多沙河流平面二维泥沙数学模型研究

针对冲积河流河床演变速度快、边界调整幅度大的特点,采用积分方法数值求解水流泥沙基本方程,建立了适合于多沙河流泥沙及河床演变规律的二维数学模型,在数值方法方面考虑了物质守恒性及对多变边界的适应性,采用了比较简单的动边界处理模式。通过工程实例的计算验证,证实了模型所采用的基本方法是合理的,模型有较强的河床边界适应能力,可用以解决有关多沙河流河床演变预测及浑水洪水预报的有关问题。     

河网非恒定水沙数学模型研究

建立了能够适用于多种情况的河网非恒定流水沙数学模型。推导提出了河网泥沙方程组的分级解法,提出了适用于河网计算的汊点分沙模式,分析和对比了多种分沙模式的适用性,对河网区域中可蓄水汊点也提出了相应的处理办法。采用汉江杜家台分蓄洪区的资料作了模型的验证和应用。     

多沙河流造床流量研究

在综述和分析前人有关造床流量研究成果的基础上,根据多沙河流的特点,提出了一种适用于多沙河流造床流量计算的水沙综合频率法.通过黄河、永定河水沙资料的分析,结果比较合理.     

河道一维非恒定流微分结构摩阻公式及其试验论证

传统的恒定流经验摩阻公式作为对恒定流状态下摩阻的总结,建立在摩阻、流速、水深存在单一关系的基础之上。而非恒定流条件下,水文要素的涨落存在先后顺序,各水文要素之间不再是单一关系。为提高一维非恒定流摩阻的模拟精度,考虑水文要素的时空变化对摩阻的影响,运用量纲分析整理出以微分结构表达的摩阻改进公式。并设计实验模拟单峰水流过程,验证公式改进的有效性。结果表明,相对于谢才公式,改进公式提高了对一维非恒定摩阻的模拟精度,有一定的实用价值。     

三门峡库区一维非恒定非均匀泥沙输移数学模型

黄河是高含沙河流,含沙量季节差异显著。因此研究黄河干流的非恒定水沙输移规律以及库区泥沙的淤积问题极为重要。应用圣维南方程组以及非恒定泥沙连续方程建立了非恒定非均匀泥沙含沙量计算公式,并根据沙量平衡方程推求出三门峡库区河底高程的变化规律。使用已有的资料对模型进行的验证表明:模型计算与实测资料符合良好,该模型具有较好的应用前景。     

基于微分对策理论的多沙河流水库调度

水库的排沙问题一直是多沙河流水库调度研究的重点之一。由于大部分多沙河流的来水来沙主要集中于汛期,因此水库汛期的蓄水兴利与泄水排沙的矛盾十分突出,具有典型的博弈关系,该关系可以利用博弈的相关理论进行描述。基于微分对策理论,将多沙河流水库汛期的供水兴利与泄水排沙看作博弈的双方,建立起以排沙和供水的综合效益作为性能指标函数的多沙河流水库汛期调度模型,研究了多沙河流水库汛期的调度问题,并通过陕西黑河某水库的实测资料对该模型进行了验证计算。计算结果表明,建立的调度模型能够较好地反映多沙河流水库汛期调度中的主要矛盾,实现对供水与排沙综合效益的优化。     

天然河道一维不恒定流计算的守恒格式

本文从数值计算的角度分析和讨论了天然河道一维不恒定流方程组的各种形式及其差分格式的守恒性。据此,本文总结了建立守恒差分格式的途径和应遵循的原则,并就差分格式如何达到准确或近似守恒提出了实际的处理方法。     

一维不恒定明流计算的三种高性能差分格式

本文首先讨论了从物理上对差分格式提出的四项要求,即守恒性、逆风性,正性(或保持单调性)和对间断的高分辨率.最近十多年来,在空气动力学领域中已提出许多满足这些要求的高性能格式.本文将其中广泛应用的三类格式,即通量向量分裂格式、通量差分裂格式及通量校正输运格式,移用到一维不恒定明流计算中.结合圣维南方程组的具体形式,并考虑天然河道的几何不规则性,导出了有关公式.最后通过一个溃坝算例对各种方法进行了验证,其结果十分接近,说明这些方法具有广阔的应用前景.     

二维平面非恒定流数学模型的遥感水位数据同化

为了在水流计算中定量化利用遥感水位数据,基于偏微分方程最优化控制理论建立了变分模型来融合二维平面非恒定流的数学模型和数据。根据遥感数据空间信息密集的特点,提出遥感水位数据同化的新算法。采用人工合成数据考察了面域遥感数据对于定常参数和时变两类参数的反演效果。试验结果表明,遥感数据提供的空间分布式信息有利于空间分布式参数的反演识别,而且通过引入考虑水面空间变化信息的附加项,可以改善观测信息的同化,更好地辨识时变参数(流量过程)。以Moselle河的RADARSAT卫星遥感水位数据检验了模型的实用性。     

基于非结构混合网格求解二维浅水方程的一种数值方法

复杂边界下的流场数值模拟常基于非结构化网格进行求解,建立一种在非结构混合网格上求解水深平均的二维浅水方程的模型,以便精确模拟复杂边界、提高计算效率。该模型时间项离散采用隐格式使得模型具有较好的稳定性,对流项和扩散项分别采用总变差减小(Total Variation Diminishing,TVD)格式和构造辅助点的方法来离散,同时采用水深平均的标准k-ε模型来封闭湍流模型。选用两个经典验证算例检验模型,计算结果表明,基于非结构混合网格开发的模型具有较高的精度,且收敛性能较好。     

中国江河水沙变化趋势与主要影响因素

通过选定中国主要河流的代表水文站,分析了中国主要河流代表站总径流量和总输沙量的变化趋势。结果表明,全国主要河流代表站总径流量随时间没有明显的趋势性增加或减小,多年平均径流量为14090亿m3;年总输沙量在1960年前变化不大,1960年后逐渐减小,从20世纪50年代的26.43亿t减小至2001～2008年间的5.95亿t;平均含沙量则从50年代的1.74kg/m3减至2001～2008年间的0.46kg/m3。中国南方主要河流和主要内陆河流的代表站径流量没有明显的增加或减少趋势,北方河流代表站径流量除淮河、松花江外,具有明显的减少趋势;中国各主要河流代表站年输沙量除塔里木河外,都有不同程度的减少,其中北方河流的减小幅度较大。影响中国主要河流水沙变化的主要因素分为自然和人类活动因素,其中自然因素包括流域降雨量变化和流域下垫面条件;人类活动因素包括水土保持措施、水库工程、流域调水调沙及引水引沙、河道采砂等。     

北京城乡接合部地表颗粒物中重金属污染负荷及健康风险评价

随着我国城市建设的不断推进,城市径流污染越来越受到关注。地表颗粒物(RDS)是重金属的重要载体,雨水径流对地表颗粒物的冲刷引起的径流重金属污染问题凸显。本研究选取北京市城乡接合部作为研究区域,研究区域内地表颗粒物中重金属(As、Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn)污染负荷并进行健康风险评估。结果表明,地表颗粒物含有的重金属中,除Mn外,As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn的平均浓度均超过背景值。其中,Cd的平均浓度是其背景值的3倍,Cr的平均浓度是其背景值的4倍之多。在径流冲刷条件下,Cr的污染负荷在各研究区域均最高,为其他重金属的3~4倍。暴露模型计算表明,重金属非致癌日平均暴露量为手口摄入量＞皮肤吸收量＞吸入空气量,经手口接触是人体地表灰尘暴露风险的主要途径。对于非致癌风险,在芦求路主路以及黄鹅路十字路口区域存在对于儿童的非致癌风险,整体区域内成人所受非致癌风险较低。各研究区域内重金属呼吸暴露途径的总致癌风险均低于环境阈值,致癌风险较低。     

河网水流数值模拟方法研究

讨论了河网概化的一般原则,并在分析单一河段水流数学模型的基础上,建立了可以适用于一般河网体系水流数值计算的数学模型,并采用荆江—洞庭湖的相关资料进行了验证.结果表明,模型的计算值与实测值吻合较好,说明该模型具有较好的适用性.     

河网海湾水动力联网数学模型

在一维显式、二维隐式水动力联网数学模型的基础上,建立了一种一维、二维全隐河网海湾水动力联网数学模型。该一维河网模型采用Preissmann四点隐式格式,用节点水位控制法进行数值计算,二维海湾模型采用改进型双向隐式(DSI)法进行数值求解。在河口一维、二维连接处,水力因子通过接口断面法传递,无需重叠一个一维河段来传递水力因子,避免了口门处二维网格需取较小尺度的问题。模型在珠江三角洲河网及横门、洪奇沥口门海域做了检验,验证结果表明,建立的河网海湾水动力联网数学模型是可行的,可以用于河网、河口治理工程的数值研究。     

复杂河网水沙数学模型研究

根据节点水沙平衡和能量衔接条件,在单一河道水沙数学模型的基础上,建立了可以适用于一般河网体系水沙数值计算的数学模型,并采用荆江-洞庭湖的相关资料进行了验证。结果表明,模型的计算值与实测值吻合较好,说明对荆江-洞庭湖区域复杂边界条件的处理是合适的,所建模型具有较好的适用性。     

沉积泥砂非线性大变形固结沉降计算模型

沉积形成的水底黏性泥砂自重固结过程表现出显著非线性大变形固结特征,应采用大变形固结理论进行泥砂沉积固结计算。基于软黏土一维非线性大应变固结理论,应用有效应力、渗透系数与孔隙比间扩展幂次函数固结本构关系,由达西定律、有效应力原理、连续介质方程等建立大变形固结控制方程,根据固结单元孔隙水渗流、单元变形与泥砂沉积层固结沉降耦合关系形成黏性泥砂大变形自重固结数值模型。泥砂自重作为固结荷载,数值模型假定沉积泥砂各向同性且固结沉降应变、孔隙水渗流仅发生于竖直方向,为一维单向沉积固结过程;采用泥砂沉降柱试验确定泥砂非线性扩展幂次函数关系参数。模型应用中,划分竖向固结单元,由沉积泥砂固结本构关系确定各固结单元有效应力及超孔隙水应力,通过超孔隙水应力时间维度上的消散过程及各固结参数间的耦合关系计算泥砂固结沉降。数值模型计算结果表明,沉积黏性泥砂自重固结初期表现为有效应力调整过程,初始有效应力与孔隙比根据固结本构关系匹配调整为扩展幂次函数关系;沉积泥砂应变与应力固结度存在20%左右误差,泥砂固结沉降发展快于超孔隙水应力消散过程,证明沉积泥砂固结沉降变形的发展与超孔隙水应力消散并非同步耦合。计算模型应用于室内沉降柱试验模拟淤积黏性泥砂自重固结沉降预测中,模型输出与试验结果符合良好。     

黄河下游非恒定输沙数学模型——Ⅰ模型方程与数值方法

构建起具有通用性的黄河下游一维非恒定输沙数学模型.该模型建立了新的泥沙连续性方程与河床变形方程,克服了以往数学模型计算中取饱和恢复系数小于1等缺陷,引入了符合黄河下游河道水沙特点的水流挟沙力和河床糙率计算等公式,给出了悬移质含沙量以及悬移质泥沙平均粒径沿横向分布的计算方法,以及阐明了河槽在冲淤过程中河宽变化规律的模拟技术.运用Preissmann四点差分格式离散水流方程,并与泥沙连续性方程进行非耦合求解.     

基于实时更新数值模型的高陡边坡动态仿真分析方法及应用

在水电工程中,河谷两遍的工程边坡具有尺度大、高而陡的特点。同时这些边坡服务年限长,稳定性要求高。对于耦合考虑施工进度和工程安全的动态分析还较少涉及。由于地质参数、边坡结构和开挖支护的实时变化,对边坡工程安全的实时评价已成为制约水利水电工程建设安全的关键技术问题。考虑边坡施工过程中开挖进度的调整、新地质信息的揭露、支护方案的修改及计算参数的修正等信息实时变化的客观实际,重点针对目前较少涉及的施工期高边坡工程安全的实时分析和控制问题,提出了基于数值模拟技术的边坡实时安全仿真方法;基于数据库技术和ABAQUS二次开发技术实现施工进度信息、地质信息及支护信息到数值计算模型的动态映射,开发了边坡安全实时分析系统,最终实现了与施工进程相适应的边坡安全状态实时仿真分析和预测。     

一阶弹性波交错网格时间高阶差分格式及稳定性分析

弹性波模拟或逆时偏移时,对空间偏导数采用高阶差分格式可提高计算精度,但这种算法的稳定性条件过于严格,要求差分离散的时间步长必须足够小以确保算法稳定。在常规空间高阶差分格式的基础上,将速度(应力)对时间的高阶导数转化为不同精度的应力(速度)对空间的差分,得到了一种新的基于交错网格的时间高阶、空间高阶差分格式。通过对交错网格时间高阶差分格式稳定性的分析,认为该算法的稳定性条件较常规算法宽松,在弹性波场的求解过程中可以采用更大的时间步长。     

煤层脉动水力压裂动静态响应数值模型及求解

煤层脉动水力压裂是一项大范围提高煤层渗透率的新技术,但针对脉动应力波在实际地层的传播、扰动规律研究较少。采用交错网格数高阶有限差分法,结合完全匹配层和准静态围压加载两种边界条件,建立了含围压无限大弹性地层脉动水力压裂动静态响应数值模型,并研究了不同加载方式、频率、振幅、围压条件下煤层最小主应力峰值分布规律。研究表明：由于应力波传播及干涉效应,相同围压、振幅条件下脉动压裂增透扰动区域远大于准静态压裂;煤层增透面积随震源频率和振幅的增加而增大,振幅需要克服由围压控制的启动压力才能产生增透区;增透面积与地层主应力成反相关且最小主应力起主导作用,其由3.5 MPa下降至2.0 MPa时,增透面积最高可提升600%。模型可模拟准静态和脉动加载下煤层的力学响应,其结果可为优化脉动水力压裂工艺参数提供指导。