南水北调中线京石段闸门间歇关闭水力响应特性

为减小闸门关闭引发的水位壅高,以南水北调中线工程京石段磁河闸至沙河北闸之间的渠池为研究对象,构建一维明渠非恒定渐变流仿真模型,比较分次间歇关闸与一次连续关闸,以及不同闸门间歇方案对闸前壅水峰值、水力振荡稳定时间的影响。研究表明:分次间歇关闸可带来更低的闸前壅水水位和更短的水力振荡稳定时间;设置1次间歇相较于多次间歇可减小闸前壅水峰值,将间歇开始时刻设置在上游降水波即将传播至闸前的时刻、设置间歇时长略小于关闸总时间的1/2均可有效降低闸前壅水峰值,缩短稳定时间。闸门分次间歇关闭水力响应特性与水波运动规律紧密关联,合理设置间歇有助于在应急调控阶段减少事故造成的影响。

供水调蓄水库浮游植物功能群特征及其影响因素

本文调查分析了清林径水库水质及浮游植物功能群特征,并应用冗余分析方法探讨影响浮游植物优势功能群的主要环境因素。结果表明,目前清林径水库处于贫营养至中营养状态,主要超标污染物为总氮,且以有机氮污染为主。本次调查共鉴定浮游植物110种,可划分为25个功能群,包含A、J、Y、W2、Lo、MP、S17个优势功能群。其中功能群A占据绝对优势,表征清洁、深水、贫营养的生境特征,与水环境调查结果相一致。冗余分析结果表明,清林径水库浮游植物优势功能群的分布明显受水环境因子影响,其中溶解氧、铁、化学需氧量、硝酸盐氮、氨氮和透深比是影响优势功能群丰度的主要因素,水库存在水体富营养化和水华风险。针对外来水水质相对较差的供水调蓄水库,从工程措施和管理手段两方面提出水环境保障措施建议,可为供水调蓄水库水质保障和管理提供借鉴。

基于外调水入渠的冰期渠道水力热力协同调控方法

为破解高纬度地区长距离渠道冬季冰盖下输水能力不足的问题,以一个梯形断面尺寸一定的渠道模型为例,利用数值模拟方法,分析气温、入渠水温、输水流量等热力和水力因子对冬季渠道水温沿程衰减的影响规律,并采用多元拟合的方法提出适合该断面尺寸渠道的不冻长度公式。分析两种离线水库补水模式对渠道水体的温控效果及补水流量、气温、补水水温对补水间距的影响,并将不冻长度公式用于补水间距的计算。研究表明:在接近冰点的渠道断面,通过外调水入渠,能够延长渠道不冻长度,可在一定输水距离范围内避免渠道结冰,从而解决长距离输水渠道冰期输水能力不足的问题。研究成果对长距离输水渠道冰害防治和冰期输水能力提升具有一定参考价值。

考虑河流生态需水约束的调水规模研究

为减少以调水和蓄水工程为主体的区域水网建设对生态环境的影响,以大通河为研究对象,筛选9种水文学方法计算青石嘴、天堂、享堂3个关键控制断面12种不同的生态流量过程,基于过去60年径流时空分布以及水-能源-生态(water-energy-ecosystem,WEE)纽带模型,开展生态调度计算分析。结果显示:大通河干流河道内生态流量过程沿程增加,青石嘴、天堂、享堂3个断面年生态需水总量分别为1.62亿~14.54亿m^(3)、2.46亿~22.04亿m^(3)和2.88亿~25.46亿m^(3),且均以Q90_Q50方法为最大,Tennant(10%)方法为最小;在不同生态需水约束下,引大济湟工程调水规模介于2.25亿~8.81亿m^(3),占流域多年平均径流量的7.8%~30.5%;生态需水保障率整体表现为非汛期高于汛期,上游高于下游。兼顾生态环境保护与经济社会发展双重目标,为合理确定调水规模提供技术支撑。

南水北调中线干渠闸门同步关闭水力响应特性

构建南水北调中线干渠局部一维非恒定渐变流模型,以“刁河闸—湍河闸”渠池为例,测试闸门调控方式和渠道运行条件对闸前壅水峰值水位、达到峰值水位所用时间、水力振荡频率、水力振荡幅度等水力响应特性的影响。研究表明:水力振荡上升过程快,下降过程慢,波幅随时间呈对数函数衰减;闸前壅水峰值水位随闸门关闭速度、闸门关闭幅度、输水流量、运行水位、渠道糙率的减小而近似线性地减小;达到峰值水位所用时间对输水流量、运行水位和糙率变化不敏感,随闸门关闭幅度和输水流量的增加而近似线性减小;水力振荡频率对闸门关闭所用时间、闸门关闭幅度、输水流量和糙率变化不敏感;水力振荡幅度对运行水位、糙率变化不敏感,随输水流量的增大而快速衰减。

基于IPSO-BP神经网络的高含沙水体对鱼类影响预测方法

水库进行水力排沙时,高含沙水流过程可能会对鱼类等水生动物产生负面影响,其量化评估方法研究较为薄弱。为了预测和评估水库排沙过程对下游鱼类的影响,本文利用黄河花斑裸鲤和鲤鱼在高含沙水体中生存特性研究的实验数据,综合考虑含沙量和粒径、溶解氧、暴露时间、水温等因子对鱼类生存的影响,建立了基于IPSO-BP神经网络的高含沙水体对鱼类致死影响预测方法,对目标鱼类死亡率的预测误差小于6%。本文使用了与BP神经网络紧密耦合并引入动态参数和变异扰动的IPSO算法,较BP和PSO-BP神经网络预测能力更佳,相比国内外已有的Stress Index(SI)、Severity of Ill Effect(SEV)和多元拟合方法预测精度得到显著提升。分析表明,本文提出的预测方法能够考虑高含沙水体中鱼类生存受多环境因子联合制约,且多因子之间存在复杂关联的情况,可为评估高含沙水流过程对水生态的影响提供新的方法。

调水调蓄水库水质三维模拟预测及保护对策

对于大规模外调水成为主水源的调蓄水库,蓄水后水深会显著增加,水动力与水质状况将发生显著改变,有必要在蓄水前通过三维模拟研究其水质时空演变趋势、潜在问题及应对策略。以深圳市清林径水库为例,通过MIKE3软件实施三维水动力与水质模拟,预测了东江调水入库蓄水过程中水质时空分布特征,及蓄满后水温分布特征。根据模拟结果,水位上升后出现稳定的季节性水温分层;受外调水和本地降雨径流影响,汛期部分时段进水口所在库湾及水库支流末端氮磷浓度相对较高;水库可能面临局部水华风险、裸露坡面污染、季节性水温分层、底层水质恶化等问题。本文有针对性地提出了外调水前置处理、面源与内源污染治理、分层取水、调水与供水时机调度优化等水质保障对策,可为大型引水调蓄水库水质预测与适应性管理提供借鉴。

大型明渠调水工程输水建筑物水头损失测算

近年来南水北调中线总干渠部分输水建筑物出现水位偏高和流态异常现象,存在输水能力下降风险,亟需评估水头损失状况,但存在建筑物内部无监测站点、工程运行尚未达到设计规模、监测数据缺乏校验等问题。采集了总干渠2022年大流量输水期间的水位、流量监测数据,开展第三方水力学原型观测,复核与校正了监测数据。提出一种使用综合水头损失系数的水头损失推算方法,对总干渠158座输水建筑物中具备分析条件的143座,推算了加大流量下的水头损失。结果表明,总干渠输水建筑物分配水头总体有剩余,分布存在明显差异。全线总计剩余水头3.05 m,其中穿黄以南段、穿黄至漳河段和漳河以北段各自剩余0.48、1.06、1.51 m,分别占分配水头的4%、13%、12%。全线有40座输水建筑物的水头损失超过分配值,其中倒虹吸31座、渡槽4座、暗渠4座、隧洞1座。

2012-2021年广东省供用水变化趋势及地下水压采成效分析

利用广东省2012-2021年间的供用水统计数据,分析供用水量和布局变化趋势。十年间全省供水总量年均下降1.1%,供水工程布局日趋完善,用水结构呈现生产用水减少、生活用水增加、生态用水稳中有升的新趋势,全省八成以上的工业、服务业和人工生态用水集中在珠三角地区,水资源利用效率和效益不断提升。同时,供水水源结构持续优化,常规水源供水量减少约10%,海水、再生水等非常规水源利用量不断增长。地下水利用量由2012年的17.0亿m^(3)下降到2021年的8.6亿m^(3),压减50%。湛江市超采区地下水水位有所回升,超采范围大幅减小。针对水源结构单一、应急供水能力不足、工业和生活用水保障需求提高等问题,提出了加强重点抗旱水源建设、地下水战略储备、灌区现代化改造、完善取用水监管及节水激励政策等建议。

一种基于表面粗糙度分级抽样测量的隧洞糙率估算方法

糙率是反映和影响工程输水能力的重要参数,可通过观测沿程水头损失的方法测算糙率值。但对于新建未通水工程,估算糙率值是一个难题。鉴于输水建筑物表面粗糙度是影响糙率值的最主要因素,提出一种基于分级抽样的表面粗糙度测量方法,并以某新建模筑钢筋混凝土衬砌隧洞为例,分析了该方法下表面粗糙度统计分布规律及使用该方法估算隧洞粗糙度的最小样本容量,在此基础上估算了某隧洞工程的糙率值范围,结果对预估新建工程的输水能力、检验衬砌施工质量具有一定的借鉴意义。

南水北调中线工程冰期输水特性研究

应用水力学、冰水力学和传热学等理论,通过建立渠道的气、水、冰的热传导方程,水温控制方程,水流运动、浮冰输移及冰盖发展方程,构建了南水北调中线干渠的一维冰期输水模型。该模型不仅考虑了渠道拦冰索对流冰的控制条件,以及穿黄隧洞等地下结构的地温影响,还通过加入闸门控制算法,模拟了渠道中闸门对水位和流量的调控作用,使得数值模拟结果更能符合工程的实际情况。利用此建立的模型,对该工程黄河以北干渠的冰期输水过程进行了模拟,分析了渠道的冰情特性,研究了冰期渠道的水力响应特性,并提出了渠道冰害防治和运行控制等方面的建议。

长距离输水渠道冰期运行控制研究

高纬度地区的渠道在冬季往往采用冰盖下输水,保证冰盖的稳定性是渠道冬季安全输水的前提条件。目前,渠道在冬季的运行控制多依靠经验,开展长距离渠道冰期运行控制研究对实现冰期安全输水是十分重要的。利用数值模拟的方法分析了长距离输水渠道的冰情和水情的变化过程,根据渠道内的冰情演变特性,提出冬季渠道应采用闸前常水位方式运行。鉴于气象预报以及冰情预报可能存在的不确定性,提出采用水位-流量串级的反馈控制算法,建立了渠道冰期运行控制模型,并在控制器内加入解耦环节,以提高渠道的控制效果。并通过南水北调中线干渠的数值模拟实验,对渠道冰期运行控制模型的控制效果进行了验证。结果表明,该冰期运行控制模型可以实现渠道冬季安全、适时、适量的供水目标。

复杂输水系统水力过渡的数值方法比较及适用性分析

不同数值方法在求解不同复杂输水系统水力过渡问题时,会体现出各自的特点及不同程度的适用性.因此,针对不同的输水方式和水力过渡类型来选择合适的数值方法,既可以保证计算精度,又可以提高计算速度.针对输水系统的无压流、有压流、无压接有压、明满流交替等不同过渡过程,对特征线法和隐式差分法进行了对比,分析了这2种方法的特点,研究和确定了2种方法在不同输水方式和水流状态下的适用性.

弧形闸门流量计算方法的比较与分析

目前,弧形闸门的水力计算方法主要基于能量方程或量纲分析,无论哪种方法,其中都包含有与模型试验或原型数据有关的经验公式或常数系数,因此所得公式通常仅适用于某范围内,在实际应用时,有时会带来较大的误差,给弧形闸门的水力计算、闸门校准等工程应用带来诸多不便。通过弧形闸门的实验室水槽数据和现场观测数据,将传统的基于能量方程的方法和量纲分析的表征方法进行了比较,在分析了不同方法的特点的同时,指出不同方法的应用条件,为闸门水力计算和校准等计算方法的选择提供了依据。

南水北调中线干渠冰期输水能力研究

冰盖的形成使得渠道的湿周增加,水力半径减小,输水阻力加大,致使渠道过流能力减小,影响渠道的冬季输水。渠道冰期的输水能力无论对工程设计,还是运行管理都是十分重要的。文章分析了结冰期冰盖的安全推进模式和稳定封冻期渠道水位壅高的影响,提出了确定渠道在结冰期和稳定封冻期的输水能力的控制指标,在此基础上,对南水北调中线黄河以北渠段结冰期以及完全封冻后的输水能力进行了研究,确定了南水北调中线黄河以北干渠的冬季输水能力,研究成果对于南水北调中线干渠的冬季管理和运行具有一定的参考价值。

基于水力控制的分段低压输水系统优化研究

分段低压输水系统是一种结构相对简单,采用分段降低水头的新型自流有压引水结构,而保水堰则是分段低压输水系统的关键建筑物。通过建立保水堰关闸检修的数值仿真模型,对保水堰的堰流、井流等复杂流态进行了模拟,仿真结果表明在检修闸门和下游管涵之间设置调压柜或明渠段等减振结构可以减小检修过程中的剧烈水位波动,并对调压柜和明渠段的减振效果作了比较。研究还发现若减振结构的面积设置不当,会引起下游输水单元的水力共振。在水力控制和分析的基础上,提出了保水堰及减振结构的整体优化设计原则,为工程设计提供了技术依据,有较大的推广应用价值。

分水口运用对渠道水力特性的影响研究

正确分析与研究渠系在非恒定流工况下的水流特性,对于渠道的设计、运行方案制定以及控制方式选择都具有重要意义。现以南水北调中线总干渠为研究对象,通过构建一维的非恒定流仿真模型,对表征分水口流量变化的特征参数进行敏感性分析,研究其对渠道水力响应的影响程度以及规律,研究表明,分水流量增加(减小)幅度与渠道的水位降落(升高)速率呈线性正比关系,分水流量的变化幅度是影响渠道水位变化速率的敏感因素;最后对相邻分水口取水流量配合变化的模式进行研究,指出在可能的情况下,相邻分水口的流量分配可以按照相互补充的方式进行调节。

冰期宽浅式渠道无冰盖输水技术及冰水二相流水力调控影响因素研究综述

鉴于在我国北方地区有一类渠道工程多为宽浅式渠道,工程结构未考虑冰盖荷载影响,无法采用冰盖下输水,而合理利用现有渠道,实现其冬季无冰盖输水,是解决这些地区冬季缺水的关键,总结了渠道工程冬季无冰盖输水技术及其特点,并针对其中的冰水二相流输水模式,分析了冰水二相流水力调控的影响因素,对宣传和推广渠道工程冬季无冰盖输水技术能起到一定的积极作用,对开展冰水二相流水力调控技术研究具有参考价值。

并联输水箱涵检修操作过程中的水力仿真及瞬变控制

长距离输水箱涵在检修操作过程中常会出现剧烈的水力皮动,检修井后接的箱涵往往出现局部脱空的情况。本文通过建立长距离并联输水箱涵单孔检修的非恒定流数学模型,对检修操作过程中的水力过渡过程进行了模拟。在对检修操作时通过检修闸的流量过程线进行分析的基础上,对检修闸分两段关闭的操作方式进行了优化。并针对工程的实际条件,提出通过在检修井后设置补水孔,利用非检修箱涵向检修箱涵补水,对并联输水箱涵单孔检修所引发的瞬变流进行控制,最后在水力仿真的基础上对补水孔的面积进行了优化。

冰水二相流渠道流冰输移演变规律及其安全运行措施研究

针对我国新疆、青海地区为数众多且无法采用冰盖下输水的宽浅式渠道工程,开展冰水二相流输运机理及运行调控技术研究,对于解决这些地区冬季用水矛盾、节省工程改造投资具有重要意义。以新疆北部地区某电站引水渠为例,通过构建一维渠道冰水力学数学模型,研究渠道流冰输移和发展规律,分析气温、出库水温、输水流量等关键因素对渠道冰情的影响,并提出冰水二相流渠道的安全运行措施,对实现冰水二相流安全水力调控、解决我国西北地区冬季缺水问题具有一定参考价值。