南海湿地生态长效补水优化控制方法研究

为了改善南海湿地生态环境,提出一种新的南海湿地生态长效补水优化控制方法。针对包头市南海湿地景区,依据圣维南方程组建立水动力模型,通过双扫法完成数值计算,构造水量及水质模型。求出各网格的水位和水流变化情况,将质量守恒方程与动量方程作为依据进行补水,保证补水后南海湿地符合质量守恒方程,实现南海湿地生态长效补水优化控制。对其进行离散处理,通过有效差分法中的追赶法对组成不同网格的方程组进行计算。在求解的过程中,若对流过程占主导,则求解过程中采用高阶空间离散较为合适。若扩散过程占主导,则采用低阶空间离散。选择控制点,研究水质变化情况、经济效益变化情况及生态环境改善情况,发现所提方法能够改善水质及生态环境,提高经济效益。     

基于自适应移动网格的Cahn-Hilliard方程的有限元法

针对二维Cahn-Hilliard方程,使用自适应移动网格,建立有限元数值模型。由于Cahn-Hilliard方程在初期变换迅速,且在后期变化缓慢,使用基于移动网格偏微分方程(moving mesh partial differential equation,MMPDE)的移动网格准则能够更好地捕捉相变的过程。在移动网格上,对空间方向使用线性有限元离散,对时间方向使用五阶Radau IIA格式离散。数值结果表明在移动网格下的数值解能够很好地保持原方程固有的质量守恒与能量稳定定律,提高计算效率,验证了该方法的有效性和可行性。     

明渠非恒定流问题的数值计算方法——以圣·维南方程组的数值计算方法为例

圣·维南方程组属于一阶拟线性双曲型偏微分方程,目前还无法求得其精确的解析解,实践中常采用数值计算方法求其近似解,即将流体力学物理问题转化为偏微分方程初边值的数值解问题。其求解是在给定初始条件和边界条件下,对方程进行离散化,求其数值解。求解过程一般分为两步:第一步是把方程组的求解域离散化,即将微分方程连续的定解域离散到定解域中的一些网格点上,把偏微分方程转化为一组代数方程。第二步是求解这组离散方程,给出这些离散点上解的近似值。数值模拟的正确性和精确度主要取决于网格划分、方程离散的差值函数、初边值条件等几个环节。目前常用的计算方法有基于有限差分法的特征线法和直接差分法,以及有限元法等。     

基于MQ拟插值的Burgers-Fisher方程数值解法

文章利用MQ拟插值构造了求解Burgers-Fisher方程的无网格数值方法。在时间方向,用向前差分法对方程进行离散;在空间方向,用MQ拟插值及其导数逼近函数本身及其空间导数。该方法的特点是操作简单,不用求解大型的方程组,稳定性好。最后,将该方法与精确解的误差和其他方法与精确解的误差进行了比较,结果显示MQ拟插值方法求解此类方程表现更好。     

二维分数阶非线性薛定谔方程的守恒数值方法

非线性薛定谔方程在许多领域有重要应用,尤其分数阶非线性薛定谔方程研究日益火热。主要研究二维分数阶非线性薛定谔方程的守恒数值求解方法。首先,为了减少存储量和运行时间,引入分数阶微分矩阵,应用加权和偏移Grunwald-Letnikov空间差分格式,对二维分数阶非线性薛定谔方程进行空间离散;然后,利用紧致隐式积分因子方法的优点(指数矩阵可以在预处理阶段计算和存储,在时间循环过程中可以直接应用,且对扩散项的精确计算与非线性项的隐式处理解耦,只需在每个时间周期内求解每个空间网格点的局部非线性代数方程组),对二维分数阶非线性薛定谔方程进行时间离散;最后,数值算例验证了方法的守恒性、准确性和有效性。     

基于自适应网格的结构拓扑优化

研究了基于自适应网格技术的结构拓扑优化.采用有限元离散设计域,单元节点密度作为设计变量.优化迭代过程中,根据设计域密度场信息对结构网格进行自适应加密和稀疏,使得材料分布边界处的网格加密,远离材料边界处的网格稀疏.同时,优化设计变量空间也随着网格的变化而变化.给出了拓扑优化中网格自适应加密和稀疏的准则,以及网格变化时结构密度场更新算法.算例结果表明提出的拓扑优化策略可以减少结构分析和优化求解的计算量,在同等结构分析和优化求解计算量下能够得到更好的拓扑结果.     

平面二维水质模型浓度场可视化研究

以平面二维水质模型为基础，研究了二维水质模型浓度场的实现模式．技术特点在于：利用非规则网格描述复杂地形边界，采用有限元法离散求解模型方程，引入二次网格分割技术生成等值线等．以此为基础，自主开发了平面二维可视化水环境模拟软件，实现了浓度场的可视化动态演示，直观地展现了浓度场的变化过程，从而使决策者和研究人员易于从庞杂的数据中，整体把握污染物的迁移转化过程．     

广义变系数KdV方程的保角能量守恒方法

基于保角哈密尔顿系统的辛形式,对带依时系数的广义KdV(TDKdV)方程提出一个保角能量守恒算法.通过算子分裂方法,方程被分裂成一个哈密尔顿系统和一个耗散系统,其中,耗散系统被精确求解.哈密尔顿系统在时间上采用二阶平均向量场(AVF)方法离散,在空间上采用傅里叶拟谱方法离散.在合适的边界条件下,所提方法可精确保持离散保角能量守恒律及离散保角质量守恒律.数值实验验证文中方法在长时间数值模拟过程中的有效性.     

东昌湖流域生态补水管理模式探讨

目前国际上已将湖泊水环境研究的重心转向湖泊流域生态系统管理,即从流域尺度对湖泊进行污染治理、生态恢复以及生态系统管理,实现湖泊流域内社会经济协调与湖泊生态系统健康的可持续发展。笔者在对东昌湖流域生态补水管理概念界定的基础上,提出了东昌湖流域生态补水管理概念模式、东昌湖流域社会经济协调发展优化模式、东昌湖水质水量保障和生态环境改善的环境管理体系。它涵盖了流域管理、水环境管理和生态系统管理的思想和内容。     

扎龙湿地生态需水分析及补水对策

充足的生态用水是保证湿地生态系统稳定的主要因素,生态需水计算研究也是对湿地进行补水的前提和依据.结合湿地水的消耗主要是蒸发和渗漏以及工农业用水,提出在不考虑周边地区城市生活及工农业用水的情况下,只需计算湿地蒸散发量和渗透量,就能从一定程度上解决补水量下限的问题.通过相关方法计算出扎龙湿地每年平均适宜生态需水量约为15.4亿m3,其中蒸散发量约为12.0亿m3,渗漏量为3.4亿m3,考虑到区域内天然降水量为6.6亿m3,得出每年需向扎龙湿地补水至少8.8亿m3才能维持湿地需水量.同时提出有效解决降水量年内分配的不均匀性问题,雨量大的季节,可考虑少补或不补水;对阻挡水流进入湿地的不合理水利工程,根据实际情况进行拆除;适当减少区内工农业用水,防止用水浪费现象发生;在上游支流修建系列水利工程,拦蓄汛期洪水,在枯水期开闸向扎龙干流补水,实现洪水资源化;采取扎龙湿地水资源敞开式向封闭式管理的转变,以工程手段促进扎龙湿地水源的优化配置等一系列湿地补水措施.     

河流水污染模拟的多河段模型及其应用

给出了模拟河流分段的原则,根据连续性原理和Streeter—Phelps方程,建立了多河段BOD-DO数值离散方程,编制了求解离散方程和进行数据整理的计算机信息系统。运用多河段模型模拟河流的污染状况,不仅可以预测不同情况下河流水质的动态变化,而且可以运用模型预测治理后的水质变化情况,因此对河流污染的防治具有重要意义。     

时空耦合谱元方法求解一维Burgers方程

针对Burgers方程在空间离散格式与时间离散格式方面的精度匹配问题,提出了一种时空耦合谱元方法,求解了一维Burgers方程。求解时在时间及空间方向同时采用了谱元方法离散方程,推导了求解过程,比较了空间方向采用谱元离散结合时间方向分别采用向后欧拉方法、四阶Runge-Kutta方法和四阶Adams-Bashforth方法的数值精度以及时空匹配特性,研究了时间方向网格单元数及插值节点数对时空耦合谱元方法数值精度的影响。研究显示:时空耦合谱元方法能够求解Burgers方程且与传统的时间差分方法相比能够获得更高的数值精度;随着空间方向单元内插值阶数的不断增大,时空耦合谱元方法的数值精度不断提高,且保留了指数阶收敛的特点,具有较好的时空匹配特性;当空间网格划分方式固定时,时间方向上增加单元数或单元内插值阶数,对数值精度提高影响不大,这一结论与相关研究结果一致。研究内容对引入与空间谱元方法精度相匹配的时间离散格式具有指导意义。     

污水处理厂再生水补充河流水体水质变化规律

探讨了深圳市某污水处理厂一级A尾水作为再生水补给河流过程中水质的变化情况,结果表明:氯消毒使再生水水质发生显著变化,而再生水在河流补水过程中,随着输送路程的增加,COD、NH_4~+—N和有机氮质量浓度升高,NO_2~-—N和NO_3~-—N变化不明显;TP变化受周边环境影响较大,A河流TP呈上升趋势,而B河流TP浓度降低。再生水消毒过程中有氯胺生成,并在河流补水过程中发生分解,释放NH_4~+—N。监测结果表明:污水处理厂一级A尾水可作为河流补水,且补水过程中水质波动较小,满足景观生态要求。     

基于常微分方程求解器的Richards方程数值模型

为了协调Richards方程数值模型在精度、稳定性和计算效率之间的矛盾,对时间步长进行优化控制,发展了一种变步长的计算模型。采用van Genuchten模型,将描述土壤水分运动的Richards方程(为偏微分方程)在空间上半离散后得到常微分方程组,借助于该求解器求解。针对以含水率θ为变量的Richards方程进行了试验,常微分方程组求解采用CVODE求解器,并对土壤水分特征曲线和水量平衡进行了检验。结果表明,该模型具有较高的计算精度、求解效率和稳定性。     

基于常微分方程求解器的Richards方程数值模型

为了协调Richards方程数值模型在精度、稳定性和计算效率之间的矛盾,对时间步长进行优化控制,发展了一种变步长的计算模型。采用van Genuchten模型,将描述土壤水分运动的Richards方程(为偏微分方程)在空间上半离散后得到常微分方程组,借助于该求解器求解。针对以含水率θ为变量的Richards方程进行了试验,常微分方程组求解器采用CVODE求解器,并对土壤水分特征曲线和水量平衡进行了检验。结果表明,该模型具有较高的计算精度、求解效率和稳定性。     

基于改进有限容积法的数群平衡方程数值方法研究

采用改进有限容积法对数群平衡方程进行数值计算,数群平衡方程涉及生长、团聚过程。对数群平衡方程进行数学变换,即把数量守恒方程变换为质量守恒方程,用非均匀几何网格对计算区域进行离散,运用有限容积法对变换后的方程进行离散求解,把数值计算结果与分析解和直接用有限容积法计算数群平衡方程的数值结果进行对比。研究结果表明:只考虑生长事件,改进有限容积法计算结果与分析解基本一致,有限容积法计算结果出现了显著的失真;只考虑团聚事件,2种方法计算结果都与分析解基本一致;同时考虑生长和团聚事件,改进有限容积法计算结果与分析解基本一致,有限容积法计算结果与分析解对比出现了失真。     

基于嵌入式离散裂缝和扩展有限元的裂缝性页岩油藏流固耦合高效数值模拟方法

通过耦合嵌入式离散裂缝模型和扩展有限元建立了一种适用于裂缝性页岩油藏的流固耦合高效数值模拟方法。该方法创新性在于:通过对裂缝进行显式降维处理,可以准确刻画水力裂缝对渗流场和应力场的影响,同时可以模拟水力裂缝开度的动态变化过程以及水力裂缝内流体压力对裂缝变形的影响;在划分网格时仅需对基岩系统进行正交网格剖分,不必考虑裂缝的几何形态,渗流场和应力场均选取一套网格,使得网格划分时的复杂度大幅降低。对于渗流方程求解采取模拟有限差分方法,满足局部质量守恒并且可以有效处理全张量形式渗透率;对于岩石力学方程求解采取扩展有限元方法,可以准确处理裂缝两侧的位移间断性。通过算例分析,本文方法的正确性与优势得以验证。     

刚体-流体耦合运动的浸入边界法研究

为避免复杂贴体网格的生成和动、静界面滑移网格技术插值带来的误差,提出采用浸入边界法模拟流体刚体的耦合运动.借助求解不可压缩N-S方程组的分步投影方法的思想,来求解基于浸入边界法的耦合系统方程.其中刚体边界离散点的作用力密度通过强制满足刚体边界的无滑移条件（位移和速度一致）导出,结合刚体定轴旋转的动量矩定理,采用Newmark时间积分方法,实现对刚体运动特性的预测.同时,通过δ光滑函数,将刚体边界离散点的作用力密度转换到流体的欧拉网格点上,实现对流场速度的修正.在空间离散上,对流项采用Quick迎风格式,扩散项采用中心差分格式,采用2阶显式Adams-Bashforth法离散时间项.以雷诺数为300的圆柱绕流为基准数值算例,验证数值计算结果的可靠性.      

西安市沪河下游湿地水文水质特征的初步分析

目的 针对西安浐河下游地区进行的湿地恢复工程,调查研究湿地恢复区的生态环境状况以及湿地水文水质特性,为中国西北地区湿地的恢复与重建提供基础数据和实践经验.方法 采用野外实地观测获得水文资料和湿地恢复区的水质监测数据,分析研究湿地恢复区的水文水质变化情况.结果 湿地水文过程受到浐河径流特性的影响,需要工程清淤措施来调控补给水源,湿地出水流量6×106 m3/y,湿地水位在进水流量变化的影响下,呈现出阶段性涨落变化的趋势;湿地对浐河水质改善明显,总氮、总磷、化学需氧量等6项监测指标从原来的V类或劣V类水质改善达到或接近Ⅲ类地表水水质标准.结论 以浐河为水源,将分布在河道外侧的采砂坑重建为湖泊湿地的方案可行,在恢复湿地地表径流的基础上,湖泊湿地得以重建,恢复区生态环境效益显著,为西北地区的湿地恢复提供了参考.     

扎龙湿地生态环境变化及其对白鹤迁徙的影响

分析了1986-2002年扎龙湿地自然和社会生态环境变化及其对春季白鹤迁徙活动的影响.研究表明:在区域气候干旱化背景下,流域中上游水土资源的开发利用、大型工程建设等影响使扎龙湿地生态环境发生很大的改变,鸟类栖息繁殖的生境遭到破坏.近17年来,湿地总面积减少了21.33 km2,芦苇沼泽和明水沼泽面积分别下降6.14 km2和6.27 km2,湿地分布重心向西北方向偏移了771.1 m.沼泽斑块数量增加,平均规模缩小,大块沼泽湿地不断被蚕食,栖息地破碎化程度增大.保护区生态环境趋于恶化,珍稀水禽的栖息空间萎缩,取食条件变差,在扎龙湿地停歇的白鹤数量减少,停留时间缩短.1998年嫩江流域大洪水过后,连续3年严重干旱,2002年白鹤的数量锐减到仅126只.2002年以来大规模的生态补水使扎龙湿地生态功能得到一定恢复,迁徙停歇的白鹤种群数量明显增加,分布范围扩大.