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三維泥沙動(dòng)力數(shù)值模型的高效應(yīng)用
——準(zhǔn)三維模型“輕裝”效應(yīng)

2017-05-17 01:57黑鵬飛假冬冬尚毅梓
關(guān)鍵詞:引航道泥沙電站

楊 靜,黑鵬飛,假冬冬,尚毅梓

(1.中央民族大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 北京 100081;2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210029;3.中國(guó)水科院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038)

三維泥沙動(dòng)力數(shù)值模型的高效應(yīng)用
——準(zhǔn)三維模型“輕裝”效應(yīng)

楊 靜1,黑鵬飛1,假冬冬2,尚毅梓3

(1.中央民族大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 北京 100081;2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210029;3.中國(guó)水科院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038)

近年來(lái)泥沙動(dòng)力和河床沖淤三維計(jì)算模型(SB3D)取得了快速的發(fā)展,然而由于SB3D基于全三維水動(dòng)力模型,計(jì)算量過(guò)大將會(huì)降低SB3D的工程實(shí)用性。從模型結(jié)構(gòu)、模型求解與程序代碼編譯三個(gè)角度,探討準(zhǔn)三維水動(dòng)力模型和SB3D聯(lián)用的合理性和實(shí)用性,并采用實(shí)驗(yàn)室模擬和工程應(yīng)用予以證明。結(jié)果表明:準(zhǔn)三維模型多數(shù)條件下可以為SB3D提供合理的三維水流速度;全三維水動(dòng)力模型和程序模塊可以方便的由準(zhǔn)三維模型和模塊替換;準(zhǔn)三維水動(dòng)力模型極大的提高了模型計(jì)算效率,具有理想的“輕裝”效應(yīng),可以提高SB3D的工程實(shí)用性。

準(zhǔn)三維模型;計(jì)算河流動(dòng)力學(xué);泥沙

河流動(dòng)力模型包含水動(dòng)力模型和泥沙動(dòng)力模型。近年來(lái)復(fù)雜形態(tài)河道演變數(shù)值模擬研究,促進(jìn)了三維泥沙動(dòng)力模型(SB3D)的迅速發(fā)展[1-7]。但是,這些模型都基于全三維水動(dòng)力模型[3-6],而當(dāng)前計(jì)算機(jī)速度尚無(wú)法滿(mǎn)足全三維模型工程計(jì)算的要求,限制了SB3D最新成果在工程中的應(yīng)用。準(zhǔn)三維水動(dòng)力模型基于靜壓假定,極大的提高了三維模型的計(jì)算效率,增加了三維水動(dòng)力模型的應(yīng)用可行性[2]。當(dāng)前準(zhǔn)三維模型越來(lái)越多的應(yīng)用于河流水庫(kù)的水質(zhì)模擬中[8-9],遺憾的是,基于準(zhǔn)三維水動(dòng)力模型的泥沙動(dòng)力模型研究仍相對(duì)較少,準(zhǔn)三維河流動(dòng)力模型的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)尚未展現(xiàn)。工程應(yīng)用中,當(dāng)全三維模型因計(jì)算量過(guò)大而不具有可行性時(shí),則直接選取二維[10-13]或一維泥沙動(dòng)力模型[14-15],而未將SB3D模塊應(yīng)用于準(zhǔn)三維模型,由此導(dǎo)致準(zhǔn)三維河流動(dòng)力模型應(yīng)用的滯后性。

本文在對(duì)全三維和準(zhǔn)三維水動(dòng)力模型進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)對(duì)比(時(shí)均流速)的基礎(chǔ)上,將全三維模型的SB3D應(yīng)用于準(zhǔn)三維模型,探索其在準(zhǔn)三維河流動(dòng)力學(xué)模型中的應(yīng)用可行性和優(yōu)越性。

1 準(zhǔn)三維水動(dòng)力模型分析

1.1 準(zhǔn)三維水動(dòng)力模型

河流全三維水動(dòng)力模型求解主要難點(diǎn)源于自由表面和壓強(qiáng)項(xiàng)。在水位起伏不大的條件下,常由連續(xù)方程直接垂向積分獲得水位方程。自由表面獲得后,壓強(qiáng)并無(wú)獨(dú)立的控制方程,對(duì)此需要采用經(jīng)典流體力學(xué)求解方法,常用方法為SIMPLE法。每一次壓強(qiáng)修正迭代,都需要求解一個(gè)七對(duì)角方程。若采用GMRES方法求解,Im、Jm、Km分別表示x、y、z方向的網(wǎng)格數(shù),則計(jì)算量為O(Im×Jm×Km)3,如每一時(shí)間步中壓力修正n步,則總計(jì)算量為O(n×(Im×Jm×Km)3)。

靜壓假定后,動(dòng)量方程中壓強(qiáng)p可由水位ζ簡(jiǎn)單表示。ζ與動(dòng)量方程常采用分離求解,先采用顯式求解ζn+1,再分別由動(dòng)量方程和連續(xù)性方程先后求得x、z、y方向流速u(mài)n+1、vn+1和wn+1,無(wú)需采用全三維模型常用的壓力修正法迭代求解[2]。其中最為簡(jiǎn)單的是水位和動(dòng)量方程全部顯式求解(如POM模型)?;蛘邇H對(duì)垂向擴(kuò)散項(xiàng)隱式離散(如EFDC模型),所得三對(duì)角方程也無(wú)需迭代求解,追趕法求解計(jì)算量?jī)H為O(8Km×Im×Jm)。

水位方程

(1)

水平動(dòng)量方程

(2)

(3)

垂向流速由下式

(4)

(5)

直接顯式離散求得。以上各式中t為時(shí)間,x、y、z為物理坐標(biāo);σ=(z-zb)/H,zb為床面高程,H為水深;u、v分別為x、y方向的流速;ω、w分別為σ坐標(biāo)下和z坐標(biāo)下的垂向流速;f、g分別為科氏力和重力加速度;Fx和Fy分別是x和y方向的動(dòng)量源項(xiàng)。

總之,雖然準(zhǔn)三維模型并不適用于垂向速度(w)變化較大情況,但準(zhǔn)三維和全三維水動(dòng)力模型都可以為SB3D提供三維流速信息,且準(zhǔn)三維模型基于靜壓假定,降低了水動(dòng)力模型求解難度,增加三維模型的求解效率。目前關(guān)于準(zhǔn)三維水動(dòng)力模型開(kāi)放型代碼較多,其中相對(duì)成熟且應(yīng)用較多的是EFDC。本文水動(dòng)力學(xué)語(yǔ)言模塊(HYD)由Intel Visual Fortran 11.0.061專(zhuān)業(yè)版編譯器雙精度Fortran90語(yǔ)言編寫(xiě)。

1.2 準(zhǔn)三維水動(dòng)力精度分析

河道形態(tài)如圖1所示,彎道的底坡為0.0003。試驗(yàn)流量為4.17 L/s、下游水深10.59 cm[16]。模型進(jìn)口紊動(dòng)動(dòng)能k=0.02U2(U為垂向平均流速),紊動(dòng)黏性系數(shù)為νt=0.001 m2/s;模型橫向網(wǎng)格數(shù)10個(gè),縱向網(wǎng)格數(shù)360個(gè),垂向網(wǎng)格數(shù)10個(gè)。

理論分析已表明,由于垂向動(dòng)量方程直接采用靜壓假定,因此準(zhǔn)三維模型無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算垂向流速(w),不適合于垂向流速變化較大的情況,也就是說(shuō)準(zhǔn)三維模型無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算涉及垂向流速的二次流。本文分別采用三維水動(dòng)力和準(zhǔn)三維水動(dòng)力方程,對(duì)圖1彎道水動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算,驗(yàn)證彎道中水流流速大小沿垂向的變化,結(jié)果表明,準(zhǔn)三維模型和三維模型流速大小相差甚小。圖2給出第三彎道45°和75°斷面流速沿垂向分布對(duì)比。由圖2可看出全三維、準(zhǔn)三維模型數(shù)值計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本符合。只是數(shù)值計(jì)算流速在近床面明顯降低,沿垂向呈對(duì)數(shù)分布,而實(shí)測(cè)流速在近床面略有波動(dòng),甚至出現(xiàn)近底層流速相對(duì)較大的現(xiàn)象,這可能由于彎道位置斷面螺旋流所致。模型驗(yàn)證表明,雖然基于靜壓假定,但在動(dòng)壓作用非主導(dǎo)條件下,準(zhǔn)三維模型流速計(jì)算結(jié)果與全三維模型基本一致。準(zhǔn)三維水動(dòng)力模型可以為SB3D提供可靠的水流流速信息。

圖1 連續(xù)彎道模型平面布置圖

圖2 典型斷面流速沿水深分布驗(yàn)證

2 三維泥沙動(dòng)力模型及高效應(yīng)用

目前三維水動(dòng)力模型和泥沙動(dòng)力模型都采用分離求解。在每一時(shí)間步內(nèi),先求解水動(dòng)力學(xué)方程獲得un+1、vn+1和ωn+1,后求解泥沙輸運(yùn)方程和河床變形方程獲得泥沙濃度(sn+1)、水位高程(zn+1)等(見(jiàn)圖3)。un+1、vn+1和ωn+1得出后,泥沙動(dòng)力模塊自身封閉。若該泥沙動(dòng)力模型的un+1、vn+1和ωn+1由準(zhǔn)三維水動(dòng)力模型提供,則稱(chēng)為準(zhǔn)三維河流動(dòng)力學(xué)模型(見(jiàn)圖3)。

(1) 懸沙輸運(yùn)模型。無(wú)論是全三維模型還是準(zhǔn)三維模型,懸沙輸運(yùn)方程均采用單相多組分流體輸運(yùn)方程[2-6],只是在垂向?qū)α黜?xiàng)中增加了泥沙垂向沉速ωs:

(6)

式中,ωs為σ坐標(biāo)下的泥沙沉速;Qs為泥沙源項(xiàng)。

圖3 全三維河流動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)三維河流動(dòng)力學(xué)模型的轉(zhuǎn)換

由于單相多組分控制方程應(yīng)用的廣泛性,多數(shù)準(zhǔn)三維模型程序語(yǔ)言都包含相關(guān)模塊,只需要在程序代碼中添加垂向沉速,并修改床面邊界條件以及相應(yīng)參數(shù)即可用于懸沙計(jì)算。床面邊界可采用

(7)

式中,νt是紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù);σs為泥沙的Schmidt數(shù);sb和sb*分別為近底層泥沙濃度和飽和濃度。

(2) 河床變形模型。河床縱向變形模型的一般形式

(8)

式中

(9)

其中角標(biāo)l表示粒級(jí)級(jí)配分組;lM為泥沙級(jí)配組數(shù);p′為泥沙的空隙比;δb為推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)層的厚度;qb,l,x和qb,l,y分別在x和y方向泥沙推移通量。

不同文獻(xiàn)中上式各項(xiàng)具體形式不同,但具體計(jì)算都是采用顯式求解,因此全三維模型研究成果,都可直接用于準(zhǔn)三維模型,且程序代碼的實(shí)現(xiàn)也可統(tǒng)一。此外,河床橫向演變模型也都采用顯式求解[1,3-6],因此同樣可直接應(yīng)用于準(zhǔn)三維模型。

3 模型工程應(yīng)用

3.1 工程概況

北本水電站位于湄公河上游河段,為湄公河水電開(kāi)發(fā)規(guī)劃的第一級(jí)電站,電站位于老撾北部烏多姆賽省北本縣境內(nèi),壩址在北本縣城上游約14 km處。電站采用徑流式開(kāi)發(fā),樞紐工程由混凝土重力壩、泄洪沖沙閘、沖沙底孔、船閘和魚(yú)道等建筑物組成(見(jiàn)圖4)。水庫(kù)為日調(diào)節(jié)水庫(kù),水庫(kù)正常蓄水位340 m,死水位334 m,總庫(kù)容約7.8×108m3,電站裝機(jī)容量912 MW。

圖4 電站及下游航道分布平面示意圖

根據(jù)規(guī)劃,當(dāng)入庫(kù)流量小于3 a一遇洪水流量13 200 m3/s時(shí),水庫(kù)水位盡量維持在340 m運(yùn)行,通過(guò)泄洪沖沙閘(12孔)、沖沙底孔來(lái)維持;當(dāng)入庫(kù)流量大于3 a一遇洪水流量13 200 m3/s、小于5 a一遇洪水流量14 900 m3/s時(shí),船閘停止使用,水庫(kù)水位盡量維持在340 m運(yùn)行,通過(guò)泄洪沖沙閘(12孔)、沖沙底孔和機(jī)組過(guò)流、航道沖沙閘打開(kāi)泄水(2孔)來(lái)調(diào)節(jié)。電站推移質(zhì)泥沙大都被上游電站攔截,懸沙中值粒徑為0.007 7 mm,電站下游床沙中值粒徑0.025 mm。

3.2 離散網(wǎng)格和邊界條件

計(jì)算區(qū)域上游選自大壩位置,出口取至引航道以下500 m位置。模型采用了曲線正交網(wǎng)格,縱向網(wǎng)格數(shù)為129個(gè),橫向網(wǎng)格數(shù)為60個(gè),垂向分為5層。網(wǎng)格劃分主要考慮主流流向以及水流、泥沙參數(shù)的變化。網(wǎng)格與引航道邊界擬合很好,主流區(qū)網(wǎng)格走向與河道深泓線一致,網(wǎng)格間距為10 m~20 m,引航道區(qū)域網(wǎng)格局部加密。區(qū)域網(wǎng)格夾角為80°~90°。時(shí)間步長(zhǎng)為10 s。計(jì)算區(qū)域上游邊界給定水庫(kù)下泄流量和沙量,下游給定水位(見(jiàn)圖5)。

圖5 下游出口水位變化過(guò)程曲線

基于所建立準(zhǔn)三維模型,計(jì)算2003年—2009年水庫(kù)修建之前的河道沖淤過(guò)程,參數(shù)率定表明,模型飽和系數(shù)采用常數(shù),沖刷時(shí)取2.3,淤積時(shí)取0.55,床面粗糙高度ks=0.01 m。

3.3 引航道表層橫向流速和通航安全分析

北本水電站通航建筑物為單線單級(jí)船閘,船閘級(jí)別為Ⅳ級(jí),要求口門(mén)區(qū)垂直航線的橫向流速不能大于0.30 m/s,回流區(qū)不能大于0.40 m/s。本文選取通航最低流量、年平均流量、2 a一遇流量以及通航最大流量四種條件計(jì)算引航道的橫向流速。計(jì)算結(jié)果可以清楚的反映表層和底層的流速差異(見(jiàn)圖6),表層流速可為航道通航安全提供有力依據(jù)。引航道回流區(qū)位于航道內(nèi)口門(mén)上游100 m~300 m處,如圖7中C#區(qū)。航道內(nèi)橫向流速隨著河道下泄流量增加而增大。在最低通航流量和年平均流量時(shí),C#區(qū)橫向流速為0.10 m/s左右,對(duì)船只的安全航行無(wú)不利影響,回流流速小于0.40 m/s,尚能滿(mǎn)足通航要求,但已有礙航趨勢(shì);當(dāng)流量達(dá)到2 a一遇流量11 600 m/s時(shí),航道內(nèi)C#區(qū)最大橫向流速達(dá)0.50 m/s~0.60 m/s,超過(guò)口門(mén)區(qū)最大橫向流速限值0.40 m/s,無(wú)法滿(mǎn)足通航條件。上述計(jì)算結(jié)果表明,相較于二維模型,準(zhǔn)三維模型可以方便的提供引航道內(nèi)表層流速,進(jìn)一步判斷不同水流條件下船只航行的安全性。

圖6 計(jì)算全域三維流場(chǎng)分布

3.4 電站下游泥沙沖淤計(jì)算

模型基于Dell/戴爾T420服務(wù)器(六核E5-2430V2/16G/2T),對(duì)電站運(yùn)行后下游泥沙沖淤進(jìn)行計(jì)算。電站下游主河道及引航道沖淤示意圖如圖8所示。計(jì)算表明,電站運(yùn)行后下游河道沿深泓線均有不同程度的沖刷,斷面沖刷由深泓線向兩岸遞減。最大沖深位于壩下游300 m處深槽位置,水庫(kù)運(yùn)行1 a后,最大沖深達(dá)1.0 m左右,后沖刷的速度逐漸減緩,運(yùn)行1 a~5 a內(nèi),該點(diǎn)年平均沖刷深度0.5 m,至第5年時(shí)沖淤基本平衡,河道深泓線平均沖刷1.4 m~2.0 m左右,局部達(dá)3.0 m。當(dāng)河道泄洪沖沙閘關(guān)閉時(shí),泄洪沖沙閘下游形成局部回流和淤積,淤積厚度約為0.7 m。在電站運(yùn)行10 a內(nèi),下引航道呈累積性淤積趨勢(shì)。淤積程度由口門(mén)向船閘呈遞減趨勢(shì),5 a末船閘附近淤積厚度約為1.0 m左右,口門(mén)最大淤積厚度達(dá)2.6 m左右,將會(huì)出現(xiàn)礙航現(xiàn)象。以上計(jì)算表明,準(zhǔn)三維模型不僅可以區(qū)分垂向速度差異,而且可以成功模擬電站下游河道長(zhǎng)期沖淤過(guò)程,對(duì)比全三維模型在計(jì)算效率方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間約為214 h,模型適用于中小型的工程的應(yīng)用。

圖7 引航道流速分布

圖8 電站下游主河道及引航道沖淤示意圖

4 結(jié) 論

近年來(lái)泥沙輸運(yùn)和河床沖淤計(jì)算方法取得了較快的發(fā)展,但這些模型的水動(dòng)力計(jì)算多是采用全三維水動(dòng)力模型,計(jì)算量過(guò)大而限制了成果的工程實(shí)用性。本文研究表明:

(1) 準(zhǔn)三維水動(dòng)力模型可以極大的降低模型的計(jì)算量,同時(shí)較為準(zhǔn)確的模擬非動(dòng)水壓強(qiáng)主導(dǎo)的三維水流運(yùn)動(dòng)特征。

(2) 全三維河流動(dòng)力模型中的水動(dòng)力模型和模塊,可方便的被準(zhǔn)三維模型或模塊取代,變?yōu)闇?zhǔn)三維模型,增加其工程應(yīng)用可行性。

(3) 準(zhǔn)三維水動(dòng)力模型可以成功應(yīng)用于中長(zhǎng)尺度河流模擬,特別是對(duì)于部分既需要考慮三維垂向流速分布,計(jì)算時(shí)空尺度又較大的泥沙動(dòng)力模擬。

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3D River Fluvial Numerical Model Optimized by the Quisi-3D Hydrodynamic Numeric Model

YANG Jing1, HEI Pengfei1, JIA Dongdong2, SHANG Yizi3

(1.CollegeofLifeandEnvironmentalSciences,MinzuUniversityofChina,Beijing100081,China;2.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing,Jiangsu210029,China;3.DepartmentofWaterResources,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China)

Quasi-3D numerical model has been widely used in the water flow modeling and water quality modeling, but its significance in the river fluvial computation has not be fully realized. In this paper, the quasi-3D hydrodynamics model and fluvial model used in the 3D model were combined. After the model calibration, the model were then used to simulate the hydrodynamic and fluvial process in downstream of the Beiben power station. Results manifested that quasi-3D numerical model for the river dynamics shows great advantage than the 3D numerical model in the computation efficiency while retaining the capability for simulating the vertical distribution of the flow and sediment dynamics. The quasi-3D numerical model plays the irreplaceable role when the vertical distribution of the flow and sediment are needed while 3D was not feasible due to the computation efficiency.

quasi-3D numerical model, compuational river dynamics; sediment

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.002

2016-12-11

2017-02-01

中央民族大學(xué)校級(jí)自主科研項(xiàng)目(2016SHXY03);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51209239)

楊 靜(1982—),女,內(nèi)蒙古赤峰人,博士生,研究方向?yàn)樗鷳B(tài)。E-mail:yangjing123456@126.com

黑鵬飛(1979—),男,陜西榆林人,講師,主要從事地表水環(huán)境和水生態(tài)研究。E-mail:heipf06@mails.tsinghua.edu.cn

TV143

A

1672—1144(2017)02—0009—07

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