黄河下游河道主河槽萎缩特征及其判别参数研究

采用时间序列分析方法对黄河下游河道断面形态参数变化趋势及其变异点进行了系统分析,结果表明:从20世纪50年代以来,断面形态参数发生了趋势性变化,表现为主河槽呈逐年萎缩的态势,且这种趋势在未来仍将延续;黄河下游主河槽萎缩的主要特征是平滩流量和平滩面积的显著下降,相应的平滩河宽、平均水深、最大水深等出现不同程度的下降,同时还伴随着平滩水位和宽深比的上升.提出了黄河下游河道主河槽萎缩的判别参数与判别标准,分析认为下游河道主河槽在70年代开始初步萎缩,90年代以后进入严重萎缩期;提出了三门峡出库水沙过程不协调指数,表明三门峡水库修建后水沙过程不协调性呈增加的趋势;建立了下游河道主河槽萎缩参数与三门峡水库出库水沙过程的响应关系,指出通过水库调控进入下游的水沙过程,特别是调控出库水沙不协调指数,可以缓解和改善下游河道主河槽的萎缩状况,恢复与维持下游基本的输水输沙通道.     

黄河下游河道行洪能力对河道萎缩的响应关系

在阐明黄河下游河道淤积萎缩特点的基础上,通过理论推导和野外观测资料分析,探讨了河道淤积萎缩对行洪能力的影响.研究表明,河道行洪能力与河道萎缩具有非线性的响应关系;主河槽床面淤积,造成平滩流量减小,洪水起涨水位抬升;主河槽宽度缩窄,造成洪水水位涨率增大,河道排洪能力降低.     

基于Boosting梯度下降理论的时间序列建模方法

在预测问题中有很多实际问题具有时间序列特性,如何分析并建立合理的时间序列预测模型具有重要的理论价值与广泛的应用前景.随着对时间序列研究的逐步深入,时间序列预测模型变得越来越复杂,建模过程对设计技巧依赖性越来越强.如何设计一种不依赖于操作者的能力和经验,并且具有良好效果的建模方法呢？本文在集成学习理论的基础上,提出了基于Boosting梯度下降理论的自回归模型集成（AREnsembleLearning,AREL）建模法,从理论上分析并论证了该建模法的有效性.为了避免AREL精确拟合每一个训练样本点,在建模过程中引入了？-不敏感损失函,从而降低随机噪声对时间序列预测模型的影响.进而为了提高AREL对非平稳时间序列的处理能力,提高算法的鲁棒性,防止发生过拟合,降低算法对模型阶次设置的敏感性,提出了基于AREL的加权k近邻（weightedkNN）预报法.通过实例测试,并对结果进行了讨论,验证了所提出的建模法与预报方法的有效性.     

黄河下游河道场次洪水排沙比及其不确定性

根据冲积河流输沙率关系所确定的排沙比公式的结构,通过对黄河下游河道场次洪水表观排沙比资料的还原,回归建立了黄河下游全河段(三黑小至利津)场次洪水的排沙比公式,得到了排沙比95%预测区间,量化了场次洪水排沙比的不确定性.统计分析表明:(1)黄河下游全河段(三黑小至利津)场次洪水的排沙比公式可用进口来沙系数Sin/Qin作为唯一参量,进口来流量Qin不必作为第二参量;(2)回归模型的充分性在Sin/Qin0.003(即排沙比SDR2)和Sin/Qin0.003(即SDR2)时有明显不同,SDR=2和Sin/Qin=0.003可能是区分黄河下游全河段(三黑小至利津)场次洪水尺度上不同输沙率关系的一个阈值条件.本文为分析黄河下游河道其它河段的排沙比关系提供了可用方法,并为黄河下游河道汛期输沙需水量的不确定性分析提供了基础.     

三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究

针对大部分水库调度模型中水沙输移计算大幅简化且与库水位计算过程间只有单向耦合的问题,本研究构建了基于激波捕捉式有限体积法与河网算法的库区水沙调度模型.该模型采用河段连接单元内水沙质量与动量守恒方程的准二维求解算法,河网算法可以反映干支流交汇角的影响,并且使用OpenMP技术实现了并行求解.该模型的水库调度模块将调度方案表示为5个触发条件和4个调度指令参数构成的调度规则表,由水沙动力学模型向调度模块提供入库监测断面的水沙条件与实时更新的水位库容关系,水库调度模块为水沙动力学模型提供库区下游边界条件,从而实现两者双向耦合.采用2020年三门峡库区实测水沙数据进行了模型验证,库区三个河段的水位、流量和含沙量计算结果与实测值相符,在坝前水位最快下降速度达到2.3 m/h的敞泄排沙时段,数值计算过程稳定且成功预测了出库沙峰.针对近年黄河来沙量减少而潼关高程下降趋势并不稳定的问题,应用模型开展了三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究,通过对不同的汛期和非汛期调度方案的模拟分析,初步确定了坝前控制水位对于年内库区冲淤量和潼关高程影响显著的时期,研究结果可以为三门峡水库调度方案进一步优化提供思路.     

水利水电工程地质三维统一建模方法研究

针对水利水电工程地质的三维建模与分析问题, 提出了面向水利水电工程地质建模的混合数据结构; 以面向对象的分类思想, 基于混合数据结构实现了地形类、地层类、断层类、界限类4类地质对象的拟合构造与几何建模, 并提供可供选择的建模机制, 为解决倒转褶皱、复杂断层等建模难点发展了新的方法; 集成地质对象和人工对象模型, 实现了水利水电工程地质三维统一模型的构建. 基于三维统一模型可进行一系列水利水电工程地质分析应用, 包括岩体质量可视化分级、三维模型任意剖切分析、大坝和地下工程地质分析等, 为分析复杂地质条件下水利水电工程勘测、设计与施工中的地质问题提供了理论基础和技术手段.     

黄河下游洪水输沙效率及其调控

针对黄河下游洪水输沙的复杂性,根据1980～1998年实测洪水资料,以花园口-高村河段为例,建立了洪水输沙用水的人工神经网络模型.在此基础上,以提高洪水输沙用水效率为目标,根据控制原理对洪水输沙过程调控进行了模拟与仿真.根据洪水输沙的实际情况,系统设计中采用了开环控制和反馈控制两种不同的控制结构.开环控制系统中,对不同含沙量条件下洪水平均流量对输沙用水量的控制过程做了数值模拟;结果表明该河段流量对输沙用水量的调控作用明显受到含沙量的影响,当含沙量小于20kg/m3时,流量对输沙用水量减小有很好的调控作用.反馈控制系统中,对给定控制目标下河段入口断面含沙量和流量对输沙用水量的调节过程分别进行了仿真;结果表明如果设定合理的控制目标,花园口-高村河段洪水输沙过程可通过入口断面的含沙量和流量进行调控.最后,根据上述方法,对黄河下游其他河段洪水输沙进行了模拟与仿真.根据综合分析,黄河下游花园口以下河段水流含沙量为20 kg/m3时,适宜的调控流量范围是2390～2900 m3/s.     

黄河下游河道泥沙数学模型及动力平衡临界阈值探讨

黄河最突出的问题是水少沙多,导致下游河道不断淤积抬高,防洪形势日趋严重.为了深入了解黄河下游河道输沙规律,确定河道泥沙冲淤与来水来沙和区间引水之间的关系,建立了适合黄河下游特点的泥沙数学模型,并利用实测资料对模型进行了率定和验证.然后,利用泥沙数学模型就小浪底水库调水调沙运用对下游河道的减淤作用、区间引水与河道冲淤关系、以及下游河道临界平衡等问题进行了研究.给出了下游河道冲淤临界平衡阈值,指出了通过小浪底水库调水调沙运用和控制下游区间引水可以有效地减轻黄河下游河道淤积,为小浪底水库的运用、区间引水和水土保持等提供了量化指标.     

基于两相浑水模型的三维水沙数值模拟

本文针对悬移质泥沙输移,采用两相浑水模型进行描述,基于SELFE水动力学模型,尝试通过三维数值格式对两相浑水模型进行探索性模拟.建立了两相浑水模式的离散方程,完善了相应的边界条件,采用多组水槽资料率定并验证了模型的可靠性.并以宁蒙黄河2012年洪水为例,采用离散后的模型对宁蒙黄河青铜峡至石嘴山200 km河段进行了数值模拟.并以该河段洪水的洪峰传播特性、不同河段的环流特性、河段泥沙输移及河床冲淤等为重点关注了改进后的模型.结果表明:计算水位、地形、含沙量等数据与实测资料有较好的吻合,环流特性与理论分析一致.综合表明改善后的模型能很好的应用于悬移质泥沙的模拟.     

黄河下游漫滩洪水造床机理与水沙调控指标研究

本文采用实测资料分析和理论探讨相结合的方法,系统研究了黄河下游漫滩洪水的造床机理与水沙调控指标.结果表明:对于多沙的黄河,漫滩洪水最充分的发挥了水流动力的输沙造床作用,其削峰滞洪与淤滩刷槽的功效十分显著且不可替代.漫滩洪水的造床作用随着洪水漫滩程度的变化而明显不同,可分为三个阶段;漫滩初期,主槽输沙能力降低,淤滩刷槽作用尚未得到充分展现;漫滩中期,滩槽水沙交换充分,淤滩刷槽作用良好;漫滩后期,淤滩刷槽作用趋缓.综合考虑提高河道输水输沙能力与保护滩区防洪安全,提出的黄河下游有利漫滩洪水的水沙调控指标为:洪水漫滩参数1.4γ1.5、来沙系数ρ0.028,即按照目前下游河道主槽平滩流量为4000 m3/s,通过小浪底水库水沙调控,控制下泄洪峰流量5600~6000 m3/s、来沙系数小于0.028的漫滩洪水,对于塑造与维持黄河下游合理规模的输水输沙通道最有利.若控制下游河道不漫滩,通过小浪底水库水沙调控,建议下泄洪峰流量3500~4000 m3/s接近主槽平滩流量的洪水,对于塑造与维持黄河下游合理规模的输水输沙通道较为有利.     

污染物通过有缺陷膜复合衬垫的一维运移解析解

为了研究污染物通过有缺陷膜复合衬垫的运移特性及为复合衬垫的性能评价提供一个简便方法,建立了污染物通过复合衬垫中的一维渗漏扩散模型.在假设污染物通过土工膜为稳态运移的基础上,结合拉氏变换得到了模型的解析解.和数值方法的比较验证了该解析解的合理性和正确性.分析结果表明,对于重金属离子,土工膜的施工质量和渗滤液水头对复合衬垫的防污性能具有很大的影响,水头从0.3m增大到10m时,击穿时间从50a减少到19a;对于挥发性有机污染物,高水头及土工膜施工质量较差情形下,污染物通过土工膜缺陷的渗漏量亦不容忽视.仅考虑重金属离子通过土工膜缺陷的渗漏会导致不保守的结果.即使在低水头作用下,GCL复合衬垫对挥发性有机污染物的防污性能亦较差.该解相对简单,能用于复合衬垫的初步设计、拟合试验数据及验证较复杂数值模型等.     

基于智能特征模型的智能控制及应用

针对一类具有非线性和不确定性、且输出被控变量不能在线直接连续测量的复杂对象, 提出一种基于智能特征模型的智能控制新方法. 该方法的基本思想是利用智能技术, 根据对象特征和控制要求相结合的原则, 建立被控对象的特征模型, 以此特征模型为依据, 提出了一套智能控制器设计的新方法. 首先给出了智能特征模型的建模原理和表达形式, 然后基于智能特征模型描述, 提出由多个定量和定性子控制器、按多个开闭环相结合的智能控制器设计原理和方法. 最后, 介绍了这种方法在电解铝过程氧化铝浓度控制的应用情况. 实践证明, 这种方法工程设计方便, 避免了一般智能控制器的现场试凑, 取得了很好的应用效果: 实现了低氧化铝浓度的长期稳定控制, 阳极效应受控率从60%提高到80%以上.     

基于模型融合的复杂生产过程产品质量预测

复杂生产过程中产品质量与工艺参数间存在复杂的非线性关系,为提高产品质量预测准确性,本文提出了一种基于模型融合的复杂生产过程产品质量预测方法.首先,分别对复杂生产过程建立基于改进随机森林算法的整体预测模型与分段预测模型,其中,针对整体预测模型特征选择问题,提出了一种相关性分析与去冗余处理相结合的特征选择方法,针对分阶段预测模型存在误差累积问题,提出了一种误差修正机制.其次,利用Stacking集成学习算法实现整体预测模型与分阶段预测模型的融合,综合利用二者的预测优势得到对产品质量的最终预测结果.最后,以烟丝生产过程烘丝机入口烟丝含水率的预测为例,通过对比传统单模型的预测方法,验证了本文所提基于模型融合预测方法的准确性.     

北京气象塔湍流风速谱的统计模型

分别采用希黄变换和傅立叶变换计算北京气象塔实测湍流的风速谱,提出了一种同时符合惯性子区和大涡范围内能谱特性的风速谱模型,采用最小二乘法确定了风速谱模型中的参数,比较了傅里叶变换风速谱和希黄变换风速谱的异同.研究结果表明,希黄变换风速谱在含能区范围内的谱值略大于傅里叶变换风速谱,在惯性子区和耗散子区的谱值非常接近傅立叶变换的风速谱;采用希黄变换统计分析风速谱能够更细致、准确地反映风速谱低频区的谱值;拟合得到的风速谱模型为北京城区近地面风场的风洞再现及数值模拟提供了参照依据.     

基于多活性代理的复杂信息系统研究

文中在系统理论指导下分析了信息系统（特别是在激烈对抗环境下,需要多种功能动态运筹发挥作用的复杂信息系统）的特点,提出了基于多活性代理的复杂信息系统研究方法．首先,给出了多活性代理方法的基本描述,初步得到了代理的“活性”表征及丧失的定性定量描述与分析,并从系统功能发挥剖面给出了多活性代理的基本动力学表征;其次,从系统自组织功能剖面给出了活性自组织机理的两集合模型;再次,给出了信息安全与对抗领域多活性代理复杂信息系统构建的功能模型,以及在此模型基础上多活性代理的3层次协商、协调模型;分析了基于Swarm群体结构的多活性代理复杂信息系统的3层次机理模型;最后,通过2个具体实例说明了如何利用多活性代理方法分析信息安全对抗领域复杂信息系统．多活性代理理论的提出将衔接应用基础层和应用层研究,对信息安全与对抗领域复杂信息系统的构建和分析提供基本的研究方法与理论支持．     

一种集成通用高超声速飞行器气动工程预测系统

本文建立了一种面向高超声速飞行器的集成通用气动预测系统.通过引入CAD/CG建模技术实现了复杂飞行器3D几何模型的快速准确建模,并可以利用网络上的共享模型资源直接计算.引入FEM技术和自由网格生成算法,实现了复杂飞行器模型的快速网格生成.设计并开发了通用面元几何分析程序,建立了外法线快速矫正方法.基于面元气动分析理论开发了面元气动分析求解器,实现了面元气动计算和整机气动参数整合,能计算飞行器的气动力、力矩和气动导数.通过软件集成调用技术,将几何建模、面元划分、面元分析、面元气动计算以及后处理集成在统一的软件系统中,实现了高超声速飞行器气动参数的全自动计算与分析.HTV-2和航天飞机的仿真计算结果表明了该系统的有效性.     

一类动态多尺度系统的最优滤波

研究一类动态多尺度系统的最优滤波, 这类系统由具有不同分辨率的多个传感器独立观测, 而系统具有已知的动态系统模型约束. 假设传感器的信号采集带宽成倍递减, 相应的采样频率也成倍递减. 用Haar小波变换来拟合状态在各尺度空间的投影关系, 给出该类多尺度系统的离散模型, 并证明了其可以直接应用Kalman滤波的条件. 基于线性时不变系统, 研究了系统的可控可测性以及滤波的稳定性, 并给出了一个判定定理, 证明系统只要在最细尺度上可控可测, 则Kalman滤波是稳定的. 最后以匀速直线运动过程为例, 验证了所提建模与估计方法的有效性.     

三峡水库二期蓄水初期螺山站水位流量变化响应

三峡工程二期蓄水对坝下游江段水情的变化产生了一定的影响.在水库蓄水的初期阶段,分析螺山江段水位流量的变化响应,采用综合落差指数法描述了该河段水位流量关系的变化,并通过同流量水位法初步撂悉了访河段近几年河床冲淤变化情况.结果表明,水库蓄水后.枯水期该站月径流量占径流量的百分比上升了0.43%,丰水期和平水期分别下降了0.2%和0.23%;从该站水位距平值来看,枯水期有所上升,丰水期和平水期均有所下降.时该站水位流量关系进行单值化处理后,发现蓄水后水位流量关系曲线较蓄水前偏左.同时,同流量下水位的变化也反映了该河段泥沙冲淤情况,对此本文作了初步探悉,发琨在同一江段的不同时段都有冲淤的变化.     

黄土沟壑区产输沙特征的空间尺度效应研究

以黄土丘陵沟壑区的典型流域岔巴沟为例, 首先通过实测数据分析水沙过程的尺度现象和规律, 明确了流域产输沙的主要子过程及其影响因素和作用机理. 然后采用集成了坡面侵蚀、沟坡区重力侵蚀和沟道不平衡输沙3个子模型的黄河数字流域模型在较高分辨率的单元上模拟研究流域的暴雨—径流—产输沙响应, 结果重现了水沙过程的尺度现象. 在尺度现象是由不同产输沙子过程的空间尺度分布迭加引起的假定下, 对模拟结果进行分析, 发现重力侵蚀和高含沙水流特性是引起黄土沟壑区泥沙过程尺度现象的最主要因素.     

离散多参数分数Fourier变换

分数Fourier变换是传统Fourier变换的推广,在光学、信号处理、信息安全等许多研究领域都有广泛的应用,而简明有效的离散化数值计算方法是其得以广泛应用的关键.多参数分数Fourier变换(MPFRFT)是分数Fourier变换的一种广义形式,包含已知的分数Fourier变换作为特例,可为分数Fourier变换的理论研究和应用提供便利.文中详细阐述离散多参数分数Fourier变换(DMPFRFT)的定义和离散化计算方法,并给出二维多参数分数Fourier变换(2D-MPFRFT)和二维离散多参数分数Fourier变换(2D-DMPFRFT)等概念.最后作为应用,提出一种基于2D-DMPFRFT的数据图像加密方法,数值仿真结果验证了所提出加密方法的有效性和安全性.