新形势下南水北调中线工程智慧调度的研究框架思考

南水北调中线工程智慧调度是新形势下实现精确精准调水、支撑工程高质量发展的重要途径。系统分析了南水北调中线工程通水以来的运行条件变化,提出了新形势下中线工程智慧调度需解决的关键科学技术问题,并提出了未来重点研究内容:要在研究复杂调水系统多水源多用户水资源均衡调配方法基础上,研发中线工程多场景输水智慧调控技术、事故智能预警与精细控制技术体系、决策支持平台,形成中线工程调度的科学决策管理模式,为国家水网重大工程智慧调度管理提供科学应用范式。

全球气象模型GFDL-SPEAR月降水预报订正与检验

由于全球气象模型产生的原始预报通常包含复杂的误差,为评估新一代的GFDL-SPEAR模型对我国各二级水资源区的适用性,构建伯努利-伽马-高斯模型开展统计订正的对比实验,从逐月与累计降水2个方面评估预报的相关性、系统偏差、可靠性以及预报精度,从而辨析原始预报的误差并分析预报订正的作用。结果表明:GFDL-SPEAR原始预报与观测呈现良好的相关关系,但包含-20%到50%的系统偏差,导致预报可靠性与预报精度较低;伯努利-伽马-高斯模型能够有效订正系统偏差,生成可靠的预报时间序列,使逐月与累计降水的预报精度分别提高约25%和45%;相比总量订正,逐月订正能够进一步提高预报精度。整体上,订正后的GFDL-SPEAR降水预报可为流域水资源调控与防洪抗旱提供6个月乃至1年预见期的重要信息。

土工格栅加筋高填方路基应力变形模拟分析

为合理确定高填方路基土工格栅加筋层数,通过建立计算模型进行数值模拟分析,并通过现场监测进行验证。数值模拟分析结果表明,采用五层土工格栅加筋效果最佳,可明显降低高填方路基土压力及沉降。分析现场监测结果得出,土工格栅加筋后的路基土压力和沉降下降明显,加筋效果明显。

公路高填方路基沉降分析与预测

针对高填方路基沉降问题,文章对强夯处治后的路基采用现场沉降监测和有限元模拟计算两种方式进行研究,对比分析试验段两个监测断面路基坡脚和路基中心处的沉降实测值和计算值,得出有限元计算结果较为准确,可用于指导现场施工。同时,采用有限元法结合生长曲线法对路基沉降进行预测,得出路基完工后沉降逐步达到了稳定状态。

南水北调中线工程总干渠冬季大流量输水水温调控措施

为保障南水北调中线工程冬季输水安全,利用建立的总干渠全线一维水温模型,针对350、280、210和150 m3/s这4种不同输水流量方案,模拟分析各方案在强冷冬、冷冬、平冬和暖冬等典型冬季气象条件下总干渠冬季输水保温效果,在此基础上提出总干渠冬季无冰盖大流量输水水温调控措施。结果表明:针对不同典型冬季气象条件,在有限条件下采取无冰盖大流量输水调度运行方式,可不同程度缩短输水流动时长、减少沿程水体热量损失,从而达到保温效果;在各典型冬季年份气象条件下,随着总干渠输水流量增大,沿程水温比降相应减缓,明渠末端水温相应提升;在冬季气象条件适宜情况下,总干渠冬季采取无冰盖大流量输水水温调控措施,既有利于减小水温降幅,同时也可有效解决冬季输水能力受限问题;建议根据总干渠中短期气温预报和水温预测情况,在冷冬、平冬和暖冬等典型冬季气象条件下尽可能采取较大输水流量输水模式,在强冷冬气象条件下可分时段、分渠段采用无冰盖大流量输水模式。

长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统设计

引调水工程往往线路长,节点多,监测数据量大,控制要求复杂,人工分析判读难度大。针对上述问题,构建长距离引调水工程输水调度状态分析及预警系统,结合监测数据、调度规程、水利专业模型,提出输水调度运行状态自动判读方法。介绍了系统设计总体框架、技术路线及系统功能,并以南水北调中线工程为例进行了应用研究。结果表明:该系统实现了中线工程输水运行状态自动判读,能进行不同工况下的输水调度运行过程模拟,可为调度人员进行状态分析判读提供重要支撑。

明渠收缩过渡段流速分布及紊动特性试验

受地形、地质等条件影响,明渠收缩过渡段在输水工程中十分常见,过渡段长度过短,会导致水面波动,水体紊动加剧。为研究明渠不同长度过渡段内纵向时均流速及紊动强度的分布规律,通过室内模型试验,利用二维电磁流速仪ACM2-RS测量了渠道内沿程中垂线不同深度处瞬时流速。试验结果表明:收缩段内,纵向时均流速沿程增加,紊动强度沿程降低,遵循涡旋的拉伸机制和线性扭曲理论;受二次流影响,最大流速位于水面以下,且最大流速的位置随二次流作用的增强而降低;不同长度过渡段对下游纵向流速分布和紊动强度影响不同,过渡段越短,下游水流紊动越强,但非渠底附近紊动强度沿垂向先减后增的规律不变。

基于控制蓄量法的南水北调渠系运行方式研究

南水北调中线一期工程现运行采取以需定供的供水方式,此供水方式面临用水户临时分水变化的情况。为此,提出了一种基于控制蓄量法的渠系运行方式,该方式可以充分利用渠道自身体积调蓄能力,快速响应各种非计划的分水、退水流量变化,减少沿线需要参与调节的节制闸数量。该方法包括蓄泄运行周期判断、可调蓄体积分析和节制闸日过闸流量生成3个部分。以南水北调中线一期工程陶岔渠首—北拒马河节制闸的渠段为模拟对象进行了验证,结果表明:该运行方式可以满足中线总干渠安全运行和高效控制的要求,提高了总干渠控制系统的灵活性和稳定性,对于大型渠系的复杂分水条件有较好的适用性。

南水北调中线一期工程总干渠输水损失变化规律

为研究已建大型引调水工程运行期输水损失变化,以南水北调中线一期工程为对象,利用水量平衡原理计算得到6个典型渠段2018—2021年不同时间尺度下的输水损失变化过程,并与输水损失经验公式计算结果进行对比。结果表明:不同计算时空尺度下的渠段输水漏损流量结果差异较大,但沿程输水损失率差异较小;入渠流量规模是影响渠段输水漏损流量的主要因素,蒸发量、降雨和冰期冻融等也是造成中线总干渠输水损失时空变化的重要因素,因此仅考虑渠底渗漏损失不能有效反映中线总干渠输水损失变化过程。

深圳河近期冲淤变化特征及防洪治理对策

受深圳河治理工程和流域城市化影响,近年来深圳河河道形态及防洪能力发生了较大变化。基于实测水沙地形资料,系统分析了深圳河近期冲淤变化特征,并利用平面二维水沙数学模型,研究了不同河道清淤方案实施后深圳河防洪能力变化及回淤特性。结果表明:2007-2017年间深圳河发生快速回淤,累计淤积量达74.6万m3,冲淤变化特征主要表现为主槽冲淤交替,边滩显著淤积,冲淤幅度自上而下逐渐减小。治理工程实施后水流挟沙能力下降是导致深圳河近期快速淤积的主要原因,而淤积速率则与河口涨潮量和上游来沙量有关。河道淤积导致深圳河防洪能力下降,深港两侧现状满足50年一遇防洪能力的河段占比分别仅有63.2%和56.8%。模型计算结果显示不同河道清淤方案实施后深圳河的防洪能力提升幅度基本与其回淤幅度成正比。从防洪效益和经济成本的角度,提出了深圳河防洪能力提升方案的优化建议。

黄材灌区现代化改造智慧水管理实践探索

文章基于黄材灌区智慧水管理的不足,分析了灌区智慧水管理的必要性。根据灌区智慧水管理规划目标,提出了满足灌区智慧水管理运行的建设体系。黄材灌区智慧水管理体系建成后,将大幅度提高灌溉供水管理水平,增强水资源调配的合理性,提高灌区的服务质量和水平,为大型灌区智慧水管理规划提供借鉴和参考。

长距离渠道闸门故障扰动及小影响应急调度研究

闸门控制故障是威胁长距离输水渠道正常调度运行的常见风险之一,研究闸门故障工况下渠道水力响应及快速应急调度响应措施对长距离输水渠段安全运行具有重要意义。以南水北调中线一期工程为研究对象,基于通水3 a以来的实际调度运行状况,构建闸门故障扰动一维非恒定流水力学模型,分析渠段的水力响应,并研究应对闸门故障扰动的小影响应急调度措施。计算结果表明:闸门故障扰动下的水力响应与渠道流量、渠段长度密切相关;通过调节旁侧闸门的小影响应急调度措施能尽可能减小事故闸门的影响,维持上下游渠道水位的相对稳定,且响应时间越早越有利于闸门事故控制;事故闸门开度长时间大幅度异常时,需联合临近节制闸、分水闸、退水闸共同调度才能维持渠道正常输水及安全运行。研究成果可为南水北调中线一期工程调度运行应急预案及风险管理提供参考。

黄冈城区堤防硬质护坡生态复绿技术研究

由于长江堤防实施了大量的硬质护坡,阻断了水体与近岸陆地土壤之间的联系,破坏了长江沿线的整体生态景观,亟需对长江堤防进行生态复绿研究。以黄冈城区堤防硬护坡生态复绿为例,对联锁式生态护坡技术方案进行研究。研究结果表明:该联锁式生态护坡方案能够抵抗水流冲刷,复绿效果好,对提高堤防生态复绿的水平具有参考作用意义。

卷扬式垂直升船机纵向地震下TMHCF耦合动力学分析

针对钢丝绳卷扬式垂直升船机纵向地震下的动力学特性问题,建立了升船机塔柱二维纵向集中质量等效模型,提出了分析升船机纵向地震下时程响应的新理论模型,研究了承船厢纵倾稳定性及升船机各系统的响应特性。以预研中的200 m级钢丝绳卷扬式垂直升船机为研究对象,建立了考虑系统阻尼的塔柱(tower,T)-主提升机械传动系统(main hoist mechanical transmission system,M)-液压调平系统(hydraulic leveling system,H)-承船厢(ship chamber,C)-厢内浅水晃动(shallow fluid sloshing,F)(TMHCF)的耦合动力学模型,运用4阶定步长龙格库塔法对耦合系统进行时程响应计算。结果表明:塔柱的二维串联多自由度集中质量等效模型能够较准确地反映塔柱纵向的模态特性,与三维有限元模型的固有频率误差不超过5.6%;TMHCF各子系统中,响应速度最快的是液压调平子系统,稳定性最好的是塔柱子系统;与液压动态调平工作状态相比,纵向地震下承船厢子系统纵倾运动稳定性降低了8.4%,但设计吊点中心距62.0 m可以保证承船厢在纵向地震下的纵倾运动稳定性,安全系数不低于1.088。

梯形明渠–马蹄形隧洞过渡段流动形态与局部水头损失研究

本文以新疆克拉玛依引水工程西千渠为背景，通过物理模型试验研究了从梯形明渠到马蹄形隧洞进口过渡段的水面衔接特点和局部水头损失规律。模型采用重力相似设计，比尺为1：25，由有机玻璃制成。在试验过程中，测量了流量在3．88～17．05L／s范围内水面线的纵向变化，发现当流量大于13．37L／s时，洞口水面壅高，洞内存在水面波动，分析认为是由侧壁收缩引起的水面紊动所致。根据水深变化和平均流速计算得到过渡段局部水头损失，发现其随水面收缩角增加呈先减小后增大的趋势，进口过渡段局部水头损失系数为0．19～1．24。针对原模型试验发现的问题，模型试验中延长了过渡段，对扭曲面段、矩形段长度进行了优化。模型改进后，水流平稳，波动减弱，局部水头损失系数减小至0．05～0．82。试验结果为实际工程梯形明渠到无压隧洞的过渡段设计提供了依据。

再生建筑垃圾改性粉土的试验研究

针对粉土填筑路基存在的问题,将具有较好强度、硬度、稳定性再生建筑垃圾掺加到粉土中,通过试验对3种含有不同掺量再生建筑垃圾的土样与原粉土进行了比较研究。由试验结果可知,经再生建筑垃圾改性后的粉土,最佳含水量增加、压缩系数减小、渗透系数增大。表明再生建筑垃圾对粉土的压实性、压缩性、水稳定性有较好的改善效果。