上荆江河岸崩退过程的概化模拟

崩岸是上荆江河段河床变形过程的一个重要方面,它与近岸水流冲刷及河岸土体特性等因素密切相关.三峡工程运用后该河段河床冲刷下切显著,导致局部河段的崩岸现象较为突出.本文改进了河岸崩退过程的概化模型,耦合了坡脚冲刷、潜水位变化及河岸稳定性计算模块,并在稳定性分析中考虑了侧向水压力、孔隙水压力及非饱和土体基质吸力的作用.采用该模型计算了2005年上荆江典型断面(荆34和荆55)的崩岸过程,计算结果表明:这两个断面的河岸分别发生6次和4次崩塌,且多发生于洪峰期和退水期;总崩退宽度为27和20 m,且计算与实测的岸坡形态较为符合.最后开展了相关河岸土体参数的敏感性数值试验,分析了土体物理力学特性变化对崩岸过程的影响:河岸崩退次数、宽度总体上随土体抗剪强度及渗透系数的增大而减小,前者基本呈单向变化,而后者还与崩塌时坡脚的冲刷幅度有关;此外潜水位滞后于河道水位的变化特点,降低了退水期的河岸稳定性.     

近50年来荆江监利段河床平面及断面形态调整特点

利用近50年来实测水沙及地形等资料,采用河段平均的方法,详细计算了监利段河床平面及断面形态的调整过程,主要包括河道深泓线及岸线变化、平滩河槽形态调整及其与前期水沙条件之间的关系.计算结果表明:上车湾裁弯后监利河段河势调整剧烈,其河段尺度的年均深泓摆幅约为35.1 m/a,20世纪90年代因该河段高水位历时较长深泓摆幅增至45.4 m/a,三峡工程运用后受护岸工程影响该值降至32.8 m/a.2002~2013年监利河段年均崩退速率约为14.3 m/a,岸线累计崩长达15.4 km,其中左岸占64%;荆江门、七弓岭及观音洲河湾的凸岸发生崩退,岸线崩长占河段崩岸总长的43%.目前该河段的曲折系数稳定在2.02,而局部河段——七弓岭河湾的曲折系数随八姓洲狭颈逐步缩窄增至3.82,有发生自然裁弯趋势.监利河段典型崩岸断面的平滩河宽可随水沙条件的改变迅速做出响应,但由于大规模护岸工程的修建,河段尺度的平滩河宽变化不大;断面形态调整主要表现在河段平滩水深变化方面,已累计增加约0.9 m,相应平滩面积增加近6.6%,且二者均与前5年汛期平均的水流冲刷强度密切相关.此外在持续冲刷过程中,监利段河床纵比降趋于调平,目前稳定在4.35×10~(-5)左右,河床在纵深方向上趋于稳定.     

下荆江急弯段凸冲凹淤演变过程与机理

三峡工程运用后,下荆江急弯河段出现凸冲凹淤的弯道演变现象,威胁防洪与航运安全.下荆江8个弯道为急弯(相对曲率B/R>0.5), 6个急弯段的弯顶上游区域发生了明显的凸冲凹淤过程,且主要表现为凸岸边滩冲刷下切、河岸持续崩退,凹岸深槽回淤并形成长条形心滩,导致断面形态由不对称的三角形变为W形.本文采用水沙及实测流场资料,从水流流速重分布、来沙组成变化及河岸土体组成等3个方面研究了急弯段凸冲凹淤的演变机理.结果表明:(1)急弯段水流流速重分布规律有利于弯顶上游凸冲凹淤现象的形成,在弯顶上游段流速分布主要受曲率变化控制(贡献率占67%),导致主流长期偏靠并冲刷凸岸,凹岸流速较小且易形成水流分离区,利于泥沙落淤;(2)由于上游来沙量减少约82%,细沙比例减小,粗沙比例增加,导致弯顶上游凸岸边滩冲刷后,无法及时回淤,故凸岸边滩总体呈冲刷下切趋势,但粗沙可在流速较小的凹岸侧落淤形成心滩;(3)在凸冲凹淤过程长期作用下,河床横比降减小,曲率变化对流速横向分布的贡献率增大,主流继续向凸岸摆动,进一步促进了凸冲凹淤过程的发展.因此,在水沙条件相对稳定的情况下,下荆江急弯河段凸冲凹淤过程会继续发展,在...     

黄河下游游荡段滩岸土体组成及力学特性分析

黄河下游游荡段是下游河床冲淤变化的主要河段, 滩岸侵蚀是该河段清水冲刷期河床演变的一个重要特点, 其过程与滩岸土体组成及力学特性密切相关. 本文首先分析了花园口至高村游荡段近期的滩岸侵蚀情况, 然后对这一河段的 10 个典型滩岸进行了现场查勘与室内土工试验, 最后根据试验结果, 较为全面地揭示了游荡段滩岸土体组成, 而且深入分析了滩岸土体的力学特性, 定量地解释了游荡段滩岸侵蚀严重的两个原因. 结果表明, 游荡段大部分滩岸土体属于黏性土, 且具有较为明显的垂向分层结构; 滩岸土体因黏粒含量少、抗冲强度弱, 其起动切应力(0.1~0.3 Pa)比近岸平均水流切应力(2~3 Pa)小一个数量级, 故容易冲刷; 滩岸土体的抗剪强度随土体含水率增加而降低, 其凝聚力可由34 kPa急剧降低到4 kPa, 故滩岸土体容易在汛期发生崩塌.     

汶川地震唐家山堰塞湖泄流过程的数值模拟

“5.12”汶川特大地震造成了重大人员伤亡和财产损失, 而山体滑坡形成的堰塞湖不稳定而易于发生溃决, 造成洪水灾害, 是震后急需防御的次生灾害重点和难点. 除了大量的现场勘测外, 对泄流及堰塞体冲刷过程的研究, 是制定下游避险、抢险方案的关键. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室曾为规模最大、威胁最严重的唐家山堰塞湖抢险提供了及时的技术支持, 本文是部分工作的总结. 针对唐家山堰塞湖特定的泄流动力学过程, 开发了平面二维水沙数学模型, 扩展了基本方程, 考虑了堰塞体形成的河床变形对水流运动的影响, 提出了高精度且高效率的边界跟踪算法, 分析了堰塞湖泄流过程以及堰塞体冲刷发展的机制. 结果表明, 河床变形对泄流影响较大, 堰塞体以溯源冲刷为主, 计算得到的泄流流量、堰塞湖水位与 实际观测值吻合较好, 这些结果已经很好地服务于唐家山堰塞湖下游应对方案的确定.     

来水来沙对潼关高程的影响及变化规律

研究了来水来沙变化对潼关高程的影响和变化规律. 结果发现, 潼关高程的升降取决于库区水流能量的大小, 汛末潼关高程与考虑前期水流和运用条件的线性叠加水流能量之间具有较好的相关关系. 在入库水量变化小、坝前水位变化大时, 水位对库区冲淤和潼关高程变化起主要作用; 相反, 如果坝前水位变化不大, 而来水量变幅较大, 则潼关高程变化和库区的泥沙冲淤主要受入库水沙条件的影响.     

塔里木河下游输水廊道植被恢复的生态学评价

通过2002年10月和2003年10月, 下游断流河道英苏、阿拉干、罗布庄3个植被样带的两次实地监测资料的对比分析, 探讨了河岸林对生态输水的响应. 研究表明, 生态输水忽视了是季节性的洪水泛滥支配了胡杨林在河漫滩裸地的侵移过程, 而集中于地下水对植被的影响, 缺乏漫溢的输水方式偏离了河岸林生存和发展的内在规律, 抑制了河岸林的自然更新; 河岸乔灌木植物响应范围十分狭窄, 多数地段河岸林群落结构亦未得以优化; 输水未能结合河岸林植物生理生态学特性, 未见胡杨种子实生苗. 生态输水后, 近河道地段河岸林植被变化, 仅仅体现了中生性植物类型对地下水水位变化的响应. 目前的生态输水没有创造胡杨的实生苗发生环境, 难以实现种群的天然更新.     

疏散准备时间及出口宽度对人员疏散影响的模拟

在人员疏散计算过程中, 通常将疏散准备时间取为一定值, 而事实上它是一个服从概率分布的随机变量. 通过利用GridFlow疏散模型研究了疏散准备时间及出口宽度对人员疏散的影响. 在一个单空间建筑条件下, 研究了疏散准备时间服从正态分布时, 在不同人员密度条件下, 对人员疏散的影响情况. 同时, 比较了当疏散准备时间服从正态分布和取为定值两种情形时计算得到的疏散时间的差异, 阐述了当疏散准备时间取为定值时可能导致的两个主要缺陷. 基于拥塞与排队理论, 对计算结果进行了分析. 此外, 当疏散准备时间服从正态分布时, 研究了出口宽度对整个疏散时间的影响. 最后, 根据计算结果, 分析了整个疏散时间的概率分布状态. 结果表明, 当疏散准备时间平均值比较小的情况下, 人员疏散时间主要受人员密度的影响; 随着疏散准备时间平均值的增加, 人员疏散时间受人员密度变化的影响越来越小. 对于较长的疏散准备时间、较低的人员密度或较宽的出口, 当疏散准备时间服从正态分布时, 总的疏散时间也服从正态分布.     

纵向岭谷区典型河段生态系统服务价值变化比较

以相同面积的河段生态系统为对象,结合运用生态经济学方法和地理信息处理手段,对比研究了澜沧江和元江河段1985~2000年土地利用及生态服务价值的变化特征,并分析了变化的驱动机制.结果表明,两河段林地面积均有减少,澜沧江河段林地主要转化为旱田,转化率为56.0%,元江河段林地主要转化为居住用地,转化率为42.5%,澜沧江河段各地类面积变化量和变化率均远高于元江河段;澜沧江河段生态服务总价值减少,变化率为15.3%,元江河段生态服务总价值增加,变化率为0.6%.排除自然因素的影响,引起澜沧江和元江河段生态服务价值变化的主要人为驱动力分别是水电开发和农业活动,其中漫湾水电开发对澜沧江河段生态服务价值损失的影响率为93%,农业活动对元江河段生态服务价值损失的影响率为59%;漫湾大坝截流引起的河流输沙服务功能价值损失,是导致澜沧江河段水域服务价值以及河段生态服务总价值大幅减少的主要原因.澜沧江、元江河段林地、草地生态系统服务功能单位面积价值,以及河段间接利用价值与直接利用价值的比值均大大超过全国平均水平,在人类活动的干扰作用下,河流生态系统为人类提供生态系统产品的生产能力增强,维持健康自然生态环境的生命支持能力减弱.     

低振幅双光子光伏孤子的时间及演化特性分析

为了研究一维开路条件下低振幅双光子光伏孤子的时间及演化特性, 推导了含时间参量的空间电荷场, 给出了含时光波的动态演化方程. 采用数值方法求解开路低振幅一维双光子光伏空间亮、暗和灰孤子的数值解, 分别得到了双光子光伏空间亮、暗和灰孤子波形强度包络, 在此基础上得到亮、暗和灰孤子的时间及演化特性. 结果表明, 初始阶段形成的宽度较宽的孤子,其宽度随时间单调递减到一个最小值直至稳态孤子的形成; 在相同的演化时间内, 孤子的半峰全宽随着孤子峰值强度和暗辐射比值的增大而变窄. 亮、暗和灰孤子有类似的时间演化特性.     

雅鲁藏布江流域冰川分布和物质平衡特征及其对湖泊的影响

雅鲁藏布江流域冰川正在强烈退缩并对湖泊过程产生了重大影响. 通过对雅鲁藏布江流域内冰川分布和大陆型冰川与海洋型冰川物质平衡变化的研究, 指出近期流域内冰川物质平衡呈强烈亏损状态. 结合纳木错湖和然乌湖地区冰川湖泊变化研究, 发现冰川物质平衡强烈亏损特征对湖泊变化具有重要影响, 主要表现为冰川融水对于近期湖泊面积扩大和湖泊水位上升的补给作用.     

临界状态下非饱和土裂缝开裂间距

非饱和土体的蒸发开裂机理复杂, 开裂间距的确定较为艰难. 本文提出了初次开裂后, 随着水分的继续损失, 当土体达到临界条件时发生二次开裂的概念, 进而将裂缝间距分为二次开裂间距和二次趋势开裂间距, 理论推导了相应的间距公式. 通过与现有实验的对比发现, 该公式计算结果与实测结果符合很好. 最后研究了泊松比对开裂间距的影响, 在[0.30, 0.35]区间时, 泊松比与开裂间距成线性关系, 泊松比对开裂的间距有较大影响, 应当精确测量.     

聚光和非聚光光伏-热电耦合系统的优化

基于能量平衡建立了光伏-热电(PV-TE)耦合发电系统的一维稳态导热模型,研究了在不同的光伏电池效率温度系数和热电优值系数条件下PV-TE耦合发电系统的性能.(1)对于非聚光PV-TE耦合系统,分析了热聚焦因子、热电引脚长度和TE模块的负载电阻与内阻之比对系统发电效率的影响.结果表明:在TE模块的优值系数Z=4×10~(-3)K~(-1),电池效率温度系数β_(ref)=0.001 K~(-1)的情况下,系统总效率相对较好.此时总效率随着热聚焦因子、热电引脚长度、TE模块的负载电阻与内阻之比的增加,均是先增大后减小.因此,可选择最佳的热聚焦因子、热电引脚长度、负载电阻的值,使系统总效率达到最大值.(2)对于聚光PV-TE耦合系统,研究了热电引脚对数和热扩散因子对系统性能的影响.结果表明在Z=2.545×10~(-3)K~(-1),β_(ref)=0.001 K~(-1);Z=4×10~(-3)K~(-1),β_(ref)=0.001 K~(-1);Z=4×10~(-3)K~(-1),β_(ref)=0.0015 K~(-1)情况下,总效率随着热扩散因子的增加而减小.当热扩散因子从0.32上升到5.12时,对于其他β_(ref)和Z的情况,总效率会显著增加.当热扩散因子继续增大时,由热扩散因子增加引起的效率变化非常平缓,原因在于热扩散因子足够大时,热传递非常快,PV电池和TE热侧的温度随热扩散因子变化很小.基于研究结果,可以发现当聚光系统的热扩散因子在3.0左右时,耦合系统具有相对高的效率.     

基坑降水对周围环境影响的研究

基坑降水分为维护结构插入不透水层的降基坑内水、插入不透水层的降坑内承压水和坑外降水3种情况.现有的基坑降水对周围环境影响预测方法可分为解析法、随机统计模型、人工智能模型和数值计算法及其他方法.基坑降水的数值模拟分析中多使用基于各种简化和假设的准三维模型,无法反映工程实际中地下水运动和土体变形的三维耦合关系;考虑三维水土耦合作用的真三维完全耦合数值模拟方法预测基坑降水对周边环境的影响将是未来发展的方向.     

基于相关分析的水文趋势变异分级原理及验证

趋势变化是水文过程变异十分重要的表征,目前研究主要侧重于趋势识别方法的改进、比较及实例运用,但针对趋势变异程度分级等研究十分缺乏.为此,提出了一种水文序列趋势变异识别与程度分级的方法.该方法通过计算水文序列和时序的相关系数值,将趋势变异程度划分为无变异、弱变异、中变异、强变异及巨变异.通过推导相关系数与趋势斜率之间的公式,说明两者的正相关关系.统计试验验证了公式的合理性,并说明了序列均值和变差系数对相关系数值的影响.将该方法应用于西江高要站不同时间尺度的平均水位序列进行趋势变异程度分级,引入权重概念分析了各尺度平均水位趋势变异之间的联系.结果表明高要站各尺度平均水位序列均呈下降趋势,但趋势变异程度存在差异;权重较大时期平均水位的趋势变异程度对整体趋势变异程度影响更大,结合物理成因分析验证了结果的合理性与所提方法的有效性,因此将有助于定量评估气候变化和人类活动对水文过程的影响.     

令戈错湖芯重建过去17ka青藏高原大气环流变化

亚洲季风和西风作为北半球重要的大气环流系统,对青藏高原冰川进退、水量平衡及生态环境变化具有重要意义.大量研究重建了两者的强弱变化,但是末次冰消期以来,西风与亚洲季风强度变化仍然存在争议.青藏高原中部令戈错湖泊岩芯样品重建的末次冰消期以来令戈错粒度与介形虫氧同位素记录表明,17~11.7 ka,令戈错水位较浅且波动频繁,西风是气候变化的主要影响因素,研究区环境变化与北大西洋冷事件关系密切;11.7~10ka,对应于印度季风的增强,令戈错水位迅速升高,冬季风力变小,印度季风取代西风成为控制环境变化的主要因素;10~8 ka之后,令戈错水位略有降低,可能对应于印度季风的减弱或者冰川融水的减少;8 ka之后,响应于印度季风逐渐减小,令戈错逐渐萎缩,西风可能存在增强.末次冰消期以来西风与印度季风强弱演替历史可以归纳为:16.5 ka之前,中纬度西风强盛,青藏高原大部分区域均由西风控制,与北大西洋气候变化表现出较好的耦合关系;16.5~11.5 ka气候格局与现今类似,西风控制着青藏高原中-北部地区,而青藏高原南部受印度季风影响更大.早中全新世,夏季太阳辐射增加,印度季风增强;晚全新世,印度季风减弱,西风可能对青藏高原西部以及北部存在影响.     

评《流域泥沙动力学模型》

泥沙的侵蚀、搬运、沉积是一个整体. 河流泥沙来源于流域泥沙, 流域环境决定着进入河流的水沙条件, 而水沙条件变化又进一步影响河床演变过程. 以前泥沙研究的重点集中在河流输沙与冲淤上, 而对流域面上的侵蚀产沙重视不够. 河流来水来沙条件是通过流域水土流失研究以及利用原型观测和经验方法得出的. 这方面的研究有较大的局限性, 至今还处于小流域的经验估算阶段. 因此, 加强流域泥沙研究, 从根本上揭示流域产流产沙与河床演变及江河治理的关系有重要意义. 钱宁院士最早开展流域来水来沙与河床演变关系的研究. 在20世纪70年代, 他通过观察黄河下游河床粗泥沙淤积现象, 认识到黄土高原粗泥沙来源对黄河下游河床淤积抬升起主要作用, 并初步划分了黄土高原多沙粗沙来源区的范围, 为黄土高原水土流失的治理指明了方向. 本人在黄河综合治理国家“八五”科技攻关项目中承担了“拦减粗泥沙对黄河下游河床演变影响”的课题, 对黄土高原自然地理条件、土壤侵蚀和输沙特性开展研究, 揭示了来水来沙减少对下游河床冲淤和演变的影响规律. 这些成果是基于对水文资料分析和河流水沙模型计算得出的, 但也需要从流域泥沙角度深入研究河流来水来沙与河床演变的响应关系...     

STPV系统熵产及效率研究

根据热力学第二定律对太阳能热光伏系统进行建模分析, 研究并比较了系统各组成部件中的熵产大小, 同时讨论了各模块的转换效率. 分析了辐射器温度、聚光器会聚比、电池禁带宽度、电池温度及滤波器透射率等参数对熵产及效率的影响. 得出系统总熵产随着辐射器温度的升高呈现先减小后增大的趋势, 而随着聚光器会聚比的增加, 系统总熵产逐渐减小. 电池禁带宽度、化学势的增加使得系统各部件熵产减小, 电池温度的升高影响了其转换性能, 使得熵产增加的同时转化效率逐渐降低.     

5, 6, 7顶点双取代碳硼烷桥连分子的结构和二阶NLO性质

采用密度泛函理论(DFT) B3LYP/6-31G*方法对5,6,7顶点双取代碳硼烷桥连分子几何构型进行优化, 进一步结合有限场(FF)方法, 计算其二阶NLO系数. 结果表明: 5,6,7顶点双取代碳硼烷桥连分子受推拉电子基的影响, 构型发生一定的变化, 碳硼烷中两个C原子间的距离变长. 碳硼烷中两个C原子取代的位置不同, 影响了分子的稳定性和极化率. 取代基与碳硼烷成键数较低的C原子相连的异构体, 稳定性较好且具有大的极化率. 5,6,7顶点双取代碳硼烷桥连分子形成一维结构, 有利于分子内电荷转移, 同时电荷转移过程中偶极矩变化较大, 对应体系的二阶NLO系数较大.     

质子交换膜燃料电池中微纳输运过程的数值研究进展

质子交换膜燃料电池是氢能利用的典型装置.在燃料电池的多尺度空间内发生着复杂的相变多相流、传热传质、电子质子传导、电化学反应等物理化学过程.上述过程对电池的性能、寿命及成本影响显著.近年来,随着先进实验手段、数值方法和计算资源的不断发展,研究者基于微纳米尺度研究燃料电池中发生的复杂多场耦合输运过程,不断发现新的微纳输运过程特征及耦合机制.本文回顾了近年来针对燃料电池关键组件(包括催化层、气体扩散层和气体通道)中发生的多场耦合输运过程的微纳尺度数值仿真工作.针对催化层,主要介绍了孔尺度数值仿真在预测有效传输系数、揭示传质阻力机理、查明微纳结构对反应输运过程影响方面的进展.针对扩散层,重点介绍了孔尺度仿真在研究扩散层气液两相流动及查明结构和润湿特性对液态水运动和分布影响的工作,还讨论了气体扩散层薄层多孔介质输运特性及典型代表单元是否成立.针对气体通道,着重介绍了通道中液态水运动及其对传质反应的影响.此外,还讨论了各组件跨尺度界面行为特性.最后,对采用微纳尺度数值方法研究燃料电池内多场耦合输运过程进行了总结和展望.