南水北调中线冬季冰情变化特征及输水能力提升策略研究

南水北调中线工程冰期输水能力受限已成为制约工程安全运行和社会效益发挥的巨大障碍。认识和辨析通水以来中线干渠冬季水温冰情演变规律及影响机理,是中线干渠冬季输水能力提升亟需解决的关键问题。本文基于2011—2023年中线干渠连续12个冬季的气象、水力、冰情等原型观测资料,分析了中线干渠水温冰情时空分布本底和特征规律,明晰了影响中线干渠冰凌生消的关键因素,针对性提出了冬季输水能力提升的相关应对策略。分析表明:通水以来冰情发生的范围和时间相比理论预想偏小、偏短,冰凌影响区为七里河倒虹吸至北拒马河暗渠段,冰塞风险区为滹沱河倒虹吸至北拒马河暗渠段,多年平均冰厚15 cm,历史极端冰塞厚2.9 m,冰凌壅水最高值0.73 m;干渠冬季水温由南向北递减,依次出现岸冰、流冰和冰盖,日均气温转负后相应的断面平均测量水温在2.5、1.0和0.25℃左右,且沿程水温下降速率与流量和气温呈负相关,即增大输水流量可减缓水温下降速度;影响冰凌生消的关键因素是气温、流量、太阳辐射和风速,典型年如2016年的严重冰情与1月低累计负积温、大输水流量和短时寒潮叠加有关,漕河等渡槽失温快产冰量大与风速密切相关。基于上述分析,未来可考虑结合气象、水情、冰情实时监测和智能预警预报,建立水温-水量-水力协同调控和动态调度技术体系,重点从缩短冰期输水时长、降低冰情影响范围、优化关键控制指标和挖潜渠道防冰塞性能等多方面全面提升南水北调中线工程冬季输水能力。

基于全气象参数的南水北调中线冬季水气热交换模型

针对南水北调中线干渠水体表面热交换精细模拟技术欠缺和多气象因素相互作用机理不明等关键问题,考虑太阳高度角、日照时间、云层遮挡和反照率等因素对太阳辐射的影响,并综合分析水体吸收、反射和发射的净长波辐射、涵盖水体蒸散发失热、水面温差引起的热传导和降雪引起的失热,建立了基于全气象参数的大型明渠水气热交换数学模型。结合南水北调中线全线通水后5年的冬季水温、气温、相对湿度、气压、风速、太阳辐射等原型观测资料,重点分析和模拟了典型年北拒马河、漕河渡槽和滹沱河倒虹吸等渠池的净热通量量值及其组分占比。结果表明,模型能够精细模拟不同渠池水体逐小时吸收的太阳辐射、释放的长波辐射、蒸发失热和水气热传导。模拟结果和观测资料均显示中线干渠冬季以失热为主,其中太阳辐射对净热通量的贡献最大,其次分别为长波辐射、蒸散发失热、温差引起的热传导,占比分别为43.1%、30.9%、17.2%和8.8%。本文量化了中线干渠冬季热通量组成,为进一步研究中线水温冰情精细模拟和输水能力提升提供了基础。

核电厂二次循环冷却水泵房流道水力特性优化研究

二次循环冷却技术是内陆核电建设的关键技术和重点研究方向,泵房流道内良好的水力特性对循环冷却水系统的安全、高效运行至关重要。结合世界首个采用超大型高位收水海水冷却塔二次循环冷却技术的核电项目,开展了循环水泵房流道物理模型试验,模拟分析了流道内流态、水力特性和启停泵过程的水位波动。试验结果表明:采用高位收水冷却塔的二次循环冷却水泵房具有“大取水流量、前池侧向进水、有限容积、高位布置”等特点,在不采取整流措施的条件下,流道内流速分布不均匀,吸水室内偏流严重,吸水喇叭口前存在预旋流,水泵吸水管涡角偏大,影响循环水泵的安全稳定运行。优化方案针对性提出“前池墩栅阵列分水整流+吸水室墩墙联合均流消涡”组合措施,改善了流道和吸水室内流态,满足了循环水泵平顺、均匀进流的要求。此外,根据启停泵水位波动的试验结果,给出了系统充水的最高静水位和启停泵间隔周期建议。研究成果可为后续核电厂二次循环冷却水系统的优化设计提供参考。

TBM引水隧洞施工模拟管片力学特性影响因素分析

为探究不同影响因素对引水隧洞施工过程管片位移和应力的影响,以榕江-关埠引水隧洞工程典型区间段为例,建立“围岩-管片-内张钢圈”组合结构的三维精细化有限元模型,模拟引水隧洞工程的施工开挖过程,研究隧洞埋深、围岩类型和注浆体刚度3个因素对施工期管片力学特性的影响。结果表明:TBM引水隧洞施工开挖过程中管片位移随着开挖环数增加而逐渐增大,减小隧洞埋深、增强围岩类型(Ⅴ类→Ⅱ类)和增强注浆属性将会降低管片的位移,其最大值分别为1.670 mm、1.406 mm和1.863 mm;管片压应力随开挖环数增加而逐渐增大,拉应力呈先减小后增加的趋势;增大隧洞埋深、降低围岩类型(Ⅱ类→Ⅴ类)和削弱注浆属性将会增加管片的应力,其中管片压应力最大值分别为5.765 MPa、4.833 MPa和6.165 MPa,均满足规范要求。在实际工程中,建议对埋深大和围岩质量差的隧洞工程重点监测,研究结果可为类似的引水隧洞工程提供参考。

雪覆盖下冰盖的热力增厚和消融

雪覆盖下冰盖的热力增厚和消融是急需研究的问题,对于冬季降雪频繁地区开河预报、冰凌洪水风险分析具有重要的实用价值。基于雪盖和冰盖的热力条件是准稳态假设,建立了冰盖热力增厚和消融速率与雪厚、冰厚、大气传递给雪面的净热通量和水体传递给冰底面净热通量的函数关系,包括:太阳辐射、反射和透射,雪面和大气的长波辐射,雪面蒸发-对流,河床地温等因素。提出了雪面温度和冰盖垂向温度分布的理论公式及冰盖热力增厚和消融发展过程的数值计算模型。最后,以黑龙江漠河段实测的冰情为例,验证了所提冰盖热力增厚和消融数学模型的实用性,并分析了一些重要参数随时间的变化特点。

长江源区年际冰水情变化及其影响因子分析

受限于高寒山区地形、气候和环境条件,目前关于长江源区河流的冰水情研究较少,源区降雨径流年际变化和冰盖分布等规律不明确。为了明晰长江源区水文与水资源现状和冰水情本底,本文收集整理了2006—2018年沱沱河和直门达水文站近十年的降雨、蒸发、径流、水温、气温和冰厚资料,采用统计分析、线性回归、单一因子分析和相关性分析等结合的研究方法,重点揭示了源区河流流量、冰期和冰厚现状、其年际变化特征和主要影响因子。研究表明,源区河流洪峰年际波动范围超50%,洪峰集中在7—9月,非汛期流量仅为汛期流量的1/7,非汛期流量年际波动小于汛期,且直门达站水位流量年际变化幅度小于上游沱沱河站;沱沱河站冰期持续时间7个月,而下游直门达站冰期为5个月,多年平均冰盖厚为0.15 m,造成两站冰情差异的主要原因是源区垂直地形急变引起的高程差;源区降雨量年际波动与年际径流波动一致,蒸发量年际波动仅为降雨量的一半,因此两站流量的年际波动受降雨影响较大。长江源区降雨和气温变化是冰水情变化的主要驱动因子,与源区河流的地形高程密切相关,亟需系统的科考进一步明晰长江源冰水情时空变化规律。

基于多尺度卷积神经网络的管道泄漏检测模型研究

如何有效检测管道泄漏是节水型社会建设迫切需要解决的关键和热点问题之一。近年来基于深度学习的管道泄漏检测方法发展迅速,本文针对传统单尺度卷积神经网络对泄漏特征提取不充分的问题,提出一种基于多尺度一维卷积神经网络(MS1DCNN)的管道系统泄漏检测模型。该方法利用多个不同卷积尺度的卷积通路并行提取管道泄漏的特征并进行泄漏信息的分类预测。基于经典的管道系统布置,利用瞬变流模型生成管道泄漏工况下的三个水压数据集对模型进行验证,三个数据集分别用于预测管道的泄漏位置、泄漏量和非恒定摩阻系数,对应样本数为39601、3980、4900,并将预测结果与其他深度学习方法和传统的机器学习方法进行对比分析。结果表明:MS1DCNN模型对数据集样本下泄漏位置、泄漏量、非恒定摩阻系数的分类准确率达到99.96%、98.48%、100%,三者平均预测精度比传统一维卷积神经网络(1DCNN)、BP神经网络、支持向量机(SVM)和k近邻算法(KNN)提高0.31%、2%、1.27%、22.8%;MS1DCNN在信噪比为-4~12 dB的噪声环境下各数据集的平均F_(1)分数分别为99.2%、97.02%、100%,三者平均值分别比1DCNN、BP、SVM、KNN模型提高0.61%、2.3%、2.78%、28.59%,证明了MS1DCNN模型的预测性能。本文方法在管道泄漏参数、非恒定摩阻的同步预测方面有一定的潜力。

南水北调中线工程冬季输水冰情的数值模拟

南水北调中线工程总干渠是由明渠和各种过水建筑物组成的树状系统,特点是线路长、过水建筑物类型多、冰水动力学响应过程复杂。本文将冰情发展模型与树状明渠系统复杂内边界条件下的渠道非恒定流模型进行集成耦合,开发了大型长距离调水工程冬季输水冰情数值模拟平台,提出了树状明渠系统复杂内边界条件的等效变换方法和计算冰盖前缘动态发展的虚拟流动法。根据实测的沿线气象资料和设计资料,利用该平台系统模拟了在寒冷气温条件下总干渠初冰、冰盖形成、发展和消融过程。分析了冬季输水的冰情特性及冰期输水能力,提出了冰期安全运行的水力控制条件,通过对典型年总干渠敞流期、冰盖形成期、稳封期、调度期以及开河全过程的模拟,给出了安全运行输水调度方案及建议。

河渠冰水力学研究进展和趋势

从河渠冰水力学基本理论7个方面(水热循环机理、流冰形成输移扩散机理、锚冰岸冰形成发展释放、封河冰塞机理、开河冰坝机理、水工建筑物冰塞机理、水冰沙互馈作用机理)、河渠冰情预测预报及过程模拟、河冰关键参数观测技术与装备等层面介绍了国内外的河冰水力学研究的主要进展和动向,剖析了当前科学研究和工程应用研究中存在的难题,并从理论和技术角度阐明了相关原因并指出方向.总结提出了河渠冰水力学未来需要重点开展的研究,如在河渠冰水力学基本理论拓展方面,应进一步完善现有河冰理论框架,尤其是河流锚冰生长和释放过程、卡冰和初始冰盖形成的热力-动力-地形特征影响的定量化机制、复式断面冰盖下水力特性和河冰运动与岸滩侵蚀过程中的水冰沙耦合作用机理等;在变化环境下的冰情预报方面,应多尺度结合,进一步探索中长期气候变化或短期极端情况对北方河流冰情的影响,尤其是研发不同尺度区域、长短期结合的水文-水力预测预报模型技术,对于科学研判河流冰情未来情势具有指导意义;在冰凌灾害全过程监测与防控技术装备方面,应进一步研发能反映冰塞内部渗流、冰塞内摩擦力以及冰塞冰坝内部反映其演化过程的关键监测传感器和装备,弥补现有观测的不足;在冰湖溃决模拟等方面,应加大观测力度并多学科交叉,注重开展低温条件下冰湖溃口演化的机理试验探索,尤其是研究水流冲蚀溃口冰碛土下切和坍塌过程等.

管道系统泄漏检测的瞬变水击压力波法

管道系统的泄漏影响着瞬变水击波波形的畸变和衰减特性,比较研究了两种阀门关闭激励速度对管道泄漏瞬变检测精度的影响.在此基础上,基于阀门部分快速关闭,提出管道系统泄漏检测的瞬变水击压力波法,即利用第一个瞬变压力波波形上的间断点时刻定位泄漏位置,间断点衰减幅值辨识泄漏量,并通过不计算管道内部计算断面的特征线法理论推导出了泄漏量参数与该衰减幅值之间的关系式.给出了该方法的检测步骤,并对该法进行了数值验证.仿真结果表明该方法简单、有效.

管网故障水力瞬变检测实验系统研发

为克服传统管网故障检测系统模型校验误差较大及基于恒定流模型检测的不足,尝试基于瞬变流模型方法设计开发一种能够兼顾模拟泄漏孔、局部阻塞在内的管网实验平台系统,用于水力建模的校验测试和故障检测,并提出相应故障辨识方法。该平台包括常规供水水箱、简单管网、实验控制系统、变速泵、管网故障模拟装置、低强度瞬变流激发器等,以RSView组态软件为基础研发了管网故障水力检测实验平台的SCADA系统,实现水位、流量、压力和阀门激励动作等计算机自动控制以及实时监测和采集。其中新的可控式低强度瞬变流激发器可取代传统阀门,能够产生阀门关闭激发瞬变水击波的类似效果,克服了传统管道试验平台末端关阀造成的水锤压力波动过大和不易控制的缺点。该实验平台拓展了管网实验室故障控制模拟和检测的思路,为支撑和推广实用化的智慧供水管网及故障检测技术研究提供了手段。

管道泄漏检测全频域法试验验证及抗噪性研究

本文通过实体模型试验,将作者提出的全频域方法检测管道泄漏技术应用到泄漏参数的辨识中,以验证方法的可靠性。结果表明,该方法检测泄漏流量误差小,定位精度高。对全频域法辨识的结果进行了讨论,指出阀门关闭时间相对较长可能无法获得足够的激励压头峰值,建议该法在应用中利用阀门快速关闭产生瞬变信号。分析了阀门边界处理方式对频域数学模型的影响,指出阀门激励产生的流量变化一般不能简单的视为脉冲函数,应考虑其变化曲线形状对水力瞬变的影响。最后研究了全频域模型的抗噪性,结果表明泄漏检测全频域法具有较高的抗噪声干扰能力。

管道系统漏损控制技术进展

为了提高供水效率和运行管理水平,针对国内外关于供水管道系统漏损控制方面的现状,从管网故障监测技术及设备、泄漏定位模型方法、信号辨识与算法寻优、健康维护和智能管理等视角梳理了管道系统泄漏监测与漏损控制技术的进展及存在的主要问题,分析了各检测方法用于管网泄漏问题的适用性。在此基础上,从实用角度提出了管网漏损控制值得解决的关键问题和方向如下:(1)针对漏损的监测和预警,应研究面向漏损监控的管网网络组建优化布置及快速预警技术;(2)针对小泄漏的定位模型,应研究管网漏损区域辨识与基于水力反问题分析的主动检测理论和方法;(3)针对检测设备研制,应重点研发基于探地雷达、光纤传感和内窥机器人等新技术的关键设备;(4)针对管网健康维护和智能管理,应研究复杂管网独立计量区域划分方法及管网健康评价和优化维护技术。

管道泄漏检测的水力瞬变全频域数学模型

输水管道泄漏孔的存在及其位置直接影响着系统压力波形的畸变和衰减特性,通过分析有、无泄漏时任意位置处的压头频域特性可使泄漏检测成为可能。在考虑非恒定摩阻影响的基础上,提出基于水力瞬变全频域数学模型的泄漏检测反问题分析方法。用拉氏频域变换处理边界条件和实测数据,并将遗传算法用于频域反问题模型的求解,在寻优速度上比传统的瞬变时域分析的方法有了较大的改善。算例表明基于水力瞬变全频域数学模型分析的管道泄漏检测是一种有效的新方法。

调水工程变比例三维视景仿真系统构建技术

以长距离输水工程为背景,重点研究了构建三维大地形视景仿真系统的实现技术。针对视景仿真技术在水利领域应用要求的特点,提出了变地形比例的处理方法,并在VC++平台下编译开发了一个虚拟现实的应用程序。实验结果表明,通过大地形的生成、变比例拉伸和调度优化,系统能够在普通PC机上流畅的实时漫游并能弥补仿真中视觉局限的不足,从而更好地为科学选线和工程决策提供依据。

输水管道泄漏的探地雷达检测原理和现象机理分析

基于探地雷达检测输水管道泄漏是近年发展起来的一种很有前景、实用性很高的无损检测技术,国内在这方面的研究处于起步阶段,尚缺乏仪器设备研发和对漏水的现象、机理与反馈图像的比对研究。本文搭建了输水管道漏损雷达检测试验平台,开展了输水钢管漏水试验和检测试验,对比研究了无泄漏、有泄漏以及泄漏后、泄漏时等工况下典型测线雷达回波图像的异同,并反演了漏水工况的泄漏范围。结果表明:当管道泄漏后,泄漏水引起管道周围土壤介电常数显著变化,湿沙状态下平行管道测线雷达回波下移,呈明显的“V”型,垂直方向测线的回波双曲线形态更加陡峭,斜率更大,该畸变规律有利于锁定大致泄漏范围。“箭形回波”和“孔下回波”是区分管道泄漏时和泄漏后的雷达回波关键典型特征,尤其较为清晰的孔下回波亮斑是正在发生小泄漏的典型回波图像特征,且具有规律性。对于管道不停水泄漏的检测,如能辨识出箭形回波和孔下回波,即可实现泄漏的快速定位。试验验证了利用探地雷达检测输水管道泄漏的有效性,并为漏损探地雷达检测设备和软件的研发提供支撑。

管道泄漏检测中瞬变流非恒定摩阻模型的研究

基于瞬变流反问题分析,管道泄漏检测首先需要准确模拟管道的非恒定流。非恒定摩阻和管道泄漏两个因素都直接影响着瞬变水击波形的畸变和衰减特性。本文详述了近年来几种代表性的非恒定摩阻模型,并根据实际工程需要研究了与瞬时加速度相关的IAB模型,给出了离散网格和求解方法,将其应用于文献数据和物理模型试验,压力波形对比表明该模型比传统水击模型更能精确的模拟水击波的衰减,但是鉴于实际水击过程中壁面切应力的复杂性,此模型仍然不能完全真实的反映水击实测波形的全貌,IAB模型中的摩阻系数仍需要现场率定。

基于阈值自学习小波算法的压力信号去噪方法

提出了信号预滤波结合阈值自学习小波去噪的综合滤波方法。该法通过对恒定状态下带噪压力信号阈值自学习使得重构信号与期望输出均方误差最小来获得单一工况下的最佳去噪阈值,再将此阈值用于同一工况下整个时间段信号的去噪,不同工况下得到不同的最佳阈值进而获得最优输出。数值计算对比证明,该方法对噪声抑制作用明显,比传统小波去噪、改进神经网络去噪等方法效果更好。

基于瞬变流和遗传算法的管道泄漏辨识

输水系统管道的泄漏影响瞬变水击波波形的畸变和衰减特性,对泄漏的定位和定量是泄漏辨识研究的重要环节。考虑水力瞬变中非恒定摩阻的影响,将泄漏参数反映在建立的管道瞬变流时域数学模型中,给出离散网格和求解方法,分析不同泄漏参数对瞬变水击波的影响,用遗传算法结合瞬变流时域模型的特征线法最小化管道测点压力实测和计算响应值的均方误差来辨识泄漏参数,其中实测信号首先经过预滤波和小波去噪处理。通过模型试验对瞬变流数学模型和泄漏反问题分析模型作了率定和验证,结果表明此法能有效的辨识出小泄漏参数,并且检测信号主动,阀门扰动可操作性强。

泄漏检测信号滤波技术比较

通过泄漏检测模型试验分析测量信号中的噪声来源,在对比研究传统小波去噪、改进神经网络去噪、最小二乘拟合去噪等方法在实测数据中去噪效果的基础上,借鉴神经网络反向传播学习算法的思路,提出了信号预滤波结合阈值自学习小波去噪的综合滤波方法。该方法通过对恒定状态下带噪压力信号阈值自学习使得重构信号与期望输出均方误差最小来获得单一工况下的最佳去噪阈值,再将此阈值用于同一工况下整个时间段的去噪,这样根据不同工况下得到的最佳阈值可以获得最优输出。数值计算结果比较表明该方法对噪声的抑制作用明显,比传统小波去噪、改进神经网络去噪等方法效果更好。