潮汐河口往往通过丁坝群来实现其航槽整治等目的,坝田促淤效果决定了其主槽冲深的效果,而水沙动力条件和丁坝布置形式决定了坝田促淤的效果。基于长江口北槽坝田实测资料与长江口水沙动力条件分析发现,随着长江口深水航道治理工程丁坝建设的推进,坝田的总淤积量显著增加,促淤效果明显。坝田淤积强度受坝田相对间距和初始水深的影响显著,且对上游径流、含沙量、悬沙粒径、外海潮差的响应趋势也较为明显。通过构建坝田淤积综合动力参数及量纲为一的地貌参数,揭示了动力-地貌耦合作用下的淤积规律,并基于幂函数模型定量表征了两者关系;结合实测数据提出潮汐河口坝田淤积强度经验公式,验证表明其计算结果与实测值高度吻合,为丁坝群设计优化与淤积预测提供理论依据。
西藏自治区河道非法采砂导致河床下切引发冻土退化、岸坡失稳、水生态系统破坏等一系列生态环境问题,威胁着高原河湖健康。针对这一情况,系统梳理了西藏自治区河道采砂管理现状,指出河道采砂管理工作中存在的问题,如法规制度不完善,部分要求操作性差、针对性弱;部分地区规划及年度方案编制未按技术标准执行,科学性、合规性不足;日常监管中部分水行政主管部门能动性不足,监管手段单一且技术力量薄弱等。结合西藏自治区河道采砂管理工作基础,从完善地方法规、科学编制规划、制定差异化监管和推进智慧监管建设等方面提出了针对性的建议,可为推进西藏自治区河道采砂管理规范化提供参考。
随着气候变化和人类活动等的影响,长江—鄱阳湖的江湖关系发生显著变化,解析其水动力过程是理解江湖系统运行机制的关键。因此,以长江干流和鄱阳湖交汇处为研究对象,通过建立大型物理模型(平面比例1∶800,垂直比例1∶100),试验研究不同洪枯水文条件下的江湖关系演变及其水动力特性。通过引入顶托系数α和能差Fe定量分析江湖顶托强度,研究发现顶托强度与长江—鄱阳湖汇流比呈正相关。当长江与鄱阳湖来流分别为60 000 m3/s和6 000 m3/s时,江湖关系表现为顶托,鄱阳湖入江水道段水位比降减小,断面流速分布均匀;随着长江来流进一步增加,交汇处鄱阳湖右岸侧出现回流,江水倒灌入湖;鄱阳湖洪水期流量为25 000 m3/s时,拉空效应显著,入江水道段水位比降和断面流速显著增大,鄱阳湖水流从表层进入长江,形成与顶托时不同的水动力交互模式。研究成果在维持长江中下游防洪安全等方面具有重要意义。
径流预报是提升水资源管理效率、保障流域水安全的重要手段,以湘江流域为研究对象,对比了新安江模型、SWAT模型、LSTM模型在不同时间尺度下的径流预报精度及适应性。研究结果表明:①各模型的计算效率有LSTM模型>新安江模型>SWAT模型。②在日尺度下,LSTM模型模拟效果整体最佳,新安江模型汛期模拟更优,SWAT模型在日尺度中的表现一般。③月尺度下,SWAT模拟精度明显提升,LSTM受输入条件影响较大。④总而言之,LSTM模型适用性最高,但缺乏物理机制支撑;新安江模型在汛期有较好的应用;SWAT模型能够反映流域内多种水循环要素的时空变化过程,但日尺度径流预报精度相对一般,适用于大范围的流域水资源综合评价。研究成果可为不同目标需求下的流域径流预报提供借鉴。
水环境氮污染治理管控已成为环境科学领域的研究热点。然而污染治理措施制定与措施生效之间常存在时间滞后的问题,当前学界普遍认为其原因在于历史输入的氮素仍以生物地球化学遗留氮或水文遗留氮的形式滞留在流域内,将持续影响当前地表水质。因此,掌握氮素输出对输入的滞后响应规律便成为精准治氮的关键一环。然而,现行的水文模型常忽略或简化这一过程。介绍了氮素污染治理滞后现象的影响因素及滞后时间与遗留负荷的定量评估方法的近期进展,提出现有模型在量化遗留氮空间分布特征上还存在不足,建议在氮素溯源基础上增加对于氮素输出途径的了解,建立源-径耦合的氮素输出模型,以求在短时间内以最小资金投入实现水质的迅速提升。
为提高全球气候变化和城市化快速发展下城市防洪除涝能力,针对暴雨期间苏州河高水位问题,以苏州河及其两岸水利片为研究区域,结合实况调查和感潮河网水文水动力模型模拟,复演“康妮”台风期间苏州河高水位事件,基于知识图谱提出两岸限排、河网分流及规划增排优化等措施,并定量分析其效果。研究发现,苏州河高水位由中下游集中降雨、两岸水利片涝水大量汇入和黄浦江高潮位顶托共同导致。嘉宝北片和淀北片在短时应急限排及新槎浦分流方案下苏州河沿程最高水位降低0.16~0.29 m;规划增排优化措施实施后,沿程最高水位降幅可达0.40~0.64 m。研究成果为有效应对苏州河高水位、优化上海市防汛调度和城市防洪除涝体系提供思路和科学依据,也为其他城市应对类似问题提供参考借鉴。
为探究曲线型消力池内糙条联合梯形墩消能导流特性,采用正交试验方法,设计7因素3水平试验方案进行模型试验。引入消能率η、水面横比降变异系数Cv等指标对消能工的消能导流效果进行评价;通过对试验结果进行主效应方差分析和事后多重比较、对影响水流结构的因子进行量纲分析和多重回归分析,建立多因素影响的消能导流评价模型。研究结果表明:梯形墩间距Δζ直接影响水流能量耗散程度,糙条宽度b减小凹凸岸水位差效果显著;最优糙条联合梯形墩布置较无消能工,η提高9.75%,Cv降低0.718 4;η、Cv实测值与评价模型预测值的相对误差均低于10%,表明建立的预测模型可用于实际曲线型消力池消能导流效果预测。
实现水文测站在线流量高精度计算对于水文监测、水旱灾害防御、水资源管理等具有重要研究意义。采用水文测站监测的上下游水位作为边界条件,构建水文测站附近河段一维水动力模型,使用卡尔曼滤波技术根据水文测站实测流量对所建模型糙率参数进行自动率定,利用BP神经网络对水位糙率关系进行学习训练,实现水文测站流量在线计算;以兰溪水文站为例,基于该方法的兰溪测站在线洪峰流量计算精度高于目前使用的指标流速法。研究成果具有良好的参考意义和推广应用价值。
工程中难以获取粗粒土不同密实度条件下的原状样,而相对密度是影响粗粒土卸载-再加载模量的重要因素。因此利用原位试验判别粗粒土相对密度,进而预测不同密实度条件下卸载-再加载模量具有重要意义。研究针对0.40、0.55、0.70、0.85这4种相对密度粗粒土,分别进行了重型动力触探模型试验和大直径三轴试验。分析了动力触探指标、卸载-再加载模量随密实度变化的特性,并建立了动力触探指标和相对密度,以及相对密度和卸载-再加载模量的关系。在此基础上,以相对密度为中间变量,建立了基于动力触探指标直接预测粗粒土卸载-再加载模量的模型,定量描述了动力触探指标与粗粒土卸载-再加载模量的关系。并结合现场试验及相关文献数据验证了模型的正确性和适用性。研究成果可为粗粒土地基工程变形特性分析提供参考。
加筋土复合体凭借优异的承载性能已被广泛应用于承重式加筋土桥台中。为了进一步研究加筋土复合体的极限承载性能,设计并开展了9组土工织物加筋土复合体平面应变试验,探究了不同填料级配和加筋间距对加筋土复合体的极限承载性能的影响。试验结果表明:与不加筋相比,加筋可以显著提高加筋土复合体的极限承载力,且加筋间距越小,加筋土复合体的极限承载力越大,同时也表现出更大的刚度;在加筋间距相同,且填料粒径介于1~8 mm范围内时,填料级配对加筋土复合体极限承载力的影响很小,但对加筋土复合体刚度有一定影响。此外,现有加筋土复合体的承载力计算方法严重低估了复合体承载力,当填料级配不满足FHWA推荐值时,不宜直接采用该计算方法评估加筋土复合体承载力。研究成果为较小粒径填料在工程建设中的应用提供了参考。
为有效控制折板型竖井在高压截留气团释放过程中产生气爆的强度,采用FLUENT软件,基于Realizable k-ε湍流模型和VOF两相流模型构建了折板型竖井气爆三维数值模型,对不同联络管接入方式、干/湿区连通区域、限流孔板及通气管的气爆喷射过程进行三维模拟。研究结果表明:相比于竖井干区,联络管接入湿区时能够降低折板水力冲击荷载,并且对折板结构安全有利;干/湿区连通区域面积大小对气爆控制效果具有两面性;在竖井干区中部设置一限流孔板,同时在远离竖井一端的联络管正上方设置一通气管,能够有效控制气爆强度。研究成果可为折板型竖井结构设计及安全运行提供理论参考。
三维激光扫描技术具有扫描速度快、扫描精度高、非接触式且受扫描环境影响小等优点,在深部工程领域具有广泛的应用前景。针对深埋非规则隧道点云轮廓识别与分类问题,提出基于深埋非规则隧道几何形貌的点云滤波与分类方法。首先,基于深埋非规则隧道轮廓的空间形貌,并考虑隧道分段点云偏转角及其方位对隧道横截面点云的影响,建立非规则隧道横截面点云生成方法;进而,利用外凸多边形方法初步识别隧道横截面轮廓,并通过隧道非名义轮廓点与名义轮廓之间距离计算方法,建立深埋非规则隧道点云两级滤波方法;在此基础上,对于隧道非轮廓点云,建立基于密度的点云聚类及空间位置分类的隧道点云分类方法;最后,以深埋非规则断面隧道点云为对象,研究本文所提出方法的适用性,讨论不同计算参数的滤波效果,并确定合理的计算参数,最终准确与高效地实现非规则隧道点云的滤波与分类。
独立覆盖流形法采取“分区级数解”的思想,将计算域划分为若干分区,在各个分区内部采用多项式级数等完备级数直接逼近真实物理场函数;各分区之间采用窄条带连接,通过单位分解函数将各分区级数连接成整体近似函数,在收敛意义上具有C1连续性;计算网格具有任意形状、任意连接和任意加密的特性。基于计算网格的任意性,采用“一分为二”的网格分裂算法作为网格划分和细分的策略;基于收敛意义上的整体C1连续性,采用物理场导数的连续程度作为误差控制的指标。以上组成了基于任意网格的自适应分析策略。通过数值试验验证了这一策略的可行性。在此基础上提出优化方案:采用绝对误差指标控制近似函数导数的连续性,以简化误差判断;采用网格预划分的方式优化凹角局部区域的网格分布。最后,通过方孔、重力坝等算例进行验证,表明优化方案可以大幅减少网格数量,从而节省算力。
城市雨水管网作为城市排水系统的重要组成部分,面临着不断加剧的污染负荷问题。外源污染入流以及地表径流使得大量污染物进入管网并不断累积,在降雨期间排放裹挟大量内源污染恶化城市水环境。以存在外源污染问题的雨水管网为研究对象,依托长时间、高频率现场监测,系统性地探讨雨水管网污染来源及对应的水质时空变化规律。通过主成分分析识别了3种主要污染因子:生活污水混接、降雨冲刷地表污染、工业污染源。旱季识别到污染物浓度呈渐进式上升趋势;雨季通过模拟典型降雨情景,发现采用排口管控措施可显著降低管道内源污染对水环境的影响。
在污水处理工程实践中,进水氨氮的预测对保障生物处理工艺稳定运行、实现低碳高效脱氮至关重要,而进水氨氮负荷波动会干扰硝化反硝化动态平衡,导致脱氮效率下降、出水水质风险及成本增加。然而目标污水厂常因监测设备与数据采集限制面临有效样本匮乏问题,传统方式训练的模型易发生欠拟合或者过拟合的情况,使得预测性能受限。为此,提出基于迁移学习的 1DCNN-LSTM 深度混合模型,融合 1DCNN 局部特征提取与 LSTM 时序依赖建模能力,通过迁移相关场景的预训练模型,构建少样本条件下的预测框架。对比试验显示该方法较直接,在少样本数据集上所训练的模型有效地提升了预测性能,R2从0.635升至0.692,RMSE由1.650降至1.515,有效验证了迁移学习在增强泛化能力与精度上的优势,为污水厂精准调控工艺参数、优化药剂投加策略提供可靠技术路径。
污水处理厂出水水质的准确预测对于优化运行控制和保障达标排放具有重要意义。研究提出双向长短期记忆网络(BiLSTM)与注意力机制相结合(BiLSTM-注意力机制模型)的深度学习模型,用于预测污水处理厂出水化学需氧量(COD)。该模型通过引入位置编码增强时序信息表达,设计特征注意力机制实现自适应水质参数权重学习,并采用多头注意力机制捕捉时间步间的复杂依赖关系。实验结果表明:BiLSTM-注意力机制模型对出水COD的预测评估指标明显优于其他模型,较BiLSTM模型,均方根误差(RMSE)降低幅度为13.5%,平均绝对误差(MAE)降低幅度为13.8%,平均绝对百分比误差(MAPE)降低幅度为15.3%;模型对前期时间步(0~6步)赋予更高权重,并识别出过程段溶解氧和污泥浓度等关键运行参数对出水COD的显著影响。因此,BiLSTM-注意力机制模型能有效捕捉污水处理系统的非线性时空特征,为出水水质预测和智能化运行管理提供了可靠方法和理论依据。
在满足污水处理厂出水标准的条件下,为降低曝气能耗,研究提出高斯过程回归(GPR)联合改进黑寡妇算法(IBWO)的曝气优化策略。利用GPR建立进出水水质与曝气流量的关系模型,预测出水水质;基于关系模型构造出水水质概率约束的曝气能耗最小化问题,采用IBWO求解最优运行策略,并验证该策略运用于污水处理系统的改善效果。试验结果表明:在外部负荷波动的情况下,出水水质能够维持在设定限制值以下;精确的曝气控制显著降低了曝气能耗,相较于传统的粗放式操作,能源效率得到有效提升。
将大模型与水文模型结合,可提高水文模型的适应性与拓展性,降低模型使用门槛,加速水文科学的智能化进程。在搜集整理水文模型资料并分类阐述其特点的基础上,指出水文模型存在可移植性差、对数据质量敏感、极端事件预测能力弱等不足;明确其智慧化需融合知识辅助决策、优化交互方式以增强多模型协同解决复杂问题的需求;结合当前大模型的研究应用现状,指出水文模型与大模型具备优势互补特性。提出了大模型与水文模型单向耦合和双向耦合的协同方式;结合协同方式,基于自然下垫面与城市下垫面的湖泊入流复合水文过程,构建大模型与水文模型耦合的思路框架。这种耦合不仅以智能接口形式降低了专业水文模型的应用门槛,更通过动态参数优化与协同计算机制,提升了复杂水文过程模拟的效率和应急决策的精准性。
