幸福河湖建设是加快推进生态文明建设的重大部署,是当前及今后一个时期河湖长制工作的重点任务。以西藏阿里地区中曲幸福河湖建设为例,梳理了幸福河湖建设在河湖系统治理、河湖管理能力提升、助力流域区域发展3个方面的15项重点建设任务。在此基础上,对照幸福河湖建设成效评估工作方案,从安澜、生态、宜居、智慧、文化、发展和公众满意7个方面,分析了幸福河湖建设成效。基于中曲流域特殊的地理位置、气候条件、地形地貌、生态环境以及文化习俗,探讨了高原幸福河湖建设过程中的难点问题,分别提出了解决方案和工作建议。希冀通过中曲幸福河湖先行先试,为高原幸福河湖建设提供理论依据与技术参考。
天然河道中弯曲边坡是受侵蚀的严重区域,弯曲边坡防护是河道治理的重大难题。基于生态护坡理念,对比研究了砂石填装的不同形状抛枕在弯道侵蚀中的防护效果。根据实际河道结构,构建了弯道河床几何模型,进而利用计算流体力学-离散相模型(CFD-DPM)方法分析在弯曲河道凹岸侧投放长方体、半球体和半圆柱体抛枕的护岸效果。分析结果表明:在水流速度v=0.5 m/s的条件下,放置有抛枕的3种模型中,长方体抛枕附近的凹岸受到的压力最小,半圆柱体抛枕中颗粒雷诺数最小;半圆柱体抛枕阻挡的颗粒量最多、颗粒的平均速度最小,比无抛枕模型中的颗粒平均速度小9%;放置长方体抛枕的护岸模式下,对抛枕附近的凹岸有较好的防护效果,放置半圆柱体抛枕的护岸模式下,阻沙效果最佳。
辨析核心区域的用水结构时空演变特征,对优化水资源管理、推进社会经济与生态环境协同发展具有重要意义。选取信息熵、洛伦兹曲线、基尼系数、区位熵等方法从不同角度相互佐证、互相补充,揭示关中地区近10 a用水结构时空演变过程和空间分布特征。研究表明:2012—2021年关中地区用水结构整体向着更为均衡的方向发展,用水结构空间分布的差异性在逐渐缩小;但关中地区各类型用水空间分布存在差异,生态环境、城镇公共用水空间分布差距相对明显,关中地区各市(区)间的用水结构存在较大差异,西咸新区和西安市的用水结构最为均衡,渭南市最为失衡。研究结果与实际情况基本相符,可为关中地区优化水资源配置、科学规划用水结构提供参考。
三峡-葛洲坝梯级电站的水位预测关系到电站安全稳定运行和综合效益发挥,然而在动静库容计算体系转换关系复杂、电站下游非恒定流等多种因素的综合影响下,传统方法在短期水位预测过程时难以跟踪,在电站承担调峰、调频任务及复杂工况下有突破调度规程及开闸的风险,从而引发工程安全风险和经济损失。采用长短时记忆网络(LSTM)深度学习方法,建立了三峡-葛洲坝梯级电站超短期水位预测模型,利用水位、入库流量、出力数据预测电站超短期的水位过程,并通过大调峰工况数据对模型预测精度进行应用分析。研究结果表明该模型总体精度较高、稳定性和适应性较好,在不同调峰工况下预测精度稳定,但在水位极值处预测结果往往会出现均化现象。三峡、葛洲坝上游水位24 h预测平均误差均<0.05 m。研究成果可为梯级电站精细化调度提供技术支撑。
基于两河口泄洪洞进行机理试验,研究了在不同过流条件下3种掺气坎的水流流态、动水压强、通气空腔、风速及水体掺气浓度的变化规律,分析了现有空腔长度、气水比及含水比计算公式对本工程试验的适用性,为后续工程开展及本领域研究提供基础。研究结果表明:泄洪流量越大,水流掺气现象越明显,时均压强与脉动压强均方根峰值越大,气水比、空腔负压、空腔长度等水力参数越大。在相同流量下,掺气浓度沿程逐渐增大,且垂向掺气浓度分布依次出现“C”形、“S”形及“一”字分布规律;在同断面不同流量下,掺气浓度随着流量的增大而增大,且垂向掺气浓度分布依次出现“一”字、“S”形及“C”形分布规律。通过对现有计算公式的分析和探讨,认为时启燧空腔长度计算公式、陈肇和气水比计算公式及Hall含水比计算公式对本工程适用性最好。
研究分水口对闸前流态的影响以及不同边坡和分水角下梯形节制闸的流量系数和水头损失的变化规律,建立梯形节制闸流量公式,探究梯形节制闸水头损失规律,为灌区量水控水精确化提供支持。试验设置了3个边坡(m=1.5、1.75和2)、5个分水角(θ=30°、45°、60°、75°和90°)、不同开度、不同水头共495组试验,进行梯形节制闸门在分水条件不同时的过流试验,观察分水口流态并分析成因;运用量纲分析法建立梯形节制闸流量公式,计算节制闸的相对水头损失。在节制闸前形成了回水区,节制闸流量计算公式的决定系数R2=0.934,流量的平均相对误差为2.83%,相对水头损失随节制闸的相对开度增大而减小。梯形节制闸门的流量公式精度较高,可为灌区梯形渠道流量测量提供依据。
自振频率是加筋土挡墙抗震设计中的关键参数之一。针对非整体式的加筋土挡墙自振频率计算方法,迄今为止尚无统一认识。总结了现有的7种自振频率计算方法,以模块式加筋土挡墙(简称模块式)与复合式格宾土工格栅加筋土挡墙(简称复合式)为研究对象,通过比较实测结果与计算结果之间的准确性系数和绝对百分比误差,评估现有计算方法的有效性。分析结果表明:模块式和复合式模型位于不同高度处的自振频率基本一致。伍永胜的计算方法所得结果与实测值最为契合;Ghanbari的计算方法能够更有效减少参数变化对解析计算法的影响,从而展现出更强的适应性;徐鹏的计算方法在准确性及适应性方面具一定优势,应用范围更为广泛。在抗震设计中,建议加筋土挡墙施工前后对其自振频率进行评估,并将自振频率与面板水平位移相结合作为衡量结构损伤状态的指标之一。
开展穿透扩散试验(Through-Diffusion Test),研究重金属Cu2+在羟丙基甲基纤维素(HPMC)改性膨润土中的吸附和扩散行为,并与未改性膨润土进行比较。同时,使用污染物运移模拟软件Pollute V7.0定量评估HPMC改性对膨润土截污性能的影响。研究结果表明,当HPMC的添加量为2%和5%时,Cu2+在膨润土上的吸附量分别减小了40%和46%,而扩散速度分别降低了7%和34%。Pollute V7.0的模拟计算结果显示,添加2%和5%的HPMC,可将膨润土对Cu2+的截污性能分别提高1.32倍和2.58倍。研究结果可为HPMC改性膨润土截污性能评估提供基础参数。
合理准确确定围岩力学参数对于地下水封洞库施工期围岩稳定性分析与支护结构设计具有重要意义。基于地下水封洞库工程地质特征,针对等效连续介质围岩模型,提出施工期洞室围岩力学参数智能反演方法。该方法首先通过室内试验与数值试验确定洞库岩体本构模型,再通过Hoek-Brown强度准则等多种方法估算本构模型中力学参数,分析各参数对围岩变形松弛的敏感性并设计待反演参数的正交试验方案,最后通过数值模拟获得样本并结合进化神经网络模型构建围岩力学参数智能反演模型。综合估算不同岩体基本质量级别下围岩力学参数初始取值范围,可克服智能算法大范围寻优而导致反演结果偏离较大的情况;开展力学参数对围岩变形松弛的敏感性分析,可减少反演参数的数量。以山东某地下水封洞库工程作为典型案例进行反演方法应用检验,获得的围岩拱顶沉降、洞周最大位移、内部变形以及平均松弛深度等参量的相对误差均不超过10%,满足工程应用精度,表明提出的智能反演方法具有较高可行性与可靠性,可为类似工程提供参考。
三峡库区内支流众多,但因缺少基本水文站监测,支流的水文和水资源信息匮乏,影响了区域的水资源管理和防洪安全。为此,选择了三峡库区20条典型支流为研究对象,其中18条为无资料支流,应用自主研发的遥感水文站技术,结合卫星及无人机遥感数据构建了支流监测断面的三维数字河道模型,计算分析了2016年1月—2023年7月的河道流量、相对水位等信息。研究表明:①三峡库区内20条典型支流的河道横断面形状呈U形,属于典型的山区河流;遥感水文站技术在计算三峡库区无资料支流流量时具有良好的精度,平均NSE和R2分别可达到0.74和0.76。②在研究期内库区支流相对水位变化较小,库首、库中和库尾支流相对水位月际变化在1.2 m以下的月份占比可达93.1%、86.8%和87.4%。③库区典型无资料支流的平均流量总体平稳,但趋势分析结果表明,共有13条无资料支流的流量正在减少,库区支流流量总体上呈现下降趋势。④三峡库区20条支流年均流量和全年总流量十分丰富,年均入库流量达164.75亿m3,约占库区年入库流量的4.8%,为地区经济发展提供了有力的水资源支撑。
独立覆盖流形法是偏微分方程数值计算的新方法,在近似函数构造的基础层面上形成了偏微分方程的“分区级数解”,实现了有限元法及一些新方法的主要分析功能,在网格划分的灵活性、计算稳定性等方面还具有一些独特优势,但也意味着其计算公式和程序设计不同于现有方法。总结了近年来该方法在固体计算中的主要研究成果,归纳了一套简洁的通用计算公式,局部近似函数中的形函数表达为单位分解函数、坐标转换矩阵和级数矩阵的乘积,具体讨论了各种情况下的形函数及其求导方法,给出各种矩阵的表达式以及时间积分方法,用于求解弹性力学运动微分方程、传导方程、波动方程,包括一维至三维的稳态和瞬态分析和三类边界条件,涵盖了高阶级数、任意形状网格、精确几何边界模拟及本质边界条件的准确施加、裂纹尖端附近采用解析级数等特色功能。利用这些公式即可开展独立覆盖流形法通用程序的开发工作。
在独立覆盖流形法通用计算公式的基础上,给出了计算程序的整体流程。对一维至三维各种几何形体(包括分区、条带和边界面)的积分方式进行总结,基于点、线、面、体的单纯形几何元素开发积分程序,实现网格形状的通用性。提出将积分模块与被积函数模块分开考虑的编程思路,然后再将两者任意组合,使程序具备了扩展性,有望实现偏微分方程求解的通用性。通过级数公式和相应的各种坐标以及坐标转换矩阵、级数矩阵的确定,实现了级数的通用性。所有计算参数都可以通过用户子程序输入公式,实现输入参数的通用性。最终可用较少的程序代码,实现弹性力学运动微分方程、传导方程、波动方程的一维至三维稳态和瞬态分析(含一类至三类边界条件)。
在前两篇提出的通用计算公式、通用程序设计方法的基础上,通过求解弹性力学运动微分方程、传导方程、波动方程(含稳态和瞬态分析),给出了一至三维包括位移场、温度场、渗流场、声场、静电场和势流场等算例进行全面验证,涵盖了任意形状和任意连接的网格、精确几何边界的模拟及本质边界条件的准确施加、高阶级数逼近、裂纹尖端附近解析级数的应用等独立覆盖流形法的特色功能。最后对全文进行总结,并提出“级数流形元(级数元)”的新名称。
