基于RF-GWO的水利工程地质渗透系数智能反演分析

地质渗透系数是准确分析水利工程渗流的关键参数。针对传统反演方法计算效率低、精度差的问题,采用有限元正演模型和正交试验设计构建渗透系数反演样本集,建立了基于随机森林(RF)算法的渗流计算代理模型;在此基础上,引入灰狼优化(GWO)算法,提出了基于RF-GWO的渗透系数智能反演方法,并以Z抽水蓄能电站为研究案例进行了验证。结果表明：RF模型对各钻孔水位预测结果均接近实测值,性能优于CART和BP模型;GWO可搜寻到地质最佳渗透系数,钻孔水位反演结果合理,相对误差最大为0.42%,精度满足工程要求,计算的天然渗流场分布形态也符合一般山体渗流场分布规律。建立的反演模型能够快速准确地推断工程区地层渗透系数,具有实际工程应用价值。     

多代理模型自动构建及大坝反演分析应用研究

基于二分法进行自变量子空间的划分，依据已有模型的预测误差及预期标准，实现不同规模的子空间中样本采集及模型训练、检验和保存流程的自动执行，直至所有子空间所属代理预测模型均达到预期精度。采用支持向量回归(SVR)训练建模，并通过粒子群算法(PSO)优化获得PSO-SVR代理模型。针对显式函数的多代理模型自动构建和验证结果表明，相比于初始全局代理模型，空间划分多代理模型在全局预测精度和局部误差控制方面均有明显提高。为此，建立基于PSO-SVR多代理模型和麻雀搜索算法(SSA)的大坝参数快速反演方法，并应用于坝基渗流参数的准实时反演，根据反演成果分析坝基局部测点水位偏高的成因，为大坝实时在线监控提供有效的技术支持。     

高拱坝参数反演的Jaya-高斯过程回归模型

为了提高高拱坝物理力学参数反演的精度及效率,将Jaya智能优化方法与高斯过程机器学习理论引入大坝安全监控领域,提出了基于Jaya-高斯过程回归代理模型的拱坝参数反演分析方法。采用高斯过程回归代理模型代替传统的有限元计算,并利用3种智能优化算法进行参数寻优。结果表明:Jaya算法相比于PSO算法、GWO算法,不仅反演精度高、收敛速度快,且具有很好的稳定性;所提出反分析策略在反演用时方面比直接调用有限元计算的反分析方法节省80%以上。本文方法不仅能够满足计算精度要求,且大大缩减了计算时间,为高拱坝物理力学参数反演分析提供了一种高效的方法。     

基于降阶投影的初始渗流场反演方法

为了解决传统基于降阶模型的参数反演方法的高耗时问题,提出了一种改进的降阶反演方法(IterROM),用于执行快速参数反演任务。不同于传统降阶反演方法先训练后反演的流程,该方法将参数反演与降阶模型训练紧密融合,使用训练中的降阶模型代替原始模型进行参数反演,同时将反演结果应用于降阶模型的训练。该方法在参数反演阶段使用观测资料和后验误差共同组成目标函数,并使用降阶模型解与全阶模型解的最大节点误差作为迭代终止精度。经过某工程初始渗流场反演模型的测试,发现IterROM相比传统方法精度高、计算成本低,可用于快速执行初始渗流场的反演任务。     

基于抽水试验的渗流问题摄动随机反演方法

针对地下水渗流随机参数反演问题,在正演随机模拟方法的基础上,结合非平稳随机过程变量的一阶Taylor展开式和随机参数的摄动方程,讨论了多随机参数反演问题,提出了基于抽水试验的渗流问题摄动随机反演方法,给出一阶均值反演准则,得到多随机变量的均值和方差的近似表示方法。该方法在计算均值时采用改进的遗传算法,在计算方差时采用分组统计的方法。最后给出了一个基于Thies模型反演导水系数和贮水系数的例子,计算结果表明,该方法可以较好的求取参数的均值,近似地求取参数方差。     

土石坝渗流热监测理论研究进展

对渗流热监测理论各发展阶段特点与相关研究作了评述,着重介绍了定量研究阶段考虑渗流场影响推求温度分布的正演分析,详述了各渗流场与温度场耦合数学模型的基本原理、模拟对象、耦合机理与模型计算方法,总结了渗流-温度场耦合模型研究的趋势与问题。介绍了耦合模型计算的2个部分(渗流场计算与温度场计算)的研究现状与发展重点,阐述了研究基于非饱和渗流双场耦合的必要性和建立模型涉及的基本理论。对未来的研究提出几点建议:考虑有关参数的温变特性,提高模型仿真精度;开展基于非饱和渗流的耦合模型研究,丰富复杂条件下渗流热监测理论;加强由温度场求解渗流场的反演分析研究。     

基于神经网络的中线工程高边坡土体渗透参数反演研究

基于神经网络的非线性映射特性,在渗流有限元计算的基础上,结合水头和流量等实测资料提出了边坡渗透参数的反演方法.将该方法应用到南水北调中线工程高边坡渗流反演分析中,得到了能够反应工程实际的边坡土体的综合渗透参数.同时利用反演出的渗透参数进行渗流计算,结果表明,该方法对高边坡的渗透参数反演具有较高的识别精度,反演结果可靠.     

某土工膜堆石坝帷幕后水位偏高成因初步分析

某土工膜堆石坝的坝基防渗体系包括趾板及坝基帷幕,帷幕后实测水位偏高,与上游水位连通性较强,需要对其成因进行分析。基于渗流观测资料建立回归模型进行初步分析,运用正交试验设计和渗流有限元计算生成训练样本,对各影响因素进行敏感性分析。借助支持向量机在小样本中的高度非线性映射能力,建立渗流参数与渗压水位的对应关系。采用遗传算法对支持向量机模型进行参数优化,以支持向量机预测值与实测值误差作为适应度值,对坝基地层和防渗体各区域渗流参数进行优化搜索,并将反演结果进行反馈计算验证。结果表明,基于支持向量机-遗传算法反演渗流参数是可行的,帷幕后渗压水位偏高由趾板与帷幕间的裂缝及坝基渗流各向异性综合引起,可针对上述薄弱部位进行工程处理以降低幕后水位。     

基于SSA-MSVR的混凝土拱坝材料参数反演模型

为进一步提高混凝土拱坝材料参数获取的准确性,构建了基于多输出支持向量回归(MSVR)和麻雀搜索算法(SSA)的混凝土拱坝材料参数反演模型。为了快速模拟坝体径向位移与材料参数的非线性关系,建立了高精度的MSVR模型代替有限元模型计算,并利用SSA对所需参数进行寻优反演。工程实例验证结果表明：构建的反演模型计算精度高,计算速度快,能快速反演坝体与坝基材料参数,可用于实际工程的材料参数反演分析。     

基于神经网络的土体渗透参数反演研究

基于神经网络的非线性映射特性,在渗流有限元计算的基础上,结合水头和流量等实测资料提出了边坡渗透参数的反演方法.对南水北调中线穿黄工程高边坡渗流反演进行了分析,得到了边坡土体的渗透参数为3.97×10-4cm/s,综合给水度为0.027,并进行了渗流计算.结果表明,采用反演的渗透参数所计算的各观测井的水位值与实测值基本相同,误差较小.     

载锰氮化碳催化臭氧法降解水中草酸研究

草酸是废水中多种有机物氧化降解的中间产物,与臭氧反应速率很低,难以直接氧化去除。本研究通过热解法煅烧不同摩尔比例的三聚氰胺与醋酸锰(Ⅲ)二水合物,制备出不同负载量的载锰氮化碳催化剂,并研究了不同条件下载锰氮化碳催化臭氧法对草酸的降解效果,考察三聚氰胺与醋酸锰摩尔比、催化剂投加量、p H值、臭氧浓度等因素以及叔丁醇对草酸去除效果的影响。实验结果表明:相对于单独臭氧氧化而言,载锰氮化碳催化臭氧法可以极大的提高草酸的去除率,在投加0.15 g/L三聚氰胺与醋酸锰20∶1的催化剂后,草酸在60 min的TOC去除率可达到89.1%。叔丁醇加入对草酸的去除率影响较小,表明·OH在载锰氮化碳催化氧化草酸的过程中起作用但不是唯一因素。     

α和γ型纳米Al_2O_3对水泥基材料性能的影响

为了探究α型和γ型纳米Al_2O_3对水泥基材料的改性作用,采用细度为30 nm的α型和γ型纳米Al_2O_3、尧柏水泥、标准砂和聚羧酸减水剂制备水泥基材料,探析α型和γ型纳米Al_2O_3对水泥基材料的凝结时间、力学性能和收缩性能的影响,并分析其作用机理。结果表明:α型和γ型纳米Al_2O_3均会降低水泥基材料的凝结时间,提高水泥基材料的抗折强度和抗压强度,降低水泥基材料的干燥收缩,但γ型纳米Al_2O_3对水泥基材料的改性作用低于α型纳米Al_2O_3。综合本文和文献分析发现,纳米Al_2O_3在水泥基材料中发挥着尺寸效应、填充效应和表面效应,从而达到改性水泥基材料的力学性能和耐久性。     

F/Ce掺杂Bi2WO6可见光光催化氧化甲基橙

针对新型光催化剂Bi2WO6在可见光条件下光生电子-空穴分离效率低的问题,本文采用液固相水热反应的方法制备了F/Ce掺杂改性的Bi2WO6光催化剂。通过X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和紫外-可见漫反射(UV-vis DRS)等分析表明,F/Ce掺杂Bi2WO6光催化剂具有明显的层状结构,可有效降低电子-空穴的复合率,且改性后的Bi2WO6吸收波长发生红移。光催化氧化处理甲基橙降解实验结果表明:F和Ce共掺杂下Bi2WO6在可见光下具有最高的光催化活性,主要活性物质为羟基自由基(·OH),甲基橙的降解率在50 min后可以达到97%,催化活性比纯Bi2WO6提高了近2倍。本研究为研发水环境中高浓度有机废水,特别是难降解有机污染物的高效治理技术提供了基础数据。     

生物炭/铁酸锰对Zn^2+和Cu^2+的吸附性能试验

为探求吸附效果好、回收方便的吸附剂以解决重金属污染废水的处理难题,以玉米秸秆和铁酸锰为原料,通过溶胶-凝胶法以蛋清为络合剂经热解制备了一种生物炭/铁酸锰(BC/FM)复合材料,在对该复合材料扫描电子显微镜(SEM)和磁滞回线分析的基础上,进行了去除废水中Zn^2+、Cu^2+的吸附试验。结果表明,铁酸锰可有效地负载到生物炭上,形成官能团丰富、磁性良好的复合材料;BC/FM对Zn^2+、Cu^2+的吸附最佳pH值分别为5和6,并均在90 min达到吸附平衡,准二级模型能更好地描述BC/FM对Zn^2+、Cu^2+吸附过程;Langmuir模型拟合曲线和Freundlich模型拟合曲线分别适用于描述BC/FM对Zn^2+、Cu^2+的等温吸附过程,且均为自发吸热反应;BC/FM对Zn^2+、Cu^2+吸附机制主要为络合反应。     

FeS矿活化H2O2降解水中对氯苯胺的实验研究

以对氯苯胺(PCA)为目标污染物,研究了常温下Fe S矿活化H2O2非均相类Fenton体系对难降解有机物的去除效果。分析了初始p H值、催化剂和H2O2投加量等重要因素对PCA降解率的影响。当PCA浓度为0.2×10-3mol/L,溶液初始p H值为3.0,H2O2投加量为3.2×10-3mol/L,Fe S矿用量为0.4 g/L,反应20 min时,PCA去除率可达100%,且反应进行到40 min后,已达到完全脱氯效果。在此基础上,通过对Cl-、SO42-、Fe3+等中间产物离子和总有机碳(TOC)变化规律的测定,探讨了有机物降解机理。研究结果表明:Fe S矿对催化H2O2氧化具有很强的催化活性,能提高H2O2的利用效率,相比于单一含铁矿物具有更好的催化性能,并且催化剂易于沉淀分离,回收利用。     

不同pH值条件合成纳米Bi2WO6及其可见光下活性研究

以水热法合成了Bi_2WO_6纳米花状球,并考察了不同pH值的制备条件下对Bi_2WO_6晶形、形貌、孔径分布、光学性质及催化性能的影响。表征和催化结果表明:在pH值为1的制备条件下,Bi_2WO_6样品为内部有致密空隙的花球,随着pH值的升高,Bi_2WO_6的内部孔径变得越来越疏松,当pH值达到7时变为片状;在pH为1、3、5、7条件下合成出的Bi_2WO_6的带隙能在2.14~2.26 e V范围内;光降解Rh B的性能从大到小顺序为pH=7,pH=5,pH=3,pH=1,主要是由于在pH=7制备条件下制备出的Bi_2WO_6衍射峰最强,粉体的晶型发育完整,结晶度高,对Rh B的降解率最高。     

深循环地下水作用下红土与黄土成因研究

通过研究阿拉善自流井区出现的红化地层,发现富含Fe~(2+)的井水涌出地表后形成了Fe_2O_3胶膜,铁质胶膜吸附在土颗粒的表面形成了红土层,表明土壤红化作用可以与气候无关。在上地幔高导低速层中可能存在地下水的导水通道,玄武岩中的FeO、MgO中的Fe~(2+)、Mg~(2+)等被超临界水(supercritical water,SCW)萃取带出。深循环地下水维系了黄土高原风尘物的连续堆积,早期渗漏进入上地幔导水通道的地下水被加热成为SCW,被萃取带出地表的Fe~(2+)与空气中的O_2发生氧化反应生成Fe_2O_3胶膜,铁质胶膜吸附在风尘颗粒的表面形成红土。2.5 Ma以来,玄武岩导水通道温度降低到临界点以下,地下水的萃取作用大幅度减弱,风积土显示为黄色,表明黄土高原颜色的转变与气候变化无关。由于深海沉积物δ~(18)O与全球冰量呈正相关,冰量与全球降水量呈负相关,而深循环地下水量与全球降水量呈正相关,由此可知,鄂尔多斯黄土沉积层碳酸盐与全氧化铁含量与深海δ~(18)O呈高度负相关。     

金属有机骨架材料Cu_3(BTC)_2的制备及其光催化性能研究

以三水硝酸铜为铜源,通过调控水热温度合成出高结晶度的金属有机骨架Cu3(BTC)2材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和热重(TG)手段对所制备的样品进行表征,同时以甲基橙和罗丹明B作为目标降解物研究Cu3(BTC)2材料的光催化性能。光催化降解结果显示:Cu3(BTC)2材料对罗丹明B有较好的降解效率,水热温度对Cu3(BTC)2材料的结构及光催化效率影响较大,水热温度为140℃制备的Cu3(BTC)2样品具有较高的光催化效率。这主要是由于高的结晶度可以产生更多的光生电子空穴对和提供更多的反应活性位,这将在处理环境污染物方面有着巨大的潜在的应用前景。     

北疆渠道基土盐-冻胀特性的试验研究

干旱缺水已逐渐成为制约我国农业发展的主要因素,西北寒冷地区输水渠道由于渠基土的盐胀和冻胀造成了严重的渠水渗漏损失。为研究渠基土的盐-冻胀变形特性,本文选取北疆输水灌渠典型土体进行了不同干密度、不同Na_2SO_4含量和不同含水率条件下的盐-冻胀变形试验。结果表明:随着干密度的升高,土体盐-冻胀率先增大后减小,在某一干密度下盐-冻胀率最大。随着土体Na_2SO_4含量和含水率的升高,土体盐-冻胀率逐渐增大,土体盐-冻胀率与Na_2SO_4含量之间呈现二次多项式关系,与含水率之间呈现线性关系。与干密度相比,Na_2SO_4含量和含水率对土体盐-冻胀率的影响较大。     

海陆过渡界面浅层地下水可溶性SiO2的变化特征——以雷州半岛和海南岛滨海地区为例

硅为重要的地球化学元素,滨海地区作为地下水海陆过渡带,对地下水重要化学成分SiO_2的研究有助于进一步掌握海陆界面的水岩过程。在华南典型火山成因的雷州半岛和海南岛进行环岛浅层地下水连续取样和化学测试,分析模拟了可溶性SiO_2的变化、组成以及溶解平衡。结果表明:该地区地下水多为Na—Cl型,偏碱性,处于风化溶滤、蒸发浓缩状态或两者之间的过渡类型;地下水中可溶性SiO_2含量为2.80~106.0 mg/L,各测井变化较大,与周边环境条件有关,源自矿物溶解、海水入侵及其路径上的水岩作用;单个测井同一时段水样可溶性SiO_2含量呈波动变化,不同时段也变化明显;可溶性SiO_2以单分子正硅酸H4Si O4占据绝对优势,硅酸盐各类矿物呈现溶解、饱和、平衡的状态共存并且自身状态相互转化。总体来看,研究区地下水的饱和矿物种类比例偏高,因此,滨海地下水作为海陆过渡界面的高矿化度的开放体系,盐效应有促进不同矿物溶解或者饱和的作用。概而言之,上述可溶性SiO_2的水—岩过程受到多种因素影响,需要进一步加强研究。