新安江模型与水动力学模型结合修正研究

将一维圣维南方程组与新安江模型结合构成河口地区水位模拟模型.采用AR方法进行误差分析与修正.将该模型应用于曹娥江流域,综合对比分析了未考虑区间入流、考虑区间入流、考虑AR修正、同时考虑区间入流和AR修正这四种方式的计算成果.结果表明,区间入流的作用不容忽视,AR修正在一定程度上能减小区间入流计算误差的影响.     

闸控河网水文-水动力-水质耦合数学模型——I.理论

针对流域级闸控大型河网水环境日常管理的应用需求与实际特点,将资料适应性强的水文学方法与数据要求相对严苛的水动力-水质数值模型相融合,构建了一维与二维嵌套、分块组合的闸控大型河网水文-水动力-水质耦合数学模型DHQM（Hydrology, Hydrodynamics, and Water Quality Model for Impounded Rivers）。模型由河道径流模拟、闸坝调度过程模拟、河道水质模拟、区间入流及入河污染负荷估算和水质预警实时校正等5个模块组成。模型可服务于水环境实时预警和调度,也可为闸坝水文环境效应的量化提供基础工具。     

实时校正中的旁侧入流反演方法

在水文与水动力学相结合的预报模型中,对于水文模型计算有误差,造成水动力学区间旁侧入流与实际不吻合情况,依据水量平衡原理,对旁侧入流进行反演校正。采用四点线性隐格式求解圣维南方程组,结合卡尔曼滤波技术建立以水位、流量作为综合状态量的卡尔曼滤波状态空间方程。采用反问题的思想把校正后的水位、流量不平衡量反馈到旁侧入流中,修正原有的区间来水量,进而修正预报期的旁侧入流。选择长江干流寸滩至万县河段,以及长江下游大通至镇江段进行演算,分别采用三峡水库135m蓄水阶段的水文资料和1998年水文资料进行6h洪水预报,结果表明旁侧入流反演校正方法是可行的。     

水质数值模型在浑河流域水量水质模拟中的应用

在构建浑河流域水动力水质模型的基础上,丰富和完善浑河流域水动力水质数值模型,从而建立浑河流域水动工程调度数值模拟模型,该模拟模型可为该流域水质的调水响应提供了科学依据,并对参数进行了修定和验证。研究结果表明,该模型具有较高的模拟精度和良好的拟合效果。     

地表水文过程与地下水动力过程耦合模拟及应用

地表水和地下水是水循环系统不可缺少的部分,对相互作用与反馈的模拟计算有助于水资源精准评价。在非饱和带数值计算模型(UZF1)与模块化地下水动力模型(MODFLOW2005)耦合的基础上构建了一个地表水文过程与地下水动力过程耦合数值模拟模型,模型可以同时输出流域出口断面流量和地下水位的空间分布,有利地提高了模型的可靠性。将模型应用于资料条件较好的临涣集流域,从模拟结果分析来看,模型可以很好地模拟流域出口流量与地下水位空间动态变化过程,具有较高的模拟精度。     

基于非充分掺混模式的流域来水组成模型

针对如何减小数值求解对流输运方程耗散误差的问题,引进断面计算浓度的概念来计算河段平均浓度,提出了非充分掺混模式的有限控制体积法离散对流输运方程的新算法,据此构建了模拟流域内的水源组成以及不同水源在流域内的时空变化情况的流域来水组成模型。通过数值试验与具体实例验证,结果表明所提出的非充分掺混模式的新算法可有效地提高流域来水模型的计算精度。     

复杂地铁车站施工对邻近建筑物变形影响数值分析的位移叠加法

换乘地铁车站基坑工程地下空间布局复杂,由垂直交叉的地铁车站基坑工程、联络通道、区间隧道等共同组成,通常采用数值模拟方法分析基坑施工对邻近建筑物的变形影响。由于空间结构复杂、基坑规模大,采用整体模型来模拟施工过程建模困难,网格数量多,单台微机难以完成。为了解决这个问题,在合肥市潜山路地铁车站的数值模拟计算中采用位移叠加法,把复杂的地铁基坑工程计算模型剖分为整体模型和一个局部模型,将整体模型计算的变形结果作为局部模型计算的初始位移场,在该基础上对局部模型进一步开挖模拟基坑工程施工对邻近建筑物的影响。以单元内插法和反距离加权插值法为例,通过两种方法导出整体模型的初始位移场,并将两种位移叠加法计算得到的结果与单独计算的结果进行对比。结果表明,采用位移叠加法得到的计算结果与单独计算得到的结果基本一致,可近似作为完整模型计算结果,证明了位移叠加法的可行性。通过比较可知,采用反距离加权插值法比单元内插法具有更高的精度,得到的计算结果更准确。研究结果对复杂基坑工程数值模拟计算有重要的参考和应用价值。     

基于太湖流域模型的城市内涝过程高效模拟

城市内涝的高效模拟对于降低内涝灾害影响、制定防灾减灾措施具有极其重要的意义。本文提出了基于雨篦子耦合地表与管网的城市降雨-产汇流-内涝全过程高效模拟方法,结合常州市双桥浜城市产汇流与内涝试验基地监测数据,分别构建了基于高效模拟算法和二维水动力算法的城市内涝模型。根据监测数据对所构建的模型进行了率定与验证,并分析对比了2种算法在不同降雨事件中的精度与可靠性。结果表明：太湖流域模型中基于雨篦子的城市水文特征单元高效模拟方法能够较为真实地反映城市内涝的具体特征,且在模型参数一致的前提下,其计算效率约为二维水动力算法的780～1 275倍,能够对城市内涝情况进行快速模拟。     

变异Henry问题检验网格Peclet数在数值计算中的重要性

有限元法是求解地下水流和溶质运移对流-弥散方程的常用数值方法,它可以精确高效地处理以弥散为主的问题,但求解以对流为主的问题易引起显著的数值振荡。通过Galerkin有限元法对变异Henry问题进行模拟求解,得到了用不同的剖分网格及水动力弥散系数时,在特选节点处的浓度穿透曲线,分析并找到了浓度振荡的原因及合适的消除方法,即若出现浓度数值解在某值附近振荡,可以通过加密网格或增加水动力弥散系数将其消除。模拟结果及其分析表明:即使是研究区域相同,不同的边界条件、不同的水动力弥散系数对网格精度的要求不同;换言之,同一网格对不同模型参数的有效性也不同。网格Peclet数能够有效地判定给定的网格剖分是否会引起浓度振荡,对有限元法数值计算的网格剖分具有指导意义。     

漫溃堤洪水联算全二维水动力模型及应用

为应对河道洪峰流量增大和漫溃堤长历时相伴发生的洪灾现象,借鉴全二维气相色谱理论提出全二维水动力模型概念,建立了模拟河道和灌区洪水演进的漫溃堤洪水联算全二维水动力模型,并采用Roe格式的近似Riemann解对界面通量进行数值求解。模型内通过漫溃堤堰流公式成功实现河道与灌区的耦联,考虑溃口展宽变化,加密处理河道网格,采用热启动与干湿水深理论对模型进行优化,并利用加大糙率法对村庄较为密集的地形进行优化处理,尽可能反应地面真实情况。将该模型应用于黄河宁蒙段河道与左右岸灌区的漫溃堤洪水演进模拟,计算结果合理可靠,流场分布均匀光滑,初步验证了模型的精度及可靠性,研究成果对河道溃决洪水的精细仿真模拟和该地区洪水风险分析决策具有重要意义。     

信湖矿水文地质条件分析及涌水量预测研究

基于信湖煤矿水文地质条件,利用数值法和地下水动力学方法分别进行矿坑涌水量预测,并就预测结果进行对比分析,结果显示:利用数值模拟法预测得到的信湖矿的矿坑涌水量为11 000~3 236 m^3/d,水动力学方法得到的信湖矿的涌水量为13 152 m^3/d,两种预测方法所测算出的结果偏差不大,总体认为数值法的计算结果比较可靠。同时可将水动力学法当做数值法计算矿坑涌水量预测的一种检验印证方法,两种计算方法结合起来会使矿坑涌水量的预测结果更加准确。     

宁夏红石湾煤矿涌水量评价

在分析红石湾煤矿区地质及水文地质条件的基础上,对矿井的充水因素进行了论述,认为区内的古近系孔隙水含水层分布广,厚度大,富水性较强,但由于其距首采区的主采煤层(三煤)较远,导水裂隙带的最大破坏高度尚未达到该含水层,且其间有近20m厚的隔水层,所以该含水层对煤矿开采影响较小;影响区内煤矿涌水量的主要含水层为二叠系石盒子组砂岩含水层和山西—太原组砂岩含水层。采用富水系数比拟法、狭长水平巷道水动力学法、大井法对煤矿涌水量进行了计算,通过对各种计算方法适应性的评述及计算结果的对比,最后选用狭长水平巷道水动力学计算结果作为矿井正常涌水量,大井法计算结果作为矿井的最大涌水量。     

Modelling Discharge Rates and Ground Settlement Induced by Tunnel Excavation

Interception of aquifers by tunnel excavation results in water inflow and leads to drawdown of the water table which may induce ground settlement. In this work, analytical and numerical models are presented which specifically address these groundwater related processes in tunnel excavation. These developed models are compared and their performance as predictive tools is evaluated. Firstly, the water inflow in deep tunnels is treated. It is shown that introducing a reduction factor accounting for the effect of effective stress on hydrodynamic parameters avoids overestimation. This effect can be considered in numerical models using effective stress-dependent parameters. Then, quantification of ground settlement is addressed by a transient analytical solution. These solutions are then successfully applied to the data obtained during the excavation of the La Praz exploratory tunnel in the Western Alps (France), validating their usefulness as predictive tools.     

基于结构匹配反褶积的同时震源数据直接成像

针对同时震源数据最小二乘偏移(LSM)计算效率低的问题,笔者研究并提出了同时震源混合数据直接成像的结构匹配反褶积(SMD)方法。通过分窗的方式求取局部Hessian逆,加入局部结构约束,可以压制混合数据成像串扰噪音的同时对成像做照明补偿,提高成像质量。并在复杂sigesbee2A模型的数值测试中验证了SMD方法的有效性。结果表明,SMD能够有效地压制成像中的串扰噪音,且对成像振幅有一定的补偿作用,计算效率相比LSM有巨大提升。     

An application of Green’s function technique for computing well inflow without radial flow assumption

Well modeling plays an important role in numerical reservoir simulation. The main difficulty in well modeling is the difference in scale between the wellbore radius and well gridblock dimension used in the simulation. The Peaceman equation is widely used in reservoir simulation to match gridblock pressure to the local solution of the diffusivity equation describing the flow near the well. However, this approach was developed under the assumption of radial flow. At the same time, the well inflow equation can be solved within the Green’s function (GF) formalism which allows the solution to be obtained without the assumption of radial flow. The GF solution can be presented as a series over the eigenvalues of the Laplace differential operator. However, this series converges conditionally and its direct summation is time-consuming. In Posvyanskii et al. (2008), a method for fast summation of such a series was proposed and successfully applied for analyzing the pressure build up curves. In this paper, we adopt the same technique for calculating the well indices for horizontal, slanted and partially penetrated wells. Additionally, the role of different boundary conditions is considered. The semi-analytical expressions for well indices are obtained and compared to the solution of the Peaceman equation. It is shown that in some cases, the difference between these solutions can be significant. The use of the obtained expression in numerical flow simulation allows well inflow to be modeled with high accuracy even on a coarse grid.     

Numerical modeling and inverse parameter estimation of the large-scale mass movement Gradenbach in Carinthia (Austria)

This paper deals with the inverse problem of using time-displacement monitoring data to determine the material parameters of a numerical model of a large-scale mass movement. A finite element model for simulating the mechanical behavior is presented for the Gradenbach landslide in Carinthia, Austria. Particular attention is paid to the calibration of the constitutive relationships, which represent a prerequisite for a realistic quantitative analysis. After a short introduction to the concept of model-parameter identification, this paper demonstrates how to apply the proposed model identification strategy to determine model parameters for the Gradenbach example. The impact of the amount of reference data available for the inverse model-parameter analysis is evaluated by means of artificial reference data. Subsequently, the numerical model is calibrated using field measurement data. The results obtained are presented, and the benefits and drawbacks of the proposed concept are evaluated.     

基于Copula函数的入库洪水与坝址洪水关系研究

采用频率分析法计算入库设计洪水时,需要通过相关分析将坝址洪水系列插补得到对应的入库洪水系列。常用的线性回归法假设两者满足线性关系且入库洪水系列服从正态分布,可能与实际情况并不相符。引入Copula函数构建坝址洪水与入库洪水的联合概率分布和条件概率分布,计算给定坝址洪水时入库洪水的条件最可能值和置信区间,提出了一种基于Copula函数的入库洪水插补新方法。三峡水库的应用实例表明:线性回归法得到的入库洪水值在坝址洪水量级较大时明显偏小,甚至稀遇洪水时不在90%置信区间内。所提方法能较好地反映坝址洪水与入库洪水的内在关系,不仅可以计算入库洪水的各种点估计值,而且能够定量评价估计的不确定性。     

TBM护盾−围岩相互作用荷载识别方法

随着隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）开挖隧道埋深逐渐加大,穿越的地层结构更加复杂,如何降低卡机风险成为亟待解决的问题。提出了一种基于牛顿迭代和有限元理论的TBM护盾?围岩相互作用荷载反演方法。该反演方法以护盾内表面测点应变测量值与计算值的误差作为目标函数,并引入Moore-Penrose广义逆对反演方程进行求解。采用了护盾外表面有限分区的策略,定义各分区节点荷载值为反演参数,可以方便地控制反演参数的数量。各分区内部荷载通过节点值插值得到,实现了护盾表面任意分布荷载的离散拟合。算例结果表明：该反演方法计算效率高,对观测值误差具有很好的免疫效果;能够有效地获取护盾外表面的荷载分布规律和摩阻力的大小,在一定程度上能够为现场安全掘进、卡机预警以及事故处理提供指导。同时,该反演算法也可以扩展到低维情况,对其他结构受力或者物理参数的反演具有一定的借鉴意义。