MIKE模型在城市及流域水文—环境模拟中的应用进展

MIKE模型可对城市及流域水环境、水资源、水安全及水生态等方面进行模拟,软件因功能强大、界面友好而在国内外现实工程中获得了广泛应用。文中归纳了MIKE11、MIKE21、MIKE FLOOD、MIKE URBAN、MIKE BASIN和MIKE SHE模型的基本原理、特点及应用范围。对比了主要模型的功能,总结了各模型及其不同组合方式在实际工程中的应用情况,提出了MIKE模型存在的局限性并对该模型未来发展方向进行展望,以期为MIKE模型更好地应用于实际问题提供参考。     

渭河下游河道冲淤变化对洪水演进特性的影响

基于三门峡水库建库后渭河下游河道演变及洪水过程实测资料,采用实测资料分析,理论分析和数值模拟相结合的方法,分析了渭河下游河道发生冲淤变化对洪水特性的影响。结果表明:自水库建成至2003年间,渭河下游河道发生淤积萎缩引起渭河洪水演变特性发生了显著地改变,渭河下游洪水位抬升、洪水传播历时延长以及洪峰削峰率增大,而这些洪水特性也是造成渭河下游河道发生淤积萎缩的主要原因。2003年之后,因渭河下游河道水沙条件的变化,洪水洪峰流量大幅度减小,河道出现冲刷,漫滩流量相较于先前减小,使渭河下游洪水位下降、洪峰传播历时缩短、洪峰削峰率不断减小。     

基于HMM和BP神经网络组合模型的用水行为识别

在当前水资源短缺以及用水量不断增加的背景下,识别农村居民用水行为,对于农村地区居民用水安全和管理、缓解水资源短缺具有重要的意义。为此,提出了一种隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model,HMM)和BP神经网络(Back Propagation,BP)相结合的组合模型,模型综合了BP网络优秀的分类识别能力和HMM强大的时域建模能力的优点。该模型首先为居民用水行为的6个事件分别建立1个HMM,然后计算各个模型的最佳状态的输出概率,再将此概率和期望输出共同训练BP神经网络,最后选取测试数据和已建立的组合模型进行匹配,得到识别结果。研究结果表明:该组合模型在用水行为识别准确度上比单独应用HMM模型高8. 78%,比单独应用BP神经网络高8. 92%,具有一定的应用价值。     

渭河干流宝鸡段水资源边际效益的研究

传统的水资源分配只注重水资源能带来的经济效益,忽视了其在生态环境中的价值,不利于河流水资源的可持续管理。将河道生态基流视作一类用水部门,通过建立河道生态基流边际效益的计算方法,计算留存在河道中的水资源的边际效益,利用柯布-道格拉斯生产函数,计算三次产业的水资源边际效益,可实现效益最大化下水资源的简单分配。以渭河干流宝鸡段枯水期为例对所建立的方法进行计算,结果表明:2001-2015年第二产业和第三产业的水资源用量少,而边际效益高,可维持现状;河道生态基流和第一产业的水资源边际效益年均值低于5元/m~3,可使两者的边际效益相等,求出枯水期同时满足经济效益和生态效益时的水量为10 m~3/s,此时水资源边际效益为1元/m~3。     

考虑材料参数空间变异性的堆石坝非侵入式随机有限元研究

为提高面板堆石坝(CFRD)沉降值的计算准确度,引入随机有限元方法(SFEM),以考虑E-B本构模型参数的空间变异性,建立基于Cholesky分解的面板堆石坝非侵入式随机有限元方法(NSFEM)。首先,基于Cholesky分解进行堆石料材料参数的随机场模拟;其次,基于现有商业有限元软件MSC.Marc进行子程序的二次开发,通过UltraEdit在DOS环境下直接调用Marc,对每个单元赋予不同的材料参数,实现“非侵入式”随机有限元计算;随后,结合公伯峡坝体沉降计算,分析了筑坝材料参数的变异系数对沉降的影响规律。计算表明:考虑材料参数空间变异性对堆石坝变形计算结果影响明显,最大沉降值明显大于常规有限元计算值,更接近实测值,更符合工程实际情况。结论:坝体沉降值对材料参数按照敏感性从大到小排序为φ0、K、K b,对3BII区材料参数的变异性敏感性较3C区更大;采用NSFEM,考虑筑坝材料参数的空间变异性对准确把握CFRD沉降,确保工程安全具有重要意义。     

山区河流溃坝洪水演进分析

山区河流地形复杂,河岸陡峭,岸线曲折,河床形态极不规则,当发生溃坝洪水时,可能出现常见洪水条件下难以预测的水情及流态。山区河流溃坝洪水演进分析,是为山区河流抵御洪水灾害和建立相应防洪措施提供依据。针对山区河道,基于不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程建立溃坝水流运动的二维数学模型。采用非结构三角形网格进行模型网格划分,动边界技术处理干湿边界,率定后的河道糙率范围为0. 020～0. 035。利用该模型研究了6种溃坝工况条件下的洪水传播特性。数值模拟结果表明:溃坝后下游河道各断面的断面平均流速均未超过6 m/s,山区段河道形态对溃坝洪水演进过程有着显著的影响,河道束窄段及弯道能有效地抑制洪水波的传递,支流的倒灌能极大削减洪峰流量,主河道旁侧支毛沟形成的环流可消耗主流能量。     

淤地坝淤积对漫顶溃坝洪水影响数值模拟研究

为分析淤地坝淤积高度对漫顶溃坝洪水的影响,选择理想沟道和某小流域内的淤地坝为研究对象,采用耦合溃口演变过程的水动力数值模型,模拟分析了不同淤积程度下淤地坝溃坝洪水过程。研究表明:溃坝洪水流量随淤积高度的增加而减小,且洪峰流量与淤积高度的关系可用二次多项式拟合,相关系数均在0. 99左右,拟合精度较高;淤积高度至坝高20%和40%时,洪峰流量削减率分别达40. 50%和68. 71%,可见在淤地坝运行初期和中期,淤积对洪峰流量的削减效果显著。研究成果对淤地坝系规划及安全度汛有指导意义。     

基于修正立方定律对单裂隙辐射流剪切耦合的研究

修正了辐射流立方定律,并研究了裂隙的力学性能和水力特性。进行了不同恒定法向压力和剪切速率下的高液压水头剪切渗流实验。发现峰值剪切强度随剪切速率的增加呈现先增大后减小的趋势。线性系数A和非线性系数B都随剪切位移先增大后减小,且减小后的稳定值小于剪切破坏前的值。但是系数B比系数A大5个数量级,变化幅度更大。临界雷诺数经剪切破坏后大于剪切破坏前的值,流态将变好。此外,剪切过程中的水力特性也表现出与力学性能相似的趋势。     

分层土壤短距离放线下接地电阻测试方法研究

当土壤不均匀,如土壤为双层甚至三层时,采用传统补偿法测量接地电阻往往会带来较大测量误差。研究提出了短距离放线方式下接地电阻测试方法。分析了工频接地电阻与电流注入点的位置关系,研究了不同电流注入点对接地电阻测量偏差的影响规律,验证了短电流极引线法在工频接地阻抗测试中的可行性。针对不同的土壤结构,研究了电流引线布线长度对电压补偿点位置的影响。提出不同土壤结构下电流引线长度的选取规律,实现了短电流引线下接地阻抗的准确测量。     

农村居民用水行为的识别方法

实时准确地识别居民用水行为对制定有效的家庭用水需求管理策略、提高用水安全、改善当前水基础设施的规划和管理有重要的研究意义。针对每个用水事件的流量特点,通过分析几种典型的居民用水行为,提出了两种居民用水行为识别方法。分别利用HMM和BP神经网络建立不同类型居民用水行为的识别模型,对居民用水行为进行实时而有效的识别。这两种方法首先从训练集合中提取不同用水行为的流量特征、并建立该行为的参考模型,然后从测试集合中提取用水行为的流量特征和已设置的参考模型进行匹配,得出识别结果,最后对两种识别方法的结果进行了对比分析。可以得出两个结论:在不同流量模式用水事件下,HMM模型比BP神经网络的识别准确度高6%左右;在相似流量模式用水事件下,BP神经网络比HMM模型的识别准确度高约6%。