陆地高分辨率水文—生物地球化学过程CNMM-DNDC三维模型的研发及应用进展

CNMM-DNDC模型是本文作者团队研发的陆地高分辨率水文—生物地球化学过程三维模型。本文系统介绍了建模背景和理念、核心过程和模型特点、模拟功能和观测验证、多尺度区域或流域初步应用以及未来发展展望。自2018年刊发首个版本以来,该模型经过了多方面科学过程改进和模拟功能扩展,在元素化学反应、物质相变和机械迁移等基本物理、化学、生物过程层面,完成了对陆地表层系统碳氮磷水循环全耦合的精细刻画。迄今开展的观测验证表明,CNMM-DNDC模型基本普适于不同生物气候带(从热带到寒区多年冻土地带)的流域或区域长时间序列“三高”(时间、空间和过程高分辨率)综合模拟,实现对陆地生态系统的碳、氮、磷、水三维运移、水土流失、水力驱动溶解态和颗粒态碳氮磷横向迁移、碳氮温室气体和污染气体排放、生态系统生产力、水分蒸散发和水分能量平衡等众多可持续发展目标表征变量的预测。该模型广泛推广应用于多尺度区域或流域的复杂过程虚拟科学试验研究和服务于面向生态环境建设与减污降碳的优化调控决策,可望为协同落实联合国多个可持续发展目标提供先进的数值模拟技术支撑。

多年冻土斜坡稳定性的模拟分析

气候变暖改变了多年冻土活动层的水热状态和物理特性,降低了斜坡的稳定性。目前多年冻土斜坡的稳定性分析多采用极限平衡方法,然而这种方法难以分析活动层水分场、温度场、应力场和位移场及其耦合效应下的斜坡稳定性。因此,将Mohr-Coulomb准则整合加入到冻土热-水-力模型之中,建立了多年冻土斜坡的热水力耦合模型(coupled thermo-hydro-mechanical model,THM),定量分析了夏季极端高温对多年冻土斜坡稳定性的影响。为了验证模型的有效性,选择了青藏高原东部多年冻土区某一滑坡为研究对象,通过构建极限平衡模型和THM模型计算了其稳定性,并对比分析了模拟结果和现场观测数据的关系。研究结果表明,THM模型模拟结果与传统极限平衡方法计算结果相吻合,且数值模拟得到的滑移面位置、位移量级和最终形态与现场实测资料相一致;在夏季极端高温条件下,当多年冻土活动层融化至1.45 m时,斜坡将沿着融化锋面失稳,且滑移面基本平行于坡面。研究结果对寒区各类工程边坡塌陷和热融滑塌的过程认识具有一定的参考价值。

基于源荷匹配的梯级水风光蓄系统优化运行研究

在“双碳”目标下,我国亟需进行能源结构转型,提高可再生能源在电力系统中的比例。调节性水电站和抽蓄电站具有良好的调蓄能力,可以作为调节电源与风光电源联合运行,从前端减缓风光不稳定出力对电力系统的冲击,促进新能源集中上网消纳。因此,充分利用梯级水电站及抽水蓄能电站的调节性能,制定合理的一体化调度策略,有利于在发电侧实现水风光蓄打捆送出和协同消纳,助力“双碳”目标实现。基于对梯级水风光蓄互补发电系统在短期调度中电网侧负荷需求和梯级水电水资源利用率的考虑,构建以源荷差异最小、梯级水电蓄能增量最大为目标,以常规水电站、风光电站、抽水蓄能电站安全运行条件为约束的短期互补调度模型,并采用粒子群-动态规划内外层嵌套算法对模型进行求解。选取西南某流域常规梯级水电站、抽水蓄能电站及周边风光电站组成的水风光蓄互补发电系统为研究对象进行模拟计算,结果表明:(1)抽水蓄能电站倾向于在梯级电站水头较低时选择泄水发电,而在梯级电站水头较高时选择抽水或维持当前水位不变;(2)所构建模型有效提高了系统总出力曲线与电网负荷曲线的匹配度,实现了梯级水电站之间负荷与水量的合理分配,一定程度上减少了梯级水电站效益损耗,提高了水能利用率,增加了梯级水电蓄能增量,有利于源网协同运行和梯级电站之间的稳定运行。

基于雷达估测降雨及WRF-Hydro模型的典型山洪模拟研究

受复杂地形与基础气象水文资料缺乏限制,山区小尺度流域的水文预警预报技术较为薄弱,利用高分辨率雷达观测资料驱动分布式水文模型是提高山区小流域洪水预报性能的有效途径之一。本文以位于重庆中部的山区小流域二河流域为研究区域,开展基于雷达估测降雨数据的WRF-Hydro模型在山区小流域的山洪模拟研究,以评估雷达估测降雨的水文应用效果和WRF-Hydro模型在山区小流域的适用性。选取流域内典型的暴雨洪水过程,利用S波段的多普勒天气雷达的估测降雨数据驱动WRF-Hydro模型,并结合新安江模型进一步对比分析模拟效果。研究结果表明:(1)在二河流域,采用雷达估测降雨数据驱动WRF-Hydro模型,可以较好地模拟洪水过程、洪水流量以及峰现时间,纳什效率系数高于0.65,克林-古普塔效率系数高于0.50,相关系数高于0.85。(2)将WRF-Hydro模型与新安江模型进行比较分析,在二河流域,WRF-Hydro模型的模拟效果优于新安江模型,纳什系数差值0.03,相关系数差值为0.04,进一步表明WRF-Hydro模型在山区小流域较优的洪水模拟性能。总体而言,基于雷达估测降雨数据的WRF-Hydro模型在二河流域表现出了良好的模拟洪水的性能,可进一步在类似小尺度山区流域进行应用研究。

特高拱坝变形机理可解释性智能预测模型

针对传统“黑箱”模型可以预测却无法解释拱坝变形的缺陷,利用Shapley Additive Explanation(SHAP)理论对特高拱坝的机器学习变形预测模型进行解构分析,分析水压、温度、时效对特高拱坝不同部位径向水平位移的影响规律。构建特高拱坝变形监测数据的轻量梯度提升算法(Light Gradient Boosting Machine,LightGBM)黑箱预测模型,利用SHAP对存在多重共线性的因子进行剔除,再从整个因子集和单个样本两个角度分析不同影响因子对模型变形预测的贡献度;通过分析拉西瓦特高拱坝坝肩、坝基、拱冠等不同部位的径向水平位移与影响因子间的关系,发现时效因子对高程越高、越靠近拱冠位置的径向水平位移影响越大,温度因子主要影响靠近拱冠位置的径向水平位移,水压因子主要影响高程较高位置的径向水平位移,而坝基和深入坝肩岩体测点的径向水平位移几乎不受水位、温度的影响。解决了以往“黑箱”变形预测模型可视性差、内部机理不明的问题,根据可解释模型得到的相关规律可为特高拱坝的工作性态分析和运行管理提供借鉴。

中频真空电弧边缘击穿现象及仿真研究

为深入掌握航空变频(360~800 Hz)电力系统中真空电器电弧特性,该文围绕中频灭弧室弧后发生的边缘击穿现象,以双温磁流体动力学仿真结合实验的研究方法,得到了以下结论:中频真空电弧离子数密度的最大值为2.6×10^(19)m^(-3),离子温度的范围为0.30~0.91eV,电子温度的范围为1.50~2.43 eV;电子与离子之间存在能量交换,电子温度的变化会引起离子温度的变化;最高离子温度出现在阳极触头边缘处,与实验发现的边缘击穿位置重合,证明了此处确实存在能量集中;中频真空电弧是超声速流体,速度在边界处减慢,根据动能热能互换原理,中频真空电弧的质量流运动规律是边缘击穿的本质原因。

基于云模型的水光互补清洁能源基地容量配置方案优选

为优选水光互补清洁能源基地容量配置方案,从安全性、环保性、经济性、技术性4个方面选取14个指标构建了综合评价指标体系,采用改进云模型方法对容量配置方案进行评价。改进云模型方法以基于层次分析法改进的云模型求解主观权重,以熵权法求解客观权重,组合赋权得到指标权重,再利用条件云发生器计算各指标的隶属度,最后根据级别特征值法计算容量方案等级评分,确定最优方案。将该方法应用于我国西南某清洁能源基地水光互补系统容量配置方案的优选,优选结果与集对分析法优选结果和实际选择方案均相符,证明了该方法的有效性与适用性。

液压机械无级变速器全工况效率模型及功率损失分析

针对目前液压机械无级变速器(hydro-mechanical continuously variable transmission,HMT)效率模型研究中存在的效率组成不全面、局限于单一工况以及缺少功率损失分析等问题,该研究建立了考虑传动元件及附件功率损失的HMT全工况效率模型。首先建立HMT变量泵-定量马达的通用效率模型,根据效率试验数据辨识相关参数;然后建立HMT其他传动机构及附件的效率模型,将各部分效率模型组合得到完整的HMT效率模型。基于自主研发的HMT进行计算,得到全工况效率图和各组成机构的损失功率。搭建试验台,对HMT进行效率试验以验证模型的准确性,HM1段和HM2段在全工况下的效率平均绝对误差分别为0.027 3和0.026 1,相较于对比方法准确性提高了64.59%和55.46%。结合效率图和功率损失情况分析HMT效率特性和影响因素,结果表明:1)本文HMT效率主要受负载和液压单元排量比e影响,输入转速影响不显著;2)低负载下本文HMT效率主要影响因素为负载,高负载下为排量比;3)泵马达功率损失对HMT效率影响最大,e <0时液压损失功率大,HMT效率低;e=0时液压损失功率为0,HMT效率达到最高;4)齿轮和离合器的功率损失对HMT效率的影响不容忽略,考虑其他附件功率损失有利于提高模型计算精度。提高HMT效率的措施:1)尽量避免HMT长时间在功率循环工况下工作,在优先满足负载需求和保证发动机经济性前提下,推荐在纯机械点及其附近工作点作业;2)避免长时间低负载作业,应保持在高负载工况作业;3)选用高效率液压单元或通过改进参数提高液压单元传动效率;4)满足齿轮和离合器性能要求前提下改进参数,降低功率损失。

基于去噪扩散概率模型的水⁃光互补系统随机场景生成方法

随着水-光互补系统应用越来越广泛,准确地描述水-光出力的不确定性对电网的运行和规划具有重要影响。现有多源融合特性建模方法不仅存在考虑可再生能源出力时空相关性不充分的问题,而且在实际复杂应用环境下要进行先验假设,进而导致生成质量降低。基于此,文中提出了基于去噪扩散概率模型的水-光互补系统随机场景生成方法。首先,将结合欧氏距离和L2正则化的损失函数作为衡量生成噪声与原始噪声分布差异的标准,并设计适应水-光-荷随机场景生成的UNet网络结构;然后,通过对前向过程不断加噪和逆向过程不断去噪训练,捕捉水-光-荷多维变量相关性变化及波动特征,拟合其概率分布规律;最后,对多源数据协同建模,高效生成水-光互补系统随机场景。文中算例基于某地区电网实际采集数据进行测试,通过综合评估指标验证了所提方法的有效性。

不同降水产品及WRF-Hydro模式在黄河源区的适用性分析

黄河源区是黄河流域主要的产流区和水源涵养区,研究和探索该区域陆面水文过程对理解陆面过程及水文循环特征,揭示陆面—水文耦合过程具有重要的科学意义。本研究基于2009~2018年中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据(China Meteorological Forcing Dataset,简称CMFD)、全球高分辨率降水数据集(Climate Prediction Center Morphing Technique,简称CMORPH)、热带降雨测量卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,简称TRMM)及全球陆地数据同化系统(Global Land Data Assimilation System,简称GLDAS)降水,评估了四类降水产品在黄河源区的降水精度,在此基础上,利用最优降水数据驱动独立运行的天气研究预报及水文耦合模型系统(Weather Research and Forecasting Model Hydrological modeling system,简称WRF-Hydro),探究该模式在黄河源区径流模拟的适用性。结果表明:四类降水产品均能够反映出降水的分布特征,但在量值及细节捕捉上存在显著差异。CMFD在不同时空尺度上都能很好地捕捉到降水的演变特征,其与日观测降水的相关系数达到0.99,均方根误差仅为0.25 mm。在表征降水能力方面,四类降水产品总体表现为CMFD>CMORPH>TRMM>GLDAS,CMFD的平均探测成功率(Critical Success Index,简称CSI)在0.93以上。经参数率定后的WRF-Hydro模式在黄河源区月径流模拟方面表现较好,率定期纳什系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient,简称NSE)均在0.92以上,而验证期丰水年模拟结果明显好于枯水年(NSE=0.15),这与降水和径流的非线性程度有关。本研究方案和结果为亚寒带半干旱气候区大尺度流域水文模拟及径流预测提供了一定的参考价值。

基于MIKE耦合模型的开都河中短期径流预报

为提供开都河水库优化调度和水资源科学管理的依据,应用MIKE耦合模型进行流域中短期径流预报。选取欧洲天气预报中心(ECMWF)气象预报模式作为气象数据输入,构建包含6个子模块(蒸散发、非饱和带、饱和带、坡面流、河流与湖泊)和融雪模块的MIKE SHE模型。将MIKE Hydro river模型作为河道汇流计算与MIKE SHE模型耦合对未来10 d径流信息进行预报。选用相关系数(R^(2))、纳什效率系数(NSE)和相对误差(BAIS)评价模型率定与验证结果,添加预报效率(E)评价模型预报精度。研究表明:在开都河日尺度径流模拟中,验证期R 2和NSE均大于0.70,相对误差仅为-15%,可见模拟径流与实测径流之间具有较好的拟合性和相关性;预报期的NSE=0.53、R^(2)=0.61、E=0.51,说明模拟值与实测值的相关性达0.61。MIKE耦合模型的中短期径流预报可为开都河流域水资源优化利用提供参考。

工程安全综合评价模型研究及数字孪生应用

工程安全综合评价是实现工程安全“四预”的核心和关键,然而传统方法存在着难以全面、可靠、实时获取工程安全状态的问题。结合数字孪生水利工程建设,开展工程安全综合评价模型研究工作,提出了工程安全综合评价的总体技术路线,通过构建工程安全综合评价体系,制定了测点评判规则和逐级评判规则,通过融合安全监测数据、结构计算成果和巡视检查信息,综合判别工程安全运行性态;同时基于数字孪生平台框架,集成开发了工程安全综合评价功能模块。目前,研究成果已在数字孪生丹江口工程中实现了初步应用,模型评价结果合理,功能集成方案可行,可为同类数字孪生水利工程建设提供参考。

大型渡槽动水压力离心模型试验研究

以引江济淮工程淠河总干渠渡槽为参考研究对象,采用离心机振动台对刚性渡槽在简谐荷载激励下的动水压力进行了试验研究,并将试验结果与常用的简化模型的计算结果进行了对比分析。试验结果表明:动水压力与加速度幅值呈线性相关,与加载频率、水深呈非线性相关;离心模型试验可以准确的模拟动水压力及流固耦合作用,可以为水弹性问题的研究提供新的分析方法。

基于气象水文水动力耦合模型的流域尺度洪水预报方法:以北江流域为例

针对中小流域目前径流和淹没预报难度较大且精度偏低的问题,以北江流域为研究对象,构建降雨径流-洪水淹没模型。在非耦合情况下,基于WRF-Hydro模式构建北江流域水文模型,通过对主要参数率定,优化了WRF-Hydro水文模型,模拟了流域的产流、汇流等水循环关键要素。在耦合情况下,将WRF-Hydro模式模拟的径流过程作为CaMa-Flood模型的边界条件,从而实现对整个流域的洪水淹没模拟。研究结果表明:在经过参数率定的WRF-Hydro水文模型中,针对验证期的5场典型洪水事件,皮尔逊相关系数均高于0.8,纳什效率系数在0.52~0.71,在预报期的三个洪水事件中,洪峰的平均误差为22.2%。在水文水动力模型耦合后,能够准确地捕捉洪水淹没与降雨强度、洪水流量变化之间的关系,进而提供洪水发生后洪泛区的淹没深度和范围等关键信息。本文构建的降雨径流-洪水淹没模型能够适用于地形复杂、降雨时空分布不均匀的北江流域,为类似半湿润流域的洪水预报提供了有益参考,同时也为水文水动力模型耦合的研究奠定了基础。

油气悬架阻尼数学模型对比分析

当前针对油气悬缸动力学特性的研究中,弹性力主要采用多变气体状态方程建模,阻尼力则采用薄壁小孔理论建模,由于真实情况中阻尼孔和单向阀的过流厚度都并非薄壁,而是具有一定的厚度,采用薄壁理论会导致模型在一定程度上失真,所以采用短孔过流理论建立阻尼模型,并考虑入口和出口的局部水头损失,重新构建油气悬缸动力学模型。通过施加真实道路采集的振动信号,对比了1/4悬架系统的两种阻尼力模型下的响应与真实的悬缸上支点加速度数据的平均绝对误差MAE和均方根误差RSME,验证了两个模型在低频范围都能较好模拟悬架振动,但中高频存在明显缺失,而短孔过流理论模型在频域上更逼近真实值。

WRF-Hydro大气-陆面-水文耦合模式应用研究综述

在人类活动加重气候变暖的背景下,极端水文气象事件发生概率增加。数值模式作为研究水循环和极端水文事件的有效工具,已在全球范围内得到广泛应用。为深入理解气候变化背景下全球陆地水循环时空演变规律,揭示大气-陆面-水文互馈机制,大气-陆面-水文耦合过程模拟研究已成为国际大气、水文等学科研究的热点之一。本文首先回顾和梳理了大气-陆面-水文耦合模式的发展历程,阐明了大气-陆面-水文耦合模式WRF-Hydro(Weather Research and Forecasting Model Hydrological modeling system)的优势,并系统总结了WRF-Hydro模式的主要敏感性参数分析及模式在对地表径流、土壤湿度、能量水分循环以及相关大气和水文过程等方面的应用。最后探讨WRF-Hydro大气-陆面-水文耦合模式未来发展趋势,提出应着眼于发展有效的尺度转换方案、完善参数化方案以及开展流域内大气、水文变量时空分布高分辨率模拟等方面,以期系统提升耦合模式对大气、陆面过程及水文过程的刻画能力。

天然气水合物注热分解诱发储层变形破坏的正交数值模拟研究

针对天然气水合物热分解而引起的储层失稳破坏机理及影响因素不明确的问题,考虑因水合物热分解引起的地层传热、孔隙流体渗流和固体骨架的变形破坏,建立了水合物沉积层的热-流-固耦合模型及其作用下储层固体骨架的弹塑性本构模型。基于ABAQUS软件的USDFLD子程序进行二次开发,开展正交实验数值模拟,分析注热温度差、水合物沉积层的绝对渗透率和有效主应力差对水合物沉积层近井储层变形破坏影响的敏感性及影响机理。结果表明:对近井储层变形破坏影响的敏感程度由大到小依次为有效主应力差、绝对渗透率、注热温度差;水合物热分解引起的近井储层力学性质劣化和有效应力下降是导致其发生变形破坏的主要原因;有效主应力差越大,等效塑性应变最大值越大,并且受水平地应力非均匀性的影响,近井储层变形破坏最严重的位置始终位于井眼最小水平地应力方向上。该研究成果可为热激法开采天然气水合物或含水合物地层的钻井作业提供借鉴。

配用CuCr合金电极的真空介质开关电弧阳极热过程分析

真空介质开关电弧的主要成分源于故障电流开断过程中触头电极在极间产生的金属蒸气,且真空电弧的微观动力学行为直接影响开关的开断能力。文章通过建立真空介质电弧双温磁流体动力学模型,研究配用不同配比CuCr合金触头电极材料的真空介质开关在故障电流开断下阳极热过程的变化情况,得到阳极触头表面温度和熔池范围沿径向和轴向的分布。仿真结果表明,开断故障电流的增大及电极合金材料中Cu含量的增大均会导致输入阳极的能流密度增大。在200 A电弧电流作用下,阳极表面温度未达到CuCr合金的熔点,未发生熔化;而在6 kA电弧电流作用下,阳极温度先后达到Cu和Cr的熔点,电极熔化程度随合金中Cr含量的增大而减弱。

面向海上风电高效利用的水下抽水蓄能建模与控制

水下抽水蓄能(underwater pumped hydro storage,UPHS)是一种适应海洋环境的新型储能方法。针对此前UPHS模型较为粗略且适用范围窄的问题,构建了水下抽蓄的水力-机械-电气多环节暂态模型并开展相关研究。首先,分析推导UPHS各组成部分(水泵水轮机、调速器、电机、变流器)的物理模型;其次,分别设计了原动机和并网变流器的控制策略;最后,在单机并网和配合海上风电联合外送两种情形的多样化工况下对UPHS进行电磁暂态仿真,验证了模型的可靠性及其应用于海上风电外送功率平抑的有效性。

基于混合柔直的水风光一体化新型电力系统简化建模方法

依托国内新建含混合柔性直流外送的水风光多能互补一体化新型区域电力系统工程实际,针对该系统三个核心组成场站,即水电机组侧、风光汇集系统侧和混合柔性直流的区域化模型分别进行简化建模,而后通过实验对比验证响应模型和本文提出的等效模型。结果表明,本文提出的新能源区域电力系统等效模型可以在发生故障时对系统动态过程在机电仿真尺度进行高精度等效。由于其具有易拓展性和广泛适用性,可作为研究极大规模高比例新能源电力系统的实验范式。