数值计算在水力学研究中的应用概述

提出了数值计算在水力学研究中的重要性;介绍了目前流体计算中常用的计算模式和数值计算方法,并对其在水力学计算中的应用做了说明;介绍了目前水力学数值计算的难点及研究进展。

山区河流堤防工程对洪水演进影响研究

山区河流堤防工程对保护河道两岸人民生命财产安全具有重要的作用,但堤防工程的兴建减少了河道的槽蓄库容,可能对洪水的演进产生影响,运用一维数学模型研究山区河流堤防的建设对河道水位、行洪能力、洪水历时等因素的影响,不仅具有重要的学术价值也具有重大实践意义。通过模拟成果分析得出堤防工程对河道水位及行洪能力影响较大,而对洪峰流量及洪水历时影响不大。

中闸室弧形闸门关闭过程中泄洪洞水力特性研究

基于引入VOF模型的RNGκ-ε模型和动网格模型,模拟了岸边泄洪洞中闸室弧形闸门的关闭过程。并结合物理模型试验,重点研究了中闸室下游泄洪洞内流态、空腔长度、壁面压力等水力特性的变化规律。研究结果表明,中闸室弧形门关闭过程中,随闸门开度逐渐减小,底空腔回流和侧墙水翅等不利流态均会逐渐减弱并消失;空腔长度呈线性规律增加;当闸门开度大于1/2时,在泄洪洞底板和侧壁的冲击范围内,能观测到压力峰值,当闸门开度小于1/2后,压力峰值逐渐减小并消失。此外,数值模拟成果与模型试验成果基本符合良好,验证了数值计算模型的有效性。

90°明渠交汇口三维水力特性数值模拟

明渠干支流交汇口包含了许多重要的水流现象,在污水处理厂和过鱼建筑物等水利设施中经常遇到。本文采用k-ω紊流模型对90°明渠交汇口三维流场进行了模拟,运用双曲正切扩展函数法构造动态网格来跟踪自由水面,将模拟的结果与实验数据进行了对比,吻合良好,成功捕捉到了交汇口水面变化及二次流等主要水流特性。分析了交汇口分离区形状参数、支渠入流角及断面收缩系数与干支渠流量比之间的关系,并与前人的研究成果进行了比较。

山区阶梯河道中洪水波运动特性研究

为了研究阶梯河道中的山区洪水波运动特性,在阶梯坡面上分别进行了无加糙和用粘贴不同粒径的均匀沙定床加糙的2组系列试验。试验结果表明:阶梯坡面末端无量纲波前速度趋近于常数,其大小不仅随相对阶梯高度h*增加而减小,亦随相对粗糙高度ks增加而减小。此外,床面粗糙程度较小时h*的增大会导致山洪行进时间增加及水流能量消耗的增大;床面大粗糙度不仅对山洪行进具有阻碍作用,而且能很大程度上消耗水流能量。研究结果对山区河道中山洪防治提供了参考。

深覆盖层河流土石过水围堰体型研究

在深覆盖层河流上采用土石过水围堰度汛方案存在一定风险,但采用合理围堰体型和过流保护措施,能够实现围堰安全度汛。以猴子岩电站土石过水围堰体型为研究对象,通过模型试验,分别对单梯型围堰和面流消能型围堰进行了研究。试验结果表明,对于深覆盖层河流,围堰堰脚的防护尤为重要,采用面流消能型围堰过流效果优于单梯型围堰。

山区河道溃坝水流数值模拟

为了研究溃坝水流在山区河道中的传播,采用SPH方法来求解2维浅水方程,建立了溃坝水流数值模型。SPH方法由于是拉格朗日法,在处理对流主导的问题具有很好的稳定性与精度,且是无网格方法,无需划分网格和判定干湿网格,很好地解决了山区河道溃坝水流流速急,水位变幅大,动边界变化频繁,计算区域难确定等问题。采用该模型模拟了山区河道的溃坝水流,初步再现了溃坝水流的流动过程,分析表明模拟结果是合理的,因而采用SPH方法对溃坝水流进行模拟是可行的。

多级模糊模式识别方法用于河流水质评价

应用多级模糊模式识别模型进行水质量分类评价,克服了最大隶属度原则所不适用的地方,而且以相对隶属度、隶属函数为基础理论,使隶属度、隶属函数的计算更容易。建立了多级模糊模式识别模型,并应用于汾河水质分类评价中,应用结果表明,该方法合理、可行。

循环经济下的四川省水资源利用与管理

针对四川省水资源可持续利用的目标,结合四川省水资源的特点,运用循环经济理论,分别从政府、企业、公众和科学技术等4个方面,分析环境经济政策,提出加强水的立法与水资源循环经济管理机制;运用经济杠杆,促使环境基础设施提供者财务独立运行;提倡建立节水型社会,提高水的利用率;推行清洁生产,循环利用经过处理的工业废水;建立排污许可证的交易制度,促成企业节能、增效和技术创新等建议。

河流突发性污染事故风险评价方法的探讨

通过危险源和环境因素两个方面进行河流突发性污染事故风险评价,引入加权危险河段长度和河段危害权重两个概念论述危险源风险评价,给出能够反映各河段重要性的新的危险源风险评价方法。评价了流速、降水、地形等自然环境因素对突发性水污染事故发展的影响,提出了环境因素定性评价方法。

基于IF-GEP的河湾最大冲刷深度预测方法

为解决传统河流流经弯道的最大冲刷深度预测过程中存在的不足,将孤立森林(IF)和基因表达式编程(GEP)方法相结合,建立了一个基于IF的GEP河湾最大冲刷深度预测模型(IF-GEP),并将该模型与传统GS-SVR和RF模型及现有经验公式进行对比。结果表明,IF-GEP预测模型在测试集上取得了较好的预测效果,且预测精度明显高于现有公式及传统的GS-SVR和RF模型。最后将该预测模型应用于多条不同河流的预测中,IF-GEP预测模型的预测结果与实际测量值较吻合,说明该预测模型具有良好的预测能力和较高的泛化性能。

地下厂房围岩松动圈声波拟合及监测反馈分析

在对锦屏一级水电站和溪洛渡水电站地下厂房围岩大量声波波速-深度曲线及其曲线拟合的基础上,将声波波速-深度曲线分成5类;利用经典的波速-弹性模量关系式将地下厂房围岩深度与弹性模量联系起来,对开挖后的洞壁岩体松弛现象和弹性模量下降的规律进行评价,提出洞周松动圈深度拟合公式。将提出的松动圈拟合公式应用于地下厂房围岩监测反馈分析和超前预报,分析成果比传统弹塑性理论更符合围岩实际变形规律。研究结果为围岩变形稳定分析和开挖反馈分析提供理论基础。

川中丘陵区季节性干旱时空分布特征及成因分析

为了减轻季节性干旱对四川省农业生产造成的影响,根据川中丘陵区8个气象站点1960-2011年的月降雨资料,基于标准降水指数(SPI)研究了该区季节性干旱时空分布特征,并分析了干旱成因。研究结果表明:对川中丘陵区影响较大的中旱、重旱及极旱主要集中在冬季和春季;近52 a来区内各站点的SPI值在9-11月呈下降趋势,宜宾在8-9月的SPI值显著下降(α=0.05);区内四季SPI值的Hurst指数几乎都大于0.5,SPI值有很好的持续性;6月尺度(冬、春季)的SPI值显示出了5、11和28 a的周期,其中11 a的周期震荡最强,为第1周期。同时,一年四季中不同干旱等级的干旱频率也在不同地域上显示出了差异性。通过对月尺度SPI值和影响干旱的因素进行相关性分析,发现SPI与降水集中程度、日照时数呈极显著负相关(α=0.01),是影响川中丘陵区干旱的主要因素。该研究为四川省的防旱减灾提供参考。

高坝明流泄洪洞掺气减蚀三维数值模拟分析

高坝明流泄洪洞的掺气减蚀问题倍受关注。以溪洛渡水电站3#泄洪洞为研究对象,结合大比尺单体模型试验成果,应用分段计算方法对泄洪洞掺气减蚀问题进行了三维紊流数值模拟分析。结果表明:泄洪洞各道掺气坎布置合理且有稳定掺气空腔,掺气坎体型基本合理,明流段洞顶余幅足够。泄洪洞反弧段及末端一段区域水力特性复杂,应重点关注此部位的设计及施工问题。对于高流速、大梯度泄洪洞水力学问题,采用分段计算能提高计算速度。

低佛劳德数掺气坎空腔回水问题研究

为解决低佛劳德数缓坡泄洪洞掺气坎空腔易发生水流回溯,影响进气的问题,结合大渡河大岗山水电站泄洪洞,采用k-ε紊流模型对连续式掺气坎、连续式掺气坎加局部陡坡以及U型掺气坎加局部陡坡三种体型的掺气坎进行了数值模拟和物理模型试验,结果表明设置U型掺气坎可以有效地抑制水流回溯,稳定掺气空腔,消除空腔内积水,增大气水交界面积,提高掺气效率,而且具有体型简单等优点。

基于EEMD与ANN混合方法的水库月径流预测

为了解决径流序列复杂的非稳态特征并提高径流的预报精度,采用EEMD-ANN组合方法构建径流预报模型,其中EEMD方法通过将非线性非稳态的水文序列分解为多组固有模态分量及趋势项,实现径流序列的稳态化,然后使用ANN方法分别进行预测,进而完成径流序列重构。以黄河龙羊峡水库为例,基于EEMD-ANN预报模型对入库径流量进行了预测,结果表明该方法可较精准地预测径流量。同时,通过对比分析发现,采用EEMD-ANN连续滚动预测月径流量在汛期的预报效果较好,而非汛期可采用同期预报的手段提高径流预报精度。

渗流计算中求解浸润线的自由面适应网格方法

渗流计算中的浸润线计算属于自由面求解问题,传统的求解自由面方法,多为改变网格去适应自由面在迭代过程中的变化。提出了自由面适应网格方法,该方法与传统方法相反,即在迭代求解过程中不改变网格而是让浸润线不断地去适应网格,采用网格映射的方法去确定浸润线,直至最后达到允许精度,得到要求的浸润线分布。结果表明,该方法具有计算简单,编程方便,精度较高等优点。采用本方法时,如果采用加密网格或者高阶映射的方法则可以进一步提高求解精度。

基于加权灰色-马尔可夫链模型的城市需水预测

城市需水量预测是区域水资源规划及优化配置的基础内容。在基于灰色GM(1,1)模型预测城市需水量总体趋势的基础上,引入加权马尔可夫链预测理论,建立了加权灰色马尔可夫GM(1,1)预测模型。该模型既考虑了GM(1,1)模型较强的处理单调数列的特性,又考虑了通过相对误差的状态转移概率矩阵的变换提取数据随机波动响应的特点。成都市城市需水量预测结果表明:加权灰色马尔可夫GM(1,1)模型充分利用需水量数据给予的信息,实现了对相对误差的状态转移的预测,并提高了修正灰色模型预测值的精度;通过与其它2种灰色预测模型预测结果比较,加权灰色马尔可夫GM(1,1)模型精度更高,预测得到2012年和2013年成都市城市需水量分别为74 250.91万m3和79 818.34万m3,呈明显增长趋势。因此该模型提高了随机波动较大数据序列的预测精度,拓宽了传统灰色模型预测的应用范围,更具科学性。

锦屏一级高拱坝坝基加固效果分析

锦屏一级高拱坝复杂的坝址地质条件使基础加固处理工程巨大,主要包括左岸混凝土垫座置换、左岸传力硐、左岸f5、f8、煌斑岩脉混凝土网格置换,右岸f13、f14断层混凝土网格置换。采用非线性有限元分析方法,对坝基加固后锦屏一级水电站坝体在多种工况下的的应力、变形特性进行了计算分析,给出了坝体蓄水期的应力、位移分布及超载、降强对位移的影响结果,并与无垫座方案的相关数据进行对比,表明加固后坝体蓄水期总体变形规律明显改善,坝踵拉应力减小,坝体与坝基安全储备能力提高,满足设计要求;在应力、变形方面肯定了大规模加固措施的必要性。

分布式水文模型对水质监测数据的补充及污染源分析

水质现状监测对水环境影响评价、水环境治理具有重要作用。目前,水质现状监测数据存在监测频率低、监测难度大、影响因素复杂及信息化程度低等问题。为此,采用了分布式水文模型对水质监测数据进行补足,并追根溯源分析污染物来源。以都匀市剑江河流域为例,基于水文气象、下垫面数据及仅有的2010-2014年的四个断面不同步的水质数据,建立SWAT分布式水文模型模拟总磷污染物。结果表明,使用分布式水文模型不仅可以补足剑江河流域四个监测断面同期的总磷数据,还可以追根溯源得出该流域总磷污染主要来源于面源污染,同时可以分析出面源污染的空间分布情况以及不同污染类别的占比,该流域中肥料流失为主要污染源,尤其是丰水年的污染占比高达近66%。