数字孪生丹江口工程水质安全“四预”平台研发及应用

丹江口水库水域面积广,深度大,污染来源分散且类型多,水库水质保护管理难度极大。为支撑水库水质超前预测预警,提高对突发污染事件的应对能力,基于新一代信息技术,在汇集海量监测数据的基础上,研发高效高精度水动力水质机理模型、水质在线动态推演技术、水质浓度场三维仿真技术,模拟库区水流三维运动及污染物扩散过程,研发具有水质监测分析、在线推演、预警分析、态势预演、预案管理功能的水质安全“四预”平台,并成功应用于2021—2022年旱涝急转条件下丹江口水库总磷变化趋势及污染风险分析等实际管理工作,为中线水源工程供水水质保障管理提供有力支撑。

数字孪生丹江口水质安全建设挑战与举措

丹江口水库是南水北调中线工程水源地,担负着“一泓清水永续北送”的重任。结合丹江口水库特点和现状,剖析数字孪生丹江口水质安全建设面临的短板、机遇与挑战,提出了水质安全建设总体框架,阐述了数据底板建设、模型与知识库扩展、业务应用支撑等主体建设内容与核心技术,总结了水质安全建设特色与亮点。研究可为高质量开展南水北调中线水源工程数字孪生建设提供支撑,为其他水源水库水质安全数字孪生建设提供经验借鉴。

水库水温研究进展及趋势

水库水温时空分布的变化对库区及下游河道环境及水生生态系统等产生重大影响,水库水温研究对库区及下游河道生态环境保护具有重要意义。回顾了国内外水库水温研究历程,介绍了主要的水库水温结构判别方法和水库水温研究方法,重点论述了水库水温机理性模型与智能算法模型的最新动态及前沿进展,总结归纳了水库水温分层特性、生态环境影响及其改善措施的最新研究成果,提出了未来重点研究方向:梯级水库影响下流域河-库系统水热传递规律、基于非静压的水库水流水温耦合计算、面向下游水温改善的水库分层取水生态调度。

人工智能视频识别在水利数字孪生中的典型应用

视频监控与人工智能技术越来越广泛应用在水利智慧化建设方面,数字孪生建设是构建智慧水利的关键和核心。针对水利数字孪生建设实际需求,利用视频监控、图像处理、人工智能等技术手段,研发视频智能识别模型系统,通过智能模拟,实现与物理要素仿真运行、虚实交互。主要针对视频智能识别在水利数字孪生中主要应用场景进行系统化设计,实现如水尺识别、漂浮物识别、地表水体检测等应用。从实际运行情况来看,视频智能识别系统能够实现对物理对象进行不间断监控、分析、识别及预测预警,在水利智慧化建设方面具有较大的应用价值。

溪洛渡、向家坝水库建设运行对下游鱼类栖息地的影响研究

为科学评估水库建设运行对鱼类栖息地的影响,以向家坝、溪洛渡水库下游的长江朱沱段为研究区域、“四大家鱼”为目标鱼类,耦合二维水动力数学模型与鱼类栖息地适宜性指数方法,模拟水库建设运行前后“四大家鱼”产卵期4~7月长江朱沱段流速、水深空间分布,对比分析水库建设运行对栖息地流速、水深适宜性以及栖息地适宜性、可利用面积的影响。结果表明:溪洛渡、向家坝水库建设运行后的“调峰补枯”,有助于增加长江朱沱段“四大家鱼”产卵期4~7月的栖息地可利用面积;栖息地可利用面积随着流量增加而先增加、后减少,栖息地存在一个最适宜流量,该流量下栖息地可利用面积最大。研究成果为科学评估水电开发的环境影响、优化水库调度提供技术支撑。

湖泊三维水动力——水温耦合模型及其应用研究

水温是湖库科学研究中的重要环境因子之一,是认识水体各种理化生现象和动力过程的基础。水温很大程度由太阳辐射决定,最新研究成果表明水体与床体的热交换收支对浅水湖泊垂向水温分布也有很大影响。研究湖泊热循环规律,选择合适的水气热交换计算方法,通过联立CE-QUAL-W2底部热交换模型方程和一种改进的床体热平衡方程求得水体-床体热通量。基于σ坐标变换和相关定解条件建立三维水动力学-水温耦合模型,采用有限差分法对模型方程进行求解。以武汉市东湖为研究对象,根据东湖1978年7月的定点观测资料进行水温模拟,探究东湖水温月变化、日变化过程。

河湖长制下跨界河湖联防联控机制建设研究

跨界河湖联防联控是河湖管理的重点和难点,结合河湖长制,加强流域统筹,是河湖治理体系和治理能力现代化的发展方向。本研究系统梳理跨界河湖联防联控问题,针对性地提出河湖长制下联防联控体系建设框架建议:推进跨界河湖联防联控法制建设,出台河湖长制下跨省河湖联防联控指导意见;建立由流域管理机构牵头,流域内省级河湖长参加的流域河湖长协作机制,统筹协调流域联防联控的法制建设、规划、监督、管理等重大事项,印发河湖长制下跨界河湖联防联控监督检查办法,通过组织流域管理机构和专家对重点水域进行监督检查、约谈各级河湖长等手段,督查跨界河湖管理各项任务落实;组织流域管理机构编制流域全覆盖水监控规划,建立健全监测监控网络体系,强化重点水域的监测及数据共享;出台河湖长制下流域生态补偿条例、办法、指导意见等,考核与激励并行;制定跨界河湖联防联控重大决策公众参与制度,引导公众参与跨界河湖联防联控全部环节。

基于主成分-聚类分析的南水北调中线干渠水质时空分异规律

作为京、津、冀、豫4省市重要水源,南水北调中线工程水质安全对于工程的稳定运行和优化管理十分重要。为掌握总干渠的水质状况和时空分异规律,对南水北调中线干渠25个断面的9个水质指标变化情况进行分析,运用主成分分析和聚类分析相结合的方法,识别主干渠主要水质指标成分,甄别各断面水质变化相似性特征,并开展水质评价与分区,为中线水质保护和管理提供决策参考和优化建议。研究结果表明,主成分分析将9项水质指标降维到4项,前4个主成分能够解释80.23%的原始环境信息,重点关注中线工程耗氧程度和酸化趋势。聚类分析将中线总干渠划分为4类水质管理区段,通过比较各段水质指标差异,识别出各分类渠段关键性水质指标,针对渠段特性进行水质时空分异规律分析。研究成果可为中线水质保护和管理提供理论依据。

关于水域纳污能力计算理论的总结与思考

科学认识、合理计算水域纳污能力对促进污染减排、实现水功能区限制纳污红线管理至关重要。在系统调研大量水域纳污能力计算理论相关文件、报告、书籍、规范、文献的基础上,总结归纳现有水域纳污能力内涵、计算方法和原则选用、设计条件和参数确定等,并对其优缺点、适用性等进行讨论,最后提出新形势下细化、强化水域纳污能力计算的合理性分析与检验、推进水文-水动力-水质-纳污能力耦合研究等发展方向。研究成果可为水域纳污能力科学、合理、准确计算提供参考依据。

洪湖水质时空变化规律及污染物汇入阈值研究

为掌握洪湖水质时空变化规律、定量提出污染物汇入阈值,在构建洪湖水动力水质数学模型的基础上,模拟了丰、平、枯水期典型出入湖流量、污染物汇入情况下洪湖水质时空分布情况,采用试错法试算了各水期主要入湖口污染物汇入阈值。结果表明,蓝田、湖心A、桐梓湖、下新河等4个距离污染物汇入口较近的水质控制点,NH_(3)-N、TP浓度呈枯水期>平水期>丰水期,湖心B、排水闸、杨柴湖、小港等4个距离污染物汇入口较远的水质控制点,NH_(3)-N、TP浓度呈丰水期>平水期>枯水期;洪湖NH_(3)-N、TP浓度总体呈西北部、北部>中部>东部>南部,水质总体呈现由北向南变好趋势;主要入湖口污染物汇入浓度阈值呈枯水期>平水期>丰水期,但总体差别不大,NH_(3)-N、TP年汇入污染物总量阈值分别为2 537.77、116.53 t/a。研究成果可为洪湖水质达标管理提供参考依据。

非静压水动力学模型的并行计算方法

针对非静压模型计算效率低下的问题,提出一个基于Windows多线程并行计算的非静压水动力学模型.推导了水深平均的非静压水动力学模型方程组;采用分块并行计算的策略,将计算域进行分区并创建两条子线程分别负责两个子区域的计算,利用生产者-消费者模型和线程互锁-解锁机制实现子线程的同步通信.最后通过孤波实验和正弦波实验的算例验证了模型的有效性,结果显示:并行计算方案能有效提高计算效率,比串行程序节省20%~30%的计算时间.

基于布谷鸟优化算法的灌区渠系输配水水量优化调控模型研究

渠系输配水渗漏损失和闸门调节的水力损失是灌区多级输供水系统水利用效率低下的主要原因,对灌渠输配水过程进行优化调控是实现农业高效节水的重要途径。以湖北省漳河灌区三干渠为研究对象,建立了多级渠系多因素综合影响下的灌渠优化配水模型,运用元启发式优化算法布谷鸟搜索算法进行模型求解。与实测配水过程相比,优化配水模型和常规配水模型的灌溉历时分别为13.2、13.5 d,减少45.00%、43.75%的配水时间,且配水流量过程均匀稳定,能有效减少闸门调节次数。采用布谷鸟算法(CS)、粒子群算法(PSO)和差分进化算法(DE)求解的优化配水模型和常规配水模型输水渗漏损失分别减少了27.22%、26.72%、27.06%和24.96%、23.90%、24.55%。布谷鸟算法能快速、高效、稳定地求解多维渠系输配水问题,为灌区渠系输配水水量优化调控模型构建和求解提供科学参考。