基于替代模型的地表水地下水耦合模型不确定性分析

在地表水地下水耦合模拟过程中,源汇项的不确定性会影响模型输出结果的可靠性,故对其进行不确定性分析十分必要。针对一假想算例建立了地表水地下水耦合模拟数学模型,并运用Hydro Geo Sphere软件对其进行同步并行求解。采用Monte Carlo方法分析源汇项的不确定性对于地表水地下水耦合模拟输出结果的影响。在不确定性分析过程中,为减少多次调用模拟模型所产生的计算负荷,采用拉丁超立方抽样和Kriging方法建立模拟模型的替代模型。结果表明:地表水地下水耦合模拟模型能够描述研究区地表水流与地下水流的水力联系;采用Kriging方法建立模拟模型的替代模型,能减少不确定性分析的计算负荷;结合风险评估,地下水水位低于地下水生态水位阈值的风险值为0.2;基于替代模型对地表水地下水耦合模拟模型进行不确定性分析,大幅度地减少了计算成本,为决策者的实际工作提供参考。     

康平县开发区水源地地下水流数值模拟及介质参数的敏感度分析

为防止地下水资源过量开采及保证康平县开发区水源地的安全生产,根据该区的水文地质条件,利用地下水数值模拟软件Visual Modflow建立了地下水流数值模拟模型,数值模拟表明:该区地下水位计算值与实测值拟合较好,可以用来预测。利用该模型对不同开采方案下水源地的流场变化进行了预报期为15 a的预测。最后采用正交试验法对模型参数的敏感度进行了分析。     

基于BP神经网络替代模型的地下水污染随机模拟

为分析水文地质参数的不确定性对地下水数值模拟模型输出结果的影响,针对假想算例进行研究.首先建立地下水数值模拟模型.运用灵敏度分析法筛选出对模拟模型输出结果影响较大的参数作为随机变量,为减少反复调用模拟模型产生的计算负荷,分别采用克里格法和BP神经网络方法建立模拟模型的替代模型并比较二者的精度,并选择精度较高的BP神经网...     

基于水动力学模型的渠道流量控制系统研究

针对渠道流量较大、水流条件复杂的流量测量问题，提出一种水动力学模型的渠道流量计算方法，并以此搭建基于水动力学模型的渠道流量控制系统。首先建立水动力学数学模型，采用两点水位量水法计算渠道流量，即在闸门上、下游选择两个断面，利用水位传感器实时测量断面水位数据，通过上位机求解水流控制方程得到两处断面的流量，取均值作为渠道的流量值，其次结合PLC搭建渠道流量控制系统，根据调度要求控制闸门的启闭，实现渠道流量的精准控制。在加大供水流量、水流条件复杂条件下，流量计算结果与多声道超声波流量计所测数据相比，平均偏差率小于5%。通过试验研究表明：控制系统流量控制误差为0.514%，系统响应时间小于200 ms，平均无故障运行时间大于10 000 h。控制系统的研究为后续渠道流量调度工程建设提供理论依据和案例支撑，具有较强的应用价值。     

地面灌溉模型的耦合类型及误差分析

地面灌溉模型能够精确模拟灌溉水流运动过程,有助于评价农田灌溉性能。现有地面灌溉模型主要包括外耦合模型、迭代耦合模型和完全耦合模型。现有地面灌溉数值模型运用较多的是外耦合模式和迭代耦合模式,基于完全耦合模式的地面灌溉数值模型研究鲜见。地表水流模型与土壤水流模型耦合过程将引起耦合误差,这是由于地表水流模型和土壤水流模型计算时会产生误差,并且基于耦合模式的地表水流计算与土壤水流计算转换也易引起部分误差。     

基于长短时记忆网络(LSTM)的地下水埋深模拟预测——以关中平原为例的实例分析

地下水资源对区域经济社会发展至关重要,而准确预测地下水埋深是合理利用地下水资源的重要依据。以陕西关中平原33眼地下水埋深观测井的实测数据为输入,探讨长短时记忆网络模型(LSTM)在地下水埋深模拟预测当中的应用。结果表明:整体上,LSTM模型可以很好模拟关中地下水埋深的变化,但是模型在训练阶段的模拟精度要高于验证阶段的。具体而言,对33眼观测井同时模拟时,无论训练次数多少,其决定系数(R~2)均大于0.98,而均方根误差(RMSE)和相对均方根误差(RRMSE)分别小于5 m和14%;而在验证阶段,尽管模拟值与观测值的R~2仍然大于0.98,但是RMSE和RRMSE的最大值分别增加至7 m和27%。与此同时,模型的训练次数会影响模拟精度,模型训练次数需要与样本进行匹配,本研究适宜的训练次数为40次。此外,样本集的数据也是影响模型模拟准确度的关键因素,将33眼井的观测数据作为一个样本集的模拟精度要高于单眼井单独作为样本集的模拟精度,表明样本容量越大,LSTM的模拟精度越高。     

MODFLOW在井灌区地下水数值模拟中的应用

利用地下水数值模拟软件VISUAL MODFLOW,根据三河市的水文地质条件,建立三河市研究区的地下水流动模型,对三河市地下水水位进行分析和预测.模拟结果表明:计算地下水位和实测结果吻合较好,模型可以用来对该区的地下水位和水量进行模拟和预报.利用模型对该区域种植结构优化后的地下水水位进行了模拟和预测.     

基于FLUENT三维数值模拟的溃坝洪水流动特性分析

为了研究溃坝水流在演进过程中的水位变化规律及负波的存在对水流演进过程产生的影响,利用FLUENT软件建立溃坝洪水三维数值模型,对溃坝时水面流动状态进行数值模拟分析。该模型耦合VOF法和k-ε紊流模型求解雷诺平均N-S方程,采用有限体积法将模型离散为六面体结构性网格,并用PISO算法进行数值求解。考虑下游有水的全溃坝、下游无水设障碍物的全溃坝、下游无水的局部溃坝3种工况,分别模拟计算溃坝水流的流动状态,首先通过与前人的实验数据进行对比分析,验证了该数值模型的正确性,然后分析溃坝水流在3种工况下水流水位变化趋势和分布状况,进一步研究了溃坝水流的流动特性和演进过程。     

基于人工神经网络的地下水流数学模型参数识别

基于人工神经网络技术 ,建立了地下水二维非稳定流数学模型的参数识别模型 ,用地下水长观孔水位降深资料识别模型参数。通过实例计算分析 ,结果表明此法适用于处理复杂条件下模型参数识别问题 ,且结果稳定可靠。     

13种典型参考作物蒸散量估算模型在安徽省的适用性评价

考虑到Penman-Monteith FAO-56(PMF-56)模型在估算参考作物蒸散量(ETref)时受限于对大数据集的要求以及复杂的计算过程,此时迫切需要寻找计算过程简单且输入变量较少的经验模型.首先采用安徽省2001-2014年65个气象站点常规气象观测数据,通过相对均方根误差(RRMSE)、平均绝对误差(MAE)和Nash-Sutcliffe(NS)系数对13种典型ETref估算模型的模拟性能进行系统评价;之后,采用2015-2019年数据,通过线性回归模型对13种经验模型的模拟性能进行验证.结果表明:经验模型在模拟安徽省不同自然区ETref时的模拟性能相当,差异较小.模型校准前,VA3模型表现最佳,而PEN、WMO、TRA和JH模型误差较大.模型在月尺度校准时,基于温度、辐射和组合的模型估算的ETref与PMF-56模型计算值之间拟合的R2值均呈先增后减的变化趋势,而质量传输模型与之相反;尽管质量传输模型整体模拟性能较差,但其在1-3月和11-12月的模拟效果较好,尤其在12月,WMO和TRA模型与PMF-56模型计算值之间拟合的R2值均高达0.972,优于VA3模型.模型校准后,总体模拟效果均较好,仅TRA、MAK和WMO模型在4-8月存在低估现象.因此,若能获得完整的气象数据集,VA3模型可作为PMF-56模型的最佳替代方案;除此之外,则在4-10月推荐使用基于温度和辐射的模型以及VA1和VA2模型,而在其他月份使用质量传输模型.     

圩区地下水位随机模拟模型及应用

以我国大型圩区为研究对象，开发出一通用的圩区地下水位随机模拟数学模型，用以模拟圩区地下水位随时间的变化情况．论文分析了大气降水、地表蒸发等随机变量的模拟预测方法，应用随机理论及时间序列理论对上述动态因素进行动态模拟，建立了不同边界条件的圩区地下水位机模拟模型．应用MODFLOW软件进行数值分析，给出特征点处地下水位随时间的变化规律，并提出现状封闭率条件下的适宜水面率．结果表明，地下水位模拟值与实测值最大相对误差为2.38%，成果为大型圩区工程规划管理提供了决策参考．     

基于ELM模型的浅层地下水位埋深时空分布预测

选用石家庄平原区补排因子的多种组合为输入参数,利用28眼水井的实测资料作为预测目标值,首次建立基于极限学习机(Extreme learning machine,ELM)的地下水位埋深时空分布预测模型,讨论补排因子在不同缺失情况下对模型精度的影响;利用Arc GIS分析误差空间分布趋势,并与常用的三隐层BP神经网络模型进行对比。结果表明:基于水均衡理论的ELM地下水位埋深模拟模型能够准确反映人类和自然双重影响下地下水系统的非线性关系,模型输入因子中缺失降水量或开采量的模拟结果均方根误差(RMSE)比缺失其余因子的RMSE高2.00倍及以上,同时模型有效系数(E_(ns))和决定系数(R~2)进一步降低;与BP模型相比,ELM模型可使RMSE减小43.6%,误差区间降低46.4%,Ens和R2提高至0.99,且RMSE在空间相同区域上均明显呈现出ELM模型小于BP模型;ELM模型在南部高误差区的移植精度(RMSE低于1.82 m/a,E_(ns)高于0.95)高于BP模型(RMSE超过3.00 m/a,Ens低于0.85);因此,影响地下水位埋深的主导因素是降水量和开采量,且ELM模型在精度、稳定性和空间均匀性上较优,移植预测效果较好,可利用已知资料推求区域空间内其余未知水井的浅层地下水位埋深;该模型可作为水文地质参数及补排资料缺乏条件下浅层地下水位埋深预测的推荐模型。     

圩区地下水溶质运移随机模拟模型及应用研究

以我国大型圩区为研究对象,开发出一通用的地下水溶质运移随机模拟数学模型,用以模拟圩区地下水中污染物运移与累积情况。分析了大气降水、地表蒸发等随机变量的模拟预测方法,应用随机理论及时间序列理论对上述动态因素进行动态模拟,建立了不同边界条件的圩区地下溶质运移随机模拟模型。应用MODFLOW软件进行数值分析,给出特征点处地下水中总氮浓度随时间的变化规律,并提出现状封闭率条件下的适宜水面率及年排污最大量。结果表明,地下水总氮含量模拟值与实测值最大相对误差11.67%。     

非完全对称气动柔性弯曲关节力学特性实验

为改进柔性机器人驱动器结构及数学模型,提出了一种非完全对称气动柔性弯曲关节及其数学模型。为了实现其实时闭环控制系统,进一步简化了原有数学模型,并对其力学特性进行了实验研究。搭建了力学特性实验平台,并对两种不同规格(长度分别为40、60 mm)的关节进行了测试。采用Matlab曲线及曲面工具箱对测试结果进行分析,得到了新型气动柔性弯曲关节的经验模型。该经验模型表明气动柔性弯曲关节的弯曲角度与初始长度、关节内外气压差、输出力之间存在非线性关系。与简化的数学模型比较,该经验模型具有更高的精度,其中输出角度模型相对误差平均值小于6.7%,输出力模型相对误差平均值小于2%。同时,该经验模型纠正了原有数学模型中,认为关节初始长度与弯曲角呈正比的错误结论。     

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。     

玉米秸秆粉料致密成型离散元模型参数标定

为了提升秸秆粉料致密成型过程中离散元仿真所需参数的准确性,以玉米秸秆粉料为研究对象,利用EDEM软件中的Hertz-Mindlin with JKR粘结接触模型进行玉米秸秆粉料致密成型离散元仿真模型参数标定研究。首先,以接触参数的物理试验结果作为仿真参数选择依据,应用Plackett-Burman试验对初始参数进行筛选,方差分析结果表明,玉米秸秆粉料间滚动摩擦因数、粉料与不锈钢板间静摩擦因数以及JKR表面能对堆积角影响显著;其次,以堆积角为评价指标,应用Box-Behnken试验建立了堆积角与3个显著性参数的二次多项式回归模型,以物理试验得到的实际堆积角42.60°为目标值,对显著性参数进行寻优,得到最优组合为:秸秆粉料-粉料滚动摩擦因数为0.05、秸秆粉料-不锈钢板静摩擦因数为0.47、JKR表面能为0.05 J/m²;最后,在标定的参数下进行堆积角和模孔压缩试验对比,结果表明,仿真堆积角与实测堆积角相对误差为0.68%,仿真与实际试验压缩位移相对误差为0.98%,通过对比分析两次试验中秸秆粉料模孔压缩位移变化曲线的拟合情况,得出两曲线间的决定系数R~2为0.962 7,说明所得相关参数可用于秸秆粉料致密成型离散元仿真。     

叶片形状对离心泵作透平性能影响研究

为了更好的研究叶轮出口形状对离心泵作透平性能的影响,以一台比转数为65的离心泵作为研究对象,结合数值模拟和模型试验对比分析了不同叶片形状（叶片出口倒圆、叶片出口修挫等）对于泵作透平性能的影响。通过对比原模型计算结果与试验结果对比可知,所采用的数值计算方法具有较高的精度,在设计工况附近,预测值的相对误差为3%,而在小流量工况和大流量工况分别为5%以及8%,且能够准确地模拟出不同流量下的外特性变化情况;通过对比不同叶片形状模型计算结果可知,各个流量下叶片出口修挫的模型扬程和效率都最高,而原模型获得的扬程和效率最低。     

井渠结合灌区地下水开采方案设计研究——以泾慧渠灌区试验区为例

首先根据泾惠渠灌区试验区近60a的气象、土壤资料,利用CROPWAT模型计算区域冬小麦、玉米、棉花的灌溉需水量。根据研究区需水、供水之间的关系以及渠井适宜比理论提出3种地下水开采方案。在试验区水文地质条件的基础上,运用Visual Modflow软件建立了地下水流数值模型,并从地下水合理埋深、丰枯季地下水量构成等角度,对不同开采方案下的地下水动态变化进行了分析和验证。结果表明:通过对未来年地下水位的预测可知,3种开采方案下的地下水埋深都在合理的埋深范围内;对比分析发现第2种方案的地下水开采所引起的降深适中,开采量有可靠的补给保证,并在丰枯两季形成动态调整,为最优方案。该研究为今后试验区地下水的合理开采提供了科学依据。     

ET_0变化趋势分析及估算模型研究——以新乡站为例

【目的】参考作物蒸散量(ET_0)的估算是计算作物腾发量的基础,也是区域水资源评价与灌溉政策制定的前提,因此,研究ET_0变化趋势与估算模型能够对该地区农田灌溉用水预报提供基础支持,进而为灌溉制度的制定以及水资源高效利用提供科学依据。【方法】以河南新乡气象站1962―2016年气象资料为基础,运用Penman-Monteith模型计算ET_0序列,Mann-Kendall趋势检验法对年及季节尺度ET_0序列变化趋势进行分析,并用均值生成函数模型对其进行了拟合与验证。【结果】①新乡地区年尺度ET_0序列在1975―2016年间呈减小趋势,并在1985―2004年、2006年显著;②新乡地区春季ET_0序列在1982―1983年及1988―2003年间呈显著的减小趋势,夏季ET_0序列在1980―2012年间呈显著的减小趋势。③均值生成函数模型在对年尺度ET_0序列进行拟合时,其一致性系数达到0.83,绝对误差与相对误差分别在-120.8～120.0 mm及-14.0%～18.2%之间。④均值生成函数模型在对季节尺度ET_0序列进行拟合时,其一致性系数在春、夏、秋、冬各季节分别达到0.85、0.81、0.88及0.89,绝对误差分别在-60.2～64.3、-64.4～58.9、-39.6～32.8、-37.0～25.1 mm之间,相对误差分别在-20.1%～36.7%、-22.1%～32.1%、-18.0%～22.9%、-23.9%～24.6%之间。【结论】新乡地区年尺度ET_0序列在1985―2004年间显著减小,均值生成函数模型在对年及各季节尺度ET_0序列进行拟合时整体效果较好,因此,可通过其进行年及季节尺度ET_0序列的估算,且其在秋、冬二季的拟合效果明显好于春、夏二季。     

基于数据同化的地下水埋深插值研究

以西北干旱区典型县域磴口县为研究区,以2015年8月份40个地下水采样点的样品数据为基础,引入集合卡尔曼滤波(En KF)数据同化将其优化作为主变量,以蒸散发量反演结果以及归一化植被指数(NDVI)数据为协变量,进行协同克里金插值,同时与未采用同化的协同克里金插值结果以及经同化采用普通克里金插值结果进行交叉验证。结果表明:三者在较大空间尺度上对地下水埋深空间分布趋势的模拟基本一致,南部沙漠地区整体较高,在空间分布上表现为明显的地理规律性。同化后的数据进行协同克里金插值的结果改善最显著,平均误差、均方根误差、平均标准误差均优于未同化插值结果,其中平均误差仅为0.270 5 m。与普通克里金插值方法相比,协同克里金插值考虑蒸散发与NDVI的协同作用,精度明显提高,平均误差减小0.409 7 m,均方根误差减小0.078 4 m,平均标准误差减小1.016 7 m。