城市湖泊对地表径流致涝控制作用模拟研究

为认识城市湖泊对城市内涝的影响,应用基于水动力方法的城市雨洪过程数值模型对代表区域暴雨致涝过程进行了模拟。计算了不同重现期暴雨下假定城市湖泊面积发生变化时内涝积水总量与面积,从积水总量峰值和重度内涝积水面积方面量化分析了湖泊面积和位置变化对城市内涝积水的影响。结果表明：研究区域内湖面面积由0.5024 km2减少到0.00785 km2时,其积水总量峰值增加12.71% ~ 18.21%,重度内涝面积增加11.71% ~ 25.66%;不同位置处的湖泊对区域内涝的影响程度各异,如当降雨重现期为100年、湖泊面积为0.5024 km2时,湖泊位于研究汇水面上游、中游、下游处对应的重度内涝面积分别为173460 m2、169160 m2、162628 m2,可见湖泊位于下游处对致涝径流控制效果最佳。该研究有助于城市规划与防洪排涝工作。     

城市暴雨地表积水过程研究：以清华大学校园为例

我国正处于城市化的高速发展阶段,不透水地表面积增大,导致城市内涝风险增加。本研究考虑建筑物、道路、绿地和雨水口等城市地物特征,旨在对降雨-径流过程进行精细模拟,对地面排水系统的能力进行评估。采用二维水动力学模型,以北京市清华大学校园为研究区域。通过两场降雨过程中积水点的实测水深对水动力学模型进行率定和验证,结果表明该高分辨率模型能够比较准确地计算出地表积水深度。在采用压强式水位计记录降雨过程中积水点压强时,必须同时记录大气压强的变化,否则水深会有一定的误差。基于上述结果,以2012年7月21日暴雨为例,对清华大学校园进行大暴雨情景的地表积水过程模拟,结果表明雨水口总排水量随降雨过程变化较大,地表积水主要通过雨水口排走,降雨结束时雨水口排水总量约占降雨总量的70.0%,而土壤入渗量较少,仅占降雨总量的11.1%。     

基于决策树的梯级水电站泄流补偿调度风险分析

在特定条件下实施泄流补偿调度可增加梯级水电站的发电效益,但来水预报误差可能会造成龙头补偿水库的水头和水量损失,定量评估泄流补偿调度的风险,对泄流补偿决策具有重要意义。以补偿期和回蓄期来水预报误差为风险因子,给出了小流量泄流补偿的风险结构和预报来水的概率描述;建立了小流量泄流补偿风险决策树和补偿期末及回蓄期末水位的计算方法;提出了补偿期和回蓄期风险及两阶段组合风险的定量计算方法;构建了基于期望回蓄水位和可接受风险的小流量泄流补偿决策流程。实例表明,所提出的方法具有较好的辅助决策作用。     

阻塞式旋流泄洪洞的泄量特性分析

本文采用模型试验和理论分析相结合的方法,对阻塞式旋流泄洪洞的泄流规律和影响因素进行了分析。结果表明:泄流规律与旋流洞流态密切相关,进口和竖井非淹没时为堰流泄流,淹没时为有压孔流泄流;进口淹没时泄流量受起旋器喉口和阻塞孔口共同影响,且两个断面处均为有压孔流泄流规律;起旋器喉口流量系数与喉口前水头损失和喉口断面压强有关,且后者为主要影响因素;阻塞孔口流量系数与阻塞前水头损失、以及阻塞导致的相对空腔半径、旋流角和相对壁面压强的旋流特性变化有关;起旋器喉口流量系数在阻塞面积收缩比m=0.56时约为0.4,m≤0.18时介于0.55~0.65;阻塞孔口流量系数在m=0.56时接近0.5,m≤0.18时介于0.25~0.32;给出了起旋器喉口断面面积设计计算表达式。     

琴键堰不同溢流前缘泄流特性的数值模拟研究

琴键堰是本世纪初提出的新型迷宫堰型,倒悬的设计使其基座大为减小,适合安置在任何坝型上,是一种解决大坝泄洪能力不足的有效方案。尽管实验研究证实了其优越的超泄能力,但是由于实验测量无法区分不同溢流前缘上的泄流量,限制了对其复杂流动特性的认识。本文基于VOF自由面捕捉的全三维紊流数值模拟,对其泄流特性进行分析研究。模拟得到的泄流量与实验非常吻合,低水头时泄流能力几乎与溢流前缘的长度成正比,高水头时逐步下降。获得了琴键堰出水口、进水口及侧向三个溢流前缘上的泄流量,分析了出水口、进水口及侧向泄流在总泄流中所占的比重及泄流效率随水头升高的变化规律,从流态的角度分析了影响泄流效率的机制。研究成果深化了对琴键堰不同溢流前缘泄流特性的认识,指明了琴键堰体型优化的方向。     

中华鲟产卵场适合度与大坝泄流相关性分析

本文基于三维水动力数学模型和中华鲟产卵场适合度评估方法,对葛洲坝坝下中华鲟产卵场的产卵适合度与大坝泄流关键指标(大坝出库流量和泄流方式)的定量关系进行评估.分析表明,适宜中华鲟自然繁殖的最佳出库流量范围约为15000～25000 m3/s;有利于中华鲟自然繁殖的最佳大坝泄流方式为先大江电厂发电泄流,后二江泄水闸弃水泄流,最后二江电厂发电泄流;小流量下最佳的机组泄流方式为大江电厂靠右岸机组发电泄流.研究结论给出了中华鲟产卵场保护的关键指标及其控制范围,为依托三峡-葛洲坝梯级水库开展中华鲟可持续性管理提供了基本理论依据.     

某围垦区渔光互补项目内涝水位计算

沿海围垦区处于流域最下游,既是承泄区又是排水区,并受外海潮水顶托影响,洪水情况复杂;确定此类围垦区渔光互补电站的设计水位,常规的水文勘测方法难以适用。以浙江嵊泗县大洋山岛外云鹅围垦区渔光互补项目为例,在分析山坡汇水、场区积水、潮水顶托及挡潮闸、泵站排涝能力的基础上,构建针对内涝水位的流域蓄排计算模型,计算泵站不同排涝能力时场区最大内涝水位,绘制两者的关系曲线及内涝水位、潮位与产流过程变化曲线,为工程区泵站排涝能力的确定与内涝水位的控制提供依据。     

高坝泄流雾化数值计算与原型观测成果对比研究

我国将在西南和西北高山峡谷区相继修建高坝工程,这些工程都有严重的泄流雾化问题.泄流雾化是一种水-气和气-水二相流,运动规律十分复杂,目前多采用原型观测和数值计算的研究方法.本文以二滩水电站为研究对象,对其2个原型观测工况的泄流雾化情况进行数值计算,并将计算结果与原型观测成果进行了对比研究.结果表明,泄流雾化数学模型计算得到的雾化范围和降雨强度分布变化规律与原型观测成果基本一致,该计算模型可以广泛应用到泄流雾化的预测计算中,为工程建设和运行提供必要的技术参考.     

城市地区流域洪水过程模拟:以清河为例

城市地区流域洪水模拟是当前洪水过程计算分析的热点和难点,本研究基于Mike洪涝模拟平台的河道一维水动力学模型(MIKE11),综合考虑城市地区不透水下垫面产流、多闸坝调度、城市排水、支流汇入等因素,系统构建了北京市主要排洪河道清河流域洪涝模拟模型,以设计流量、水位资料和实测场次洪水过程资料分别对河道、水工建筑物参数及运行规则进行了验证,模型模拟结果显示模型能够较好模拟城市流域复杂环境条件下的河道结点水位,情景模拟分析不同降雨重现期流域现状河道行洪能力和河湖雨水综合利用能力,显示清河流域具有明显的低水位、大流量的特点,可以满足20年一遇降雨行洪要求。在特大暴雨条件下清河干流中段清河闸至羊坊闸是河道洪涝的重点防护区域。从1年到20年一遇重现期设计降雨条件下,模拟蓄水占总库容的33.5%~54%。研究为城市流域防洪调度和雨水资源利用提供技术支持。     

双回路顶管隧道敷设下电力电缆多物理耦合场及载流量的数值分析

对于局部穿越河流、道路等不具备开挖条件区域的电缆一般采用顶管敷设。在顶管敷设电缆,排列紧密且埋深较大,是限制载流量的瓶颈段。而现有IEC标准更没有给出这一非典型敷设工况下电力电缆载流量的计算模型和计算方法。为此,以YJLW03 127/220 1×2500单芯交联聚乙烯电缆为研究对象,结合实际工程敷设工况建立了双回路顶管隧道敷设下电缆磁 热 流多物理场耦合有限元计算模型,并提出了载流量计算的弦截法。在此基础上,研究了埋设深度、护层电流的变化对电缆载流量的影响,分析了双回路顶管隧道敷设电缆的载流能力。计算结果表明,双回路顶管隧道敷设中,电缆埋设深度是影响电缆载流量的关键因素,埋深越大,载流量越小,对应的场域温度分布越高;护层电流越大,载流量越小。研究成果为进一步优化电缆敷设方式、充分发挥电缆线路的输电能力提供了理论依据及辅助参考。     

城市街道分水口对洪水流态转换过程影响研究

随着城市化进程加快和全球气候变化加剧,城市洪涝灾害频发。研究城市街道的行洪特征,掌握城市建筑物对洪水流动的影响机理,对城市洪涝灾害治理具有重要的理论意义和应用价值。本文开展了城市建筑物对洪水运动影响的物理模型试验,在街道两侧布设分水口模拟建筑物不连续的分流效果,分析分水口位置及流量变化对洪水流态转化及水跃形态的影响。观测上游来流量变化、分水口位置等因素对洪水从急流向缓流过渡时的动力特征的影响,包括水跃发生位置、水跃形态转变、水跃漩滚长度、跃前和跃后水深比及分流比等。     

城市化对流域水文过程的影响模拟与预测研究

随着城市化进程的进一步加快,城市暴雨洪涝灾害频发,居民的生命财产安全受到严重的威胁。以粤港澳大湾区典型流域车陂涌为例,结合研究区快速城市化的特点构建了城市暴雨洪涝模型,模拟和预测了城市化过程对流域水文过程的影响。主要结论如下：1）构建了基于SWMM模型的城市暴雨管理模型并对其进行了验证,结果表明,该模型在研究区适应性较好。2）研究区1980年代初、2015年及2050年（预测）的城市用地占比分别为15.07%、47.64%及54.29%。在1980—2015年的新增的城市用地里,耕地转化面积占比最大,达到了86.49%。3）城市化后三个典型河道断面的流量过程线呈单峰状,起伏较大,而1980年代初过程线相对比较平缓;城市化还使得断面洪峰流量大幅增加,峰现时间提前。在0.5年一遇设计降雨条件下,2015年和2050年的流域出口洪峰流量分别比城市化前增加了2.27和2.7倍。本研究可为粤港澳大湾区海绵城市建设、防洪排涝提供科学依据。     

排水管网结构概化对城市暴雨洪水模拟的影响

排水管网是城市暴雨洪水模拟中的关键因素,但受到数据和模型的限制,管网结构通常被概化考虑。本研究构建了强化汇流过程的精细城市雨洪模型（REDUS）,以清华园为研究对象,采用了路/管单层排水系统和路管双层排水系统两类模拟方案,定量分析了典型暴雨情景下的管网排水作用及管网结构概化的影响。结果表明：排水管网主要起到快速、定向的排水作用;管网结构概化会低估洪水过程的洪峰及洪量,与使用全管网相比,仅采用骨干管网在单层系统中会使洪峰和洪量均降低27%,在双层系统中会使洪峰降低37% ~ 56%,洪量降低18% ~ 32%;双层系统能提供更可靠的城市雨洪过程,但需要应用更精细的管网数据。研究成果为海绵城市建设中如何评估排水管网的作用提供了工具和建议。     

基于遗传算法和并行组合模拟退火算法的洪水过程缩放模型研究

针对泄洪风险和施工导流风险计算对洪水缩放的要求和传统洪水同频率放大方法中手工修匀任意性较大等方面的不足,提出采用计算机优化方法来实现洪水过程的自动放大。在满足洪峰流量约束和分时段洪量约束条件下,本文建立了以洪水过程模式尽量相似为目标的洪水过程放大优化模型,并采用具有全局搜索能力的遗传算法和并行组合模拟退火算法求解该模型。通过实例计算可以看出,这两种算法计算结果均能较好的满足洪峰洪量约束要求,并有效保持了典型洪水的模式,避免了人工修匀的任意性。     

考虑充放电策略对储能寿命影响的新型分布式储能优化配置研究

针对储能使用寿命在投资决策中的关键作用及其与充放电策略和放电深度的非线性复杂关系,文中提出一种考虑充放电策略对储能寿命影响的新型储能规划配置方法。?首先,根据放电深度与储能寿命及循环次数的关系建立了储能年等效额定放电量计算方法。其次,建立考虑充放电策略对储能寿命影响的电池储能优化配置模型,在确保储能设计使用寿命的同时使储能全寿命周期内的收益最大。而且进一步提出了改进的多种群遗传算法进行优化求解,提高了求解速度与收敛性。最后,利用改进的IEEE-39节点风光水系统进行测试,证实了方法的有效性。     

典型街区洪水演进的概化水槽试验研究

由于全球气候极端化现象加剧,城市洪涝灾害的强度与频率均呈上升趋势。为充分了解城市洪涝灾害的致灾机理,提出行之有效的减灾措施,有必要对典型城镇街区的洪水演进过程进行研究。本文建立了具有典型街区构造的洪水演进物理模型,模型中布设道路、建筑物、人行道、绿化带等设施。基于试验数据定量分析了建筑物密度、绿化带设置等对洪水演进过程带来的影响。得到主要结论如下：（1）溃坝波在模型道路上的运动速度与初始时刻上游水库的水深及道路本身特性有关,建筑物与城市绿化设施的布置对其影响较小;（2）布置绿化带及建筑物减小了过水面积,导致洪涝灾害发生后道路上的水位上升;但增加房屋密度将减少流入街区两侧的水流体积,布设绿化带将增加房屋周边的水流阻力,促使水流沿模型道路演进;（3）建筑物前水深与初始时刻水库内水深近似成正比,但初始水深较大时水流对建筑物的冲击力将远大于初始水深较小的工况。本试验结果可以为数学模型提供翔实的率定资料,并为面临突发洪涝灾害威胁的街区提供设计参照。     

排水系统中雨水检查井局部水头损失分析北大核心CSCD

在对排水系统中的排水管道进行设计时,除沿程水头损失外,局部水头损失也会在特定情况下占比较大,同样不可忽略。为此,根据排水管道及雨水检查井模型的试验数据,计算了不同工况下雨水检查井的局部水头损失系数,并对计算结果进行了分析。分析结果表明:雨水检查井主支管流量比对局部水头损失系数的影响较大,为主要影响因素。随流量比的增加,局部水头损失系数增幅可达1.2;雨水检查井形状及主支管接合角度为非主要影响因素,二者对局部水头损失系数的影响均小于0.2,下游水深及出流总流量对雨水检查井局部水头损失系数几乎不产生影响;所得结果与已有成果的对比分析表明,设置对称侧支管可减小雨水检查井的局部水头损失。该结果有助于深入认识雨水检查井局部水头损失的变化特点,为实际工程中优化城市排水系统设计、完善城市洪水管理方案提供计算依据。     

乌东德水电站泄洪减振水弹性模型试验研究

本文基于水工模型试验,利用乌东德水弹性模型,研究了不同表孔开度对下游边坡和底部基岩振动的影响,同时利用BP神经网络建立了两种振动预测模型,将泄洪流量分为三个流量级,提出各流量级下的泄洪减振优化方案。结果表明：（1）表孔单独泄流时,当开度增大,基岩的振动基本上呈增大趋势,但当表孔全开时,基岩的振动反而呈减小趋势,边坡的振动则总是跟开度正相关。对于表孔中孔联合泄洪,底部基岩的振动往往在4 m开度时最小,但边坡的振动情况比较复杂。（2）两种振动预测模型都有良好的精度,并且单独建立表孔中孔联合泄洪工况的预测模型可以提高精度。（3）流量很小时,单独采用多个表孔小开度泄洪;流量一般时,充分利用中孔泄洪,开启较少表孔且采用4 m开度;流量较大时,中孔全开,表孔采用多孔小开度泄洪。     

分布式降雨输入与汇流模拟对洪峰计算的影响

3000 km2以下中小流域洪水灾害是当前洪涝灾害防治的薄弱环节,提高洪峰预报精度、降低不确定性是当务之急。论文以伊河河源地区东湾流域为例,基于新安江模型和蒙特卡洛抽样方法,通过集总式、降雨集总–汇流分布式、降雨分布–汇流集总式和降雨分布–汇流分布式4种方式,研究降雨分布式输入与汇流分布式模拟对洪峰精度和不确定性的影响。结果表明：（1）降雨分布式输入总体上能够提高洪峰精度,但对于某些降雨空间分布极端不均的洪水,则会扩大洪峰误差;（2）降雨分布式输入使新安江模型汇流参数相互独立,扩大了洪峰计算的不确定性;（3）汇流分布式模拟总体上能够减小洪峰计算的不确定性。研究结果为中小河流洪水预报提供了有益的参考。