基于水动力模型的农田水利沟渠特性分析
河道全过程水动力、水质模型
河道全过程水动力、水质模型
首先，让我们来看看水动力模型。
水动力模型通常用来模拟河
道中水流的速度、流量、水位、流态等动态变化。
这些模型可以基
于雷诺方程、纳维-斯托克斯方程等流体力学原理，结合地形、河道
断面特征、边界条件等参数，来模拟河流中水流的运动。
通过水动
力模型，我们可以预测洪水、河道泥沙输移、水力结构物对水流的
影响等，为水利工程设计和水资源管理提供重要参考。
其次，水质模型则是用来模拟河道中水质的变化过程。
这些模
型可以基于质量守恒方程、溶解氧平衡方程、营养盐循环方程等水
质反应动力学原理，结合污染物输入、河流混合、水生态系统作用
等因素，来模拟河流中水质的时空分布变化。
通过水质模型，我们
可以预测污染物扩散、水生态系统健康状况、水质改善措施效果等，为环境监测和水环境管理提供重要支持。
综合考虑水动力和水质模型，我们可以全面理解河道系统中水
流运动和水质变化的复杂过程。
这些模型的建立需要依靠大量的实
测数据和对河道系统的深入理解，同时也需要不断验证和修正，以
提高模型的可靠性和适用性。
在实际应用中，水动力和水质模型常
常结合使用，为河道管理、水资源保护和环境保护决策提供科学依据。
希望这些信息能够对你有所帮助。
水利工程中的水动力学原理
水利工程中的水动力学原理水动力学是液体运动及其相应的力学研究，它应用广泛，包括水利、海洋、船舶、地质、能源等领域。
在水利工程中，水动力学是实现工程建设的基础和保障。
水力学原理可用于设计和计算各种水道、水利工程和水力机械等。
为了让大家更好地了解水利工程中的水动力学原理，本文将从水泵设计和水电站设计等两个角度，介绍其中的相关知识。
一、水泵设计中的水动力学原理水泵是一种将液体由低压力输送到高压力的机械。
为了达到这个目的，需要有一定的水力动力学知识。
水泵的设计、运行及维护，都离不开水力学的应用。
在水泵设计中，潜流泵、离心泵和自吸泵是最常见的三种。
1.潜流泵潜流泵是一种单段轴向流泵，其工作原理是将液体低压进口经过叶片的作用，由轴向向径向转化，形成液体的流动，最后被压入出口。
潜流泵需要根据Cavitation Number 进行设计，以满足泵的工作效率和泵的寿命。
Cavitation Number是描述流体的压力和流速之间关系的数字。
当水经过叶片时，水流的速度会增加，压力会降低。
如果压力降到汽化点以下，液体就会汽化，会在叶轮表面产生气泡，导致泵的性能下降，噪音增加，甚至可能损坏泵。
因此，在设计潜流泵的时候，需要考虑到水的压力和流速之间的关系，以避免气泡的产生。
2. 离心泵离心泵是一种多级泵，其工作原理是将液体虹吸入泵体，旋转的叶轮使液体由径向向周向转化，最后被压入出口。
离心泵的设计需要根据流体的压力和流速进行计算。
在旋转的叶轮作用下，液体的静压力和动压力都会发生变化。
由于离心泵的叶轮是环形的，因此，在设计离心泵的时候需要考虑到叶片的数量、长度和排布方式。
叶子之间的间隔需要足够大，以确保液体能够在叶片之间自由旋转，从而避免出现涡流。
3.自吸泵自吸泵是一种可以吸取含气液体的泵，如污水、化工介质等。
其工作原理是将泵体内部自然上升的液体带出，然后将气体通过排气孔排放。
自吸泵的设计考虑到的关键问题是其自吸性能。
自吸泵在运行中需要吸入大量的气体，如果吸口的设计不合理，会导致泵的性能下降，甚至无法启动。
干旱区沟灌水流运动和入渗模型研究及数值模拟
干旱区沟灌水流运动和入渗模型研究及数值模拟干旱区沟灌水流运动和入渗模型研究及数值模拟近年来，全球气候变化和人类活动引起了许多地区干旱的发生。
在干旱区，水资源稀缺，因此如何高效利用水资源成为一个迫切的问题。
沟灌是一种利用地表径流和降水来灌溉作物的方式，在干旱区具有重要意义。
然而，更深入地了解干旱区沟灌水流运动和入渗模型，可以提高水资源利用效率，降低水资源浪费，从而更好地适应干旱区的气候条件。
为了研究干旱区沟灌水流运动和入渗模型，我们需要了解该区域的地形特征、土壤质地和气候条件等因素的影响。
首先，干旱区地形起伏大，具有明显的沟壑和山峦，对沟灌水流运动产生重要影响。
其次，土壤质地决定了土壤的渗透性和保水能力，对沟灌水流运动和作物生长起着关键作用。
第三，干旱区气候干燥，降水量少，蒸发蒸腾强烈，需要高效利用每一滴水资源。
在建立干旱区沟灌水流运动和入渗模型时，我们可以考虑以下几个方面。
首先，我们需要基于GIS技术获取干旱区地形数据，以了解沟灌水流运动的地貌特征。
其次，通过采集土壤样本，测试土壤质地和渗透性，并结合数学模型进行分析，估计水分的入渗速率和分布情况。
最后，为了更准确地模拟干旱区的入渗过程，我们需要考虑降水和蒸发蒸腾等气候因素对水文过程的影响。
基于上述研究，我们可以建立干旱区沟灌水流运动和入渗模型，并进行数值模拟以评估其效果。
数值模拟可以帮助我们模拟沟灌水流运动和入渗过程，优化水资源利用方式。
通过模拟分析，我们可以确定合理的灌溉方案，降低水资源浪费，提高灌溉效率。
此外，数值模拟还可以帮助我们评估不同气候条件下的水资源变化情况，从而为干旱区的水资源管理和规划提供决策依据。
干旱区沟灌水流运动和入渗模型的研究具有重要的意义。
通过深入研究干旱区的地形、土壤和气候条件等因素，我们可以更好地理解干旱区水资源的特点和分布规律，为干旱区水资源管理和规划提供科学依据。
此外，研究沟灌水流运动和入渗模型，可以提高水资源利用效率，减少水资源浪费，更好地适应干旱区的气候条件。
流域水动力水质模型
流域水动力水质模型全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：流域水动力水质模型是一种用来模拟流域内水体水流情况以及水质变化的数学模型。
流域是由一条或多条河流以及与之相连的湖泊、沼泽等水域和地表流域组成的一片水域集合。
流域水动力水质模型可以帮助我们更好地了解流域内水资源的分布情况、质量状况以及对自然环境的影响，为环境保护和水资源管理提供科学依据。
流域水动力水质模型通常包括两个部分：水动力模型和水质模型。
水动力模型主要用来模拟流域内水体的运动规律，包括水流速度、水流方向、水深等参数。
水动力模型可以帮助我们了解水体在流域内的传输路径和传输速度，从而为水质模型提供输入参数。
水质模型则是用来模拟流域内水体的污染物传输和浓度变化情况。
水质模型可以根据水动力模型提供的流速和流向数据，模拟污染物在水体中的扩散和迁移过程，帮助我们评估水体的水质状况以及控制污染物的传播路径。
流域水动力水质模型的建立需要大量的水文数据和水质监测数据作为输入。
水文数据包括雨量、蒸发、径流等数据，用来描述流域内水文循环的基本过程。
水质监测数据包括各种水质参数的浓度数据，用来评估流域内水体的水质状况。
通过对这些数据的采集和处理，可以建立出精确的流域水动力水质模型，用来模拟流域内水体的水流和水质变化情况。
流域水动力水质模型可以用于多种用途，包括水资源规划、水环境管理、水质监测等方面。
在水资源规划方面，流域水动力水质模型可以帮助我们了解流域内水资源的分布情况和变化趋势，为水资源的合理开发和利用提供科学依据。
在水环境管理方面，流域水动力水质模型可以帮助我们评估流域内水体的水质状况，识别污染物的传播路径和影响范围，为水环境保护和治理提供技术支持。
在水质监测方面，流域水动力水质模型可以实时监测流域内水体的水质情况，及时发现水质异常，为水质监测和警报提供依据。
流域水动力水质模型是一种重要的工具，可以帮助我们更好地了解流域内水体的水流和水质情况，为水资源管理和环境保护提供科学依据。
输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法
第34卷第6期2023年11月㊀㊀水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCEVol.34,No.6Nov.2023DOI:10.14042/ki.32.1309.2023.06.008输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法管光华1,刘王嘉仪1,陈晓楠2,史良胜1(1.武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室,湖北武汉㊀430072;2.中国南水北调集团中线有限公司,北京㊀100038)摘要:为提高水动力数字孪生模型校正环节中糙率估计的实时性和精细化,考虑糙率值在渠道纵向上的空间变异性,提出基于水力半径变化和估计精度分段估计糙率的思路;基于渠道分段,提出独立估计法和联合估计法2种不同估计框架㊂基于有限的观测水位,在框架内应用集合卡尔曼滤波算法,在线估计各渠段的糙率值㊂结果表明:相比未分段时,2种估计方法可提高模型精度20%~50%,独立估计法误差累积小,适合复杂渠系;而联合估计法适用于观测量缺失的简单渠道㊂研究成果可服务于水动力数字孪生模型的参数估计和变量更新,为建设数字孪生水网提供参考㊂关键词:糙率;输水渠系;数字孪生;南水北调;集合卡尔曼滤波;分段估计中图分类号:TV133㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1001-6791(2023)06-0901-12收稿日期:2023-06-05;网络出版日期:2023-10-24网络出版地址:https :ʊ /urlid /32.1309.P.20231024.0929.002基金项目:国家自然科学基金资助项目(51979202;51879199)作者简介:管光华(1979 ),男,江苏阜宁人,副教授,博士,主要从事灌排自动化及输水调度管理研究㊂Email:GGH@随着物联网㊁大数据等信息技术的发展,数字孪生技术在水利领域的应用为输水渠系智能管理提供了新思路[1]㊂数字孪生技术可使得水动力模型的状态变量在线更新,从而对渠道系统的实时状态进行高精度的监测和预测[2]㊂基于上述特性,研究指出,实时校正是数字孪生模型中必不可少的环节,尤其是模型参数的估计[3]㊂糙率是一维水动力模型中的重要参数,所以构建和校正水动力数字孪生模型时,输水明渠中糙率实时准确的估计十分重要㊂基于观测手段和智能算法的发展,国内外大量研究将实测数据与智能算法相结合以实时更新糙率值㊂李光炽等[4]用卡尔曼滤波求解糙率,提高仿真水位精度;Lai 等[5]应用集合卡尔曼滤波(EnKF)算法将糙率与水力变量都视作状态量同步进行更新,考虑观测误差的不确定性,进一步提升模型精度㊂类似地,扩展卡尔曼滤波㊁神经网络也被用于糙率的实时估计和校正[6-7]㊂徐兴亚等[8]采用粒子滤波方法同化观测水位,有效校正糙率以提高实时洪水预报的精度;王麟等[9]通过神经网络建立糙率与水力要素的关系,从而有效预测人工明渠的糙率变化㊂这些算法可实现在线校正,且结果准确性较高,能克服传统拟合和反演方法计算效率低㊁数据量需求大的问题㊂然而,大部分研究均假定在2个观测点位之间的渠段内,糙率沿纵向是恒定值㊂这个假定偏离了糙率会因环境而变化的情况,从而导致水力模型的仿真误差[10]㊂针对这个问题,陈一帆等[11]以空间分布平滑性作为糙率反演的条件,可同时提高计算的稳定性和精度;高学平等[12]对河道横断面进行分区,并计算等效糙率;Attari 等[13-14]将渠道随机分为若干段,利用迭代寻优的方法确定各渠段的长度和糙率值,进一步得到糙率的沿程分布㊂但是,上述研究多采用随机或假定分段,并未结合影响糙率的水力因素㊂基于以上问题,本文针对实时的糙率分段估计,提出新的分段思路,同时考虑影响糙率的水力因素和估计结果的数值稳定性;为实现数字孪生校正环节的实时性,高效同化观测数据,提出2种采用EnKF 的糙率估计框架;以不同方式结合未测量断面的水位估计和各渠段的糙率估计,分别命名为独立估计法和联合估计902㊀水科学进展第34卷㊀法;以南水北调中线工程京石段为例,分析2种框架各自的效果和适用性㊂其中,联合估计法参考文献[15],将水位与糙率的估计过程进行嵌套㊂1㊀渠道水动力数字孪生模型如图1所示,渠道系统的水动力数字孪生模型应包含4个阶段[16],分别为数据预处理㊁仿真预热㊁模型校正和仿真预测㊂本文针对模型校正阶段,将水位和糙率都视为系统状态量,提出2种新的分段糙率估计框架,提供准确在线的参数估计方法;在仿真预测阶段,对比水力变量的预测精度,检验糙率分段估计方法的有效性㊂图1㊀渠道系统水动力数字孪生框架Fig.1Diagram of the hydrodynamic Digital Twin framework for canal systems1.1㊀数据预处理数据预处理针对实时的观测数据,包括识别并删除异常值㊁插值填充缺失值和去除噪声3个步骤㊂可结合数理统计和水力特征曲线拟合的方法检测异常值㊂当前成熟的去噪方法较多,类似有滤波器㊁时间序列分解等等,可根据实际情况进行选择㊂1.2㊀仿真预热模型的初始状态会影响后续阶段的仿真结果㊂为了降低模型前期的不稳定性,提高初始的仿真精度,需要在水动力数字孪生模型中设置预热阶段㊂在预热阶段,模型与渠道系统同步运行模拟,但不记录仿真结果且不调整模型,提高后续阶段仿真的可靠性㊂1.3㊀模型校正本文将糙率和水位视作状态量,并采用EnKF进行实时更新:水位估计的输入量为观测断面的水位,输出量是未测量断面的水位;糙率估计的输入量为断面间水位差,输出量为该段的糙率㊂EnKF每个时间步长更新一次状态量,时间步长等于传感器采集步长[17]㊂水位和糙率估计对应的关键变量和控制方程如表1所示㊂渠道系统的状态空间方程由一维圣维南(Saint-Venant,SV)方程的离散格式推导而来,由四点Preiss-mann格式求解[18],且忽略侧向入流的影响㊂㊀第6期管光华,等:输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法903㊀表1㊀水位和糙率估计的输入、输出变量汇总Table 1Summary of input and output variables of water level and roughness estimations估计对象状态量观测量输入量控制方程水位Z j Z U ,Z DQ j SV 连续性方程糙率N j (n 2j )ZQ jSV 动量方程注:Z j 为各断面水位;Z U ㊁Z D 分别为渠首㊁渠尾断面处的观测水位;Q j 为各断面流量;n 为渠段糙率,如n j 为第(j -1)和第j 个断面之间渠段的糙率;N j 为n j 的平方; Z =Z j +1-Z j ,表示相邻两断面的水位差㊂㊀㊀假定相邻水位观测点之间的渠段分为m 段,则包括渠首㊁渠尾断面,共有(m +1)个分段断面㊂每个断面处的水位为状态量,基于离散的SV 连续性方程,则m 个水位状态方程和上游水位边界条件可构成状态空间方程组,如式(1)所示㊂Z k +1=ϕk Z k +U k +1+λ1,k +1yk=H Z k +ξ1,k{(1)式中:ϕk =1C 1C 1C jC jC mC m éëêêêêêêêêùûúúúúúúúú-1ˑ0C 1C 1C jC jC mC m éëêêêêêêêêùûúúúúúúúú;C j =B k ,j +12Δx j2Δtθ;U k +1=1C 1C 1C jC jC mC m éëêêêêêêêêùûúúúúúúúú-1ˑZ k ,1q 1+12Δx 1θ+1-θθQ k ,1-1-θθQ k ,2+Q k +1,1-Q k +1,2q j -12Δx j -1θ+1-θθQ k ,j -1-1-θθQ k ,j +Q k +1,j -1-Q k +1,j q m -12Δx m -1θ+1-θθQ k ,m -1-1-θθQ k ,m +Q k +1,m -1-Q k +1,m éëêêêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúúú;H =1111éëêêêêêêêùûúúúúúúú(m +1)ˑ(m +1);B 为水面宽度,m;Z 为各断面水位,m;Q 为各断面流量,m 3/s;j 为断面序号;k 为时间序号;θ为时间加权系数,本文设为0.73; x 为分段区间长度,m; t 为计算时间步长,s;ϕ为状态转移矩阵;U 为输入项矩阵;λ1为水位状态预测中添加的白噪声;y 为观测变量,此处为各断面处水位值,m;H 为观测矩阵,由于状态变量与观测变量一致,则为单位矩阵;ξ1为观测噪声;q 为渠道旁侧单宽入流量,m 2/s,本文忽略故q 取为0㊂基于渠段沿程(m +1)断面的水位值,SV 动量方程可估计分段糙率㊂为便于建立状态空间方程,取糙率值的平方作为状态量㊂方程组包含m 段渠段建立的m 个动量方程,如式(2)所示㊂N k +1=N k +λ2,kf (Zk +1)=Z k +1,j +1-Zk +1k +1,j=φk +1N k +1+βk +1+ξ2,k +1{(2)904㊀水科学进展第34卷㊀式中:N k +1=(n k +1)2,n 为渠段糙率;βk +1,j=-Δx jg Δt e A k +1,j (Q k +1,j-Q k ,j )-αQ 2A()k +1,j +1-αQ 2A()k +1,jgA k +1,j;φ为观测矩阵,φk +1,j =-(|Q |Q )k +1,j (A k +1,j )2(R k +1,j )4/3Δx j ;α为动能系数,本文取α=1;A 为断面的过水面积,m 2;g 为重力加速度,m 2/s;R 为水力半径,m;λ2为糙率状态预测中添加的白噪声;f (Z )为观测变量,此处为相邻两断面的水位差,m;β为观测方程中的输入项;ξ2为观测噪声㊂对于不同断面处的流量输入值,本文仅考虑渠段沿程取水的影响㊂已知上游来流量和沿程各分水口的取水流量,各断面处的流量可由下式计算:Q j +1=Q j -Q out(3)式中:Q out 为各断面的分水流量,m 3/s,如果断面不处于分水口处,则Q out =0㊂观测数据较为充足时,分水流量值为分水口处的流量观测值㊂在分水口处流量计不足的情况下,则根据渠段进㊁出口流量假定取水流量㊂本文将渠段内分水总流量设置为渠段上㊁下游闸门处过闸流量之差,过闸流量为闸门处流量计采集的观测数据㊂当渠段内有多个分水口时,取水流量按分水口设计流量的比例进行分配㊂1.4㊀仿真预测在模型仿真阶段,取所有更新时刻糙率估计值的平均值作为参数输入一维渠道水力模型,对比不同参数下的模型误差㊂采用Preissmann 四点差分隐格式的离散圣维南方程求解非恒定流㊂模型的上游边界条件为流量 水位关系(Q =f (Z )),下游边界条件为动态水位边界(Z (t )),其值均为对应的观测数据㊂该水力模型以各时刻渠池的下游水位为输入值来校正模型仿真,预测上游的各断面水位㊂模型的校正间隔等于观测数据采集的时间间隔,且大于仿真时间步长,运算逻辑如下式所示:(Z u , ,Z j , ,Z m-1)=F (Z d ,q ,n ,Δt p ,ΔT ,Δs )(4)式中:F (㊃)为自校正水力模型的运行逻辑;Z u 和Z d 分别为各渠池的上㊁下游水位,m;Z j 为渠池内各断面的水位,m;Z m -1为渠池内最后一个待估计断面的水位,m;q 为分水口的取水流量,m 3/s;Δt p 为预测段的仿真时间步长,s;ΔT 为自校正时间间隔,s;Δs 为仿真空间步长,m㊂2㊀糙率分段估计方法2.1㊀渠道分段方法糙率的变化体现在过流断面水力半径的变化,与流量和水深的变化相关[19]㊂在人工渠道中,糙率值可能在2种节点发生变化:断面尺寸变化处和取水点㊂另外,分段估计糙率以断面间的水位差作为观测量,过小的水位差会导致数值计算不稳定以及估计值失真;过大的水位差则表示两断面相隔较远,估计的糙率分布偏离实际情况㊂渠道中断面水位差与断面间距相关,所以需要探究合适的分段长度㊂结合以上2点,本文提出同时考虑渠道节点和适宜分段长度划分渠段,整体流程如下㊂首先根据糙率估计值的方差确定适合分段长度㊂在已知上㊁下游观测水位的条件下,用未分段时整个渠段的糙率值推算渠道各断面的初始水位㊂整段糙率值可通过式(2)和EnKF 算法得到㊂由于观测量和输入量是随时间变化的,对应的水位差和糙率值是时变量㊂通过下式计算参数估计时期内糙率值的方差,以此确定分段长度,合适的水位差对应的糙率估计结果方差较小:V =1M n ðk Tk =1(n k -n )2(5)式中:M n 为校正段内糙率估计值的总数;k T 为估计期的计算时刻总数;n k 为第k 步的糙率估计值;n 为估计期内的糙率平均值㊂㊀第6期管光华,等:输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法905㊀寻优过程中相邻循环之间设置的水位差关系和循环的终止条件如式(6) 式(7)所示:ΔZ r=ΔZ r-1+Δz(6)V r-V r-1ɤμ(7)式中: Z r和 Z r-1分别为在第r次和第(r-1)次循环中设置的水位差,m; z为水位差在下一个循环的增量,设置为2个相邻控制闸门之间水位差的5%,m, Z1= z;V r和V r-1分别为在第r次和第(r-1)次循环中糙率估计值的方差;μ为相邻循环之间方差差值的阈值,本文设置为10-7㊂循环终止时输出第r次循环中的 Z作为参考㊂为适应不同长度规模的渠池,合适的分段长度可在一定范围内选择,对应水位差在 Z r~ Z r+1之间,即分段长度在与之对应的 x r~ x r+1之间㊂采用人工渠道中常用的明渠渐变流公式将水位差转换为区间长度:-ΔZΔx=(α+η)Δv22g()Δx+Q2c2A2R(8)c=1n06R(9)式中:η为节点水头损失系数,此处忽略节点能量损失,故η=0;v为过水断面流速,m/s;c为谢才系数; n0为未分段时整个渠段的糙率估计值㊂该方法确定的分段长度可应用至同一渠道的不同渠段中,并且方法应在正常工况下使用㊂确定合适的分段长度后,可根据以下步骤划分渠道:步骤一:根据适宜的分段长度㊁断面尺寸变化处和分水口处预划分渠段,生成若干分段断面㊂步骤二:将相邻两断面之间的渠段距离设为 x j,适宜的分段长度用 x r表示㊂当 x jɤ0.5 x r时,则根据以下3种情况对断面进行适当的删减,其余情况则不进行进一步处理:(1)若分段区间两侧任一断面位于节制闸处,则删除断面变化和分水口处的断面,保留基于适宜分段长度而设置的断面;(2)若分段区间两侧任一断面因适宜长度而设置,则删除因适宜长度而设的断面,保留断面变化或分水口处的分段断面;(3)若分段区间两侧断面均处于断面变化或分水口处,则删除上游侧断面,保留下游侧断面㊂基于以上分段步骤,渠道可分为长度不等的若干渠段㊂一般地,模型校正期应处于同一工况下,故应用以上分段方案时,在糙率估计的过程中分段结果保持不变㊂当运行工况发生明显变化时,应重新进行模型校正,分段方案不变,由于观测数据和糙率方差可能有明显不同,分段结果也会发生相应变化㊂2.2㊀糙率估计框架受传感器数量的限制,大部分水位传感器仅设置在每个渠段的段首和段尾断面(节制闸附近),渠段中间断面的水位缺少直观测量㊂因此,在估计分段糙率值时,还需要估计未测量㊁处于中间断面的水位值㊂基于此需求,本文提出了2种不同的糙率估计框架,分别为独立估计法和联合估计法,2种方法的具体步骤如图2所示㊂为体现糙率估计值的物理意义,在2种框架中均设置约束糙率变化范围为0.012~0.025[20]㊂2.2.1㊀独立估计法对于水位㊁糙率这2个状态量的初始状态,本文提出初值的计算方式㊂初始糙率值为通过渠段上游端㊁下游端观测水位估计的整段糙率值,此时各段糙率值一致;初始水位则为由初始糙率值根据明渠恒定非均匀流方程推求的各断面水位㊂得到初始状态后,使用式(1) 式(3)和EnKF算法,估计各时刻的断面水位,而后再估计各时刻的分段糙率㊂水位和糙率值的估计是分别完成的,水位估计时仅引入下游断面水位观测值对水位进行更新估计,糙率更新值不参与水位计算㊂2.2.2㊀联合估计法联合估计法获得初始状态的步骤与独立估计方法一致,且同样基于式(1) 式(2)和EnKF更新状态量㊂906㊀水科学进展第34卷㊀图2㊀分段估计糙率框架示意Fig.2Schematic diagram of frameworks for segmented estimation of roughness二者的不同在于后续步骤:每个时间步长内,在水位估计时用糙率推求的水面线代替观测水位,由各分段断面的水位推算各分段糙率㊂该时刻的糙率估计值继而影响下一时刻的水位计算㊂水位与糙率估计嵌套循环,该过程中糙率的更新值参与水位计算㊂2.3㊀评价指标本文将独立估计法㊁联合估计法与未分段时EnKF 估计的糙率值用于水位仿真,比较3种糙率值对应的模型仿真精度㊂本文选用均方根误差(E RMS )㊁绝对平均误差(E MA )和相对平均误差(E MAP )衡量预测值与观测值的偏离程度,这3个指标常用来表示误差的离散程度和平均水平,与未分段相比,以E MA 的降幅作为本文方法改善模型精度的幅度[21]㊂另外,使用相关系数(R )衡量估计水位与观测水位的一致性,R 越接近1效果越好[21]㊂各指标计算公式如下:E RMS =1M Z ðM Zi =1(Z i ,o -Z i ,s )2(10)E MA =1M Z ðM Z i =1|Z i ,o -Z i ,s |(11)E MAP=1M Z ðM Zi =1Z i ,o -Z i ,sZ i ,o ˑ100%(12)R =ðM Zi =1(Z i ,o -Z o )(Z i ,s -Z s )ðM Zi =1(Z i ,o -Z o )2ðM Zi =1(Z i ,s -Z s )2(13)式中:M Z 为水位值数据点的总数;Z i ,o 和Z i ,s 分别为第i 个水位观测值和模拟值,m;Z o 和Z s 分别为水位观测值和模拟值的平均值,m㊂㊀第6期管光华,等:输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法907㊀3㊀南水北调中线工程应用实例3.1㊀案例概况本文选取南水北调中线工程京石段内2个渠池(漠道沟节制闸 唐河节制闸段㊁唐河节制闸 放水河节制闸段)为研究案例,下文称为渠池1和渠池2,渠底坡降均为0.04ɢ㊂渠池1长为8.419km,断面尺寸的沿程变化较少,起点㊁终点底高程分别为66.321㊁65.998m;而渠池2长为25.567km,断面尺寸变化较多,起点㊁终点底高程分别为65.985㊁64.937m㊂2个渠池在长度和复杂程度上相差较大,以说明方法在不同规模渠段中的应用效果㊂案例具有以下特征:过水断面为梯形,渠底坡度平缓,无逆坡段;各渠池的蓄量较大,水位波动不显著;各渠池水面线趋于水平,即呈现下游水位高于上游水位的现象㊂渠池1仅在下游处设有1个分水口,渠池2在中游和下游处共2个分水口㊂由于缺乏水流量的实时记载,渠池2中各分水流量需要按照分水口的设计流量进行分配㊂本文将局部水头损失对水位的影响纳入糙率值中,且选取的案例不含大型渡槽㊁隧道㊁倒虹吸等大型过水建筑物,以降低建筑物带来的误差影响㊂渠道路线和渠池示意见图3,按上游至下游方向的断面相关参数变化见表2㊂图3㊀研究案例渠道示意Fig.3Canal diagram of the study case表2㊀渠段断面尺寸Table 2Geometric parameters of canal sections渠池断面类型底宽/m 边坡/m 渠池1116.5 2.5215.0 3.0渠池2121.5 2.5223.0 2.0321.5 2.5418.5 2.5521.52.5908㊀水科学进展第34卷㊀3.2㊀观测数据分别选取两渠段在2个不同时期内连续10d的水位㊁流量观测数据作为模型的输入值和对比值,传感器的采样间隔为2h㊂将10d的数据进行如下划分:第1天(0~24h)为模型的预热阶段;第2~4天(24~96h)为模型校正阶段,使用2种框架估计糙率值;第5 10天(96~240h)为仿真预测阶段,以估计期内的糙率平均值输入模型,模拟水位并和观测数据进行对比㊂2个时期分别命名为时段A和时段B:时段A的数据采集于2018年4月,平均水深约为4.0m,平均流量约为90m3/s,可视为正常流量规模的输水时期;时段B的数据采集于2019年10月,平均水深约为4.5m,平均流量约为115m3/s,为调水工程的高流量时期㊂以上调度过程中的观测数据均由南水北调中线建管局总调中心提供㊂对比2份数据样本,可说明本文提出的糙率估计方法在不同工况下的适用性㊂3.3㊀仿真设置仿真通过基于Matlab语言设计的输水渠道系统运行仿真与控制软件实现[22],利用四点差分隐格式求解圣维南方程组仿真渠道一维非恒定流的水动力过程㊂参数估计阶段的更新时间步长等于传感器采集间隔,皆为2h;模型仿真阶段的时间步长为20min,下游水位数据输入的时间间隔为2h,总仿真时长根据数据样本设定,为240h㊂2个阶段的空间离散步长皆为100m㊂4㊀结果分析及讨论根据2.1节的渠道分段方法,探究得到案例适合的分段长度在3000~4000m之间,该区间可适应案例工程中的不同渠池㊂渠池1长度较短,故选择3000m为分段参考;渠池2较长,则选择4000m为分段参考㊂综合考虑合适的分段长度和水力半径变化后,渠池1被分为3段,分别为3000㊁3000和2419m;渠池2被分为7段,分别为4000㊁4000㊁4200㊁3000㊁2500㊁4000和3867m㊂本节从流量数据影响㊁糙率估计值和模型仿真精度方面,对比2个框架的效果和适用性㊂4.1㊀流量数据影响对比流量数据作为水位㊁糙率估计的输入项,会显著影响估计结果㊂然而,现实中流量数据可能存在缺失或精度低的问题,所以本节选取有中㊁下游分水口的渠池2在时段A内的数据,分析2种估计方法受观测数据影响的程度㊂由于仅在渠池的上㊁下游断面(节制闸附近)设有水位传感器,故选取观测断面的相邻分段断面进行分析㊂渠池2共8个断面,本节选取上游观测断面的相邻分段断面,用2号断面表示;下游观测断面的相邻分段断面,用7号断面表示㊂从图4可看出,独立估计法得到的水位波动呈现变幅较大且不稳定的现象,水位估计值偏离真实状态;而运用联合估计法时,估计水位的波动更加平缓,变化趋势贴近相邻断面的实测水位㊂联合估计法的相关系数则明显大于独立估计法(R1表示独立估计法的拟合度,R2表示联合估计法的拟合度),且较接近1,说明水位与观测值变化更一致㊂水位估计的准确性和稳定性会直接影响糙率估计结果㊂由此可看出,独立估计法受数据影响明显更大,联合估计法能够在一定程度内隔离流量数据的不利影响㊂4.2㊀糙率估计结果对比针对渠池2的各段糙率值进行分析,从时间分布㊁空间分布的角度对比2种估计框架的糙率估计结果㊂中㊁下游2个分水口分别处于渠池2的第4段和第7段㊂4.2.1㊀时间分布表3展示了在估计期内各渠段糙率估计值的方差,方差越大则表示各时刻的估计值相差较大,反之则表示估计值越稳定㊂一般来说,短期内糙率值变化幅度较小,所以较稳定的结果可信度较高㊂由表3可知,在时段A,独立估计法的糙率方差基本小于联合估计法;在时段B中,二者估计的糙率方差相差不大,仅在㊀第6期管光华,等:输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法909㊀图4㊀估计断面与观测断面水位变化趋势对比Fig.4Comparison of water level change trends in estimated and observed sections4号渠段相差较大,且独立估计法的方差明显小于联合估计法㊂2个时期内都出现4号渠段糙率方差较大的情况,其中时段A 中2种方法估计得到的方差几乎一致,原因可能是4号渠段内的分水口进行取水,渠段的上㊁下游断面流量作为输入项,其非恒定变化对估计结果影响较大㊂从糙率时间分布的方差来看,独立估计法的估计值总体上方差更小,在稳定性上更具优势㊂4.2.2㊀空间分布渠池2内各渠段的糙率估计值见表3㊂可见在时段A 内,各渠段糙率值分布范围为0.012~0.020;而在时段B 内,同一渠池内各段糙率值的分布范围更小,平均值更大,分布范围为0.015~0.020㊂随着时间的推移和环境㊁流态的变化,例如藻类生长或泥沙淤积,同一区域可能会出现糙率增大的情况[23]㊂并且参考相关文献[20],糙率估计值在大型调水工程中糙率的合理分布范围内㊂从空间分布的范围来看,2个方法在同一时期内的估计结果分布较为接近,仅在个别含有分水口的渠段中有所差别,说明2个方法皆较为合理,可使用在实际渠道中㊂表3㊀糙率值估计结果对比Table 3Model error of simulated water levels渠段号糙率值方差/10-7糙率值时段A时段B时段A时段B独立估计联合估计独立估计联合估计独立估计联合估计独立估计联合估计10.1340.7290.2670.2160.01870.01860.01990.019420.1690.4430.2330.1560.01430.01380.01720.016530.1660.4110.2180.1530.01420.01380.01650.01664 2.012 1.9970.861 2.5620.01850.01820.01520.019550.2690.3220.3170.1740.01510.01350.01840.015860.1920.4160.2700.2140.01260.01330.01550.017070.6460.9481.0400.7980.01410.01660.01850.01844.3㊀模型精度对比表4展示了模型仿真的上游水位误差㊂在2个时期的2个渠池中,本文提出2种方法的E MA 为2~4cm,E MAP 大多在1%以内㊂相较于无分段时EnKF 的估计值,误差的降幅大约为1~3cm,说明估计方法较为明显地降低了参数不准确带来的模型误差㊂另外,联合估计法的E RMS 普遍高于独立估计法,可知独立估计法误差分布区间更小,预测更稳定㊂表4对比了2种方法分别改善模型精度的幅度,总体达到20%~50%㊂在不同910㊀水科学进展第34卷㊀场景下,方法的性能表现并未出现明显的优劣倾向,可见本文提出的方法适用于南水北调中线工程中不同长度规模㊁不同流量规模的渠池㊂在大部分工况下,独立估计法的改善幅度高于联合估计法,在渠池1㊁时段B和渠池2㊁时段A这2组高出10%左右,所以独立估计法的仿真精度略高㊂原因可能是联合估计法中,水位估计与糙率估计嵌套,二者的误差相互影响和累计导致最终估计值对应的模型精度降低㊂表4㊀模型仿真水位误差Table4Model error of simulated water levels时段渠池E RMS/cm E MA/cm E MAP/%E MA改善幅度/%无分段独立估计联合估计无分段独立估计联合估计无分段独立估计联合估计独立估计联合估计时段A 渠池1 3.12 2.53 2.34 3.03 2.42 2.220.720.570.5320.1326.73渠池2 4.77 3.15 3.67 4.68 3.06 3.57 1.340.87 1.0234.6223.72时段B 渠池1 5.71 3.59 4.05 4.80 3.22 3.57 1.030.690.7732.9225.63渠池2 5.57 2.82 2.85 5.46 2.69 2.71 1.350.670.6750.7350.374.4㊀敏感性分析选取渠池1在时段A的数据样本,保持下游观测水位不变,人为修改上游观测量,改变水位差并计算各分段糙率值的变化幅度㊂表5反映出2种估计方法在同一种水位变幅下,糙率值变化无明显差异㊂当水位变幅绝对值为0.02m时,各段糙率值变化约为0.0004~0.0006;当水位变幅绝对值为0.05m时,糙率值变化约为0.0012~0.0015㊂水位值与实际观测值偏离越大,糙率变化值越大,这符合水力规律㊂各段糙率值变化幅度较为一致,且范围较小,说明本文提出的2种估计方法对水位输入值敏感性不高,表现较为稳定㊂表5㊀糙率值随水位输入值的变化Table5Change of the n value with the input value of the water level水位变化值/m独立估计法联合估计法第1段第2段第3段第1段第2段第3段0.020.000600.000540.000500.000460.000400.00051-0.02-0.00059-0.00056-0.00057-0.00061-0.00051-0.000570.050.001480.001360.001280.001500.001240.00136-0.05-0.00149-0.00140-0.00139-0.00153-0.00130-0.001435㊀结㊀㊀论针对水动力模型的实时校正问题,本文提出了2种分段估计糙率的方法:独立估计法和联合估计法㊂以南水北调中线的长距离输水系统为例,进行糙率分段估计的研究㊂主要结论如下:(1)本文提出的2个分段估计糙率方法可有效㊁实时地估计渠池中间未测量断面的水位和各渠段的糙率值,使得模型同步贴合系统的实际状态㊂处于合理范围内的糙率估计值体现该方法适用于类似南水北调中线的长距离输水系统㊂(2)相较于单一的经验值,使用EnKF的分段估计方法可有效提高一维水力模型的精度,改善幅度在20%~50%之间㊂且对于不同长度㊁不同流量的渠道,精度都有明显的提升效果,说明方法对南水北调中线等大型调水工程具有一定适用性㊂(3)本文对比所提2种估计方法,二者优势各有不同㊂独立估计法计算过程更稳定,误差累积程度更小,适用于复杂多渠池系统并行估计的情况,适合大型输水渠系;联合估计法受流量数据影响较小,水位估。
河道水动力模型
河道水动力模型水动力模型是一种模拟水流运动的工具，是通过模拟水的流动进行数量分析的一种模型。
水动力模型主要应用于河流、水库、湖泊及海洋等水体环境中，是水利工程、环境管理、灾害评估及水文预报等领域中的重要手段。
本文将就河道水动力模型进行详细阐述。
河道水动力模型主要分为1D、2D和3D三种类型。
1D模型是一种河道模型，仅模拟河道中流速和水位的一维变化，即只考虑河道中沿流向的变化，并不考虑沿横向和垂向的变化。
1D模型简单易懂，计算速度快，适用于狭长的河道。
3D模型是一种三维模型，模拟了河道中流速、水位和水深的三维变化，可以模拟两条河道之间的交叉流动，适用于较为复杂的河道系统。
河道水动力模型中的参数包括了水力要素、河道形态要素和边界条件等三个方面，具体内容如下：（1）水力要素：包括流量、水位和流速等要素。
流量是指在河道上某一位置跨过截面的单位时间内水的体积，单位为m3/s。
水位是指水面高度与参考面之间的距离，单位为m。
（2）河道形态要素：包括河道宽度、水深和横断面形状等要素。
河道宽度是指河道在水平方向上的跨度，单位为m，宽度越大，流量增加，水动力特性越复杂。
水深是指从水面到河床的垂直距离，单位为m，水深越深，流速越慢。
横断面形状指的是从河床到水面的横截面形状，通常采用河道弧度半径和倾角两个参数来描述。
（3）边界条件：包括入流量和出流量等边界条件。
入流量是指进入模型计算区域的流量，通常需要根据实际调查数据给定。
出流量是指从模型计算区域流出的流量，通常需要通过模型计算结果进行预测。
河道水动力模型主要应用于以下方面：（1）水库调节、水文预报和洪涝预警；（2）水生态环境保护以及水资源管理；（3）河道港口和水道工程的优化设计；（4）水电站、泵站以及风力发电场的优化设计。
四、总结河道水动力模型是一种有效的工具，可以帮助我们更好地了解河道中水的流动规律，分析水文过程和洪涝预测，还可以优化水文环境设计以及工程设计，对相关领域发展起到了积极的作用。
农田生态排水沟渠研究进展
其不合理的管理 措 施,生 境 条 件 日 渐 恶 化,功 能 严 重
12 06
收稿日期:2019-
的研究进展进行论述,为其进一步研究提供参考。
t
[ 1]
。 传统排水沟 渠 由 于 长 期 暴 露 在 环 境 中,加 上 对
本研究结合近年来的参考文献,对农田生态排水沟渠
基金项目:国家自然科学基金( 51979168) ;上海市自然科学基金( 19ZR1443900) 。
生植物组成,在沟底和沟壁均留有圆孔或方孔状水泥
保证作物的产量。 然而,这些物质在农业领域应用期
板,可以稳定结构 和 增 加 过 水 面 积,有 利 于 植 物 的 种
间或之后,可能无意中通过喷雾漂移或径流进入邻近
植 [ 29] 。 近年来,国内学者对生态排水沟渠沟底、沟 壁
的地表水 [ 11] 。 杀虫剂通过减少大型水生脊椎动物 的
have dual functions of drainage and ecological wetland. Vegetated drainage ditches are recommended as agricultural best
management practices to control irrigation and rainwater to intercept runoff pollutants such as pesticides, suspended sediments,
2. 1. 3 其他径流污染物拦截效果
在,造成藻类迅速繁殖、水质恶化,进而导致水体富营
有关研究表明,与 无 植 被 的 沟 渠 相 比,生 态 排 水
养化。 因此,如何去除水体中的氮磷元素成为防治沟
基于圩区产流与调蓄的大型平原河网水文水动力耦合模型研究
基于圩区产流与调蓄的大型平原河网水文水动力耦合模型研究罗志洁;刘海生;杜世鹏
【期刊名称】《水电能源科学》
【年(卷),期】2024(42)1
【摘要】构建可靠的水文水动力模型是减轻平原河网洪涝灾害的必要手段。
以太湖流域杭嘉湖区为例,采用MIKE11和ArcGIS,通过河网概化、集水区划分、圩区内外独立的产汇流计算和调蓄分析等环节构建了杭嘉湖平原河网水文水动力耦合模型,选用“菲特”和“烟花”台风实测洪水数据验证了模型可行性。
结果显示,模拟水位与实测水位绝对值相差0.01~0.09 m,水量结果误差为5.4%,表明模型准确可靠。
本模型可为该地区防洪调度、工程规模论证等相关工作提供技术支撑,也可为相似地区水文水动力耦合模型的构建提供理论指导。
【总页数】4页(P14-17)
【作者】罗志洁;刘海生;杜世鹏
【作者单位】浙江同济科技职业学院;杭州市萧山区农业农村局
【正文语种】中文
【中图分类】TV121;TV212.53
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4.平原感潮河网水文水动力耦合模型的研究与应用
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基于数值模拟的混凝土联排水动力特性研究
基于数值模拟的混凝土联排水动力特性研究
李会;邱旭;刘鑫;闫姝
【期刊名称】《太阳能学报》
【年(卷),期】2024(45)2
【摘要】海上风电桩基础冲刷坑的存在对风电场安全运行造成不利影响,须采用有效的冲刷防护措施稳固桩周泥沙。
该文以山东海域某海上风电场为研究对象,提出混凝土联锁排防护措施,并将其简化为六列矩形块阵列模型,通过数值模拟分析了矩形块阵列模型的水动力特性。
研究发现,第1排矩形块为整个矩形阵列模型的主要受力块,混凝土联锁排整体阻力可通过单独计算第1排单个矩形块来评估,能显著减少计算量;其次,矩形块阻力系数随时间变化具有周期性,但随时间变化幅度较小。
总体而言,本文结果对指导混凝土连锁排防护设计具有一定的工程意义。
【总页数】8页(P135-142)
【作者】李会;邱旭;刘鑫;闫姝
【作者单位】中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】O352
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基于水动力模型的农田水利沟渠特性分析
２ ０ １ ３ 年 第１ ９ 期 ｌ 科技创 新 与应 用
基 于 水 动力模 型 的农 田水利沟渠 特性 分析
滕 晓 波 裴 毅
（ 湖南农业大学工学院， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ ０ ０ ）
摘 要： 为 了促 进 农 田 水利 沟 渠 能够 得 到畅 通 的排 放 ， 利 用 水动 力模 型分 析 了排 放 沟 渠 形 态改 造 前后 的流 场 变化 ， 并 通快 慢 ， 证 实 了水 动 力模 型在 畅 通农 田水 利 沟 渠 中的 有效 作 用 。 关键 词 ： 水 动 力模 型 ； 农 田水利 沟 渠 ； 分析
１背景 简介 ３ ． ２合理 划分 网格 在我 国某 市 的风景 区 中有 两个重 要 的雨 污合流 排放 口， 这 两个 排 首先 ， 在 操 作过 程 中 ， 可 以将所 要 调整 的 区域 利用 ｍ ａ ｐ 模 块进 行 放 口的水流都是依靠沟渠排入某湖的。 据相关数据表明， 该沟渠大致有 二维 有限元 网格 的划分 。接着 ， 将 划分 完毕 的网格切换 至 ｍ ｅ ｓ ｈ 模 块项 ３ ２ ０ ｍ长 ， 最 宽处 可达到 ４ ５ ｍ。 沟渠呈 现 出蜿 蜒 曲折 的状态 ， 中间有 一小 下， 以便有效的纠正 、 整改初步划分的有 限元网格。在 Ｒ ｍ Ａ ２ 模型中， 岛。 如 此的形 态布局 ， 经常导 致水 流通道被 堵塞 ， 水 流无法正 常通行 ， 渠 其主要 边界 选用 的是 四边 形网格 ， 而非三 角形 网格 。因此 ， 在 进行边 界 道 内部沉 积 的厚重 的淤 土泥 沙长年 没有 得到 良好 的清 理 ， 其 数量 与 日 网格划 分 时 ， 必须 采用 自动 、 手动 的形 式 ， 先 将三 角形 网格 转变 为 四边 剧增 。因此 ， 淤泥成 为 了雨 污水 中最 主要 的沉积 物 ， 也是湖 水最 主要 的 形 的形 式 。 污 染源之 一 。 合 流制雨 污水 中存在很 大 比例 的小 型颗粒物 质 。 为此 ， 为 ３ ． ３确定具 体的边界 范 围和选用材 料 的属 性 尽 量减少 这些 固体 物质对 湖水 水体 的污 染 ， 也 为 了减少 湖底 厚重 的淤 在 实际 处理 该 市湖 水管 制 时 ， 根 据 具体 的 地质 情况 ， 按 最 大限 度 泥 淤积 ， 急需 动用切 实可行 的工程 措施来 对沟渠 中 的沉 淀地进 行改造 、 的流量确定溢流 口和机排 口。同时 ，依据 以往成功经验 ， Ｒ ｍ Ａ ２中 修整 ， 以期降低颗粒类污染源对湖水的污染 。 为了使 固体颗粒物能够顺 Ｐ ｅ ｃ ｌ ｅ ｔ 数 值一般 处于 １ ５ ０的范 围 内。 另外 ， 曼 宁系数 对湖水水 流速度 利的在沉淀地内下沉， 对该流域内的水体流速具有较高的要求。 只有流 的大小 与方 向有重 要 的影 响作 用 ， 是 一个 用来 反映 河床 具体 摩擦 情况 速达到了一定要求 ， 就能在较短时间内使颗粒物沉积下来 ， 为彻底清理 的参考系数。 在河床 比较平坦且杂草并不茂密的地形情况 ， Ｒ ｍ Ａ ２ 模型 区域 内的 淤泥提供 便利 。 般 采用粗 糙 比率为 ０ ． ０ １ ５ － － ０ ． ０ ２ ０的范围 。其 中 ， 这 两个参考 数 值都无 水 动力模 型 是一种 用 于描述不 同水 体 、 水 文特性 及 流场 空间 布局 法通 过直接 测量得 到 ， 而是 要在进 行无数 次反复 试算 的基 础上获 得的 。 规律 的数理 模型 。 在 探究湖 水污染 物具体 布局 的过程 中 ， 首 先要研 究不 在该 区域 中 ， 经过 多次试算 ， 将 这两个 参数值 分别确 定为 ３ ５ 和０ ． ０ ２ ０ 。 同类 型水体 、 水文 的特 殊性质 ， 掌 握水体 中流场 的空 间布 局特 色 ， 为正 ３ ． ４水动力 模型 Ｒ ｍ Ａ ２的具 体施 行 在 全部完 成水 动力模 型参考数 值设 定以后 ， 必 需严 格检查 Ｒ ｍ Ａ ２ 确把 握湖水 污染物 的具体 分布特 征打下基 础 。 所以， 在分析 农 田水 利沟 渠特 对 ， 我们先 要利 用水 动力数 学模 型对 该 区域水 体特 性 与流场 分 模 型的运 行功 能 ， 及 时处理 自动 检查 网络 与边 界要求 设 置不完 善 等 问 题。 上 述流程 是每次施 行模 拟功能 之前都 必须要 认真完 成的工作 任务 。 布作一 定 的研 究调查 。 ２关于 水动力模 型— Ｒ ｍ Ａ ２ 的介绍 旦水 动力 模 型在实 际施行 过程 中 出现 了一定 程度 的失误 ， 则 需要 依 水 动学模 型 Ｒ ｍＡ ２是美 国由美 国 三名 陆军 工程 兵 团河 道研 究 员 据设备所提示的错误信 息， 对水动力模型依次进行有关的修正与处理， 构建 的 ， 这是一 种用 于研究二 维有 限水动力 学的数 学模型 ， 其 主要功 能 然后再 对 Ｒ ｍ Ａ ２ 模 型进 行细致 的检 查 ， 一 直到所 有错误 全 部得 到妥 善 是计算 收张河 道 的流 场 、 河道汉 口流场 、 岛屿水 位 、 水库 和河 口流场 等 。 解决方 可进行 下一个 步骤 的处置 。如 果 ，在 一开始模 型就没 有 出现 错 水动力 模 型属 于纳斯 托克方 程 ， 其 能够求 解 出雷诺 数格 式 的有 限单元 误 ， 那么就 可 以直接运 行水动力 模型 ， 使Ｒ ｍＡ ２ 充 分发挥 其功能 。 解 。该基 本方程 严格遵 守质 量守 恒原则 ， 同时也 是基 于 ｘ， Ｙ两个 方 向 在上 述检查 全部 完毕 以后 ，则可 进行 Ｒ ｍ Ａ ２ 模 型 的具 体运 行 了 。 同时 ， 要将水 动力模 型运 行够 产生 的数据 结果 以 － ｓ ０ ｌ 的形 式进 行文件 的动态守 恒原则 来进行 的 。Ｒ ｍ Ａ ２ 方程具 体形式 如下 ： 存 储 。一 旦顺 利完成 该存储后 ， 日后就 可 以通过 直接 调用该 文件 ， 来读 ・ 鲁＋ ｈ 鲁＋ 詈一 吾 ｔ 。 ＋ ＋ ｔ 鲁＋ ＋ ｃ 。 ， 取 施行 的运行 结果 ，以便 深入 分析探 究模型 运行 的具体情况 。如此 一 ＋（ ＋． ． ＇ ｍ 一 ． ’ ∞－ 一２ 知 ｜ ｉ － ＝０ 来， 既可 以研究水 动力模 型对 畅通 农 田水 利沟渠 的重要 作用 ， 也 可以为 相 关农 田水利 沟渠 特 眭的分析 探究 提供借 鉴价 值 ， 用 以更 好 的促进 相 关领 域 的技 术发展 。 ＋‘ ＿ ＋ ｙ Ｚ ） … 一 ． － 一２ Ｉ ● 互Ｏ ３ ． ５基 于水动力 模型 的农 田水 利沟渠 杼 『 生的结构分 析 在进行结构分析之前， 首先要将原先农田水利沟渠中间高起的各 菩＋ ・ 鲁 ＋ 争＋ － 警 ＋ 筹ｅ 。 ｃ ） 类 土堆搬 运至排放 口区域 的低洼 处 。 然后 ， 再 将溢 流 口与排 放 口的农 田 其中 ， ｈ表示 高层 基 准 面以 下的水 深 ； ｕ 、 ｖ 分别为 ｘ ， ｙ 方 向上 的垂 水利 沟渠 进行 妥善 的调整 、 修理 ， 对水 利沟 渠做 好合 理 的疏导 工作 ， 使 直均 速 ， 其 单位 为 ｍ ／ ｓ ； ｘ 、 Ｙ 、 ｔ 分 别表示 为 坐标 值与 时 间 ； ｐ 代表 水 的密 其整体 形成一 个 “ 胃囊 ” 形 态 的沉淀地形 。 与此 同时 ， 还应该 将若干个 排 度； Ｅ表 示着旋 动扩散 系数 ； ｇ 为重 力加速 度 ； ａ 是河 床本 身的高 度 ； ｎ 代 放 口所积 聚 的雨污水 进行 正确 的疏流 ， 尽最 大 限度 的将这 些雨 污水 排 表曼 宁系 数 ； ∈ 是风 应力 的 系数 表示 风 的速度 ； 为 自然风 向 ； ｃ ｏ 代 至沉 淀池 区域 内。 依 旧 以某 市某 湖沟 渠改造 前后 的变化 为例 ， 在利 用水 动力 模型 对 表地 球的角 速度 ； 代表地 区具体 的纬度 。 全 面改造 之前 ， 该 流域 内最 大 的水 流速度 为 在 三个方 程 中，前 两个属 于 ｘ 、 Ｙ坐标 方 向上 的 动态守 恒公式 ， 最 农 田水 利沟渠 进行 大规模 、 后一 个是用 以表 示水 流连续 性 的公式 。另外 ， 从 上述 方程 可知 ， Ｒ ｍ Ａ ２ ０ ． ０ ２ ２ ｍ ／ ｓ ， 而在完 成改 造 、 整治之后 ， 同一 区域地段 的最大 水流速 度立 即 ． ０ ０ ８ ｍ ／ ｓ ， 其 流速 的降低 幅度十分 明显 。 这 样的水 流速度特 别 基本 方程 中控制 方程 是基 于伽辽 金有 限元 的方 法之 上 ， 用 加权余 量 形 降低 到 了 Ｏ 式来解 答 的。 该 方程 的所有解答 过程 一致采 用隐式 的形式 ， 在 求解联 立 容易使 固体 颗粒 污染 物质在 短期 内迅 速沉 淀下来 ， 从 而避 免 了因这 些 方程 时 ， 则用 Ｎ ｅ ｗ ｔ ｏ ｎ － Ｒ ａ ｐ ｈ ｓ ｏ ｎ 非线性 迭代 的方 式来进 行 。 固态污染 物质 随水流 流人湖 内 ， 而使 湖水发生 变质等 问题 ， 有效 的防止 排 除 了固态 污染物 质成 为该 湖最 大 的污染 最后 ， Ｒ ｍＡ ２ 模 型 是基 于流 体静 力理 论这 一基 本假设 条 件而 展 开 了湖水 变为 污染水 的情 况 ， 的。 换言 之 ， 该模 型 的应用 前提是 ， 忽视垂 直方 向的加速度 。 水 动力模 型 源 的问题 。 个是 建立在水 平平 面上 的二维 流 。由此 ， Ｒ ｍ Ａ ２ 模 型无 法解 释漩 涡 、 ４结束语 垂 直加速 度等情 况 。 基 于水动 力 Ｒ ｍ Ａ
流域水文水动力模型
流域水文水动力模型流域水文水动力模型是一种用于模拟和预测流域水文过程和水动力过程的数学模型。
它通过对流域内降雨、蒸发、径流、河道水位等过程的描述和分析，可以对流域的水资源、洪水和水文情况进行研究和预测，对流域水资源管理和防洪减灾具有重要意义。
流域水文水动力模型的建立需要考虑流域的地理特征、气象条件、土壤类型、植被覆盖等因素。
首先，需要对流域进行划分，将其分为若干个子流域。
然后，根据流域内的水文观测数据，建立起降雨径流模型，以描述降雨转化为径流的过程。
同时，还需要考虑蒸发、渗透和地下水补给等因素对流域水文过程的影响。
在流域水动力模型中，流域内的河道系统也需要得到准确的描述和模拟。
通过对河道的几何形态、水动力特性等进行建模，可以模拟河道的水位、流速、流量等参数的变化。
这对于河道的水资源利用、河道治理和防洪设计等方面具有重要意义。
流域水文水动力模型的建立需要依靠大量的数据和观测资料进行参数的确定和模型的验证。
同时，还需要进行模型的灵敏度分析，以评估模型对不同输入参数的响应程度。
模型的参数优化和模型的不确定性分析也是模型建立过程中需要考虑的重要问题。
流域水文水动力模型的应用范围广泛。
在水资源管理方面，可以用于水资源的合理配置和水量的调度。
在防洪减灾方面，可以用于洪水预报和防洪工程的设计。
在环境保护方面，可以用于评估流域内的水环境质量和水生态系统的健康状况。
流域水文水动力模型是流域水文科学和水资源管理的重要工具。
通过对流域水文过程和水动力过程的模拟和预测，可以为流域的水资源管理、防洪减灾和环境保护提供科学依据和决策支持。
随着计算机技术的不断发展和数据的不断积累，流域水文水动力模型的精度和应用范围将进一步扩大，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
流域水动力学模型
流域水动力学模型流域水动力学模型是一种用来研究流域内水的运动规律和水资源管理的工具。
它可以帮助我们更好地理解和预测水资源的分布、变化和利用，从而为流域的水资源管理和保护提供科学依据。
流域水动力学模型的主要任务是模拟流域内水的运动过程，包括降雨、蒸发、入渗、径流等各种水文过程。
通过建立一系列数学方程，模型可以模拟流域内水的流动、水位的变化和水质的演变等情况。
这些方程的具体形式和参数需要根据研究对象和目的来确定，通常需要根据现场观测数据和实验结果进行校验和调整。
在流域水动力学模型中，流域被划分为一系列离散的单元，每个单元代表一个小区域，包括地表和地下水系统。
通过对每个单元进行水量平衡的计算，可以得到流域内水的总体运动情况。
模型还可以考虑地形、土壤类型、植被覆盖等因素对水文过程的影响，从而更准确地模拟真实的流域水循环过程。
流域水动力学模型的应用范围非常广泛。
在水资源管理方面，模型可以帮助决策者制定合理的水资源利用方案，优化水资源配置，保护生态环境。
在洪水预报和防洪工程设计方面，模型可以提供洪水的预测和防洪措施的评估。
在水质管理方面，模型可以模拟水体中污染物的扩散和转化过程，为水环境保护和污染治理提供参考。
然而，流域水动力学模型也存在一些挑战和限制。
首先，模型的建立需要大量的观测数据和参数，数据的不确定性和不完整性会影响模型的准确性和可靠性。
其次，模型的计算复杂度较高，需要大量的计算资源和时间。
此外，模型对输入数据的要求较高，需要准确的降雨数据、土壤水分数据、地形数据等。
对于一些数据缺乏或不可靠的地区，模型的应用可能存在困难。
为了克服这些挑战，研究人员不断改进和发展流域水动力学模型。
他们通过改进模型的算法、优化参数估计方法、引入遥感和地理信息系统等新技术，提高了模型的准确性和适用性。
同时，研究人员也在努力提高数据的采集和处理能力，提供更可靠的输入数据。
流域水动力学模型是研究流域水资源管理和保护的重要工具。
农田土壤水的动态模型及应用
农田土壤水的动态模型及应用农田土壤水的动态模型是指通过建立数学模型来模拟和预测农田土壤水分的变化情况。
这种模型可以帮助农民和农业管理者科学地管理农田水资源，合理安排农田灌溉和排水，以提高农作物的产量和质量。
在农业水资源管理和节水灌溉方面应用广泛。
农田土壤水的动态模型常用的方法有物理模型、统计模型和数学模型等。
物理模型主要基于土壤物理性质和水文过程的基本方程，以估计土壤水的变化；统计模型则通过历史数据的统计分析，建立相关的统计模型，预测未来水分变化。
数学模型在物理模型和统计模型的基础上，利用微分方程或差分方程来描述土壤水分的变化规律，模拟农田土壤水动态。
常见的农田土壤水动态模型包括SWAP模型、SWAT模型、HYDRUS模型等。
农田土壤水的动态模型可以应用于以下几个方面：1.灌溉调度：通过模拟土壤水分的动态变化，可以合理地确定灌溉的时间和量，避免土壤水分的过度或不足，提高灌溉水的利用率。
2.潜在蒸散量估算：利用土壤水动态模型，可以估算农田潜在蒸散量和作物需水量，为灌溉管理提供科学依据。
3.土壤水分盈亏平衡分析：通过模拟土壤水分的动态变化，可以评估不同灌溉方案对土壤水分的影响，为决策者提供科学依据。
4.土壤水分胁迫分析：模型可以通过模拟不同环境条件下土壤水分的变化，评估土壤水分胁迫对农作物生长和产量的影响，从而指导农民选择合适的农作物品种和灌溉管理措施。
5.水资源管理和决策支持：土壤水动态模型可以结合地理信息系统（GIS）等技术，对农田水资源进行管理和规划，为水资源的合理利用和决策提供支持。
总之，农田土壤水的动态模型是农田水资源管理和节水灌溉的重要工具，在合理利用水资源、提高农作物产量和质量方面具有重要的应用价值。
基于“源”、“汇”过程的农业非点源污染模型构建及应用
基于“源”、“汇”过程的农业非点源污染模型构建及应用李强坤;胡亚伟;孙娟;李怀恩【期刊名称】《中国生态农业学报》【年(卷),期】2011(19)6【摘要】Improving control standards of point (PSP) and non-point (NSP) source pollutions are recent highlights of water and environmental issues. Agricultural non-point source pollution (AGNSP) problems caused especially by heavy use of chemical fertilizers and pesticides are prominent in this regard. Quantitative research on pollution loads is the basis of control standard, evaluation and management of AGNSP. Using AGNSP and unit-load characteristics, an AGNSP model was developed that uses source/sinks modules determine the complex migration routes of pollutants. The source module was further divided into farmland irrigation drainage and farmland contaminant concentration estimation sub-modules. The sink module was also divided into farmland drainage and pollutant migration/transformation sub-modules. By integrating the modules, a complete AGNSP load model was therefore established. The integrated AGNSP model was tested in the Qingtongxia Irrigation District (QID) in upstream reaches of the Yellow River. The 2008 crop pattern was used in the developed AGNSP model to simulate AGNSP load and output in QID. Based on the simulation results, salinity, total phosphorus, total nitrogen, nitrate nitrogen and ammonia nitrogen in QID were 470 0991,98.171, 3 593 t, 2 122 t and 426 t, respectively. The application of the established AGNSP model indicated that the model presented preferable simulated results, and was practicable in the similar studies.%根据农业非点源污染产移特点,将农业非点源污染模型分为田间产污的“源”模块以及模拟污染物在排水沟渠中运移的“汇”模块,其中“源”模块又包括农田灌溉(降水)排水子模块及农田灌溉(降水)排水中污染物浓度计算子模块.应用DRAINMOD模型模拟田间尺度的灌溉(降水)排水,同时将农田的施肥和灌溉过程“合成”作为田间污染物浓度的脉冲输入,以逆高斯分布作为综合作用函数,建立农田尺度的灌溉排水污染物浓度估算模型,二者结合构成农业非点源污染田间产污模块；应用一维水动力学基本方程和非保守性污染物迁移方程,建立农业非点源污染物沟渠“汇”模块.并以黄河上游青铜峡灌区为例进行了示例应用,依据典型田块以及排水沟渠农业非点源污染监测试验资料,结合灌区作物种植结构,计算了2008年5～9月青铜峡灌区输出污染负荷,结果为盐分470 099 t、总磷98.17 t、总氮3 593 t、硝态氮2 122t、氨态氮426 t.通过示例验证,表明所建模型具有较好的模拟效果,可进一步推广应用.【总页数】7页(P1424-1430)【作者】李强坤;胡亚伟;孙娟;李怀恩【作者单位】黄河水利科学研究院郑州 450003;水利部黄河泥沙重点实验室郑州450003;黄河水利科学研究院郑州 450003;水利部黄河泥沙重点实验室郑州450003;黄河水利科学研究院郑州 450003;西安理工大学水利水电学院西安710048【正文语种】中文【中图分类】X592【相关文献】1.基于"源-汇"生态过程的长江上游农业非点源污染 [J], 刘芳;沈珍瑶;刘瑞民2.基于"源-汇"生态过程的景观格局识别方法--景观空间负荷对比指数 [J], 陈利项;傅伯杰;徐建英;巩杰3.基于碳汇理论的沈阳城市“三源绿地”构建方法 [J], 付士磊;宫琪;徐婷婷4.基于“源-汇”理论的生态型市域景观生态安全格局构建 [J], 田雅楠;张梦晗;许荡飞;张圣微5.基于"源-汇"理论和生态阻力面(UEER)模型的新疆和田地区沙源扩散路径 [J], 汉瑞英;赵志平;肖能文;史娜娜;张风春;高晓奇;刘高慧因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
灌溉排涝工程设计服务中的水文模型与预测技术
灌溉排涝工程设计服务中的水文模型与预测技术灌溉排涝工程是农田灌溉和城市排涝中至关重要的环节，而在设计和规划过程中，使用水文模型和预测技术是必不可少的工具。
水文模型和预测技术可以帮助工程师和规划人员更好地理解水文过程，预测洪水和干旱等极端水文事件，从而提供有效的工程设计和规划方案。
水文模型是一种用来模拟和描述水文过程的数学模型。
它通过对气象、地形、土壤和植被等因素的输入，计算出流量、河道水位和水质等水文要素的变化。
在灌溉排涝工程设计中，水文模型可以帮助工程师预测排水系统的水动力行为、排涝能力和改造效果，从而指导设计和规划决策。
一种常用的水文模型是土壤水分平衡模型。
这种模型基于土壤水分平衡方程，考虑降水、蒸发腾发、渗透等因素，通过对土壤水分变化的模拟和预测，为灌溉系统的设计提供依据。
通过合理地确定土壤水分敏感系数、作物水分需求和降水变化等参数，可以有效地模拟土壤水分平衡过程，提供科学依据和建议。
另一种常用的水文模型是水动力模型。
水动力模型是用来模拟流体在河道和水库等水体中的运动和变化的数学模型。
在灌溉排涝工程设计中，水动力模型可以用来模拟洪水过程、计算洪水峰值流量和推算洪水平面。
这些模拟结果可以帮助工程师评估排涝系统的抗洪能力，合理规划和设计工程设施，确保工程的可靠性和安全性。
除了水文模型，预测技术也在灌溉排涝工程设计中有着重要的应用。
预测技术可以为工程师提供关键的气象和水文信息，帮助其更好地预测和应对极端水文事件。
例如，气象预测可以帮助工程师及时了解降水情况，从而调整灌溉和排涝方案。
而流量预测可以帮助工程师预测河道的水动力行为，从而调整工程设施的规模和尺寸。
在预测技术中，遥感技术是一种重要的手段。
遥感技术可以通过对地表的观测和监测，获取大范围和高时空分辨率的气象和水文数据。
这些数据可以用来建立水文模型和预测模型，提供科学依据和预报结果。
例如，遥感技术可以用来监测植被的变化和生长状况，进而预测土壤含水量和蒸发腾发量。
基于新工科理念的《地下水动力学》课程教学改革
DOI：10.16661/ki.1672-3791.2111-5042-8693基于新工科理念的《地下水动力学》课程教学改革罗建男*辛欣(吉林大学新能源与环境学院吉林长春130021)摘要：自“新工科”提出以来，引起了高等教育界的广泛重视。
作为传统工科地下水科学与工程及水文与水资源工程专业的核心专业课程，《地下水动力学》课程急需做出改革，以适应新工科的要求。
该文从《地下水动力学》的课程特点出发，针对教育部提出的新工科理念，结合多年的教学经验，对《地下水动力学》课程教学中存在的问题进行深入分析。
针对课程教学中所存在的问题，提出了优化教学内容、丰富教学手段、创新教学环节、优化考核方式等具体的教学改革的具体措施，力图提高《地下水动力学》的教学效果，提高学生的工程实践能力。
关键词：地下水动力学新工科教学改革教学内容教学手段中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1672-3791(2022)05(a)-0172-04Teaching Reform of Groundwater Dynamics Course Based onNew Engineering ConceptLUO Jiannan*XIN Xin(College of New Energy and Environment,Jilin University,Changchun,Jilin Province,130012China) Abstract:Since"new engineering"was put forward,it has aroused extensive attention in higher education field.As the major professional course of Groundwater Science and Engineering,and Hydrology and Water Resources En‐gineering,which are traditional engineering education,the course of Groundwater Dynamics is in urgent need of reform to meet the requirements of new engineering education.Starting from the characteristics of Groundwater Dynamics,aiming at the new engineering concept proposed by the Ministry of Education and combined with many years of teaching experience,this paper makes an in-depth analysis of the problems existing in the teaching of Groundwater Dynamics.In view of the problems existing in the course teaching,this paper puts forward specific teaching reform measures,such as optimizing the teaching content,enriching the teaching means,innovating the teaching links and optimizing the examination methods,in order to improve the teaching effect of Groundwater Dynamics and improve the students'engineering practice ability.Key Words:Groundwater Dynamics;New engineering;Teaching reform;Teaching contents;Teaching means2017年，教育部针对“新工科”问题组织高校进行了深入讨论，先后形成了“复旦共识”“天大行动”“北京基金项目：吉林大学教育教学改革项目（项目编号：2019XYB414，2019XYB222）。
堤防工程服务中的水文与水动力特性分析
堤防工程服务中的水文与水动力特性分析堤防工程是一项重要的水利工程，主要用于防止河流、海洋等水体的溢出和泛滥，保护沿海地区和河流沿岸的安全。
在堤防工程设计与施工过程中，水文和水动力特性分析是至关重要的环节。
本文将介绍堤防工程中水文与水动力特性分析的相关内容。
水文是指对水体的形成、分布、流动、变化以及与环境的相互作用进行研究的科学。
在堤防工程中，水文分析主要涉及了对于河流的径流、洪水过程的研究。
通过对历史洪水事件的统计分析以及洪水频率分析，可以确定设计洪水位，从而为堤防的设计提供基础数据。
此外，水文分析还需要对降雨量进行估算，以确定设计降雨。
通过降雨径流模型的建立和水文模型的运用，可以了解在不同降雨条件下的径流量和流量变化规律，为堤防设计提供依据。
水动力是指水体在力学条件下的运动规律和变化特性研究的科学。
在堤防工程中，水动力分析是为堤防的设计和稳定性评估提供重要依据的一项工作。
水动力特性包括流速、流量、水位等参数的变化情况。
通过对于流体力学原理和水动力学方程的运用，可以对水体在堤防附近的流动状态进行模拟和计算。
这些分析结果可以为设计防波堤、护岸和其他防洪设施提供参考。
在堤防工程中，水文与水动力特性分析有着重要的意义。
首先，水文分析可以提供基于历史数据和统计推断的洪水频率和设计洪水位，为堤防的设计提供了重要的参考依据。
其次，水动力分析可以研究水体在堤防附近的流动特性，确定设计堤身的高度、坡度等参数。
水动力分析还可以评估堤防的稳定性，并在设计过程中优化结构和形状。
此外，通过水文与水动力特性的分析，还能评估堤防对洪水的抵御能力，并在需要时进行相关的加固和修复工作。
随着科学技术的发展，水文与水动力特性分析在堤防工程中的应用不断得到强化和完善。
计算机模型的运用使得水文与水动力分析更加精确和灵活，可以模拟更加复杂的水流状况。
此外，无人机、遥感和人工智能等新技术的应用也为水文与水动力特性的监测与分析提供了新的工具和方法。
27142187_大通湖生态补水周期及流场分布特征分析
!""#!$$%%%&'()*+),!-.+/)0&1)234!56789:9$.7+;;)75665<9=8>7=6==76:7656第?8卷第:期人民珠江@=6==年:月@AB C D ED 4F B D 基金项目 国家自然科学基金项目">5N69659$*湖南省自然科学基金项目"=659..>6::N $*湖南省水利科技项目"r _p M =65I5N9G ?=$收稿日期 =6=5G 69G 6I作者简介 赵伟明"59:>#$%男%本科%高级工程师%主要从事水利规划研究等工作&BG */+H !58I6I?:?N:8J5:8&1L *通信作者 谭军"5995#$%女%硕士%工程师%主要从事防灾减灾研究等工作&BG */+H !IN=NN85>=JKK&1L *赵伟明!刘启!盛东!等&大通湖生态补水周期及流场分布特征分析"M #&人民珠江!=6==!?8$:%&:>G N6&大通湖生态补水周期及流场分布特征分析赵伟明5!刘@启=!盛@东5!谭@军5&!黄@草=5&湖南省水利水电科学研究院 湖南@长沙@?5666N =&长沙理工大学水利工程学院 湖南@长沙@?5655?摘要&后三峡时期!江湖关系深度演变打破了大通湖*西,北进(东,南出+的水力格局'为了研究变化环境下大通湖的生态补水周期以及大通湖的流场分布特征!基于b 4p B=5m b 构建了大通湖二维水系水动力模型!模拟了大通湖河湖连通及生态补水工程的水动力条件!研究了不同生态补水流量和不同闸控等:种工况下!大通湖的补水周期和流场形态特征!提出了生态补水效率临界点'结果表明!*单进两出+调度方案流速分布的均匀程度优于*单进单出+方案)非灌溉期生态补水流量为=6&?I *8$;!明山电排站为56&>*8$;时!补水周期为9>V !流速介于6&>d >&6**$;的湖面积占总面积的N9&9:e )灌溉期生态补水流量为=I&9=*8$;!明山电排站为56&>*8$;!补水周期为I6V !流速介于6&>d >&6**$;的面积占比为IN&I=e '关键词 生态补水)换水周期)流场分布)水动力模型)大通湖中图分类号 O F 5==@@文献标识码 C @@文章编号 5665<9=8> =6== 6:<66:><6:-*&').,./01%/'/3,%&'U&"4#L 49'4*,.K +4*"Y )%'4&*2X '/@X 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()+;!*()"1[1H (X ^H L %^+(H V V+;"'+]-"+L )X ![V'L V[)/*+1*L V(H X 2/"L )0E /`(AB研究背景平原浅水湖泊是湿地生态系统的重要组成部分%为人类和众多生物群提供了生存与发展的环境条件和物质条件%但长期的.掠夺式/开发导致多数平原湖泊存在面积萎缩'水质恶化'物种消亡等环境和生态问题%破坏了平原湖泊的生态平衡与功能健康&生态补水是修复平原浅水湖泊生态与功能的重要技术之一%受到了国内外的重视%并付诸实践&在复杂的水动力条件下%湖泊的换水周期与流场形态对湖区污染物迁移和转化'水生态系统修复的影响显著%是评价平原浅水湖泊生态补水效应的重要因子(5G=)&中国生态补水研究与实践发展迅速%尤其是平原河湖地区&如为解决太湖流域水污染问题%中国实施了.引江济太/生态调水工程%=658#=65N年共计调水58次%在提升太湖流域水资源和水环境承载能力方面发挥了重要作用(8)&=66=年5=月%从长江应急向南四湖生态补水5&5亿*8%以基本满足南四湖湖区鱼类'水生植物'浮游生物和鸟类等生态链的最低用水需求(?)&此外%昆明滇池'杭州西湖'武汉东湖'南京玄武湖'雄安新区白洋淀等众多湖泊先后开展了生态补水研究与实践%在湖泊的水环境治理和水生态修复中发挥了重要作用&大通湖原为洞庭湖的湖域%59>?年后经堵支'并流'并垸等形成大通湖垸%大通湖遂成为洞庭湖区最大的内湖&近几十年来%特别是三峡水库正式运行以来%"长$江"洞庭$湖关系深度演变%虎渡'松滋和藕池三口分流水量显著减少(>)%原三口分流入大通湖进水通道均被淤堵%打破了大通湖.西#北进%东#南出/的水动力格局&现状除湖泊北面的明山泵站'东南面的大东口泵站用于汛期排涝外%仅塞阳运河可沟通大通湖与洞庭湖%非汛期湖区水动力条件差%水资源与水环境均面临严重问题(:)&=65I年汛后%湖南省益阳市实施了大通湖生态补水工程%通过新建的五七闸引草尾河水至大通湖%再经大东口泵闸排入东洞庭湖%改善了大通湖非汛期的水动力条件和湖区水质%获得了较好的生态环境效益&为了深入研究大通湖生态补水工程的水动力和水环境效应%优化和完善生态补水方案%本研究采用b4p B=5构建了大通湖水动力模拟模型%研究分析了不同补水方案的换水周期和流场形态%分析其影响因素以及最优补水方案%可为大通湖的水生态保护提供技术支持以及类似湖泊的水动力模拟和水生态修复提供技术参考&CB研究区及方法C&AB研究区概况大通湖位于益阳市大通湖区西北侧%东临东洞庭湖%西至沱江%南临草尾河%北濒藕池河东支%是洞庭湖区最大的内湖%地理范围为东经55=l5Nt d 55=l?=t%北纬=9l?t d=9l==t&大通湖现状东西长5>&I`*%南北宽58&N`*%呈三角形%水面面积为I>&8`*=%湖底高程==d=?*%平均水深=&>*%常年蓄水量=&8=亿*8&大通湖垸内外水系复杂%河流和人工沟渠总长度达>?:`*%河网密度为6&I=`*$`*=&大通湖垸内的河湖主要有莲湖'瓦岗湖'五七运河'老三运河'塞阳运河'金盆河以及大新河等%见图5&作为保证南洞庭湖地区生态安全的重点水域%该区域是候鸟的重要栖息地%其中包括骨顶鸡'小天鹅'鸳鸯等5N种国家保护名录鸟类(N G I)&图AB大通湖水系受围湖造田以及江湖关系深度调整影响%大通湖垸内河湖连通性降低%各水体交换受限%区域内湖泊'河流和沟渠直接承纳工业废水'生活污水以及农业农村面源污染物等&目前大通湖水质为劣*类%营养状态评价为富营养%超出目标水质444类标准&大通湖现状常水位为=>&II d =:&6I *%汛期当内湖水位达到=:&II *%考虑开启明山和大东口电力泵站%降低内湖水位*非汛期内湖水位低于=>&=I *时%开启五七闸引水入大通湖%调活内湖水体%再经塞阳河和大东口闸排入东洞庭湖&C &CB 水动力模型构建大通湖水动力模拟模型采用b 4p B=5m b 构建而成%属于平面二维水流数学模型%在国内外有诸多应用%是水利和环境领域经过大量实际工程检验的优秀水动力模拟软件之一&b 4p B=5m b 的模型原理及建模过程可参考文献(9G 56)%本文不再重复&根据大通湖的实测湖底地形建立模型的三角形网格%见图=%三角形边长为56d=66*&河底综合曼宁系数^为8=d>6*5$8$;*涡黏系数采用_*/0L '+);`[公式计算%C ;取值为6&=I *为防止模型在干涸地区溢出%水陆边界采用水深干湿动态边界判断技术%干水深6&65*%湿水深6&5*&/$引水路径5]$引水路径=图CB 大通湖河湖连通引水路径C &DB 补水周期计算补水周期是衡量湖泊生态补水效应的重要因子%影响着水体中污染物与营养物的停留时间和浓度%以及水体中发生的生物与化学反应过程时间长短(55)&传统的补水周期被认为是湖泊蓄水总量与日均出湖水量的比值(5=G 58)%但该定义无法体现湖泊由于自身形状的不规则性导致不同位置湖体补水周期的空间差异性&研究中补水周期采用基于浓度变化的指数衰减函数来表示!C N k C 6(G N M D 7"5$式中@N ###时间*D 7###补水周期*C 6###示踪剂的初始浓度值*C N ###N 时刻示踪剂的剩余浓度值&由式"5$可知%当N k D 7时%示踪剂的浓度已经衰减至初始浓度的5$(倍或8Ne &因此%换水周期定义为示踪剂剩余浓度降低至初始浓度的8Ne 时所需要的时间&C &EB 模拟方案与模型设置依据大通湖生态补水工程规划%五七闸的非汛期"56月至次年8月$设计引水流量为=6&?I *8$;%汛期"?#9月$设计引水流量为=I&9=*8$;&明山电排站设计排水流量为=5*8$;(5?)&为了深入探讨不同引水方式对大通湖水动力的影响%设计=种引水路径及:种调度工况%见图='表5&表AB 调水工况单位!*8$;工况编号排水点引水流量明山渠强排流量665大东口=6&?I 666=大东口n 明山=6&?I 56&>668明山=6&?I =5&666?大东口=I&9=666>大东口n 明山=I&9=56&>66:大东口n 明山=I&9==5&6为了详细研究大通湖生态补水周期及流场形态的空间异质性%研究将大通湖水体染成单位浓度为5&6的保守型示踪剂%通过监测水动力模型每个网格单元的剩余浓度与流速%分析大通湖换水周期和流场形态的空间分布&模拟过程中%生态补水的示踪剂浓度以及出口边界示踪剂的初始浓度均为6&DB 结果分析D &AB 补水周期大通湖不同工况下的剩余浓度低于8Ne 的湖面面积占比随时间变化曲线见图8&从工况665#66:%若湖泊生态补水时间较短时%完成换水的湖泊面积占湖面总面积的比例随时间增长缓慢*而湖泊生态补水时间持续一段时间后%完成换水的湖泊面积占湖面总面积比例迅速增加&将完成换水的湖泊面积占湖面总面积的比例随时间的增长速度的转换处称为补水效率临界点%当补水持续时间超过补水临界时间后%生态补水的效益才能有效发挥&大通湖不同补水工况下%补水效率临界点约为生态补水周期的5$=d =$8%见表=&对比示踪剂法计算的湖泊生态补水周期和传统水体置换法计算的补水周期%示踪剂法考虑了水体置换过程中的扩散和紊动%补水周期明显小于同条件下水体置换法计算的补水周期&成对比较工况665和66?'工况66=和66>'工况668和66:%可以看出引水流量越大%湖泊的生态补水效率更高%补水周期越短&如工况66?的补水周期比工况665缩短了约?6V %补水效率临界点缩短了86V *工况66:的补水周期比工况668缩短了56V %补水效率临界点也缩短了56V&图DB 不同工况下大通湖示踪剂浓度低于DH e 的湖面面积占比随时间变化曲线表CB 不同工况下补水周期工况补水周期$V 补水效率临界$V 补水效率临界$补水周期示踪剂法6655?>&65666&:966=9>&6:>6&:I 668N>&6?66&>866?56>&6N66&::水体置换法66>I6&6?66&>666::>&6866&?:665#668585&6##66?#66:9=&I##从生态补水进出口分布来看%工况668和66:的补水周期显著低于工况665和668%如工况668比工况665的换水周期短N6V 左右%比工况66=短=6V 左右&可知大通湖.单进单出/的生态补水方式%南部换水较快%但北部的水源运动缓慢%补水效率低%补水周期较长*考虑.单进两出/模式后%增加了明山电排站"北端$的出水口%生态补水的进出水口分布更加均匀和合理%补水效率提高%补水周期缩短%但通过明山电排站排水需要消耗一定的电能%仍需从经济可行性的角度讨论明山电排站的开始时间和运行方式&D &CB 流场形态图?所示为:种生态补水工况的湖区流场形态比较%@5#@?为湖区中心'西南'东南和北侧的点流速监测点%其中工况665和工况66?的湖区北部区域%工况668的湖区东南部区域%存在较大的极小流速区%流速空间分布不均匀%如稳定状态下%工况665的@'工况668的@8'工况66?的@?点流速很小%分别为6&5I '6&6:'6&=?**$;"表8$&这种空间分布不均匀的流速场都是在大通湖采用引水路径5进行生态补水的时候形成的%可见这种.单进单出/模式的补水方案会降低大通湖的水体交换效率&相较于工况665'668'66?%工况66='66>'66:的极小流速区域面积更小%流场形态良好%因此这种.单进两出/的补水模式更有利于提高湖区水体交换以及水质净化的效率&如稳定状态下%工况66='66>'66:中@5#@?的最小流速分别为6&N>'5&66'5&55**$;&从湖区流速分布的特征来看"图>$%工况665#66:中湖区流速大多为6&5d 56&6**$;%流速在此区间的面积占湖区总面积的比例分别为9:&8=e '9:&N?e '9?&I>e '9:&:5e '9N&6Ie 和9:&IIe *从湖区流速分布的均匀性来看%工况66='66>流速分布的均匀程度最高"图>中%流速分布累计面积比曲线越接近P k 5&6**$;的竖直线%则表示流速的空间分布越均匀$*工况66=中流速为6&>d >&6**$;的湖区面积为总面积的N9&9:e %高于工况665'668的NI&=Ne 和N>&86e %故在非汛期的8种调水工况中%相比.单进单出/的模式%大通湖采用.单进两出/的补水模式时%其流速分布均匀程度更加高*工况66>中流速为6&>d >&6**$;的湖区面积占总面积IN&I=e %高于工况66?'66:的I8&INe 'I8&?Ie "表8$%说明在汛期%大通湖采用.单进两出/的补水模式且明山渠强排流量只为56&>*8$;时%该湖泊具有更高的流速分布均匀程度&此外%工况66:中明山电排站的排涝泵全部工作%需要消耗更多的电能%生态补水的运行成本较大%因此非汛期建议采用工况66=的闸泵调度方式%汛期建议采用工况66>的闸泵调度方式&/$工况665]$工况66=1$工况668V $工况66?($工况66>^$工况66:图EB 大通湖湖区的流场形态比较9表DB 不同工况的流速及流场比较工况点流速$"**+;G 5$@5@=@8@?平均水位$*平均流速$"**+;G 5$小于6&>**$;面积比$e 6&>d >&6**$;面积比$e 大于>&6**$;面积比$e 6656&:I ?&8N 8&=96&5I =>&>5?5&5N =6&=8NI&=N 5&>666=6&N>?&8I 5&>95&I:=>&>685&685I&I5N9&9:5&=86686&95?&N66&6:?&65=>&=I65&5:=8&6>N>&865&:?66?6&9N :&==?&I86&=?=>&>=N 5&::58&8>I8&IN =&NI 66>5&66:&=?8&685&II =>&>555&?99&I9IN&I==&=I 66:5&55:&=:5&8=8&N?=>&>6=5&?>5?&5=I8&?I=&?6图FB 不同工况下大通湖流速分布特征曲线EB 结论采用b 4p B=5m b 构建了大通湖区水动力模拟模型%研究了:种工况下大通湖的补水周期'流场形态及流速分布情况&&$大通湖生态补水工程能有效改善湖区的水动力%但现状生态补水的进出口分别位于湖泊的西南角和东南角%不利于湖泊北部区域水流改善*通过开启明山泵站%采用.单进两出/的闸泵调控方案可改善湖泊北部的流场&6$提出了大通湖生态补水效率临界点%临界点的时间为补水周期的5$=d =$8%单次补水持续时间宜超过生态补水效率临界点&%$比较分析了大通湖多种生态补水方式的差异与优劣%建议大通湖非汛期采用工况66=的闸泵调度方式%汛期建议采用工况66>的闸泵调度方式&尚未讨论大通湖生态补水工程对湖区水质的影响以及间歇式引水的影响%下阶段将进一步开展相关研究&参考文献(5)李云良%姚静%李梦凡%等&鄱阳湖换水周期与示踪剂传输时间特征的数值模拟(M )&湖泊科学%=65N %=9"5$!8=G ?=&(=)廖临毓&城市浅水湖泊二维水动力水质耦合模型应用研究(2)&武汉!华中科技大学%=65:&(8)太湖流域管理局&太湖流域引江济太年报"=658G =65N $(D )&(?)于琪&南四湖生态补水的思考(M )&中国水利%=668"5$!>I G >9&(>)刘晓群%戴斌祥&三峡水库运行以来洞庭湖水文条件变化与对策(M )&水利水电科技进展%=65N ":$!=>G 85&(:)钟诗群%陈荣坤%周杰%等&大通湖浮游植物群落结构与富营养化动态研究(M )&生态科学%=65?%88"8$!>I:G >98&(N )刘云珠%史林鹭%朵海瑞%等&人为干扰下西洞庭湖湿地景观格局变化及冬季水鸟的响应(M )&生物多样性%=658%=5":$!:::G :N:&(I )曾益波%彭波涌%彭平波%等&西洞庭湖越冬水鸟多样性及其空间分布(M )&湖南林业科技%=6=6%?N ":$!8N G ?:&(9)卢少为%朱勇辉%魏国远%等&平原湖区排涝模拟研究###以大通湖垸为例(M )&长江科学院院报%=669%=:"N $!5G >&(56)朱勇辉%卢少为%廖鸿志&全球变暖背景下不同暴雨对平原湖区涝灾影响模拟研究(M)&中国工程科学%=656":$!?I G >8&(55)闫红飞&新孟河延伸拓浚工程对蟢湖水量水质影响研究(M )&水利水电技术%=65>%?:"?$!8>G 8I&(5=)陈叶华%李志威%沈小雄&芭蕉湖#南湖连通工程的连通性评价(M )&长江流域资源与环境%=659%=I "8$!N85G N8N&(58)衣秀勇%关春曼%果有娜%等&2a 4b 4p Bm E 332洪水模拟技术应用与研究(b )&北京!中国水利水电出版社%=65?&(5?)张楠%袁明鹏%等&益阳市五七河一期治理工程初步设计报告(D )&益阳市水利水电勘测设计研究院%=65N&责任编辑 程@茜6。
土壤水动力学SWD土壤水分动态模拟模型简介
典型模型2——土壤水分模拟的BP网络模型
人工神经网络（artificial neural network, ANN）理论— 是人工智能研究的一个重要领域。ANN是模拟人脑神经
网络结构与功能特征的一种非线性信息并行处理系统，是 由大量的处理单元（人工神经元）相互连接而成的网络。 ANN具有自学习、自适应、自组织等特性，目前已在系统 预测、系统优化、模式识别、数据挖掘等领域得到了广泛 的应用。 BP(back-propagation)网络模型—
k＝ln(W1/W2)/(t2－t1)
典型模型1——土壤水分指数消退模型
指数消退模型在冬小麦田间土壤水分动态预报 中的应用
利用北京永乐店试验站6试验小区冬小麦田间土壤水 分观测资料，计算出相应的土壤水分消退指数(如图 )，拟合得到：
0.1
k /d -1
0.01
0.001
0
0.2 0.4 0.6 0.8
i1
BP网络的训练（模型率播 定）： 输入信息的正向传播过程和误差
的反向传播过程 。
输出层：Ym
步骤：
误差：
Yk
q
pf
WjOkHj
j1
pO k
（1）随机产生初始权重和阈值 （2) 逐层处理计算得到网络的输出
E 1 P 2 p1
Yp
tp
2
（3）计算输出与实测值间的误差 （4）根据误差调整权重和阈值
北京永乐店试验站1999年土壤水动力学土壤水分动态模拟模型介绍典型模型3水量平衡模型et7756lnpi5010015020025030035010020030040020406080100120140160100200300400永乐店试验站冬小麦返青后腾发量et土壤水利用量su与降水灌溉总量的关系土壤水动力学土壤水分动态模拟模型介绍典型模型4机理模型具体模型已讲求解方法数值模拟方法待续土壤水动力学土壤水分动态模拟模型介绍土壤水动态模拟模型的发展方向目前农田水分动态模拟模型多是对土体尺度进行的其中部分考虑土壤质地土壤水分特性等参数空间变异性的模型可以用于农田或区域尺度
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基于水动力模型的农田水利沟渠特性分析
为了促进农田水利沟渠能够得到畅通的排放，利用水动力模型分析了排放沟渠形态改造前后的流场变化，并通过调查探索整修先后农田水利沟渠内水流速度的快慢，证实了水动力模型在暢通农田水利沟渠中的有效作用。
标签：水动力模型；农田水利沟渠；分析
1 背景简介
在我国某市的风景区中有两个重要的雨污合流排放口，这两个排放口的水流都是依靠沟渠排入某湖的。
据相关数据表明，该沟渠大致有320m长，最宽处可达到45m。
沟渠呈现出蜿蜒曲折的状态，中间有一小岛。
如此的形态布局，经常导致水流通道被堵塞，水流无法正常通行，渠道内部沉积的厚重的淤土泥沙长年没有得到良好的清理，其数量与日剧增。
因此，淤泥成为了雨污水中最主要的沉积物，也是湖水最主要的污染源之一。
合流制雨污水中存在很大比例的小型颗粒物质。
为此，为尽量减少这些固体物质对湖水水体的污染，也为了减少湖底厚重的淤泥淤积，急需动用切实可行的工程措施来对沟渠中的沉淀地进行改造、修整，以期降低颗粒类污染源对湖水的污染。
为了使固体颗粒物能够顺利的在沉淀地内下沉，对该流域内的水体流速具有较高的要求。
只有流速达到了一定要求，就能在较短时间内使颗粒物沉积下来，为彻底清理区域内的淤泥提供便利。
水动力模型是一种用于描述不同水体、水文特性及流场空间布局规律的数理模型。
在探究湖水污染物具体布局的过程中，首先要研究不同类型水体、水文的特殊性质，掌握水体中流场的空间布局特色，为正确把握湖水污染物的具体分布特征打下基础。
所以，在分析农田水利沟渠特性时，我们先要利用水动力数学模型对该区域水体特性与流场分布作一定的研究调查。
3 分析水动力学模型RAm2的建立过程
3.1 导入所需要的数据
在RAm2中，除了可以输入文本型数据外，还能输入图形文件，如CIS、CAD、TIFF、JPEG······具体而言，在实际操作中，可以将DWG等各类格式的具体地形利用CAD等图形文件转变为DXF格式的文件，并将这些文件导入到RAm2中，利用软件对其进行散点化处理，为下一步划分网格打下基础。
3.2 合理划分网格
首先，在操作过程中，可以将所要调整的区域利用map模块进行二维有限元网格的划分。
接着，将划分完毕的网格切换至mesh模块项下，以便有效的纠正、整改初步划分的有限元网格。
在RmA2模型中，其主要边界选用的是四边形网格，而非三角形网格。
因此，在进行边界网格划分时，必须采用自动、手动
的形式，先将三角形网格转变为四边形的形式。
3.3 确定具体的边界范围和选用材料的属性
在实际处理该市湖水管制时，根据具体的地质情况，按最大限度的流量确定溢流口和机排口。
同时，依据以往成功经验，RmA2中Peclet数值一般处于15-40的范围内。
另外，曼宁系数对湖水水流速度的大小与方向有重要的影响作用，是一个用来反映河床具体摩擦情况的参考系数。
在河床比较平坦且杂草并不茂密的地形情况，RmA2模型一般采用粗糙比率为0.015-0.020的范围。
其中，这两个参考数值都无法通过直接测量得到，而是要在进行无数次反复试算的基础上获得的。
在该区域中，经过多次试算，将这两个参数值分别确定为35和0.020。
3.4 水动力模型RmA2的具体施行
在全部完成水动力模型参考数值设定以后，必需严格检查RmA2模型的运行功能，及时处理自动检查网络与边界要求设置不完善等问题。
上述流程是每次施行模拟功能之前都必须要认真完成的工作任务。
一旦水动力模型在实际施行过程中出现了一定程度的失误，则需要依据设备所提示的错误信息，对水动力模型依次进行有关的修正与处理，然后再对RmA2模型进行细致的检查，一直到所有错误全部得到妥善解决方可进行下一个步骤的处置。
如果，在一开始模型就没有出现错误，那么就可以直接运行水动力模型，使RmA2充分发挥其功能。
在上述检查全部完毕以后，则可进行RmA2模型的具体运行了。
同时，要将水动力模型运行够产生的数据结果以*.sol的形式进行文件存储。
一旦顺利完成该存储后，日后就可以通过直接调用该文件，来读取施行的运行结果，以便深入分析探究模型运行的具体情况。
如此一来，既可以研究水动力模型对畅通农田水利沟渠的重要作用，也可以为相关农田水利沟渠特性的分析探究提供借鉴价值，用以更好的促进相关领域的技术发展。
3.5 基于水动力模型的农田水利沟渠特性的结构分析
在进行结构分析之前，首先要将原先农田水利沟渠中间高起的各类土堆搬运至排放口区域的低洼处。
然后，再将溢流口与排放口的农田水利沟渠进行妥善的调整、修理，对水利沟渠做好合理的疏导工作，使其整体形成一个“胃囊”形态的沉淀地形。
与此同时，还应该将若干个排放口所积聚的雨污水进行正确的疏流，尽最大限度的将这些雨污水排至沉淀池区域内。
依旧以某市某湖沟渠改造前后的变化为例，在利用水动力模型对农田水利沟渠进行大规模、全面改造之前，该流域内最大的水流速度为0.022m/s，而在完成改造、整治之后，同一区域地段的最大水流速度立即降低到了0.008m/s，其流速的降低幅度十分明显。
这样的水流速度特别容易使固体颗粒污染物质在短期内迅速沉淀下来，从而避免了因这些固态污染物质随水流流入湖内，而使湖水发生变质等问题，有效的防止了湖水变为污染水的情况，排除了固态污染物质成为该湖最大的污染源的问题。
4 结束语
基于水动力RmA2模型基础上的模拟实验结果表明，利用该模型不仅能够很好的分析农田水利沟渠的特性，同时也为对比改造前后农田水利沟渠情况的变化提供了良好的参考依据，为改造工程提供了有利的支持方案。
裴毅（1960-），男，教授，湖南农业大学工学院。