二维输运方程高精度数值模拟

采用剖开算子法,把二维输运问题剖分为两个子初值问题(对流分步、扩散分步)。在任意三角形网格中,分别对不同性质的算子采用各自适合的算法,即采用特征线法求解对流分步,采用半隐式有限元法求解扩散分步。重点探讨了对流插值问题,给出了一种完全对称三次插值模式,有效地减少了数值阻尼。为了克服高阶插值数值震荡问题,计算中保证了函数及其一阶偏导数连续。算例表明,数值方法模拟结果与精确解吻合较好。该算法在求解输运方程(包括纯对流输运方程)时,既能有效减少数值阻尼,也能保证计算中不出现数值震荡。     

Godunov格式下高精度二维水流-输运耦合模型

针对复杂流体运动中物质输运方程的数值求解面临地形复杂、数值阻尼过大以及数值振荡等难题,建立了Godunov格式下求解二维水流-输运方程的高精度耦合数学模型,提出了集成输运对流项的HLLC (Harten-Lax-van Leer-Contact)型近似黎曼算子,可同时计算水流通量及输运通量,不仅有效模拟了复杂地形上水流运动,而且解决了输运方程中对流项产生的数值阻尼过大和不稳定振荡等难题。采用水深-水位加权重构技术和Minmod限制器,提高了模型处理复杂混合流态的能力,同时结合Hancock预测-校正方法,使模型具有时空二阶精度。算例结果表明,模型精度高、稳定性好,能有效抑制数值阻尼,适合模拟实际复杂流体运动中物质的输运过程,具有较好的推广应用价值。     

水生植物对水沙运动影响的三维湍流模型

水生植物的存在改变了明渠内水流的流动结构,也影响着泥沙的输运。建立三维湍流模型,在水流控制方程中加入植被阻力项和植被密度项来考虑刚性植物对水动力特性和泥沙输运特性的影响。应用该三维数值模型计算了矩形水槽内淹没植被对水流水平时均流速垂向分布的影响、复式明渠边滩栽种挺水植被对水流深度、平均流速分布以及植被岛周围泥沙床面的冲淤变形的影响。数值计算结果与实测结果吻合良好,表明本模型可以有效地描述刚性水生植物对水流泥沙运动的影响。     

多孔介质中含均相/非均相反应传质过程数值模拟

结合化学反应方程式,并应用多孔多相介质溶混污染物输运过程的数值模型,对多孔多相介质中含均相/非均相化学反应传质过程进行了数值模拟。化学反应主要包含均相快速/慢速和非均相快速/慢速等5种化学反应过程,溶质输运行为的控制机制主要考虑对流、扩散及降解、吸附等。基于原有的隐式特征线Galerkin离散化的有限元方法,求解模型控制方程的边值初值问题,求解过程中把均相化学反应物质中按照反应物和生成物分开,非均相反应物质按照固相和液相分开,对均相反应物及非均相液相物质浓度耦合求解,而均相生成物和非均相固相物质独立求解。使方程组按照其不同类型进行分类,同时可减少未知数的个数。对于含有非线性内状态变量的右端项进行迭代求解。数值例题结果验证了所提出的数值方法的有效性、计算精度和稳定性。     

改进时间分数阶模型模拟非Fick溶质运移

通过将经典时间分数阶对流-弥散方程的等待时间分布函数的尾部修改为指数型,推导出了改进时间分数阶对流-弥散方程,并提出有效的时空算子分裂数值求解方法。对两个理想算例和一个实际算例进行计算,结果表明,改进的时间分数阶对流-弥散方程继承了时间分数阶对流-弥散方程能模拟穿透曲线幂率型拖尾分布的优点,还可模拟穿透曲线尾部由幂率型转换到指数型的过程;特征时间λ、分数阶指数γ和两相容量比例系数β共同决定了运移行为。改进的新模型可以区分非均质介质中流动相和非流动相中的溶质浓度, 更细微地模拟非Fick溶质运移行为。     

饱和多孔介质中水力-力学-传质耦合过程的混合有限元法

对饱和多孔介质提出了一个含溶混污染物输运（传质）过程的混合元方法,其中污染物输运过程数学模型包含了对流、机械逸散、分子弥散和吸附等机制。固相位移、应变和有效应力,孔隙水压力、压力空间梯度和Darcy速度,污染物浓度、浓度空间梯度和浓度流量在单元内均为独立变量分别插值。基于胡海昌-Washizu三变量广义变分原理,结合可以滤掉虚假振荡的特征线方法,推导出饱和土中水力-力学-传质耦合问题控制方程的单元弱形式,并导出了混合元计算公式。数值模拟证明了所提出的方法可以提供与传统4点积分方案同样精度,同时能够提高计算效率。     

感潮河网二维水流-输运耦合数学模型

感潮河网水流不仅受径流、潮汐动力的双重影响,还常受水闸调度等人类活动的影响,水动力条件极为复杂。针对水闸调度影响下感潮河网复杂水动力及其伴随物质输移扩散模拟,提出了考虑水闸调度并集成输运对流项的水流-输运通量耦合求解器,建立了基于非结构网格Godunov格式的二维水流-输运耦合数学模型。采用具有时空二阶精度的MUSCL-Hancock预测-校正格式,结合变量重构限制器技术,在保证计算精度的同时避免了数值振荡。运用斜底三角单元网格表达水闸线状地形,并通过地形调整模拟了水闸启闭过程。算例研究表明,该模型计算精度高,可有效模拟水闸调度影响下感潮河网水流运动及污染物输运过程,具有较好的推广应用价值。     

洞庭湖泥沙淤积数值模拟模式

在确保沙量守恒的非恒定流、非均匀沙的二维水沙数学模型的基础上,通过洞庭湖水沙输运和河床变形计算实践,比较了两种冲泻质与床沙质的转化模式,提出了包括冲泻质在内的泥沙淤积模式和水沙动边界计算模式.从洞庭湖泥沙输运和河床变形计算的结果看,洞庭湖泥沙淤积数值模式具有较好的稳定性和较高的模拟精度,说明所建湖泊泥沙模型的良好性能和具有推广运用的前景.     

基于未确知信息的环状河网水质数学模型研究

以圣维南方程组、对流扩散方程以及未确知信息理论为基础,建立了环状河网一维水动力与未确知水质数学模型。采用Preissman四点隐格式法对圣维南方程组进行离散和采用显式差分对对流扩散方程进行离散,对河网水动力与水质分别进行了合理的编码,并考虑了泵闸等控制工程、降雨径流的影响,采用河网的三级解法编制河网非恒定流的计算程序求解各断面的水位Z和流量Q,实现了水动力和水质两模块之间的数据连接,且对微分形式的水质模型运用未确知数学理论进行了含有两个未确知参数的水质计算,从而不仅能获得污染物浓度区间值,还能得到相应的可信度。实例研究表明,建立的河网水动力模型和未确知信息的水质模型是可靠的,可以用于河网水质治理工程的数值模拟研究和水环境评估。     

含水层热量输运中自然热对流和水-岩热交换作用的研究

本文对含水层热量输运过程中存在的自然热对流和水-岩热交换作用进行了深入研究, 目的是为了弄清两种作用对热量输运的影响。首先针对普通水流方程和热量输运方程的局限性, 给出了能够描述这两种作用的新的数学方程, 并通过建立一个非线性三维含水层热量输运模型加以实现。然后利用上海第二承压含水层的群井储能试验资料, 根据不同的条件进行计算。计算结果与实测数据的对比分析表明, 自然热对流通常对含水层的热量输运有明显作用, 定量研究时不应忽略；水-岩热交换作用持续时间短, 对整个热量输运过程影响较小。     

河流污染混合区的解析计算方法

以顺直宽矩形明渠中垂向线源等强度排放物质浓度分布的解析解为基础,探讨了污染混合区的计算方法,推导了污染混合区最大长度、最大宽度与相应纵坐标、面积以及最大允许污染负荷的理论计算公式,进行了污染混合区的算例分析。其结果可以作为河流污染混合区允许范围和最大允许污染负荷的计算依据,解析计算方法比采用二维水质模型进行污染混合区的计算更加快捷灵活、方便实用。给出了非保守物质污染混合区最大长度的理论计算公式和忽略反应降解作用按保守物质处理的条件:降解数De≤0.027。     

河流中污染源垂向紊动混合过程研究

着重研究了河流中点源及线源污染物的垂向紊动混合过程.根据大江河中污染物在排放口近区范围内的垂向紊动混合过程,提出了部分均匀混合水深的新概念,建立了点源及线源的垂向紊动混合过程基本方程.通过求解方程,得到部分均匀混合水深随纵向距离变化的基本规律和全水深垂向均匀混合距离的理论公式,且用相关实测资料进行了验证.将所建立的垂向紊动混合过程基本规律引入数值模型中,建立了部分均匀混合水深平均二维水质模型,并用现场罗丹明示踪实测资料进行验证,表明该模型较传统的全水深平均模型在近区具有更高的计算精度,与三维模型相比则有更高的计算效率.     

CFC在中国高放废物处置库预选区地下水研究中的应用

本文介绍了地下水测年的CFC方法及其原理,并将这种方法实际应用于我国高放废物处置库预选区——甘肃北山地区的水文地质研究,结果表明,研究区内沟谷洼地浅部地下水的CFC年龄在15~26a,基岩裂隙浅部地下水多为不含CFC的老水与含CFC的新水的混合水。在描述了确定混合比方法的基础上,根据样品CFC含量计算了研究区地下水的混合比。与氚相比,CFC是目前年轻地下水测年更好的工具,具有更多的优越性。     

咸阳城区热储流体混合作用研究及模拟计算

应用水文地球化学模拟方法对咸阳城区热储流体混合作用分析和混合比例的计算.结合研究区的地热地质和水文地质条件,进行地下热水混合作用和混合程度的研究.结果表明,咸阳城区地下热水在不同程度上都存在与较低温度地下热水的混合作用。应用PHREEQC模拟软件、稳定同位素D和温度计算热水与冷水的混合比例,估算在平衡条件下咸阳城区地下热水与冷水的混合比例在0.09～0.63之间。     

基于高光谱数据提取水体叶绿素a浓度的混合光谱模型

从模型的精度和稳定性方面,与传统的经验模型比较显示,利用原始数据的一阶微分数据进行叶绿素a浓度混合光谱模型反演最佳。最后,以此模型对三种不同年份测量的地面高光谱数据进行了叶绿素a浓度的提取。实验结果表明混合光谱模型可以作为遥感监测水体叶绿素a含量的定量模型。     

Spatial and temporal variabilities of hypoxia in the Rappahannock River,Virginia

Hypoxia/anoxia in bottom waters of the Rappahannock River, a tributary estuary of Chesapeake Bay, was observed to persist throughout the summer in the deep basin near the river mouth; periodic reoxygenation of bottom water occurred on the shallower sill at the river mouth. The reoxygenation events were closely related to spring tide mixing. The dissolved oxygen (DO) in surface waters was always near or at the saturation level, while that of bottom waters exhibited a characteristic spatial pattern. The bottom DO decreased upriver from river mouth, reaching a minimum upriver of the deepest point of the river and increasing as the water becaume shallower further upriver. A model was formulated to describe the longitudinal distribution of DO in bottom waters. The model is based on Lagrangian concept—following a water parcel as it travels upriver along the estuarine bottom. The model successfully describes the characteristic distribution of DO and also explains the shifting of the minimum DO location in response to spring-neap cycling. A diagnostic study with the model provided insight into relationships between the bottom DO and the competing factors that contribute to the DO budget of bottom waters. The study reveals that both oxygen demand, either benthic or water column demand, and vertical mixing have a promounced effect on the severity of hypoxia in bottom waters of an estary. However, it is the vertical mixing which controls the longitudinal location of the minimum DO. The strength of gravitational circulation is also shown to affect the occurrence of hypoxia. An estuary with stronger circulation tends to have less chance for hypoxia to occur. The initial DO deficit of bottom water entering an estuary has a strong effect on DO concentration near the river mouth, but its effect diminishes in the upriver direction.     

基坑止水帷幕中深层搅拌桩的应用

本文根据工程实例介绍了深层搅拌桩在基坑止水帷幕墙中应用,并简述了其计算方法。工程实践表明,深层搅拌桩与周围土体共同作用形成的水泥土挡墙具有安全可靠,无噪音,综合工期短,无污染等优点。     

基于推理公式的山洪预警雨量计算方法研究

基于水科院推理公式,从山洪雨量预警需求出发,解除原公式在部分汇流中对流域面积分配曲线的矩形概化,经反演得出各典型时段临界雨量计算式;同时采用等流时方法,有效解决了计算式中最大部分汇流面积的定量问题。研究提出的预警雨量计算方法,物理概念清晰,易于理解和掌握,计算便捷,且无需水文资料,可作为现行山洪预警雨量分析计算的一种新方法。     

台风期间波浪和局地风对磨刀门水道盐淡水混合的影响机制

珠江磨刀门水道地处亚热带季风气候区,直面南海,容易受到热带风暴的袭击。选取台风"纳沙",采用SCHISM模型建立磨刀门水道三维水流盐度数值模型,通过数值试验对比,结合势能异常分析法,探究了台风期间波浪和局地风对磨刀门水道混合与层化的影响。结果显示:由于近岸及河道内水深较浅,波高整体较小,波浪对水体层化过程影响不大,对流速分布有一定的调整作用,使其分布更为均匀,并在一定程度上加强水体掺混,利于外海高浓度盐水向河口和海岸扩散。而台风期间强劲的局地风对垂向水体状态以及势能异常变化率各项均有显著作用,影响着盐淡水的层化混合过程。