高寒区多口融冰井引水渠道水温变化三维模拟及井群优化布置

为探讨抽水融冰技术解决严寒地区渠道冰害的效果,以新疆玛纳斯河流域红山嘴二级电站引水渠道为研究对象,对多口融冰井同时运行条件下引水渠道水温变化过程进行三维模拟,其模拟结果和原型观测结果平均相对误差为4.61%,验证了数值模拟的可靠性。在此基础上,通过改变井水流量、井前渠水流量和水温、外界大气温度等条件,对混合水温沿程变化过程进行了模拟。结果表明:1)仅将井水流量变为原来的50%和1.5倍时,井水注入量与混合水温成正比,且对混合水温的影响较大;2)仅将井前渠道水温分别降低和升高0.2和0.4℃时,井前渠道水温与混合水温成正比,且对混合水温的影响也较大,因此增大井水流量或者合理布置井群是抽水融冰最有效的方法;3)根据井前渠道水温为0.1℃,井前渠水流量分别为10、15、20和25 m~3/s,大气温度分别为–5、–10、–20和–30℃的模拟结果,得到了各井的不冻长度值,且随着井前渠道流量增大和外界大气温度降低,融冰井的不冻长度均随之减小,最后给出了在不同井前渠道流量和不同气温条件下融冰井的不冻长度和井的布置桩号等合理优化布置方案,此研究为解决寒区水电站引水渠道冰灾防治问题提供科学依据。     

高寒区引水渠道抽水融冰不冻长度计算模型及应用

抽水融冰技术是解决高寒地区引水渠道冰害的重要措施,广泛应用于新疆的红山嘴、金沟河和青年水电站以及青海省的香加水电站。该文根据水流热平衡理论,综合考虑水力、热力、气候等条件对不冻长度影响,从理论上得到了不冻长度的计算公式,并用工程实测资料进行了验证,结果表明:引水渠道不冻长度计算结果与原型实测值符合较好,最小误差6.2%,最大误差29.5%;不冻长度与渠道来水流量、井水注入量、井水水温、大气温度、日太阳辐射量成正比,与风速、大气饱和差、日降雪量成反比;其中,渠道来水流量对不冻长度影响较小,井水注入量、大气温度、风速等对不冻长度影响较显著;且保持其他条件不变,井水注入量每增加0.02 m3/s,不冻长度以400 m递增;大气温度每降低5℃,不冻长度减小幅度为16.1%~31.3%;风速从0.5 m/s增加到6.0 m/s,不冻长度减小幅度为4.3%~53.0%;此研究可为解决寒区水电站引水渠道冰灾防治问题提供科学依据。     

基于太阳能光伏光热技术的灌溉水增温系统试验

为减弱低温灌溉水对中国西北地区作物带来的不利影响,减少农业灌溉中的能源消耗,该研究设计了一种基于太阳能光伏光热技术灌溉水增温系统。通过搭建测试平台,对该系统进行不同流量下的性能测试研究,分析初始水温和辐照度对系统性能的影响。结果显示,出水口水温和升温幅度与流量呈负相关关系,固定工况下,出水口水温及升温幅度最高可达20.9和12.5℃,光电、光热效率与流量呈正相关关系,最大分别为0.094和0.310,实际能量效率则先增后减,最大达到0.484。初始水温越低,光伏光热集热器内换热越剧烈,升温幅度越高,能量指标越大,但流量增加使得不同初始水温灌溉水升温幅度趋于一致,出水口水温变幅增大。辐照度越高,出水口水温及升温幅度越大,但流量增大会削弱辐照度对其产生的提升效果,光电、光热效率均与辐照度呈负相关关系,在流量小于0.06kg/(s·m~2)时,实际能量效率与辐照度呈负相关关系,在流量大于0.07 kg/(s·m~2)时则相反。研究表明该系统总体性能良好,为不同工况下的流量选择提供了参考依据。     

基于非恒定水流模拟的灌区明渠水力响应特征分析

为了服务于石头河灌区信息化建设,该文以石头河灌区东干渠渠首约10 km渠道为研究对象,采用渠道非恒定流模拟方法以及闸门自动控制理论模拟分析不同边界条件下灌区渠道断面的水流和闸门开度变化特点,通过模拟分析获得研究渠段在不同水流控制情况下断面上水力响应变化特征规律:相同渠首流量变化条件下,距渠首距离越远断面水力响应持续时间越长;渠首流量变化率越大,相同断面上水力响应持续时间越短;当取水口取相同流量时,渠首稳定流量大小与取水口取水对干渠上游渠道断面水流的影响距离呈线性关系;渠首流量稳定在相同流量时,取水口取水流量大小与对干渠上游渠道断面水流的影响距离呈指数关系;在进行渠道流量控制时,取水初期取水口闸门调节比较频繁。由于渠道水流之间的相互影响,多个取水口同时进行取水,渠道任意取水口闸门开度变化,都可能引起其他闸门开度的调整。同时通过与实测资料进行对比验证,所获得的渠道断面水流响应特征规律与实际基本相符,模拟渠道水深值与实测水深值误差在±10 cm之间。该研究可为石头河灌区渠道信息化建设及水资源的优化配置提供科学依据。     

微咸水冰体融出水质及基于HYDRUS-1D的土壤淋洗特征研究

为揭示微咸水结冰融水时咸淡分离状况及对盐渍土盐分的淋洗效应,通过室内融冰试验研究不同解冻温度(10℃、15℃)和矿化度处理(纯净水、0.5g·L^–1、2 g·L^–1、4 g·L^–1)冰体的融化速度及融出水质,并借助HYDRUS-1D模型,模拟分析了不同处理融出水与微咸水直接入渗对剖面土壤盐分的淋洗效果差异。结果表明：微咸水冰体咸淡分离效果明显,各处理下的微咸水冰体融出淡水体积占比均超75%,矿化度越小融出淡水体积越大;微咸水冰体先咸后淡融出水入渗对盐渍土中的盐分有较好的淋洗效果,优于相同矿化度的微咸水直接入渗处理;10℃处理微咸水冰融出水对盐渍土的淋洗效果要好于15℃处理。研究结果对于探索内陆干旱区地下微咸水资源利用及新的非生育期节水控盐模式具有一定的指导意义。     

喷淋预冷工艺参数对荔枝降温特性的影响

为掌握喷淋预冷工艺参数对荔枝降温特性的影响,搭建了荔枝喷淋预冷试验平台,以"淮枝"荔枝为试验材料,研究了喷淋温度和喷淋流量对单层荔枝果实以及多层荔枝果实喷淋预冷降温特性的影响。试验结果表明:单层荔枝预冷,喷淋温度越低,冷却系数越大,7/8预冷时间越短,果实温度均匀性越差,选择(5±0.5)℃,能够保持较好预冷均匀性和较快的预冷速度;喷淋流量增大,冷却系数先增大后趋于稳定,7/8预冷时间先缩短后趋于平缓,与喷淋流量呈二次函数关系,果实温度均匀性提高,临界喷淋流量为5.9 L/(s·m~2);多层荔枝堆叠时,果实离喷头越近,冷却系数越大,7/8预冷时间越短,果实温度均匀性越好,相对预冷时间与层数呈二次函数关系,临界预冷层数为4;研究结果为荔枝喷淋预冷装置的设计及单层与多层荔枝预冷应用提供参考。     

紫色丘陵区不同弃土弃渣下垫面产流产沙试验研究

采用野外放水冲刷试验法研究紫色丘陵区不同弃土弃渣下垫面产流产沙规律。结果表明:(1)不同下垫面条件的产流量、产沙量均随放水流量增大而增大;放水流量为5,10,15,20,25L/min时,产流量随时间推移均呈先增加后趋于平稳的变化,产沙量呈先增加后减小的变化,二者均存在波动现象,而产沙过程波动更为剧烈,呈现出多峰多谷特点。(2)土石比对产流量、产沙量的影响随放水流量增大而增强;相同条件下坡度越大,则产流量越大,产沙量亦越大;放水流量从5L/min增加到25L/min时,土质下垫面平均径流率、平均产沙率增加量均达到最大,而土石混合质下垫面增加量最小。(3)在产流量、产沙量与放水流量的经验方程中,25°土质下垫面产流量、产沙量增长率最大,分别为51.883,18.770,而35°土石混合质的增长率最小,分别为7.270,2.325。     

寒区封闭引水渡槽中水温变化预测分析

甘肃引洮供水工程由于两条供水管线末端均不具备建设大型调蓄设施的工程条件,通过延长总干渠供水时间来解决调蓄不足的问题必须考虑冬季输水。针对这一实际问题,根据传热传质理论,建立了流固耦合对流换热三维数值模型,通过数值计算结果与室内模型试验结果进行对比研究,验证了数值模型的可靠性,表明其模型可用来对寒区封闭性渡槽内部水体在低温环境条件下的温度变化进行了预测分析。分析结果表明,虽然渡槽内水温与渡槽内的流量、入口水温、流速及环境温度等因素有关,但由于该渡槽结构及保温措施设计合理,并且有效控制水体在渡槽内的运行时间,水温降低幅度并不大,保证了在低温季节时水体在渡槽运行过程中水温不低于0℃,可有效防止渠体在寒区低温运行时结构冻害及冰灾现象的产生,进一步确保了封闭性渡槽的冬季输水安全。可为其它寒区引水工程的合理设计及安全运营提供科学参考。     

水库温排水增温模拟及其对富营养化影响分析

温排水导致的水库增温及衍生富营养化是水库生态学领域的研究热点。以承纳温排水的北方某浅水水库为例,利用MIKE21模型构建平面二维水温模拟模型,针对可能出现的调水量和气温极端情况,设定4个情景,分别模拟不同情景下水库水温时空分布规律,对温升带来的富营养化及水华爆发风险进行了分析。结论如下：（1）受温排水口位置、温排水流向及水深共同影响,水库水温呈西高东低,北高南低的分布规律;（2）气温对水库水温的影响较水深更为强烈,取水口1处水域年均温升最大,取水口1和取水口2处水域温升波动较大;（3）调水量和气温等条件变化会导致水华爆发风险变化：除取水口2附近水域外,相对于情景1,情景2和情景3高风险发生时间提前一个月;情景4增温幅度较大,导致东支和取水口1附近高风险延续时段比情景1短一个月。     

基于昼夜温度变化的混凝土衬砌渠道冻胀有限元分析

为了掌握衬砌渠道冻胀量及冻胀力随昼夜气温变化的发展规律及冻胀破坏极限状态,根据冻土力学及冻土物理学理论,利用有限元软件ANSYS按瞬态温变模式加载温度,对衬砌渠道冻胀过程进行数值模拟,研究了其温度场和冻胀变形及法向冻胀力与切向冻胀力随时间的变化规律。结果表明：渠道冻融破坏除因渠基土冻胀外,阴阳两坡的温度、冻胀变形、冻胀力既不均匀不对称变化又不同步,也是渠道冻胀破坏的重要原因;阳坡滞后阴坡约15 d冻结,最大冻胀量及最大冻胀力滞后日平均最低气温约4 d,日内最大冻胀量及最大冻胀力滞后日最低气温约1 h;模拟结果与野外观测资料基本吻合,但比稳态数值模拟结果偏大,表明了运用瞬态数值模拟进行渠道抗冻胀设计的正确性和合理性。     

脉动压差闪蒸处理对苹果片水分散失特性及品质影响

为了研究苹果片水分散失特性及品质变化规律,该文采用脉动压差闪蒸技术对苹果片进行干燥处理,结合低场核磁共振技术、重量法、物性分析等技术,分析苹果片水分散失特性和品质变化。闪蒸是脉动压差闪蒸干燥的一个中间阶段,也是一个至关重要的环节,因此该文着重研究闪蒸温度和闪蒸次数对瞬间脉动压差作用引起的水分散失、水分状态变化及苹果脆片品质的变化。试验结果显示:闪蒸温度对苹果片水分散失和品质都有影响,温度过低产品酥脆度不佳,温度过高引起脆片品质下降,由此得到适宜的闪蒸温度为95℃;多次脉动闪蒸对水分散失和质构的形成有促进作用,由于闪蒸瞬间温度和压力的突然降低,水分瞬间汽化为蒸汽,苹果片含水率降低,可以缩短干燥时间,提高脆片品质;闪蒸量随脉动次数的增加呈现出先上升后下降的趋势,这与苹果片内水分状态变化有关,初期以自由水为主而容易散失,后期以不易流动水和结合水为主,水分逐渐从高自由度向低自由度转变,导致水分散失速度减慢,水分闪蒸量减少;此外,核磁共振信号幅值的降低说明闪蒸作用可以促进水分散失;闪蒸促进水分散失的同时,引起内部结构膨胀,减少脆片干燥皱缩现象;闪蒸次数对苹果脆片品质也有一定影响,次数过多引起色泽变暗、膨化度降低、口感变差,综合各方面品质特性变化,得到闪蒸5次较为适宜。该试验结果可以为闪蒸作用对水分散失特性及品质影响研究提供理论基础。     

外来调水对华北低平原区地表水和地下水 水化学特征的影响* ——以河北省南皮县为例

华北低平原区有着巨大的粮食增产潜力,同时也是粮食生产和农业水资源矛盾突出的地区。外来调水与浅层微咸水的联合利用是解决区域水资源问题的有效途径之一,同时也将引起区域水循环和水环境的改变。为明确外来调水对华北低平原区地表水和地下水水化学特征的影响,本研究在华北低平原区河北省南皮县域内对调水后不同季节地表水和地下水进行调查和采样,利用水文地球化学和氢氧(d~2H、d~(18)O)稳定同位素相结合的方法,研究外来调水对地表水和地下水转化及其水化学特征的影响。研究结果表明,11月至翌年7月,受蒸发作用的影响,地表水电导率(EC)和钠吸附比(SAR)增加,d2H、d18O同位素不断富集;由于地表水和周围土壤的交换吸附作用使其水化学类型向Na~+、Cl~-和SO_4~(2-)增加、HCO_3~-减少的咸水转变。调水改变了地表水和浅层地下水之间的补给关系,11月至翌年3月,沟渠附近浅层地下水受外来调水直接或者灌溉补给,使得3月浅层地下水EC降低,埋深变浅,部分采样点分布在外来调水的SAR-EC区域。受调水影响,3月沟渠附近浅层地下水水化学类型为Na·Mg·Ca-Cl·SO_4、Na·Mg-Cl·SO_4·HCO_3、Na·Mg-SO_4·Cl·HCO_3等,是11月调水(Na·Mg·CaSO_4·HCO_3·Cl)和浅层地下水(Na·Mg-Cl·SO_4)的过渡类型。3月至7月浅层地下水补给沟渠水,地下水埋深变深,7月浅层地下水水化学类型与3月相似。调水可以季节性地改善区域内沟渠水及其附近的浅层地下水水质,而对深层地下水和坑塘水的水质无改善作用。调水对沟渠水水质的改善体现在调水季节,对浅层地下水水质的改善存在滞后性,2014年11月调水之后,2015年3月浅层地下水的水质得到改善。因此,采用调水和浅层地下水、坑塘水混合灌溉,对合理开发利用区域咸淡水资源以及深层地下水压采,恢复地下水位意义重大。     

冰盖下梯形及抛物线形输水明渠正常水深显式迭代算法

随着冬季用水量的增加,越来越多的输水工程在冬季冰盖下输水,冰盖下输水已经成为一种常态化输水方式,但目前对明渠正常水深的显式计算方法的研究主要针对不结冰渠道的,缺少对冰盖下输水时正常水深的显式计算方面的研究。该文推导了梯形断面冰盖下输水时正常水深和流量关系,提出了正常水深的简易显式迭代算法,并经过证明,此迭代算法是收敛的。用同样的方法,推导了抛物线形断面冰盖下输水时正常水深和流量关系,提出了计算正常水深的简易显式迭代算法。算例表明,该文提出的冰盖下梯形断面和抛物线形断面的显式迭代算法具有形式简单、计算量小、精度高,收敛性好的特点,一般需要3~5次迭代就可使误差小于0.01 m,当增大迭代次数时,误差进一步减小。研究为冰盖下输水渠道正常水深计算提供了便捷的计算方法,对冰期输水渠道的设计及运行管理具有理论和实践意义。     

肥料类型及浓度对水肥一体化浑水滴灌滴头输沙能力的影响

为研究浑水水肥一体化灌溉过程中,不同肥料对滴头输沙能力的影响,合理配置滴灌系统首部的过滤设备和设施,降低过滤设施的成本,提高滴灌系统工作效率,选取了常用的3种肥料(尿素、硫酸钾和水溶性复合肥)及其3种肥料质量分数(1%、2%和3%),在含沙量为1 g/L的浑水条件下进行间歇灌水堵塞试验,分析了滴头累积泥沙输出量、出流含沙量和泥沙输出率。结果表明:浑水施肥可以增强滴头的输沙能力,肥料类型和浓度不同,对滴头输沙能力的影响也不同。滴头输沙能力随着尿素浓度的增大而增大,当尿素质量分数为3%时,滴头输沙能力比未施肥处理增加了11%(P0.05)。滴头输沙能力随硫酸钾和复合肥浓度的增大而减小,当硫酸钾质量分数为1%时,滴头输沙能力大于未施肥处理,增大了25%;当复合肥质量分数2%时,滴头输沙能力小于未施肥处理。标准化的累积泥沙输出量与标准化的累积灌水量的拟合直线斜率也可作为滴头输沙能力的判断依据,肥料质量浓度是影响滴头输沙能力的重要因素,应根据不同的肥料类型,确定适宜的施肥浓度。研究结果对确定滴头防堵塞策略提供一定的参考。     

近地表土壤水分条件对坡面土壤侵蚀过程的影响

 采用人工模拟降雨实验,研究近地表土壤水分条件对安塞黄绵土和杨陵塿土土壤侵蚀过程的影响,尤其是土壤水分饱和条件下的土壤侵蚀过程。结果表明:土壤质地对入渗和径流过程有较大影响。对同一质地的供试土壤,随着前期近地表土壤含水量的增大,入渗量减少,而径流强度增大,坡面初始发生产流时间也越早。当前期近地表土壤含水量相近时,杨陵塿土的初始产流时间早于安塞黄绵土,坡面径流量和侵蚀产沙量也随前期近地表土壤水分含量的增加而增大。对于安塞黄绵土,当前期土壤含水量分别为饱和含水量的100%、75%和50%时,其径流量分别占饱和含水量的25%时的2.5、2.2和1.3倍,其侵蚀产沙量分别为50、25和1.3倍。而对于供试土壤为杨陵塿土,当前期土壤含水量分别为饱和土壤含水量的100%和50%时,其径流量分别是占饱和土壤含水量的25%时的1.1和1.0倍,其侵蚀产沙量分别为6.5和2.0倍。在降雨过程中,前期土壤含水量越大,片蚀发展为细沟侵蚀的时间越早,而且细沟侵蚀也越严重。     

基于LF-NMR研究包装方式和温度对鲶鱼片保水性的影响

为了考察贮藏过程中包装方式和温度对鲶鱼片保水性的影响,该试验将新鲜鲶鱼片分别经空气包装(air-package,AP)、真空包装(vacuum package,VP)和气调包装(modified atmosphere package,MAP,60%CO_2+40%N_2)后贮藏于4℃和-0.7℃的冷库中,于贮藏第0、1、4、7、10、15、20、30天测定鲶鱼片的pH值、蒸煮损失率、离心失水率等指标变化,利用低场核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)技术测定鲶鱼片的水分弛豫时间(T22)、弛豫面积(P22)和质子密度成像(magnetic resonance imaging,MRI),并利用扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观察鲶鱼片肌纤维结构的变化,对鲶鱼片贮藏过程中保水性变化及原因进行综合判断。结果显示,随着贮藏时间的延长,各组鲶鱼片保水性均呈下降趋势,表现为蒸煮损失率和离心失水率比新鲜鲶鱼片增加,弛豫时间T22和弛豫面积P22降低。相比较而言,冰温气调(-0.7°C-MAP)样品的保水性下降最为缓慢,是鲶鱼片品质保持的较佳贮藏方法。皮尔逊相关系数分析表明弛豫面积P22与贮藏时间、蒸煮损失率及离心失水率显著相关(P0.05);MRI结果显示,鲶鱼片的水分在贮藏过程中逐渐从肌纤维内部渗出,集聚在肌束膜上;SEM表明肌纤维细胞结构发生改变,这可能是引起保水性下降的根本原因。综上所述,该研究证明利用LF-NMR技术可快速表征鲶鱼肉保水性的变化,研究结果为选择鲶鱼片的较佳贮藏条件提供了理论依据。     

开发建设中扰动地面新增水土流失研究

针对神府东胜煤田开采过程中所引发的严重新增水土流失问题,采用野外放水冲刷的试验研究方法,对神府东胜煤田扰动地面新增水土流失机理和流失量进行了初步研究。结果表明:在相同放水冲刷流量和坡度下,原始地面的平均土壤入渗率较扰动地面的增加30%;两种不同类型下垫面的径流量均随时间的增加而增加,冲刷的前6min,径流量均较小,且原始地面>扰动地面,在6min以后,径流量迅速增大,且原始地面<扰动地面,扰动地面的平均径流量较原始地面增加14%;原始地面的侵蚀产沙在整个放水冲刷过程中没有显著变化,基本维持在一个常数水平;扰动地面在放水冲刷0—15min的侵蚀产沙量较高,此后侵蚀产沙随冲刷历时的延长而下降并最终趋于稳定;扰动地面的平均含沙量较原始地面增加96%,平均产沙量增加89%;新增土壤流失量随放水流量和坡度的增大而增大,10°时,新增土壤流失量最大;同一坡度条件下,放水流量越小,土壤流失量增加的百分比就越大,反之则越小。     

近60年鄯善县地下水补排量演变与坎儿井流量衰减关系

为揭示干旱区地下水补排量演变规律及其与坎儿井流量衰减的关系,通过梳理1949年以来鄯善县水资源开发利用、地下水资源调查评价资料,分析了地下水补排量的变化,划分地下水补排量演化的阶段。利用双变量相关分析法,分析了地下水主要补排量演化与坎儿井流量衰减之间的关系,并分析了其原因。结果表明：1）鄯善县地下水补排量的变化主要受人类活动影响,气候变化的影响微弱,且主要补排量变化的突变点与国家实施改革开放、西部大开发等政策的起始点相一致,政策是人为因素中的关键因素;2）坎儿井出流量与河道渗漏补给量、渠道渗漏补给量、田间入渗补给量、机井地下水开采量之间的相关系数依次为0.312、?0.327、?0.574、?0.959,说明坎儿井流量的衰减主要受机井开采地下水影响,其次为田间入渗补给量,河道和渠道（干支渠）渗漏补给影响较小;3）坎儿井出流量与地下水补排量的响应关系主要由其空间分布位置决定。该研究对坎儿井保护和超采区治理提供参考。     

流通加压热水液化木质生物质

在160～280℃温度范围内,10 MPa,10 mL/min条件下,考察了反应温度对木粉溶解百分比、水溶解部分中半纤维素来源糖类、纤维素来源糖类及降解产物生成的影响,研究了流通加压热水液化生物质的过程。随着温度的升高,木粉溶解百分比逐渐增大,280℃条件下,96.5%的木粉可溶解于水中。水溶解部分中,半纤维素来源糖类和纤维素来源糖类均随温度升高而增大,并分别在250℃和280℃时达最大值,降解产物5-羟甲基糠醛产率和糠醛产率也随温度升高而增大。同时,采用X射线衍射分析水不溶性残渣发现,随着处理温度的升高,残渣相对结晶度逐渐升高,但当温度达到280℃时,相对结晶度骤然下降且（002）晶面衍射峰消失,表明纤维素结晶结构被彻底破坏。残渣的傅立叶红外光谱分析表明,半纤维素在250℃即被完全水解;280℃时,半纤维素和纤维素特征峰均消失,残渣特征峰主要为木质素来源芳香环。研究表明,流通加压热水可以用于木质生物质的全水解来获取糖类。