水平旋流消能工水力学研究方法适宜性

为明晰原型观测、模型试验和数值模拟3种水力学研究方法对水平旋流消能技术的适宜性,基于公伯峡水平旋流洞体型,对比了3种方法的研究成果,得到各方法对不同参数的适宜性。结果表明:3种方法对宏观水流流态、旋流洞壁面压强、消能率的研究结果基本一致;模型试验和数值模拟的环状空腔长度与原型观测存在不同程度的差异,进而影响竖井内其他参数的准确性,工程设计中应对其进行必要的修正;数值模拟和模型试验是研究旋流空腔形态和旋流洞内流速的可行方法,能有效克服原型量测技术的局限,且数值模拟研究更具优势;1∶40及以上比尺的模型是研究起旋室通风井通风特性的有效方法。     

松花江白山河段冰情数值计算及分析

根据水动力学、河流动力学、热力学、河冰水力学及固体力学等原理,针对松花江上游白山河段具体特征,建立了河冰数学模型,并应用有限差分计算方法,对白山河段冬季冰情演变进行了精确模拟。应用该河段1958-1973年共15年完整的地形、气象、水文、热力、冰情等原型观测资料,分别进行了模型参数率定及冰情数值模拟。研究结果表明:白山河段的封冻首先开始于白山坝址下游4 km的大崴子河段,然后封冻边缘逐渐上溯,最终到达松14断面;计算的白山河段冰花堆积体外形与河床纵剖面呈相似趋势;各种水力及冰情要素的数值计算结果和实测值吻合较好,所建立的数值模型能较好地模拟该河道的冰情。研究结果对东北地区河流冬季冰情研究及冰害防治具有一定的借鉴意义。     

宽顶堰平板闸的水力学解析模型与参数率定

从水力学方程入手,对宽顶堰平板闸作了剖析,将孔流和堰流、淹没流与自由流作出了统一的解析模型,经原型实验检验,证明了成果的成因明确可靠,方法合理,可操作性强。     

泥石流堵断主河临界条件研究进展

自20世纪90年代开始,泥石流堵断主河临界条件研究取得了较大进展,开展了多动态室内模拟试验、统计学的相关性分析、动量动能的理论力学分析,取得了基于不同方法的临界条件判别式,但对泥石流堵河的力学形成机制、堵河的数值模拟、堵河原型模拟试验、多时段的遥感运用等方面的研究仍需解决和深入。前人所做的临界条件往往对具体环境下的单沟能够较好适应,而对一定数量的其它泥石流堵河事件往往对比验证较差。对泥石流堵河临界条件的研究需要运用到土力学、水力学等学科的相关理论才能解决。作者认为,在前人研究的基础上,未来研究方向应着重于泥石流堵河机理研究、RS、GIS技术的应用、原型模拟堵河试验及判别式研究,也许能有效地解决泥石流堵河临界条件的科学性和正确性,为实现防灾减灾提供科学的依据。     

高坝泄洪水面曲面及流速场的原型测量方法

构建了基于双高速摄像机的立体摄影测量与大范围PIV测量系统,实现了对高坝泄洪的水面曲面和流速场的原型观测.摄影测量系统将相机内外参数分开标定,既保证了相机标定精度,又减少了布置标定点的工作量;使用SIFT关键点标识法提取不同照片中水流表面流动纹理的特征点.大范围PIV系统中,使用灰度标准化、背景移除、中值滤波等方法提取水流表面流动纹理作为PIV计算的示踪物,解决了原型观测中释放示踪物的难题.根据重构出的水面曲面形态对大范围PIV所得流场进行尺度换算与水面贴合,得到真实的表面流场.在向家坝消力池运用实例表明,本方法的计算结果合理.     

水文相似概念与理论发展探析

目前,工程水文领域面临诸多问题有待解决,例如怎样合理地将现有水文观测成果外推至无资料流域,这也成为国际水文科学协会“无测站流域水文预测计划（PUB）”所遭遇的理论瓶颈。一个可行的方法就是依据流域结构特征构建水文相似因子,并对流域进行分类,在相似框架下完成观测成果向无（缺）测站流域的转化。分析发现,水文学缺乏类似于水力学、化学和生物学的分类与相似理论体系。通过对不同学科相似理论的回顾,定义了水文相似的概念,给出了构成流域水文相似的三要素,即驱动力、结构和水动力要素。最后,讨论了可用于水文相似研究的两类方法:数理解析法和量纲分析法,并给出了其用于实际流域水文相似研究时存在的问题及解决途径。     

水文相似概念与理论发展探析

目前,工程水文领域面临诸多问题有待解决,例如怎样合理地将现有水文观测成果外推至无资料流域,这也成为国际水文科学协会"无测站流域水文预测计划(PUB)"所遭遇的理论瓶颈。一个可行的方法就是依据流域结构特征构建水文相似因子,并对流域进行分类,在相似框架下完成观测成果向无(缺)测站流域的转化。分析发现,水文学缺乏类似于水力学、化学和生物学的分类与相似理论体系。通过对不同学科相似理论的回顾,定义了水文相似的概念,给出了构成流域水文相似的三要素,即驱动力、结构和水动力要素。最后,讨论了可用于水文相似研究的两类方法:数理解析法和量纲分析法,并给出了其用于实际流域水文相似研究时存在的问题及解决途径。     

《高等地下水水力学》

正目前地下水水文学仍存在一些科学和技术问题有待进一步研究,如水文观测及相关过程的尺度问题,水文地质的不确定性问题,随机地下水原理及其实际应用等问题。美国亚利桑那大学著名学者叶天齐教授于2017年11月在地质出版社出版的《高等地下水水力学》对以上问题进行了系统研究。该书将地质介质中地下水流动的传统理论与随机分析的最新成果进行了综合,重点回答了随机理论在地下水水文学中的适用性以及如何用随机     

伯努利方程在水面曲线中的应用

伯努利方程是水力学常用方程中最重要的方程之一,它通过总水头线和测压管水头线清楚的体现恒定流时流体运动中各种能力之间的相互转换关系和规律。通过使用伯努利能量方程对水面曲线进行计算,提出在计算中需要注意的问题。对研究现阶段水面曲线具有重要的研究意义。     

高坝明流泄洪洞掺气减蚀三维数值模拟分析

高坝明流泄洪洞的掺气减蚀问题倍受关注。以溪洛渡水电站3#泄洪洞为研究对象,结合大比尺单体模型试验成果,应用分段计算方法对泄洪洞掺气减蚀问题进行了三维紊流数值模拟分析。结果表明:泄洪洞各道掺气坎布置合理且有稳定掺气空腔,掺气坎体型基本合理,明流段洞顶余幅足够。泄洪洞反弧段及末端一段区域水力特性复杂,应重点关注此部位的设计及施工问题。对于高流速、大梯度泄洪洞水力学问题,采用分段计算能提高计算速度。     

环境水力学反问题研究进展

反问题广泛存在于环境水力学的各个研究领域,通过环境水力学反问题研究可以实现对水流及伴随水流系统的污染物质迁移、输运过程的识别和控制,促进水资源的可持续利用。近年来,环境水力学反问题研究内容逐渐丰富,其重要性日渐突出。基于反问题理念阐述了环境水力学反问题的内涵,从不同的角度对环境水力学反问题进行了分类,强调了环境水力学反问题研究的重要意义。从参数反问题、源项反问题、边界条件反问题、初始条件反问题和形状反问题5个方面分析评述了环境水力学反问题的研究现状和研究成果。在此基础上,讨论了研究现状存在的问题并对该领域未来研究方向进行了展望。     

震后坡面松散堆积体失稳水力学机理研究

为研究震后强降雨条件下沟道泥石流产生的力学机制及水力学机理,以都江堰市龙池镇银洞子泥石流沟为研究对象,构建坡面松散堆积体地下水位变化水力模型,按照水力学渗流理论,分析了震后泥石流形成区坡面松散堆积体内潜水位变化的特征和规律,定量研究了动静水压力对坡体的作用特点。根据理论分析、实例验证与物理模拟试验的研究结果,获得了对坡面松散物源启动力学机理、启动临界条件及启动模式的深刻认识: ①在强降雨激发作用下,随着坡体内潜水位不断升高,水力条件不断恶化,最终导致坡面松散堆积体发生失稳破坏; ②堆积体内潜水位高度是坡面面积(S)、稳态降雨强度(I),坡体几何参数、导水系数(TD)等参数的综合函数,S、I越大,则潜水层厚度( H)越大,反之,当坡面集雨面积和稳态激发降雨强度一定时,导水系数、坡体宽度和潜水面倾角越大,则坡体内产生潜水层垂直厚度越低; ③随着坡体内静水压力(P)增加,堆积体基底抗滑力将会降低; 随着坡体内动水压力(Gd)增加,坡体下滑力将会增加; ④根据剩余下滑力的存在形式,震后坡面松散堆积体的启动模式可分为2种,即坡体整体启动的推移式失稳和分段解体启动的牵引式失稳。研究成果可为沟道泥石流的超前预警提供理论及技术支持。     

高拱坝宽尾墩三维流场数值模拟

高拱坝表孔宽尾墩收缩射流水舌的扩散特性与其出口流速分布密切相关,为了求得收缩射流的水力特性,应用RNGk ε双方程湍流模型对高拱坝表孔不同体型及过流量条件下可能出现的降水曲线流态、急流冲击波流态、水跃壅水流态、缓流流态4种流态进行了数值模拟计算,水流自由表面的模拟采用VOF法,得到了溢流水面及流速分布。结果表明,无论在何种流态下,计算所得的水面曲线均与物理模型试验值吻合良好,所得的出口流速分布结构也验证了高拱坝宽尾墩收缩射流水舌不同流态下分散的机理。     

基于FEFLOW在地下水数值模拟中的应用综述

数值模拟法是地下水水量和水质评价的主要技术方法,通过简述地下水数值模拟的发展历程、FEFLOW软件的输入特点和功能,并结合FEFLOW在地下水模拟方面的应用现状,论述了对河流和断层处理的方法,最后提出了FEFLOW软件存在的问题及应用前景。研究结果可知:(1) FEFLOW是迄今为止功能最为齐全的地下水数值模拟软件,适用于各种尺度的地下水、多孔介质和热能传输项目,但这些领域基本都是水流和溶质运移耦合、水流和热量运移耦合等两场进行耦合,少见三场耦合研究实例;(2)存在无法实现源汇项单独处理等缺陷,仅能实现in/outflow on top/bottom菜单功能,降雨入渗和蒸发同时作用必须用净补给量来表达,增加了前处理的困难,在应用模型模拟时,由于FEFLOW网格划分时的数量受到限制,超大区域建模也容易出现不精确问题;(3)在对地下水污染物运移模型模拟时,通常考虑的是对流、弥散、吸附作用,而未有一阶化学非平衡反应,随着人类对地下水环境和质量的高度重视,对于两相有机和无机污染物迁移耦合研究将会是未来的研究重点。     

隧道区岩体结构特征分析及量化

裂隙岩体独特的裂隙网络结构,控制了其内在的各种力学及水力学行为。因而对裂隙岩体网络结构特征的研究,成为对裂隙岩体水力学特性研究的基础。文章结合石太客运专线特长隧道（太行山隧道）分析了隧道区裂隙发育特征及地质构造对渗透性的影响,量化裂隙岩体结构特征,为准确地预测隧道涌、突水位置及水量提供了理论的依据。     

盆地地下水流系统形成与影响因素分析

目前区域（盆地）地下水流系统模拟研究中,常用的定水头与通量两种上边界条件刻画方法与实际条件存在差距。通过对比两种方法的差异和各自适用条件,采用解析法讨论地下水位的形成控制机制,提出了改进后的变通量上边界数值模型,并以鄂尔多斯盆地北部白垩系地下水流系统为例分析了盆地地下水流系统的形成与影响因素。研究表明,鄂尔多斯盆地北部白垩系水流系统地下水位受地形、补给条件和渗透系数三者共同控制,同时特有的气候、地形和岩性组合通过控制地下水位影响地下水流系统的发育演化。采用变通量上边界法探讨上边界条件改变对盆地水流系统的影响,对深刻认识区域地下水流系统形成演化机制,揭示地下水系统与上边界气候变化、植被生态变化之间的相互作用关系具有一定优势。     

Detection and hydrologic modeling of aquifers in unconsolidated alluvial plains through combination of borehole data sets: a case study of the Arao area, Southwest Japan

In addition to spatial distribution of groundwater-flow parameters, aquifer properties of location and shape are also significant for assessing groundwater resources because they strongly affect water flow. We present a selection of geologic data suitable for aquifer analysis, a mathematical method of processing them, and a combination of several maps produced by it. The data used in the analysis are typically obtained by borehole investigation. Our targets are the areas underlain by geologic bodies with different ages and lithologies; the spatial correlation structures of geologic data over the areas tend to change locally. The processing method should be a versatile one that is applicable to areas where geostatistical stationarity is not satisfied. The aquifer analysis consistent with that requirement consists of two steps: the first is the transformation of screen locations, locations of sand and gravel layers, and resistivity by electric logging into indicator values, and the second is three-dimensional interpolation of these using the optimization principle method to produce three kinds of distribution models. A stochastic simulation is also used for modeling the resistivity distribution. The three distribution models are integrated to generate a value for evaluating the possibility of aquifer existence. A case study of an alluvial coastal plain, situated in southwest Japan, describes an aquifer model that contains three permeable layers. Each layer has about 10-m thickness and is lens shaped. To confirm the validity of the model, we have drilled two wells that reached one of the middle and bottom permeable layers, observing the water level change. Low correlation of the temporal changes of levels between the wells indicates that the two layers are hydrologically independent of each other. Additionally, groundwater-flow patterns have been estimated by transforming the simulation model parameter into hydraulic conductivity through a simple function and using a finite difference method for flow analysis. The procedure proposed by this study can be applied to other areas by changing the weights assigned to each geologic and geotechnical factor in the generation of the coefficient for aquifer existence, considering the reliability of each factor and hydrologic properties of study area.     

浅水流动的可压缩流数学模拟

利用浅水流动的可压缩流比拟来认识浅水方程组的特性及其有关物理现象,过去的讨论多限于矩形断面棱柱形明渠的最简单情况。本文首先将该模拟推广到任意断面非棱柱形明渠的一般情况,给出了等价绝热指数公式γ=H/h.(H为水力水深,h_c为形心水深),并指出γ=2为矩形断面的特例.然后着重阐明这一数学模拟对计算水力学具有普遍实用价值,并将计算气体动力学中的两种通量向量分裂(FVS)算法通过比拟应用于浅水流动计算。最后,本文讨论了浅水流动可压缩流模拟与一般完全气体可压缩流物理特性的异同点,据此提出正确应用这一模拟所应遵循的原则。     

Influence of hydrate exploitation on stability of submarine slopes

Urban pluvial flash floods have become a matter of widespread concern, as they severely impact people’s lives in urban areas. Hydrological and hydraulic models have been widely used for urban flood management and urban planning. Traditionally, to reduce the complexity of urban flood modelling and simulations, simplification or generalization methods have been used; for example, some models focus on the simulation of overland water flow, and some models focus on the simulation of the water flow in sewer systems. However, the water flow of urban floods includes both overland flow and sewer system flow. The overland flow processes are impacted by many different geographical features in what is an extremely spatially heterogeneous environment. Therefore, this article is based on two widely used models (SWMM and ANUGA) that are coupled to develop a bi-directional method of simulating water flow processes in urban areas. The open source overland flow model uses the unstructured triangular as the spatial discretization scheme. The unstructured triangular-based hydraulic model can be better used to capture the spatial heterogeneity of the urban surfaces. So, the unstructured triangular-based model is an essential condition for heterogeneous feature-based urban flood simulation. The experiments indicate that the proposed coupled model in this article can accurately depict surface waterlogged areas and that the heterogeneous feature-based urban flood model can be used to determine different types of urban flow processes.