黄河流域(片)水资源综合规划的关键技术

黄河流域(片)水资源综合规划面临水资源供需严重不平衡、流域间水量调入与调出情况复杂、黄河干流主要断面最小控制流量的确定存在技术困难等问题。剖析了黄河天然径流量的确定、规划区需水量预测、黄河输沙需水量研究、黄河水资源配置后效性评价4方面存在的问题及解决思路,认为:用分布式水文模型对水文系列进行一致性修正是可行的;需水量的预测应根据规划区国民经济发展水平和格局,制订科学的第二、第三产业用水和节水指标体系及农业灌溉用水定额;黄河输沙需水量应根据不同水平年不同频率的来沙量预测、不同来水来沙条件下河道的动力平衡机制等来分析计算;水资源配置后效性评价的关键是评价指标的选取、指标权重的确定和评价方法的选择。

支流来水来沙对黄河宁蒙河段冲淤的影响

采用实测资料分析和数学模型计算等多种手段分析了支流来水来沙对宁蒙河段淤积的影响。结果表明:宁蒙河段支流来沙量与干流淤积量的相关性较强,是影响宁蒙河段淤积的主要因素之一;考虑支流来水来沙与不考虑支流来水来沙相比,宁蒙河段年均多淤积0.301亿t,1986年以前年均多淤积0.207亿t,1986年以后年均多淤积0.377亿t。

基于黄河健康生命的流域水资源合理配置方案评价研究

【目的】考虑人类活动作用下的水资源演变背景,针对黄河以基于供需严重不平衡条件下的缺水配置和输沙要求,计算拟定了以维持河流健康生命、保持干流主要断面最小控制流量为特征描述的4种不同配置方案,即方案1:按流域内各省(区)缺水比例大致相当进行配置;方案2:在方案1的基础上考虑了黄河水资源供需矛盾尖锐的情况,适当减少了入海水量,相应增加了河道外可配置水量;方案3:在方案1的基础上进行了同比例折减;方案4:偏重于考虑目前实际耗用的黄河地表径流量情况,适当考虑了2020年水平年的需求预测,并对这4种方案进行评价。【方法】针对4种配置方案,建立了相对独立可行的指标体系,以流域水资源禀赋为先天条件,以流域水资源开发利用水平为后天基础,运用投影寻踪分类评价模型,将高维数据转换到低维子空间,利用实数编码的加速遗传算法对投影指标函数和模型参数进行了优化,获得了指标体系最佳投影方向即权重和投影值,从而揭示了高维数据的结构特征,并同时运用模糊物元、灰色关联方法和综合集结方法进行了分析。【结果】从水资源合理配置的角度考虑,以第2方案为优。【结论】该模型简单、高效、可行,最大限度地避免了模糊综合评判等方法中对权重的人为干扰。

基于水库群预报调度的黄河流域干旱应对系统

为有效应对日益严重的流域干旱问题,有必要开展面向干旱全过程的黄河流域干旱应对系统研究。基于干旱演变过程设计了干旱指数,通过天气预报模型、回归分析等进行干旱、需水与径流预报;设置多年调节水库旱限水位,实现水资源年际补偿;识别洪水和泥沙分期特征,采用分期汛限水位增加洪水资源利用量;建立了梯级水库群协同优化调度模型,调配抗旱水源。算例结果显示:黄河流域干旱应对系统能够平衡年际间的干旱损失以避免重度破坏,与实际情况相比,在重旱的2014年增加抗旱水源22.40亿m^3。建立的干旱应对系统已应用于黄河流域抗旱实践,提升了流域应对干旱的水资源调控能力。

基于宏观经济结构合理化的宁夏水资源合理配置

本文分析了宁夏目前经济结构下水资源利用效率及产出效益,研究在一定经济发展水平下,当资源配置最优时,最优的经济均衡增长途径。区域最优经济结构是由国民经济各部门相互依存的关联关系技术矩阵所决定的,其均衡增长率和均衡增长产出结构分别等于非负矩阵的弗罗比尼斯特征根和相对应的弗罗比尼斯向量。本文根据联合国经济发展统计数据,分析出宁夏未来调整第一产业与第二产业结构的比例,认为应适当减少宁夏高耗水水稻种植面积,逐渐把农业用水量向工业用水量转移。转变经济增长方式,从水资源的高效利用及配置出发走内涵式、节水型的社会发展道路,以解决宁夏水资源严重不足的问题。

多孔均质含水层中激发强度对微水试验结果的影响

微水试验是一种简便且相对快速测定水文地质参数的野外试验方法,已成为工程勘察中的一种重要手段。微水试验的激发方式多样,但在试验过程中的激发强度还无统一标准,国内外关于激发强度对试验结果的影响研究程度还较低。通过建立物理模型试验平台,模拟分析了不同激发方式下不同激发强度对多孔均质含水层试验结果的影响。试验分析结果表明,在多孔均质介质中,激发强度对试验的计算结果无明显的影响,但激发强度越大,试验的影响范围越大。在实际应用中,用较大的激发强度可以获取含水层相对较大范围的渗透性参数。

微水试验研究进展

微水试验是一种快速测定水文地质参数的野外试验方法。与传统的钻孔压水试验和抽水试验相比,微水试验更经济、便捷,而且精度较高,可以满足实际工程中岩土体渗透参数野外测定的需要。回顾了微水试验理论模型60多年的研究历史及其在实际工程中的应用现状,认为微水试验在国内长期以来未能在实际勘察中取得广泛应用,除了数据处理繁琐和受仪器设备精度的制约外,最主要的原因是缺乏相关技术标准,同时对其可靠性和适用性存在不同认识。随着微水试验理论模型与试验设备的不断完善,以及相关试验规程规范的出台,微水试验方法将成为岩土体渗透性勘察中的普遍方法之一。

东庄水库运用方式对渭河下游减淤作用研究

东庄水库坝址位于渭河最大的支流泾河,对渭河来水来沙有重要影响。通过水库合理运用可起到拦沙和调水调沙作用,有效减少入渭泥沙,协调水沙关系,从而减轻渭河下游河道淤积、扩大和维持中水河槽行洪输沙能力。基于一维非恒定流水沙数学模型,通过渭河下游河道冲淤计算分析,对东庄水库运用方式进行了比选。研究结果表明,东庄水库能够起到减淤、恢复和维持渭河下游中水河槽的作用,与拦沙期一次抬高汛限水位运用相比,逐步抬高汛限水位的运用方式对渭河下游减淤效果较好;拦沙后期入库流量大于等于600 m3/s且含沙量大于等于300 kg/m3时,进出库平衡运用方式对渭河下游河道减淤效果优于提前泄水运用方式。

经济用水与生态用水的优化模拟耦合模型研究

水是自然-社会-经济复合体最为敏感的限制性因子之一。在干旱半干旱地区,水资源已成为区域社会经济发展和生态建设的“瓶颈”。现代水资源规划内涵是水资源的开发利用在支撑经济社会发展的过程中,应保持生态系统的良性循环。用多目标优化与模拟耦合技术,系统地研究了经济、社会、生态环境与水的关系,并以宁夏为例,探讨了区域经济与生态用水的合理配置。

基于二维水沙模型的涉水建筑物防洪影响计算

基于RSS河流数值模拟系统,探讨了平面二维水沙数学模型在涉水工程防洪影响计算中的应用,并以汉江蔡家湾特大桥为例,进行该工程的防洪影响计算,探讨了不同涉水工程的概化方法。结果表明:采用基于非结构网格的平面二维水沙数学模型,可较为准确地捕捉到涉水工程实施前后河道水力要素变化及河道冲淤变化情况;在所选的计算条件下,拟建工程的实施对工程河段的防洪及河势影响不大。

下垫面变化对宁夏水资源量影响研究

对下垫面产汇流条件变化造成的区域水资源量的变化,在区域水资源评价与中长期规划中应予以充分考虑。以TM遥感影像为基础资料,运用GIS软件,对宁夏1985年和2000年各类土地面积的变化情况及对水资源量的影响进行了研究,结果表明:2000年与1985年相比,水地、旱地、高覆盖草地、城镇用地面积明显增加,中、低覆盖草地和水库、沼泽、滩地面积减少;全区水资源量减少了0.9亿m3。

洮河异重流倒灌对刘家峡库区河床变化的影响

刘家峡库区黄河支流洮河为多沙河流,入汇黄河后形成异重流向上游倒灌,使洮河口至黄9断面形成倒比降,对库区河床变化及淤积形态产生较大影响,常规一维数学模型不能反映洮河异重流倒灌对河床变化的影响。根据能量方程结合谢才公式,提出了异重流侧向潜入后倒灌流量的计算方法,构建了包含异重流模块的一维非恒定流水沙数学模型,采用1982—2013年实测资料对刘家峡库区进行了冲淤计算。结果表明:计算结果与实际吻合较好,库区黄河各河段淤积分配计算结果与断面法实测结果基本一致,较好地模拟了黄4断面的淤高及黄河干流淤积三角洲向坝前的推进;洮河异重流倒灌对刘家峡库区黄4—黄9库段河床冲淤变化影响极为明显,计算过程中必须考虑异重流倒灌问题。

高坝泄流诱发事故闸门的爬行振动研究

事故闸门承担着上/下游发生事故时在动水中紧急落门,以封堵水流、防止事故扩大的重要任务,然而闸门无法完全落门并伴随爬行振动的工程问题屡屡发生,不仅导致无法封堵水流,在紧急情况下可能造成严重损失,而且使相关结构受到强烈的冲击荷载,对启闭设备及闸门的长期安全运行极为不利。从系统控制理论的基本观点出发,将由动/静摩擦力转换导致的非线性摩擦特性从闸门动水落门过程中剥离出来作为一个单独的环节,并合理选取被控量与参据量,构建了负反馈控制系统模型以描述上述工程问题。通过理论模型与工程问题互相印证、闸门爬振位移时程模拟和闭门持住力反演,表明理论模型是合理有效的。基于所提出的理论模型,阐明了闸门无法完全落门并伴随爬行振动工程问题的发生机制,为旨在避免上述工程问题的闸门改造方案提供了理论指导。

短程硝化SBR实时控制与微生物群落研究

采用短程硝化—反硝化SBR处理模拟氨氮废水,通过调控pH、溶解氧(DO)、温度和曝气时间实现SBR快速启动,并用DO、ORP的一阶导数实时控制反应。结果表明:第20天亚硝化率(NAR)达到95%。采用一阶导数作为控制参数时,NH4^+-N去除率与NAR维持在97%以上。通过Slope公式对一阶导数算法进行优化,可达到更加稳定的控制效果。污泥的16S rDNA测序表明,Chloroflexi、Bacteroidetes、Proteobacteria和Actinobacteria是污泥中的优势菌门。在控制污泥龄(SRT)及实时控制条件下,NOB被逐渐淘洗出反应器。

基于DO和ORP的短程硝化SBR控制方法研究

对在污水处理过程中,短程硝化-反硝化面临着亚硝酸氧化菌(NOB)增殖导致系统运行问题,研究运行了一个短程硝化-反硝化序批式活性污泥反应器(SBR),以溶解氧(DO)含量和氧化还原电位(ORP)作为控制参数,利用控制系统调节好氧硝化和缺氧反硝化的反应时间,以实现氮的去除并抑制NOB的生长.结果表明,在实验条件下(温度29~30℃,pH为8~9,污泥停留时间14d),处理的高NH4^+-N含量(质量浓度500-750mg/L)的废水经过2个月的运行,成功地抑制了NOB的生长,并启动了短程硝化-反硝化SBR.SBR出水中NH4^+-N的质量浓度低于1mg/L,NO2^--N的积累率(NAR)维持在98%以上。

基于Roe格式的不规则地形上浅水模拟

为准确求解不规则地形上的浅水方程,建立了一种基于Roe格式的黎曼近似解的具有二阶时间空间精度的和谐离散格式.守恒变量采用加入坡度限制的MUSCL(monotonic upstream-centred scheme for conservation laws)格式进行重构.为保证格式和谐性,引入水面梯度法并基于静水条件构造了底坡项的离散格式:河床梯度采用中心差分格式,而水深则为计算单元附近4个重构水深的平均值.将上述重新调整过的Roe-MUSCL格式运用于3个不规则地形上的水流算例,计算结果均比较理想.

基于多核处理器的平面二维水沙运动数值模拟技术研究

该文研究了基于多核处理器的平面二维水沙运动数值模拟技术,采用OpenMP并行编程标准对基于单核处理器的计算程序进行了优化,开发了基于多核处理器的计算程序。长江塔市驿河段的验证成果表明:在双核处理器上多核程序的计算速度同单核程序相比提高约47%,虽然程序并行造成离散方程组的收敛过程与单核程序略有差别,但迭代收敛后其计算结果无明显差别,且与实测成果吻合较好。

基于演化算法的非恒定水沙过程概化技术

将非恒定水沙过程概化为梯级恒定的水沙过程是进行长系列的河床冲淤变形计算时,为减小计算工作量常用的处理方法.水沙过程概化是保证数模计算精度的一个关键环节,但是目前的概化方法多以人工概化为主,带有较大的主观性.基于演化算法(也称遗传算法)的思想,提出了新的概化方法,并基于RSS河流数值模拟系统中的平面二维水沙数学模型探讨该方法在河流数值模拟中的应用.

基于DO和ORP一阶导数的短程硝化SBR实时控制研究

以序批式生物反应器(Sequencing Batch Reactor,SBR)为基础,研究了短程硝化SBR启动过程中在线监测信号(溶解氧(DO)和氧化还原电位(ORP))的变化规律,考察了不同进水氨氮负荷下DO和ORP一阶导数的变化特征,并对SBR中不同阶段的微生物群落结构进行了对比分析.结果表明,在特定的运行条件下(29～30℃,初始pH>8.2,SRT=14),避免硝化阶段的过度曝气,可在第6 d实现短程硝化-反硝化SBR的快速启动.SBR对氨氮去除率维持在97%以上,亚硝化率(NAR)可长期稳定在98%以上.对SBR运行过程中的DO和ORP进行了长期监测,并对它们的一阶导数进行实时计算,结果发现,在短程硝化终点和反硝化终点处,DO与ORP的一阶导数均出现了极值,并且在不同进水氨氮负荷下,极值基本维持稳定.微生物群落分析结果表明,全程硝化阶段的污泥中同时含有氨氧化菌(AOB)和亚硝酸氧化菌(NOB),短程硝化污泥中几乎不含NOB.研究表明,利用DO和ORP的一阶导数极值作为控制参数是稳定可行的,对实现短程硝化SBR工艺的实时控制具有潜在的研究和应用价值.