多层含水层系统的地下水流模拟模型

河北平原(北京、天津以南部分)东部地区浅层地下水中咸水广布,深层地下水是工农业用水的主要开采对象。很多地区因过量开采地下水引起了地下水位持续下降、降落漏斗不断扩大等不良水文地质现象的产生。本文通过对河北平原东部地区地质、水文地质条件的分析,把多层结构的地质体概化为三层结构的含水层系统,其中上下两层分别为潜水含水层和承压含水层,中间层为弱透水层。并用准三维流数学模型对含水层系统进行数值模拟,通过模型识别进一步查明研究区的水文地质条件,并对整个地区地下水资源从水量上进行评价,以利本区地下水特别是深层地下水的合理开采。     

地下水水流模型的摄动待定系数随机有限元法

把Taylor展开式、摄动技术、待定系数法和有限元方法相结合,提出了求解随机地下水水流问题的摄动待定系数随机有限元法(PCSFEM),推导出地下水水头均值和方差的表达式,避免了求地下水水头的一阶导数和二阶导数,对于一般的随机地下水问题均能给出地下水水头的随机特征,对随机变量数较少的随机问题特别有效。同时选取二维承压地下水水流问题(有解析解)作为例子,进行随机数值模拟试验,以检验方法的有效性和局限性。     

基于随机微分方程的流域汇流模型的构建

针对水文过程中存在的许多随机不确定性因素,本文以n=3的Nash模型为基础,利用随机微分 方程理论,引入随机输入项,建立了输入具有白噪声特性的随机Nash汇流模型,求解得到出流过程均值和方差的解析解和数值解,并利用出流过程的均值和方差确定各时刻出流过程的概率分布。该方法借助于各时刻的方差得到流量过程的分布概率,从而考虑预报的不确定性,为防洪决策中提供预报值的不确定度以考虑风险损失。     

基于EIT摩阻模型与随机摩阻模型的水击随机分析

在以往水击随机分析中,摩阻按确定量考虑,其影响往往被忽略;而实际的水击过程中,摩阻为非恒定值,为一不确定量,文中研究非恒定摩阻对随机水击波动过程的影响.从水击的基本方程出发,分别建立了基于广义不可逆热力学理论的水击随机模型(EIT摩阻模型)与含有随机摩阻项的水击随机模型(随机摩阻模型),采用矩特征线法对水击过程进行数值模拟.算例表明,与采用恒定摩阻的水击随机分析比较,本文提出的两种随机模型在计算最大水击压力值的同时,可以模拟水击压力的波动过程,而且随机摩阻模型的数值计算更为简便.     

具有水文物理概念的日径流随机模型

应用伊藤(ITO)型随机微分方程,建立了具有水文物理参数的日径流随机模型.在金沙江屏山站的日径流模拟中,采用确定性方法分析并定出了模型中的水文物理参数;实现了具有一定水文物理概念的日径流随机模拟     

基于PEST模型的海岛海水淡化产业环境分析

海水淡化是解决海岛淡水短缺的重要途径之一。为推广海水淡化在海岛的应用,在对海岛特点和海水淡化工程分析总结的基础上,结合PEST模型,从政治政策、经济、社会、技术4个方面系统分析了海水淡化产业在海岛发展的外部环境;运用SWOT-PEST矩阵全面分析这4个方面的优势和劣势、机遇和挑战,探讨海岛海水淡化产业发展现状及前景。并从国家政策、市场经济、公众接受、技术创新等方面提出战略对策建议和保障措施,为海岛海水淡化产业的发展提供依据。     

基于随机微分方程的流域汇流模型

摘要：针对水文过程中存在的许多随机不确定性因素,本文以Nash模型为基础,利用随机微分方程理论,在确定性汇流模型中引入随机输入项,建立了输入具有白噪声特性的随机Nash汇流模型,求解得到出流过程均值和方差的解析解和数值解,并利用出流过程的均值和方差确定各时刻出流过程的概率分布。该方法借助于各时刻的方差得到流量过程的分布概率,从而考虑预报的不确定性,为防洪决策提供预报值的不确定度,有利于降低水库调洪风险率。     

基于随机森林模型的需水预测模型及其应用

为解决需水预测模型精度问题,尝试基于随机森林模型的分类和回归功能构建需水预测模型。以苏州市需水量预测为研究实例,首先应用随机森林模型的分类功能将需水预测因子分类,经计算发现第一产业比例、人口、灌溉面积、万元产值用水量和国民经济生产总值为最重要的解释变量。在此基础上,用随机森林模型的回归功能对需水进行预测,同时采用相同的训练数据建立基于BP神经网络和RBF神经网络的需水预测模型,通过对比3个模型的预测结果,发现随机森林模型能有效预测需水量,且精度较高。     

地下水流模型的建立——以华北平原为例

地下水流模型是辅助地下水资源量评价的一种工具,采用的建模方法主要是有限元法、有限差分法和边界元法。基于有限元法的地下水流模型包括地下水概念模型、数学模型、数值模拟模型3部分。概念模型建立包括含水层结构概化、研究区边界概化及水力特性确定3个步骤;数学模型和数值模拟模型建立包括数学方程式描述、区域剖分、定解条件处理、源汇项、水文地质参数确定、模型识别与检验及水量均衡分析7个步骤。以华北平原地下水流模型为例,阐述建模过程。     

基于随机骨料模型的混凝土弹性模量预测研究

为确定混凝土的弹性模量,基于细观层次假定混凝土是由骨料、砂浆和两者之间的粘结界面组成的三相复合材料,借助蒙特卡罗方法和瓦拉文公式,在二维平面上建立了随机骨料模型。通过有限元法预测混凝土的弹性模量,并将数值计算结果与试验结果进行比较,验证了该细观有限元模型的有效性。在此基础上研究了混凝土各细观组成成分的弹性模量、骨料体积率、骨料最大粒径、骨料级配、界面厚度以及孔隙等因素对混凝土弹性模量的影响规律。结果表明:在混凝土的各细观组成成分中,砂浆弹性模量对混凝土弹性模量的影响最大;连续级配的混凝土弹性模量在相同条件下大于间断级配的混凝土;孔隙的存在以及界面层厚度的增大均会使混凝土的弹性模量减小。研究结果为混凝土配合比的设计及力学性能的优化提供参考。     

不规则游动网格的蒙特卡罗方法

本文首次提出了用于求解复杂边界水动力学问题的不规则游动网格的蒙特卡罗方法,给出了相应的随机游动模型及其证明,并通过实例计算加以验证。计算表明,本文方法的结果与有限元法的结果吻合很好,新方法是正确可行的,计算精度与规则游动网格相比有明显的提高。     

半圆管惯性分离器气固两相流动数值模拟

采用数值方法对半圆管惯性分离器内的两相流动进行了模拟,连续相、颗粒相、颗粒轨迹计算分别采用雷诺应力模型(RSM)、离散相模型(DPM)和随机轨道模型。得到了该类分离器内的速度、压力、湍流强度、湍动能、耗散率等的分布情况．气流速度对颗粒轨迹、分离效率、阻力的影响,颗粒浓度与分离效率的关系,以及最佳颗粒浓度及磨损的大致区域。     

城市洪涝模型及CPU-GPU异构并行计算技术研究进展

在全球气候变暖和城市化背景下,城市洪涝问题日益严峻。为尽可能减少城市洪涝灾害造成的损失,提高城市对突发性强降雨事件的应急处理水平,开展城市洪涝数值模拟技术研究具有十分重要的意义。本文从城市洪涝精细化和高效模拟角度出发,综述了城市洪涝模型、CPU-GPU异构并行计算的研究进展,系统总结了产汇流模型、一维河道/管网模型、二维地表模型、耦合模型、快速城市洪涝模型的构建方法和CPU-GPU异构并行计算的关键技术。针对当前城市洪涝模型研究中的不足之处,需要开展城市洪涝过程全物理机制模拟研究,深入分析全水动力城市洪涝模型的适用性、模拟精度和计算效率;还需基于异构并行计算技术,实现城市洪涝模型一维河道/管网、二维地表淹没的快速模拟,为城市暴雨洪涝精细化与高效模拟奠定基础。     

A random walk simulation of scalar mixing in flows through submerged vegetations

The scalar transport phenomena in vertical two-dimensional flows are studied using the random walk method. The established Lagrangian model is first applied to study the idealized longitudinal dispersion in open channels, before being used to investigate the scalar mixing characteristics of the flows through submerged vegetations. The longitudinal dispersion coefficients of the fully-developed boundary layer flows, with and without vegetations, are calculated based on the positions of the particles. A convenient way of incorporating the effects of vegetations is proposed, where all the flow parameters are regarded to be continually distributed over the depth. The simulation results show high accuracy of the developed random walk method, and indicate that the new method of accounting for the vegetation effects is appropriate for all the test cases considered. The predicted longitudinal dispersion coefficients agree well with the measurements. The merit of the new method is highlighted by its simplicity and efficiency in comparison with the conventional method that assumes the discontinuous distribution of the flow parameters over the depth.     

Water-table variation in a sloping aquifer due to random recharge

Variation in the level of the water table is closely linked with recharge. Therefore, any uncertainty associated with the recharge rate is bound to affect the nature of the water-table fluctuation. In this note, a ditch-drainage problem of a sloping aquifer is considered to investigate the effect of uncertainty in the recharge rate on water-table fluctuation. The rate of recharge is taken as an exponentially decaying function with its decay constant as a Gaussian random variable. Expressions for the first two moments of the water-table height, i.e. mean and standard deviation, are presented. By using these expressions, the effect of uncertainty in the recharge rate on the water-table fluctuation has been analyzed with the help of a numerical example.     

Hydraulic Parameters of Coastal Aquifer Systems by Direct Methods and an Extended Tide–Aquifer Interaction Technique

Adequate and reliable parameters are key to the sustainable management of vital groundwater resources. Present study focuses on the evaluation of direct methods (tidal efficiency and time lag methods) and an extended tide–aquifer interaction technique for determining the hydraulic parameter of coastal unconfined and confined aquifer systems. The hydraulic diffusivities of unconfined and confined aquifer systems were estimated using the tidal efficiency and time lag methods as well as they were optimized using the tide–aquifer interaction model and the Levenberg–Marquardt optimization technique. The hydraulic diffusivities were optimized by the Levenberg–Marquardt technique following two approaches: lumped tidal component approach and multi-tidal component approach. The effect of spring and neap tidal data on parameter estimates was also analyzed. The tide–aquifer interaction data for two unconfined sites and three confined sites were used in this study. For all the five sites under study, the aquifer hydraulic diffusivities based on the time lag method were found to be much larger (2 to 14 fold for the unconfined sites and 5 to 8 fold for the confined sites) than those based on the tidal efficiency method. The analysis of the optimization results indicated that the hydraulic diffusivities following “multi-tidal component approach” are more reliable and accurate for both unconfined and confined aquifers than those obtained following “lumped tidal component approach”. Consequently, the use of “multi-tidal component approach” is strongly recommended for the determination of aquifer parameters by the tide–aquifer interaction technique. Furthermore, the tide–interaction data corresponding to spring and neap tidal events were found to significantly affect the aquifer diffusivities yielded by the tide–aquifer interaction technique. It is concluded that a judicious use of tide–aquifer interaction technique is indispensable for the reliable estimates of hydraulic parameters of coastal aquifer systems.     

潮汐引起滨海承压含水层地下水位变化的数值模拟

海潮波动可以引起海岸带地下水位发生波动。建立基于有限差分法的滨海地区一维承压含水层地下水运动数值模型。通过将潮汐波动概化为正弦波,模拟滨海地区地下水位随潮汐波动的变化。结果表明,受海潮影响的滨海含水层地下水位与海潮有相似的波动特征,但变幅减小,受海潮的影响程度与离海岸的距离有关,随着离海岸距离的增加地下水位的变幅及潮汐效率呈负指函数衰减,地下水位对海潮的滞后时间随距离呈线性增加。例如,当承压含水层导水系数为31．25m^2／h、储水系数为4．5×10^-4及海潮振幅为2．5m、周期为24．7h时,在距离海岸500m处,振幅为1．35268m,潮汐效率为0．54107,滞后时间为1．825h。在距海岸达4389m以远时可以认为地下水位不受海潮波动的影响。     

基于季节长记忆双自回归模型的日径流模拟

传统时间序列模型无法同时考虑径流序列的长记忆性和时变波动性,且模型参数限制严格,从而使日径流序列模拟受到限制,影响径流模拟预测精度。本文提出了同时考虑非平稳性、季节性、长记忆性和时变波动性的新型双自回归模型(WOA-SFIDAR),并与经典长记忆波动率模型(SFIAR-GARCH)进行对比,选取渭河流域4个水文站日径流序列进行模拟验证。结果表明：WOA-SFIDAR模型的模拟能力优于SFIAR-GARCH模型,模拟结果很好地保持了日径流过程的统计特性。7、8月份模拟均值误差相对较大,WOA-SFIDAR模型的误差范围(5.72～32.56)低于SFIAR-GARCH模型(7.42～48.02)。WOA-SFIDAR模拟逐月变差系数(C_v)和偏态系数(C_s)与实测序列统计值间偏差范围为0～0.51和0.02～1.31,优于SFIAR-GARCH模型(0.02～0.56和0.06～1.52);模拟结果能够保持日径流序列自相关系数(ACF)的变化趋势,且随滞时的增加,实测序列与模拟序列的ACF差距减小。文中模型扩展了水文随机模拟方法,可为日径流模拟...     

多尺度海绵城市系统雨洪控制研究

雨水的开放性与流动性使城市洪涝灾害的产生具有多尺度特征,海绵城市系统中也存在多种规划建设层级与尺度,且各层级尺度下的规划建设内涵与雨洪控制目标各不相同。本文基于SWMM模型,以位于广州市的三个不同空间尺度区域(局域集水单元、城市汇水区、城区小流域)为研究对象,通过现状解析、海绵改造方案设计与模拟的方式,对不同尺度海绵系统雨洪控制措施的合理设置,以及实现城市排水治涝与海绵城市建设的综合控制目标进行系统性实例研究。研究结果表明：在小尺度海绵系统中应通过微观控制措施实现系统径流、出流要素控制,在中、大尺度海绵系统中应通过兼顾绿色与灰色基础设施、管渠与调蓄设施、源头与终端结合的控制措施,分别实现流量峰值的控制与积水情况的缓解。研究可为海绵城市的统筹规划建设及不同单一尺度区域的海绵城市规划设计与研究提供明晰的参考。     

水工程调度与低影响开发协同作用下典型城市片区洪涝过程模拟——以福州市为例

城市水工程调度与低影响开发措施,在应对城市暴雨洪涝中发挥了重要作用。本文以沿海城市福州主城区晋安河片区为例,构建一套综合的水文水动力模拟框架,从全域视角分析实时控制调度下的洪涝响应特征,并选择典型社区,从社区尺度下分析低影响开发措施与水工程调度协同作用下的洪涝过程。结果表明,全域尺度下,通过上游水工程联合调度可以有效控制下游内河水位,距离琴亭湖更近的晋安河主河道断面相比于下游断面,其断面水位变化受实时调度方案影响更为明显。在未考虑河道漫溢时,联合调度对河道水位的影响明显大于对内涝淹没的影响。在社区尺度下考虑河道漫溢时,低影响开发措施与水工程调度对内涝淹没的协同作用明显。在重现期为100 a、历时为2 h降雨下,协同治理前后,淹没面积由7.57 hm~2减少至4.85 hm~2;在苏迪罗台风降雨数据驱动时,协同治理前后,淹没面积由22.87 hm~2减少至9.83 hm~2。研究成果可以为城市防洪减灾应对措施提供一定的参考。