河下浅埋厚煤层采动覆岩裂隙-涌水量时空演化的FDEM-CFD耦合分析

河下浅埋厚煤层采动覆岩裂隙分布与涌水量是工作面安全生产的决定性因素之一。数值模拟是二者重要预测方法,其合理性的关键在于建立岩体破坏-裂隙流体耦合理论及相应的模拟方法。以路家村矿15404工作面为研究背景,构建拉/剪应力下非贯通裂隙开裂、贯通裂隙的法向与切向本构关系,并基于二相流质量守恒、动量守恒与状态方程,结合增强的浸没边界算法识别流-固界面,通过流体体积法实现裂隙内流体自由面的追踪和重构。在此基础上形成FDEM-CFD河下采煤覆岩裂隙与涌水量预测数值模型耦合程序,通过相邻工作面地面钻孔冲洗液消耗量观测法验证导水裂隙带发育高度,以及采用大井法理论对涌水量结果进行对比。结果表明:采动岩体破坏-裂隙流体耦合理论及相应的FDEM-CFD程序,可数值实现河下浅埋厚煤层采动覆岩裂隙形成,以及裂隙内流体运移过程。当工作面推进至80~120 m时覆岩内形成贯通地表的导水裂隙。招山河水的主要下泄路径为工作面后方8~20 m位置处的导水裂隙,其斜向采空区、倾角65°~72°。模拟所得采空区涌水量为18.78 m^(3)/h,与大井法计算结果接近。上述成果在路家村矿区得到初步应用,为进一步开展河下浅埋厚煤层防治水工程提供理论支撑。

西南地区典型河道型水库水温结构及水动力机制研究

大型河道型水库在发挥水电效益的同时,其特有的水温分层对水环境的影响不容忽视。现有研究多偏重于水温垂向差异及时空演变规律研究,对于其形成过程的水动力影响研究尚不够深入。本研究利用数学模型模拟分析西南地区典型河道型水库—乌东德水库水温结构变化过程,发现水动力条件是水温结构形成的决定性因素,主温跃层的形成和演变取决于温差异重流导致的水动力机制。2—3月来水下潜于水库底部,二者界面形成主温跃层,并不断向库区下游发展;4—6月来流形成中间流,其上和其下分别形成两个温跃层;7月入库水流为上浮流,其下形成主温跃层;坝前局部区域水体主温跃层因取水孔口动力抽吸作用等温线出现局部收缩。

鄱阳湖水位对五河来水的时空响应研究

鄱阳湖水位受到长江干流和湖泊流域五河来水(五河分别为赣江、抚河、信江、饶河、修水)的共同影响,其中五河径流为鄱阳湖的主要来流。为探究五河来水变化对鄱阳湖水位的时空影响,结合数据驱动模拟与敏感性分析方法,定量研究了鄱阳湖水位与五河来水的响应关系。首先,结合PSO-GA算法和支持向量回归(SVR)技术建立了湖泊水位预测模型,模拟分析鄱阳湖水位与五河来水的时间响应关系;然后,基于此模型采用连续预测方法研究了鄱阳湖水位对五河来水响应的空间分布特征。结果表明,鄱阳湖水位对五河来水变化响应较强的时期在5~7月,尤以5月响应程度为甚;空间分布上,鄱阳湖湖区中部对五河来水变化的响应程度最高,以2010年5月为例,当五河来流增加40%时,都昌站水位一周内平均可抬高1.16 m,北部星子站、湖口站分别平均抬高1.15、1.03 m,南部棠荫站、康山站平均抬高0.97 m。结果明确了鄱阳湖水位对五河来水的时空响应特征,可为鄱阳湖水资源管理及流域优化调控提供科学依据。

土地利用对兴凯湖入湖河流水质影响及生态修复策略

兴凯湖是中俄跨境湖泊,其水质变化受到国际社会的高度关注,入湖河流水质状况对兴凯湖水质有着重要影响。以兴凯湖中国境内流域为研究区域,基于内梅罗污染指数法、方差分析、冗余分析、聚类分析等方法,分析兴凯湖入湖河流水质污染特征,探究流域土地利用结构对河流水质的影响,并据此提出入湖河流分类修复策略。结果表明:兴凯湖入湖河流水质为GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类~劣Ⅴ类,化学需氧量、总磷、高锰酸盐指数是主要超标因子;兴凯湖入湖河流丰水期水质整体优于平水期,大兴凯湖入湖河流水质整体优于小兴凯湖;兴凯湖流域土地利用对入湖河流水质的解释度在丰水期和平水期分别为52.31%和45.38%,耕地对河流水质产生负面影响,林地、水体对入湖河流水质起改善作用,而人造地表、草地在不同水期对入湖河流水质的影响不同。基于入湖河流水质、流域土地利用结构的聚类分析,将兴凯湖入湖河流分为生态保育型、生态修复型和综合治理型3种类型,并提出了具有针对性的治理与修复策略。

跨行政区小流域水污染特征分析

跨行政区的小流域水污染特征复杂,且因行政主体不同而导致水环境治理困难。以合肥市二十埠河小流域为例,采用现场调查和模型计算相结合的方法,开展流域污染特征分析与研究。结果表明,点源为流域内最重要的污染源,由点源产生的各主要污染物入河负荷贡献率达47.3%~65.4%。各行政区域对河流的污染贡献率存在差异,上游的新站区对二十埠河的污染贡献率最高(COD占比47.88%, TP占比45.67%),下游的肥东县内存在大片农田和散户畜禽养殖,造成NH3-N入河负荷较高(37.96%)。新站区(汛期)和肥东县(非汛期)的NH3-N环境容量为负值,为了实现控制目标,分别需要削减NH3-N入河负荷21.60和81.18 t/a。为改善二十埠河水环境质量,建议将点源污染控制作为流域污染治理工作重点,并做好农业面源污染控制,解决NH3-N环境容量不足的问题。

邛海入湖河流水质及其湖区响应特征(2011-2021年)

邛海是云贵高原水域面积>25 km^(2)的11个天然湖泊之一。基于邛海入湖河流与湖区水质监测数据,揭示入湖河流水质特征,并探究其湖区响应。结果表明:2021年,邛海入湖河流水质空间异质性显著,且分为自然型、农业型和城镇型3种类型河流。官坝河等3条自然型河流水质优良,而高仓河等8条城镇型和农业型河流(R4~R11)水质较差,污染物浓度超标严重。2011—2021年,邛海主要入湖河流(官坝河、鹅掌河、小青河)的营养盐浓度呈下降或先增加后下降趋势,水质逐渐改善。流域土地利用变化是导致邛海入湖河流水质空间异质性的主要因素,同时也是河流水质在2011—2021年改善的原因之一。受湖泊水文环境与入湖河流污染类型影响,2017—2021年邛海湖区水环境及其与河流水质响应关系差异性明显:高枧湾水域(L5)水深浅、水环境容量小,主要受纳城镇污水,因而湖区营养盐与叶绿素a浓度高,在2021年达富营养状态;官坝河、鹅掌河与小青河入湖影响区(L1~L3)与小渔村(L4)水域湖水深、水环境容量大,污染物浓度与营养状态指数低,但因汇入的河流污染类型不同,湖区营养水平与河流水质响应存在季节性差异。另外,从污染治理区域来看,入湖河流R4~R11和湖区L5水域应是目前邛海流域水环境修复的重点。

考虑湖泊来水结果的分层耦合水量调度模型研究

引江济淮工程横跨长江、淮河两大流域,是缓解当地水资源短缺,提高工程利益等问题,向河南段供水的重大跨流域调水工程。在引江济淮工程供水侧及需水侧未知的情况下,利用菜子湖、巢湖和瓦埠湖的调蓄能力反向优化渠首引江水量,正向优化分水口门的取用水过程,采用模拟模型和正反双向优化模型分层耦合的形式,依据水量平衡原理来构建引江济淮工程中长期水量调度模型。针对来水情况和用水需求两部分构建典型年调度情景集合,基于不同水平年各湖泊来水预报结果,口门需水过程及工程约束条件,采用引入自适应参数修正机制的差分进化算法及逐步优化算法进行求解,以此制定引江济淮工程年水量调度方案。以2030年规划水平年丰水年为例对分层耦合水量调度模型及常规优化调度模型进行对比分析,由于分层耦合水量调度模型优化了湖泊调蓄过程并对湖泊水位进行约束,故该模型在引江水量、受水区缺水量及湖泊利用程度方面效果更优。结果显示,该模型在满足分水口门用水计划的基础上,降低了湖泊弃水量,同时湖泊末水位偏差值较小,逐旬水位变幅多保证在0.1 m内并使湖泊处于高水位运行状态。该模型得到的年水量调度方案能有效的利用当地水资源,提高水资源利用效率,为引江济淮工程运行调度和调度方案的编制提供了技术支撑。

洋河干流水沙变化对下游灌区的影响研究

为研究洋河干流近期水沙变化对下游灌区的影响,分析洋河二灌区施行新型节水灌溉方式后引水含沙量及泥沙粒径特征,统计怀来气象站和洋河干流响水堡水文站1964—2019年长系列降水、径流和含沙量的变化情况。结果表明,非汛期时段洋河二灌区具有高于90%的概率可以取到低于规范标准含沙量的水流,且未来灌区引水断面含沙量不会有大幅增加的趋势。

上海市合流一期工程雨天流入水量的模型评估

分别以上海市苏州河沿岸某排水系统和合流污水治理一期工程截流总管为研究对象，利用排水系统水力模型对雨天流入水量进行了模拟研究．结果表明，台风暴雨与高潮位碰头引起的苏州河水位升高，使得大量河水通过原重力直排管道未封堵完善的出流口倒灌进入管网系统，造成相应情况下泵站排放水量超过径流水量的10％～20％仍无法排除雨涝积水．研究结果为制定苏州河沿岸排水系统改造方案，控制上海市区雨涝灾害提供了可靠依据．

新水沙条件下的黄河河口治理

分析了黄河河口未来来水来沙的变化及其影响,从人类活动要与自然协调共处出发,讨论了在新来水来沙条件下黄河河口治理中的几个主要问题,包括入海流路、三角洲演变、防洪抗凌、水资源、生态环境和湿地保护、社会经济规划布局以及河口管理等。指出了尽管黄河水少沙多的基本特性不变,河口的演变规律就不可能有大的变化,但正确的人为干预是非常重要和有效的,这为治理方案的研究留出了很大空间。水资源是黄河河口治理的核心,根本出路在于调整产业结构、大力建设节水型社会和提高用水效率。黄河河口存在的种种问题之间具有密不可分的联系,必须采取综合治理的方法,进行统一管理。河口治理是黄河全流域治理的一部分,必须统筹兼顾,合理发展。

当地居民对塔里木河下游应急输水响应分析

通过问卷调查方法了解当地居民对塔里木河下游应急输水的响应。调查结果表明:90%以上的被调查者认为生态输水与自己、当地经济和生态环境息息相关,希望继续输水的人数比例达到82%以上;90%以上的被调查者赞同生态输水带来了明显的经济利益。至少76%的家庭收入在输水后得到不同程度的增加。当地居民对输水后生态环境变化感知的明显程度与输水的持续时间相吻合;90%以上的当地居民对生态输水的效益给予高度的肯定和期望,97%左右的被调查者有强烈愿望实现长期输水。问卷调查的民意结果说明塔里木河下游居民的环境意识增强了,体现出塔里木河下游应急输水的明显社会效益。

关角隧道突涌水防治技术体系研究

关角隧道修建长达7年时间,隧道突涌水是制约施工的主要难题。为解决隧道施工中探水精度不高,高压动水条件注浆困难,长距离、大流量抽排水难度高等技术难题,研究建立了一套突涌水防治技术体系。通过综合采用调查统计、经验总结、理论分析与数值分析等方法,提出了关角隧道突涌水水文地质模型和突涌水模式,揭示了关角隧道突涌水机理,为关角隧道突涌水处治提供了理论依据;建立了突涌水预报方法,其预测准确率达76%;提出了高压富水地层分类注浆及顶水注浆综合治理技术,为不同突涌水模式的注浆堵水提供了解决方案;采用地表导流方式大大减少了地表水对洞内突涌水的水源补给;提出了高扬程长距离反坡排水技术,在高海拔地区实现了抽排水量30万m^3/d。研究成果是重要的工程实践经验积累,可为类似工程提供借鉴,具有很高的推广应用价值。

黄河内蒙河段水流数值模拟研究

针对黄河内蒙河段孔兑较多、洪水变幅较大、水文监测站点较少的实际情况,采用数值模拟方法,建立了内蒙河段水流数学模型,通过对模型的验证及孔兑入汇计算结果的分析,表明该模型可以真实反映内蒙河段孔兑入汇的流态及相关水力要素变化,可以作为该河段河道规划整治的研究手段之一。黄河内蒙河段孔兑的大流量入汇会对干流区的流态以及水位产生明显影响,使流向改变、水流上滩、水位壅高,因此区域防洪规划和河道整治中应予以高度重视。考虑到内蒙河段孔兑入汇干流带来的影响,不仅体现在水流形态上,而且泥沙淤积是河床演变的关键所在,加之短时段内又难以模拟水流的高含沙量过程,所以下一步工作将是在现有水流模拟基础上模拟计算含沙水流过程。

上游水库群运行对长江口淡水资源的影响及未来趋势分析

上海市饮用水主要来自长江口的3大水源地——陈行水库、青草沙水库和东风西沙水库,盐水入侵是长江口淡水资源利用的重要威胁。随着以三峡工程为代表的长江上游水库群的建成和运行,入海流量发生变化。在分析及预测长江入海流量的基础上,通过长江口实测盐度数据及数学模型,以淡水资源面积占比、水源地取水口平均盐度为指标,对长江口盐水入侵受上游水库群运行的影响开展研究,并对未来变化趋势进行分析。研究结果表明:三峡蓄水后入海流量小于15000 m^(3)/s的频率明显减少,而小于10000 m^(3)/s的极低流量几乎不再发生。未来10 a枯季入海流量较现在大体仍为增加趋势,尤其是12月平均流量增量可达2400 m^(3)/s。三峡工程的运行并未使得长江口盐度时空分布特征发生根本性变化,但盐度场会有一定改变。在三峡水库蓄水的影响下,除11月外其他枯季月份南支、南港、北港淡水资源面积均有增大,南支1、2月增量超过南支面积的40%,南北港则在3月增量最为明显;在11月水源地取水口盐度约有0.05‰的升高,其他月份均为下降,1月变化最为明显,3大水源地取水口盐度下降0.4‰~0.5‰。在未来10 a中,12月盐水入侵与现状相比将会有进一步减弱,水源地取水口盐度进一步下降0.2‰左右。研究可为未来长江口水源地运行提供参考和依据。

望虞河西岸主要入河支流污染物通量研究

利用经率定验证的望虞河西岸平原河网地区河流水量、水质计算模型,根据1995年(丰水年)、1988年(平水年)、1971年(枯水年)的水文资料,以及2006年太湖流域各主要河流纳污量资料,计算了各典型年不同季节入望虞河主要河流的入河水量和水质浓度,由此计算出望虞河西岸平原河网区各主要入河河流污染物入河量,并结合河网中水的流向,得出入河河流污染物通量的综合影响结果:张家港入望虞河污染物通量最大,所以张家港的污染治理是整个望虞河西岸污染治理的关键部分。

贵南高铁朝阳隧道出口平导6.10突水突泥事件分析

2018年6月10日,朝阳隧道出口平导发生岩溶突水突泥,持续时间约1 h,突水突泥总量约1.6×10^(6) m^(3)。为完善施工掘进方案及排水方案,需分析突水突泥产生原因,评价后续施工带来的突水突泥风险,计算隧道涌水量。文章分析了隧道位置的地形地貌、工程地质、水文地质条件,阐述了发生突水突泥的平导掌子面超前地质预报实施情况及突水突泥发生过程,补充调查了灾害影响范围的工程地质、水文地质条件,完成了长达1年的平导涌水量-降雨量关系动态观测。平导突水突泥掌子面前方有水头高达84 m的巨型溶腔及管道系统,施工开挖揭穿溶腔底部后,填充于整个岩溶水系统的有压水流携带泥砂快速涌入平导并以较大动能冲出洞外,导致了6.10突水突泥事件的发生。隧道出口段岩溶水系统接受降雨入渗补给且径流通畅,洞内涌水对应的汇水面积为6.423 km^(2),计算极端暴雨后平导最大涌水量5×10^(4)m^(3)·h^(-1)。突水突泥发生后山体内的静储量已得到充分释放,地下水位已降至平导底板高程,后续施工中再遭遇突水突泥的风险低。

入洱海河流临湖段底泥氮的分布

于2013年7月在洱海流域采集了17条主要入洱海河流临湖段的底泥和上覆水样品,测定分析样品中TN、NH3-N和NO3^--N的含量,揭示底泥中氮素的分布特征,并探讨底泥与上覆水中氮素含量的相关性.结果表明：①17条入洱海河流临湖段底泥中w（TN）为23.10-310.60 mg/kg,平均值为141.66 mg/kg.②对w（TN）有显著性差异的河流进行分组,并按照w（TN）由低到高排序为清碧溪、双鸳溪〈白石溪〈灵泉溪、龙溪、阳溪〈桃溪、梅溪、隐仙溪、弥苴河〈莫残溪、波罗江〈永安江〈锦溪〈中和溪、罗时江、白鹤溪.其中,各组之内河流间w（TN）无显著差异,而各组之间w（TN）差异显著（P=0.05）.3底泥中w（NH3-N）、w（ON）与w（TN）呈极显著正相关,氮存在形态以ON为主.其中,＂北三江＂临湖段底泥的厌/缺氧程度高,底泥中w（NO3^--N）占w（TN）的比例明显低于西部入洱海河流;上覆水中ρ（TN）与底泥中w（TN）、w（ON）呈极显著正相关.

太湖流域主要入湖河流水环境综合整治

江苏省太湖流域15条主要入湖河流的污染负荷占太湖入湖污染物总负荷的80%以上,开展主要入湖河流水环境综合治理对于太湖流域水环境和湖体富营养化改善具有重要的意义。在分析太湖流域入湖河流水环境现状的基础上,通过河网模型计算环境容量和重点工程的实施,削减入湖河流的污染物排放总量,使河网水质达到功能区要求,从而降低太湖污染负荷。

太湖流域主要入湖河道污染物通量研究

利用经率定验证的太湖流域平原河网地区河道水量、水质计算模型以及太湖流域废水负荷模型,根据1995年(丰水年)、1988年(平水年)、1971年(枯水年)的水文资料,以及1995年太湖流域各主要河道纳污量资料,计算了各典型年不同季节入太湖河道的入湖水量和水质浓度,由此计算出太湖流域河网区各主要入湖河道污染物入湖量,并结合河网中水的流向,得出入湖河道污染物通量的综合影响结果:直湖港最大,主要输送无锡地区的污染物.

抚仙湖北岸主要入湖河流对湖泊水质的影响

于2005年全年和2009年6～7月,分别对抚仙湖北岸的水质及主要入湖河流中的TN、TP和COD污染因子进行了监测与分析.监测结果表明,抚仙湖中TN和TP浓度随着岸距的减小而增大,说明抚仙湖北岸的水质与入湖河流的污染程度有着直接的关系,而在诸多入湖河流中,梁王河、东大河、代村河对抚仙湖北岸的污染较为严重.监测结果还表明,与2005年同期相比,2009年的抚仙湖北岸的水质有了明显好转,但仍未达到I类水质标准,因此,继续加强北岸入湖河流的治理显得非常关键.