本文關(guān)鍵詞：南水北調(diào)中線總干渠水質(zhì)快速預(yù)測理論與方法

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【摘要】：南水北調(diào)中線工程是關(guān)系我國用水安全的重大輸水工程,同時,中線總干渠輸水線路長,水質(zhì)安全風(fēng)險大,因此開展針對渠道水質(zhì)問題的研究具有緊迫性和重要性。面對和處理渠道輸水水質(zhì)問題的最有效辦法就是科學(xué)、準(zhǔn)確的預(yù)測輸水渠道內(nèi)水質(zhì)的變化情況,因此研究渠道水質(zhì)變化理論和水質(zhì)預(yù)測模型對南水北調(diào)中線工程的水質(zhì)安全保障起決定性作用。本文研究南水北調(diào)中線總干渠輸水水質(zhì)變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在輸水渠道中,水體受外部環(huán)境影響的同時自身也在不斷的發(fā)生生化反應(yīng)。輸水渠道有兩種污染情形,即非突發(fā)污染情形與突發(fā)污染情形,在這兩種不同污染情形下渠道水質(zhì)變化具有不同的特征,因此,本文研究不同污染情形下的渠道水質(zhì)變化理論,構(gòu)建不同污染條件下的水質(zhì)預(yù)測模型,并通過數(shù)學(xué)優(yōu)化算法與數(shù)據(jù)同化算法提高模型的預(yù)測精度。論文的主要內(nèi)容與成果如下:(1)渠道水質(zhì)受光照,水溫,大氣沉降與輸水水量的影響,同時,硫化物,有機物的衰減過程以及水體耗氧復(fù)氧過程對水質(zhì)指標(biāo)變化產(chǎn)生影響。數(shù)學(xué)語言歸類整理并研究了水流水質(zhì)耦合模擬模型基本方程,研究求解水流水質(zhì)耦合模型的幾種數(shù)值方法與模型參數(shù)的計算方法。(2)設(shè)計并開展三次不同類型的試驗研究突發(fā)污染條件渠道污染物輸移問題,研究不同類型污染物在不同邊界條件下的隨流輸移規(guī)律。發(fā)現(xiàn)污染物在渠道中隨水流擴散,下游斷面的監(jiān)測濃度都有明顯的上升下降過程,污染物的濃度上升速度快,很快達(dá)到濃度最大的峰值,污染物濃度的下降過程耗時較長,同時,離污染物投放點越遠(yuǎn)的斷面濃度峰值越低,而且濃度的上升下降過程持續(xù)時間越長。在實際溶質(zhì)遷移過程中,溶質(zhì)濃度時間過程線呈明顯的偏態(tài)分布;復(fù)雜邊界條件下,紊流擴散作用明顯,均勻混合距離縮短,下游斷面監(jiān)測的濃度隨時間變化過程更均勻;懸浮污染物輸移運動規(guī)律與可溶性污染物輸移運動規(guī)律相似,均為偏態(tài)分布,但懸浮物隨流輸移過程中會發(fā)生沉淀,濃度時間過程線更加平緩;閘門調(diào)控后出現(xiàn)污染物濃度峰值減少、峰值出現(xiàn)較晚的特征。(3)在非突發(fā)污染條件下,水質(zhì)變化特征主要為水體受內(nèi)外部環(huán)境影響而發(fā)生的水質(zhì)指標(biāo)變化,系統(tǒng)模型更適用于水質(zhì)預(yù)測問題。研究廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機理,該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的要點在于通過訓(xùn)練尋找最優(yōu)的平滑參數(shù)σ,構(gòu)建了遺傳算法優(yōu)化的廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,以南水北調(diào)中線工程試運行期間的自動監(jiān)測測站獲取的水質(zhì)數(shù)據(jù)驗證模型的預(yù)測效果,認(rèn)為模型具有較好的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性,較高的學(xué)習(xí)速度和強烈的近似能力,在預(yù)測非突發(fā)污染條件下的水質(zhì)變化問題時精度較高,同時計算的速度大大提高。(4)在突發(fā)污染條件下,水質(zhì)變化特征主要為突發(fā)污染物隨水體輸送的遷移擴散過程,水流—水質(zhì)方程為基礎(chǔ)的物理模型更適用于水質(zhì)預(yù)測問題問題。研究數(shù)據(jù)同化算法,認(rèn)為數(shù)據(jù)同化算法可從異質(zhì)、不規(guī)則分布、時間不一致而且精度不同的數(shù)據(jù)中推測動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài),而三維變分算法以最小化代價函數(shù)的方法對預(yù)測結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果開展數(shù)據(jù)同化工作,得到了即符合物理機理又能考慮實際監(jiān)測結(jié)果的濃度矩陣。構(gòu)建三維變分算法—水質(zhì)預(yù)測模型,將實時監(jiān)測結(jié)果引入到水質(zhì)預(yù)測模型中,經(jīng)算例驗證,同化后模型的精度得到提高。(5)在南水北調(diào)中線總干渠中開展水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控與應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)研究與運行示范,模擬突發(fā)污染事件的發(fā)生,預(yù)警,處置等過程,并以示范工程中下游監(jiān)測斷面的監(jiān)測結(jié)果驗證本文建立模型的精度與可靠性。我們發(fā)現(xiàn)一維水流水質(zhì)耦合模擬模型的模擬精度不能讓人滿意,尤其是在模擬的后半段,誤差的累計導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)偏離,在實際情境中預(yù)測結(jié)果的偏離會導(dǎo)致誤差的累積而產(chǎn)生預(yù)測方向的偏差。而三維變分算法—水質(zhì)預(yù)測模型無論是在預(yù)測濃度峰值出現(xiàn)時刻,峰值濃度還是在總體誤差上,都取得了較好預(yù)測的效果,模型在南水北調(diào)中線工程中取得了良好的效果。本文研究了南水北調(diào)中線工程水質(zhì)變化理論,構(gòu)建了適用于該工程的水質(zhì)預(yù)測模型,同時,研究了提升水質(zhì)預(yù)測模型預(yù)測精度的兩種方法,即優(yōu)化算法與數(shù)據(jù)同化算法與水質(zhì)預(yù)測模型的結(jié)合,為渠道水質(zhì)預(yù)測模型精度的提升提供了另一種可行的思路。所以,本文的研究對于南水北調(diào)中線工程輸水水質(zhì)安全具有重要的科學(xué)意義和實際的工程意義。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TV68;X832

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 陳偉;;決定南水北調(diào)工程成敗的關(guān)鍵:水質(zhì)抑或水量[J];中國軟科學(xué);2016年07期

2 林明利;張全;李宗來;張桂花;張志果;楊志勇;司紹林;牛紅展;孫建軍;范海龍;顧軍農(nóng);;南水北調(diào)中線輸水水質(zhì)水量變化特征及城市供水應(yīng)對措施建議[J];給水排水;2016年04期

3 李潛洲;袁重桂;邱宏端;阮成旭;李建聰;陶翠麗;;光照強度對水質(zhì)和泥鰍生長的影響[J];廣州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2015年03期

4 蘭鑫宇;郭子祺;田野;雷霞;王婕;;土壤濕度遙感估算同化研究綜述[J];地球科學(xué)進(jìn)展;2015年06期

5 楊雙;楊海東;王卓民;肖宜;邵東國;;確定河渠縱向離散系數(shù)的分位數(shù)回歸法[J];南水北調(diào)與水利科技;2014年05期

6 李原園;;嚴(yán)格水質(zhì)保障 確保清水北送——《南水北調(diào)工程供用水管理條例》解讀之四[J];水利發(fā)展研究;2014年03期

7 曹倩;邵東國;張華;李波;劉玉龍;;梯形斷面明渠縱向離散系數(shù)的分析[J];南水北調(diào)與水利科技;2012年06期

8 馬建文;秦思嫻;;數(shù)據(jù)同化算法研究現(xiàn)狀綜述[J];地球科學(xué)進(jìn)展;2012年07期

9 韓曉飛;潘存英;羅詞建;;基于遺傳算法的廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在地震預(yù)測中的應(yīng)用[J];華北地震科學(xué);2012年01期

10 孫佳穎;徐衛(wèi)東;;河流水質(zhì)預(yù)測模型研究進(jìn)展[J];山西建筑;2010年36期

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