灌区作物生育期的高精度大范围识别,一直以来都是灌区智慧农业发展的核心需求之一。基于哨兵2号卫星影像数据,系统分析了冬小麦各生育期光谱反射率阈值以及植被指数曲线对生育期识别的有效性,并提出了一种融合多光谱特征与集成学习的冬小麦生育期遥感识别方法。首先筛选对生育期敏感的光谱波段及植被指数作为特征参数,进而通过 Stacking 框架集成支持向量机、随机森林等 5 种异构机器学习模型构建冬小麦生育期识别模型。在陕西省东雷抽黄灌区的应用结果表明,红边波段对模型的精度提升具有显著作用,且本文模型在实际应用中精度最高,分类精度达到了96%以上(Kappa系数为0.968 6),具有广阔的应用场景,可为灌区智慧农业的发展与决策提供重要支持。
阻水比是衡量涉水工程建设对河道行洪影响程度的重要指标。对蜿蜒型、游荡型河道而言,其过水断面为曲面,常规的河道阻水计算方法无法适用。结合非正交于河道过水断面的工程线路,通过设置水流流向偏角阈值,将曲面过水断面划分为多个平面过水断面,提出了曲面过水断面非正交阻水计算公式,并在武汉—松滋高速公路东荆河大桥阻水比计算中进行了应用。计算结果表明,将东荆河大桥跨越处曲面过水断面划分为116个局部过水断面情况下,其阻水总面积为975 m2,阻水比为4.24%;通过经验公式和二维数学模型分析了阻水比计算的合理性,根据阻水比和Henderson公式计算河道内水位壅高值为1 mm,二维数值模型计算桥墩位置处水位壅高值为1~3 mm。考虑经验公式采用的是全断面平均流速,其计算的水位壅高值略小于二维水流数学模型计算的桥墩位置处局部水位壅高值是合理的。通过划分局部过水断面的方式计算曲面河道非正交工程的阻水面积及阻水比是可行的,可为水行政主管部门审批涉河建设工程的行洪影响提供参考。
掌握洪水条件下水库流场和水温结构的动态变化对于水质管理和生态安全至关重要。以河道型水库BLH水库为典型案例,基于Delft3D模型建立了三维水动力水温模型,使用水体相对稳定度(RWCS)量化水温结构,分析了不同洪水条件下的流场和水温特征。坝前和库中心表底层水温模拟的决定系数R2分别为0.989和0.982,模型效果良好。结果显示,水温结构受水流形态和流速影响,入库流量增加会降低水库RWCS/H,削弱水温分层;受洪水影响从河流区到湖泊区温跃层厚度逐渐增加,随入库径流增大各区温跃层占水深的比值呈现下降的趋势。洪水对水库温跃层的影响从库尾到坝前逐渐减弱。径流越大其潜入库区的位置越往下,水体扰动越强,水体热分层结构破坏程度越大,垂向水温分布会趋于一致。
在快速城市化的大背景下,城市地区下垫面变化是影响径流过程的重要因素,而影响机制尚待研究。选择武汉市青山区作为典型研究区域,通过遥感技术、GIS分析以及BP神经网络模型等方法,对典型研究时段城市下垫面变化进行了定量评估,并分析了这些变化对径流系数的影响。通过对比分析发现:城市下垫面变化对径流系数具有显著影响,随着建筑用地和道路的增加,径流系数呈现上升趋势,2009—2017年研究区径流系数从0.399增至0.535;而绿地、植被等用地面积的增加则有助于降低径流系数,同时海绵城市建设通过增加强透水地面面积,额外增加雨水调蓄容积,可达到降低径流系数的作用,海绵城市项目实施后,2017年径流系数为0.535,较海绵城市项目实施前降低0.051。研究成果可为城市规划和防洪排涝系统的设计提供科学依据,也可为城市水文循环和水资源管理提供技术支撑。
针对新型电力系统中,风光出力波动性和间接性给电网安全运行带来巨大挑战等问题,提出了一种考虑抽蓄的风光水火多能互补的联合发电系统双层优化调度模型:以系统净负荷最小、风光出力最大以及弃电量最小为目标函数的水风光蓄联合调度上层优化模型;以火电机组运行成本、抽水成本以及弃电惩罚成本为目标函数,并考虑联合发电系统经济性的下层优化模型。引入CO2排放强度和火电机组出力系数作为评价指标,并设置3种不同方案进行优化仿真,采用CPLEX求解器求解。实际算例分析结果表明,考虑抽水蓄能电站后,夏季典型日综合运行成本降低4.6万元,CO2排放强度降低0.012 kg/(kW·h),火电出力波动系数从33.34%降至7.88%;冬季典型日也有类似改善效果。因此,加入抽水蓄能电站,可以明显降低火电机组出力波动性,降低系统运行成本,以及提高新能源的消纳能力。
天然水体磷污染治理一直是社会关注的难题,降雨冲刷造成的高负荷磷冲击是河湖(库)磷超标的主要来源,开发雨污水高效除磷技术十分迫切。研发了铜-铁/海藻硅酸钠凝胶类碳微球(Cu-Fe/SAC)粒子反应器,以Cu-Fe/SAC为粒子电极,利用Cu-Fe/SAC良好的吸附性能及导电性能,在交变电场作用下,依次通过电吸附富集磷➝颗粒态磷固化➝电解吸释放磷➝颗粒态磷沉淀,在微纳曝气辅助下,极大提升了雨污水中总磷(TP)去除效率。探索了不同影响因素下,粒子反应器除磷最佳参数,并开展了验证试验,探讨了除磷机理。试验结果表明,雨污水除磷最佳参数为:电流密度5 mA/cm2,Cu-Fe/SAC填充量12 g/L,曝气强度120 mL/min,经30 min反应时间,雨污水TP去除率达90.6%,处理后雨污水TP含量满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅲ类水标准。
为落实中共中央办公厅、国务院办公厅《关于加强新时代水土保持工作的意见》,加强生产建设活动水土保持监管工作,对长江中游地区农林开发等生产建设活动开展了水土保持监管试点研究,以期掌握农林开发等生产建设活动和水土保持监管现状,探索监管技术、方法和体制机制。研究采用3S、计算机、无线网络等先进技术,结合现场核查、调研、空间分析等方法开展。研究表明,2023年江西省万年县生产建设活动扰动面积为6 924.60 hm2,占总面积的6.07%;其中93%以上为林业、自然资源和农村农业等部门的项目或补助项目;约78%的生产建设活动未采取有效的水土保持措施防治水土流失,存在水土流失风险;水土保持监管工作基本未开展。研究认为应加强对政府投资项目的水土保持监管工作,出台农林开发等生产建设活动水土保持监管办法;建立“行业监管、水保协同”的监管体制机制,推行分类监管。
干热河谷区土壤侵蚀强烈,生态环境脆弱,土壤抗冲性的研究对干热河谷区生态环境建设极为重要。采用原状土冲刷法及室内理化分析法,分析了乔木林地、坡改梯+农耕地、灌草地3种典型生态修复模式下土壤抗冲性能及其影响因素。研究结果表明:所有土层抗冲指数平均值在不同典型生态修复模式下呈现乔木林地(0.566 L/g)>坡改梯+农耕地(0.501 L/g)>灌草地(0.428 L/g)的规律,不同土层间呈现0~20 cm(0.568 L/g)>20~40 cm(0.514 L/g)>40~60 cm(0.413 L/g)的规律。各土壤粒级中,粗粉粒含量最高,粗砂粒含量最低,土壤颗粒的分形维数在2.540~2.648之间,均呈灌草地>坡改梯+农耕地>乔木林地的规律,且达显著性差异;抗冲指数与土壤相对重度、细黏粒含量、粗黏粒含量、细粉粒含量、粗粉粒含量、累计冲刷土量、分形维数呈负相关关系,而与含水量、细砂粒含量和粗砂粒含量整体呈正相关关系。研究成果对干热河谷地区土壤抗冲性机制研究具有指导意义。
采用Bently Hammer软件分析了事故工况运行条件下奇台高压自流输水工程5种不同支管布置方案下的水力过渡过程。结果表明,在符合支管额定供水量的前提下,小管径支管并联布置代替单根大管径支管输水,能有效减少水锤波在管内反射、叠加次数,降低输水系统水锤压力,缩短压力波动时长。并联支管数从2根增至5根的过程中,最危险事故工况下主管、支管内最大水锤压力相较于单根大管径输水方案最大减幅为10.32%和48.75%;各事故工况下主、支管管内压力波动时长最大减小了63.16%和46.15%,同时消除管线负压力水头防护负压力水锤。研究发现当支管与支管连接位置处主管管径比值(β)满足0.12<β<0.28区间时,能稳定输水系统水力过渡过程又兼具经济实用性。
某引水发电枢纽兼具引水和发电功能,但其引水闸和电站机组间尚未建立流量自适应调节机制,在发电机组紧急停机的情况下无法快速启动引水闸进行流量的平衡补充,因此会造成引水渠内水位和流量的大幅波动。按照在最短时间采取最有效应对措施恢复进入总干渠流量的目标要求,确定了引水发电枢纽的应急调度原则,结合电站机组和引水闸的水位流量关系以及发电机组限制条件和引水闸门开启条件,提出了自适应应急调度策略。选取机组甩负荷的典型案例进行模拟计算,分析了应急调度扰动下明渠内水力响应过程,研究表明:通过建立的自适应应急调度策略进行调度调控能明显缩短决策反应时间,减小渠道水位波动,典型断面最大水位波动降幅达到40%以上、最大流量波动降幅达到58%。
深竖井作为水工岩土工程中一种常见的地下工程型式,其应力变形及安全性问题受到广泛关注。依托某引调水工程,对临近水库的双筒深竖井应力变形规律展开研究分析。首先借助多种软件平台,开展交互式建模,构建能反映实际复杂条件下的双筒深竖井三维数值模型,继而分别研究了不同施工因素对双筒竖井结构应力变形的影响规律,并对不同影响因素展开参数敏感性分析。研究结果表明:地连墙分幅是双筒竖井施工过程中的最敏感因素,地连墙嵌固深度次之,施工顺序和分节开挖高度对施工的影响较小。在竖井施工过程中,尤其要注意地连墙分幅的影响。研究成果可为类似水工岩土工程的应力变形研究提供有益的参考。
为改善电渗法加固效果,提高其工程实用性,开展了间歇通电下电渗-CaCl2加固淤泥质黏土的室内模型试验。试验结果表明:加入CaCl2溶液使电渗排水量提高49.3%,土体平均抗剪强度增大约2.4倍,显著提升了电渗加固效果,但同时阳极腐蚀量增加6.6%,电渗能耗增大12.0%;采用间歇通电方式能够显著降低CaCl2溶液引起的电极腐蚀程度和电渗能耗,且降低幅度与通/断电时长有关;通过对比发现通电时长、断电时长分别为5 h和1 h的电渗-CaCl2加固效果最佳,排水量比常规电渗法增加了55.7%,阴极土抗剪强度增大4.0倍,而单位体积排水能耗比持续通电降低6.7%,阳极腐蚀量减少4.7%。间歇通电下电渗-CaCl2加固方法可在有限的损耗范围内取得良好加固效果,有助于推动电渗法在软土加固领域的应用。
针对珠江口重大工程建设中浅层气砂土渗流灾害防控的迫切需求,旨在建立基于物理机制的非饱和水力特性高效预测方法,以解决传统试验周期长、成本高的技术瓶颈,基于珠江口含浅层气的典型储气层砂土,开展压力板仪SWCC测试以及非饱和渗透试验测试。基于等效毛细管模型理论,将土体抽象为多级连通孔隙网络,在由小到大的基质吸力作用下,孔隙通道由大孔径到小孔径依次排水,然后假设孔隙半径与基质吸力满足Young-Laplace 方程,建立砂土粒径分布数据与土水特征曲线、非饱和渗透系数之间的关系,提出基于土体粒径分布的砂土土水特征曲线与非饱和渗透系数的预测方法。最后将非饱和渗透系数预测结果与实测数据进行对比,初步验证了预测方法的合理性。研究成果可为滨海工程防灾减灾提供技术支撑。
针对深厚覆盖层心墙堆石坝坝基廊道普遍存在的开裂渗漏问题,提出了一种新型水工超高韧性水泥基复合材料HECC(Hydraulic Engineered Cementitious Composites)复合坝基廊道结构,即在廊道应力变形较大位置设置由HECC构成的塑性铰接段,适应廊道变形,从而提高坝基廊道的防裂性能。首先采用三维有限元数值模拟方法,分析坝基廊道的受力变形特性,揭示坝基廊道的开裂机制,明确易裂部位,确定HECC材料的设置位置;然后通过对比设置HECC塑性铰接段前、后廊道的应力分布,验证了HECC廊道的防裂效果。研究结果表明:水压和自重作用下,廊道受力条件复杂,呈现复杂的挠曲变形;距离端部30 m范围内是廊道应力变化剧烈区域,也是廊道的易裂部位;在两端大应力区设置HECC塑性铰接段后,HECC段承受了廊道本体的大部分变形,率先进入塑性状态,通过内部应力的调整,普通廊道段的应力会大幅下降,开裂风险会明显降低。HECC坝基复合廊道结构能有效减小或避免廊道的开裂和渗漏问题。
为推广中性骨料在西部严寒地区沥青混凝土面板中的应用,采用中性骨料辉绿岩进行室内沥青混凝土面板防渗层配合比和性能试验研究,通过13组试件对不同配合比沥青混凝土的孔隙率、48 h马歇尔斜坡流淌值、劈裂抗拉强度和劈裂破坏拉伸应变等指标进行分析,提出优选配合比,即级配指数0.4、沥青含量7%、填料掺量12%。性能试验研究验证得到:辉绿岩骨料黏结力等级为5级;优选配合比下沥青混凝土防渗层各项性能指标均能满足规范要求,具有足够的防渗性和变形能力;同时其冻断温度低于-37 ℃,能抵抗当地最低-31.9 ℃的低温环境要求。
洪水期间,复杂地形和水域边界的快速变化极大增加了准确提取洪水淹没范围的难度。传统的人工和卫星遥感方法常因云层覆盖、光照变化和传感器限制等因素,导致其精度不足,且效率低下、成本高昂。基于此,利用深度学习与机器视觉技术,构建了针对洪水监测的“RiverDataset”数据集,并基于此数据集评估Segformer模型在洪水淹没范围提取中的效果。同时对比分析Segformer模型与基于ResNet50和VGG16的U-Net模型的水体分割性能。研究结果表明:Segformer模型凭借其Transformer结构,有效捕捉了广泛的上下文信息,并通过多尺度特征融合技术,保证了在复杂环境中的分割性能和信息的完整性;在平均交并比(mIoU)、平均像素准确率(mPA)、精确率和召回率等关键性能指标上,Segformer模型显著优于基于ResNet50和VGG16的U-Net模型。综上可知,Segformer模型在处理精确提取边界和有效排除干扰物的复杂分割任务中具有明显优势。
帷幕灌浆是抽水蓄能工程防渗加固的常用手段,注入率是帷幕灌浆的重要监测参数,直接影响灌浆的质量。注入率的波动段是灌浆施工过程中的关键阶段。目前对注入率过程监测数据的挖掘研究较少,灌浆中的合理注入率缺乏科学判据,也难以指导灌浆压力的调节。为此,提出一套帷幕灌浆波动段注入率区间分析和计算方法,对帷幕灌浆的历史注入率过程线形进行分类,选取出注浆过程的正常灌段,通过分析各灌浆参数与波动段单位平均注入率的相关性,选取灌浆强度数(GIN)、波动段浆液平均密度和灌浆孔序分别作为能量、裂隙和灌序指标;对注浆过程正常灌段进行聚类,计算各类的波动段注入率区间,最后判断各历史灌段的波动段单位平均注入率所处的具体波动段注入率区间,根据判断结果给予灌后评价。将提出的方法运用于五岳抽水蓄能电站上水库库盆坝趾帷幕灌浆工程实践中,结果表明:该方法的可行性及灌浆相似性假设得到了验证;评价等级处在Ⅰ级至Ⅳ级的灌段占93.5%,Ⅴ级到Ⅶ级的低评价灌段仅占一小部分。研究成果可供从事帷幕灌浆的工程技术人员参考。
西藏高原地域辽阔、自然条件严苛且河流对气候变化高度敏感,为保障区域水资源安全和生态系统稳定,亟需开展区域化、多维度的河流健康评价,构建一套综合健康评价体系,包含自然结构、生态环境和社会服务功能3个准则层及12项指标。根据西藏的地形和气候特征,划分研究区域为藏南河谷地区、藏北高原湖盆区和藏东高山峡谷区,并针对各区域制定了差异化评价标准。采用博弈论的组合赋权方法对指标权重进行优化,选取金沙江西藏段、年楚河和扎加藏布3条典型河流进行评价分析。结果表明,扎加藏布得分为95.51分,处于“非常健康”状态;金沙江西藏段得分为91.85分,建议加强堤防建设;年楚河得分为81.57分,健康状况相对较弱,主要面临水土流失和连通性不足等问题。同时,基于评价结果提出加强水土保持、完善生态流量泄放以及推进防洪工程等措施建议。
