开机组合对泵站进水系统泥沙浓度分布的影响

针对泵站来流含沙条件下不同开机组合对进水系统泥沙浓度分布的影响问题,该研究开展了基于欧拉-欧拉算法的大型泵站进水系统固液两相流数值分析。首先,为了定量描述泥沙对流场均匀性的影响,对比分析了清水和浑水情况下进水流场的流速分布均匀度和回流系数,发现质量浓度10 kg/m3且粒径为25 μm的泥沙会使进水流场内的同轴漩涡变成沿水深方向更大尺度的螺旋状漩涡,进水池内的回流系数增长20.6%,流速分布均匀度下降8%。其次,通过对不同开机台数和机组组合方式下进水系统内泥沙浓度分布的对比分析,发现前池和进水池两侧边壁附近泥沙浓度最高,与引渠等宽的中心区域泥沙浓度最低,两侧边壁的泥沙浓度随开机台数的减少而增大,边机组不运行会破坏流场的对称性并在边机组与边壁区域形成死水区或漩涡区,增大泥沙浓度;基于开机组合的多工况分析,建立来流速度与流场内泥沙沉积效率的二次多项式模型。最后,开展了泥沙浓度与速度之间的相关性分析,发现泥沙浓度与横向速度平方呈幂函数关系,当泥沙粒径为25 μm且质量浓度为10 kg/m3时,进水流场的不淤速度为0.421 m/s,并且不淤速度随开机台数的减少而降低。研究结果可为含沙泵站进水系统防淤措施设计提供依据。     

非对称式闸站结合式泵站前池导流墩整流模拟及试验验证

闸站结合式泵站运行时,隔墩前池侧存在严重的不良流态,危害到进水流道进口断面的入流流态。该文采用数值模拟手段对前池内的流动进行预测,并对预测结果进行了试验验证。研究结果表明:原方案靠近隔墩的前池内有大尺度的回流区,该回流从隔墩处一直延伸到靠近流道进口前的横剖面,1#进水流道进口断面上的轴向速度分布较为均匀,呈现出上下、左右对称的趋势,高速区位于断面中心,5#生水流道进口断面上的轴向速度分布不均匀,高速区迁移到断面左侧。分别采取2种导流墩整流措施对前池流态进行调整,与原方案相比,这2种整流措施均能缩小回流区的范围,并改善和提高4#和5#生水流道进口断面上的流速分布和轴向速度分布均匀度。通过定量和定性地对比试验测试结果和数值预测结果发现,二者吻合性较好,数值预测结果得到了验证,这表明该数值计算过程是可靠的,其预测结果是可信的。     

泵站前置竖井进水流道三维湍流数值模拟与模型试验

为探求大型泵站竖井流道的标准化水力设计方法,对基于规则化设计的竖井进水流道进行了三维湍流数值模拟,研究9个不同工况下的流道内部流动特性,揭示不同水平截面和纵向截面的流速分布,分析水泵入口断面的速度分布均匀度、加权平均入流角以及流道水力损失随流量变化规律。结果表明:竖井进水流道流线平顺,水流均匀渐缩,无漩涡或脱流,流态良好;水泵入口断面的速度均匀度和入流角度随流量变化很小,其平均均匀度Vu=95.46%,入流角度?=87.94°;流道水力损失随流量增大而增大,但局部阻力系数随流量增大而减小。设计制作了透明模型进水流道,测得9个不同流量下的流道水力损失,比较了数模与试验结果,并观测流态。由模型进水流道的试验结果可得出,流道水力损失较小,局部阻力系数2?6.249 10???,未见不良漩涡,数值结果与试验结果基本吻合。开展了竖井流道模型泵装置的能量特性试验,测得5个叶片角度下模型泵装置Q-H、Q-P和Q-η曲线。试验结果表明,模型泵装置在特低扬程较大的范围内均具有较高效率,其中在叶片角-2°、装置扬程1.83 m时的最高效率可达80.52%。该研究可为大型泵站竖井流道的水力优化设计提供参考。     

齐口裂腹鱼集群行为对流态的响应

为研究齐口裂腹鱼集群行为对流速和紊动能的响应关系,该研究通过可变流场的试验水槽,结合鱼群轨迹分析及集群几何特征,定量研究了适宜齐口裂腹鱼集群的水流流速和紊动能区间。在试验中每组选择10尾平均鱼龄为3龄的齐口裂腹鱼,共两组,每组进行6次重复试验,每次试验让鱼群在3 m×14 m具有横向流速梯度的矩形水槽中游动10 min,之后提取和分析鱼群游泳轨迹,获取鱼群在不同水流流速、紊动能下的最近邻距离（Nearest Neighbor Distance,NND）,集群面积,游泳分离指数（Separation Swimming Index,SSI）。结果表明,齐口裂腹鱼在特定水力条件下具有明显集群行为,上溯过程中以队列模式的队形为主,当水流流速为0.27～0.70 m/s,紊动能为0.004～0.018 m2/s2时,齐口裂腹鱼群的NND为0～0.80 m,集群面积为0～5.00 m2,SSI为0～1.20,此时集群得最为紧凑,在凝聚力、排斥力上都变现的更好。因此,为使齐口裂腹鱼能够集群上溯,推荐鱼道等工程措施营造流速为0.27～0.70 m/s,紊动能为0.004～0.018 m2/s2的水力学条件,从而对过鱼设施水流流态和水利调度进行优化。     

2D25卧式柴油机冷却水套结构的CFD模拟优化

针对高效低污染卧式柴油机的技术要求,为了设计合理的冷却系统,结合冷却水流动试验,采用计算流体动力学(CFD)三维模拟的方法建立了冷却水流动仿真模型,分析了2D25卧式柴油机强制冷却闭式循环系统的冷却水套结构对冷却水流场的影响,优化了卧式两缸柴油机冷却水套结构。研究结果表明:合理布局缸体进水孔方案可以改善缸体水套内冷却水的流动和冷却效果,减少流动损失,降低水泵的功率损耗。合理设计和布置缸盖入水孔,可以大大提高缸盖水套内冷却水的整体流动速度,减小各缸冷却效果的差异,改善热负荷高的鼻梁区以及排气侧的冷却效果。对原冷却水套结构优化后,水套整体平均流速提高了40%,整体平均换热系数提高了41.7%,在公共水腔和缸体水套上方没有出现原方案的水流撞击和大漩涡,热负荷最高的缸盖底面和鼻梁区冷却水流速和换热明显增强,各缸均匀性变好。     

土壤侵蚀过程中坡面流水力学特性及侵蚀动力研究评述

土壤侵蚀动力过程是水流和土壤两者相互作用的复杂物理过程,而含沙水流是土壤侵蚀的主要动力,深入理解坡面流水力学特征及侵蚀动力是研究土壤侵蚀动力学规律的基础.本文从坡面流水力学特性及侵蚀动力,包括:流速、水深、流态、阻力规律以及坡面流的切应力、冲刷动力、运动能量等多方面对国内外关于土壤侵蚀动力过程研究进行了系统深入的评述,并探讨了研究中存在的问题,重点指出:坡面流作为三维、非恒定非均匀沿程变量流,流动形态千变万化,坡面状况较为复杂,其均匀流理论远不能真实反应自然界复杂地表状况下的水流水力学特性及其变化规律.开展复杂地表的水流运动过程、水力学参数变化规律及坡面侵蚀水动力过程研究是今后土壤侵蚀水动力学研究的重要方向,这对于深入了解土壤侵蚀水动力过程的内在机制、构建物理侵蚀模型具有重要的研究意义.     

沟灌三角形长喉道田间量水槽水力特性试验及数值模拟

针对目前北方灌区田间沟灌缺乏有效量水设施的现状,提出了一种针对田间小流量情况的新型量水设备—便携式三角形长喉道量水槽,为进一步研究其水力特性,在沟灌简易长喉道量水槽原型试验的基础上,采用基于Flow-3D的计算流体力学方法对该量水槽的内部水流运动进行了模拟计算,对水流流态、水深、傅汝德数、纵向时均流速、紊动强度进行了分析。结果表明:试验水深值与模拟值的最大相对误差小于10%,二者水面线变化规律吻合,模拟结果精度较高;通过临界流理论推导与回归分析得到沟灌简易长喉道量水槽测流公式,其计算结果与实际流量的最大相对误差为4.34%;量水槽收缩段及喉道段纵向时均流速沿程不断增大,流速最大值的位置存在于水面以下,越靠近收缩段、喉道段出口,最大纵向流速位置越低,断面流速分布越不均匀;紊动强度总体呈现沿程增加的趋势,各断面的紊动强度最大值相对位置在0.13到0.30倍水深之间,沿程逐渐上升。     

黄土坡面细沟流水动力学特性

我国是土壤侵蚀最严重的国家之一,黄土高原地区的水土流失造成严重的生态环境恶化问题.为探求黄土细沟流的水动力学特性,从水力学及河流运动力学的角度出发,系统研究6种坡度(2.、4.、6.、8.、10.、12.),5种流量(8、16、24、32和40 L/min)组合水槽冲刷试验条件下细沟水流水动力学特征.结果表明:细沟流平均流速与径流流量呈幂函数关系,坡度对其影响较小,其原因同水流强度与床面形态的相互制约有关;黏性底层厚度与坡度、流量均呈现负相关关系;阻力系数与雷诺数无关,说明水流强度增加的同时,床面形态发育愈显著,即水流耗散能量增加愈显著,其值在0.16 ～1.45之间变化.研究结果对细沟水流水动力学的探究具有一定的理论价值,进而对黄土坡面水土流失治理及生态修复均具有一定的指导意义.     

迷宫灌水器水流流态试验

为分析迷宫灌水器流道内水流流态及其相互转换的临界雷诺数,该文对5种流道尺寸的模型中水流流动现象进行观测与分析,并进一步分析了迷宫流道内水流水头损失与断面平均流速之间的关系以及相应断面尺寸直流道内水流沿程水头损失与断面平均流速之间的关系。结果表明:迷宫灌水器不断转折的流道对水流有很大的干扰,可以使其中水流在雷诺数为41.5时就失去稳定转变为过渡区;迷宫流道进口段单元中可能出现层流,出现层流的单元数占总单元数的10%～12%。从整体来看,可认为迷宫灌水器中水流流态为紊流或过渡区;与经典雷诺试验结果不同,迷宫流道中水流水头损失与断面平均流速的2.0～2.5次方成比例;迷宫灌水器的流态指数可达到0.4～0.5;该试验迷宫流道中水流过渡区与紊流区相互转换的临界雷诺数为87.5～125.0。     

坡面径流调控薄层水流水力学特性试验

为澄清复杂地表的水流运动过程、水流水力学参数受流量及地表状况的影响,该研究采用野外标准径流小区实地放水冲刷试验,研究了鱼鳞坑、苜蓿草地、秸秆覆盖不同径流调控措施的坡面薄层水流水动力学特性的变化规律,包括水流流速、水深、流态、阻力系数。研究结果表明：坡面薄层水流的平均流速与水深主要受流量控制,其二者之间呈现幂函数关系;地表状况与流量大小直接影响着坡面流态,对于裸地与鱼鳞坑坡面,流量较小时属于层流与缓流,在流量达到3.0 m3/h时,属于过渡流、紊流和急流;而苜蓿草地、秸秆覆盖坡面均属于层流和缓流;并提出复杂坡面的阻力系数由颗粒阻力、形态阻力、波阻力叠加而成,其大小主要受地表状况影响;阻力系数与土壤侵蚀率呈现良好对数关系。总之,坡面采取径流调控措施后,其地表抗侵蚀力和泥沙搬运的能力明显强于裸地,径流流速明显降低,水流流态明显平缓,水流受阻力显著增加。研究结果对于揭示不同径流调控措施对坡面拦泥蓄水、减流减沙及侵蚀动力学机制有着重要的理论基础和实践指导意义。     

基于生态修复的青海湖沙柳河鱼道建设与维护

为减少水坝对青海湖裸鲤溯河洄游的阻隔,在入湖的沙柳河上先后建设了导壁式、简易模块式和阶梯型鱼道。通过对青海湖鱼道建设案例分析,得出鱼道设计需要关注的问题:鱼道进鱼口设计要安排在鱼类洄游通路并采取集鱼措施,鱼道设计要依据鱼类洄游能力,鱼道运行要注意改进和维护,鱼道设计需要多学科专家共同参与。结合国内外鱼道设计、建设和运行情况,提出基于生态修复的鱼道建设维护对策:确立生态系统功能价值的鱼道设计目标,确立从鱼的角度出发,系统性的鱼道设计理念、建设和管护方式。     

基于河流生态类型划分的海河流域平原河流生态需水量计算

根据河流现有生态状况,首次将海河流域平原河流划分为干涸沙化、水质污染和生境破坏三种类型,并针对不同类型河流特点和修复目标,分别用植被需水定额法、75%保证率最枯月平均流量法、生物空间最小需求法和槽蓄法计算了生态需水量。结果表明,海河流域平原河流最小生态需水量为18.12亿m3,相当于流域多年平均流量的8.4%。最后将上述四种计算方法分别与Ten-nant法进行了比较。用植被需水定额法计算的干涸沙化型河流生态需水量结果约占多年平均径流量的2.4%～5.5%,远小于Tennant法的最小生态需水量;75%保证率最枯月平均流量计算的水质污染型河流所需的生态水量占多年平均径流量的百分比为15%左右,略高于Tennant法计算的最小生态需水量;用生物空间最小需求法计算的滦河生态需水量占多年平均径流量的百分比为6%,接近于Tennant法计算的最小生态需水量;槽蓄法计算的生态需水量结果与河流水量修复目标密切相关。总的说来,本文所采取的计算生态需水量的方法在海河流域是可行的。     

汉江流域水源涵养功能的关键生态修复区识别与植被优化配置

[目的]识别汉江流域水源涵养关键生态修复区,进行植被优化配置和生态修复效果的验证,为生态修复工程实施范围提供科学依据。[方法]主要利用InVEST模型,估算2020年水源涵养量,通过水源涵养功能强弱识别关键生态修复区,将水源涵养弱功能区内有林地、灌木林、草地、未利用地和25°坡以上的耕地区域作为修复区,对修复区进行林地适宜性评价,依据林地适宜性评价结果完成各土地覆盖类型之间的优化配置,模拟完成配置后修复区的水源涵养功能,并与配置前进行比较。[结果]植被优化配置后,修复区产水量降低了6.97%,水源涵养总量提高了14.96%。[结论]汉江流域通过植被优化配置手段提升水源涵养功能具有一定的潜力,未来应在水源涵养功能的基础上同时考虑其他生态服务功能,进行汉江流域修复区识别,以便采取更全面的修复措施来解决汉江流域的生态问题。     

基于RSEI指数的长江上游流域生态环境质量时空演变及影响因子研究

为准确、及时地获取长江上游生态环境质量的变化趋势以及演变格局,基于Google Earth Engine(GEE)平台的MODIS系列遥感数据,通过计算长江上游流域生长季5—10月的绿度(NDVI)、湿度(WET)、热度(LST)及干度(NDSI)4个指标,采用主成分分析法(PCA)构建出遥感生态环境指数RSEI,并对长江上游流域生态环境进行评价。结果表明：(1) 4个指标在第1主成分(PC₁)上的平均贡献率为71%,表明依据这4个指标在长江上游流域构建RSEI是可行的;(2)长江上游流域RSEI整体呈现显著增加趋势(p<0.05),增加速率为1.1×10^-3/a,具体可细分为两个阶段,分别是快速增长期(2000—2010年),其速率为5.9×10^-3/a,以及增速放缓期(2010—2020年),其速率为3.9×10^-3/a;(3)长江上游流域生态环境质量以优和良为主,且表现为南部比北部好及东部比西部好的空间分布格局;(4) 2000—2010年流域生态环境质量改善明显,改善面积占34.7%,...     

长江流域水土流失生态化治理模式探讨

长江流域中上游的水土流失十分严重,已严重威胁到全流域的社会、生态、经济的可持续发展。虽然“长治”、“天保”、“退耕”三大工程的实施在一定程度上遏制了水土流失的加剧,但其本身仍有许多局限与不足。由于治理长江流域水土流失十分重要和紧迫,本文在详细分析的基础上提出了开征生态税、发展生态经济农业、实施生态移民、加大生态进口和发展生态旅游等一系列长江流域水土流失生态化治理的新模式。     

Ecological Restoration of Polluted Plain Rivers Within the Haihe River Basin in China

The Haihe River basin is located in the north of China and has an area of 318,000 km². The region is politically important and economically advanced. For example, the Haihe River basin sustains a population of more than 120 million and generates a gross domestic production of approximately 2,600 billion Chinese Yuan. The ecological health of plain rivers within the Haihe River basin of China is questionable because of severe water shortages, considerable water, soil and air pollution, and the destruction of the natural river morphologies. It is therefore necessary to establish a generic and theoretical restoration methodology to guide river ecological restoration efforts in the future. Thirteen methodologies and technologies were selected from an existing suit of ecosystem restoration techniques currently applied to the Haihe River catchment. These technologies were further divided into three types: water quantity adjustment, water purification, and habitat improvement. The most suitable ecological restoration techniques were selected as a function of all three types. However, direct methods of addressing water quantity and quality problems were identified as critical for the success of future restoration efforts. Examples of the application of the conceptual ecological restoration model for the representative plain rivers Beiyunhe, Yongding and Wei, all located within the Haihe River Basin, are also assessed. The conceptual model provides practical solutions to pollution problems, is generic in nature, and could therefore be applied to other polluted watercourses in densely populated regions in the developed and developing world.     

云南省澜沧江流域自然保护地生态网络构建

[目的]构建云南省澜沧江流域自然保护地生态网络,为该流域的生态安全与保护提供科学依据。[方法]以云南省澜沧江流域为研究区,选取距水体距离、距建成区距离、植被覆盖度、土地利用、坡度、高程6个生态因子构建最小积累阻力模型,将流域内国家级、省级、市县级自然保护地作为生态源地,识别源与源之间的最小阻力路径作为潜在的生态廊道,在此基础之上识别生态节点与生态断裂点,以此构建出云南省澜沧江流域的生态网络。[结果]云南省澜沧江流域生态源地数量为43个,主要集中在流域中游与下游。共构建出67条生态廊道,与澜沧江主体水系重叠度达59%;在生态网络基础之上识别出20个生态节点与41个生态断裂点,为后期生态网络的优化与修复和区域道路建设提供参考依据。[结论]根据生态源地、生态廊道、生态网络分布特点,增加澜沧江上游、威远江流域、黑江、黑河流域等地生态源地的数量,提升罗闸河、黑河、黑江、南览河流域等地河流岸边的生境质量,以生态节点和生态断裂点生态化建设作为补充,形成完整的生态保护网络,缓解栖息地孤岛化问题,促进生态源地之间的物种流动,保护区域内的生物多样性。     

基于InVEST模型的渭河流域干支流生态系统服务时空演变特征分析

渭河作为黄河的最大支流,是生态保护建成区重点之一,对其生态系统服务研究有利于实现流域内高质量发展和生态保护之间的平衡关系,保持流域生态系统服务功能,促进流域生态系统恢复。基于InVEST模型分析渭河流域2000—2018年5期土地利用和干支流生态系统服务时空动态变化,采用相关性分析水源涵养、土壤保持和生物多样性之间的权衡和协同。结果表明:19年间,研究区土地利用情况主要以耕地、草地和林地为主,占总面积的95%以上。流域内水源涵养呈现"先上升后下降"趋势,平均栅格单元产水量542.9 mm,渭河流域干流水源涵养量最高,为6.88×10~8 m~3,其次为北洛河和泾河流域,分别为3.36×10~8,5.04×10~8 m~3。土壤保持呈斑块状分布,流域整体土壤侵蚀状况为微度侵蚀,且渭河流域干流实际土壤侵蚀量总量最高为6.67×10~8 t,其次为北洛河和泾河流域,分别为6.22×10~8,3.13×10~8 t。生物多样性表现为生境质量高区集中分布在生态较好的森林生态保护区,人类活动较为密集地区生境质量较差。研究期间,渭河流域水源涵养与土壤保持、生态质量之间为高度协同关系,其他生态系统服务不显著,不同的土地利用类型对生态系统服务之间权衡和协同贡献值不一致。     

长江上游流域土地利用对面源污染影响及其差异

基于遥感与地理信息系统技术,对比分析了长江上游流域2000—2006年土地利用变化;利用输出系数模型,计算了土地利用引起的面源污染负荷,并从面源污染TN和TP负荷量、负荷强度和不同来源等角度,综合分析得出长江上游流域土地利用变化对面源污染影响及其差异。2000—2006年,长江上游流域耕地面积减少约1.10×104km2,林地面积增加约1.10×104km2,其他土地利用变化很小,表明西部大开发以来,天然林资源保护、长江防护林和退耕还林等工程实施效果明显。长江上游流域土地利用造成的TN和TP负荷量2000年分别为114.14×104t和3.39×104t,2006年分别为111.21×104t和3.31×104t。四川省西北部雅砻江中游流域、大渡河上游流域、岷江上游流域和贵州省北部乌江中游流域,2000—2006年面源TN和TP负荷显著减少。     

基于CA-Markov的土地利用时空变化与生境质量预测——以宁夏中部干旱区为例

探究干旱半干旱区土地利用结构动态变化特征，评估并预测生境质量，可为区域生态规划和恢复提供决策性依据。本研究以搭载OLI和ETM+传感器遥感影像和气象数据、社会经济数据等为基础，采用土地利用转移流概念、InVEST模型和CA-Markov模型研究2000-2030年宁夏中部干旱区土地利用和生境质量时空变化特征及规律，对未来情境进行模拟和预测。研究结果表明：宁夏中部干旱区土地系统结构变化与生态建设规划高度一致，具有黄河流域两侧集中分布的特征，土地系统综合动态度逐期减小，活跃度具有稳中有变、部分较活跃的特征。土地系统信息熵特征值呈逐年降低趋势。随着时间变化土地系统受人类活动干扰强度低，自我调整程度高，修复能力强，系统向稳定状态转化。2000-2015年研究区生态环境质量呈“U”型特征，以优秀等级为主。2015-2030年土地系统结构将发生显著变化，生境质量优秀、差和良好等级面积逐渐扩大，生态系统呈现稳定向好的趋势。本研究的多模型集成应用可为区域土地规划和生态恢复建设提供理论依据和支撑。