长江三峡花岗岩地区降雨因子对优先流的影响

为研究降雨对优先流的影响,在长江三峡花岗岩地区,选择了一受人为活动影响较小的天然次生马尾松林地作为试验场地。采用自记流量计记录了优先流过程,同时对降雨过程进行测定。降雨过程中分别测定了降雨总量、降雨历时、前期降雨、>20 mm/h降雨量及最大降雨强度5个因子,优先流过程中测定了优先流流量、历时、对降雨响应的滞后时间、峰值流量4个因子。分析结果表明,降雨对优先流的制约关系十分明显。影响优先流流量的主要是降雨总量,影响优先流历时的主要是降雨历时和降雨总量,影响优先流峰值流量的主要是降雨总量。采用强迫引入法,建立了优先流因子与降雨因子回归方程。     

梯形消能墩组合式台阶消能工水力特性

为了提高溢洪道的消能效果,降低台阶面负压,该研究对其提出了消能墩与台阶组合的布置形式,在台阶凸角处布置梯形消能墩。通过模型试验与数值模拟的方法,研究单排布置与单排交错布置下组合式台阶消能工的流态、流速、压强和消能率,并与传统台阶消能工的水力特性对比。结果表明,组合式台阶消能工与传统台阶消能工水流流态基本相同,在凸角布置消能墩产生雍水作用,水流更为平缓;在靠近台阶水面位置,组合式台阶消能工水流流速相较于传统台阶消能工降低5%,并且各体型台阶消能工断面流速遵循底层小,表层大的规律;组合式台阶消能工的台阶水平面与竖直面在靠近凸角附近存在负压,且相较于传统台阶消能工在竖直面上负压范围缩小60%～70%;相对临界水深由0.714增大到1.486时,组合式台阶消能工较传统消能工消能率下降幅度小,且在相对水深较大的情况下消能率仍可达到70％以上,具有更好的消能特性,可为台阶溢洪道的相关工程提供参考依据。     

蒿坪河小流域降雨径流特征研究

选取丹江口水库河南部分的最大入库河流老鹳河的支流蒿坪河小流域为研究对象,依托径流场等野外设施,系统开展了不同坡度和土地利用类型降雨径流特征的研究,研究结果表明:蒿坪河小流域降雨年度分布不均,暴雨集中型降雨产流量大,是产生非点源污染主要降雨类型。0°～5°耕地、5°～10°耕地、10°～15°耕地、栎林和果园平均径流系数分别为2.01%,2.98%,5.44%,16.47%和2.42%。陡坡地带栎林在降雨侵蚀力大于0.5的时候开始产流,以超渗方式为主;果园在降雨侵蚀力大于2.5的时候开始产流,以蓄满产流为主;耕地产流受人为影响显著,产流界限不容易确定,在暴雨集中型降雨条件下其产流以超渗方式为主。栎林和果园产流量与降雨侵蚀力均存在一定的线性相关性,R2分别为0.939和0.912。耕地由于受人为影响比较大,其产流与降雨侵蚀力关系波动较大。在暴雨集中型降雨条件下,坡度是影响产流的主要因素,10°～15°耕地产流和0°～5°,5°～10°差异性显著(P0.05)。在小雨集中型降雨条件下,土壤结皮成为影响产流的主要因素。对大于10°的耕地,实施坡改梯工程,根据气象条件适时的锄地,有利于雨水的下渗,对于保持土壤水分、减少径流和农业非点源污染都有很重要的现实意义。     

青海高寒区典型植被地表径流及氮磷流失特征

研究自然降雨下青海高寒区典型植被地表径流与氮磷流失规律及其影响因素,可为青海高寒区植被建设及水土保持研究提供科学依据。该研究以青海高寒区青杨林、祁连圆柏林、青海云杉林、荒草地、华北落叶松林典型植被为研究对象,采用径流小区结合室内试验分析研究不同植被类型地表产流及氮磷流失特征,并基于冗余分析探明影响氮磷流失的主要因素。结果表明:1)自然降雨条件下,不同植被类型降雨截留效果不一致,且截留效果受降雨量大小影响。在雨量级0～50 mm中,各植被平均截留率表现为青杨林(49.37%)、祁连圆柏林(32.62%)、荒草地(21.21%)、青海云杉林(18.90%)、华北落叶松林(9.28%)。2)研究时段内穿透雨量与地表径流量呈正相关,地表产流受穿透雨量影响较大;不同种植被类型减流效果差异明显,华北落叶松林的减流效果最佳,青杨林减流效果最差。3)青海高寒区氮磷流失量相对较低,地表径流氮磷流失量表现为硝态氮氨氮磷酸盐;不同植被类型氮磷流失总量表现为青杨林荒草地青海云杉林祁连圆柏林华北落叶松林。4)冗余分析结果表明,氮磷流失主要受地表径流量、饱和含水率、容重影响。5种典型植被均能有效的降低地表径流、减少氮磷流失,华北落叶松林的截流、控制养分效果最佳,青杨林的最差;减少地表径流、降低饱和含水率、增加容重能有效减少氮磷流失。该研究为今后区域植被建设提供了参考。     

宽浅陡槽急流动量分布特征及稳定性研究

采取改变陡槽底坡的系列模型试验,对宽浅急流特性及其对下游消能流态的影响进行分析研究,探讨影响宽浅陡槽泄水消能流态稳定的主要原因。研究表明,宽浅急流能量损耗远大于一般明渠急流,且动量横向分布存在两种不同形态:"椭圆型"与"马鞍型",前者水流稳定性差,有可能产生立轴漩涡,降低消能率;后者水流稳定性好,消能比较充分。同时研究发现,相同流量下,随着弗劳德数Fr的增大,水流的抗扰动能力相应增强。提出宽浅急流是否稳定主要取决于跃前断面宽深比B/h和弗劳德数Fr两个要素,并拟合出用于流态判别的临界曲线,该曲线可为实际工程设计提供帮助。     

不同土地利用产流产沙与降雨特征的关系

为了明确土地利用对水土资源的影响 ,必须明确不同土地利用的产流产沙特征 ,尤其是要研究与降雨特征的关系。通过对陕西省安塞县降雨侵蚀资料的分析 ,研究了不同土地利用方式产流产沙随降雨量、降雨强度和降雨侵蚀力变化的规律。不同农作的侵蚀性起始产流雨量雨强差异不明显 ,不同土地利用产流产沙随降雨特征的变化具有明显的分段性 ,产流产沙及减流减沙主要是在I3 0 ≥ 0 .4mm/min ,P≥ 5 0mm时段内产生 ,它们的差异也主要发生在该时段内。同时 ,不同土地利用的产流产沙和减流减沙还具有明显的季节性     

模拟降雨条件下不同覆被减流减沙效益与侵蚀影响因子

[目的]研究不同坡度和降雨强度条件下,不同覆被的减流减沙效果,定量分析各侵蚀影响因子的权重。[方法]采用室内人工模拟降雨的方法。[结果](1)与裸地相比,枯落物、砾石和黑麦草均具有良好的减流减沙效果,枯落物的减流效果最好,减流效益最大为79.7%,平均减流效益46.1%。其次为黑麦草,最大减流效益68.9%。第三为砾石,最大减流效益68.0%。(2)黑麦草的减流效果存在临界盖度,其值在60%左右,当盖度大于60%后其减流效益不再增加。(3)减沙效益随着盖度的增加而增加,枯落物、砾石和草地最大减沙效益分别为98.8%,64.6%和88.1%。(4)经过灰色关联定量分析得出选取的8个影响因子与径流均有较高的关联性,关联度都在0.622 3以上。[结论]不同试验条件和不同覆被对坡面产流产沙具有明显影响,降雨强度和降雨量是对泥沙量影响较大的因素,降雨强度、降雨量、覆被盖度和坡度是对径流量影响较大的4个因子,影响因子与径流和泥沙的关联度和关联序因土壤种类不同而存在差异。     

基于Fluent软件的滴灌双向流流道灌水器水力性能数值模拟

开展滴灌双向流流道数值模拟研究,对提高灌水器研发效率,降低研发成本,分析流道消能机理具有重要意义。通过Fluent软件计算的数值模拟结果和试验数据的对比,重点研究了网格划分和湍流模型选取对模拟精度的影响,以及流道的消能机理。结果表明:当网格划分为0.2 mm,分别采用Realizable k-ε模型与标准k-ω模型模拟时,模拟值与实测值的相关系数均高于0.998,数值模拟精度和计算效率较高;且流道的进口压力越大,反向水流与正向水流的比值越大,流态指数越小,水力性能越好,特别是在灌水器压力低于0.10 MPa区间,流态指数低于迷宫式流道;从流道的速度矢量图可以明显的看出正向水流与反向水流的分布与混掺过程;分析流道压力分布图,发现流道内压力在正、反向水流混掺后大幅度下降,进一步验证了双向流流道的消能机理与消能效果。     

曲亭水库溢洪道工程设计

曲亭水库是一座中型水库,大坝为均质土坝,最大坝高49 m,1959年11月动工兴建。溢洪道位于大坝左岸0 530处,为正槽开敞式,现状为仅开挖了一部分土方,没有衬砌,进口设土堰封堵,不能泄洪使用,使水库抵御洪水的现状能力满足不了部颁100年一遇设计、1 000年一遇校核的标准,因此需进行衬砌改造,并在进口增设两孔闸门,以实现除险加固。本文简述了该水库溢洪道工程设计的总体布置、体型设计,并对水工模型试验、设计改进、挑流消能作了说明,旨在供类似工程设计时参考。     

不同降雨等级下杉木林土壤含水率和侧向流变化特征

为了探究不同降雨等级对林下不同深度土壤含水率和侧向流变化的影响,探究南京城郊杉木林各层土壤含水率、侧向流变化对降雨事件的响应,分析土壤含水率变化量与累计降雨量和侧向流的关系,初步探讨杉木林的水源涵养机制。选取南京市铜山林场46年生杉木林,在大、中、小3种降雨等级下,采用ECH₂O土壤水分监测系统对土壤剖面0—5,5—15,15—30,30—60 cm的土壤水分含量进行了实时连续监测。结果表明:（1）0—5,5—15 cm土层土壤含水率变化曲线和降雨量变化曲线具有同步性,15—30,30—60 cm土层含水率达到峰值时间滞后1～1.5 h;（2）小雨条件下,只有0—5,5—15 cm土层变化趋势较明显,侧向流主要发生在5—15 cm土层;（3）中雨条件下,雨强在8 mm/h和15.2 mm/h时,土层含水率出现2次明显的响应,侧向流主要发生在15—30 cm土层;（4）大雨条件下,累计降雨量22.8 mm时,5—15,15—30,30—60 cm土层出现峰值,侧向流主要发生在30—60 cm土层;（5）小雨、中雨、大雨过程中产生的最大侧向流分别为1.55,13.88,94.77 mm,随着降雨量的增加,侧向流有增加的趋势。土壤水分入渗为非饱和入渗,随着土层深度的增加,含水率峰值逐渐增大,侧向流增加较明显。土壤含水率变化和降雨量有较好的线性关系且相关性较强,随着降雨量的增加,土壤含水率和降雨量的相关性越来越差。土壤含水率变化量与累计降雨量和侧向流三者间互有显著相关性,最大侧向流与累计降雨量呈指数关系,y=0.7614e^0.2238x。     

黄河上游内蒙古河段塑槽输沙需水量分析

为了解冲积性河流塑槽输沙需水量,合理调配水资源,以内蒙古河段为例,依据挟沙水流能量平衡方程,研究了冲积性河流挟沙水流的能量耗散原理及水流塑槽和输沙能量的分配模式,给出了反应冲积性河流冲淤状态的塑槽输沙需水量计算方法,由平滩流量、河道来沙量和冲淤量三者组成的关系确定塑槽输沙需水量。利用内蒙古河段1960-2013年实测资料,计算得到内蒙古河段塑槽输沙水量,汛期来沙量0.7～1.1亿t,塑造2 000～3 000 m~3/s的中水河槽、淤积水平控制30%以下,需要的汛期塑槽输沙水量为94.6～141.2亿m~3;分析了不同条件下汛期塑槽输沙水量变化规律:来沙量一定,同样的中水河槽规模,控制淤积水平越低,需要的塑槽输沙水量越大;来沙量一定,同样的淤积水平,塑造中水河槽规模越大,需要的塑槽输沙水量越大;控制同样淤积水平,塑造同样中水河槽规模,汛期来沙量越大,需要的塑槽输沙水量越大。内蒙古河段塑槽输沙需水量计算结果和结果变化规律可为黄河上游内蒙古河段水资源配置提供参考。     

喷雾接种生物颗粒两相流及其对菌种活性的影响

纯种固态发酵喷雾接种的喷雾系统可能会直接影响微生物的活性,造成微生物的死亡。该文利用固-液两相流理论分析了喷雾接种两相流体中微生物的受力状况,并对该两相流流态特征进行了定性,分析了流体微元体对微生物损伤程度综合衡量参数——黏性能量耗散率公式的理论依据,为后续喷头内部流场仿真奠定了基础。在FLUENT里创建了一个通过流场信息来计算黏性能量耗散率的用户自定义函数,在合理设置边界条件和初始条件的基础上,对在不同孔口尺寸、入口压力条件下空心锥雾喷头的黏性能量耗散率等内部流场进行了数值模拟;设计并制造了一套喷雾接种试验系统,确定了相应的测试试验酵母菌活性的方法。采用CFD仿真和试验验证的方法量化分析了喷头孔口尺寸、喷雾参数等因素对喷雾后生物活性的影响。结果表明,用喷雾接种实现纯种固态发酵过程的自动化、保证接种的均匀性是可行的;接种时喷雾压力越大、喷头孔口尺寸越大,喷头内部流场内能量耗散率极值也越大,菌种死亡率越高,据此可以找到保证接种后微生物存活率的最佳喷雾特性参数。该文的研究为固态发酵喷雾接种或病虫害防治喷施生物农药的应用提供了基础,并可为进一步研究其他喷头对微生物活性的影响提供借鉴。     

基于粒子图像测速技术的液力偶合器漩涡流动特性研究

液力偶合器内部流动特性对能量的高效传递非常重要。深入研究液力偶合器内部流动机理和流场结构分布,对于优化液力偶合器腔型结构并进一步提高其工作性能具有重要意义。液力偶合器的内部流场是具有多种流动结构和多种物理效应并存的流场,存在多种复杂的流动现象,尤其在制动工况下液力偶合器涡轮内部流动是一种特殊的漩涡流动。为了研究制动工况下涡轮独立流道内漩涡流动的产生与运动,基于粒子图像测速技术（particle image velocimetry,PIV）采集涡轮径向切面流动图像。通过灰度化增强、阈值分割、边缘检测、锐化等图像处理技术识别涡轮内部大尺度漩涡流动,定性分析流场结构分布;采用连续帧图像互相关算法定量提取涡轮内部速度场和涡量场,研究涡轮内部小尺度漩涡流动;分析漩涡流动产生的原因及其对液力偶合器能量传递的影响;讨论不同尺度涡旋发展变化的过程,通过涡量场分布结果研究流体能量耗散。分析涡轮近壁面流动区域上的漩涡流动,证明壁面边界区域上的相对涡量将对能量耗散产生重要影响。通过PIV试验研究实现了涡轮内部漩涡流动可视化与流动参数定量化提取,PIV试验研究结果可为液力偶合器内部流动机理研究提供参考。     

改进型深筒式消力井消能效果及影响因素分析

为优化深筒式消力井装置的结构,使其在增加消能率的同时而不影响水流平顺流入下一级管道,并能降低水流对消力井井底的冲刷破坏作用,通过理论分析和模型试验研究,测量了消力井的相关水力参数,计算了不同结构体型消力井的水头损失系数和消能率,从消能率的角度探讨了多喷孔出水口的结构参数、溢流板高度与水头损失系数之间的关系,结合井底压强分布情况寻找较优的结构体型。结果表明:采用多喷孔出水口并增设溢流板的改进Ⅱ型消力井消能率比传统型的要高30%且井底压强分布均匀,在结构上具有明显优势。改进Ⅱ型消力井在小流量情况下过堰水流为自由出流,此时消力井水头损失系数会随流量的增加而降低,当流量增加至淹没出流后消力井水头损失系数随流量变化不明显。相对开孔面积为100%时,消力井主井水头损失系数随喷孔孔径的增加会有小幅度的减小;在距径比不大于2.5时水头损失系数随距径比的增大而减小,距径比大于2.5之后对水头损失系数影响不大;喷孔错列布置的水头损失系数明显比并列布置的大;溢流板高度对消力井水头损失系数的影响不明显,在淹没出流时堰板高度小的消力井水头损失系数略微有所降低。此研究可为深筒式消力井的结构设计提供参考,亦可为解决长距离管道输水过程中的消能问题提供科学依据。     

大型剪切型混合罐的流场仿真与分析

为了考察大型混合罐内的液体流动特征,该文采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法、利用ANSYS13.0软件,选用标准k-ε模型和多重参考系法,研究大型剪切型混合罐内的流体力学特性,获取大尺度混合罐内的压力、速度、湍流耗散率等参数及液体流动特征,并通过可视化试验验证了混合罐内流体的流动情况。研究结果表明,随着叶轮转速的增加,混合罐内的负压区扩大且压差增大,液体流速增大,使混合罐内的湍流作用增强,高剪切装置内及附近区域的能量耗散率非常高且集中,说明在这些区域内的混合效果显著。研究结果可为此类工业用混合罐的优化设计提供参考。     

考虑河道输水损失的大型泵站系统运行优化

大型泵站前池水位变化频繁且变化幅度较大时,机组经常偏离高效区运行,造成能源浪费。泵站系统中除了主机组、辅助设备和输变电设施消耗能量外,河道的输水水量损失和水力损失也综合成泵站所抽提水体的水能损失,进而影响泵站的运行性能。根据水源水位变化,在调水目的地水位一定的情况下,考虑河道输水水力损失与水量损失,首先分别确定调水目的地需要流量与泵站抽水扬程、抽水流量之间的关系,避免了优化计算过程中水位的重复迭代,极大减小了计算量与计算时间。以长江三江营最大潮差、平均潮差、最小潮差3个典型日为例,在南水北调东线淮安站站下水位及需要流量一定的情况下,以系统日运行费用最少为优化目标,建立优化模型,并采用模拟退火-粒子群算法(SA-PSO,simulated annealing-particle swarm optimization)求解,计算结果表明,与水泵设计角度运行方案相比,泵站系统实施变角优化运行,其运行费用可分别节约0.62%~2.26%、0.33%~3.26%和0.22%~0.83%。     

低温等离子体活化水发生设备及其应用效果试验

等离子体活化水（Plasma-Activated Water，PAW）具有广谱杀菌特性，可有效杀灭生鲜食品上的微生物，抑制其腐败变质。该研究基于介质阻挡放电等离子体发生原理设计了一套PAW发生设备，主要部件包括介质阻挡放电结构、通风散热通道、活化水流动通道、高压交流电源等。其中，介质阻挡放电结构采用圆柱形高压放电电极与平板形低压放电电极上下均匀间隙组配，不锈钢导流板与流动水膜一体化设计低压电极；圆柱形高压放电电极的散热采用双向逆流、内外散热通风双通道；高压交流电源的功率电路采用交流-直流-交流电路结构实现介质阻挡放电能量供给，控制电路可实现频率、电压、电流等参数监测与调控。将鲜切马铃薯片模拟感染大肠杆菌，并进行PAW杀菌保鲜试验，以验证所研制设备的应用效果。结果表明，在进水流量600 mL/min、电极空气间隙10 mm、物料与活化水质量比1∶20、电源电压137.4 V、杀菌时间4.72 min条件下，PAW对染菌马铃薯片的大肠杆菌杀菌率达（98.65±0.59）%，经过24 d 贮藏后，不清洗组、蒸馏水清洗组和PAW清洗组染菌马铃薯片硬度分别为（3.01±0.84）、（3.54±0.81）、（4.70±0.48）N，色差值分别为22.08±1.05、13.21±1.43、7.35±0.82，相对电导率分别为（28.00±6.43）%、（26.72±2.07）%、（17.19±2.26）%，可溶性固形物含量分别为（6.850±0.120）%、（5.430±0.006）%、（3.080±0.006）%，腐烂率分别为（87.04±1.63）%、（76.32±1.60）%、（52.09±1.41）%，PAW清洗组染菌马铃薯片品质优于不清洗组、蒸馏水清洗组，PAW杀菌保鲜效果良好。该研究可为等离体子活化水杀菌技术研发及产业化应用提供参考。     

Application of a displaced-beam small aperture scintillometer to a deciduous forest under unstable atmospheric conditions

Scintillometry is an optical measurement technique that measures turbulence. It offers advantages: it has a larger footprint because of its long measurement path and it is free from flow distortion resulting from the instrument itself. We applied a displaced-beam small aperture scintillometer (DBSAS) and an eddy-covariance (EC) system 10 m above a deciduous forest canopy of 18 m height under unstable atmospheric conditions between June 2002 and November 2002. The difference between DBSAS and EC sensors in terms of the dissipation rates of the turbulent kinetic energy (TKE) and the temperature fluctuations tended to change along with the deviation of vertical velocity normalized with mean wind speed. The greater value of dissipation rates by DBSAS is remarkable under the atmospheric unstable conditions with weak wind or under strong wind conditions. The dissipation rates by EC indicated greater values than by DBSAS under atmospheric neutral and weak wind conditions. The lack of energy balance observed by EC sensors showed dependence on the wind direction that was similar to relationship on the dissipation rates. The DBSAS tended to overestimate the heat fluxes against the eddy-covariance system, and did not indicate a clear relationship to the wind direction. As to verification of flux evaluated by eddy-covariance, comparison of the dissipation rates by the DBSAS with different footprints is effective on a forest canopy.     

不同糙率坡面水力学特征的试验研究

在室内试验的基础上,采用定床阻力试验研究了坡面流水力学参数(雷诺数、佛汝德数、阻力系数和流速)随床面糙率、流量和坡度的变化规律。初步得出以下结论:(1)在床面和流量相同条件下,坡面流雷诺数和佛汝德数均随坡度的增加而增大。(2)在坡度和流量相同情况下,随着坡面粗糙度增加,坡面流雷诺数和佛汝德数均呈减小趋势;同时水流流速减小,阻力系数增大,这说明水流克服阻力做功所消耗的能量也增加。     

工作压力对滴灌管迷宫流道灌水器水力性能的影响

降低滴灌系统灌水器工作压力有望成为减少滴灌系统能耗以及运行费用的一种有效途径,但目前低压灌水器还十分少见。基于此,选取了国内应用较为广泛的5种典型迷宫流道灌水器,分析了不同工作压力区间对灌水器水力性能及消能特征的影响。结果表明：5种灌水器在低压条件下运行对于灌水器流量系数Kd和流态指数x具有一定影响,但对于流态指数x的影响未达显著水平。同一流道类型的灌水器流量系数Kd与无量纲数A/L2呈显著的线性相关关系,不同流道类型之间差异显著。5种灌水器流道内流态为紊流,未发生流态转捩行为,采用常规管道流态转捩雷诺数2200去判断流道内流态是不合适的。