平原河网水动力优化调度与水环境改善的响应关系研究

平原河网河道流动性较差是引起水环境污染严重的主要原因,引调水是改善平原河网地区水环境的重要措施之一。本文以佛山市三山围为例,基于实测资料构建了河网水动力水质耦合模型,采用15天的连续水动力水质监测数据对模型进行了验证,并将NSE和RMSE模型评价指标用于模型评价。同时结合地势、潮汐规律和景观水位等设计了4种闸控模式和7种景观控制水位,共28种模拟工况,模拟分析了不同条件下的水动力水质改善与内外江潮位变化、引排水流量及其空间分布、闸控方式和景观水位等综合响应机理。结果表明:构建的模型合理可靠。研究区域受引排水路径的影响,河道流动性差异较为显著。综合考虑河道流量分布、水流路径、分汊河道分流作用和外江污染物浓度等对河道水质的作用效果并有效结合潮汐河网的动态水环境容量和污染源排放的时空分布对水环境的改善作用将非常显著。与低景观控制水位相比,高景观控制水位的内江动态水环境容量相对较大,污染物浓度较低。景观控制水位从0.2 m上升至0.8 m时,不同引调水路径的引水流量上升28.00%~64.70%,断面氨氮浓度削减了0.85~5.50 mg/L,削减比例达到28.89%~67.23%。本研究为平原潮汐河网水环境优化调度研究提供了新的思路,为相关部门对平原河网的水环境改善提供了重要的参考。

通量差分裂方法在一维河网模型中的应用

以通量差分裂格式离散非守恒型圣维南方程组,为保证河网整体离散形式的一致性,采用特征线方法离散边界节点,并引入限制器和熵修正使离散模型具有TVD(Total Variation Diminishing)特性,在线性隐式化的基础上最终构建基于隐式TVD类方法的一维河网水流模型。通过实例验证,表明提出的方法能处理跨临界流变化,而且在实际复杂河网中对水位及主、支河道分流比都能较好地模拟,具有一定实用性。

具有闸、堰的一维河网非恒定流数学模型及其在多闸联合调度中的应用

对含有多个闸、堰等水利工程的河网,从闸门运用和河道行洪两方面考虑,采用三级联解法建立一维河网非恒定流数学模型,提出双向迭代内边界控制法对具有闸、堰的特殊河段求解。将这种模型应用于天津市永定新河洪水演进计算,考虑了该河网复杂的水闸控制条件,模型验证的结果和实测资料基本一致,将其应用于多闸联合调度方案的数值模拟,对永定新河下闸位建闸方案的确定和建闸工程的实施具有积极的指导作用。

基于显式有限体积法的一维河网模型

采用显式通量差分裂格式离散圣维南方程组,通过特征线方式处理边界;在局部离散中引入跨临界流熵修正和TVD限制器,以提高模型精度并保证模拟稳定性,最终构建了基于显式有限体积法的一维河网水流模型。经典算例验证表明,所建立的模型能够处理具有激波的跨临界等复杂流态;模型应用于长江南京八卦洲河段,水位和流量的验证表明该模型能够应用于实际的河网,并具有较高的精度,为显式离散方法应用于河网模型提供了一种思路。

一维河网水流数学模型在含多个沙洲的天然河道中的应用

对含有多个沙洲的天然河道,由于河道分汊,不便采用一维或平面二维模型计算洪水演进过程。通过把这种类型的河流看作小型河网,采用一维河网水流数学模型来进行模拟。将这种模型应用于东荆河洪水演进计算,率定后,模型验证的计算结果和实测资料基本一致,效果良好,将其应用于东荆河洪水调度具有积极的指导作用。

一维河网泥沙输移模式研究

推导了一种显式的河网泥沙输移递推计算方法,该方法在水动力学计算结果所确定的汊点类型基础上,直接计算每个河段中逐个节点的不平衡泥沙输沙过程以及悬沙和床沙的级配调整,克服了传统方法中必须通过首末断面含沙量关系确定河网悬沙矩阵求解的困难.将该泥沙输移模式的一维河网水沙数学模型,应用于长江三峡下游荆江-洞庭湖河网区域,并取得了较好的计算结果.在模型验证之后,进一步讨论了采用新的泥沙输移计算模式和原有泥沙输移计算模式在计算时间上和计算内容方面的差别.

一维河网水流数学模型数值计算方面的探讨

本文在考虑了实际计算河段的特性的基础上,采用直接联解一维圣维南方程组的方法建立了一维河网水流数学模型,并以此探讨了数值计算中的关于求解大型稀疏矩阵方法的选择及糙率的选择等方面的问题。

一维河网嵌套二维洪水演进数学模型应用研究

建立了一维河网嵌套平面二维洪水演进数学模型,并以长江干流螺山-汉口河段和汉江支流东荆河水系作为应用对象,对该地区分蓄洪区调度方案进行模拟。对东荆河分洪民垸、杜家台分蓄洪区等实施分洪后汉江、长江干流洪水位变化和各分洪区进洪后洪水演进、淹没过程进行了初步模拟。结果表明,分洪对降低距分洪闸较近的分洪口门河道水位最为明显,对下游水位也有较明显的降低效果,但对上游水位影响较小,同时也表明模型构建合理、运用方便、稳定性好,符合实际物理过程,具备推广应用价值。

基于一维河网数学模型的荆江三口河口疏浚方案

20世纪50年代以来,在以下荆江裁弯和葛洲坝工程截流为代表的一系列江湖演变和人类活动影响下,荆江三口分流能力逐渐减小,断流现象不断加剧,在三峡水库蓄水及上游水库群联合调度的新水沙条件下,这一问题愈发突显。为此,围绕荆江三口河口段开展疏浚整治研究,通过拟定设计枯水流量及设计通航等级,结合三口河道横纵剖面形态确定设计疏浚基准线、底宽、边坡等参数并提出河口疏浚方案。通过构建一维河网数学模型,计算得到疏浚后的荆江干流及三口河道水沙输移过程,从而分析疏浚整治效果并得到推荐方案。结果表明:方案对荆江及荆南水系造成的防洪影响较小,并能保证三口河口段相应的设计通航条件。其中,松滋河东支的疏浚效果最为显著,其分流能力得到极大提高,断流现象得到有效解决;虎渡河由于受中河口处松东支水流顶托作用及下游南闸底板高程限制,其断流现象及分流能力的改善十分有限;藕池河由于受河口段下游长约30 km的逆坡河段阻流作用,其疏浚效果最不明显。建议松滋河可适时开展河口疏浚工程试点,虎渡河、藕池河则宜尽快开展全线综合整治等专题研究。

一维河网模型在城市截洪沟设计中的应用

通过工程实例分析比较一维河网模型和恒定均匀流公式这两种复核截洪沟过流能力的计算方法,结果表明,一维河网模型的结果,考虑了下游水位顶托,更加符合工程实际。因此利用一维河网模型进行城市截洪沟河网问题的评估,可以有效解决传统经验公式法不考虑下游水位顶托的问题,为其他建成区截洪沟水浸问题解决以及新建截洪沟的方案确定提供思路及借鉴。

赣江尾闾河网地形变化对洪季水动力的影响

为探明在新水沙条件和人类活动的影响下赣江尾闾河网地形变化与洪季水动力特征变化的关系,以1998—2020年为研究时段,基于1998、2013、2020年河道地形,分别建立一维河网数学模型,复演赣江98特大洪水,研究不同时期地形变化对洪季水动力特征的影响。结果表明:赣江尾闾河网的整体下切使水位流量关系右移,洪期各支洪峰流量整体增加,相同水位下,外洲站来流增幅超过50%。1998—2020年期间,南支地形下切幅度大于其他各支,地形不均匀下切导致尾闾河网节点分流比改变,整体上主支与南支分流增多、中支与北支分流减少。各支流速变化剧烈,主支下游流速增幅超过1 m/s。本研究可为河道整治规划、堤坝防护和灾害预防提供一些技术参考。

一维非恒定流模型在黄河水量调度中的应用

随着黄河下游工农业生产的不断发展以及人民群众生活水平的提高,黄河水资源供需矛盾越来越突出。确保黄河不断流必然面临着越来越大的压力,提高水量调度的快速反映能力势在必行,因而提出了一维河网非恒定流数值计算模型在黄河下游枯水演进中的数学基础、实现方法和在此基础上建立的枯季水量调度软件的应用,通过对1985、1988年利津水文站流量的拟合结果比较可以看出,利用一维河网非恒定流模型建立的黄河下游枯水演进系统的实际应用效果是令人满意的。

长江口一、二维嵌套水流盐度数学模型

建立了长江大通至河口大范围的一、二维嵌套水流盐度数学模型,其中大通至江阴采用一维河网数学模型,江阴至口外段采用一般曲线坐标系平面二维数学模型.采用长江大通至江阴以及江阴至河口段的实测资料对建立的一、二维模型进行了较系统的率定,结果表明:数学模型计算与实测资料均吻合较好,验证了该数学模型运用于长江口水流盐度数值模拟的可靠性,为下一步进行长江口盐水入侵研究奠定了基础.

福州内河河网精细水流水质数学模型研究

文章在前人研究的基础上,根据感潮河网地区水体的水动力、水质特性,建立了河网一维水动力和水质模型,并进行了模型验证。结果表明水动力模型计算值能够较好的吻合实测值,能正确反映涨落潮趋势,水质模型能正确反映污染物受涨落潮影响在河网内回荡的变化情况。本研究成果对解决福州市水环境问题提供了一定的理论基础,具有一定的指导意义。

基于断面水质达标的污水处理厂尾水排放浓度确认研究

我国在建设项目准入中实行“三线一单”生态环境分区管控制度,“环境质量底线”是其重要要素之一。研究以苏中水网地区某工业污水处理厂为例,遵循地表水环境质量底线要求,在满足控制断面(排污口下游2 km)主要水质污染因子浓度达标并预留安全余量的要求下,通过构建一维河网水动力水质耦合模型,建立污染源与水质响应关系,模拟分析丰、枯水期控制断面水质稳定达标时污水处理厂尾水的允许排放浓度,为区域水环境保护和管理工作提供技术支撑。

福州内河河网精细水流水质数学模型研究

在前人研究的基础上,根据感潮河网地区水体的水动力、水质特性,建立了河网一维水动力和水质模型,并进行了模型验证。结果表明水动力模型计算值能够较好地吻合实测值,能正确反映涨落潮趋势,水质模型能正确反映污染物受涨落潮影响在河网内回荡的变化情况。研究成果对解决福州市水环境问题提供了一定的理论基础,具有一定的指导意义。

基于水动力模型的南通市通吕运河泵站排涝规模计算与分析

为合理确定南通市通吕运河泵站双向运行改造工程中泵站的排涝规模,通过水动力数值模拟的方式,对南通市九吕水利分片内的河网水系进行概化,建立了区域水系的一维河网水动力数学模型。计算、预演并研究该区域在不同泵站排涝流量工况下,遭遇20年一遇的设计降雨叠加10年一遇的设计潮型条件下的洪水演进过程及特征点最高水位,结合模型结果确定泵站合理排涝规模为75m^(3)/s,研究可为类似泵站改造工程中泵站排涝规模的确定提供一定的设计依据与参考。

广州港内港港区海心沙东区客运码头改造工程洪水影响评价

为研究海心沙东区客运码头改造工程对洪水的影响,采用一维河网模型与工程局部河道平面二维潮流数学模型相结合的方法进行分析。拟建工程造成工程附近局部河段的水位壅高、壅高范围均不大,工程上下游一定范围内的水流流速、流态发生一定变化,但整体改变不明显,兴建工程对水域流态影响有限,河道主流动力轴线无明显变化。

多目标优化下平原河网引调水改善水环境效果评估

引调水是改善平原河网地区水环境的重要方法之一,通过构建太湖流域走马塘东南片平原河网区一维水动力水质数学模型,研究不同引调水方案对区域水环境改善效果,确定引调水过程中的异质性因子.从决策目标、水质指标、空间指标3个层面综合考虑,构建环境效益与经济效益结合的多目标函数及评价体系,对引调水方案进行评估优选.结果表明:引调水流量较大时,能够在一定程度上改善区域水环境状况,规划方案下引调水5 d后,高锰酸盐指数、氨氮、总磷的平均改善率分别为30.7%、22.2%、26.4%;引调水时,区域河网中不同空间点位、不同水质指标之间的水质改善过程与效果都存在一定异质性;引调水水量、调度模式及污染源分布都会对调水后的河网区水质产生差异性影响;本研究建立的多目标评价体系较现有方法能够有效涵盖引调水中存在的异质性因子,从多个目标层面优选引调水方案,实现水量水质综合优化调控,为平原河网地区水环境长效管理与科学决策提供理论参考.

不同周期分潮簇对复杂河网潮位分布的影响

在不规则半日潮为主的河口,半日和全日周期的分潮簇在很大程度上影响了潮位的振幅。但当潮波向三角洲河网内部传播时,由于不同周期分潮簇的振幅沿程变化速率存在差异,特别是半月周期分潮簇振幅作用得到增强,使得不同周期分潮簇对河网内潮位分布的影响具有明显的区域性特征。通过珠江三角洲河网一维水动力模型得到研究区域内高频且长周期的潮位资料,基于小波分解重构出主要周期分潮簇的振幅,采用谱聚类图像分割算法,通过像素分割计算确定综合相似度,从图像学等角度论证了不同周期分潮簇与复杂河网潮位分布的空间关联性。研究发现,半日和全日周期的分潮簇影响了复杂河网口门潮位振幅的量值,但半月周期的分潮簇却影响了复杂河网整体潮位分布的形态特征。