雨水利用宏观规划模型

采用概率分析方法,建立了流域或区域的雨水利用规划模型,描述了蓄水设施容量、日雨水利用量和有雨水利用设施后的径流量等3个主要规划指标及其与降雨统计特征量(次降雨量、次降雨间歇期及次降雨历时等)之间的量化关系。应用该模型通过对降雨资料的统计分析,能计算出降雨统计特征量,得到蓄水容量、日雨水利用量和规划径流系数,组成宏观规划指标的各种备选方案,可为决策部门在流域或区域内雨水利用规划提供合理的参考依据。本文以北京市城区的通惠河和凉水河流域为实例进行了模型的实际应用。

北京市主城区高分辨率的城市水碳通量模拟研究

城市化通过影响地表蒸散发(ET)过程改变了区域水热平衡等水文和生态过程,进而改变了陆地生态系统的结构与功能。为科学评估城市水碳过程,基于哨兵二号卫星数据的植被信息,估算了2016—2021年逐月北京市主城区10 m×10 m空间分辨率的植被指数,进一步结合PT-JPLim四源蒸散发模型、InVEST模型以及解析型生态系统水分利用效率(WUE)模型,模拟了2016—2021年北京市主城区10 m×10 m空间分辨率的蒸散发、蒸散发分量(植被蒸腾E t、土壤蒸发E b、截留蒸发E i和不透水面蒸发E u)、总初级生产力(GPP)、碳储量以及WUE的月值,并分析了其相关关系。植被指数较大值集中在西部山区,其次为北京市的公园区域,归一化植被指数NDVI最大值为0.65。主城区多年平均蒸散发量为497 mm,ET随着叶面积植被指数LAI和增强植被指数EVI的增加而增加。2016—2021年期间,NDVI、LAI和EVI分别以每年0.0048、0.016 m^(2)·m-2和0.0047的速度增加。区域平均E t为141.51 mm,E i为50.77 mm,E b为272 mm,不透水面上的E u ET为18.2%。碳储量较高的区域主要分布在西部山区,该区域海拔相对较高,植被覆盖率较高,总碳储量密度高值超过5 t hm^(2)。研究区GPP的平均值为2.7 g·m^(-2)·d^(-1),多年平均WUE为0.63 g·mm^(-1)。WUE和E t ET呈显著负相关(R=-0.44,p<0.001),WUE随GPP的增加呈现显著的上升趋势。精细化的城市水碳模拟能够为海绵城市的建设和评估提供理论基础,对“双碳”目标的实现具有重要意义。

大体积混凝土温度应力耦合直观化仿真计算系统

温度应力耦合问题是大体积混凝土工程施工期的核心关注点,大量相关的计算软件对用户能力要求较高,难以实现普遍性应用。本文以Excel软件为基础,配合VBA编程,实现了前处理的直观化,并通过C语言编制后台程序,利用Marc为核心求解器,完成了大体积混凝土温度应力耦合仿真计算系统的开发.该系统的用户友好性较强,直观易懂,能够实现前处理,计算、后处理全套过程的自动化,进一步提高了大体积混凝土工程仿真计算分析的通用性。通过国内某大型混凝土拱坝的实际算例,证明了该套系统的正确性和可行性.

泥沙颗粒表面吸附铜离子的分布特征的实验研究

现有的水体中泥沙与污染物质关系方面的研究,多着重于吸附模式的理论探讨和吸附总量的实验研究,而对泥沙颗粒的表面形态和污染物质在泥沙颗粒表面的分布研究较少。本文在泥沙颗粒硝酸铜吸附实验和场发射枪扫描电子显微镜观测的基础上,提出了泥沙颗粒表面铜离子分布观测的实验方法,该方法能够定量确定铜离子分布与泥沙表面形态的关系。观测表明:在泥沙颗粒表面的边脊与凹谷处吸附铜离子较多。

水布垭工程差动窄缝挑坎型溢洪道水力特性的试验研究

对水布垭水利枢纽工程高水头大流量泄洪条件下,带有弯曲引水渠和差动窄缝挑坎的溢洪道水力特性进行了模型试验研究。观测了引水渠和溢洪道内的水流流速分布和流动形态,分析和评价了斜型差动窄缝挑坎挑流特性,初析了消能效果。

基于最优化算法的北京市新一代天气雷达Z-R关系研究

运用最优化方法,选取北京市新一代天气雷达2007年4场降雨的基数据资料与对应的雨量计资料进行Z-R关系研究,对不同类型的降雨和不同距离范围的雷达估测点分别优化。结果表明:运用优化后的Z-R关系估测降水量的误差要比缺省的Z-R关系式直接计算出降水量的误差小得多;层状云降水的估测结果优于对流云降水的估测;距离雷达站较近的地区其估测结果优于较远的地区。

细颗粒泥沙吸附铜离子后表面孔隙变化的实验研究

细颗粒泥沙的表面形貌十分丰富,研究其表面的复杂结构对泥沙的吸附、输移具有重要的理论意义。本文通过镶嵌制样观察泥沙颗粒的孔隙结构,采用物理化学吸附仪对重金属离子吸附后的实验沙进行孔径分布分析与孔隙特征变化研究。结果表明细颗粒泥沙为多孔性固体,微孔与中孔是吸附作用的重要因素。铜离子在吸附量由低到高的过程,首先聚集在孔隙入口处,再逐渐填满孔隙内部空间。伴随这一过程,泥沙的形貌特征也发生了相应的改变。

从科学方法论的角度看水文模型的发展

20世纪60年代以来,随着社会需求的变化、人们对水文过程认识和研究的不断深化、计算机及信息技术的发展,水文模型经历了从"黑箱子"模型、概念性模型到物理性模型,从集总式模型到分布式模型的发展过程。目前,分布式物理性水文模型是研究的主要趋势。只有敏锐地把握社会的新需要和技术进步的推动,才能在水文模型的研究领域处于学科的前沿。

长江中游界牌河段已建航道整治工程效果分析

界牌河段航道整治工程实施后,航道条件明显改善,如河段中、洪水河势得到了初步控制,航道尺度和流速、流态基本达到了设计标准。由于整治工程实施时机偏晚,工程实施后过渡段位置偏下、河道过宽,主流在鱼嘴前沿摆动空间较大,过渡段航槽不稳定,主支汊易位。在两汊转化的过程中,过渡段进口易出浅。同时,河道内螺山边滩未得到有效控制,在螺山边滩下移过程中,鱼嘴工程受强烈顶冲,其稳定受到威胁,同时鱼嘴部分功能发生了转化,由防守型变为具有一定挑流作用的整治建筑物。

流域生态水文系统的动力学特性初步分析

流域的生态和水文等各种过程中进行着水、能量、碳等的流动和交换,构成了一个多过程耦合的动力学系统。建立概念性的流域水文模型,对流域上的产汇流等主要水文过程进行模拟,引入植被覆盖度演化的动力学方程,把生态过程与水文过程相耦合,模拟流域内生态水文过程,分析了流域生态水文系统的动力学特性。模拟结果显示,在不同年降雨量条件下,流域的植被覆盖度会从相同初始值演化到不同的覆盖度水平稳定值,年降雨量越大,植被覆盖度趋向于越大的稳定值。在不同的植被覆盖度初始值下,在相同降雨条件下植被覆盖度会演化到不同的覆盖度水平,系统存在多重定态。遇到连续枯水年后,高植被覆盖度的状态会退化到低植被覆盖度的状态。模拟得到的动力学系统性质决定于植被动力学方程。植被覆盖度动力学方程的完善是今后研究工作的重要内容。

黄河下游治河工程空间分布的统计特征

基于实地考察和遥感影像解译,借助Arc GIS软件提取黄河下游两岸大堤之间的中心线作为坐标横轴,垂直于中心线的水平方向为坐标纵轴,并以小浪底水库出库闸为坐标原点,建立了黄河下游空间位置相对坐标系。以此为基础,对黄河下游堤防、险工和控导工程等典型水利工程的现状及空间分布进行了统计分析。结果表明:黄河下游大堤堤距变化以艾山为界分为上、下两段,上段(小浪底水库—艾山)平均堤距为7.46 km,堤距变化存在内包线;下段(艾山—入海口)平均堤距为2.70 km,存在次一级的窄堤距点(曹家圈0.55 km和利津0.67 km)。险工数量随着时间变化呈现双峰分布的特点,控导工程数量则为单峰分布;在整个黄河下游沿河方向上平均每千米分布0.27个控导(险工)工程,从形态上可以分为单弯型、双弯型、多弯型和直线型四类,弯曲度均分布在0.3~1.0之间;控导工程与河流的平均接触率为67%,险工与河流的平均接触率为56%。

具有电导率补偿特性的低频电容土壤水分传感系统

土壤水分是现代精准农业中的重要检测对象,目前常用的土壤水分传感器大多使用高频测量方法,电路制作成本较高无法满足大范围布设的要求。基于土壤水分含量变化影响土壤介电常数的原理,设计了利用电导率特性进行校正的低频电容土壤水分传感器,详细介绍了传感器的原理、组成以及含水量计算混合模型,并将传感器应用于低盐度、低有机物含量的黄土土样中进行了重复测试。测试结果表明,传感器的最大误差小于3.30%,平均绝对误差小于2.0%,能够满足农业生产对土壤水分检测的精度要求。

带有调压室的长距离引水系统水力特性研究

为了解和掌握带有调压室的长距离引水系统的特殊水力特性,依托锦屏二级水电站,采用压力引水系统水力过渡过程的数学模型,计算和分析了引水隧洞长度对引水系统大波动过渡过程的影响,考虑在各种大波动过渡过程中不利工况情况下,分析了阻抗式和差动式两种型式调压室引水系统的水力特性,揭示了长距离引水隧洞沿线压力分布、调压室涌浪特性、蜗壳进口压力随引水隧洞长度变化的规律。

永定河超大洪水条件下二维水沙数值模拟

永定河是北京地区最大的河流,河道弯曲,部分河道狭窄,河床地形复杂,且河道内桥梁、闸坝很多,准确计算超大洪水条件下的水位变化、河道冲淤对保障首都北京的防洪安全具有重要意义。基于二维浅水方程和不平衡推移质输沙模式,建立了平面二维水沙数学模型,并采用无结构网格有限体积法进行离散。经不同工况下进行的实体模型实验对比,计算结果与物理模型实验值吻合较好。在此基础上,分析了百年一遇和万年一遇洪水条件下的河道内水深、洪水可能的淹没范围及河床冲淤变化强度,为永定河堤防安全评价、综合治理方案设计提供了技术支撑。

基于雨滴谱观测的降雨动能与雨强的关系研究

降雨动能是土壤侵蚀的重要影响因素,已有研究拟合了降雨动能KE与降雨强度I(简称雨强)的多种经验关系模型,但缺少相应的理论分析。为揭示降雨动能与雨强的理论关系,基于雨滴谱的Gamma分布,推求了降雨动能与雨强关系的理论公式KE=AI m,其中A与m为参数;并利用清华大学榆林生态水文观测站设立的德国OTT Parsivel-2雨滴谱仪2018年6月10日—8月10日及2019年6月10日—8月10日的观测数据,对理论公式进行分析。结果表明:该理论公式能很好地描述该地区降雨动能与雨强的关系,该关系受降雨特性及环境条件影响;参数A与雨滴密度、降雨形状因子、环境条件因子及雨滴形变程度相关,m与降雨形状因子和雨滴形变程度相关,由榆林站实测数据分析得出A的变化范围为2.7~12.8,m的变化范围为1.2~1.6。研究还发现,已有的经验关系可以表示为该理论公式在不同参数取值下的近似。

瑞利波作用下缓倾场地流滑大变形的SPH数值模拟

地震可能导致土体弱化甚至液化,从而在倾斜场地引起流滑变形,一般认为在缓倾场地中这种变形相对有限。然而,在2018年苏拉威西地震中,3°以内的缓倾场地却出现了数百米的大变形。已有的模型试验与数值计算大多只考虑了剪切波的作用,无法再现和解释这一现象。通过光滑粒子流体动力学法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)开展数值模拟,发现瑞利波对流滑大变形有显著影响。模拟使用HBP(Herschel Bulkley Papanastasiou)流变学模型模拟地基土,使用动力粒子边界(Dynamic Boundary Particles,DBP)实现瑞利波的非一致输入,结合地理信息系统(Geographic Information System,GIS)进行三维建模,计算并对比分析了瑞利波和剪切波输入下Balaroa缓倾场地的变形特征,解释了2018年苏拉威西地震Balaroa滑坡的成因。

针对解决复杂工程问题的大学生能力培养体系研究

针对解决复杂工程问题的大学生能力培养体系,构建大学生能力培养模型,并基于清华大学水利专业本科生问卷调研结果进行模型验证。分析结果表明,能力培养模型中的各项能力密切相关。在大学生能力培养过程中,不仅需要通过知识传授加强基础能力培养,还应注重提升学生的技术能力、管理能力和综合素养,以达到培养学生具备高水平分析与解决问题能力的目标。在大学生能力培养体系中,应充分发挥设计类课程对综合能力培养的作用,通过对课程内容进行整体规划、分组设计、自主管理等方式培养学生的综合能力,实现价值塑造。

新疆膜下滴灌棉田生育期地温变化规律

覆膜条件下地温将发生改变,为研究其变化规律,2008和2009年在新疆库尔勒市开展了棉花膜下滴灌田间试验,设置了不同灌溉处理和地表覆盖情况的试验小区,对土壤水热状况进行了监测和对比,结果表明:气象条件、土壤水分、地膜和棉株覆盖等因素综合影响棉花生育期地温分布规律,出苗期15cm深度处膜下地温高于膜间1.6℃,蕾期和花铃期膜间地温逐渐超过膜下,吐絮期二者又趋于相等;土壤水分和温度存在耦合作用,土壤含水率高则热容量大,相应的温度变化幅度小,但在相同的含水率下,覆膜处理平均地温高于无膜处理。研究表明,膜下滴灌有效起到保温保墒作用,克服土壤高地温低含水率或低地温高含水率的矛盾,可为作物生长创造较好的土壤水热条件。

人工阶梯-深潭改善下切河流水生栖息地及生态的作用

本文通过野外试验研究了人工阶梯-深潭对下切河流水生栖息地及生态的作用,试验河段位于西南山区的吊嘎河上150m侵蚀下切严重的河段,布置15级人工阶梯,对水流(水深、流速、水面宽、流量)、河床底质、河床微地貌和水生底栖动物物种及数量变化进行了5个月监测。试验结果表明,人工阶梯-深潭能有效控制河床冲刷下切,维持较为稳定的河床环境,塑造多样性的水生栖息地。采用大型底栖无脊椎动物评价河流生态显示,人工阶梯-深潭布置后,随水生栖息地多样性上升,单位面积水生生物密度、物种丰度及生物群落多样性指数均呈上升趋势,河流生态得到改善。

基于概率统计方法的承德市农业旱灾风险评估

根据旱灾风险的统计特征,提出2种基于概率统计方法的旱灾风险评价方法:1)旱灾损失的概率分布曲线,2)旱灾损失与干旱概率的关系曲线。以滦河上游承德市辖区的农业旱灾风险为例进行应用研究。根据1990-2007年历年农业旱灾损失数据计算粮食因旱减产率,拟合其概率分布。利用分布式水文模型模拟得到该区域1956-2005年0～50cm的月平均土壤含水率,识别农业干旱事件,计算农业干旱烈度概率,选用对数函数拟合因旱粮食减产率和农业干旱烈度概率关系曲线。采用因旱粮食减产率期望值表征区域旱灾风险,2种方法结果一致性较好,研究区域农业旱灾风险上游大于下游,各个县的多年平均因旱粮食减产率为7%～15%。