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基于最优控制理论的水库排沙调度优化研究

水力发电学报 2010年第4期29卷 70-76页

作者：申晓东钟德钰吴腾清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

我国各类水库面临的泥沙淤积问题十分严重,泥沙淤积不仅减少水库的兴利库容、缩短水库使用寿命,还会带来其它一系列包括生态、环境等在内的问题,处于多沙河流上的水库,这一问题尤为突出。因此,对于增强水库排沙减淤的调度运行方式的研... 详细信息

我国各类水库面临的泥沙淤积问题十分严重,泥沙淤积不仅减少水库的兴利库容、缩短水库使用寿命,还会带来其它一系列包括生态、环境等在内的问题,处于多沙河流上的水库,这一问题尤为突出。因此,对于增强水库排沙减淤的调度运行方式的研究具有重要意义。本文利用最优控制理论,研究了多沙河流水库排沙减淤的优化调度运行方式,并通过实测水沙资料进行计算。由计算结果可以看出,经最优控制理论优化后的水库调度运行,其排沙比大幅度提高,减淤效果明显,可以作为水库排沙优化调度的一种有效手段。

关键词：泥沙动力学水库调度最优控制理论排沙减淤

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非均匀悬移质泥沙弥散速度本构方程

水力发电学报 2019年第3期38卷 1-11页

作者：贾宝真钟德钰清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室西宁810016

天然河流中泥沙由非均匀颗粒组成,泥沙的非均匀性对于水沙运动和河床演变过程具有重要影响。然而目前非均匀悬移质泥沙研究中很少考虑不同粒径颗粒相互作用,颗粒相互作用对非均匀沙悬浮的贡献仍不明确。本文旨在建立非均匀悬移质泥沙弥... 详细信息

天然河流中泥沙由非均匀颗粒组成,泥沙的非均匀性对于水沙运动和河床演变过程具有重要影响。然而目前非均匀悬移质泥沙研究中很少考虑不同粒径颗粒相互作用,颗粒相互作用对非均匀沙悬浮的贡献仍不明确。本文旨在建立非均匀悬移质泥沙弥散速度本构方程,其可反映非均匀泥沙悬浮的主要力学机制。首先,基于固液两相流理论,建立非均匀沙挟沙水流的两相流方程,充分考虑不同粒径颗粒相互作用力,并推导挟沙水流两相浑水方程以避免相间作用耦合复杂的问题。其次,为封闭两相浑水方程,引入弥散速度的概念,建立非均匀沙各粒径组弥散速度本构方程,揭示非均匀沙悬浮本质上是浑水紊动、颗粒自身作用、其他粒径颗粒作用三种作用共同影响的结果。最后,基于非均匀沙弥散速度本构方程得到非均匀悬移质泥沙的输沙方程,分析非均匀沙浓度垂线分布规律,将其应用于明渠恒定均匀流中,计算的非均匀沙浓度垂线分布与实验数据能较好地吻合。相对于均匀沙公式,在浓度相对较高、粒径差异大的条件下,非均匀沙公式的计算值与实验值符合得更好,进一步验证了非均匀沙弥散速度本构方程能够从力学本质上反映不同粒径颗粒相互作用对颗粒悬浮的影响机制。

关键词：非均匀悬移质弥散速度颗粒相互作用浓度分布

基于特征分析的多沙河流洪峰流量增值机理研究

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水力发电学报 2010年第5期29卷 202-208,225页

作者：丁赟钟德钰张红武清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

黄河下游等多沙河流通过高含沙洪水时常出现洪峰流量增值这一异常现象。从描述多沙河流水沙运动的耦合数学模型出发,基于模型所构成的双曲系统的特征理论,分析了多沙河流洪峰流量沿程增值机理。从所获得的耦合模型的特征关系上看,当河... 详细信息

黄河下游等多沙河流通过高含沙洪水时常出现洪峰流量增值这一异常现象。从描述多沙河流水沙运动的耦合数学模型出发,基于模型所构成的双曲系统的特征理论,分析了多沙河流洪峰流量沿程增值机理。从所获得的耦合模型的特征关系上看,当河床存在显著变形时会对浅水波的传播特性产生较大影响。河床冲刷时水流中扰动传播速度变慢,而河床淤积时水流中扰动传播变快。因此,多沙河流高含沙洪水过程中河床出现的"涨冲落淤"现象使得后期落水阶段河床变形对水流运动产生的扰动较前期涨峰时更快,是产生洪峰增值现象的原因之一。

关键词：泥沙动力学多沙河流洪峰增值双曲理论特征河床变形

水库自适应控制运用模型及其在亭口水库的应用

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水力发电学报 2010年第3期29卷 97-102,131页

作者：吴腾钟德钰张红武河海大学港口海岸与近海工程学院南京210098 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

在现有水库运用模式的基础上,引入自适应控制理论,提出了水库自适应控制运用的概念,建立了水库自适应控制运用模型。该模型采用历史水沙资料确定水库的运用参数,并考虑了当前的来水来沙条件、水库地形条件、水库泄流能力、水库的功能等... 详细信息

在现有水库运用模式的基础上,引入自适应控制理论,提出了水库自适应控制运用的概念,建立了水库自适应控制运用模型。该模型采用历史水沙资料确定水库的运用参数,并考虑了当前的来水来沙条件、水库地形条件、水库泄流能力、水库的功能等多方面的影响,具有动态的特点。为检验该模型的合理性,以陕西亭口水库为例进行计算分析,结果表明,自适应控制模型对来水来沙条件的变化具有较好的适应性,能实时调整水库运用参数,使水库发挥更大的经济效益,较传统的方法具有明显的优势。

关键词：水库自适应控制优化运用数学模型

时间变态对悬移质动床模型河床变形相似影响的研究

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水力发电学报 2007年第3期26卷 82-87页

作者：张羽张红武钟德钰清华大学水利系

河工动床模型时间变态常影响试验结果与原型的偏离程度。本文在前人研究基础上,首先分析了产生时间变态的原因及对悬移质动床模型相似的影响。然后通过长江上荆江河段悬移质动床模型,分别开展了三组时间比尺对河床变形相似影响的试验。... 详细信息

河工动床模型时间变态常影响试验结果与原型的偏离程度。本文在前人研究基础上,首先分析了产生时间变态的原因及对悬移质动床模型相似的影响。然后通过长江上荆江河段悬移质动床模型,分别开展了三组时间比尺对河床变形相似影响的试验。其结果表明,时间变态程度对河床冲淤变形相似有直接影响。

关键词：水沙动力学时间变态动床模型河床变形相似

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基于制衡机制的治导线设计

水利学报 2016年第10期47卷 1315-1321页

作者：马良张红武钟德钰清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

治导线规划是河道整治中的重要环节,然而现行整治规范只限制了治导线设计参数的取值范围,设计中经验性较强,未考虑设计参数之间的制衡关系。基于前人对弯道输沙及送溜能力的研究,兼顾弯道输沙及送溜能力,基于制衡机制得到最优治导线的... 详细信息

治导线规划是河道整治中的重要环节,然而现行整治规范只限制了治导线设计参数的取值范围,设计中经验性较强,未考虑设计参数之间的制衡关系。基于前人对弯道输沙及送溜能力的研究,兼顾弯道输沙及送溜能力,基于制衡机制得到最优治导线的设计目标函数,通过目标函数求最小值解得治导线的设计参数。将此方法应用于河势控制良好的河段,计算得出的制衡方程最小值、治导线设计参数、设计参数与河段实际情况基本一致,说明方法的可行性,并使用此方法对黄河内蒙古皮房圪旦-白音赤老河段进行治导线规划。

关键词：治导线规划曲率半径直河段长度制衡机制

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基于动理学理论的坡面水流土壤分离能力研究

应用基础与工程科学学报 2021年第3期29卷 591-605页

作者：贾宝真钟德钰张科利清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室青海西宁810016 北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875

土壤分离能力是反映土壤侵蚀强弱的重要参数,但目前研究中多采用基于实验数据建立的经验公式来计算,在反映水流作用下土壤分离过程的物理机制时存在不少困难.本文基于泥沙运动的动理学理论建立了新的土壤分离函数,将分离能力表示为单位... 详细信息

土壤分离能力是反映土壤侵蚀强弱的重要参数,但目前研究中多采用基于实验数据建立的经验公式来计算,在反映水流作用下土壤分离过程的物理机制时存在不少困难.本文基于泥沙运动的动理学理论建立了新的土壤分离函数,将分离能力表示为单位时间内在外力作用下,单位面积床面上脱离土体的物质通量.分离函数的核心为颗粒速度分布函数,反映了土壤分离过程中颗粒微观受力状态的分布规律,而颗粒脱离床面的速度在状态空间上的积分则反映了分离过程的宏观统计规律.文中采用共计12组实验数据对分离函数进行了验证,并与其他3家代表性分离函数进行了对比.结果表明,本文分离函数的计算值与实验数据较为一致,相对误差在[-0.5,0.5]之间的数据占所有数据的78%,具有良好的计算精度.由于基于泥沙运动的动理学理论得到的分离函数具有较强的理论基础,本文的研究结果也为揭示土壤分离过程的力学机制提供了新的理论方法.

关键词：坡面流分离能力动理学理论速度分布函数水动力学机制

随机选取法和多波近似在一维浅水方程大时间步长格式中的应用

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计算物理 2013年第5期30卷 649-658页

作者：许仁义钟德钰吴保生水沙科学与水利水电工程国家重点实验室清华大学水利水电工程系北京100084

利用黎曼精确解和行波法相结合,在一维浅水方程中实现大时间步长(Large Time Step,LTS)格式,并采用多波近似解决稀疏波断裂的问题,采用随机选取法(Random Choice Method,RCM)解决非线性方程使用LTS格式出现的震荡问题.一系列数值试验发... 详细信息

利用黎曼精确解和行波法相结合,在一维浅水方程中实现大时间步长(Large Time Step,LTS)格式,并采用多波近似解决稀疏波断裂的问题,采用随机选取法(Random Choice Method,RCM)解决非线性方程使用LTS格式出现的震荡问题.一系列数值试验发现,通过多波近似和随机选取法对大时间步长格式的改进,提高了计算效率,减小了震荡,取得了很好的计算效果.

关键词：随机选取法多波近似大时间步长格式浅水方程

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河相关系的随机微分方程建模与研究

水利学报 2019年第3期50卷 364-376页

作者：宋晓龙钟德钰王光谦清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072

由气候变化等环境突变引起的水沙输入条件和边界条件的不确定性给河流地形特征的考察与模拟增加了困难。本文通过建立随机微分方程,研究了典型的河相关系特征变量(包括比降、河宽、水深、流速)随时间变化的概率分布演化规律。随机方程... 详细信息

由气候变化等环境突变引起的水沙输入条件和边界条件的不确定性给河流地形特征的考察与模拟增加了困难。本文通过建立随机微分方程,研究了典型的河相关系特征变量(包括比降、河宽、水深、流速)随时间变化的概率分布演化规律。随机方程的随机输入项分别由3种噪声模型进行模拟,包括单独的高斯白噪声、组合的高斯白噪声加泊松噪声,和组合的分数白噪声加泊松噪声模型。方程中的未知参数使用一种复合型的极大似然非参数估计法进行估计。使用蒙特卡洛方法将方程应用于黄河下游高村-孙口段,结果较好地展示了河相关系对随机扰动的潜在响应,特别是,计算的随机平均值与测量值有较好的同步度。通过模型比较发现,既能反映非线性又能反映突变性特征的分数-泊松扩散模型是较适合模拟河相关系随机演化的模型,以此为基础的河流功率可作为系统性评估河流动态演化特征的优选指标。本文提出的分析河相关系的新方法,可根据指定精度用于设计和监测河流系统,既有理论价值又有实际意义。

关键词：河相关系随机微分方程气候环境变化河流管理