煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场-水化学场-微生物场耦合作用与数值模拟

煤矿矿井水的水质形成与演化过程机理复杂,受水动力场、水化学场和微生物场等多场作用影响显著。深入研究并揭示煤矿矿井水水质形成机理与演化趋势、阐明采空区封闭后矿井水的多场耦合作用机制是矿井水污染防控与修复的理论基础。以鄂尔多斯盆地某煤矿采空区为水文地质原型,在前期研究的基础上,进一步建立了煤矿采空区积水水位回升、蓄满后水动力-水化学-微生物场(HCB)多场耦合室内相似模拟和数值模型。采空区水动力场研究结果表明基质-裂隙双孔隙模型能有效模拟采空区水位回升过程,模拟误差为9.9%,其模拟精度远高于理论预测和单孔隙模型。水化学场模拟结果与试验较为吻合,SO_(4)^(2-)、HCO_(3)-和p H模拟相对误差分别为3.0%、21.0%和6.2%,模拟结果较为可靠。模拟结果显示采空区蓄水过程中水岩反应和微生物作用不明显;而蓄满后水动力几乎停滞,但水化学场和微生物场较为活跃,2号煤和3号煤层中黄铁矿的氧化反应使得SO_(4)^(2-)质量浓度提升约24.6%;后期采空区水环境演化为弱酸性、厌氧还原条件,微生物降解作用凸显,将SO_(4)^(2-)有一定的“自净”能力。通过调整微生物代谢速率常数,可将SO_(4)^(2-)降解比例提高到61.6%。实际工程场景中可通过补充碳源、人工建立密闭厌氧环境等强化手段实现这一目标。将多场耦合室内试验和数值模拟技术拓展到煤矿采空区积水水质形成与演化规律研究,研究结论可为煤矿区矿井水污染防治提供指导。

基于水文水动力模型和机器学习模型耦合的河道水位预报方法

为探讨利用水文水动力模型和机器学习模型来提高河道水位预报精度的可行性,首先利用水文水动力模型进行河道水位预报,采用支持向量机模型对水文水动力模型的预报结果进行校正,进而构建了一种耦合水文水动力模型和机器学习模型的河道水位预报模型。在广州市南沙区蕉西水闸的应用结果表明,构建的耦合模型的预报效果优于单一的水文水动力模型,明显地提高了不同预见期下的水位预报精度;尽管随着预见期的增加,耦合模型的预报精度有一定的衰减趋势,但整体上仍优于水文水动力模型提供的水位预报结果。

网格尺度对三维水动力模型模拟滨海地区潮流特性影响的数值分析

构建了三门湾三维水动力模型,将计算结果与实测资料进行对比分析后设置了不同的网格尺度,对三个断面和四个典型点的潮流特性进行了分析。结果表明:当研究水域为港汊较多、地形复杂的海湾时,数值模拟计算值的相对偏差会随着网格尺度增大而增大,当网格尺度增大到一定值时,相对偏差会由于多种误差的正负累积而趋于稳定。地形是影响潮流计算的关键因素,在地形变化剧烈和水深较小的潮间带水域的潮差和流速值相对变化较大,在水深较大的平坦区域则几乎不受网格尺度的影响;流向对网格尺度的敏感程度较低,与网格尺度无明显关系;水平涡粘系数与网格面积呈正相关,且网格面积对流速变形率Sij较大处影响较大。综合分析,在进行潮流计算时,需要在地形复杂的岸边、水深较小的潮间带以及岛屿间进行网格的加密处理,考虑计算时间、模型计算的稳定收敛以及计算值的精确度等因素,确定合适的计算网格尺度,使得计算结果满足精度要求。

基于水动力水质模型的浅水型湖泊水环境治理目标可达性评估

当前湖泊水环境治理仍然面临着湖泊水质的实际改善效果与工程方案预期不相符的难题,特别是城市浅水型湖泊,其受外源污染、底泥释放、降雨冲击等因素,对治理成效扰动响应更为剧烈,因此,进行多因素成效评估对城市浅水型湖泊水环境治理尤为重要。采用InfoWorks ICM模型,以武汉市墨水湖为例,搭建浅水型湖泊水质水动力模型,依据气象水文、城市开发建设、湖泊污染情况等现状数据,基于模型计算原理,研究COD、NH_(3)-N、TP等污染物的变化趋势,定量分析不同工况情景下湖泊水质的可达性,评估规划拟建工程的实施效果,可为同类湖泊水环境治理工程方案优化提供参考。

银川“西线供水”工程污染物水动力—水质传递模型

文章采用实地测量、实验和数值计算的方法,利用分析化验、实测数据建立并验证引水管道一维水动力—水质数学模型,建立西夏水库二维水动力—水质数学模型并对水流和水质进行数值模拟。利用FLUENT软件,根据实测水文和水质数据,建立并验证适合西线供水工程的数学模型,利用建立的数学模型进行水流和水质指标浓度的数值模拟研究,验证结果基本符合实际情况,为后续以黄河水为水源的西夏水库在污染物扩散机制、预防、处理等方面开展研究提供了良好的理论保障。

基于水动力耦合模型的城市内涝治理方案效果评估

为解决海南海口市龙昆沟流域的内涝问题,近期拟对龙昆沟下游段进行挖深等改造工程,远期采取优化排水分区等综合治理措施。基于InfoWorks ICM软件构建水动力学耦合模型,对近期、远期改造工程效果进行评估。结果表明:近期河道改造工程实施后,河道水位有所降低但对地表内涝缓解作用有限;远期流域规划工程实施后,河道水位明显降低且地表内涝情况明显改善,可达到预期效果。可见,通过加深河道断面从而增大过流断面面积,可有效降低河道水位,增大河道过流能力,但无法对地表内涝起到太大缓解作用;而通过优化排水分区等综合措施减少河道汇水面积,可明显降低河道水位,减少漫溢并改善地表内涝淹没情况。

基于HEC-RAS的水库下游水动力模型构建及三维可视化应用

以皎口水库为例,利用HEC-RAS软件建立水库下游一二维耦合水动力模型,通过“烟花”“梅花”2场台风的历史洪水模拟计算钟家潭、章水断面的水位变化过程,与实际情况对比发现,该模型计算结果合理准确;模拟极端洪水(P=1%、P=0.1%)情况下,水库下游淹没范围、淹没水深、淹没历时等要素;基于BIM(Building Information Modeling)、GIS(Geographic Information System)等技术进行洪水演进过程三维立体可视化展示,为水库下游洪水风险分析提供技术支撑,为智慧水利建设提供解决方案。

基于水文水动力耦合模型的三江流域防洪模拟预报应用研究

为解决下游河网站点防洪模拟预报过程中存在预报精度偏低,以及采用水动力模型方法时所需资料数量过于庞大的问题,基于不同下垫面水文特征的分布式架构模型理论,通过对流域内山丘和平原区各阶段产汇流进行分解模拟的方式,建立了以交界面动量与通量交换实现互馈耦合的水文水动力一体化模型。以三江流域为研究区域,构建耦合了上游山丘区、平原区和下游长江水动力模型,利用代表站点开展了全流域一体化模型的率定与验证工作。对流域内2016一2022年降雨进行分析和场次降雨大于100mm的多场洪水进行验证,结果显示耦合模型的模拟精度较好,在不需要大量资料的前提下有效提高了平原河网区预报精度及整个流域防洪调度能力,具有较强的借鉴意义,可为其他类似流域防洪模拟预报研究提供参考。

海上浮式风机多体系统耦合动力模型研究

海上浮式风机是近年来随着海上风电的快速发展,为了捕获深海更丰富、更持久的风能而提出的一种风力发电装置,已成为当今风能开发的主要方向。作为一种多体系统,由于海上浮式风机结构特殊,加上环境复杂,对其进行准确的计算和分析尤为重要。本文对海上浮式风机的耦合动力模型进行了研究,建立了复杂工况下Spar型海上浮式风机改进的14-DOF耦合动力模型,包括气动力模块、水动力模块和结构分析模块等,用于扩展其适用范围和准确计算风机的动力响应,并通过数值仿真对所建模型进行了分析和验证。主要的改进有:不对平台和塔架的转动角度作小量近似,扩展其适用范围;考虑角速度和欧拉角速度的换算关系,不作等化处理。此外,所建模型考虑风机叶片扭转角对叶片变形的影响,得到了较为准确的叶片面内外响应。同时采用线性势流理论对水动力进行计算,较之Morison方程适用性更广。仿真分析表明,本文所建模型可以更准确地计算海上浮式风机系统的动力响应,且具有更广的适用范围。

风浪流耦合作用下锚泊式海上试验平台的水动力特性试验

为了研究国家海洋试验场的“国海试1”平台与锚泊优化方案是否满足设计要求,采用物理模型试验方法,制作1∶30试验平台模型,在国家海洋技术中心海洋动力环境实验室开展百余组不同波高、波周期、波向的不规则波、定常风和等效均匀流联合作用下,两点式躺地链系泊状态下的模型运动响应研究。对比分析试验结果与对应试验平台的设计指标,结果表明:同样海况下,风浪与潮流同向时,试验平台的运动响应更剧烈;流速1.14 m/s、4级海况时,试验平台最大横摇角为10.41°,“国海试1”平台无法开展正常的吊装工作;流速1.14m/s、6级海况时,试验平台最大横摇角为15.07°,“国海试1”平台搭载的试验测试设备无法正常工作;流速1.14 m/s、8级海况时,试验平台最大横摇角为20.21°,平台存在安全隐患,应采取避险措施;“国海试1”满足抗7级风浪的设计要求。该研究成果验证了改进后的国家海洋综合试验场“国海试1”平台满足抗7级海况的设计要求。因此,建议“国海试1”平台在6级海况下应停止试验作业,8级海况下应采取必要的避险措施。该研究为同类新型海洋平台水动力研究提供了参考。

煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场驱动作用及数学模型构建

煤矿开采过程必然引起区域地下水动力场的改变,并在一定程度上影响着矿井水的水质形成与演化,甚至诱发煤矿区地下水环境的污染问题。研究并揭示煤矿矿井水水质形成与演化的水动力场驱动机制及其关键参数的定量计算方法,是定量刻画煤矿区地下水污染问题及开展相应控制与修复工作的前提。本研究以鄂尔多斯矿区某煤矿的采空区为地质背景,阐明了其积水形成的水动力场演化过程与机制,根据水动力场流动路径的差异将其分为采空区水位回升阶段和蓄满水量交换阶段;在此基础上,揭示了采空区水质形成及演化的以水动力场为主要驱动力,水化学场、微生物场等多场协同作用的复杂过程;建立了基于顶板导水裂隙带不同垂高空隙反演的分层渗透系数定量计算模型,为开采扰动后采空区积水水位回升及蓄满后水量交换的计算奠定了理论基础;利用相似材料模拟试验和室内三维箱式模拟试验的实测数据与模型计算结果进行对比,理论计算渗透系数K和采空区水位回升高度随时间的变化与试验实测误差分别约为13.2%和22.5%,验证了理论计算模型的可靠性;最后,在煤矿采空区水动力场以及水动力场影响下的水化学场、微生物场的控制方程的基础上,明晰了水动力场–水化学场–微生物场之间的耦合关系,构建了水动力场主导下的多场耦合作用本构模型,为进一步探究水动力场耦合驱动下的煤矿矿井水水质形成及演化规律的多场耦合数值模型构建提供启示。该研究补充和扩展了煤矿矿井水污染防治理论。

基于Delft3D的大辽河水动力水质数值模拟

近年来,大辽河流域工业化发展迅速,带来了一系列水质恶化问题。因此,通过实测大辽河水文和水质数据,基于Delft3D建立大辽河二维水动力模型,对其进行水位和水温验证,计算值与实测值基本吻合;在水动力模型的基础上建立水质模型,对其进行NH^(+)_(4)-N(氨氮)和DO(溶解氧)验证,计算结果基本能够反映真实水质变化趋势。通过验证后的水动力水质耦合模型分析大辽河水动力水质输移特征。结果表明,大辽河具有明显的半日潮特征,河口处的流速低于内陆河道的流速;NH^(+)_(4)-N浓度年际分布较为均匀,DO浓度夏季较低,冬季较高;涨潮时,河口处NH^(+)_(4)-N浓度降低,落潮时河口处NH^(+)_(4)-N浓度升高;汛期排放的污染物浓度峰值高于枯水期的值,峰现时间也早于枯水期,在枯水期,污染物更容易在河口处滞留;整合排污口和减排两种方式均能降低河道内污染物浓度,靠近河道上游整合排污口方式优于减排方式,靠近河口减排方式略优于整合排污口。研究成果可为大辽河水质管理提供参考。

数字孪生丹江口水质模型关键技术与应用

数字孪生技术作为近年来的创新技术,通过构建精确的虚拟模型实现了对实际物理世界的高度映射,为解决传统水质安全管理中的难题提供了全新的视角和方法。水质模型是实现数字孪生湖库水质安全精准映射和虚实互动的核心。围绕南水北调中线工程的水源地——丹江口水库的水质安全管理需求,针对传统模型存在的模拟失真、误差累积、计算速度慢及无法满足突发污染事件实际决策要求等各种技术难题,提出了一种新型三维水动力水质模型,并利用实地流场观测和水质监测数据进行了模型校验。结果表明:该模型主要改进了组合σ/z网格、总磷本构方程、突发污染投药处置模拟、OpenMP并行计算、水动力预计算和双时间步长模式、污染团扩散轨迹示踪等关键技术,显著提升了模型的计算效率和模拟精度;通过在2023年汉江秋汛期间对丹江口水库水质安全管理的实际应用,证明了该模型能有效支持水质安全“四预”功能(预报、预警、预演、预案),模拟结果为汉江秋汛防御及汛后蓄水水质安全保障提供了重要技术支撑。

不同调水方案对沙湖水动力及水质影响研究

由于地处降雨量少、蒸发量大的特殊地理环境,沙湖每年都需要调水引流以达到改善水质和维持总体水量的目的。因此调水水量及调水路线的选取对沙湖水质改善有关键的影响。文章基于环境流体力学模型(Environmental Fluid Dynamic Code,EFDC)模型构建了沙湖水动力-水质模型,模拟沙湖水动力、总氮和总磷的时空分布特征,发现与实际数值拟合度较高;并基于沙湖实际调水方案,设置四种调水方案,探究了不同调水方案对沙湖水动力及水质的影响。结果表明调水引流工程能有效加快沙湖水体流速同时降低总氮、总磷浓度,但也会造成沙湖水质波动。相较于减水方案,增水方案对提高沙湖水体流速和降低总氮、总磷浓度的效果更好;与八一渠入流相比,东干渠入流更利于提升沙湖水体流速和降低沙湖总氮、总磷浓度。总体而言,4种调水方案中方案一(增水方案)是改善沙湖水动力条件和水质的最佳方案。

半潜式养殖网箱全耦合数值模型及其在规则波下的动力响应特性

随着水产养殖从近海至深远海的发展,具有抵抗恶劣海况能力的新型半潜式养殖网箱被相继设计和制造,研究其水动力性能具有重要的工程意义。基于势流理论和莫里森模型,结合三维面元法和有限元法建立半潜式养殖网箱主体框架-网衣-系泊系统全耦合数值模型,在验证数值模拟的可靠性后,分析规则波下网箱的水动力响应与结构应力响应,重点关注网箱各部分的相对运动。结果表明,网箱的运动由慢漂运动和波频运动两部分组成,其中慢漂运动会造成平衡位置的偏置;在波浪传播方向上,框架中同一高度处的节点几乎不发生相对运动,而不同高度处的节点由于竖向梁的旋转和弯曲而存在相对错位;侧向网衣中心区域存在较大的结构变形,从而导致了柔性网衣与主体框架存在较大的相对运动。此外,还分析了波浪参数和网衣密实度对网箱运动的影响。研究成果可为半潜式养殖网箱数值模拟方法提供一定参考。

基于MIKE21模型模拟的异龙湖水动力特性与生态补水效果研究

异龙湖是云南九大高原湖泊中面积最小、水量最少、最易受人类活动干扰的湖泊,近年来湖泊水质波动性变化特征明显,湖区水质尚未企稳向好。针对异龙湖流域水文资料匮乏、水质资料较少且湖区水质受气候及人类活动干扰响应明显等特点,依托数值模拟技术来模拟并反演湖区水动力与水质演变过程十分必要。采用GPS示踪浮标法、声学多普勒流速剖面仪监测法和加密加频监测入湖河流与湖泊水质的方式,开展异龙湖生态补水前后的湖泊水动力与湖区水质监测,具象化分析及展示补水水质改善效果,并同时构建了基于MIKE21的平面二维水动力与水质耦合模型。模拟预测结果表明,在常年主导风场西南偏西风下,南北湖岸流向为西北—东南,湖心呈顺时针环流,湖东存在逆时针小环流,在湖西有明显的弱流区,不利于水量、物质交换;年内水质浓度COD总体呈现湖西低-湖中湖东高、雨季明显高于旱季的时空分布格局;在年补水量约3 500万m^(3)和多点、最大补水能力1.95 m^(3)/s的“旱季(11月至次年5月)补水”方案下,湖西、湖中、湖东3个点位COD年均浓度分别可改善约27.6%、24.0%、18.1%,补水带来的水质改善效果十分明显,可为异龙湖生态调度与湖泊水生态修复改善提供良好的决策支撑。

不同来水条件下洞庭湖二维水动力水质模拟

为研究不同来水条件对洞庭湖水动力水质的影响,本文构建了洞庭湖二维水动力–水质耦合模型,通过改变模型水动力边界和水质边界过程,模拟并分析了江湖水量交换变化和入湖污染负荷变化下洞庭湖水动力水质的响应过程,研究结果表明:① 三峡运行后三口入湖水量、江湖连接处的水力特性发生变化,进而影响湖区水动力水质的时空分布情况,如10月份三峡进入蓄水期,入湖水量减少,湖区TP、TN浓度整体呈上升趋势,但由于长江干流来水减少,出湖口水力坡度加大,东洞庭湖站至出湖口区域的TN、TP浓度有明显的减少趋势;② 当保持基准年入湖流量过程不变,使入湖污染负荷量整体减少10%时,西洞庭湖北部、南洞庭湖南部区域TP、TN浓度下降幅度较明显,东洞庭湖站6、7月份,万子湖站5、10月份TP将达到III类水标准,东洞庭湖站9月份、小河咀站7~10月份TN将达到III类水标准。

淡水河一维-二维耦合水动力学模型构建及应用

对淡水河干流、主要支流、淡澳分洪河采用一维水动力模型建模,对惠阳主城区进行二维水动力模型建模,利用河道两岸进行一维、二维水动力耦合,模拟淡水河溃漫堤洪水演进过程。结果表明:除桥南排涝站到淡水站河段,水面线误差在20cm以上外,其余河段水面线偏差均在20cm以内,一维-二维水动力学模型计算的淡水河的洪水演进过程总体较为合理。研究成果对于流域防洪风险图的绘制具有重要参考价值。

面向数字孪生场景的三维水质推演仿真方法

针对现有可视化方法难以直观动态呈现三维水质的推演过程的普遍性问题,研究了三维水质模型计算结果与数字孪生场景的集成模式,提出了面向数字孪生场景的三维水质推演仿真方法,实现了三维水质推演过程的直观、准确、流畅、动态呈现。以南水北调中线工程丹江口水库2021年秋汛总磷浓度分布推演为例,采用三维水质模型开展复演分析,将分析结果在数字孪生场景中集成,模拟有机污染物的转移和扩散过程。应用结果表明该方法相较于传统二维平面展示方法具有效果更加直观、信息承载更加丰富的优势,可以在数字孪生场景中动态呈现分层水质指标的推演过程。

复杂河网地区气候-水文-水动力耦合模型模拟

以淮河流域中下游结合部的洪泽湖周边滞洪区为研究对象,基于紧耦合技术,将一维和二维水动力模型进行耦合,基于松耦合技术,将气候模型与水文模型、水文模型与水动力模型进行耦合,实现了流域、河网、蓄滞洪区和湖泊复杂系统气候水文水动力单向耦合,并对气候变化影响下的复杂河网地区水流演进进行了模拟。结果表明:构建的气候-水文-水动力耦合模型对洪泽湖周边滞洪区洪水演进具有较好的模拟能力和适应性;气候变化导致未来淮河流域洪水量级增加,加大了洪泽湖周边滞洪区的洪水风险。