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。

基于一维水动力-水环境耦合模型的长兴港生态流量研究

【目的】长兴港是太湖流域重要的城市河流,对其开展生态流量研究并确定合理的生态流量管控值,对保障长兴港水生态环境健康、提高当地人民群众幸福指数具有重要意义。【方法】以长兴港新塘断面2016—2020年的逐月水生态监测数据为对象,明确了长兴港非汛期、汛期的水环境约束指标;并基于MIKE 11软件,构建了一维水动力-水环境耦合模型;从保障水生态环境质量、缓解水华爆发的营养条件的角度出发进行了生态流量研究。【结果】结果显示:长兴港非汛期约束指标为NH_(3)-N、COD_(Mn)和BOD,汛期约束指标为NH_(3)-N、TP和COD_(Mn);通过对比实测数据与模拟数据可知,水位、流量的模拟值与实测值间的Re均小于10%,R^(2)和Nash-Suttcliffe系数分别大于0.6和0.9,各时期的水环境主要管控指标的模拟值与实测值间的Re均小于17%;最终计算得到长兴港非汛期和汛期合理的生态流量管控值分别为2.59 m^(3)/s和2.63 m^(3)/s。【结论】结果表明:研究构建的一维水动力-水环境耦合模型符合长兴港的实际情况,能够应用于长兴港生态流量研究,可以解决水动力和水环境模块单独使用不能表征河流特点的问题,为河流生态流量的研究和管控提供了更为科学、高效的工具;研究提出的生态流量管控值具有可达性,可切实有效地改善长兴港水生态环境、抑制水华爆发并为长兴港的生态流量管控和“幸福河”构建等工作提供理论与技术支撑。

水文-水动力学模型分析山丘区洪水风险

为了更好地分析山丘区洪水淹没风险,以界河流域为例,提出一种基于水文-水动力学模型的山丘区洪水风险分析方法;以整个流域为计算单元,局部网格加密处理,根据实测降雨洪峰数据对水文-水动力学模型进行验证,利用该模型计算不同降雨频率时洪水淹没范围,并结合层次分析法进行洪水风险分析。结果表明:50 a一遇、100 a一遇降雨频率时界河流域洪水淹没面积分别为3.22、5.04 km^(2),最大综合风险性指数分别为15.45、49.41;风险区均沿河道方向狭长分布,垂直河道方向延伸较少;模拟河道洪峰流量与实测河道洪峰流量误差小于10%,可准确模拟山丘区洪水淹没情况。

泥岩卸荷损伤-水次序作用下的劣化规律研究

工程开挖建设导致软岩形成卸荷损伤,其在水-岩作用下的劣化特征与卸荷损伤程度密切相关。以巴东地区红层泥岩为研究对象,设计进行了泥岩卸荷损伤模拟试验,随后对卸荷损伤泥岩试样进行水-岩作用试验,结果显示:卸荷损伤导致泥岩局部矿物颗粒形态破坏、微裂缝发育,在后续水-岩作用下颗粒间胶结程度持续弱化,孔隙、裂缝进一步扩展。宏细观参数随水-岩作用时间的增长,其中质量m呈现先上升后骤然下降再趋于稳定的趋势,纵波波速P呈现先减少后上升的趋势,体积应变εv呈现逐渐增大的趋势,分形维数K呈逐渐增长的趋势;且各参数的增长速率均随卸荷损伤程度D的增大呈幂函数增加,当D≥0.49时,各参数的增长速率急剧增大;确定以质量、纵波波速、体积应变和分形维数作为与水反应系统的变量,并运用非线性动力学理论建立了水-岩作用下的泥岩劣化模型,并验证了模型的合理性。研究结果表明所建模型能表征卸荷损伤泥岩在水-岩作用下的宏细观特征参数变化趋势提供一定理论参考。

水动力-水质模型在水库污染防治中的应用研究

水库的水质及污染情况关乎当地生态环境的发展。为了分析流水作用下水库的污染情况及污染物扩散规律,以白鸽陂水库为研究对象,基于MIKE21建立该水库的水动力-水质模型,对该水库的污染物分布规律进行分析。结果表明,采用水动力-水质模型对水库的坝前水位进行计算的准确性较高,采用该模型可准确反映水库的水体流场变化规律。当BOD浓度下降至1.0mg/L时,3个坐标的时间-BOD浓度曲线均存在微弱的上升趋势。这是由于洪水开始前期,水库的水流速度较快,水流紊乱,形成水流漩涡,导致污染物难以扩散,其污染物浓度微弱上升;随着时间的增大,BOD浓度逐渐减小,其曲线变化趋势逐渐趋于平缓,此时水库的污染物完全扩散。不同污染物的扩散趋势具有一定的差异性,而且测点位置也会影响各污染物浓度,表明不同测点位置的污染物扩散程度不同。

基于GPR代理模型和GA-APSO混合优化算法的软基水闸底板脱空反演

软基水闸底板脱空是水闸在长期服役期间受水流侵蚀等环境因素影响所产生的一种危害极大且难以察觉的病害。由于其病害部位于水下,传统方法难以检测,该研究提出一种基于高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR)代理模型和遗传-自适应惯性权重粒子群(genetic algorithm-adaptive particle swarm optimization,GA-APSO)混合优化算法的水闸底板脱空动力学反演方法,用于检测软基水闸底板脱空。首先,构建表征软基水闸底板脱空参数和水闸结构模态参数之间非线性关系的GPR代理模型;其次,基于GPR代理模型与水闸实测模态参数建立脱空反演的最优化数学模型,将反演问题转化为目标函数最优化求解问题;最后,为提高算法寻优计算的精度,提出一种GA-APSO混合优化算法对目标函数进行脱空反演计算,并提出一种更合理判断反演脱空区域面积和实际脱空区域面积相对误差的指标—面积不重合度。为验证所提方法性能,以一室内软基水闸物理模型为例,对两种不同脱空工况开展研究分析,结果表明,反演脱空区域面积和模型实际设置脱空区域面积的相对误差分别为8.47%和10.77%,相对误差值较小,证明所提方法能有效反演出水闸底板脱空情况,可成为软基水闸底板脱空反演检测的一种新方法。

苏南运河沿线精细化水文-水动力模型构建及验证

苏南运河自北向南穿过太湖流域腹部,具有航运、防洪排涝、灌溉和景观功能。近些年,运河汛期水位连年超历史,造成运河沿线及周边受灾严重。精细化水文-水动力模型可为运河高水位成因分析、防汛排涝调度决策、新老工程效益评估提供技术手段。基于Infoworks ICM软件,充分考虑苏南运河沿线平原河网地区圩区、城区管网以及复杂下垫面,构建了苏南运河沿线平原河网水文水动力模型。鉴于苏南运河沿线水系边界难以确定,将模型构建范围扩大至2.16万km2。采用2015年和2016年的汛期实况降雨、水位和调度数据对模型进行率定和验证。绝大多数水文站点水位模拟纳什系数接近于1,模型可信度高;可决系数显示相关性中等偏上,模型总体结果可信。同时相比其他片区,湖西区精度更高,主要原因是相比其他片区,湖西区受人为调度干预较少。

粒子群算法在河道水动力模型参数校正中的应用

参数估计一直是河道水动力模型研究的难点之一,在传统的模型参数人为经验率定方法的基础上,提出了基于粒子群算法的模型参数优化校正方法,构建了参数校正优化模型,并将参数优化校正算法与河道水动力模型进行耦合,针对淮河干流和史灌河支流组成的研究区域,采用一维河道洪水演进模型,比较了糙率系数校正方法和传统经验估算法,校正方法得到的河段糙率系数值比人为经验估计值平均大0.01,淮河干流河段糙率略大于史灌河支流河段糙率,采用校正河段糙率系数得到的河道水位过程与实测值拟合更优,特别在主峰段洪水过程模拟精度显著改善,验证了本文所提出的参数优化校正算法的有效性,为复杂河道水动力模型参数的确定提供了一种有效方法。

黄河中游地区水-能-粮-碳纽带关系模拟与韧性调控

水资源、能源、粮食和碳排放等对区域发展水平和生态环境质量有重要影响,其相互作用构成了复杂的纽带关系,对于区域绿色协调发展至关重要。以黄河中游地区为研究对象,采用系统动力学来探索水-能-粮-碳的关联模式,根据1999—2019年黄河中游地区的水资源、能源、粮食、碳排放现状的基础数据梳理这4个子系统的耦合关系,并对其未来30年的发展变化进行仿真模拟,从抵抗性、恢复性和适应性3个方面构建韧性评价指标体系来评价整个系统。研究结果表明:①在常规发展模式下,预计2050年水资源及粮食不会出现明显的供需缺口,而能源消费缺口会随着社会经济的发展越变越大。②每个情景的3个分数都存在差异,其中多子系统优先发展的情景在抵抗性、适应性及恢复性3个方面的表现均优于其他情景。③情景11的4个子系统都优先发展时及情景10的能源、粮食及社会经济子系统优先发展时,韧性指数从2020—2050年整体是最高的;情景11的碳排放量最低,水资源、能源及粮食供需指数都相对较高,因此情景11为最优发展模式。

浅水湖泊群连通与调水的二维水动力-水质耦合模型研究

将湖泊群连通并进行引清调水的水环境污染治理模式在浅水湖泊分布比较集中的地区逐渐受到人们的关注。为了探究独立湖泊群相互连通引水后各湖区的水动力水质变化情况,以武汉大东湖生态水网工程的建设为背景,建立了湖泊群二维水动力-水质耦合模型。采用适合复杂边界的非结构化网格,考虑湖底地形和气候条件,考虑污染物的输入、迁移和转化,以及蓝藻等浮游生物的生长条件,分别利用东湖2006年6月和2007年6月的野外数据对所建模型进行参数的率定和校核,并利用2012年6月实测数据对3种引水方案与3种连通模式组合情况下湖泊群的BOD5,TP,TN以及Chl-a等生化指标的变化情况进行模拟,对稳定运行30 d后的模拟结果进行比较分析。结果表明:引水工程中,对于水域面积较大的湖泊,风力作用依旧是影响流场的主要因素;同样的引水流量下,不同的调水方案对水质改善结果有较大差别;湖泊群中隔堤的存在会给湖泊污染治理带来困难,而在湖泊群中适当区域设置生态小岛对水质变化过程影响微弱。

水动力-水质模型在人工湖优化设计中的应用

以青海省德令哈市人工湖为例,介绍了MIKE水动力-水质耦合模型在人工湖引水流量及湖体形态优化设计中的应用情况。通过对人工湖形态的网格划分,在大量模拟方案的基础上,系统模拟了人工湖不同点位的水体交换完成时间,确定了2条引水渠道的引水流量和引水周期;通过人工湖"新"、"老"水体的对流扩散模拟,确定了湖体重污染潜在区域和富营养化高发区,为湖体形态和水体流态的优化提供了重要技术支撑;通过对风场叠加方案的模拟,为工程运行期间换水时机的选择提供了关键的参考依据。

脱硫石膏转化α-半水石膏的特征及机理:实验与模拟

脱硫石膏的高效利用可以有效缓解一系列环境问题,变废为宝。本文利用二水石膏在含有微量无水硫酸钠的乙二醇水溶液中制备α-半水石膏,探究温度(94~98℃)、乙二醇体积分数(25%~35%)、硫酸钠浓度(0.1~0.3mol/L)对二水石膏向α-半水石膏脱水转化过程的α-半水石膏摩尔分数和动力学参数变化。研究发现,在乙二醇水溶液中,二水石膏向α-半水石膏脱水转化过程符合分散动力学模型。随着温度和乙二醇浓度的增加,动力学参数α基本保持不变,而参数β显著增加,导致活化熵△S*增大,进而导致能垒E_(a)降低,促进了二水石膏向α-半水石膏脱水转化。微量无水硫酸钠的添加,显著缩短了α-半水石膏的成核诱导时间。通过分子动力学模拟,增加硫酸钠的浓度,Na^(+)与SO_(4)^(2-)的配位数增加,扩散系数绝对差值∆D降低,从而导致配位能力增加,解耦能力降低。本研究对高效利用脱硫石膏、掌握其向α-半水石膏的转化特征具有重要意义。

某泵站前池改造工程三维水动力数值模拟研究

某泵站因水源泥沙含量较多,现状采用圆形集水池进水,因其空间较小导致运行时池内水流流态较紊乱,易引发泵站机组汽蚀破坏的问题。为此,以三维水动力数值模拟为主要手段,采用RNGκ-ε紊流模型,模拟了改造前后泵站内的水流流态,对比分析了不同改造方案下泵站前池和进水管内不同位置处的水动力特性。结果表明,将圆形集水池改造为整体式矩形泵站前池,并将现状分水渠与前池连接处的孔口出流改为明渠出流,可显著改善池内水流流态;三种前池布置优化方案对流速大小、流速旋角及均匀程度的改善幅度接近;截面平均流速和进水管口处流速旋角等指标可对泵站前池方案比选进行定量评价。

双控制方式下带缆水下机器人轨迹跟踪与水动力响应分析

本文首先根据已有的脐带缆运动控制方程,通过引入与工作船和水下机器人连接点处边界条件和速度耦合关系,与水下机器人运动方程一同构成完整的水动力数学模型;其次提出收放脐带缆的前馈-反馈控制方法和调节螺旋桨转速的增量式PID(Proportion Integration Differentiation)算法,建立完整的带缆水下机器人系统水动力与控制模型;最后对所提出的模型进行数值模拟实验验证与运动控制操纵下的水动力分析。数值计算结果表明:本文所提出的带缆水下机器人系统水动力与控制模型是有效可靠的,垂向运动控制过程中,水下机器人纵摇角、横摇角和沉深的模拟值与实验值最大误差分别为2°、1°和-50 mm;对于PID算法,调节螺旋桨转速控制水下机器人对给定位置信息的跟踪响应效果,模拟值与实验值相差均不大;轨迹跟踪模拟计算沿水平(X轴)方向和竖直(Z轴)方向最大相对误差分别为10%和15%;水下机器人竖向(沿Z轴)运动主要由调节脐带缆长度的前馈-反馈策略决定,沿水平(X轴)方向的运动主要由调节螺旋桨转速的PID算法控制;机器人水动力载荷受其周围流场变化的影响,而流场的变化主要由机器人运动速度的改变和螺旋桨转速变化二者共同决定。

考虑流-固耦合的输水隧道动力模型试验中的一种相似技巧

结构动力模型试验与动力模型破坏试验中,保持模型与原型相似的3种基本要求与处理技巧已在相关文献中提及。同时,也提及了对结构动力特性、弹性振动响应与破坏形态等试验目的不同,相似要求也有所差别,而这里将对地下软土中考虑流-固耦合的输水隧道的模型试验进行数值模拟研究。根据模型试验选料的经济实用性,提出了一种相似关系和技巧,并通过实例加以验证。数值模拟结果表明:在这种具体情况下,采用这种相似关系完全可以从模型试验的数据换算到原型,以便获得更多的有用信息,为今后地下输水工程模型试验的选材拓宽了思路,并提出了一些新的概念。

基于水动力-水质模型的湖库纳污能力量化

"湖库纳污红线的核定"是我国最严格水资源管理制度中三大核心内容之一,也是保障城市供水安全、水资源可持续利用的关键问题之一。我国现行纳污能力的计算往往采用对稳态水质模型的解析求解,但无法获得不同来水、排污和内源污染等多种因素影响下水体纳污能力的时空动态变化。水动力-水质模型能够反映湖库水质和外部营养负荷之间的定量关系,可精细模拟水质指标在库区内的时空变化过程。基于EFDC模型,以深圳市重要饮用水源地——石岩水库为例,构建了水库三维水动力-水质模型,动态模拟了水位和水质的时空变化;并按照水功能区目标要求,探讨了该水库典型年的纳污能力的季节性变化。结果表明:EFDC模型能够准确模拟石岩水库水动力和水质要素的变化过程,水位、COD_(Mn)和NH_3-N模拟的相关系数达到了0.97、0.60和0.90;基于构建的三维水动力-水质模型,考虑到排放口位置和条件、水质的时空分布特点、底泥释放等实际因素,计算得到石岩水库2011年COD_(Mn)和NH_3-N纳污能力分别为2 158、511 t/a;纳污能力的季节性差异很明显,夏季和秋季较大,春季和冬季较小。研究成果可为我国饮用水源地水质管理和污染控制提供科学依据,也可为我国最严格水资源管理制度的实施提供一定的参考和借鉴。

数字孪生丹江口工程突发水污染事故模型研发与应用

针对丹江口水库水域面积广、库岸线长、污染来源分散且类型多的特点,基于有限体积方法自主研发丹江口水库二维水动力水质机理模型,基于拉格朗日粒子追踪方法自主研发丹江口水库二维“油粒子”随机模型。通过机理模型和随机模型相结合,实现丹江口水库任意位置、不同污染类型和排放方式情景的突发水污染场景的快速构建,模拟库区水流运动及污染物输移扩散过程,实时输出污染团前锋运动轨迹、距陶岔里程及预计到达时间等。基于“云境”数字孪生模拟仿真平台实现计算结果的可视化展示,并在丹江口水库多次水污染事故应急处置工作中成功应用,为南水北调中线水源工程应对突发水污染事故和保障水质安全提供有力技术支撑。

基于水动力-结构模型的波浪载荷计算方法

为了更精确地计算分布于结构网格上的水动压力,提出了一种与结构分析协调的波浪载荷计算方法。依据线性势流理论,采用三维频域波浪载荷计算方法,建立了水动力-结构模型的边界积分方程求解结构网格控制点的速度势,实现水动压力在结构单元上的直接计算。开发了适合通用有限元分析软件MSC.NASTRAN的波浪压力直接计算及自动加载程序。最后,对某补给船进行了水动力计算和结构分析,对比结果表明,研究方法可以很大程度上改善结构模型的平衡性,使结构响应结果更合理可靠,具有较大的工程实用价值。

水文-水动力-水质模型耦合应用现状综述

随着城市化进程,评估生态环境是在流域低影响开发和制定区域决策方案中至关重要。集成流域与河流模拟原理,构建水文-水动力-水质系列模型,优化现有模型结构,更好的服务于水环境日常管理。文章主要介绍现有水文-水动力-水质耦合模型框架,通过模型耦合来源、机理,针对复杂流域水系,综合分析面源点源污染,常见水文-水动力-水质耦合模型应用分析,有助于水环境耦合模型开发应用。

增强型地热系统热-水动力-力学(THM)耦合模拟——以河北马头营凸起区为例

增强型地热系统(EGS)的裂隙热储层在长期开采过程中,由于不断地提取高温干热岩体的热量,致使高温花岗岩岩体温度下降,进而诱发岩体产生二次破裂,甚至出现流体短路,降低地热系统开采效率。为了保证EGS热能的稳定提取,需要建立试验场地的热-水动力-力学(THM)耦合模型,分析水动力和热效应对该储层裂隙发育规律的影响。本文基于河北马头营凸起区EGS开发场地的循环注水试验数据,建立场地热-水动力-力学耦合模型,通过模型模拟结果与现场观测结果进行比较,先验证了THM耦合模型的准确性,然后利用校正后的模型预测了不同注入方案下,EGS储层渗透率的提高和增产带的空间范围,揭示了储层裂隙增产带的范围受温度、压力、注入速率的影响情况。结果表明:经过63 d的增产处理,该模型预测的增产层体积约为10万m^(3);提高注水压力能刺激现有的裂隙发生剪切性破裂,拓宽增产带的区域;减小注水的温度有助于提升流体的穿透能力,扩大储层的增产带;在水力压裂的开始阶段,适当利用冷水注入有利于提高储层渗透率,且提高注入速率会使储层增产带的范围扩大。