波流作用下围网养殖工程的桩柱结构受力分析

桩柱结构广泛应用在大型围网养殖工程中,其主体结构的安全与稳定关系到围网养殖的成败。该研究以舟山桃花岛海域双排桩柱式围网养殖工程结构(Prestressed High-intensity Concrete (PHC)桩,桩径0.6 m,极限弯矩0.246 MN·m)为例,采用地基反力法中的常数法,将海床土体简化为若干个相互独立的弹簧,分析不同水流速度、波高、水深、埋深以及波流联合条件下桩柱结构的力学特性。结果表明:桩柱结构最大位移在结构顶面且随流速、波高、水深的增加而增大,随桩柱结构埋深的增加而减小;弯矩零点上下两侧正、负弯矩均沿水深方向先增大后减小,呈现镜像的"S"形,桩柱最大弯矩在海床面以下2 m范围内且随流速、波高和水深的增加而增大,随桩柱结构埋深增加而减小;单纯流速为0.8、1.0、1.2、1.5 m/s条件下,该养殖结构安全稳定,当波高大于5 m或波高3 m、流速1.0 m/s时,桩柱结构将发生破坏;根据该研究结果,桃花岛海域围网养殖工程桩柱埋深应不小于17 m,海床面以上桩柱结构露出高度与海床埋深之比以小于0.8为宜。研究结果可为类似桩柱式围网养殖工程设计和建造提供参考。     

波流复合工况下缝边式围栏网衣水动力特性

围栏养殖是一种发展迅速的新型生态养殖模式。网衣系统是围栏养殖设施的核心组成部分,与设施的安全密切相关。该研究针对缝边式围栏网衣系统,采用集中质量点法研究其在波流复合工况下的受力特性。研究结果表明：在波高4～6 m、流速1.0 m/s、入射角度0°时,纲绳最大受力出现在距水面下1～2.5 m处的第二、三根横向纲绳两端处;网线最大受力出现在水面下第二根横向纲绳与中间两根竖向纲绳连接处;网衣受力呈现对称分布,整片网衣的载荷主要来自上半部分网衣,约占总荷载的80%;随着入射角度的增大,纲绳和网线的最大受力以及网衣的最大偏移量逐渐减小;同等波高条件下,入射角度0°～40°时,围栏网衣受力及最大偏移量下降速率较慢,入射角度40°～80°时,下降速率较快;位于两侧桩柱上的系缚点的最大受力出现在水面下第二、三根横向纲绳两端处。在工程运用过程中,建议将以上最大受力部位进行加固处理,以提升围栏网衣抗破坏能力。该研究结果可为围栏实际工程建设和维护阶段提供技术支撑。     

基于有限元的深水延绳式浮筏养殖装置抗风浪能力分析

由浮漂、网笼、主绳、桩绳以及锚固入海底的锚桩构成的延绳式深水浮筏养殖设施处于风大、浪高、流急的深水开放水域,受到复杂海况的作用,其结构的安全性与可靠性将直接影响到整个养殖生产的成败,在其结构设计时需要考虑海洋风浪流的影响,对其受力和运动特性进行研究,进而分析其抗风浪能力,为养殖设施结构的参数设计提供参考。该文基于有限元方法,通过对深水延绳式浮筏养殖装置的受力特性及其变形情况进行分析,建立筏架系统有限元分析模型,利用Broyden迭代法解有限元方程,计算了系统在不同浪级(即不同波高)海况下的筏架系统位移和桩绳的最大张力,对养殖装置的抗风浪能力进行了计算分析。以架设于獐子岛海域30 m水深的深水浮筏养殖设施为计算实例,结果显示,主绳长300 m的筏架系统在1.5 m/s流速的海域中,其桩绳最大张力为78.8 k N,横向最大位移为18.5 m,抗风浪能力为6~7级海浪(6 m波高);实测结果分别为72.7 k N、16.9 m,计算结果与实测值吻合良好。通过进一步的试验验证,该分析模型可为深水延绳式浮筏养殖设施的实际工程设计提供理论参考。     

叶片进口安放角对泵作透平外特性影响的数值模拟与验证

为充分探究离心泵作透平专用叶轮叶片进口安放角的确定方法,该文建立了液力透平专用叶轮叶片进口安放角与设计流量的关系表达式;基于ANSYS Blade Gen与NX软件,分别设计了4个不同叶片进口安放角的透平专用叶轮;在试验验证基础上,通过全流场数值计算,分析了叶片进口安放角对透平外性能的影响。结果表明:叶片进口安放角从60°增大到72°、90°和105°时,透平高效点对应的流量分别为85、90、100和110 m3/h,4台透平数值计算最高效率点流量与理论计算设计流量基本吻合,表明采用该文推导的设计流量与进口安放角的关系式合理。外特性性能曲线显示随叶片进口安放角增大,透平高效点向大流量偏移,最高效率值有所下降,且下降的速率增大。综合考虑透平最高效率及高效区范围,对于比转速为193蜗壳式单级单吸离心泵反转作透平,叶片进口安放角宜设计在60°与90°之间。该研究可为液力透平专用叶轮设计提供参考。     

黄土高原向阳沟流域水土保持措施效益分析

在ArcGIS软件的辅助下,根据不同坡度的土地利用对土壤侵蚀的影响,将向阳沟流域划分了5个坡度等级单元,利用通用土壤流失方程(USLE)对流域现有水土保持措施下不同坡度等级单元侵蚀量进行了估算,并与治理前土壤侵蚀量进行对比分析。结果表明,实施水土保持措施后,水土流失有了极大的改善,水保效益较为可观,但区域仍属中度侵蚀,25°～35°坡度等级单元对流域土壤侵蚀量的贡献最大,其次为15°～25°和＞35°等级单元。根据不同坡度等级单元的水土流失侵蚀模数估算结果分析,结合现有水土保持措施,提出了今后进一步治理的的几点建议。     

喷头导流器位置参数的计算及其对喷头性能影响

为了准确调节喷头导流器的位置,分析了垂直摇臂式喷头叶片式导流器在水射流中的运动过程,计算了导流器与摇臂转动轴间的距离、导流器中心线偏移射流中心的角度、导流器直叶片与射流中心线的夹角等3个参数各自的关系式。采用二次回归正交组合试验研究了导流器的位置参数对喷头的摇臂频率、步进角度和喷灌均匀度的影响规律。结果表明:影响摇臂频率的主次顺序依次为导流器偏移射流中心的角度、导流器直叶片与射流中心线的夹角和导流器与摇臂转轴之间的距离;影响步进角度主次顺序依次为导流器偏移射流中心的角度、导流器与摇臂转轴之间的距离和导流器直叶片与射流中心线的夹角。摇臂频率随着导流器与摇臂转轴之间的距离增大而减小,导流器偏移射流中心的角度和导流器直叶片与射流中心线夹角增大而增大;喷头的步进角度随着三者的增大而减小。优化之后导流器的位置参数分别为:导流器与摇臂转轴之间的距离为273 mm、导流器偏移射流中心的角度为4°、导流器直叶片与射流中心线的夹角为13°。导流器位置参数优化之后,喷头的水量分布更加合理;且随着组合间距的增加,优化之后的喷灌均匀度要大大高于优化之前。该研究可为垂直摇臂式喷头的设计及优化布置提供参考。     

不同前缘后掠角的双叶片污水泵性能模拟与试验

为了研究前缘后掠角对前伸式双叶片污水泵水力性能的影响规律并大幅提高泵效率,基于某一款典型的前伸式双叶片污水泵(WQ800-40-132),设计了4个不同的叶轮模型,其前缘后掠角分别为60°、100°、140°、180°。利用ICEM CFD 14.5软件对计算模型进行结构化网格划分,采用Ansys CFX 14.5软件对网格模型进行基于标准k-ε湍流模型和可缩放壁面函数的全流场数值模拟,分别从泵的外特性及内流场分析了前缘后掠角对泵性能的影响规律,结果发现:随着前缘后掠角的增加,扬程流量曲线趋于平坦,轴功率则不断增大,最高效率点向大流量工况方向偏移;在大流量工况下(1.2Qn,Qn为设计流量),前缘后掠角的增大会导致进口前缘外周边的叶片工作面处出现回流,并在前缘上方形成旋涡,造成较大的水力损失。通过对数值模拟与样机试验的结果对比,发现模拟值与试验值有较小的差别,但整体趋势基本相同。该文的研究结果对双叶片污水泵的优化设计具有较好的参考价值。     

系泊和压载方式对半潜式渔场平台动力特性的影响

为了解渔场平台的耐波性及稳性,为渔场平台主体结构设计和海上安装提供理论依据和数据支撑,该研究针对一种半潜式桁架结构渔场平台开展了模型比尺为1:30的波浪水池试验,通过试验分别研究了渔场平台在3种系泊方式(锚链长度2.67、5.34、5.34 m并悬挂200 g重块)、3种压载状态(空载、半载和满载)和6种波况(波高为16.7～23.3 cm,周期为1.64 s和2.01 s)条件下的动力响应情况,比较分析了不同条件下渔场平台系泊力、升沉、纵摇和横摇的试验结果。结果表明,选用5.34 m长度锚链并悬挂200 g重块的单点系泊系统,能够更好的降低渔场平台的系泊力。在所有波况条件下,渔场平台的各运动分量的峰值均比较小,最大升沉峰值为4.21 cm,仅占波高的约1/5,纵摇峰值仅为6.55°,横摇峰值仅为1.19°,表明渔场平台具有较好的稳性。比较3种不同压载状态,其中满载状态下渔场平台的系泊力、纵摇及横摇峰值最大,但在空载状态下渔场平台的升沉峰值最大。随着波高的增大,渔场平台的运动受力均有所增大。研究结果有助于为今后我国半潜式渔场平台发展提供一定的理论参考。     

基于动特性分析法的海上养殖平台多点系泊系统设计

养殖平台是深水养殖过程中的浮式管理基站,对其在海面位置进行约束是正常使用的先决条件,系泊系统是平台安全且准确定位的关键所在。针对使用海域浅水深、多种限制条件下的小尺度、浅吃水海上养殖平台,对其系泊系统进行了设计,采用以三维势流理论及非线性时域耦合分析法的数值计算方法对其位移、锚泊系统预张力、最大张力等方面进行仿真校核。结果表明:浅水情况下,单一钢链的悬链式系泊系统和单一纤维绳的张紧式系泊系统不能满足该平台的系泊要求;重新设计的系泊系统采用1?6的布置方式可以较均匀分配环境载荷,系泊半径95 m的情况下,选用95 m(15 m锚链+80 m纤维绳)锚腿组成的系统较好地满足了该平台的系泊要求;通过验算,传统的悬挂小质量水泥块(约15 kg/块)的方式对所设计系泊系统的产生的效果不显著,不建议对设计的系泊系统增配质量;浅水效应对系泊系统安全性的影响以及系泊平台六自由度的运动响应情况还有待深入研究。     

磁性示踪条件下坡面土壤侵蚀产流、产沙及侵蚀空间分异特征

在10°,15°,20°坡面上布设磁性示踪剂,通过模拟降雨(60mm/h)研究坡面土壤侵蚀产流、产沙及侵蚀空间分异特征。结果表明,随着坡度增大,坡面产流、产沙量递增;坡面坡度越大,达到稳定产流、产沙的时间点越靠后。10°坡面土壤磁化率降幅以上坡位最大,中坡位其次,下坡位最小;随着坡度增大,坡面土壤磁化率降幅以下坡位最大,中坡位其次,上坡位最小。坡面磁化率变化表明,10°坡面上坡位受到的土壤侵蚀最严重,在15°和20°坡面下坡位土壤侵蚀强度加大。     

深水养殖网箱浮架变形模拟及结构改进设计

由高密度聚乙烯材料制作的网箱浮架在波浪流冲击下具有明显的变形,过大变形甚至会导致浮架失效破坏。该研究介绍了一种用于模拟波流作用下网箱系统受力变形的有限元计算模型,并利用前人的研究结果对数值模型进行了验证。在此基础上,以中国南海区常用规格80 m周长的圆形网箱为研究对象,设定27种大浪强流条件,对各种规则波和水流组合条件下深水网箱浮架动力变形进行了数值模拟,给出了不同波流工况下浮架最大变形位置处的应变模拟结果。结果表明,浮架变形随着波高或流速的增加而增大,但随着波浪周期的增加变化很小,在波高7m、周期9s、流速1.5m/s条件下浮架发生屈服破坏的风险极大。为降低高海况下浮架局部屈服破坏风险,对浮架结构进行了改进,科学提出了一种能够有效增强网箱浮架结构安全的技术措施。     

深水网箱护栏力学性能分析及优化

护栏是深水网箱浮架系统不可或缺的重要构件,对支撑网衣、保持养殖容积、协同网箱浮架抵抗波浪流冲击起到重要作用。该文分别对中国当前应用的圆型深水网箱和六三型深水网箱护栏开展了弹塑性阶段的力学试验和有限元分析。结果表明:1)波流和气流的共同频率达到深水网箱护栏固有频率14.25 Hz时更易产生共振疲劳破坏;2)冲角为0°的集中载荷使护栏变形最大,此时扶手管中心为最易变形区域,立柱下端为最易破坏区域;3)同规格同材料的圆形扶手管抗形变能力显著大于六边形扶手管;4)扶手管的载荷-位移方程服从对数函数分布。护栏结构优化结果显示将管材的圆形截面处理为椭圆,护栏的水平抗弯性能增加6.58%。     

池塘三维植被网生态坡水质净化调控系统

为研究养殖池塘三维植被网护坡技术及其水质净化调控效果,试验用三维植被网、布水管和水生植物等构建池塘生态坡净化调控系统。研究发现,池塘三维植被网生态坡净化调控系统具有潜流湿地和表流湿地双重特点,空隙率为4%～9%,构建坡度应低于1:2.5,水流速度应高于0.13m/s。在池塘水体日循环量10%情况下,三维植被网生态坡可使池塘水体中氨氮、亚硝态氮、硝态氮、总氮和总磷的浓度下降46%、65%、49.2%、64.4%和39%,使养殖水体中叶绿素a浓度下降8.8%;生态坡对水体中总氮、总磷、COD的净化效率分别为0.27、0.015和0.94g/h.m2。与对照池相比,试验期间,三维植被网生态护坡池塘水体中的绿藻种类比对照池塘增加了10.7%,蓝藻种类减少了2.5%,藻类ShannonWiener多样性指数(H’)增加了38%。同时,试验池塘水体中的藻类密度下降了23%,其中蓝藻密度下降48.4%,隐藻、裸藻密度分别增加了24%和34%,藻类优势种群结构组成更有利于养殖需要。研究表明池塘三维植被网生态坡系统具有保护池埂和净化调控水质效果,是一种"经济、生态、减排"的护坡技术。     

塔拉滩地区光伏电站建设对植被净初级生产力的影响

塔拉滩地区光伏电站建设对当地生态环境,特别是植被生长,产生了重要影响。为了定量描述这种影响,本文利用CASA模型和区域蒸散模型,对塔拉滩地区潜在NPP和实际NPP分别进行估算,并以二者之差表征人类活动的影响,评估了塔拉滩地区光伏电站建设对植被NPP的影响。结果表明：（1）2010-2020年塔拉滩植被的实际NPP和潜在NPP处于上升趋势,年均实际NPP和潜在NPP分别为58.03 gC·m-2和204.05 gC·m-2;（2）塔拉滩2010-2020年间人类活动的年均贡献率为68.90%,人类活动是导致塔拉滩植被NPP变化的主导因素;（3）光伏电站对生态环境的影响具有明显的区域和阶段性特征,光伏电站建设前期由于机械开挖等因素对表层植被具有负面影响,而后期由于光伏板增温增湿、降低风速等方面产生的环境效应,能够促进植被生长。本研究有助于理解人类活动对植被净初级生产力动态变化的影响,并为塔拉滩的植被恢复和高质量发展提供科学依据。     

防雹网对果园立地环境及苹果生长的影响

在陕北黄土丘陵沟壑区以普通苹果园为对照,研究了覆盖防雹网对果园立地环境、冰雹伤害和苹果生长状况等的影响。结果表明：防雹网具有一定的升温及遮荫作用,对果园的气温、地表温度、20 cm土壤温度、40 cm土壤温度影响表现为早晚提高,中午降低,日均温略有提高,影响程度为气温＞地表温度＞20 cm土壤温度＞40 cm土壤温度,晴 天＞阴天。防雹网对果园空气湿度、土壤水分无显著影响,但极显著地降低晴天的光照强度和风速,且风速越大,降低的效果越明显。防雹网略微降低苹果叶片的光合速率,极显著地削弱枝条长势,显著降低果实产量,但对果实品质无显著影响。防雹网极显著降低果实、叶片的伤害率和伤害指数,显著提高果实的经济产值。在冰雹频繁发生区域,应加强防雹网的使用与推广。     

Modeling of net N-mineralization with a method of heuristic self-organization (GMDH)

It is possible to construct models, which describe and predict the annual course of net N-mineralization in agricultural soils, using the Group Method of Data Handling (GMDH), a method of heuristic self-organization. The advantage of this method is that complex ecosystems can be modeled without knowing anything about their structure and with only very few data points. The three input variables most often selected by GMDH for the different models have been soil temperature, soil water content and ammonification potential. Other parameters, which have been measured but usually not selected by GMDH as suitable input parameter for models of net N-mineralization are: substrate-induced respiration, soil respiration, mineralization potential, and microbial biomass C and N.     

Substantial net N mineralization during the dormant season in temperate forest soils

In temperate forest soils, N net mineralization has been extensively investigated during the growing season, whereas N cycling during winter was barely addressed. Here, we quantified net ammonification and nitrification during the dormant season by in situ and laboratory incubations in soils of a temperate European beech and a Norway spruce forest. Further, we compared temperature dependency of N net mineralization in in situ field incubations with those from laboratory incubations at controlled temperatures. From November to April, in situ N net mineralization of the organic and upper mineral horizons amounted to 10.9 kg N (ha · 6 months)^–1 in the spruce soil and to 44.3 kg N (ha · 6 months)^–1 in the beech soil, representing 65% (beech) and 26% (spruce) of the annual above ground litterfall. N net mineralization was largest in the Oi/Oe horizon and lowest in the A and EA horizons. Net nitrification in the beech soil [1.5 kg N (ha · 6 months)^–1] was less than in the spruce soil [5.9 kg N (ha · 6 months)^–1]. In the range of soil temperatures observed in the field (0–8°C), the temperature dependency of N net mineralization was generally high for both soils and more pronounced in the laboratory incubations than in the in situ incubations. We suggest that homogenization of laboratory samples increased substrate availability and, thus, enhanced the temperature response of N net mineralization. In temperate forest soils, N net mineralization during the dormant season contributes substantially to the annual N cycling, especially in deciduous sites with large amounts of litterfall immediately before the dormant season. High Q₁₀ values of N net mineralization at low temperatures suggest a huge effect of future increasing winter temperature on the N cycle in temperate forests.