Simultaneous one-dimensional water flow and mass transport of conservative solutes in porous media

Three variations of the Galerkin finite element method are used for the numerical solution of the one-dimensional, vertical water flow and mass transport equations in variably saturated porous media. The final result is a system of differential equations with derivatives depending only on time, which are approximated by a relationship leading to a second-order accuracy. Examples of two different soil types (clay loam and sandy) are presented to verify the accuracy of the numerical schemes. In these examples, saltwater is allowed to be infiltrated into the soil profile with different boundary conditions on the soil surface (Neuman or Dirichlet type). In some cases, the infiltration of saltwater is followed immediately by salt-free water.     

层状土壤条件下地下滴灌水氮运移模型及应用

基于土壤水分运动的动力学方程和溶质运移的对流-弥散方程,考虑地下滴灌灌水器流量随时间的变化,建立了层状土壤地下滴灌施用硝酸铵(NH4NO3)条件下水氮运移的数学模型。利用均质砂土(S)、均质壤土(L)、上砂下壤(SL)和砂土夹层(LSL)四种土壤的试验数据对模型进行了验证。结果指出,考虑土壤中灌水器流量随时间变化可稍改善土壤含水率和硝态氮的模拟精度。利用验证后的数学模型研究了灌水器流量(1.1、1.75和2.6L/h)、灌水器与犁底层相对位置对地下滴灌水氮分布的影响,模拟结果表明灌水器流量对含水率分布的影响不明显,但灌水器流量的增大可明显增加20~40cm土层硝态氮含量;灌水器与犁底层相对位置对水氮分布影响显著,灌水器位于犁底层中(埋深25cm)土壤表层干土层较薄、水氮向下运移深度较小,有利于减小土壤蒸发和避免水氮淋失。     

泰安市岩溶水环境系统模拟分析

作者运用有限单元法，根据变化的历史开采布局和污染演化趋势，建立了水量水质耦合模型，对岩溶水资源进行了数值模拟评价。在此基础上，以现状开采量和历史水质污染的演化趋势为基次，对未来10年的岩溶水水位水质进行了预测，预测结果表明：在2010年，部分地区的氯离子浓度超出了饮用水标准，大部分地区的总硬度严重超标。     

Numerical simulation of shallow-water flooding using a two-dimensional finite volume model

A 2-D Finite Volume Model (FVM) is developed for shallow water flows over a complex topography with wetting and drying processes. The numerical fluxes are computed using the Harten, Lax, and van Leer (HLL) approximate Riemann solver. Second-order accuracy is achieved by employing the MUSCL reconstruction method with a slope limiter in space and an explicit two-stage Runge-Kutta method for time integration. A simple and efficient method is introduced to deal with the wetting and drying processes without any correction of the numerical flux term or the source term. In this new method, a switch of alternative schemes is used to compute the water depths at the cell interface to obtain the numerical flux. The model is verified against benchmark tests with analytical solutions and laboratory experimental data. The numerical results show that the model can simulate different types of flood waves from the ideal flood wave to cases over complex terrains. The satisfactory performance indicates an extensive application prospect of the present model in view of its simplicity and effectiveness.     

区域农田土壤水和氮素行为的模拟

本文以华北平原为研究区域,根据第二次全国土壤普查资料，应用地理信息系统的方法(ARC/INFO)，研究了土壤类型的区域分布，并得出了以72个典型土壤剖面为代表的华北平原土壤类型分布的概化图。通过对作物生长发育参数、土壤和气候资料的简化处理，将土壤水、热、氮联合模拟模型应用于区域农田土壤水、氮素行为的模拟计算。结果表明，通过模型计算与地理信息系统相结合，便于评价不同水氮管理、不同降雨年型条件下区域农田土壤水、氮素行为。通过以中等水氮处理为例的计算，评价了不同降雨年型所得到的水分利用效率(WUE)和氮素利用效率(NUE).区域内WUE明显在干旱年型下最高，湿润年型下最低，而NUE的规律相似但不太明显。各指标在区域上分布有一定的规律，与气候分异和土壤类型分异密切相关。     

地埋点源非饱和土壤水运动的数值模拟

根据非饱和土壤水运动理论，建立了地埋滴灌条件下土壤水分运动的数学模型，用有限差分法对模型求解，求解结果得到了田间试验的验证，应用所建立的模型初步分析了地埋滴灌土壤水分运动的基本规律。     

再生水回用于景观水体氮营养盐对叶绿素a和藻密度的影响研究

再生水回用于景观水体是否会带来严重的生态风险,尚需广泛而深入的研究。以北京市某再生水厂出水为研究对象,人工配制各浓度梯度的营养盐,试验研究补给再生水后景观水体水质指标的变化,重点考察氮营养盐(氨氮、硝酸盐氮)对叶绿素a和藻密度的影响情况。试验结果表明叶绿素a和藻密度主要受水体中氮磷比和磷酸盐浓度的影响,与单独的硝酸盐氮浓度增加并无直接的关系。当磷酸盐浓度保持在1mg/L以下,氨氮浓度在4mg/L以下,硝酸盐氮浓度在16mg/L以下,将再生水一次性补给景观水体是可行的,不会产生藻类暴发。     

流域水资源水量水质集成管理模型研究进展

将流域水资源水量水质集成管理模型分为优化模型、模拟模型、优化和模拟相结合模型以及决策支持系统四大类,按此分类总结了目前国内外研究的相关进展,并针对模型中出现的水量水质耦合项,分析了直接求解法、大系统分解协调技术、逐步求解法和情景优选法等水量水质变量的解耦原理和技术,并展望了流域水资源水量水质集成管理模型在水资源优化配置、生态环境需水配置和水资源冲突协调领域中的应用前景。     

考虑环流横向输沙及河岸变形的平面二维扩展数学模型

本文考虑弯道环流输沙效应，在泥沙运动基本方程中增加了反映环流横向输沙附加项，对平面二维水沙数学模型的悬移质、推移质输沙方程和河床变形过程进行了扩展。借助土力学中关于边坡稳定性理论中的圆弧滑动法，并引入多杈树搜索方法，建立了适用于平面二维数学模型的河岸崩塌变形计算方法。经扩展后的平面二维水沙数学模型能模拟环流横向输沙及由其引起的河床冲淤和河岸变形，并应用该模型模拟了弯道发生、发展过程，计算结果与已有的认识是一致的。     

非饱和土壤中吸附性溶质运移的基本方程和参数结构

本文应用随机场的谱分析方法，研究了吸附性溶质在非饱和，非均匀土体中运动时平均浓度所遵循的基本方程。当非饱和水分运动以重务为主要作用力时，设经对数变换后的土壤饱和渗透系数，吸附系数和α参数为正态平稳随机场，求得了宏观弥散度的解析表达式。研究结果表明，宏观散度由三部分组成，分别来源于非饱和渗透系数的自相关函数，非饱和渗透系数吸附参数的互相关函数，以及吸附参数的自相关函数。     

复杂河网引清流量优化分配模型

根据物质守恒原理,建立复杂河网引清流量优化分配模型,以实现引清调度优化。鉴于模型中河段水质与流量的隐函数关系,利用罚函数法进一步优化模型的非线性约束,使河段水质目标呈隐式表达形式,达到减少决策变量与约束条件的目的。建立不同初始点为搜索起点,利用模式搜索法对优化模型进行求解。求解结果表明,不同初始点对求解结果影响明显。进一步分析河段污染物衰减的影响因素,并以参数形式表征水动力的影响,从而建立河段引清流量的修正模型。将修正模型应用到福州内河的引清流量计算中,计算结果表明,修正计算结果比试算法结果减少7.2 m3/s,大大减少了引清流量,较好实现了引清流量的优化分配。     

某厂区防渗工程地下水数值模拟

根据某厂区的水文地质条件,在建立水文地质数学模型的基础上,运用有限差分数值计算软件对该厂区地下水的渗流规律进行数值分析,并运用其跟踪模拟子模块对该厂区地下水的水质点进行了粒子示踪模拟。通过研究区埋设的孔隙水压力计测试成果的验证,该模型模拟结果与厂区地下水渗流场的实际情况较为吻合,即厂区地下水会从西北部地区向西南部和南部的梅坝溪及东北部的下道湖溪渗流。模型可用于该厂区地下水动态模拟和预测,及污染物运移途径研究,可以为厂区的防渗工程提供可靠依据。     

地下滴灌条件下水热运移数学模型与验证

基于土壤水、热运动基本方程,结合地下滴灌水分运动特点,建立了地下滴灌水热运移数学模型。利用HYDRUS-2D软件对模型进行了求解,并用田间实测数据进行验证。模拟和验证结果表明,模型对地下滴灌条件下的土壤水分和土壤温度运移变化动态的模拟效果较好,该水热运移数学模型可以用来监测和调控作物生长所需的土壤水、热环境条件。模拟值和实测值的结果对比表明,上层土壤的水分和温度的模拟值较下层土壤值差异较明显,且数值波动大,主要原因是上层土壤易受到土壤蒸发和大气温度剧烈波动的影响。     

生物慢滤系统对再生水中氮磷降解的试验研究

利用生物慢滤系统中菌-藻共生的特点,对用于景观补水的再生水中氮磷进行有效的去除,可有效预防由于再生水中氮磷营养盐浓度较高而引发的景观水体富营养化问题。通过生物慢滤系统净化再生水的试验研究表明,生物慢滤系统在保持上覆水深为80cm、滤层厚度为80cm、滤速为0.1m/h的条件下,对水体中总氮、氨氮、硝酸盐氮、总磷和高锰酸盐指数平均去除率分别为57.55%、50.16%、46.37%、66.32%和47.04%,叶绿素a的去除率可达95.75%;经生物慢滤系统处理后的再生水在景观储存过程中藻类的生长缓慢,叶绿素a含量始终维持在较低水平,氮磷含量较低且趋于稳定。经生物慢滤池处理的再生水用于景观水体的补充水源,可减少富营养化的发生频率。     

桥渡壅水对河道水位流场影响二维数值模拟

采用Simple算法建立了一套河道平面二维水流数学模型.针对桥渡壅水问题,提出了两项措施来进行桥墩的概化:①局部地形修正,主要通过增加桥墩所在节点的河底高程来反映桥墩对河道过水面积的压缩效果;②局部糙率修正,主要通过加糙来反映桥墩的阻水作用.通过对工程问题的计算验证其效果,选取赣江神岗山-井冈山拟建的阳明大桥长约7.5 km的河段作为计算河段.地形采用2000年实测河道地形图.计算网格采用边界层坐标系下河道拟贴体正交网格.网格节点数为73×70个,计算结果较好地反映了建桥前后桥墩附近水位流场的变化情况,说明桥墩概化较为合理.     

纯隐格式的混合有限分析法在广雅桥水流数值模拟中的应用

分别建立柳州市柳江河道大范围河段和拟建广雅桥局部范围曲线坐标系下的二维水流数学模型,并采用纯隐格式的混合有限分析法来离散和求解该数学模型,将常用的干湿网格判别标准与冻结法结合起来模拟计算河道中的浅滩。所建立的大范围柳州市柳江河道二维水动力数学模型计算成果一方面用于验证,另一方面为广雅桥局部二维水动力数学模型提供初始和边界条件。结果表明,广雅桥的建设对局部河道的壅水和水流流态存在一定的影响,同时也证实了纯隐格式的混合有限分析法在工程实际应用中的准确性和有效性。     

流域水沙资源优化配置理论与模型及其在黄河下游的应用

本文在分析流域水沙资源利用现状、水沙灾害性及水沙优化配置必要性的基础上,构建了流域水沙资源联合多目标优化配置理论框架,它由河床演变均衡稳定理论和水沙资源联合多目标优化配置理论组成,进而建立了流域水沙资源优化配置数学模型,该模型包括河床演变均衡稳定模型和水沙资源多目标优化配置模型两个子模型。应用模型计算分析了黄河下游主河槽的均衡稳定断面尺寸和输水输沙优化的临界指标,提出了强化非恒定流调水调沙、调控含沙量60～100kg/m3之间的不利水沙条件等改善小浪底水库调度运用的措施,并进一步提出了黄河下游水沙资源多目标优化配置的模式, 应用模型计算分析了不同水沙条件的水沙资源优化配置方案,为黄河下游河道的科学治理提供了新的思路。     

冰期河流弯道冰水动力学行为研究

以黄河什四份子弯道为研究对象,基于2019-2020年度的凌情监测影像及现场试验数据,分析了河流弯道冰水动力学行为特征。结果表明:上宽下窄的河道形态是造成弯道卡冰的主要原因,流凌-封河阶段,弯顶节点工程对水流的顶托作用促进了上游回流区的形成;受弯道离心力作用,河冰聚集于河道凹岸一侧,并在回流区堆积形成冰桥,从而缩小了断面过冰面积,河道逐渐封冻;弯顶下游流速大且来冰量少,形成清沟,主流向河中发展;冰塞堆积于弯顶上游凹岸主河槽内,水流被挤压至凸岸非冰塞区,弯道主流易位;在稳封期,河道冰水动力特征基本不再变化,在解冻开河期,凸岸非冰塞区流速较大,主流区冰盖优先解冻且沿主流输移,回流区冰盖最后消融,河道主流逐渐恢复至畅流阶段,整体呈复归式。     

Appraisal and optimization of agricultural water use in large irrigation schemes: I. Theory

A new approach on the functioning of an irrigation scheme has been presented. A mathematical representation of the irrigation system based on measured system properties, such as losses due to percolation and to poor management, in only a part of the system is used. This mathematical representation is termed an equivalent irrigation network. The merit of this approach is that it reduces the number of required streamflow measurements.When water amounts are measured for a number of paths in the irrigation network, so-called path efficiencies are obtained. The path efficiency is a measure of the amount of water lost along the way. The numerical model that simulates the operation of the irrigation system is based on the path efficiencies. This simulation model in turn is used to calculate different objective functions, corresponding with different optimization goals, like uniform water distribution, minimum groundwater extraction, minimum cost of water supply.This paper gives the theoretical background of the approach. The application to an actual irrigation scheme will be discussed in a second paper.