北江流域“2022·6·22”暴雨洪水分析

2022年6月19日,北江流域发生“2022年第2号洪水”,为1915年以来最大的洪水。为提高对北江流域暴雨洪水特性的认识,采用定性与定量相结合的方法对该场洪水的雨水工情进行研究。分析暴雨中心、洪水量级、洪水传播时间等特征,并与历史暴雨洪水进行对比。借助种子蔓延算法比较“理想凑泄”和“经验控泄”调度方案的调控效果,同时考虑水库动库容效应进行调洪演算。结果表明:造成本次洪水灾害的主要原因是累计雨量大、降雨强度大以及暴雨区域集中;根据“理想凑泄”规则调度飞来峡水库取得了显著效果,但需要考虑水库动库容的影响。研究成果可为北江流域防洪减灾以及制定调度规则等提供支持。

基于无人机巡检与深度学习的河道整治施工进度图像识别

长线性小流域治理工程中的河道衬砌、生态护岸等距离长、范围广、布置分散,且工区交通不便,人工巡检费时费力,难以及时掌握工程的整体施工进度形象面貌。提出了基于无人机巡检与深度学习的河道整治施工进度智能图像识别方法,通过定位施工节点(施工区域起点和终点)的位置计算施工进度。首先,建立了施工区域目标检测模型,针对无人机航拍影像进行河道衬砌护岸施工区域的识别以及施工节点的定位;然后,利用尺度不变特征变换(scale-invariant feature transform,SIFT)算法对不同视频帧中的施工节点进行匹配,并基于单目视觉的运动视差法,计算施工节点的实际工区坐标;最后,计算当前衬砌护岸施工进度,并分析进度偏差。结果表明:该方法得到的施工节点定位平均误差为1.026 m,平均相对误差为0.74%,该方法能够较为准确地从航拍图像中识别得到当前衬砌护岸的施工进程,从而实现长线性工区快速巡检,及时掌控现场施工进度,提高工程管理的智能化水平。

基于投影寻踪回归方法的微压过滤冲洗池水头损失与过滤效率预测模型

以微压过滤冲洗池的水头损失与过滤效率为考核指标,考虑进水流量、矿化度、含沙量与滤网孔径4个因素进行正交试验设计,采用投影寻踪回归方法PPR分析各个因素对考核指标的影响权重,选取20组试验数据建立含沙微咸水条件下微压过滤冲洗池水头损失和过滤效率的预测模型,探究了含沙微咸水对微压过滤冲洗池的水头损失和过滤效率的影响。研究结果表明,影响微压过滤冲洗池水头损失的因素由大到小依次为进水流量、含沙量、矿化度、滤网孔径;影响过滤效率的因素由大到小依次为含沙量、进水流量、矿化度、滤网孔径;构建的PPR预测模型的预测精度整体合格率达100%;当进水流量为6~7 m^(3)/h、含沙量为0.5~1.0 g/L、矿化度为0~2.0 g/L及滤网孔径为0.125~0.180 mm时,水头损失存在最小值;当进水流量为9~10 m^(3)/h、含沙量为1.75~2.00 g/L、矿化度为0~3.0 g/L及滤网孔径为0.125~0.150 mm时,过滤效率存在最大值。物理模型的试验结果可为微压过滤冲洗池的实际应用提供研究基础。

高地下水水位冻土区梯形渠道衬砌冻胀破坏断裂力学模型

冻胀荷载作用下初始裂纹的形成、扩展导致衬砌结构的断裂是寒区衬砌渠道冻害的主要原因之一。在已有研究基础上,综合考虑地下水水位影响的梯形渠道冻胀力学分析方法及线弹性断裂力学理论,提出高地下水水位梯形渠道冻胀断裂力学分析框架。该模型将衬砌结构表面初始裂纹的失稳扩展及开裂破坏简化为Ⅰ型断裂力学问题,并提出应力强度因子与危险截面位置的计算方法。以塔里木灌区某梯形渠道为原型分析地下水埋深w对衬砌各截面应力强度因子K_(FⅠ)(x)及合理板厚d r的影响规律。结果表明:地下水补给条件对K_(FⅠ)(x)的大小影响显著;当w减小时,K_(FⅠ)(x)呈非线性增大,此时渠道冻害风险也增大,与事实相符。地下水埋深越浅,保证结构安全所需衬砌板的合理厚度d r越大;当地下水埋深为3.0 m时,建议使用的合理板厚为9.0 cm。研究结果可为寒区渠道的抗冻胀设计提供科学依据。

底流消能诱发泄洪闸闸墩振动问题分析和减振措施研究

底流式泄洪闸在大流量泄洪时常伴随着闸墩剧烈振动。针对泄洪闸闸墩振动问题,以某水电站为例,基于水弹性物理模型试验和原型观测,提出改善闸墩结构和优化水库调度方案的两种减振措施。物理模型试验为研究闸墩振动提供了数据支撑,而原型观测结果验证了模型试验的可靠性。结果表明:当泄流量为5400 m^(3)/s时,通过优化水库调度,采用“低孔+表孔”联合泄洪的方式,表孔的泄流量从单独泄洪时的5400 m^(3)/s转变为联合泄洪时的低孔泄流量3481 m^(3)/s+表孔泄流量1919 m^(3)/s,表孔闸墩的振动位移标准差可从182.3μm减小到51.7μm,振动削减效果为71.6%;当表孔泄流量为10030 m^(3)/s时,通过对闸墩进行加固,闸墩的振动位移标准差可由288.8μm减小到129.6μm,振动削减效果为55.1%。

局部降温对输水渠道水华抑制的影响分析

南水北调中线工程自通水以来,发挥着巨大的社会和经济效益,已成为京津地区的主力水源。中线工程输水的水质理化指标相对稳定,但局部渠段存在藻类异常增殖现象,有水华爆发的风险。针对出现的藻类异常增殖问题,在通冷风这一改变局部气象条件的工程措施基础上,建立了澎河—沙河渡槽段平面二维水动力和水质模型,研究了通风位置、通风温度和通风时长等因素对输水渠道水温和藻类的影响。研究表明:水温和叶绿素a浓度均与通风位置、通风温度和通风时长有关,通风温度越低、通风时长越长,平均水温和叶绿素a浓度下降幅度越大,平均水温最高可下降约2℃,叶绿素a浓度最大可降低约54.5%,且仅上游和全渠段通风均可有效降低水温和抑制藻类生长,仅下游通风对水温和藻类的影响较小。因此,采取局部降温的方式可以起到一定的降低叶绿素a浓度的作用,综合考虑藻类抑制效果和工程成本,在水华易爆发渠段的上游通冷风是行之有效的工程措施。

双线大直径输水隧道建设对既有桥梁及桩基的影响分析

为准确分析双线大直径输水隧道下穿对既有桥梁结构的影响,构建桥梁-地层-桩基-盾构隧道高精度数值仿真模型,对桥梁桩基结构及盾构过程进行精细化模拟,结合基于智能算法的土层参数反演模型,获取更接近真实情况的土层参数,以提高数值模拟精度。结果表明:输水隧道盾构开挖引起的地表最大沉降量为15.01 mm,基于反演的地表变形计算结果与实际监测值的误差减少约70%;盾构隧道双线开挖会引起地表二次沉降变形,两条盾构隧道中间区域的地表二次沉降量最大,约占总沉降量的60%,最大二次沉降量为5.06 mm;隧道两侧的桩基受到影响较大,最大位移为10.03 mm,位于桩基顶部,而隧道开挖对桩基内应力分布影响较小,可以认为无影响。

时空异质性视角下长江经济带水资源系统韧性评估及调控因子分析

水资源系统韧性的评估与调控是缓解水资源危机和规避水资源风险的重要途径之一。从水资源的自然资源、社会经济、生态环境等属性出发,综合考虑水资源系统韧性的抵抗性、恢复性、适应性特征,构建了包含水资源、水经济、水福利、水管理、水生态和水环境6个维度的水资源系统韧性评价指标体系,建立了基于麻雀搜索算法的投影寻踪模型,运用自然断点法识别区域空间分异特征,采用因子探测识别影响水资源系统韧性空间分布格局的调控因子。通过对2010—2019年长江经济带11个省(市)水资源系统韧性的分析发现,在空间上,长江经济带水资源系统韧性表现为西部最优、东部次之、中部最末,且南部优于北部;在时间上,长江经济带水资源系统韧性虽有波动但整体呈现上升的趋势。从6个维度来看,水生态韧性维度的韧性值区间跨度较大,在0.08~0.52之间波动,水福利韧性最高,水环境韧性次之。水资源和水福利的相关因子对水资源系统韧性的影响较为明显,水经济中的工业废水治理投资占GDP的比重和万元工业增加值用水量2个指标以及水福利中的供水管道密度和人均供水量2个指标的影响力逐渐上升。通过对长江经济带水资源系统韧性和调控因子的分析,有针对性地提出了提高长江经济带水资源系统韧性的对策建议。

KOH活化制备铁基生物质炭及其对四环素和环丙沙星的吸附研究

低代谢程度的抗生素如四环素和环丙沙星会造成较为严重的水体污染,而活性炭对此种污染有一定的吸附作用。活化是改善生物炭吸附特性的主要方法之一。以甘蔗渣为主要研究对象,用KOH为活化剂,以FeCl_(3)·6H 2O为浸渍溶剂,制备了改性生物炭(KFBC),同时制备甘蔗渣生物炭(BC)作为对照。综合多种表征手段分析KOH活化和FeCl_(3)的掺杂对KFBC的结构和理化性质的影响,采用吸附法探究KFBC对溶液中的四环素(TC)或环丙沙星(CIP)的吸附性能和机理。结果表明:KOH活化后会形成更多的碳结构缺陷,影响BC的官能团的种类和数量以及BC的表面电性;FeCl_(3)的掺杂会增强BC的磁性,有利于KFBC的循环利用;吸附反应受pH影响较小,KFBC能够在一个较宽泛的pH范围内进行吸附。KFBC吸附TC或CIP是以化学吸附为主,且是自发、吸热、自由度增加和熵增的过程;KFBC对TC或CIP的理论最大吸附量可达到743和794 mg/g;KFBC的主导机制并非静电吸附,而是以孔隙扩散和π—π作用等为主,氢键和络合作用也发挥了重要作用。

低弗劳德数条件下尾坎坡度对消力池内流场结构的影响

低水头、大流量条件下泄洪,易形成低弗劳德数水流,对下游河床和边坡造成冲刷风险。基于某水利枢纽工程,采用数值模拟的方法,应用RNG k-ε数值模型,研究了不同尾坎坡度体型下消力池内低弗劳德数水跃的流场特征。研究结果表明:低弗劳德数来流条件下,消力池内形成的淹没式水跃沿水流方向可分为核心区、发展区和回流区;核心区在水深方向上按流速特性又分为射流内层、射流外层、旋滚内层和旋滚外层;不同尾坎坡度的消力池中,均遵循时均压强沿程增大、临底流速自收缩断面后沿程减小的规律;尾坎坡度变陡会使得水跃的旋滚起始断面向上游移动,旋滚终止断面向下游移动,从而使得旋滚长度增大;当尾坎坡度为1∶3时,尾坎斜坡段临底流速梯度为0,当尾坎坡度小于1∶3时,尾坎斜坡段临底流速梯度为负,当坡度大于1∶3时,流速梯度为正,其原因是尾坎坡度变陡使得尾坎对水体的阻力在平行于尾坎坡面方向的分量减小,从而使得流速梯度逐渐增大。研究成果可为类似工程中消力池的设计选型提供参考。

高质量发展视角下京津冀地区WEF系统综合评价研究

为综合评价京津冀地区的高质量发展水平,从创新、协调、绿色、开放、共享等5个维度构建高质量发展评价指标体系,采用熵值-变异系数综合赋权法计算指标权重,利用线性加权法构建综合评价指数模型测度京津冀地区WEF系统高质量发展的水平,并基于灰色关联度模型探究影响WEF系统高质量发展的关键因子与维度。结果表明:2011—2021年京津冀地区WEF系统综合评价指数呈现上升趋势,空间尺度上3个省市的均值排序为北京市>河北省>天津市;京津冀地区WEF系统各维度指数表现出不同的时空特征,其中共享维度表现出下降趋势,创新维度的空间差异性最显著;粮食产量、生活耗能占比、万元GDP耗能量、生活用水量占比、第三产业耗能占比等指标是影响WEF系统高质量发展的关键因子,协调与共享是影响WEF系统高质量发展的关键维度,本研究可为区域资源高水平管理提供科学的理论依据。

内水渗漏软化基底对盾构隧洞衬砌管片受力性能的影响分析

水工盾构隧洞在运行过程中存在内水渗漏导致基底软化的风险,基底软化将对隧洞管片受力变形产生影响。依托实际水工盾构隧洞工程,构建了由管片、灌浆体和围岩组成的三维有限元数值模型,针对Ⅴ类围岩条件下因渗漏导致基底均匀和不均匀软化的状况,研究了管片的受力性能变化规律。结果表明:在内外荷载作用下,管片的环向应力、竖向位移和定位销应力均随基底软化深度的增加而增大,均匀软化条件下仰拱管片出现峰值为1.88 MPa的拉应力,存在管片开裂风险;基底软化导致定位销应力增大,而管片竖向位移的变化幅度较小。研究成果可为水工盾构隧洞的安全运行监测提供科学依据。

考虑源-荷协同风险的水光互补系统日前优化调度

光电高比例渗透阶段会加剧水光互补系统的源-荷协同难度,并引发弃电风险。由此提出一种考虑源-荷协同日前优化调度方法。首先基于波形分段与出力分区提取光伏出力定性特征,引入耦合云生成光电不确定性场景;然后选取波动量、弃电量评价指标建立日前调度模型,采用波形分阶补偿策略保障负荷跟踪能力与控制弃电风险,并编制发电计划;最后根据实际案例的场景集合求解系统实时运行过程。结果表明:耦合云模型能够在波形与出力两个维度模拟不同鲁棒保守度下的光电不确定性;相对于常规确定性优化,考虑源-荷协同日前优化调度方法能够充分发挥水电与水库调节的灵活性,具有更强的风险承担能力,且输电形式满足源-荷协同要求,可以有效规避弃电风险。

串联网式过滤器泥沙拦截效果试验研究

为了探究泵前、后串联网式过滤器在实际灌溉工程中的分级过滤特性并提高滤网拦沙率,对3种进水含沙量、4种滤网孔径和3种颗粒级配条件下串联网式过滤器的过滤性能开展了正交试验和全试验。结果表明:增大含沙量会加速过滤器滤网堵塞,使部分大于滤网孔径的泥沙颗粒通过滤网;随着进水粗颗粒泥沙的增多,一级过滤效果越明显;不同滤网孔径条件下各粒组出水沙中值粒径和最大粒径变化率范围分别在5.1%~13.0%、1.7%~17.6%之间;通过极差分析和方差分析探究拦沙率对各因素的敏感度,其主次顺序为滤网孔径、颗粒级配、含沙量;当进水沙中值粒径为0.50 mm、含沙量为0.20 g/L时,泵后过滤器滤网孔径较优组合为0.25 mm×0.16 mm;拦沙量与各级滤网孔径有关,选择滤网孔径为(0.49~0.78)d 50的泵前过滤器和(0.32~0.50)d 50的泵后过滤器进行过滤,有利于提高过滤器拦沙率,延长其使用寿命。

跨行政区河流水环境生态补偿方法研究

现行的水环境区域补偿方案存在补偿要素和范围不全面、补偿标准制定不合理及不到位、滞后于经济社会和生态环境的动态变化等不足。针对以上问题,以江苏省常熟市为研究对象,对现行的水环境区域补偿办法进行改进,结合区域经济发展与水环境管理要求,以行政区划为基本单元,根据断面水质浓度、区域用水与排污量等考核指标,提出了综合跨界断面水质类别、过量用水与超标排污等多要素的动态化阶梯水环境生态补偿测算方法。上述方法适用于跨区域之间及区域内,旨在解决现行补偿方案中存在的问题,使补偿标准更为科学合理,从而提升水环境治理水平和效果,促进水生态环境可持续发展。

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。

基于四维度模型的湖南省湘江流域洪涝灾害风险评估

当前极端气候事件频发,降水频次与强度剧增,致使区域洪涝风险提高。为了降低区域洪涝风险,从致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性和防灾减灾能力四维度分析洪涝灾害风险的形成机理,基于11项指标,综合运用ArcGIS地理信息软件与熵权法等数理统计方法客观赋权,对湖南省湘江流域的洪涝风险进行综合性评估,最终制作出区县尺度的洪涝风险分布图。结果表明:湘江流域中西部致灾因子危险性低,中游地区孕灾环境敏感性高;环长株潭地区与衡阳市的承灾体脆弱性较高,但前者凭借良好的经济基础,其防灾减灾能力相对较强;湘江流域洪涝风险分布从东北向西南呈增强趋势,高洪涝风险区位于长沙市、益阳市、衡阳市及永州市南部,不同地区洪涝风险的主导因子不同。研究结果较好地反映了多因子作用下地区洪涝风险的差异,可为区域防洪减灾提供支撑。

1958—2017年江西省水稻需水量与有效降雨量耦合关系分析

基于江西省15个气象站点1958—2017年逐日气象数据,利用Penman-Monteith方法、Mann-Kendall趋势检验、气候倾向率和ArGIS空间插值分析等方法,分析了早稻和晚稻生育期内有效降雨量(P_(e))、需水量(ET_(c))及需水量与有效降雨量耦合度(λ)时空分布特征。结果表明:江西省早稻和晚稻生育期内平均有效降雨量分别为186.69和119.26 mm,早稻和晚稻有效降雨量分别以1.00和1.31 mm/10a的平均速度增加,赣北有效降雨量及其上升趋势均大于赣南;早稻和晚稻生育期多年平均需水量分别为335.77和381.20 mm,早稻和晚稻需水量最大值均出现在赣州、吉安站附近区域,最小值均出现在庐山、修水站附近区域,早稻需水量和晚稻需水量变化趋势分别为-3.09和-7.95 mm/10a;早稻和晚稻需水量与有效降雨量耦合度多年平均值分别为0.57和0.33,早稻和晚稻耦合度均以0.01/10a呈不显著增加趋势。早稻和晚稻耦合度最大值均出现在庐山站,早稻和晚稻耦合度较小值均在赣州、吉安、南昌和波阳站,总体上,早、晚稻耦合度及耦合度倾向率均为赣北大于赣南,赣南地区水稻缺水情况比赣北更严重,尤其要关注赣南地区晚稻缺水情况,并做好水资源规划及制定灌溉措施。

基于D-S证据理论改进AHP-熵权的流域洪涝灾害评估研究

考虑致灾因子危险性、孕灾环境敏感性以及承灾体易损性,选取指标构建小清河流域洪涝灾害风险评估指标体系,提出一种基于D-S证据理论的改进AHP-熵权法计算指标权重,求取洪涝灾害风险指数,运用自然断点分级法确定洪涝灾害风险等级,分析小清河流域洪涝灾害风险空间分布情况。结果表明:小清河流域洪涝灾害风险总体上表现出南低北高的趋势,其中高风险区和较高风险区分别占流域面积的8.7%和14.3%,主要分布在小清河干流以及主要支流两岸。所得评估结果同“利奇马”台风发生期间实际洪灾风险分布情况一致,对比证明基于D-S证据理论的改进AHP-熵权法优于AHP和熵权法,可为小清河流域防洪减灾决策提供依据。

渗漏入口大小及形状对拟流场法渗漏探测的影响研究

为深入研究渗漏入口大小及形状对拟流场法渗漏探测的影响规律,通过构建堤坝渗漏数值模型,模拟了拟流场法在实际工程中的探测情况。研究了水库拟流场的基本分布特征,揭示了不同大小及形状的渗漏入口附近的电流密度分布规律,并提出了不同大小及形状的渗漏入口在平行于坝轴线和平行于坝面垂直于坝轴线两个方向上拟流场影响范围及电流密度峰值的经验公式。结果表明:线状渗漏入口的电流密度比相同面积圆形渗漏入口的电流密度小,且线状渗漏入口短边影响范围比相同长度的圆形渗漏入口大,长边影响范围比相同长度的圆形渗漏入口小。研究揭示了渗漏入口大小及形状对测线上电流密度分布的影响规律,可为实际工程探测中利用测线上的电流密度分布情况判断渗漏入口大小与形状提供依据。