大型复杂跨流域调水工程电站水库泵站群多目标优化调度

考虑调水量、发电最大和耗能最小3个目标,建立电站水库泵站群多目标优化调度模型。基于参数调整策略、邻域变异和加速策略,提出了求解多目标优化调度模型的综合改进布谷鸟新算法并求解模型,获得了发电、调水、泵站耗能多目标Pareto解集。以引汉济渭大型复杂跨流域调水工程为实例,将该模型与模拟调度模型和NSGA-Ⅱ算法多目标优化调度模型的结果进行比较,结果表明,该优化调度模型的发电、调水、耗能、弃水等各项指标合理,具有相对优势。

禹门口调水工程水源区与受水区径流丰枯遭遇风险分析研究

应用Copula方法构建了禹门口调水工程黄河水源区与汾河受水区之间的二维径流联合分布模型,并对二者之间的丰枯遭遇频率进行了计算,在此基础上构建了贝叶斯网络丰枯遭遇风险管理模型,对禹门口调水工程未来运行中可能发生的丰枯遭遇及其风险进行了仿真研究。分析认为黄河水源区与汾河受水区同时出现枯水年为调水不利情况,其它丰枯组合为调水有利情况。经计算禹门口调水工程调水不利的概率为24.42%,调水有利的概率为75.58%;联合Copula函数和贝叶斯网络理论建立的禹门口调水工程水源区与受水区径流丰枯遭遇风险分析模型,可对不同情景下的丰枯遭遇和调水风险进行仿真研究,能够更真实地反映年径流量丰枯遭遇的演变规律。

引汉济渭工程运行调度综合服务平台的应用实践

针对引汉济渭工程运行调度的实际需求和特点,基于云计算技术,采用面向服务的体系结构(SOA)和JAVA EE平台技术架构,研发了基于云服务架构的引汉济渭工程运行调度综合服务平台,建立了基于平台、组件、知识图及可视化工具灵活搭建的引汉济渭工程运行调度业务应用系统构建模式,形成基于平台、基于组件、基于主题、基于可视化的应用模式,解决了传统的工程运行调度系统应用性差、功能单一、可扩展性差及应用模式单一等问题。通过平台提供工程运行调度业务服务,为工程联合调度提供技术支撑。

基于水库群调度的深圳公明供水调蓄工程效益分析

【目的】揭示公明水库的蓄水、供水、生态交换水量、损失水量之间的相互关系,分析其储备效益、供水效益和生态效益等。【方法】考虑深圳北线引水的不同选择,设置2种城市供水情景,其中情景1为近期北线引水固定不变,以供定需;情景2为远期北线引水有丰枯变化,以需定供满足城市供水要求。通过建立公明供水调蓄工程水库群优化调度模型,用45年长序列月径流资料采用决策动态优选的自适应算法求解模型,并将计算结果与采用水量平衡中的等流量常规调度结果进行对比分析。【结果】2种情景的优化调度结果表明,公明水库的多年平均蓄水量有很大的差异,由情景1的10 715万m3/年增加到情景2的12 545万m3/年,平均每年增加1 830万m3,情景2的蓄水量已经超过了12 141万m3的储备库容;城市供水保证率由情景1下的0.70%~6.70%提高到情景2下的98.00%,最大连续缺水破坏时间由情景1的45年锐减到情景2的0年,满足了该地区的城市供水要求。【结论】通过水库群联合调度,深圳公明供水调蓄工程能够实现对深圳市中西部城区供水和储备水源等目标,并能发挥其生态效益。

水利电子沙盘研究与应用

针对水利工程领域中存在的多源数据资源难以有效融合和应用系统可视化效果欠佳等问题,将沙盘引入到水利工程领域,构建水利电子沙盘(Hydro-EST),基于水利电子沙盘开发水利业务应用,为决策服务。首先,提出了水利电子沙盘的概念,设计了Hydro-EST的开发流程和5层体系结构。其次,基于Hydro-EST开发了防汛预警监视、水库移民可视化仿真、突发水污染事件模拟和最严格水资源管理等水利主题服务。结果表明:Hydro-EST在保留传统沙盘较好可视化效果的同时,解决了水利业务应用中多源数据资源融合、业务应用开发复杂等问题,组件化开发避免了系统异构和重复开发的弊端,体现了绿色发展的主旨。

水文与水资源工程专业实践教学的改革与探索

实践教学环节是高等学校人才培养的重要组成部分。结合经济发展趋势和社会对工程人才素质的需求,我校充分利用水文及水资源国家重点学科优势,构建水文与水资源工程专业工程实践能力体系,改革实验教学内容,搭建高水平实验平台,探索服务水文与水资源工程专业本科生实践教学和教师研究生科学研究的实验管理模式,取得良好效果。2012年我校水文与水资源工程本科专业顺利通过中国工程教育认证专业评估,有效期6年。为高等学校本科专业实验教学改革与探索提供了思路。

引汉济渭工程水库适应性调节主题服务研究

针对传统水库调节计算模式存在难以适应动态变化的问题,在水库兴利调节计算常规方法的基础上,结合天然来水过程、水量平衡原理,划分水库调节周期为不同时段,运用图解法求解调节流量,提出了一种能适应不同调节周期、不同来水过程、不同供需过程的等流量调节计算方法。基于综合集成平台,将该方法组件化,结合知识图和可视化工具,搭建了引汉济渭工程水库适应性调节计算系统。结果表明,适应性调节计算方法能够使得水库下泄水量在计算周期内最大限度平稳。该系统能将整个调节计算的过程与结果以图、表的形式直观地展示,同时当决策者对调节结果不满意时,可以通过系统进行人工调整,以减轻对用水过程的破坏程度。

基于生态调水清潩河水环境效应研究

为研究生态调水对清潩河水质变化的影响并评估生态调水效果,建立适合清潩河的水动力水质模型。以1m3/s、2m3/s、3m3/s不同工况模拟清潩河水动力水质变化规律并分析排污口附近流场和浓度场变化。在分别采取未截污和截污措施,调水流量为3m3/s时,各断面COD浓度和NH3-N浓度分别达到V类和Ⅳ类水质标准;生态调水对排污口附近水质改善效果显著;未考虑截污情况下一旦停止调水,污水排入将直接威胁到清潩河水质。通过研究,论证本文理论与方法的可行性和有效性,对该地区的水污染控制与水资源调控方略和可持续发展战略具有现实的指导意义和应用前景。

基于MIKE建模的城市生态公园行洪能力分析

[目的]预测并分析工程对河道行洪能力变化的影响,为城市生态公园工程防洪影响评价提供研究技术方法。[方法]基于MIKE 21建立城市生态公园工程河段的平面二维水流数学模型,以渭河宝鸡段为例,选取1954型洪水过程验证模型合理性,模拟3种典型流量下河道流场和水位的变化特征,讨论城市生态公园修建后对河道行洪能力的安全影响。[结果]3种典型流量洪水下沿线水位均低于堤顶高程,对城市行洪安全不构成威胁,因此行洪安全可以保证。但由于河道行洪宽度变窄左岸流速增大,加剧了对岸堤的冲刷,采取岸堤加固措施是极为必要的。[结论]河道形状的改变会影响水的流态,水流速度过大会影响河堤结构稳定性,最终影响河道的行洪能力。

引汉济渭工程运行调度模式研究

从引汉济渭工程运行调度的实际需求出发,设计了工程运行调度新模式并集成实现。基于Hadoop搭建工程运行调度大数据服务平台,基于数字地球构建了工程运行调度可视化仿真系统,基于云服务架构建立工程运行调度应用支撑平台,以主题、组件、知识图为牵引建立了工程运行调度应用支撑库,基于数字地球和应用支撑平台构建了工程调配水一体化数字水网,基于平台、数字水网、组件、知识图搭建了工程运行调度主题业务应用,实现了运行调度业务主题化云服务。该模式技术理念先进,应用灵活方便,适用性强,可为工程运行调度提供重要技术支撑,具有良好的应用前景。

采用稳定碳同位素法分析白羊草在不同干旱胁迫下的水分利用效率

本研究以黄土高原乡土草种白羊草(Bothriochloa ischaemum(L.)Keng.)为研究对象,采用盆栽控制实验,比较白羊草在3个水分处理(CK80%FC、MS60%FC和SS 40%FC)下的生物量积累和分配模式、瞬时水分利用效率(WUE)、不同部位(新叶、老叶、茎、细根、粗根)的稳定碳同位素组成(δ^(13)C)和碳同位素分辨率(Δ^(13)C)及其相互关系,以及干旱胁迫下影响水分利用效率的主导环境因子。结果表明:1)重度干旱胁迫显著降低植物整体生物量,显著增加根冠比和细根生物量比例;2)随着干旱胁迫加剧,白羊草各器官的δ^(13)C均呈上升趋势,Δ^(13)C呈减小趋势,SS处理不同器官δ^(13)C和Δ^(13)C没有显著差异,CK和MS处理的各器官δ^(13)C均值表现分别为细根>粗根>老叶>新叶>茎、细根>新叶>老叶>粗根>茎,CK和MS处理Δ^(13)C的值总体呈根<叶<茎。3)新叶的δ^(13)CNL和Δ^(13)CNL与WUE的相关系数均最大,说明利用稳定碳同位素方法测定白羊草水分利用效率具有可行性。4)不同水分处理的WUE的主导影响因子不同,CK、MS、SS水分处理WUE分别受到叶面温度、大气水汽压亏缺和空气温度的影响最大。为采用稳定碳同位素方法指示白羊草水分利用效率可行性及阐明植物的胁迫响应机制提供理论依据。

深覆盖层上面板堆石坝防渗墙应力变形分析

采用三维非线性有限元方法分析深覆盖层上面板堆石坝防渗墙应力变形特性,覆盖层和坝体材料的本构关系采用邓肯-张E-B模型,在防渗墙和覆盖层之间设置接触摩擦单元以模拟两者之间的相互作用。通过建立的有限元模型分析了坝体分期筑坝、坝体填筑速度以及防渗墙施工顺序对墙体应力变形特性的影响,同时探讨悬挂式防渗墙的应力变形特性。计算结果表明:坝体分期填筑对防渗墙的应力变形特性影响较小;较快的施工速度将引起坝体竣工期防渗墙较大的应力变形,其中拉应力达到3 MPa,顺河向变形达到15 cm;防渗墙靠后的施工顺序可以使运行期防渗墙拉应力减小2.42 MPa,顺河向变形减小达85%;悬挂式防渗墙贯入深度越小,其应力变形特性越趋于安全稳定。

变权组合预测模型在洪水预报中的应用

【目的】研究洪水预报的多模型组合预报模式,丰富洪水预报的方式方法。【方法】将最优非负可变加权系数的组合预测方法应用于洪水预报中,分别建立最优加权组合预测模型和最优非负可变加权系数组合预测模型,以新安江模型、萨克拉门托模型、水箱模型和陕北模型为例进行组合预报,并用东洋河1982年8月的一场洪水实测流量值对2种组合模型进行了实例验证和比较。【结果】最优非负可变加权系数组合预测模型的3种误差指标均方误差(MSE)、平均绝对误差(MAE)和平均绝对百分比误差(MAPE)分别为18.394 0,51.317 2和0.131 4,明显小于最优加权组合预测模型的28.110 7,108.816 7和0.268 9,且前者的确定性系数(DC)为0.961 3,明显大于后者的0.909 5,表明应用最优非负可变加权系数组合预测模型的预测结果优于定权重的最优加权组合预测模型的预测结果。【结论】考虑变权重的最优组合预测能进一步提高洪水预测的精度。

人类活动和气候变化对北洛河径流变化的影响

【目的】研究气候变化和人类活动对北洛河径流变化的贡献,分析径流变化的主要驱动因子,为北洛河流域水资源的合理利用提供决策依据。【方法】以北洛河流域1956-2011年共56年的降水量以及实测、还原径流深序列为研究对象,采用Mann-Kendall法、径流系数法、降水-径流双累积曲线法进行变异点诊断,量化分析气候变化、下垫面变化和其他人类活动对径流变异的贡献率。【结果】北洛河流域1956-2011年降水量变化不明显,但还原径流深呈现出不显著增加趋势,变异点出现在1964和2001年。以变异点为分界点,将第一阶段(1956-1963年)作为下垫面Ⅰ,第二阶段(1964-2000年)作为下垫面Ⅱ建立降水-径流关系式,模拟在下垫面Ⅰ和下垫面Ⅱ情景下第三阶段(2001-2011年)的径流序列,模拟结果显示,建立的降水-径流关系式能够很好地反映不同下垫面径流的变化情况。下垫面Ⅱ与下垫面Ⅰ情况下模拟径流的变化量为-7.00mm,表明径流下垫面Ⅱ情况下的产流比下垫面Ⅰ大。定量分析下垫面变化、其他人类活动和气候变化对径流变异的贡献,发现气候变化的贡献率为40%;人类活动为主要影响因素,总贡献率为60%,其中下垫面变化的影响占19%,其他人类活动的影响占41%。【结论】人类活动是北洛河流域径流变异的关键驱动因子,下垫面变化的影响也不可忽视。

基于PSO优化BP神经网络的水质预测研究

为快速准确地预测河流水质,结合汾河监测数据,使用粒子群算法(PSO)优化BP神经网络模型(PSO-BP)进行水质预测。通过灰色关联度分析确定输入变量,利用PSO算法修正BP网络的初始权值、阈值,优化神经网络结构及算法全局收敛性。采用该模型对汾河主要污染物指标COD、BOD5、氨氮、挥发酚等进行预测和验证。结果表明,与传统的BP神经网络模型相比,PSO-BP模型使最大相对误差从15.43%减小到1.46%,其平均误差由4.00%减小到1.01%,预测均方根误差从5.956×10-3减小到1.605×10-4。因此,基于PSO-BP神经网络模型的预测更加精确,可用于水质预测。

黄河龙门至三门峡河段污染物降解系数动态特征研究

为揭示不同水文条件及污染源的动态变化对污染物降解系数的影响,本研究以黄河龙门至三门峡河段为研究对象,对河流污染物降解系数的动态特征进行分析研究。以枯水年为代表水文年,根据黄河龙门至三门峡区间各河段的实测资料,用基于Matlab回归分析的参数估计方法反算出各河段不同水文条件下的CODcr和NH3-N的综合降解系数,通过实例模拟对计算结果进行检验和验证。研究结果表明,不同水文条件下采用不同的污染物综合降解系数更符合河流污染物降解的实际情况。

挡板长度对辐流式沉淀池流场与污泥浓度场影响的数值模拟

【目的】研究进水口处垂直挡板长度对沉淀池内速度场和污泥质量浓度场分布的影响,为实际工程中沉淀池的优化设计提供参考。【方法】采用简化的多相流混合(Mixture)模型,对辐流式沉淀池内液固两相流水力特性进行二维数值模拟,选取RNGk-ε紊流模型封闭时均流方程,采用有限体积法对微分方程进行离散,使用压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法进行速度与压力耦合求解。然后设初始时刻沉淀池内为清水,进水为含一定质量浓度污泥的污水,在此条件下模拟并分析不同挡板长度时2个模型沉淀池内速度场和污泥质量浓度场的变化规律。【结果】沉淀池内有1个大回流区和2个小回流区,长挡板模型的回流区比短档板模型小;沉淀池内污泥分布呈现分层现象,且长挡板模型内污泥到达出口的时间比短档板模型长;长挡板模型的小流速区域比短档板模型大,更有利于污泥的沉降。【结论】辐流式沉淀池进口处设置长挡板有利于提高沉淀池的运行效率。

辐流式沉淀池进口挡板影响的液固两相流数值模拟

采用RNG k-ε两方程紊流模型以及简化的多相流Mixture(混合)模型对进口处不同长度的两种垂直挡板的辐流式二次沉淀池内的液固两相流进行了三维数值模拟,得到了沉淀池内的流场分布、污泥浓度分布、速度分布。速度与压力耦合方程组求解时使用半隐式SIMPLE(SemiImplicit Method for Pressure-Linked Equations)算法。通过对这两种不同挡板池内的水流流场、浓度场、速度场的模拟分析,结果发现:长挡板形式下的辐流式沉淀池内水流流场更有利于污泥快速沉淀,即有利于固液分离,使得出口水质明显提升;同时也说明合理改变沉淀池的结构体形与尺寸,可以改善沉淀池内的流场流态,提高沉淀效果和运行效率。

反渗条件下排水沟与农田水盐交换关系

因干旱和半干旱下游灌区地势较低,排水出路不畅,排水系统往往成为承泄区外来水(上游灌溉退水和排水)的蓄水场所,使排水沟水位高于农田地下水位,反渗补给农田地下水,作物利用部分排水以后,如何维持农田良性的水盐平衡成为下游灌区一个迫切需要解决的科学问题。该文基于农田水盐平衡原理,以陕西一半干旱区下游灌区为例,在实测资料的基础上,首先利用田间水文模型DRAINMOD模拟了排水沟蓄水条件下,农田水位变化情况,然后计算分析了农田与排水沟的水盐交换关系。结果表明:在一个完整的种植年内单位长度排水沟上累计承接区外来水量为9.3 m3,减去流出水量,累计蓄积区外来水量为5.5 m3,农田单位面积上反渗累计补给田间地下水量为49.2 mm;累计农田排水量仅为2.3 mm。与作物蒸散发相比,现状条件下补给量虽然较小,但对维持和补给农田地下水起到了一定的作用。所产生的补给作用虽然增加了排水沟内盐分向田间地下水中的运动,但作物利用地下水过程中根区没有出现严重的盐分累积,对田间地下水盐分浓度影响也不大。所以,通过合理调控措施,充分利用区外来水,可以提高水资源利用效率。但排水系统长期运行条件下,高水位对农田水盐平衡的影响尚需进一步研究。

90°弯道明渠横向环流的大涡模拟研究

采用气液两相流大涡模型模拟90°弯道明渠水流的水力特性。使用有限体积法对控制方程进行离散;使用压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法求解速度与压力的耦合;采用了VOF(Volume of Fluid)法模拟自由水面。通过计算得到弯道处流速、压强系数、横向环流强度等水力参数的分布规律。分别比较弯道纵向流速与横向流速的模拟值与实验值,二者吻合较好。通过分析弯道环流的流态特征得出:因受重力作用与水流在流经弯道时发生的离心现象的影响,凸岸附近较凹岸存在较大的二次流强度的结果;凸岸与凹岸压强系数均沿程增大,当达到弯顶时,水面横比降达到最大值;弯道横向环流强度随弯道角度增大而逐渐增大,其最大值出现在明渠底部。