HYDRUS-2D模型在渠道渗漏数值模拟中的应用

采用HYDRUS-2D模型进行模拟计算渠系水渗漏量,考虑饱和流与非饱和流的联合求解的渠道渗漏二维数值模拟方法,以山西省庞庄灌区碱刘断面为例,模拟了不同运行情况下渠道两侧的地下水土壤水动态变化,并与文献中的试验数据和结果对比分析,验证了数值方法模拟渠道渗漏的可靠性与参数选择的合理性。     

基于温度示踪法的典型农渠渠道渗漏模拟研究

以渠道渗漏土壤水动态及热伴生机理为理论基础,利用热示踪技术,选取内蒙古河套灌区典型农渠开展野外监测、原位热示踪试验,利用温度示踪结果定性分析渠系渗漏过程。利用二维水热运移数值模型VS2D对渠道渗漏条件下饱和/非饱和土壤的水热迁移过程进行模拟,反演出试验区粉砂壤土和砂壤土的饱和水力传导度分别为0.025 m/d和0.6 m/d。通过静水试验数据对模型进行验证,结果表明,温度模拟值和实测值的平均均方根差(RMSE)和平均相对误差(MRE)分别为1.6℃和2.5%,累积入渗量实测值与模拟值的相对误差为2.4%,模拟结果与实际监测数据吻合较好。研究结果表明,温度信号可用来对渠系的渗漏状况进行示踪和监测,VS2D模型模拟土壤水热运移的结果能够为灌区的渠道渗漏问题提供科学依据,可为我国北方旱区灌区水资源的管理以及渠系节水改造工程提供一定的理论和技术支持。     

梯形渠道圆柱形量水槽水力特性数值模拟

采用RNGk-ε紊流模型及VOF方法处理自由水面,数值模拟了梯形渠道圆柱形量水槽三维水流运动。通过对多个流量情况的计算,获得了驻点水深、水面位置、三维水流流态等圆柱形量水槽水力特性。数值模拟的自由水面位置、三维水流流态与试验结果基本一致,驻点水深的计算值与实测值的最大相对误差为4.11%,最小相对误差为0.53%。研究表明,采用的数值模拟方法,能够有效地模拟圆柱形量水槽水力特性,模拟精度能够达到量水设备要求的精度。     

沟渠回灌渗漏补给量的试验研究

通过渠道注水渗漏试验,得出了渠道渗漏强度与渠中水深的关系;将试验结果与理论计算比较,模拟求出了渠道土壤的渗透系数,与用双环法测得的渗透系数相比,此法能较好地反映渠道实际渗漏情况;在此基础上,计算了雄县回灌区渠系各年实际引水补给量,为该区域地下水回灌分析提供了可靠的依据。     

螺旋弯管内流动与传热特性的数值模拟

针对螺旋弯管内的流动与传热特性,以螺旋弯管传热试验中试验件模型为研究对象,基于Realizable k-ε湍流模型、第一类热边界条件下的薄壁热阻模型,对不同进口来流条件下,采用Fluent对螺旋弯管内水的流动与换热进行数值模拟.计算得到了螺旋弯管内速度场与温度场的分布,通过数值模拟结果与试验结果的比较,验证了数值模拟方法的正确性.结果表明:随着进口来流雷诺数的增大,螺旋弯管内的二次流迪恩涡核心向弯管管壁扩张;在螺旋弯管小曲率比、来流雷诺数2 280~6 000内,螺旋弯管的强化换热综合性能最佳;对模拟结果数据利用多元线性回归法,推导出螺旋弯管内换热努赛尔数、进出口压力降的准则关系式.研究结果可为螺旋管式换热器设计与优化提供一定的参考依据.     

梯形与准梯形渠道冻胀有限元分析

根据混凝土衬砌梯形渠道冻胀变形及破坏特征,通过恰当的假设及简化,利用有限元分析软件ANSYS对其冻胀过程进行数值模拟,对温度场和应力场及变形场进行分析研究,模拟结果与野外观测资料基本吻合,表明渠道冻胀的二维有限元数值模拟能够为季节冻土区渠道工程设计及力学计算提供参考和科学依据,同时模拟了准梯形渠道冻胀,指出准梯形断面抗冻胀能力高于梯形断面.     

灌区输水渠道渗漏损失测算与分析

以宁夏引黄灌区汉延渠所辖支渠网输水流量渗漏损失长期实测资料为背景，对渠道渗漏损失、渠道水利用系数及评估方法进行了探讨。给出了灌区支渠网输水利用系数的总体估算方法，并提出了支渠合理长度的确定方法。     

渠道土壤含水率的时空变化及渗漏模拟研究

【目的】探明渠道土壤含水率的时空变化及不同水深条件下渠道渗漏规律。【方法】采用恒水位静水试验,试验设置8个入渗水头,分析渠道土壤含水率的时空变化规律及不同水深、质地条件下渠道的累积入渗量及入渗速率的变化规律。基于田间层状土壤条件下开展的渠道渗漏试验,建立了二维空间上饱和-非饱和有压水头的土壤水分入渗模型,采用HYDRUS-2D软件对试验渠道及均质粉土、粉壤土的渠道进行模拟。【结果】①当土壤剖面存在分层界面时,临界面对水分入渗具有缓阻作用,分层界面底部达到饱和含水率的时间相应增长。到达一定时间后,缓阻现象消失,水分通过分层界面后,入渗呈线性均匀的变化。②利用HYDRUS-2D软件对试验渠道的水分入渗速率及累积入渗量进行模拟,经实测数据验证,试验模拟效果较好,用于渠道渗漏评价入渗速率和累积入渗量是可行的。随着渠道水深的增大,入渗速率增大,累积入渗量的变化越大。渠道水深与土壤水势梯度正相关,因而与渗漏通量正相关。③渠道土质越黏重,土粒间孔隙就越小,水流渗漏的阻力越大,水力传导度越小,土壤持水能力越大,渠道的渗漏损失越小。【结论】HYDRUS-2D软件可较好的模拟复杂条件下渠道渗漏规律,土壤的层状性对水分入渗具有缓阻现象,灌区改造优选黏性土壤可减小土壤水分入渗。     

水泵站底坎二维绕流湍流数值模拟

采用基于RNG方法的湍流模型对水泵站底坎绕流流场进行了数值模拟．在笛卡尔坐标系下，采用交错网格的有限体积法求解二维不可压Navier-Stokes方程，计算结果与试验数据以及与采用标准的K-ε两方程湍流模型计算的结果进行比较，结果表明基于RNG方法的湍流模型对于有强漩滚回流的尾流的详细结构，能够给出真实的模拟．     

顺时法——一种测算防渗渠道输水损失的新方法

基于明渠均匀流原理提出渠道输水损失测定的改进动水法:顺时法,对此方法的试验原理、试验过程、计算方法进行详细论述。在石津灌区选取有代表性的渠道,进行了静水法、动水法、顺时法测算防渗渠道输水损失效果的对比试验。试验结果表明:顺时法测定的渗漏强度为5.255 6L/(m2·h),渗漏强度的离差均值为16.9931%,均比动水法测定结果小,与静水法测定值更接近。顺时法不仅可以满足渠道测流试验要求,水流流态要求较低,测算精度较高,而且操作简单、对仪器及人员配备要求低,不影响渠道正常输水使用,可用于衬砌渠道的选型及灌区日常的测流工作中。     

文登抽水蓄能电站工程区地下水三维非稳定渗流场的数值模拟

抽水蓄能电站建设中的尾水隧洞开挖可能引起的周围地下环境的变化,在水文地质条件和工程地质特征的分析的基础上,研究了文登抽水蓄能电站工程区地下水分布特征和平硐、尾水隧洞开挖引起的强排水特征,概化出工程区水文地质概念模型,建立了工程区地下水三维非稳定渗流模型。采用求解有自由面渗流场的改进的截止负压法、改进的排水子结构法、管道子结构法和预处理共轭梯度法等理论对文登抽水蓄能电站平洞开挖和尾水隧洞开挖（衬砌后）不同施工阶段的非稳定渗流场进行了数值模拟分析。研究了尾水隧洞开挖（不衬砌）后、尾水隧洞开挖衬砌后这两种方案下地下水渗流场动态变化过程及对周围地下水环境的影响。计算结果表明：①平硐和水道系统开挖对研究区地下水位下降有着直接的影响,且影响较大。②尾水隧洞衬砌300d后,地下水流场基本恢复至稳定状态。     

密集排水孔幕饱和-非饱和全精细

对于有密集排水孔幕的工程渗流问题，只进行稳定饱和渗流分析往往是不够的，饱和-非饱和排水子结构分析方法正是解决了这一问题，同时为了全面精细地模拟排水子结构的实际渗流状态，首次提出了全精细数值模拟的理论和方法。在针对2类不同排水孔提出不同的完整水力学模型的基础上，详细讨论了不透水边界、已知结点水头边界、饱和逸出面边界、降雨入渗边界、非饱和蒸发入渗边界等有关子结构排水孔及其它表面可能存在的边界条件的分类处理方法，特别针对顶排型排水子结构排水孔内部水位提出了严密的数学处理方法。工程算例表明，本文提出的针对密集排水孔幕的全精细数值模拟方法是正确的，可以解决相关的工程渗流问题。     

基于四参数随机生长法重构土体的渗流细观数值模拟

基于四参数随机生长法(QSGS),根据土体孔隙率,重构土体微观结构.通过格子Boltzmann方法,左右采用不透水边界,上下边界采用非平衡外推格式,颗粒之间的碰撞采用标准反弹格式,建立饱和土体渗流模型,并让恒定流速的水渗入模型.结合算例,推导了宏观物理单位与格子单位之间的转换关系,编制相关Matlab程序,并且进行运算分析,探讨在计算机模拟情况下的微观土体结构中水的渗流变化规律.结果表明:根据QSGS方法所重构的土体生成过程与自然环境下多孔介质的生成过程类似,重构土体性状各异,连通性和结构与实际土体类似;在连通性良好的前提下,土体中水的渗流速度与孔隙率大小有关;同一土体中渗流通道越小的位置水的渗流速度越小,渗流通道越大的位置渗流速度越大;在相同孔隙率条件下,大颗粒土的平均渗流速度比小颗粒土的平均渗流速度大,而小颗粒土的渗流更为稳定.     

渗渠取水量变化过程初步分析

渗渠反滤层是由不同透水性、厚度不等的多层含水层组成，是典型的层状含水层。渗透水流在透水性突变的界面上，由于水流的连续性，引发界面上水流产生折射，使得各层含水层渗透水流在水平方向上的分流量存在差异，含水层平均水力梯度发生变化，渗透水流量随之发生变化。结合试验，运用水流折射定律，阐述了渗渠从闸阀开启之初到取水稳定的取水量变化过程以及产生这一过程的原因，当渗渠滤水管截取的渗流量等于表层滤层的渗透流量时，渗渠取水量便趋于稳定。     

Using an ADCP to determine canal seepage loss in an irrigation district

Seepage from earthen irrigation canals represents substantial water loss in irrigation districts. Historically, the determination of canal seepage was accomplished using the inflow-outflow method with propeller and electromagnetic type flow meters. This method was difficult, time consuming, and limited by measurement device accuracy. In recent years, advances in technology have lead to the widespread use of Acoustic Doppler Current Profilers (ADCP) for discharge measurements in streams and rivers. Even though ADCP use has become widespread for stream discharges, studies to determine canal seepage using this new technology are limited. Using an ADCP, extensive field measurements were conducted in the Middle Rio Grande Conservancy District. This paper describes the ADCP measurement protocol used to measure irrigation canal seepage and presents predictive equations for determining canal seepage based on flow rate and canal geometry.     

软弱夹层中渗流的接触冲刷机制研究

软弱夹层中的接触冲刷是引起渗透变形及裂缝通道扩展的动力条件。为研究软弱夹层中渗流的接触冲刷机制,建立裂缝水流及泥化土体渗流的耦合模型,其裂缝水流的运动用Navier-Stokes方程及连续性方程共同控制,而裂缝周围泥化土体的渗流运动则用Brinkman-extended Darcy方程及连续性方程共同控制;根据相应边界条件,求出裂缝水流及其周围泥化土体渗流的流速分布。通过将裂缝中水流的流速特征与土颗粒的受力起动特性结合起来,提出软弱夹层产生接触冲刷的临界水力坡度计算方法。经算例计算结果表明,该方法所计算的结果与试验结果基本吻合,具有工程指导意义。     

水库岩溶渗漏通道探测技术与应用

碳酸盐岩区由于特殊的地形、地貌和水文条件等易导致岩溶发育,在这样的区域进行水资源的开发利用,需要首先查明帷幕岩溶分布和发育情况,并对已有渗漏通道进行探测跟踪,从而保障水资源开发利用工程建设的顺利实施和安全稳定运行。以云贵高原黔南地区某水利工程为研究对象,采用电法、电磁波CT法,结合钻孔进行岩溶渗漏通道的地质地球物理综合探测分析。探测结果表明,针对复杂的岩溶水流动系统,综合探测方法可对岩溶渗漏通道进行有效地探测,可查明优势渗漏通道,为渗漏的处理提供可靠的依据。      

非线性井流问题水头降深的分区研究

为了对2种流态并存区域上井流问题的水头降深进行精确求解,在非线性渗流区域内对渗流规律中的非线性指数n进行了分区取值,对建立起来的水均衡方程,用Boltzmann变换进行求解,推导出了线性与非线性渗流区域内水头降深更精确的解析表达式。     

非稳定渗流下非饱和土体水力梯度的时变分析

为了研究非稳定渗流对坝体非饱和土体水力梯度的动态变化影响,考虑土体基质吸力与体积含水量的变化关系,建立了非饱和土体的渗流运动微分方程.采用SEEP/W软件对均质土坝在水位降落和上升等工况下的瞬时渗流场进行数值模拟,分析坝体上游侧、下游侧等不同深度的水力梯度变化值,以探寻坝体不同部位水力梯度在整个渗流历时内的动态变化规律及其可能发生渗透破坏的主要时间段.数值模拟结果表明:上游侧坝体底部水力梯度会在骤降历时的60%~70%时间段内出现高出稳定渗流期36.4倍的峰值,是最易引发渗流破坏的时间段;坝体上游侧水位变动区土体的水力梯度在上升历时的25%~50%时间段内增加较慢,在50%时间段后迅速增加,增加幅度达30~50倍,水位上升历时的50%时间段之后是其发生水力渗透破坏的主要时间段;水位升降对坝体下游侧土体水力梯度的影响甚微.计算结果可为大坝的调洪运行管理提供可参考的决策依据.     

新疆干旱区膜下滴灌土壤水平衡模拟

膜下滴灌技术是干旱农业区高效节水灌溉的重要手段,以玛纳斯河流域石河子试验站实测数据为基础,运用HYDRUS-2D模型对1膜4行方式下新疆棉田的土壤水运动进行了二维模拟,探讨膜下滴灌在1膜4行覆膜方式下土壤水平衡状况。结果表明,1膜4行覆膜方式下的膜下滴灌技术使新疆棉田无效水分蒸发量以及深层渗漏量大大减少,数值模拟方法可较好地模拟新疆棉田的土壤水平衡状态。上述研究可为宏观尺度上的膜下滴灌模拟与研究提供借鉴,同时对保障干旱区农业生产也有积极作用。