高水头混流式水轮机内部固液两相流数值分析

针对泥沙直径对混流式水轮机蜗壳和导水机构内部流场产生影响的问题进行了初步研究,采用固液两相流模型对某电站的高水头混流式水轮机进行了全流道数值模拟,通过单一变量法来研究不同来流泥沙的直径对蜗壳和导水机构内部压力及泥沙分布产生的影响。研究结果表明:与清水相比,含沙水流会不同程度地使蜗壳和导水机构内部的水压力载荷增加,在相同工况下,蜗壳底部、蜗壳鼻端、固定导叶和活动导叶头部的泥沙浓度较大;小直径下泥沙分布均匀,随着泥沙直径的增加,泥沙浓度的梯度变大,泥沙分布更加集中,从而会使磨损加剧。该研究成果可为在含沙水流中运行的水轮机设计提供参考。     

阳宗海流域冬季典型农村污水污染特征及水质评价

为揭示阳宗海流域不同类型农村污水各污染指标的影响因素和分布特征,选取云南省的海晏村(传统型)和大营村(集镇型)的污水进行水样采集,通过方差分析研究其不同污染指标的浓度变化以及不同类型农村污水水质的差异性,并运用主成分分析法对污水进行水质评价。结果表明:阳宗海流域海晏村污水中的TN、COD均明显超过了城镇污水处理厂污染物排放二级标准,大营村的TP、TN、COD均明显超过了二级标准;pH值与氧化还原电位都是农村污水中污染物浓度的重要影响因子;两村的水质具有显著的差异性;传统型农村的水质比集镇型农村的要好,说明对阳宗海流域造成污染风险更大的是集镇型农村污水。     

新安江模型参数优化的一种约束SCE-UA算法研究

在新安江模型参数优化领域,洗牌复合形进化(Shuffled Complex Evolution,简称SCE-UA)算法得到了广泛的应用。但在长序列降雨径流模拟和模型参数优化中面临一些问题需要解决。当模型参数适配不当时,土壤含水量易于出现负值,此外,不同径流成分对应的汇流参数需要满足一定的大小关系。上述问题的处理,决定着优化算法能否找到具有正确物理意义的最优模型参数,以及径流模拟结果的合理性和可靠性。针对这些问题,提出了一种约束SCE-UA算法,通过罚函数法对土壤含水量和汇流参数施加约束,引导优化算法向具有正确物理意义的参数可行域展开搜索,在寻优的同时确保了物理意义的正确性。在呈村流域开展了基于约束SCE-UA算法的新安江模型参数优化研究,数值模拟结果表明,约束SCE-UA算法能够确保模型参数物理意义的正确性,解决了土壤含水量出现负值和汇流参数大小关系错误的问题。利用优化获得的最优参数开展水文模拟,能够取得更好的水量平衡效果和更高的模拟精度。     

2000—2020年中国地下水开采时空演变特征EI北大核心CSCD

采用Mann-Kendall趋势检验法、重心模型和标准差椭圆法研究了2000—2020年我国地下水开采时间变化特征、空间分布特征和重心迁移过程。结果表明:2000—2020年我国地下水开采量呈现波动性减少趋势,年均递减率为0.83%;华北地区在严格的地下水开采管理、地下水超采综合治理和南水北调工程共同作用下,地下水开采量得以压减,东北地区和西北地区由于黑龙江、新疆农业经济发展,地下水开采量明显增加;我国地下水开采重心主要分布在河北、山西和内蒙古交界处,有向西北方向偏移的趋势,地下水开采空间分布格局由东北—西南方向逐渐偏转为东—西方向,方向性趋势也更为明显。     

LSTM变体模型在径流预测中的性能及其可解释性

基于湘江流域1999—2013年实测水文气象数据,采用LSTM模型和其变体模型研究多个预见期下不同输入变量和不同模型结构对径流预测结果的影响,评估LSTM模型及其变体模型在短期径流预测中的性能,基于排列重要性法和积分梯度法探究了LSTM模型对流域径流预测的可解释性。结果表明：在历史径流输入数据的基础上增加有效的水文气象变量输入,可以明显改善模型的预测效果,输入变量的改变比模型结构的差异对预测结果的影响更大;随着预见期的增大,降水数据的加入对预测效果表现出不同程度的提升,预见期为1 d时,预测结果的纳什效率系数(NSE)提升2.0%,预见期为2～4 d时,NSE提升可达13.6%;降水和历史径流在预测中起着重要的作用,而前期湿润条件与降水事件的共同作用是湘江流域洪水的主要诱发因素;LSTM模型可反映两种不同的输入输出关系,这两种关系对应于近期降雨和历史降雨两种洪水诱发机制。     

基于机器学习模型的河道水位预测

结合已有机器学习模型——卷积神经网络(CNN)和门控循环单元(GRU)的优点,构建了并联卷积循环神经网络(PCNN-GRU)模型,并将其用于赣江下游外洲站日尺度水位变化的预测。结果显示:相较于目前流行的长短时记忆(LSTM)模型、GRU模型以及卷积循环神经网络(CNN-GRU)模型,PCNN-GRU模型的均方根误差和平均绝对误差分别降低了18.39%、21.11%、15.48%和21.31%、18.64%、14.28%,纳什-萨特克里夫效率系数和准确率分别提高至0.999 2和88.12%,表明所建模型具有良好的预测性能,可用于河道水位预测。     

尾矿库漫顶溃决动态演化及溃口展宽模型试验

为研究尾矿库漫顶溃决动态演化过程与溃口发展机理及规律,通过3组相似模型试验,对溃口展宽过程和演变机理进行了系统分析,提出了尾矿坝漫顶模式下溃口展宽速率的幂函数公式,并讨论了库水位上升阶段浸润线的变化过程及溃决阶段不同浸润线埋深条件下流速、流量、溃口宽度的变化过程。研究结果表明：尾矿坝的溃决过程可分为坝面漫流与冲沟形成、坝体崩塌与溃口快速扩张及稳定泄流3个阶段;浸润线埋深对流量、流速及溃口最终宽度有较大影响,排渗失效时峰值流量及溃口最终宽度接近正常排渗时的1.5倍,峰值流速可达1.2～1.3倍;降低浸润线高度可以延缓溃决泥石流到达下游的时间,紧急撤离时间也可延长3 min左右;提出的幂函数公式计算值与实测值吻合较好。     

实时洪水预报中基于岭估计的AR修正模型研究

为提高实时洪水预报精度,经常将水文模型与误差修正模型相结合,AR模型因其结构简单广泛应用于实时洪水预报误差修正。然而,实际应用显示,AR模型时常出现修正结果不稳定现象,表现为流量修正幅度过大,甚至出现“震荡”现象,严重影响修正效果。鉴于此,本文从矩阵特征值角度解释了AR模型出现不稳定现象的原因,并引入岭估计方法选择性利用流量信息更新自回归系数,使其更满足真实流量的涨落过程,增强该模型的稳健性。将新方法应用于蔺河口流域,结果显示岭估计方法显著提高了AR模型的稳健性,从而改善了模型修正效果,进一步提高了洪水预报精度。     

基于流固耦合的南水北调渠道结构动力破坏机理研究

以南水北调中线渠道工程为研究对象,建立了水体-结构-地基耦联体系的渠道模型,运用Fluid 30单元实现水工结构流固耦合计算,计算了地震工况下的渠道结构的破坏情况。计算结果与Westergaad传统方法进行对比,验证了Fluid 30单元方法的正确性。研究结果表明,Fluid 30单元耦合方法计算的结构频率均值较传统方法增加10.93%,渠道结构进行地震分析时,水体的流固耦合效应不容忽视;渠道衬砌板分缝处为最薄弱部位,且出现了应力集中,每个纵缝处下表面均出现了较大的拉应力;衬砌结构在地震中可视为做整体移动,衬砌上表面比下表面所受的压应力更大,而在接近分缝处这一情况恰好相反。     

多溶洞地层桩端极限承载力下限有限元法分析

为计算多溶洞地层桩基的极限承载力,通过MatLab平台编制了用于分析多溶洞地层桩端极限承载力下限的有限元法计算程序。采用平面应变模型,并假定材料符合Mohr-Coulomb准则和塑性关联流动法则。定义无量纲参数N来衡量各参数对桩端极限承载力的影响。根据桩与溶洞间的相对位置关系,详细探讨了6种工况下桩端极限承载力的变化规律,并分析了嵌岩深度h_r、上覆土层自重q_s和溶洞直径D的影响程度。分析结果表明:桩端极限承载力随h_r的增大而增大,随D的增大而减小,而q_s的影响基本可忽略不计。此外,还对不同工况下桩端的极限破坏模式进行了分析。最后,通过考虑无溶洞、有溶洞下的2种桩基算例,验证了本文方法的正确性。