植物根系吸水模型研究进展

根系是植物获取水分的主要器官,它直接影响整个植株的输水量以及生命活动。在水资源短缺的状况下,了解根系生长过程中的需水特性并提高农业中水资源的利用率,一直是节水灌溉技术中研究创新的热点。因此,在研究过程中需要对植物根系的吸水量进行精确估算,建立根系吸水模型是定量化研究植物根系吸水特性的重要方法。概述根系吸水的原理及其主要影响因素,对不同研究方法下的根系吸水模型进行分类研究,并阐述其适用范围及优缺点,同时介绍了水盐共同胁迫下的根系吸水模型。最后对目前的根系吸水模型进行分析,提出了今后的研究方向。研究成果为构建水稻根系三维动态吸水模型提供了基础。

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。

氨-水-溴化锂工质降膜吸收数值模拟研究

为了研究新型的氨-水-溴化锂三元工质的降膜吸收特性,为实际工程应用提供理论基础,本文通过数值分析方法建立三元工质降膜吸收的连续性方程、能量方程和组分平衡方程,采用MATLAB软件编程计算氨-水-溴化锂三元工质的降膜吸收结果,与实验数据相互验证,并进一步地分析了溴化锂质量分数、工质流量、冷却水温度和发生温度对降膜吸收性能的影响。研究表明:随着溴化锂质量分数从0%增加至10%,液膜出口处温度从306.7K增加至309.5K,但是当溴化锂质量分数从10%增加至15%时,液膜出口处温度下降至308.7K,说明溴化锂质量分数为10%时吸收放热量最大。当工质流量、冷却水温度、发生温度改变时,大部分的工况下溴化锂质量分数为10%时进出口溶液的浓度差较大,说明此质量分数下溶液吸收的速率最快。

锚杆支护吸能调控效应理论解析与数值模拟

为揭示锚杆的支护吸能调控效应及巷道围岩能量场分布规律,采用理论分析、数值模拟方法研究了锚杆支护巷道围岩能量分布特征。首先,采用经典的弹塑性理论及能量守恒定律,分析了支护巷道围岩弹性变形能、耗散能和外力功之间的关系,给出了锚杆吸能表达式;其次,基于有限差分FLAC3D软件及内嵌的Fish语言编程,开发了能量单元模块,模拟揭示了锚固体的预应力扩散和释能特性;再次,通过单元网格遍历循环的方式计算了巷道围岩中各岩体单元的能量,获得了巷道围岩总变形能、弹性变形能和耗散能的数值及分布特征;最后,揭示了开挖与锚杆支护条件下巷道围岩能量场分布规律,从能量调控角度确定了锚杆合理的长度、间排距等支护参数。研究结果表明:锚杆主要以提高围岩体力学参数及转化吸收能量的方式来调控巷道围岩能量场的分布和耗散特征;随着锚杆间排距缩小和锚杆长度增大,巷道围岩最大耗散能密度呈降低趋势。

基于雨洪数值模型的城市雨水调蓄池优化运行方案研究

城市雨水调蓄池是为解决城市内涝和提升排水系统能力而采取的重要工程措施之一。针对现有调蓄池运行规则多限于单座调蓄池操作的局限性,研究采用基于二维水动力与一维管网耦合的模型,对城市雨洪过程进行精准模拟,计算地表积水总量,并采用正交试验法以最小化地表积水总量为目标,开展区域内调蓄池的优化运行。以西安市小寨区域为研究对象,选取30、50和100年一遇设计降雨对调蓄池优化运行方案进行研究。结果表明:经过优化后的调蓄池运行规则,在不同重现期设计降雨情景下,地表积水总量削减率分别提升了12.93%、8.72%和9.74%,有效发挥了调蓄池防洪排涝综合效益;调蓄池对重现期较小的降雨优化削减效果较好,但受正交试验方案所限,最优方案还需深入研究。

燕子河流域洪水演进数值模拟

为了对中小河流流域洪水风险进行预测分析,以山东省临沂市燕子河流域为研究对象,利用水动力学模型对洪水演进进行数值模拟;采用MIKE 11软件建立一维水动力学模型,分别模拟洪水重现期为5、10、20、50、100 a的河道洪水演进过程;利用MIKE 21软件对燕子河防洪保护范围构建二维模型;利用MIKE FLOOD软件侧向耦合一、二维模型,模拟不同洪水重现期洪水从河道漫溢至岸边的演进过程,对模拟结果进行分析,得到洪水的淹没范围、水深、流速等信息。结果表明:洪水重现期为5、10、20、50、100 a时洪水淹没范围分别为0、4.09、7.59、13.87、18.44 km^(2),最大淹没深度分别为0、4.56、5.46、6.20、6.49 m,洪水最大流速分别为0、3.04、3.58、3.98、4.70 m/s;罗庄区西陆庄村、为儿桥村以及兰陵县西庄村、松山东村等村落为淹没风险较大区域。

高原山地环境腹箱式灭火飞机投水数值模拟

为探究高原山地环境下腹箱式灭火飞机投水着水特性,基于VOF多相流模型构建了飞机投水过程仿真模型,分析地形坡度和海拔高度对地面落水分布的影响,并以投水有效利用率和有效水体覆盖厚度为指标评估其投水效能.结果表明,随山地坡度增加,相同飞行速度下落水地面分布的长度减小而宽度增加,落水区域前端水体分布更密集;随海拔高度增加,相同飞行速度下地面落水分布中后区域更连续,且高原环境下落水地面分布宽度增加但长度变化较小.此外,投水效能普遍随坡度的增加先降低后提高;投水有效利用率在小坡度时随海拔高度增加而提高,其他工况下受海拔高度影响较小,有效水体覆盖厚度普遍随海拔高度增加而降低.

高水头大流量拱坝水垫塘水动力特性数值模拟

高拱坝泄洪过程具有高水头、大流量以及高流速等特点,对水垫塘结构安全提出了更高要求。为分析高拱坝泄洪对水垫塘地板的影响,采用标准k-ε紊流模型并借助几何重构格式的VOF法追踪水垫塘内自由水面,模拟结果与实测结果相吻合。结合水垫塘底板压力分布与湍流粘度模拟结果,分析了高拱坝泄洪消能过程中水垫塘底板的水力特性以及其对磨蚀损伤的潜在影响。

基于三维随机裂隙的岩溶水渗流数值模型构建及渗流特性研究

为研究裂隙含水介质中岩溶水的微观动力学特征,针对济南泉城公园岩芯样本,通过CT扫描与三维重建技术获取含水介质的内部裂隙结构信息,实现内部三维裂隙结构的再现,通过Monte Carlo模拟技术构建三维裂隙含水介质网络,采用数值模拟方法,研究岩溶水在裂隙网络空间的渗流特性。结果表明,研究区岩溶裂隙微观非均质性强;渗流受控于裂隙分布,具有非常强的方向性;在裂隙相交位置处渗流速度远大于其他部位渗流速度。

吸能边界条件下水下爆炸离心试验中冲击波传播特性数值模拟

受限于模型试验箱尺寸,水下爆炸离心模型试验中爆炸荷载在试验箱边界产生的反射波必然会影响试验的预期效果,因此减小模型箱边界效应将会大幅度还原试验实际情况并提高试验精度。基于耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法对水下爆炸离心模型试验进行数值模拟,通过试验和理论结果对比及1、2、4、6、8 mm和10 mm尺寸网格分析,验证了数值模型的可靠性,在此基础上对比研究了5、10、15 mm和20 mm厚度橡胶和泡沫作为边界消能材料时水下爆炸离心试验中冲击波荷载的传播特性,分析了各边界材料的吸波耗能机理。结果表明:2 mm欧拉网格尺寸能够兼顾计算效率和计算结果准确性;在模型箱内壁敷设橡胶或泡沫材料能有效降低水下爆炸冲击波的反射效应;在5 mm厚度条件下,橡胶材料较泡沫材料对冲击波吸收效果更为明显,但随着材料厚度的增加,泡沫材料吸波效果更加优越;橡胶材料和泡沫材料对冲击波低频信号均有一定的抑制效果,而对高频段信号抑制效果较弱。

基于VOF模型的真空吸鱼泵数值模拟

针对目前真空吸鱼泵设计计算依赖于工程经验,存在随机性和不确定性的问题,本研究开展了真空吸鱼泵吸/排水过程的数值模拟分析。分别建立了真空吸鱼泵吸水阶段和排水阶段物理模型,采用VOF模型,以抽气速度为边界条件,对吸/排水过程进行数值模拟。结果表明,VOF模型能够很好地预测真空吸鱼泵吸/排水过程中计算区域液相体积分数随时间变化的历程;抽气速度相同时,随着吸程的增大,真空罐内的稳定工作压力逐渐降低,但吸水管道内的流速不变;吸程相同时,随着抽气速度的增大,真空罐内的稳定工作压力逐渐降低,吸水管道内的流速逐渐增大;通过模拟得到了吸水和排水时间,可对吸捕速率进行预测。本研究可为真空吸鱼泵计算机辅助设计提供理论参考。

根系吸水模型模拟覆膜旱作水稻气孔导度

为构建覆膜旱作水稻根系吸水模型,进一步改进气孔导度模型,该文在湖北十堰开展包含3个水分处理(淹水、覆膜湿润和覆膜旱作栽培)的田间试验,分析覆膜旱作水稻蒸腾(根系吸水)与根长之间的关系,在此基础上建立覆膜旱作水稻根系吸水模型,并将其代替彭曼(Penman-Monteith,PM)方程来估算蒸腾强度,进而与脱落酸(abscisic acid,ABA)参与调控的气孔导度模型耦合,模拟覆膜旱作条件下水稻气孔导度的日变化过程。结果表明,水稻蒸腾与根长呈线性正比关系(R^2=0.96,P<0.05),据此建立的根系吸水模型可以较好地模拟覆膜旱作水稻的蒸腾(根系吸水)规律,使蒸腾强度模拟值和实测值间的相对误差基本控制在15%以内;经改进后的Tardieu-Davies气孔导度模型(TD模型)可有效描述不同土层根系吸水流中的ABA浓度及不同根系层ABA的合成对木质部蒸腾流中总ABA含量的贡献,可较好地模拟气孔导度的日变化过程。改进TD模型大大提高了模拟精度,使相对误差不超过7.0%。该研究可为覆膜旱作水稻生理节水机理和水分利用效率评估提供一定的理论依据。

土壤-根系统养分迁移和吸收的数值模拟 Ⅰ.植物根系吸收养分的稳态模型

根据养分在土壤-根系统中运移和吸收机制,同时考虑植物的根系生长、根系水分吸收以及土壤养分浓度的变化等特点,通过时段的控制,实现根际环境中稳态的养分剖面,在此基础上建立了根系吸收养分的稳态模型。根据实测的土壤、植物养分运移和吸收参数,用逐步迭代的方法计算植物根系的吸收养分总量,该模型具有计算简单,模拟条件灵活变化的特点。

根系吸水条件下固定沙丘水分动态数值模拟研究

着重探讨了固定沙丘植物根系吸水问题。在甘肃省石羊河以东腾格里沙漠西南缘湖盆滩地邓马营湖北部一生长有白刺的固定沙丘上设置观测点,采用中子仪、负压计逐日定时分层测定沙丘0～175cm深度含水量和水分势能。以野外实测数据为基础,运用数理统计方法确定非饱和导水率、水分扩散率等沙丘水分运动参数,并从宏观角度建立了与水面蒸发强度、沙丘水分含量相关的附加根系吸水项的白刺根系吸水模型。用所建数学模型对6月和8月白刺生长期内无雨时段沙丘水分动态进行模拟,并选取6月5日、10日、12日沙丘25cm、55cm和100cm深度模拟含水量值与实测值进行比较分析,两者之间的相对误差为-21.97%～5.67%,大多在-0.016%～3.56%之间。同时,比较了秋季预测与实测沙丘剖面水分分布曲线。沙丘水分动态模拟结果的验证与分析表明:根系吸水率精度较高,能较正确反映无雨时段根系吸水规律;用所建数学模型预测的白刺生长期沙丘剖面含水量与实测值分布曲线拟合较好。

极端干旱地区葡萄根系吸水数值模拟

研究成龄葡萄根系分布与吸水特征及耗水规律,能够为制定成龄葡萄灌溉制度、提出丰产与节水相协调的成龄葡萄田间水分管理模式和创建成龄葡萄水分高效利用技术体系提供技术支撑。该文在分析灌溉条件下葡萄吸水特征的基础上,建立了一维非饱和土壤水分运动的无网格数值模拟模型,并依据实测葡萄根系分布特征,获得了葡萄一维根系分布函数,将其与不同的经验根系分布函数应用于数值模型进行动态模拟。通过模拟值与土壤水分实测值的比较分析,结果表明,不同根系分布模型下土壤水分模拟差别不大,相对误差均在1%以下,但相对于其他根系分布,指数根系数分布模拟值与实测值的误差较大,因此,认为拟合的根系分布函数和无网格数值模型能很好的模拟极端干旱地区葡萄根系吸水和土壤水分运动,且在缺乏实际根长分布数据的条件下,线性根系分布和分段根系分布都可反映葡萄实际根系分布,为利用简单一维根系分布模型分析不同灌溉条件葡萄吸水特征提供参考。

土壤水分运动的数值模拟──以作物根系吸水项为例

本文通过有限差分法，用野外实测资料计算了作物根系吸水率。根据计算结果，用多元非线性回归方法，得出了作物根系吸水的经验公式。并且，建立了带有作物根系吸水项的垂向一维土壤水分运动的数学模型。

珠海市沿海风暴潮数值模拟试验研究

基于ELCIRC模型建立了适用于珠海市海域的风暴潮模型,以1713号台风“天鸽”路径为基础,通过改变台风入射角、台风登陆点、台风移速等方式构建登陆或者影响珠海市的台风路径,并进行风暴潮数值模拟计算,分析珠海市沿海风暴潮特征。结果表明:改变台风入射角时,珠海市沿海不同岸段的风暴潮将出现较大差异性;距离台风中心约15~100 km且位于台风右半圆的沿海地区将是风暴潮的重灾区;在珠海市的香洲区和斗门区沿岸,风暴增水总体随着台风移速变慢而呈现增大的趋势,但金湾区的情况则较为复杂,当台风移速为15~30 km/h时,在沿着台风“天鸽”的移动路径上会产生较强的风暴潮过程。

托普台南区块断溶体油藏栅状断片结构数值模拟

塔河油田托普台南区块断溶体油藏开发初期产量高,后期暴性水淹和快速见水井多,产量递减快,针对此类特征,目前尚未建立较好的模拟方法。结合断溶体油藏岩溶特征、地震特征、实钻井井储关系以及三带结构提出断溶体油藏栅状断片结构,根据此认识,通过融合断层自动提取技术和蚂蚁体属性,得到断裂指示因子,用以刻画栅状断片储集体,利用张量属性刻画溶蚀孔洞型储集体,建立双重介质组分模型,开展数值模拟研究。结果表明:栅状断片结构是断溶体油藏的主要导流通道;断裂指示因子比断层自动提取技术和最大似然更适合表征栅状断片结构,并在通水源处与张量属性匹配度高,在其他区域匹配性差;与单重介质模型相比,基于栅状断片结构的双重介质模型拟合精度更高,更能反映断溶体油藏生产动态特征。

自然河道断面水动力模拟的黎曼求解器改进

【目的】自然河道具有断面复杂、流态多变等特点,影响了水动力模拟的收敛性、稳定性,在已有研究基础上,改进复杂断面的黎曼求解器以解决低水位时断面不连续造成的数值不稳定问题,对提升自然河道一维水动力模拟的适用性具有重要意义。【方法】对低水位时存在“锥形凹陷”形态特征的复杂自然河道断面,传统不规则断面HLL黎曼求解器模拟时,会在河道干湿界面处出现通量演进受阻问题,针对上述问题,在河道干湿界面处直接采用界面流量值代替传统不规则断面HLL黎曼求解器计算的通量,改进传统黎曼求解器,使其能够适用于存在“锥形凹陷”形态特征的复杂自然断面河道干湿界面模拟,基于改进后的黎曼求解器构建不规则河道断面一维水动力模型,并采用五个通用算例对该方法在不同条件下的适用性进行了验证。【结果】结果显示:在一维溃坝算例中,对存在“锥形凹陷”特征的复杂河道断面,采用传统不规则断面HLL黎曼求解器模拟时,在河道干湿界面处出现了数值失稳和通量演进受阻问题,应用改进后的HLL求解器可以有效解决上述问题,数值解与理论解的相关系数高于0.99,结果准确可靠;在三角形挡水建筑物溃坝试验中,模型对4个测站的洪水到达时间和洪水过程的模拟结果与实测数据吻合,相关系数都在0.95以上;在一维过驼峰恒定流算例和急缓流交替模拟的陡坡河道水面线计算中,模型与传统模型表现相当,都能正确地预测不同河道断面形状下水跃位置和水跃前水深的变化;在长江口澄通河段潮位模拟算例中,模型预测的4个观测站点的潮位模拟数据与实测数据相关系数都在0.99以上,均方根误差都在0.08以内。【结论】结果表明:改进后的黎曼求解器可有效解决自然河道存在“锥形凹陷”形态特征导致水动力模型在干湿交界处通量演进受阻问题,构建的不规则河道断面一维水动力模型能够准确模拟复杂地形下的洪水波过程和潮位的相互作用。

MODFLOW-CFP软件在岩溶水系统数值模拟应用中的若干关键问题

MODFLOW-CFP软件很好地解决了管道流与含水层连续介质地下水渗流的耦合问题以及管道中水流运动的层流−紊流转换问题,为岩溶管道型地下水系统的定量研究提供了一个适用的数值模拟平台,近年来也在工程实际中得到了较多的应用。为了更好地利用和推广该软件在岩溶地下水系统定量平价和研究中的应用,避免新方法在实际应用中的盲目性,文章结合MODFLOW-CFP软件自身的特点、岩溶水系统常见的水循环特征及其在实际应用中存在的一些关键问题,从地下水数值模拟的基本要求出发,探讨如何通过一些有针对性且相对比较容易开展的野外岩溶水文地质调查、降雨−流量(水位)高分辨率监测、地下水示踪试验和综合分析研究等工作,提取MODFLOW-CFP模型所需的关键结构要素、水文地质参数以及模型识别的目标函数,进而提高复杂岩溶水系统地下水数值模型的仿真度和预测精度,推动岩溶地下水定量研究的发展。