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水温变化过程模拟

抽水融冰技术能解决中国西北等高寒地区引水式水电站引水渠冰害。该文以新疆红山嘴电站引水渠道为研究对象,对引水渠道抽水融冰水温变化过程进行数值模拟。通过对模拟结果与原型观测结果对比研究,验证数值模型的可靠性。最后分别模拟分析井水流量、渠道流量、井水温度、渠道水温、流量和温度同时变化时,引水渠道水温沿程变化规律。结果表明:1)井水流量和井水温度变化与混合后水温成正比,井水流量越大,水温越高,渠道增温效果越明显;2)渠道流量变化与混合后水温成反比,渠道流量越大,井水的增温效果越不明显;3)渠道水温与混合后水温成正比,渠道水温越低,混合后水温也越低;4)渠道引水温度降低为原来0.25倍,同时井水流量增大至原来4倍,混合后水温比降低渠水温度时高0.14~1.43℃,在实际工程中,增加井水流量是抽水融冰最有效的方法。研究为寒区引水渠道冰害的防治提供科学依据。     

孔石莼净水作用的综合环境条件评价

利用水生植物净化养殖水体可达到废弃物综合利用和收获植物饵料的综合效果。该文通过综合因子试验研究，探讨了水温、光照和水体pH值3因素协同作用下，对孔石莼吸收氨氮和硝酸盐的影响规律，并建立了相应的数学模型。研究结果表明，水温、光照和水体pH值对孔石莼吸收氨氮和硝酸盐有不同程度的影响，而且3因素之间有明显的交互作用，水温和水体pH值的适当调控对孔石莼的净水作用是很重要的。     

双螺杆挤压膨化机温升特性的仿真分析与试验

为了分析双螺杆挤压膨化机内流体的温度变化过程及规律,该文利用流变学理论建立了非等温、非牛顿流体的数学模型,在螺杆转速为245r/min,入口处压力为0.5MPa时,分别取初始温度423K,433K和443K条件下,以玉米为原料对流体的温度分布进行了仿真分析。分析结果表明:流体受挤压过程中温度上升了5K左右,其中啮合区升温较快,初始温度为423K时流体的温度分布较均匀;3种初始温度条件下物料均以等温状态流出挤压膨化模头,并通过食品膨化试验验证了仿真结论。研究结果可为双螺杆挤压膨化加工提供参考。     

井灌区地下水限量开采自动控制系统的研制与应用

地下水超采造成了一系列的环境问题，地下水限量开采是井灌区急需解决的重要问题之一。利用计算机技术、遥控遥测技术和通讯技术开发研制的井灌区地下水限量开采自动控制系统在有效控制地下水开采的同时，结合数学模型，可提高灌区管理水平，为井灌区灌溉管理的信息化奠定了基础。应用试验结果表明，系统在实现地下水限量开采的同时，提高了水资源的利用率，促进了灌区节水工作的开展。     

苹果碰撞响应数学模型的研究

通过苹果的碰撞损伤试验，建立了描述苹果碰撞过程的加速度——时间曲线的数学模型，分析了该模型中各参数对碰撞特性及损伤的影响     

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。     

龙羊峡水库蓄水对水温的净影响

分析水库蓄水对水温的影响对于研究水库气候效应,探讨水库建设对水生生物和下游农作物灌溉的影响具有重要意义。本文建立了计算分层型水库对水温净影响的数学模型,并利用龙羊峡水库和下游河道实测水温和气温成果,在深入分析了龙羊峡水库水温类型和水温铅直分布规律的基础上,采用该模型计算了龙羊峡水库蓄水对坝前和下游河道水温的净影响。与传统的差值法相比,该模型引入了基于气温与水温相关关系的修正因子,扣除了自然因素引起的水温背景值的变化,可以获得更为准确的计算结果。     

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。     

基于微好氧同步预升温的序批式厌氧干发酵特性

序批式厌氧干发酵是规模化处理农业农村废弃物生产清洁能源的重要技术,存在物料分解速率低、运行能耗高、传质传热不均匀等突出问题,制约甲烷产率的提高。该研究通过调节发酵初期反应器溶氧浓度,建立微好氧同步预升温高效序批式厌氧干发酵体系,进一步研究微好氧状态下物料自升温、分解、中间产物性质,以及关键微生物群落对促进物料升温及甲烷生产的作用机制。结果表明:微好氧环境使物料升温速率提高27.12%,产甲烷过程不依靠外源加热温度仍可保持在42.48℃以上。发酵初始阶段的少量曝气使厌氧发酵过程中间产物转化效率显著提升(P0.05),特别是丙酸积累含量下降了82.63%,累积沼气和甲烷产量分别提高了56.76%和41.79%。细菌Bacteroidales、Clostridiales和古菌Methanosarcina、Methanobacterium有利于促进微好氧同步预升温和甲烷生产效率提升,并与降解率和有机酸浓度具有显著的相关性。该研究可为探索序批式厌氧干发酵实际工程高效调控工艺提供理论基础。     

水稻灌溉需水量对气候变化响应的模拟

气候变化会导致作物耗水过程改变,从而影响灌溉需水。研究水稻灌溉需水对气候变化的响应规律,有助于合理制定应对气候变化的灌溉策略,保障水资源可持续利用和粮食安全。该文基于1961-2010年气象数据和HadCM3大气环流模式A2和B2两种情景下的统计降尺度模拟结果,利用经田间试验资料验证后的水稻模型ORYZA2000,模拟淹水灌溉和间歇灌溉两种灌溉处理下、历史和未来情景下水稻灌溉需水对气候变化的响应规律。结果表明:过去50年,间歇灌溉和淹水灌溉模式下水稻耗水量呈现显著上升趋势,而水稻灌溉需水量和产量都呈现下降趋势,分别由降水增加和气温升高、辐射下降导致的生育期缩短引起;未来气候情景下,间歇灌溉和淹水灌溉模式下水稻耗水量在未来3个时期(2020s,2050s和2080s)均呈现不同程度的增加;耗水量的显著增加和降水的减少导致了未来3个时期水稻灌溉需水量的明显增加;受持续增温的减产效应影响,水稻产量在未来3个时期呈现减少趋势,且降幅逐渐变大。     

节水灌溉条件下水稻气孔导度模型的改进

为了研究节水灌溉条件下水稻叶片气孔导度与相关因子的响应关系模型,于2006年在河海大学国家重点实验室昆山试验研究基地进行了田间试验。根据实测资料分析了水稻气孔导度与各影响因子的响应关系,引入了水稻叶片叶气温差改进了气孔导度模型,并对两类气孔导度改进模型进行了比较。结果表明：改进的气孔导度模型在节水灌溉条件下具有更高的模拟解释能力;基于Jarvis模型改进的气孔导度模型比Leuning-Ball改进模型具有更好的模拟效果。推荐Jarvis改进气孔导度模型作为节水灌溉条件下的水稻叶片气孔导度响应模型。     

基于田间调查数据分析漳河灌区水稻灌溉水生产力分布异质性及其影响因素

在漳河灌区农田尺度的基础上,基于农户调研结果和文献调研的大田数据,分析当地水稻灌溉水生产力及其影响因素的空间异质性,利用相关性分析和偏最小二乘回归分析进行灌溉水生产力关键影响因子的筛选。结果表明：（1）漳河灌区总、四干渠控制村组水稻产量最小,灌溉水生产力则表现为三干渠控制村组最大而总干渠控制村组最小;（2）灌溉水生产力与单位面积灌水量、生育期日平均太阳辐射和土壤粉砂粒含量呈现极显著负相关,与日平均气温和土壤黏粒含量呈现极显著正相关;（3）灌溉水生产力受单位面积灌水量、施氮量、生育期内日平均气温、日平均太阳辐射和土壤黏粒含量的影响较大。因此,管理措施和气象因素是改善漳河灌区水稻灌溉水生产力的关键因素。研究结果可以为改善当地水稻管理水平、提高灌溉水生产力提供数据支持。     

季节性冻融区井渠结合灌域地下水动态预报

该文以河套灌区永济灌域为研究对象,建立考虑冻融影响的分段式水均衡模型,预报12种井渠结合节水情景的地下水动态响应。结果表明:冻融期间气温对地下水埋深的影响在时间上滞后46.5 d,两者相关关系明显;地下水开发利用越多、秋浇采用黄河水的比例越小,节水规模越大,同时地下水位下降越明显。12种节水情景中,节水规模占现状引水量的5.7%~15.5%,全灌域平均地下水埋深增加0.05~0.24 m,井渠结合区地下水埋深增加0.16~0.38 m;灌域引黄水量与地下水埋深关系用二次函数进行拟合,决定系数R~2达到0.88以上;灌溉水利用效率的提高以及地下水位下降引起潜水蒸发的减小是井渠结合节水的实质。分析结果表明,考虑冻融影响的水均衡模型简单实用,可为中国西北干旱半干旱地区开展井渠结合地下水响应预报提供参考。     

考虑季节性冻融的井渠结合灌区地下水位动态模拟及预测

该文以季节性冻融灌区内蒙古河套灌区为研究对象,建立灌区冻融期地下水补排模型,与三维地下水数值模型相结合,构建适用于季节性冻融灌区的生育期-冻融期全周年地下水动态模拟模型。采用河套灌区2006—2013年灌区实测地下水埋深对模型进行了率定和验证,并针对河套灌区不同地下水矿化度可开采区(分别为2.0、2.5及3.0g/L)、不同渠井结合比设置了18种井渠结合节水情景,对其地下水动态进行了预测。结果表明,该文构建的冻融期模型能准确反映其地下水动态过程;井渠结合后地下水埋深变化与井渠结合区地下水开采利用的矿化度上限和渠井结合比有关,井渠结合区地下水矿化度上限越大,渠井结合比越小,地下水埋深增加越多;实施井渠结合后,灌区生育期平均地下水埋深增加0.103~0.445 m,秋浇期增加0.076~0.243 m,冻融期增加0.096~0.216 m;从空间上看,全灌区年均地下水埋深增加0.096~0.316 m,井渠结合区增加0.346~0.635 m,非井渠结合区变化较少,一般不足7 cm。该文为季节性冻融灌区开展大规模井渠结合灌溉提供参考。     

利用地下水模型模拟分析灌区适宜井渠灌水比例

为了获取泾惠渠灌区适宜井渠灌水比例,科学合理地确定农业节水方案,该文综合应用ArcGIS和PMWIN地下水模拟软件建立了灌区的地下水分布模拟模型,根据灌区历年农业用水实际情况设定了10种灌溉情景模拟灌区地下水位的变化趋势,通过地下水模型分析研究了灌区井渠灌水比例。利用VB程序语言改写EVT蒸发蒸腾子程序包,使其能模拟非线性蒸发,潜水蒸发量计算精度得到较大改进。研究表明:1)渠首有效灌溉引水量在3.7～4.1亿m3,井渠灌水比例控制在0.35～0.55,基本可以保持灌区地下水采补平衡;2)渠首有效灌溉引水量在1.5～2.0亿m3,井渠灌水比例控制在0.5～0.7,也能实现灌区地下水采补平衡;3)目前井渠灌水比例在0.9～1.2,已引起灌区地下水超采。建议井渠灌水比例控制在0.5～0.7,加大农业节水力度、增加水价财政补贴、进行地下水人工调蓄,实现灌区水资源高效持续利用。     

河网区灌溉水利用系数的尺度转换

大尺度灌区灌溉水利用系数的测定条件难以保障,而小尺度灌区的灌溉水利用系数可以通过试验测定,如何通过小尺度灌区的灌溉水利用系数来预测大尺度灌区的灌溉水利用系数,就有必要对灌溉水利用系数的尺度转换问题进行研究。河网灌区的特点是没有统一的水源引水口,通常是由若干个小灌区合并成一个大灌区,是一个典型的自相似系统。论文以地处里下河水网地区的盐城市水稻灌区作为研究对象,于2012-2013年对9个县区不同规模的样点灌区进行了灌溉水利用系数的试验观测,利用分形理论研究了河网灌区的分形特征,运用盒维数法计算了盐城市河网灌区和不同尺度灌区的盒维数,其盒维数介于1.703~1.996之间,并随着面积尺度的增加而增大。基于灌溉水利用系数与灌区面积、盒维数的相关性,建立了河网灌区灌溉水利用系数尺度转换模型,并通过验证,表明该尺度转换模型能够较好地预测河网灌区灌溉水利用系数,同时也能够很好地实现灌溉水利用系数的尺度转换,为分析河网灌区灌溉水利用系数及其尺度效应提供了新途径。     

日光温室柔性蓄水池设计研究

甘肃省沿黄河两岸高扬程电力提水灌区发展日光温室所面临的最大问题,就是冬季电力提灌泵站停运,日光温室生产无水源保障;其次,甘肃省沿黄河两岸高扬程提水灌区均为黄土台塬坡地,由于黄土的强透水性和湿陷性,使这里修建钢筋混凝土蓄水池的造价很高。为了充分开发黄土台塬坡地日光温室的生产潜力,试验设计了一种日光温室柔性蓄水池,储水量大,防渗性能好,水面蒸发损失小,冬季能保证日光温室作物所要求的水温,而且工程造价比刚性的钢筋混凝土水池低,很适合在干旱缺水的寒冷地区以及强透水性土壤、沙漠地区贮存水源,发展冬季温室生产。     

基于改进SWAT模型的南方多水源灌区灌溉用水量模拟分析

为提出一种合理有效的南方多水源灌区灌溉用水量模拟统计方法,该文针对南方多水源灌区水循环及灌溉取水特点对SWAT模型进行改进,尤其添加了多水源自动灌溉模块用于模拟作物不同水源类型的灌水量,并统计推求灌区灌溉用水量。以浙江省浦江县通济桥水库灌区为例,应用改进SWAT构建灌区水循环模型,利用灌区出口实测月径流数据及4条干渠渠首监测的灌水量数据校正及验证模型,其中月径流在验证期的Nash-Suttclife效率系数为0.89,干渠灌溉用水量模拟值与观测值相对误差的绝对值最大不超过20%,表明改进SWAT模型具有良好的模拟效果。利用所建模型模拟分析通济桥水库灌区长系列灌溉用水量,结果显示灌区灌溉用水量呈现丰水年小、干旱年大的变化规律;除监测的骨干水源通济桥水库及浦阳江取水以外,灌溉用水量的41.40%来源于灌区内部的河道、塘堰及小型水库,说明只监测干渠渠首灌水量无法统计整个灌区灌溉用水量;随着灌区节水改造投入,灌区灌溉水利用系数提高,其灌溉用水量减少。基于改进SWAT模型进行多水源灌区灌溉用水量模拟为灌区灌溉用水量统计分析提供了一种有效的方法。     

灌区蓝绿水资源与作物生产水足迹多时空分布量化分析

作物生产水足迹度量作物生产过程对不同类型水资源的消耗,为实现农业水资源管理与评价提供了更全面的新视角。该研究通过耦合土壤水分动态平衡模块,考虑输配水损失,构建灌区蓝、绿水资源与作物生产水足迹多时间尺度分布式量化模型;以宝鸡峡灌区为例,定量评价不同典型年灌区蓝绿水资源与作物生产水足迹多时间尺度演变规律。结果表明:宝鸡峡灌区蓝绿水资源总量在2008-2017年呈上升趋势。各作物对绿水资源利用效率均持续上升,而小麦蓝水资源利用效率呈下降趋势;玉米、小麦生产总水足迹整体呈上升趋势,多年平均值分别为573和779 m3/t;作物生产绿水足迹在拔节-灌浆期占比较高,成熟期占比较低;作物生产水足迹在日尺度波动幅度最大;平水年、丰水年灌区用水存在不合理现象,枯水年作物生产单产水平最高,总水足迹最低,水资源利用效率最高。该研究所构建模型可移植适用于无排水渠系灌区水文模拟,准确量化灌区农业生产耗水,解析日-月尺度作物生产水足迹演变特征,有助于明确灌区作物耗水规律,进而高效利用绿水资源,合理配置蓝水资源,提高作物产量,实现高效生产。