白马关流域洪水模拟及参数优化研究

为提高山区洪水的模拟精度,以北京市密云区白马关流域为例,采用分布式水文水动力模型(HH模型)模拟2017~2022年降雨—径流过程,选取6场典型场次洪水,利用ε-NSGAⅡ多目标优化算法对HH模型的关键参数进行优化。结果表明,率定场次洪水的纳什系数介于0.89~0.96之间,洪峰流量误差达20%以内,洪量误差达15%以内,峰现时差在1 h以内;验证场次洪水的纳什系数介于0.81~0.92之间,洪峰流量误差达20%以内,洪量误差达10%以内,峰现时差在1 h以内,HH模型参数优化后对白马关流域场次洪水的模拟效果较好。最后提出了适用于白马关流域洪水模拟的关键参数阈值范围,为当地山区水文模拟参数优化提供了科学的理论依据。

近松散层采掘抗渗透破坏评价方法Ⅱ:水力坡度解析法

采掘诱发裂隙导通顶板上覆含水砂层中产生的水力坡度是渗透型溃砂的关键判断依据之一,但是,到目前为止主要是采用定流量下的稳定流水力坡度表达式计算,而实际上,上覆含水层中水动力条件和涌水量在溃水溃砂过程中都是非稳定的。本文依据非稳定流理论,给出了二维潜水、承压水单井定降深模型下的水力坡度J的解析公式,并分析了J随时间和距离的演变特征。结果表明,对于潜水,J随与井的距离r的增加而下降,下降速度随r的增加而减小;存在拐点r′,当r<r′时,J随时间延长而下降,在r>r′时,J随时间延长而增加;随着地下水头H 0的增加,J是增加的;本文获得的潜水的非稳定流条件下的J大于潜水稳定流的J。对于承压水,J随r的增加而下降,下降速度随r的增加而减小;与潜水不同的是,在不同r处,J随时间延长而下降,不存在拐点;随着H 0的增加,J是增加的;本文获得的承压水的非稳定流条件下的J不总大于承压水稳定流的J。最后,在伊犁河谷某矿对本文方法进行了初步应用。

二维承压非稳定流水均衡区间的数值模拟

由于水文地质条件的复杂性和建模工作投入的有限性,地下水数值模型往往存在不确定性。近50年来,随机方法是其不确定性分析的主要方法之一。区间不确定性与随机不确定性不同,是将水文地质参数等看做区间(范围),而不再考虑其随机特征。从区间不确定性角度出发,以非稳定二维承压水流为例,提出了在已知水文地质参数等为区间的情况下,基于一阶摄动展开的地下水均衡项区间的数值模拟方法。基于地下水流和污染物迁移三维数值模拟程序GFModel实现了这种方法。算例分析表明,本研究方法当参数变化率在0.1以内的时候,偏差相对误差整体上可以控制在10%以内,该方法的计算效率明显高于等间距连续采样法。该方法的结果中不包含随机统计信息,但在已知水文地质参数等为区间的情况下,计算出水均衡项的区间,将能在地下水资源的利用和保护决策中提供一定的理论依据。

变径抽水井降深和涌水量关系的混合井模型

抽水试验是确定含水层水文地质参数和评价地下水资源的重要手段。对于单井抽水试验分析,现有井流模型假定抽水井的直径不随深度变化、含水层为单一的潜水或承压含水层,未考虑抽水井变径及穿越多个含水层的情况。建立多含水层异径抽水的稳定态混合井流模型,假设地下水仅发生水平流动,推导出了抽水井涌水量与降深关系的理论解析公式,探讨根据变径抽水井的单井稳定流抽水试验获取含水层参数的方法,提出了承压含水层段抽水井等效半径精确解和替代半径计算公式。把混合井流模型用于分析淄河源区的傍河抽水试验,根据3个流量的阶梯式抽水试验数据确定了涌水量Q w与降深s w的抛物线型关系,预测允许降深s w为25 m时抽水井涌水量为4093.8 m 3/d,反算得到潜水含水层渗透系数为1.88 m/d,用替代半径计算的承压含水层渗透系数约为0.43 m/d,相对误差小于5%。混合井模型为多含水层抽水井的涌水量预报提供了理论依据,其适用性也受到假设条件的限制。在完整河情景下忽略三维流将导致反求的渗透系数偏大,在非完整河情景下解析解反求的渗透系数则偏小。

安徽巢湖水文地质测绘实习教学方法探讨

水文地质测绘实习是水文与水资源工程、水文地质专业能力培养的重要教学环节。以安徽省巢湖野外实习基地为例,通过对基本水文地质现象的野外实地考察和现场实践,使学生获得感性知识并加深对课堂理论教学相关内容的认识和理解,培养和提高学生的动手能力和分析问题、解决问题的能力,学会典型水文地质现象的观察、描述、综合分析的基本方法,进而达到提高学生综合素质的目的。

渗流-水平井流耦合数学模型和数值模拟

在有侧向流入(流出)的水平井流运动和连续性方程的基础上,建立了渗流与水平井流耦合数学模型,主要针对混合水头损失问题,进行了渗流与水平井流耦合数值计算,分析了常用的摩擦系数修正方法对计算结果的影响。数值模拟计算表明:层流或者光滑紊流流态时,不同的摩擦系数修正方法对结果影响较小;粗糙紊流流态时,不同的摩擦系数修正方法对结果影响较大。当水平井流是层流-光滑紊流流态时,使用了一种新的流态分界点识别方法对水平井流态进行判断,计算结果证实了方法的可靠性、合理性。

模糊信息分配法在裂隙结构面特征统计中的应用

针对传统裂隙结构面特征分析中未考虑样本过渡信息的不足,将模糊信息分配法应用到裂隙结构面特征分析中。介绍模糊信息的基本原理、一维及二维模糊信息分配公式和模糊信息矩阵,阐述基于模糊信息分配法的裂隙结构面玫瑰花图、极点图、等值线图和模糊频率直方图的绘制方法。使用该方法对实际野外调查的裂隙产状和间距数据进行分析,并对比传统方法统计结果,研究结果表明:该方法所得结果的统计特征更加明显和准确;方法提取样本点的过渡信息,避免统计结果受样本点波动的影响,具有更好的稳定性。

基于ArcEngine网络模型的水资源优化配置系统开发

把ESRI公司的ArcEngine(ArcGIS Engine)组件库中的网络模型应用到水资源优化配置系统开发过程中。重点介绍了ArcEngine网络模型的体系结构、关键技术、开发步骤。以ArcEngine网络模型在南水北调中线河南受水区水资源优化配置系统开发中的应用为例,对具体功能的实现做出了分析。开发实例表明,ArcEngine网络模型在水资源优化配置系统开发中充分发挥了GIS的空间分析功能,实现了系统中GIS模型和专业模型的耦合。

南水北调中线河南受水区水资源优化配置研究

介绍了南水北调中线河南受水区的概况,分析了受水区水资源开发利用中存在的问题,以及规划水平年的供需水情况,建立了受水区水资源优化配置模型,探讨了交互式多目标决策方法、大系统分解协调技术、遗传算法相结合的模型求解方法,并对结果进行了分析。优化配置结果表明:受水区水资源供需矛盾基本解决,缓解了地下水的开采压力。最后讨论了研究过程中的一些问题。

西南岩溶地下河系统水流运动数值模型

为深入认识地下河系统水循环规律,针对与周围空隙介质有密切水力联系、分布于饱和带中且具有集中排泄的地下河系统,建立了水文地质概念模型。阐述了该类型地下河系统中不同含水介质水流运动特征及相应的运动方程,给出了数值模型中方程和空间离散方式及模型的求解方法,分析了数值模型中孔隙水和裂隙水自由面、管道有压和无压转换、管道层流和紊流转换、计算时间尺度及落水洞问题,并提出了具体处理方法,编制了水流数值模拟程序UGRFLOW09。将其应用于贵州省后寨地下河子系统水流运动模拟,模型拟合相对误差为12.2%,表明该模型达到了许可的精度范围,可应用于地下河系统。

弥散尺度效应的试验研究进展及展望

水动力弥散尺度效应问题是地下水中污染物运移研究的重要内容,针对国内外的弥散尺度效应研究,分别从室内和野外两个方面对弥散尺度效应试验研究进行综述。统计了室内试验各影响因素产生弥散尺度效应所占的比例,并根据表格数据分析造成弥散尺度效应的原因。最后,提出弥散尺度效应的试验研究展望:(1)验证弥散尺度效应的存在性;(2)研究弥散尺度效应的产生机理;(3)弥散尺度效应的定量化研究。

地下水流量衰减方程研究进展及展望

地下水流量衰减分析是水文地质学和水文学的一种重要方法,衰减方程的研究又是衰减分析研究的重要内容。对基于含水层水流方程、流域蓄-泄关系和经验关系的地下水流量衰减方程进行了归纳总结,共整理了16个较常使用的衰减方程,阐述了每一个衰减方程的由来、方程参数含义及其应用情况,其中指数衰减方程应用最为广泛。最后提出了研究展望:(1)研究水文地质条件与衰减方程的对应关系;(2)新衰减方程的研究;(3)采用数值试验方法进行衰减方程的研究。

基于极值的交互式多目标决策方法

针对多目标求解过程中决策者不易参与,求解方法过于复杂的问题,以单目标极值为基础,以交互式决策模型为核心,提出了一种基于极值的交互式多目标求解方法。该方法能充分体现决策者的主观愿望并实现决策者与决策模型的信息交换,避免了在多目标向单目标转换时各单项目标或各目标满意度权重系数确定的困难,对非劣解的比较更加客观、清晰。实例计算表明该方法结果合理、交互过程简单、决策者容易参与问题求解,是一种便于推广的求解方法。

开放式遗传算法及其在水资源优化配置中的应用

在分析遗传算法求解过程中对不可行个体处理方法的基础上,提出开放式遗传算法,即在传统遗传算法中加入一个必要的基本过程——修正,用来处理交叉、变异产生的不可行个体.介绍了开放式遗传算法的基本流程,并使用两个优化模型进行算法性能测试.采用开放式遗传算法对南水北调中线河南受水区内郑州市水资源进行优化配置,结果表明,该算法能够有效地处理不可行个体.

基于承压-无压水公式的区间涌水量预测

针对矿井涌水量计算过程中存在不确定性的问题,从区间不确定性角度出发,基于非概率集合理论,推导出了采用经验公式计算影响半径和根据观测资料给出影响半径这两种情况下承压-无压水涌水量区间解析表达式,定量刻画了参数的区间不确定性下涌水量的区间响应,实现了从确定型计算公式到区间不确定性型计算公式的转变。通过对比蒙特卡洛法得到的实际区间上下限和推导出公式计算的上下限,分别给出了两个区间涌水量预测公式计算结果相对误差的绝对值控制在5%和10%以内时,相应变量的允许变化率,分析结果表明:公式一计算最大(最小)涌水量的相对误差为5%和10%时,变量的允许变化率分别为0.18(0.08)和0.28(0.12);公式二计算最大(最小)涌水量的相对误差为5%和10%时,变量的允许变化率分别为0.08(0.05)和0.12(0.08);在相同误差要求下,两个公式计算最大值时的允许变化率高于最小值时的允许变化率,这对计算矿井涌水量的上限有利。这为矿井涌水量计算提供了一条新的途径。

西南岩溶地区地下河系统流量衰减系数的时变特征

鉴于衰减系数是流量衰减分析过程中的关键参数,在给出瞬时衰减系数、名义衰减系数定义的基础上,研究了两种衰减系数的时变特征,据此分析了后寨地下河系统实测流量(冒水坑站和老黑潭站)数据。结果表明,在全部衰减时间内,瞬时衰减系数整体上随时间增加而变小,在每一个衰减段内其数值也是整体变小的;瞬时衰减系数的第一衰减段变幅大于第二衰减段,第二衰减段大于第三衰减段;第一衰减段变化速度大于第二衰减段,第二衰减段大于第三衰减段;名义衰减系数与瞬时衰减系数具有类似的时变特征。

VCH地下水污染风险评价模型构建及应用

将人体健康作为风险因素之一的地下水污染风险评价模型,其风险路径分析过程表现模糊,为了能够解决这一问题。该文建立了VCH(Vulnerability&Capacity&Health)地下水污染风险模型,其特点表现在包含了地下水脆弱性评价、地下水环境容量评价和地下水健康风险评价且模型风险路径计算过程清晰。为了验证该文提出的VCH模型的合理性,该文以富平热电厂厂址附近的水文地质资料为基础,采用该模型风险计算方法评价研究区的地下水污染风险。结果表明:研究区地下水污染风险等级整体处在较低风险等级以下,且处于较低风险等级面积占研究区总面积的79.01%,而中等风险仅占3.67%,研究区其余部分均为低风险,该次地下水污染风险评价结果为研究区地下水污染防治及地下水规划利用提供依据。另外,该模型为区域地下水污染风险评价提供了借鉴方法。

基于三次B样条函数的非线性PLSR分析及其在泉流量预测中的应用

地下水系统内部及其外界环境中的各种要素之间往往存在复杂的多重共线性和非线性,这是在建立统计模型时遇到的2个主要难点。介绍了基于三次B样条函数的非线性偏最小二乘建模方法和进行非线性结构分析的原理,分析了存在变量相关性的条件下该原理的适用性,并将其应用于黑龙洞泉流量的预测分析中。应用结果表明:模型拟合阶段平均误差7.6%,检验阶段平均误差11.2%,该方法能有效地处理建模过程中的多重共线性和非线性问题,并可进行非线性结构分析。

基于Legendre逼近的地下水位概率密度函数推断

采用Legendre正交多项式最佳平方逼近的地下水水位概率密度函数方法,进行自然状态下地下水水位数据分析,同时采用软频率直方图分析概率密度函数的可靠性,并与经典分布概率密度函数作对比。研究结果表明:该方法直接利用样本矩信息,不需要先进行概率密度函数类型推断,计算简单、结果稳定,能有效逼近概率密度函数,可用于求解天然条件下地下水水位的概率密度函数。

区间型单井承压水Dupuit求参公式

针对抽水试验确定水文地质参数存在不确定性的问题,从区间不确定性角度出发,基于非概率集合理论,推导出了单井承压水Dupuit求参公式的单变量和多变量区间解析表达式,即15个区间型单井承压水Dupuit求参公式,实现了从确定型求参公式到区间型求参公式的转变。通过对比蒙特卡洛法得到的实际区间上下限和推导出的公式计算的上下限,给出了这15个区间型求参公式计算结果相对误差的绝对值控制在10%以内时,相应变量的允许变化率,即各种情况下,允许变化率的最大值为1,最小值为0.1。实例应用结果表明,推导出的区间型求参公式可方便可靠地计算出渗透系数的区间响应,为地下水计算的不确定性研究提供了一种新途径。