城市不同下垫面降雨径流水质监测及特征研究

城市面源污染是仅次于农业面源污染的第二大非点源污染,也是影响城市水生态系统健康的重要原因。随着城市化的快速发展,下垫面改变导致城市河流洪峰增大,河流污染加剧。基于沥青屋面、砖砌路面、油毡屋面和绿地四种典型城市下垫面的5场降雨径流监测试验资料,分析了不同下垫面条件下的降雨径流污染水平、径流水质变化特征和初始冲刷效应。结果表明:(1)4种下垫面的降雨径流总氮质量浓度均属于劣Ⅴ类水;四种下垫面的总磷污染程度相对较轻,沥青屋面、砖砌路面、油毡屋面和绿地的降雨径流总磷质量浓度优于Ⅳ类水的频率分别为80%、16%、88.46%和5.56%;沥青屋面、砖砌路面、油毡屋面和绿地的降雨径流总悬浮物质量浓度分布范围分别是7~798、15~569、10~871和44~378 mg/L。(2)总氮和总磷的径流污染水平排序为:砖砌路面>绿地>沥青屋面>油毡屋面;总悬浮物的径流污染水平排序为:绿地>砖砌路面>油毡屋面>沥青屋面。(3)中雨情景下各下垫面不同污染指标变化趋势差异较大,而小雨情景下受人为活动影响较大的下垫面的各污染指标浓度较高。(4)各下垫面污染物的初始冲刷强度排序均为:总悬浮物>总磷>总氮;各下垫面的初始冲刷强度排序为:沥青屋面>油毡屋面>砖砌路面>绿地。(5)沥青屋面和油毡屋面降雨径流中的总悬浮物和总磷具有较好的同源性,而砖砌路面降雨径流中的总磷与总氮和总悬浮物都具有较好的同源性。综合而言,各下垫面总氮和总悬浮物的场次降雨径流平均浓度远超于地表水Ⅴ类水质标准,会对城市水体造成污染,可根据不同下垫面的特点采取相应措施来降低污染物浓度。

水库群蓄水调度多目标随机规划与聚类分析

梯级水库群汛后蓄水期蓄水时机、速率、次序决策面临径流不确定、多目标竞合关系复杂等问题。针对蓄水期决策难题,构建发电、蓄满、生态、上、下游防洪安全等指标的水库群多目标随机规划模型,生成非劣解集;采用K均值聚类法提取非劣解集类别特征,分析目标矛盾关系及蓄水机制。以溪洛渡-葛洲坝梯级水库群为例,结果表明:蓄水期来水越枯,蓄水难度越大,综合效益越低,枯水年发电量较丰水年下降了21.6%;上游防洪安全与发电量矛盾性最强,由枯到丰相关系数降低了0.047;溪洛渡、三峡蓄水呈分段式变化,前期快速蓄水,中后期缓速蓄水。本研究提出的耦合水库群多目标随机规划与聚类分析方法对于科学制定水库群蓄水方案具有参考价值。

竖缝式鱼道90°~180°转弯段水力特性及优化研究

受鱼道进出口位置、工程地质、枢纽布置等因素限制,鱼道工程需要布置不同角度的转弯段池室,以适应复杂多变工程环境。采用数值模拟的方法,研究了同侧竖缝式鱼道不同转角α(90°≤α≤180°)的转弯段池室流场分布规律,并对不同转角池室提出了系统的优化措施。结果表明,当转弯角度α大于90°时,均出现主流冲击外侧边壁,池室中部伴有大尺度回流区的现象,并随着转弯段角度α增大,主流冲击程度加剧,回流区尺度也进一步扩大。针对上述流场问题,采用加设整流导板的措施进行优化,提出转弯角度α介于90°~140°之间时,整流较好的导板位置α_(0)/α值由1/4.0增加至1/2.8,当α介于140°~180°之间时,α_(0)/α值基本稳定于1/2.8~1/3.0之间,即随着转弯角度α的逐渐增加,较优的α_(0)/α值呈现先增加后趋于稳定的变化趋势,可为转弯段结构相似布置鱼道优化设计提供参考。

淮北平原冻融期和非冻融期及年时段裸地潜水蒸发模拟研究

为进一步揭示淮北平原砂姜黑土和黄潮土裸地冻融期、非冻融期日潜水蒸发变化规律及其与年时段计算结果的差异性,根据五道沟实验站2006~2022年62套原状土(0~5m)蒸渗仪观测资料,采用非线性最小二乘法,分别提出了两种土质3个时段日潜水蒸发量计算修正公式,并得到潜水蒸发极限埋深阈值hm和参数n的取值。结果表明:①两种土质经过修正后的阿维里扬诺夫计算公式计算日潜水蒸发量,较直接用水面蒸发(E601)计算精度提高0.9%~10.2%,其中砂姜黑土计算精度提高0.9%~10.2%。黄潮土计算精度提高3.6%~5.0%;②将潜水蒸发量的计算分成冻融期和非冻融期两个时段来考虑,比直接采用单一年时段潜水蒸发量计算公式,模拟精度有所提高,且两种土质计算精度表现出差异性,砂姜黑土冻融期提升6.6%,非冻融期提升2.8%;黄潮土冻融期提升1.3%,非冻融期提升2.6%;③砂姜黑土和黄潮土冻融期阈值hm分别为0.96、1.18,参数n分别为2.082、2.830;非冻融期阈值hm分别为1.39、1.69,参数n分别为2.236、0.719。采用年时段计算的阈值hm分别为1.23、1.66,参数n分别为2.758、0.740,实际应用时分别取冻融期及非冻融期的值较为合理。

赣江尾闾南支枢纽通航水流条件数值模拟研究

拦河枢纽的施工和运营将显著改变河道的水流条件,对通航产生潜在的影响,因此有必要对枢纽工程不同时期的通航水流条件进行研究和评价。以赣江南支枢纽工程河段为研究对象,建立南支河段二维水动力数值模型,模拟施工期和运营期的河道水动力过程,分析枢纽工程对航道通航水流条件的影响。结果表明:各时期航道内流态相对平顺,不会对通航产生不利影响,在大部分流量工况下水流条件均满足通航要求;仅在施工一期10 a一遇工况下,临时航道有部分区域流速超过赣江航道通航流速控制指标(2.00 m/s),长度约为2 000 m,流速最大值为2.54 m/s;在施工二期、运营期,河段航道内水流条件均满足通航要求。研究结果可为赣江南支枢纽通航安全和运行调度提供参考。

基于等可靠度法的变化环境下工程水文设计值估计方法

气候变化及人类活动影响的加剧,改变了水文极值系列产生的平稳性条件,给现行水文频率分析计算方法带来挑战,亟需发展非平稳性条件下的水文频率分析理论与方法。讨论了等可靠度法的基本思想,拓宽了该方法在变化环境下工程水文设计方面的应用,以解决变化环境下工程水文设计值中的两类问题:(1)对于待建工程,依据非平稳性的水文极值系列,如何推求给定标准的设计值;(2)对于已建工程,如何协调/调整已建工程的洪水设计值,以适应变化环境对其产生的影响。以黄龙滩1956—2014年共59年的15日洪量系列为对象,对等可靠度法进行应用示例研究,并分析了参数估计不确定性对水文设计值的影响。结果表明,在非一致性条件下,给定设计标准下的水文设计值随着工程设计使用年限的变化而变化,且设计值估计的不确定性随着工程设计使用年限的增加而增大。

混合分布在非一致性水文频率分析中的应用

传统水文频率分析方法的前提条件是水文极值系列需满足一致性要求,然而由于气候变化和人类活动的影响,使得水文资料的非一致性问题越来越突出,导致现行水文频率分析方法的应用受到挑战。根据重建的淮河流域1470年-1999年共530年夏季面平均降雨量长系列数据,进行分析,通过假设检验表明系列在1534年、1724年和1923年发生跳跃性变异,因而将系列划分为4个子平稳系列;采用现行频率分析方法估计每个子系列的概率分布函数,再根据混合分布概念由各子系列的概率分布构建一个综合的概率分布函数,作为非一致性降雨系列总体分布的估计。在此基础上,计算了给定设计标准下的设计值,并与基于大样本(530年)计算的经验设计值进行了对比,结果表明混合分布模型对观测系列具有较好的拟合效果。

基于精细化水资源配置模型的坪山河流域生态补水研究

本文基于精细化水资源配置模型(GWAS),通过对河流的生态需水断面作为生态单元在模型中进行概化,将生态控制目标纳入水资源调配系统,使多种水源与社会经济单元、生态单元之间建立联系,设定相应的约束条件,实现多目标的长系列模拟过程,达到面向河道断面生态流量保障的分布式调配的目的。以深圳市坪山河流域为例开展河流生态调度研究,划定了生态环境需水单元及经济社会单元,统筹考虑流域内水库、污水处理厂、再生水厂等多种供水节点,基于GWAS模型开展各断面生态需水计算,识别了现状条件下各断面生态流量保障程度,确定了水库、再生水联合补水方案,最终显著提高了各个断面生态流量保障程度。GWAS实现了对传统水资源配置模型进行功能扩充,在流域层面实现用水与河道生态流量统筹协调计算的生态调度,一方面发挥水资源配置模型的精细化和分布式特点,另一方面统筹协调经济社会与生态的用水需求,进行多水源调配以满足不同用水对象的需求,对开展流域综合治理,制定流域生态补水方案具有重要意义。

水汽风速放大计算可能最大暴雨方法

我国可能最大暴雨(PMP)计算中,通常采用两种放大方法,即水汽效率放大和水汽风速放大,但一般认为水汽风速放大成果不稳定,结果往往偏大,所以通常只作参考,最后基本上都选取水汽效率的放大结果作为最终的设计成果。借鉴港口工程设计中"风玫瑰图"概念,对传统水汽风速放大方法进行改进,即先根据研究区域常风向对实测风速资料进行风向分组,对每组风向的典型暴雨进行放大,再从中选取最大值作为水汽风速的放大成果,为PMP计算提供了一种新的思路。以湖北省咸宁核电厂为例进行了应用研究,并与水汽效率放大方法和传统水汽风速放大方法结果进行了比较,提供了更为合理的分析成果。

龙岗河坪山河水质时空状况分析

城市水环境的水质状况及时间变化过程是水环境治理前及治理后效果评估中均需关注的问题。通过对深圳市龙岗河、坪山河流域水质分析,阐明主要污染物的时空分布特征,为重点区域的水环境治理提供建议,并为该区域内工程整治后的效果评估提供了标准。

坪山河水质模拟研究

城市管网的存在改变了流域汇流过程,同时也改变了污染物的迁移转化过程。在模拟流域断面水质时,需考虑城市管网及污水厂的影响,不能简单使用天然流域水质模型进行模拟。本研究构建了考虑城市管网的河流水质模拟模型,按天然水系和城市管网两个系统模拟了污染物的迁移转化过程,以及两个系统之间的水量污染交换。以深圳坪山河流域为例进行了应用研究,模拟分析了上洋交接断面COD、NH3-N和总磷的月变化过程以及干支流、管网、污水处理厂等环节的污染物迁移转化量。结果表明,本研究构建的水质模型基本能够反映坪山河水质变化过程,而且能够给出流域河网和管网不同环节的污染迁移转化量,对评估流域水质情况提供参考。

我国用水演变趋势及驱动效应分析

资源与社会发展密切相关,从经济社会发展因素中分析用水变化的驱动力对水资源利用进行科学规划十分必要。对近年我国的用水量和用水结构进行分析,归纳了其演变趋势;运用因素分解法对引起用水量变化的驱动效应进行分析,识别不同驱动因子的贡献率。结果显示,2003年以来,在不同阶段各驱动效应的作用效果不同,其综合组合对用水变化具有不同效应,三大驱动效应的贡献率排序由经济效应、技术效应、人口效应逐步转为技术效应、经济效应、人口效应。技术发展已成为用水量变化驱动的绝对主导因素。

基于二元水循环模式的河道实际径流计算——以岷江金马河段为例

河道径流过程分析对于工程建设十分重要,现有水文模型主要以流域为研究对象,研究空间尺度通常较大,难以在小空间尺度内对河道径流量进行分析。本文基于二元水循环模式,从自然和社会两个方面系统性分析了对河道径流量的影响因素,建立二元水循环模式的河道实际径流计算方法。自然端综合考虑了上游入流、区间产汇流、河道分流及与地下水的交换量,社会端综合考虑了人工引水量、退水量及分水量,其中对农业退水量进一步细分至用水期退水和非用水期退水。以金马河温江段为研究案例,根据河道与规划闸坝、渠系的位置关系选择9个断面对径流量进行分析。根据计算结果,区间汇流占总径流量的12.5%,是金马河径流量的重要组成部分。金马河径流量年内分布具有明显的不均匀性,4—10月的径流量占总径流量的89.6%,主要以洪水的形式下泄,需要考虑修建梯级闸坝提升河道调蓄能力。岷江水厂取水口断面枯水年农业退水量对径流量的贡献率达到14.89%,表明枯水年社会端径流量对准确计算河道径流量具有重要影响,在水利工程建设相关的规范标准中需要加强对社会经济用水的可靠性、一致性及代表性等相关分析。本文提出的计算方法可以实现对小尺度河道径流量的计算,具有一定的理论意义与实际意义。

治水提质“坪山模式”分析

在分析坪山河流域概况与面临水问题基础上,从宏观、中观、微观尺度提出面向“三全”层次化的“坪山模式”。其中,在宏观层面,为全链条方案制定;在中观层面,为全要素集成优化;在微观层面,为全方位过程控制。创新提出了“坪山模式”水环境治理特征,具体为“精准治污、分散调蓄、分布处理、就地回用”,并评估了其实施效果,为坪山河干流综合整治及水质提升工程的实施提供了理论指导,对其他流域综合治理实践有参考价值。

长距离输水系统串联多阻抗调压室的水锤防护效果

结合某长距离、大流量输水工程,系统分析了单阻抗调压室和串联多阻抗调压室两种布置情况下阻抗孔径对水锤防护效果和最低涌浪的影响。结果表明:单阻抗调压室防护方案下,通过改变调压室阻抗孔径可降低水锤压力,提升调压室最低涌浪,有效减小调压室占地面积;相比于单阻抗调压室防护方案,串联多阻抗调压室的防护效果更佳,可提高管线最小压力和最低涌浪,显著减小调压室总面积,且主、辅调压室均存在最优阻抗孔径。

面向地下水压采的水源置换关系研究

针对华北地区地下水超采严重问题,国家提出节水和多渠道增加水源补给的综合治理措施。考虑到区域地下水压采目标的空间不均衡性,以及“节水、增供”等措施的可达性,面向地下水压采目标,引入节水贡献率和替代水源贡献率概念。提出基于方案对比的贡献率评价方法,通过配置模型定量解析区域内不同方案下水量分配情况,评价节水、增供与地下水压采量之间的水源置换关系(即贡献率),为水量分配、水源置换等水资源管理工作提供参考。以南水北调中线工程重要受水区郑州市为例,分析了2030规划水平年不同节水情景下的节水、增供与地下水压采量的水源置换关系,进一步剖析了地表水、外调水、非常规水等“增供”措施对地下水压采的贡献率,并结合区域水资源禀赋、工程规划、产业发展方向分析了结果的合理性。研究结果表明:(1)在全市层面,外调水贡献率高于节水、地表水和非常规水等置换方式,说明郑州市实现地下水压采目标主要依靠外调水支撑;(2)各县市的对比表明不同区域不同措施的贡献率存在明显差异,中牟、荥阳节水贡献率较高,与其农业节水潜力较大密切相关,采取适宜节水措施能够对这两个县市的地下水压采工作起到促进作用;航空港区节水贡献率较低,主要原因在于现状年航空港区农业占比较大,未来产业布局调整后以发展空港物流为主,农业用水被其他用户用水替代,因而存量节水潜力有限;巩义市和登封市地表水贡献率较高,说明地表水开发利用尚存潜力,对地下水压采工作具有较好的促进作用;中心城区、航空港区、中牟县非常规水可供给的用户和需求相对较大,增长空间较大,因而其贡献率相对较高。

水文倒推法在区间流域枯季径流模拟中的应用

为探究基于水量平衡的水文倒推法应用于区间流域径流预报的适用性问题,基于水文倒推法建立了枯季区间径流模拟方程,研究了金沙江中游金江街—攀枝花区间流域2004-2008年的枯季径流情况。结果表明,径流过程模拟效果较好,模拟峰值精度符合要求,与传统区间流域枯季径流预报方法相比,该方法计算简单,预报精度较高。

基于B/S和开源框架技术的临安市水文水资源信息系统开发

从设计原则、总体架构设计、系统功能设计几方面对临安市水文水资源信息系统开发进行了思考,提出了基于B/S架构,运用Quartz、Ehcache和WebSocket开源框架技术,解决海量水文水资源数据检索查询效率、高并发用户访问的系统响应速度和预警信息实时传递等关键问题。结果表明,开发的临安市水文水资源信息系统能提供包括水雨情、工情及水资源信息查询、预警预报发布、公文报表自动生成、站点维护等分析处理工具,实现了水文日常业务的智能化,为决策部门与社会公众提供实时水文水资源信息服务。

基于变分贝叶斯深度学习的水文概率预报方法

目前水文领域关于深度学习的研究多集中于提高预测能力方面,与具有物理机制的水文模型相比,深度学习复杂的内部结构导致其不具备可解释性,预测结果难以被信任,因此发展可信赖的深度学习对于推进水科学发展具有重要意义。基于预报残差分析框架,构建具有物理机制的水文模型与深度学习融合的混合模型,以充分利用两者优势;引入变分贝叶斯理论,提出变分贝叶斯与深度学习耦合的概率预报模型VB-LSTM,以定量评估水文预报结果的不确定性、提高结果可靠度。以黄河源区1961—2015年的径流过程为研究对象,对VB-LSTM模型进行应用示例研究。结果表明:与长短时记忆网络(LSTM)相比,VB-LSTM模型在验证期预报精度更高,结果更稳定;与传统基于“线性-正态”假设的水文概率预报方法相比,VB-LSTM模型具有更高的预报精度,且不确定性更小、预报结果更可靠。

基于BIM技术及虚幻引擎的水下振动台关键技术交互可视化研究

针对模拟地震水下振动台关键技术所涉及的结构构成复杂、隐蔽性强、工作原理抽象等问题,利用BIM技术创建了水下振动台三维数字化模型,并对水下振动台防水、应急排水等关键技术问题的解决方案及工作原理进行了三维可视化研究,制作了易于理解和展示的三维可视化成果。结合虚幻引擎,开发了水下振动台关键技术交互可视化展示系统,实现在PC端和移动端的交互展示与沉浸式漫游。通过研究,建立了多技术、多软件、多专业协同配合的大型仪器设备交互可视化展示技术,能够很好地进行大型仪器设备工作原理的可视化展示与交互体验,促进大型仪器设备为教学、科研及社会提供全方面服务,为建立可视化的智慧实验室提供了有效的解决方案。