常规数学模型较难直观反映实际的闸下水动力及泥沙冲刷状况。采用Flow-3D三维数值模拟软件对浙江乌牛新闸的水动力及闸下冲刷情况进行了模拟,并结合水工物理模型试验成果,对水流流态、流速分布、水面线以及冲刷成果等进行了对比分析,结果吻合较好。证明该软件对低水头闸下三维水流数值模拟和冲刷研究具有较好的适用性,可为今后的研究工作提供技术平台。     

地下水流数值模拟中随机因素的灵敏度分析

本文以待定系数摄动随机有限元法为基础，在以渗透系数、给水度、边界、源汇项为随机变量的条件下，建立了二维潜水非稳定流随机模型，编制了二维摄动随机有限元通用程序。通过对太原盆地地下水系统的随机模拟，分析了渗透系数、给水度、边界、开采量4个随机因子对水头模拟值的影响程度。结果表明，对水头期望值影响的灵敏度：渗透系数最大，其次为给水度和边界值，井开采量最小；对水头方差影响的灵敏度：给水度最大，其次为渗透系数和边界值，井开采量最小；对水头摄动量影响的灵敏度，两个随机参数中渗透系数较大，给水度较小。     

湘江下游河床下切对水动力条件影响的数值模拟

在研究分析相关水文数据的基础上,拟定多个不同的水动力条件情景,通过一维水动力数学模型模拟分析了湘江下游河床下切对湘江下游水动力条件的影响,探讨湘江下游河床下切引起模拟河段沿程水位、流速的变化,结果表明,湘江下游河床下切会引起模拟河段沿程水位不同程度的降低,其幅度从下游向上游逐渐增大;距离下游水位边界越远,河床下切引起的水位下降的幅度越大;下游水位越低,河床下切引起沿程水位降低的幅度越大;伴随着水位下降,河床下切使得模拟河段沿程断面的平均流速普遍减小。     

某抽水蓄能电站下库侧式进/出水口数值模拟

抽水蓄能电站进/出水口有进流和出流两种工况,进/出水口水流呈双向流动,水力条件较复杂,对水流流态要求较高。因此,为观测各工况水流流态和水头损失大小,进一步完善进/出水口的结构布置和尺寸,对下库进/出水口进行了数值模拟计算。根据隧洞中水流的运动为有压流这一特点,建立了隧洞压力驱动三维水动力模型,考虑了进/出水口上游一定长度隧洞在内的三维空间计算域,采用k-ε紊流模型,通过对隧洞内压力流的数值模拟,分析研究了各工况下流道分离比、流速、流态及水头损失等水力特性。研究表明:将中边孔导流隔墩尾部位置进行调整能有效改善中、边孔分流比,流速不均匀系数也有所改善,水头损失无明显变化。     

金盆水库上游降雨径流二维泥沙输移沉积模拟

为了探究降雨径流在不同流量、含沙量下对西安市金盆水库水体的影响规律,基于湍流流动模型,对2022年10月降雨径流时期西安市金盆水库上游的泥沙输移和沉积进行了数值模拟,并对所建立模型的可靠性进行了验证。通过对不同流量、含沙量下的径流进行模拟计算,表明在沿程前部断面处,流速越大底部含沙量越小;在沿程后部断面处,流速越大断面含沙量越高;径流含沙量越大,断面含沙量越大,泥沙分布厚度越大。因此,可以根据降雨径流时期来水的流量及含沙量分析泥沙输移沉积的过程,为水库的运行维护提供参考。     

地质统计学法在地下水污染溯源中的应用及参数敏感性分析

为了确定地下水污染物来源,将地质统计学方法应用于追溯一维均质含水层中污染源的排放过程,利用数值实验分析了观测点布设位置、污染物浓度观测误差、水动力弥散参数和地下水流速对地质统计学法溯源效果的影响。结果表明,观测点提供的浓度信息能准确反映观测时刻污染物浓度的分布时,根据这些浓度信息可得到好的溯源效果。反演出的污染物排放过程与真实排放过程相似度较高时,污染物浓度测量误差的数量级介于10-6~10-3.5之间,水动力弥散系数的变化幅度在-10%~5%内,实际平均流速的变化幅度在±2%间。在本次数值实验条件下,地质统计学法给出了较好的溯源效果,与观测浓度误差相比,水动力弥散参数和地下水流速对溯源效果影响更显著。     

协方差矩阵上-下三角分解法在区域土壤水盐条件模拟的应用

本文运用协方差矩阵的上-下三角分解法对黄河河套平原上土壤水盐的空间变异性进行了条件模拟，利用55个大网格的规则采样点模拟了小尺度待估点的土壤水盐含量，模拟结果的空间分布趋势、半变异函数以及其统计特征值与普通kriging的相应估计值进行了比较。结果表明，kriging估计结果大大缩小了实测值的变异系数具有明显的平滑效应，为条件模拟的变异系数则接近于实测值，能够很好的保持土壤水盐含量的空间结构；多个条件模拟能给出土壤特性的一个波动范围及极端值。这一效果对改造中低产田、提高灌溉效率和水土资源的监测和管理决策都十分重要。由于协方差矩阵的上-下分解法避免了常用的条件模拟实现法中转向带法和傅立叶转换法的一些缺陷，其理论简单，约束条件少，可将模拟和条件化同时进行。本文的研究说明该方法应用于水土科学是可行的。     

城市极端暴雨涝情变化特征模拟分析——以宁夏固原市为例

为探究极端暴雨条件下城市涝情的变化特征，应用二维水动力模型(GAST模型),对宁夏固原市主城区开展多暴雨工况下的积水模拟分析。采用2017年7月27日实测降雨数据对模型进行验证，经验证模型精度满足要求。基于研究区高精度地形数据、土地利用数据和实测数据，对12种短历时设计暴雨条件下的城市内涝时空变化过程进行模拟。模拟结果表明：随着降雨量的增加，道路积水面积及积水总量峰值均随之增大，但积水面积峰值增加趋势逐渐趋于平缓，积水总量峰值与之相反，增加趋势逐渐增大；降雨量越大，风险最大的Ⅳ级内涝积水面积及积水总量峰值增加趋势越明显，尤其在降雨量大于100 mm后，其增加趋势更加显著。研究成果揭示了固原城市极端暴雨下的内涝积水变化过程，对合理应对城市防洪排涝等方面具有借鉴意义。     

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。     

稳定流条件下土壤溶质运移两区模型的准解析解及数值模拟

将弥散度概化为运移距离的指数函数，给出了稳定流条件下，非均质土壤中考虑水动力弥散尺度效应及不动水体存在时，一维溶质运移的两区模型。在初始浓度为零，半无限一维空间内定通量边界条件下，推导出了可动区和不动区溶质相对浓度的准解析表达式。用特征有限元法建立了相应的数值模型，从数值解和准解析解的计算数据可以看出：数值计算所产生的误差很小，能满足实际工作对计算精度的要求。