基于多重网格的地表水文与二维水动力动态双向耦合模型研究

针对流域洪涝模拟模型的计算精度、格式稳定性及计算效率等问题,本文提出基于多重网格技术的地表水文与二维水动力动态双向耦合模型(M-DBCM)。地表水文模型采用非线性水库法模拟降雨产流和径流;二维水动力模型采用浅水方程模拟洪水演进过程。采用不同分辨率的网格划分计算区域,在粗网格区域采用地表水文模型模拟降雨径流过程;在细网格区域采用二维水动力模型模拟洪涝积水区的水流运动。地表水文和二维水动力模型通过内部耦合移动界面(Coupling Moving Interface, CMI)实现无缝连接,保证通过CMI的水量和动量等通量守恒,提高模型的模拟精度。采用时间显式格式同时求解地表水文和水动力模型,在不同区域采用不同的计算时间步长,以提高模型的计算效率。通过典型案例验证本文构建的耦合模型的性能,结果表明本文提出的动态双向耦合模型能够在保证模拟精度的同时提高计算效率。     

弯曲河道对水流流态影响数值模拟

蜿蜒型河流是冲积平原常见的河型之一。针对具体河流的特定自然条件,需要对不同河道形态下的河道特性做出预测,以便选择和调整相应方案。采用集水动力模块、泥沙输运模块、污染物运移模块和水质预测模块为一体的环境流体动力学模型,利用计算机进行数值模拟,对京郊某弯曲河道3种河道形态在50年一遇洪水过程下进行数值模拟,在此基础上对3种工况下河道的水流特性进行分析,发现工况一弯道处凸岸流速先增加后减小,凹岸流速先减小后增大,凹岸水位明显高于凸岸水位;工况二两岸流速分布较为对称,叉道起到分洪滞洪作用;工况三两岸水流摆动现象不如工况一明显,衬砌工程量较小,并提出相应河道保护措施。     

南水北调中线自流式加压泵站泵后负压分析

采用了AFT impulse3．0构建了南水北调中线上惠南庄泵站的管网模型，并对泵站过渡过程进行详细计算和分析后，发现对于大流量的管线按照自流形式布置的泵站，泵站掉电过程中并未产生正压水锤，泵后水流流速大，掉电后容易在泵后形成比较大的负压，且在备用泵后的盲管端更易产生较大的负压，采用空气阀对泵后负压的控制比较有限，有效的方法是加大泵的转动惯量。     

闸门对水力过渡特性影响研究

结合南水北调中线输水工程实际,采用显式的特征线法求解明渠和有压管道的圣维南方程。在长距离输水问题中,模拟段包含多个控制闸门。提出闸门处的水力过渡连接模型,在已有的两个特征方程的基础上补充闸孔出流公式和流量连续条件,分析闸门运行对渠道中水流的影响。利用窄缝法将明渠和暗管水流进行统一求解,采用变时步法克服扰动波在明渠和暗管中传播速度相差悬殊而导致的时间步长不协调问题。在明渠和暗管的连接处考虑水流的局部水头损失,更好地反应了非恒定流中扰动的传播特性。实际模拟输水渠道具有多个控制闸门和退水闸门的问题,分析了闸门对渠道中非恒定流的影响。     

植被群落之间水流紊动强度垂向分布规律探讨

以生态特征参数不同的植被群落为研究对象,在室内水槽中种植灌木、芦苇和灌木-草本植被混合群落,利用多普勒流速仪沿程测量各测点瞬时流速,基于河流动力学和紊流力学理论,将水流紊动强度表达为植被直径、水流绕流阻力因数、植被直径梯度和水流绕流阻力因数梯度的函数,比较不同类型植被群落之间水流紊动强度垂向分布规律的差异。结果表明,灌木完全淹没时,紊动强度在垂向上最大值位于灌木冠层顶端区域,极小值位于茎杆向冠层过渡区域。植被群落水流紊动强度垂向分布曲线上存在三个拐点,即茎杆向冠层过渡处、植被偏转点和植被冠层顶端。     

三维渗流模型与防渗墙防渗效果研究

用各向异性三维渗流模型模拟非均匀土质地基渗流流动，考虑饱和一非饱和渗流以及降雨因素的影响，实现了三维空间渗出面的迭代求解和对通过任意断面的漏水量的角计算。实际模拟复杂三维渗流流动，根据通过轴线断面的一来评价防渗墙和厚度对防渗效果的影响，并对防渗墙的施工造价进行了论证。     

永乐电站调压室模型试验

结合具体的模型试验，对长引水隧洞引水系统的变态模型设计进行了研究，特别对阻力相似条件进行了分析，指出在变态模型设计中，也可以同时满足沿程阻力相似和局部阻力相似。并给出相应的涌波试验结果，此外，对隧洞至调压室过渡段的流道体型、分流墩形式进行了优化设计，从而改善了流态，减少了水头损失。     

三峡蓄水初期水库近坝区水环境特性分析

通过现场观测和数值模拟的方法,对三峡水库近坝区在蓄水初期的水流和水环境特性进行了 分析。对蓄水初期的溶解氧、BOD、COD和NH3-N、Cu等水质参数进行了观测,将蓄水初期水质资料与蓄水之前的结果进行了对比,分析了近坝区水环境变化趋势。采用大涡模拟紊流模型,考虑水体表面的热交换,对三峡近坝区的流动和水温分布特性进行了模拟。研究结果表明,三峡水库蓄水初期近坝区水流特性明显改变,主要表现为水深增加、流速变缓,部分地段有回流区出现。水质指标变化不明显,坝前断面溶解氧浓度、悬浮物浓度有所降低,和悬浮物密切相关的污染物总磷、重金属也随之降低;蓄水初期139m水位时坝前水域尚没有出现温度分层现象。     

黄河口湿地健康评价

 湿地健康评价旨在判断湿地健康状况和趋势,以便制定有效的管理策略和修复措施。针对黄河口湿地建立了一个新的指标体系,并使用模糊综合评判法对黄河口湿地进行了健康评价。结果表明,1992年到2008年黄河口湿地整体上处于亚健康状态。同时,还对东营市1992-2008年经济状况进行了分析评价,结果表明经济的快速增长对湿地健康有负面影响。影响黄河口湿地健康的主要因素是：来水来沙量减少、湿地恢复工程和东营市经济的快速增长。     

动水条件下悬浮态泥沙颗粒吸附TP规律探讨

水体中悬浮泥沙颗粒是氮、磷等营养元素在水中迁移转化的重要载体,已有的泥沙颗粒吸附研究多是针对污染物浓度较高的水体,较低水体中研究较少.因此,选择水体富营养化限制因子TP作为研究对象,根据香溪河泥沙含量及粒径分析结果,利用香溪河原水配取不同TP浓度的水样以及速度可控的搅拌装置模拟间歇性水流紊动,通过室内实验探讨低浓度水体中泥沙吸附机理.结果表明:在存在间歇扰动条件下,低TP浓度水体中达到吸附解吸平衡时间为5d左右,远慢于高浓度水样中的8h左右;单位泥沙吸附量与时间(单位为d)呈对数曲线关系,与水样中初始TP浓度基本呈线性关系;在无外界输入源或外界输入源可以忽略时,不考虑水体含沙量随时间变化,单位泥沙吸附量与水样中瞬时TP浓度呈线性关系.