基于GPU和数据同化的深水湖库水温与溶解氧中短期预报

深水水库通常存在季节性温度分层,由温度分层引起溶解氧等水质指标的分层还会诱发库区水环境水生态问题。当前在中短期时间尺度上对水库水温和溶解氧进行预报的研究相对较少,提高数学模型的模拟效率与精度对提升中短期预报效果至关重要。本文采用集合卡尔曼滤波算法作为同化方法,基于CE-QUAL-W2模型建立水库水动力水质数学模型,基于OpenACC的GPU并行方法提升模型计算效率,构建大黑汀水库水温与溶解氧的数据同化系统,在中短期时间尺度上开展水库水温与溶解氧高精度、高效率预报。预报结果符合水库水温与溶解氧的中短期变化规律,能够为大黑汀水库的供水与生态安全提供技术支撑。

预应力条件下不耦合装药系数对爆轰聚能效果的数值模拟

为探究不耦合装药系数在预应力条件下对爆轰聚能药包破岩效果的影响,基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件,开展了预应力、不耦合装药系数以及起爆方式耦合作用下爆破效果的数值研究,并通过炮孔内壁峰值压力的监测分析了药包的破岩能力。计算结果表明:预应力对爆炸产生的破碎区影响较小,对裂隙区的主裂纹长度有明显的抑制作用。预应力(σ_(x)=σz=14 MPa,σ_(y)=7 MPa)条件下,随着不耦合装药系数的增加孔壁峰值压力呈现逐渐降低趋势,爆轰聚能药包聚能侧爆压提升能力呈现先降低后升高的趋势,耦合装药时爆轰聚能药包聚能侧爆压提升26.3%,不耦合装药系数K=1.6时聚能侧爆压提升22.1%;爆轰聚能药包与中心点起爆药包相比,孔壁聚能侧峰值压力提升11.9%,损伤面积提升15.1%,有明显的定向作用。研究结果对爆轰聚能爆破技术在岩体的应用具有一定的指导意义。

起爆方式对爆轰波传播特性的影响研究

为探究爆轰波碰撞对爆轰压力分布规律的影响,采用理论推导、数值模拟和现场试验相结合的方法,分析了不同起爆方式下炸药内部和外部爆轰压力的变化规律。研究结果表明:爆轰波发生碰撞后,依次产生正碰撞、斜碰撞及马赫反射现象,最大爆轰压力可达到稳定爆轰压力的3倍以上;采用对称双线性起爆方式时,土体聚能侧所受爆轰压力是起爆侧的2.74倍,轴向所受爆轰压力较单侧线性起爆方式提升了75%。基坑爆破试验结果表明:采用对称双线性起爆方式时,沿爆轰波碰撞聚能方向呈一字型布置起爆,炮孔间的贯通效果相较于单侧线性起爆方式得到了明显提升。

生态补水下白洋淀湿地水文连通特性研究

水文连通性是维持湿地生态系统健康的关键,雄安新区设立以来,白洋淀湿地接收生态补水呈现出水量大、历时长和补水路径多的特点。为分析植被分布、风场和生态补水影响下白洋淀水动力变化与水文连通特性,将白洋淀湿地划分为植被与非植被区,采用三维水动力模型和地统计学连通性函数为分析方法,以不同水深阈值的最大连通距离表征湿地水文连通性。结果表明:受白洋淀底高程等要素空间异质性的影响,中部南刘庄淀流速较大(1.0~2.0 cm/s),北部烧车淀远离入淀河流流速较小(0~0.8 cm/s),西南部马棚淀地势较高水体基本不流动。水文连通性呈现季节性变化且存在阈值效应,最大连通距离在水位变化过程中存在突变且变幅相对固定,沿西-东与北-南方向的最大连通距离变幅主要为7.4 km-11.8 km-18.3 km和6.8 km-13.1 km-19.2 km;在防洪调控影响下,汛期的临界水深阈值处于全年最低水平,此时水文连通性对水深的敏感性高于年内其他时期。王家寨和圈头是制约东西部和中南部连通的关键节点,为提升白洋淀水体交换能力与水文连通性,应该改善其水动力条件以确保水道畅通。

白洋淀底泥重金属空间分布特征及污染评价

为提高白洋淀生态环境修复效果并指导精准清淤工作,以白洋淀底泥为研究对象,分析8种典型重金属元素在淀区与入淀河口的空间分布特征,运用单项污染指数、综合污染指数和内梅罗污染指数评价底泥重金属污染程度。结果表明:浅层底泥中,As、Cr、Cu均在马棚淀富集,Ni多富集于烧车淀、圈头以及采蒲台,除Ni外其余7种重金属元素均富集在漕河、府河河口;中层底泥中,As、Hg、Ni、Zn、Pb、Cd在圈头富集,Cr在淀区普遍富集,除Ni、Cd外其余6种重金属元素均富集在府河、孝义河河口;深层底泥中,Cr、Ni、Cu、Zn、Pb在采蒲台富集,As、Hg、Pb在圈头富集,Hg、Cr、Cu、Pb、Zn均富集于府河河口。单项污染指数及综合污染指数显示,As、Hg、Pb属于安全级别,Cr、Cu、Zn、Cd属于警戒级别,Ni属于轻度污染;内梅罗污染指数显示淀区浅层、中层及深层均属轻度污染,污染程度浅层>深层>中层。研究结果对于白洋淀水生态环境修复和精准清淤工程具有借鉴意义。

基于数据同化的深水湖库水温中短期预报

深水湖库的水温分布与演化影响着水体运动、生化反应和水生生物的新陈代谢过程,在中短期时间尺度上预报水温变化对湖库水质管理与生态环境安全十分必要。本文基于集合卡尔曼滤波算法与CE-QUAL-W2模型,构建可综合考虑模型参数、边界条件以及观测数据不确定性的湖库水温数据同化系统,利用水库调度数据与气象数据作为预报条件,将该系统应用于大黑汀水库进行1~10 d的中短期水温预报。结果表明:当集合数为100、模拟误差和观测误差分别为10%和1%时,同化系统能够兼顾较高的计算效率与模拟精度。同时校正模型参数和状态变量,能够使数据同化系统在不同水深处的水温模拟精度较无数据同化模拟结果提升41.2%~68.8%。随着预报期由1 d延长至10 d,各水深的预报误差由0.22~0.35℃增大至0.77~1.09℃。无论水库处于分层期或混合期,数据同化系统均能够在预报期内的气象条件及水库调度等内外部因素驱动下维持较高的准确性,高精度的水温中短期预报方法可以为湖库供水与生态安全提供理论与技术支撑。

流域非点源氮磷污染负荷分布模拟

为揭示流域非点源氮磷流失时空分布规律,基于实测水文水质数据,采用SWAT模型与SUFI2算法,以滦河潘家口水库流域为研究对象,模拟了不同水平年下流域非点源氮磷流失变化情况。结果表明:丰水年的TN负荷是平水年的1.68倍,是枯水年的2.12倍;TP负荷是平水年的1.52倍,是枯水年的2.21倍。从空间上看,TN、TP负荷量从大到小排序依次为耕地、林地、草地、荒地。相关性分析发现,泥沙产出量是非点源污染负荷空间分布的重要驱动因子。

白洋淀浮游植物群落的时空变化及其与环境因子的关系

浮游植物和环境因子是水生态中重要的组成部分,研究浮游植物与环境因子的相关关系可为白洋淀水资源管理及水生态保护提供理论基础.本研究于2018年非汛期(5月)和汛期(8月)分别对白洋淀淀区8个采样点的浮游植物及环境因子进行调查分析.采用Pearson相关性分析法筛选主要环境因子,分析白洋淀浮游植物群落结构变化和主要环境因子的分布特征,以及两者间的相互关系.结果表明,汛期主要环境因子为溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、总氮(TN)和总磷(TP),非汛期主要环境因子为DO、CODMn、氨氮(NH_3-N)和TP.汛期和非汛期检出浮游植物分别为5门38种和6门43种,浮游植物丰度分别为415.30×10~5~1018.14×10~5cells/L和249.62×10~5~454.21×10~5cells/L,优势种分别为6种和10种,且基本为蓝藻和绿藻.浮游植物群落Shannon-Wiener多样性指数(H')、Margalef物种丰富度指数(d M)、Pielou均匀度指数(J)和物种多样性阈值4项指数均表明汛期浮游植物多样性小于非汛期.浮游植物群落特征与水质关联性较强,水质较好区域(如淀区中心) H'和J均较高,反之在水质较差区域(如府河、孝义河等汇入口) H'和J较低.TP和DO是影响汛期浮游植物群落特征的关键因素,CODMn和TP是影响非汛期浮游植物群落特征关键因素.水质评价结果表明白洋淀水质整体处于富营养状态,与2005年以来对白洋淀进行的3次浮游植物生态调查结果相比,淀区浮游植物多样性与均匀度显著下降,表明淀区富营养化程度持续加深.

利用多岛遗传算法的侧式进/出水口体型优化研究

水工建筑物体型优化一般通过物理模型试验或数值模拟对设定体型进行水力特性研究,针对不利的水力指标调整体型再进行研究,直至获得满意的较优体型,这是传统的做法。双向水流条件下的侧式进/出水口体型优化可视为多目标优化问题。本文将加权后的水头损失系数定为目标函数,以孔口断面流速不均匀系数和孔口间流量不均匀系数为约束条件,将多目标优化转化为单目标优化,利用多岛遗传算法进行进/出水口体型优化,可以获得最优体型。此外,参数化建模方法和基于CFD的响应面模型的应用,加快了建模与数值模拟速度,提高了优化效率。以某下水库侧式进/出水口为例,按照本文方法得到的推荐体型与原体型相比,进/出流的总水头损失系数降低3.35%,出流时流速不均匀系数减小14.50%,进/出流的流量不均匀系数均小于20%。该研究方法为水工建筑物体型优化提供了便捷的途径。

基于AHP-熵权法的平原城市河网水系连通性评价--以廊坊市为例

在对近年国内外城市水系连通典型案例总结的基础上,构建包含水系格局、结构连通性和水力连通性3个准则层的平原城市河网水系连通性评价体系,改进水力连通性准则层中水力连通能力指标的计算方法,使其适用于整个河网计算。为避免主、客观单一权重法的不足,采用AHP-熵综合权重法对评价指标赋权。针对通过指标值评价水系连通状况不能兼顾多因素影响的局限性,采用综合评价法对廊坊城区不同水系连通方案的水系连通状况进行评价。结果表明,该体系能够较全面地对平原城市河网进行水系连通性评价,为我国平原城市河网水系连通性评价提供参考。

基于RBF代理模型的调水过程优化研究

调蓄工程通过泵站调水过程中,需要通过合理的控制泵站启闭时间来调节水位,从而不断优化调水过程,但以往的优化方法效率低而且不易得到最优方案。为解决这一问题,本文以南水北调东线山东段南四湖下级湖为研究对象,基于径向基函数(Radial Basis Function,RBF)代理模型建立调水过程优化模型,得到了调水过程方案参数区间内的最优方案,并基于实际调水情况求得不同起调水位下的调水过程最优方案。首先根据调水过程方案参数区间自动选取80个调水过程方案样本,并利用一维二维耦合水动力模型算出每个方案的水位变化过程;其次采用RBF代理模型建立并验证调水过程方案与最高水位、最低水位的响应关系;最后基于RBF代理模型,以泵站工作总时间最短为目标,考虑水量平衡和水位约束建立优化模型,采用粒子群算法求解。研究结果表明,基于RBF代理模型的调水过程最优方案结果与耦合模型计算该方案结果的绝对水深误差不超过0.05 m,相对水深误差不超过0.99%,模型计算精度高。基于RBF代理模型的调水过程优化模型,求解得到调水过程参数区间内的最优方案,解决了传统方法在人为设定有限个方案内得到较优方案的局限性。

并联电抗器组合式消弧线圈的研究

提出了新型的并联电抗器组合式消弧线圈,阐述了消弧线圈的整体结构和自动控制系统的构成,讨论了其动态调谐原理和工作方式。该消弧线圈具有16挡或32挡调节功能。电网正常运行时监测系统对地电容变化,对地电容发生变化时精确计算电容电流,精度达到1A以内;接地故障时投入可以精确地补偿系统对地电容电流,进行全补偿消弧,同时采用突变量选线方法进行故障选线,能够大大提高选线正确率。现场实际运行情况证明该消弧线圈能够满足现场要求。

反坡段对侧式进/出水口水力特性影响研究

对于抽水蓄能电站侧式进/出水口,因进/出水口底高程低于库底高程,进/出水口与库区设反坡明渠连接,反坡坡比的大小将影响进出水口水力特性。目前缺乏反坡坡比建议值指导进/出水口设计,本文通过数值模拟研究了6种不同坡比1:1~1:6对进出水口水力特性的影响。结果表明,对于进/出水口水头损失系数、拦污栅断面流速分布只有在进流工况下坡比对两者存在一定影响。对于进/出水口流态,进流工况,各坡比在进/出水口内部调整段上方均形成了一定高度的回流区,坡比越小,回流区面积比也越小,当坡比小于1:3时,明渠反坡段未出现回流。出流工况,各坡比中、边孔均在反坡段上方出现回流现象,边孔回流区长度模数大于中孔,并且坡比越小,回流区长度模数越大。同时随着坡比由1:1到1:6逐渐减小,平台段水流向库区扩散更加均匀。反坡坡比范围在1:3~1:4时,进/出水口可以获得较好的水力特性。

基于PCA-RBF神经网络模型的城市用水量预测

针对城市用水量影响因素众多、关联性较强以及BP神经网络收敛速度慢、易陷入局部极小值等问题,采用组合主成分分析(PCA)与RBF神经网络的方法预测城市用水量。利用主成分分析对用水量影响因素进行降维,消除多重共线性,选取能够替代原用水量影响因素的前三个主成分作为输入因子,选用学习和收敛速度快、模式识别能力强的RBF神经网络进行预测。研究结果表明,该模型的相对误差平均值在训练和预测阶段均最小,分别为0.165 4%和0.677 5%,学习和预测能力均优于RBF和BP神经网络模型,提高了收敛速度和预测精度;主成分数量从3个增加到5个,信息量累积贡献率从93.09%增加到98.37%,平均相对误差从0.250 7%降至0.206 0%,预测精度略有提高。对2015—2020年枣庄市用水量进行预测,总用水量先有小幅上升,后又下降,呈现"倒U型"增长。该模型对城市区域水资源规划具有参考价值。

侧式进/出水口及邻近围堰环流消除优化研究

抽水蓄能电站侧式进/出水口施工完成后,往往对其施工围堰采用不完全拆除方式,从而形成残留围堰。当水库运行水位较低时,进/出水口前方水面在残留围堰和地形的影响下,很可能出现不利环流现象。这种不利环流,在出流工况下易造成进/出水口前方水面波动较大,在进流工况下易诱导进/出水口上方形成有害漩涡。本文以潍坊抽水蓄能电站下水库侧式进/出水口为例,采用数值模拟方法,探寻改善围堰附近水流流态的有效措施。为消除围堰附近的环流,对围堰平台的坡底线进行优化,比较各体型优化效果并进行物理模型试验验证。研究表明:侧式进/出水口前存在残留围堰时,进流工况库区水面流态平稳,出流工况围堰附近容易形成不利环流;对称的残留围堰不会避免环流的产生;当残留围堰平台坡底线角度与明渠扩散角度保持一致,可以降低环流强度,水流可平顺均匀地向库区扩散,水流条件有较大改善。本文研究成果可为同类型抽水蓄能电站侧式进/出水口围堰设计提供参考。

侧式进/出水口数值模拟湍流模型比较研究

为研究侧式进/出水口数值模拟中不同湍流模型的适应性,本文以清原抽水蓄能电站下水库侧式进/出水口单体为研究对象,采用标准k-ε、RSM、LES和DES四种湍流模型进行数值模拟,将各湍流模型对进/出水口水头损失系数、流速分布等水力特性的模拟效果和计算效率进行对比分析。研究发现,进流工况下四种湍流模型计算结果均与实测值吻合较好,计算收敛性较好;出流工况下标准k-ε模型计算结果与实测值偏差较大,其余三种模型计算结果与实测值较吻合。对于侧式进/出水口进流及出流工况,RSM模型的计算效率较高,LES等尺度解析模型的准确性较好。研究成果可为进一步提高侧式进/出水口计算精度提供参考。

考虑水力连通性的水系连通评价指标体系构建与应用

在水系形态特征与水系结构连通性基础上,增加了包含水工建筑物数量、下游收水量和换水周期在内的水力连通性评价指标,构建了更加全面的水系连通评价指标体系。通过层次分析与熵权法相结合的综合评价法确定各指标权重,并利用该评价指标体系对廊坊市北运河-永定河区域水网3种水系连通方案进行了评价,得到最优水系连通方案。评价结果表明,构建的评价指标体系能够更加全面地表征水系连通情况,可用于河网水系连通评价。

基于改进贴近度法的水质监测点优化布设

贴近度法作为一种系统优化方法已被广泛应用于水质监测点优化中,然而此方法存在几方面的问题:一是仅考虑空间因素而未考虑时间因素对区域监测重要性的影响;二是用各指标监测数据平均值进行计算,从而导致聚类效果较差;三是未考虑指标权重对测点优化布设的影响。为此,将层次分析法与贴近度法相结合,提出了基于改进贴近度法的水质监测点优化布设方案。应用此方法对某引水明渠水质监测点进行优化布设,结果表明,改进方法有效提高了聚类效果,易于进行水质监测点的排序与分类。

进出水口双向流动结构流速分布与脉动规律研究

抽水蓄能电站水道系统侧式进出水口因内部分流隔墩等导致流动复杂,其内部双向流动规律尚不清晰。本文以某实际工程进出水口为基础建立典型进出水口试验装置,利用先进的流速量测仪器进行试验研究。基于粒子图像测速技术(PIV)量测结果,揭示了侧式进出水口内部双向流动规律,出流工况,中孔扩散段内形成明显的主流且位于孔口中部,扩散段及调整段顶部形成低流速区,边孔扩散段内主流不明显;进流工况,中孔及边孔调整段顶部存在低流速区,水流汇入扩散段后流速分布趋于均匀。基于声学多普勒测速技术(ADV)量测结果,揭示了拦污栅断面脉动流速规律,出流工况,其脉动流速很大,流速脉动值可达到时均值的1.8倍,有别于脉动值较小的一般规律;进流工况,其脉动流速较小,符合脉动值绕时均值上下波动的一般规律。研究成果将为优化进出水口体型参数和分析引起拦污栅振动破坏提供理论依据。

基于BP神经网络的调水工程调蓄水位预测模型

在调水工程中,如果泵站站前水位过低,会危及泵站安全,如果水位过高,会危及周边安全,因此探寻调水工程中河渠湖库水位变化显得尤为重要。以南水北调东线山东段南四湖为研究区域,寻求不同起调水位、出入流量、泵站开启时间差的调水方案下泵前水位变化规律。先利用耦合模型对不同的调水方案进行数值模拟,然后选取23组调水方案及其数值模拟所得的泵前水位作为样本训练BP神经网络,建立BP神经网络调蓄水位预测模型并进行验证,最后利用预测模型对不同调水方案进行泵前水位预测。结果表明,BP神经网络预测模型具有很强的预测能力,预测模型结果与耦合模型结果泵前水位基本吻合,水深相对误差小于9.15%,而模型计算效率提升96.67%。