河道及河口一维及二维嵌套泥沙数学模型
2001年10月
水 利 学 报SH UI LI X UE BAO 第10期
收稿日期:2000208230
基金项目:国家自然科学基金及水利部联合资助重大项目(59890200).
作者简介:张修忠(1972-),男,山东临沂人,博士生.
文章编号:055929350(2001)1020082206河道及河口一维及二维嵌套泥沙数学模型
张修忠1,王光谦1
(11清华大学水沙科学教育部重点实验室,北京 100084)
摘要:建立了一种河道及河口一、二维嵌套的泥沙数学模型,对基本的控制方程、方程的离散和求解方法、嵌套连接条件以及非均匀沙的处理等问题进行了研究.以非恒定非均匀不平衡输沙理论作为本文建模的基础,为方便处理二维计算域的不规则边界,采用有限元数值离散格式.验证算例对河道做一维简化,对口外海域做二维处理,通过交界面的水位、流量和含沙量等的传递,在每一迭代步内进行耦合计算.数值模拟结果与实测资料吻合较好,且计算省时,表明本文建立的嵌套模型是一种解决某些实际工程问题的可靠的和高效的工具.关键词:河口;泥沙输运;嵌套连接;有限元离散
中图号:T V149 文献标识码:A
泥沙数学模型作为研究和解决河流、水库和近海等水域的水流运动和泥沙冲淤问题的有效工具,已得到了较为普遍的应用.一维模型计算省时,可快速方便地进行长河段、长时期的洪水和河床演变预报,但无法给出各物理量在平面范围的分布,因而在模拟河床细部变形、河口和港湾等水域的流动和冲淤问题时,显得无能为力.水深积分的二维模型克服了一维模型的缺陷,但因计算量剧增,模拟长河段、长系列、平面大范围的水流运动和河床演变问题时很不经济,即使是短时期问题也不易做到实时预报.因此,将一维和平面二维模型嵌套连接,发挥其各自的优势,对于解决许多生产问题是必要的和有意义的.文献[1]在这方面做了比较细致的研究工作,文献[2]应用一、二维嵌套技术成功的模拟了黄河口的演变.
1 水流泥沙数学模型及其求解方法
111 河道一维非恒定流水沙方程 河道水流运动的圣维南方程:
5A 5t +5Q 5x
=0(1)5Q 5t +55x (Q 2A )=-gA 5ζ5x -gA Q 2K 2(2)
悬移质不平衡输运方程及河床变形方程:
5(AS k )5t +5(QS k )5x
=-αωk B (S k -S 3k )(3)γ′5A sk 5t
=αωk B (S k -S 3k )(4)式中:A 、B 、Q 、
ζ分别为河道的过水面积、河宽、流量和水位;K 为流量模数,由谢才公式计算;S k 、S 3k 、
ωk 、A sk 分别为第k 粒径组泥沙的含沙量、挟沙力、沉速及冲淤面积;α为恢复饱和系数;
γ′为淤积物干容量;x 、t 为空间和时间变量.
112 口外平面二维水沙运动基本方程 对于平面大范围的自由表面流动,由于水深尺度一般远小于水面尺度,可以引入浅水假定以简化基本守恒方程.假定压力沿水深服从静压分布,对基本方程(N 2S 方程)沿水深积分,可得到如下守恒型的浅水方程:
55t (h )+55x j (q j
)=0(5)55t (q i )+55x j (u j q i )=f δij q j -gh 5ζ5x i -λq i +55x j (νt 5q i 5x j
)(6)悬移质不平衡输沙方程和海床变形方程:
55t (Ψ)+55x j (u j Ψ)=αωk s 3k -βΨ+55x j (εs 5Ψ5x j
)(7)γ′5Z b 5t =∑N s k =1
αωk (s k -s 3k )(8)式中:u j 、q j 为x j 方向的平均流速和单宽流量;f 为柯氏力系数;δ为系数矩阵,除δ12=1和δ21=-1外其余元素均为0;λ=g u j u j Π(C 2
h );C 为谢才阻力系数,可由曼宁公式计算;β=αωk Πh ;Ψ=hs k ;涡粘性系数νt 由νt =κu 3h Π6.计算,κ为卡门常数,u 3为摩阻流速;泥沙紊动扩散系数εs 假定与水流涡粘性系数相等;h 表示水深;水位函数ζ由水深和床底高程确定,即ζ(x j ,t )=h (x j ,t )+Z b (x j ,t );i ,j =1,2.
113 水流挟沙力 潮汐河口挟沙力可由下式表示
[3]:s 3=K V 2gh (9)
在风、浪和潮流联合作用下,流速应该是风、浪和潮的合成流速,即:
V =| V T + V b |+|V w |
(10)式中:V T 为潮流速度;V b 为风吹流的平均速度;V w 为波流的平均速度;V b =0102W ,W 为平均风
速;V w =012ch c Πh ,c 为波速;h c 为波高;K 为率定系数.
114 基本方程的有限元离散11411 河道单元的离散 河道单元的流动守恒方程和泥沙输运方程可写成如下统一形式的对流方程:5φ5t +5(U φ)5x
=F (11)式中:φ=[A ,Q ,AS k ]T ,F =[0,-gA (5ξ5x +Q 2K
2),-αωk B (S k -S 3k )]T ,U =Q ΠA .对流方程的有限元离散可写成:
M 5φi 5t =C ij φj +F i (12)
式中:M 表示集中质量矩阵,M =∫ΩN i N j d Ω;C ij 表示对流矩阵,C ij =-∫Ωw i
5UN j 5x
d Ω;F i 代表源项,F i =∫Ωw i F d Ω.11412 口外平面二维单元的离散 有限元在本质上属于非结构化网格离散方法,便于处理复杂边界问题.因此,本文对控制方程采用有限元法离散,方程(5)～(7)的弱解形式经分部积分后可得如下的空间半离散方程:
M 5h i 5t
=C ij h j (13)M 5
=C ij <=[q x ,q y ,hs ]T ,F 1=[F x ,F y ,F z ]T ,F 2=[-λ,-λ,-αωΠh ]T 式中:C ij为对流矩阵;D ij为扩散矩阵;由下列各式表示: C ij=-∫Ωw i5uN j5x+5νN j5y dΩ D ij=-∫Ωνt5N i5x5N j5x+5N i5y5N j5y dΩ F x=-∫Ωgh5ζ5x w i dΩ F y=-∫Ωgh5ζ5y w i dΩ F z=∫Ω(αws3)w i dΩ 式中:N、w i分别为插值函数与权函数. 若上述离散中的权函数与插值函数相等,则构成经典的G alerkin有限元法.对于对流占优问题, G alerkin法等价于中心差分格式,因缺乏足够的耗散,往往导致数值振荡.为此,本文采用高分辨率格式对流项进行重构,即通过引入几乎相等的扩散与反扩散以保证格式的高精度,同时利用限制因子保证影响系数的非负性及解的保单调性[4]. 115 离散方程的求解 为使计算收敛或加快收敛,离散中对源项M?F2<进行负坡线性比.离散后的方程(13)、(14)为常微分方程,可采用多种显式或隐式方法求解.本文对时间导数项采用C2N格式离散,对离散后的代数方程采用QMR[5]方法迭代求解,该方法具有节省内存,收敛快的优点. 本文顺序求解离散后的方程.对于二维海域,先由二维对流扩散输运方程(6)计算流速,由对流输运方程(5)计算水深,由悬沙对流扩散方程(7)计算含沙量,最后由河床变形方程(8)计算节点的冲淤深度.对于河道一维计算,运动方程的单元离散转化为求解流量Q的方程,连续方程的单元离散方程则转化为求解水位ζ的方程. 2 嵌套连接条件 一、二维嵌套模型是通过交界面连接的,由于一维模型只给出物理量的断面平均值,二维模型给出节点的水深平均值,因此在交界面上存在各物理量断面平均值和节点垂线平均值的相互转化和衔接问题.水沙运动在交界面上的连续性是模型嵌套连接的基本原则,因此,一、二维嵌套的连接条件是: 水位相等,即:ZB=∫B0z d y.式中:Z为断面平均水位;z为节点的水位;B表示交界断面的水面宽度. 流量相等,即:Q=∫B0uh d y.式中:Q为通过交界面的流量:u、h分别是节点的垂线平均流速和水深. 悬移质输沙量相等,即:SQ=∫B0uhs d y.式中:S、s表示交界面的断面平均含沙量和节点垂线平均含沙量. 此外,还有阻力、挟沙力、河床变形等连续条件.本文口门水位由二维控制,流量由河道一维计算给出,含沙量进行相互传递. 3 非均匀沙水流挟沙力级配及床沙级配计算 311 挟沙力级配计算 鉴于水流中的泥沙源于上游水流挟带和床沙紊动扩散进入,因此由水流条件和床沙组成推求非均匀沙的分组挟沙力的做法是较为合理的.本文采用李义天通过建立输沙平衡状态下的床沙质级配和床沙级配间的关系以及垂线平均悬沙浓度和河底悬沙浓度之间的关系得到的挟沙力级配公式[6]. 312 床沙级配计算 床沙级配随河床冲淤而变化,对阻力、输沙率及河床冲淤影响显著.若已知各 粒径组泥沙的冲淤厚度ΔH s k及总的冲淤厚度ΔH s,则床沙级配调整计算可分为以下两种情况. (1)ΔH s>0,即发生淤积的情况,床沙活动层级配由下式计算: ΔP t +Δt bk =[ΔHs k +ΔP t bk (H t m -ΔHs )]ΠH t +Δt m 式中:ΔP t bk 、ΔP t +Δt bk 分别为t 时刻和t +Δt 时刻的床沙活动层级配;H t m 、H t +Δt m 为相应时刻的床沙活 动层的厚度. (2)ΔH s <0,即发生冲刷的情况,床沙活动层级配由下式计算: ΔP t +Δt bk =[ΔHs k +ΔP t bk H t m +|ΔHs |ΔP remk ]ΠH t +Δt m 式中:ΔP t bk 、ΔP t +Δt bk 、H t m 、H t +Δt m 同前,ΔP remk 为若干个记忆层内的床沙平均级配. 床沙活动层是指河床发生冲淤变化过程中,河床表层参与河床冲淤变形的那一层床沙,水流挟带 的泥沙与床沙的交换在这里发生,河床冲淤变形也在这一层里发生[7].床沙活动层厚度是指一个冲淤 计算时段内感受到水流作用并且泥沙组成发生变化的床沙厚度[7,8].受河床变形和来水来沙条件的影 响,活动层的厚度和组成不断变化.由于问题的复杂,要从数学上严格定义和表达活动层厚度目前还比较困难.尽管有许多学者对这一问题进行了研究,给出了一些计算方法.但这一问题不能考虑过细,一方面缺乏床沙级配沿垂向变化的实测资料;另一方面考虑过细不一定能提高精度.故本模型采用较常用的处理方法,即取一固定值2m. 313 床沙级配的分层记忆模式 为了模拟床沙组成的变化过程,将床沙划分为床沙活动层及其下面 的记忆层[8]两部分.记忆层可根据实际情况分n 层.计算中,当河床发生淤积时,记忆层层数增加, 增加层的级配为t 时刻的床沙活动层级配ΔP t bk .当河床发生冲刷时,根据冲刷量的大小,记忆层数 相应减少,且级配作相应的调整. 4 模型的验证 411 计算条件 漳卫新河是海河流域南系的一条尾闾河道,担负着漳河、卫河的泄洪排涝任务.自1973年扩大治理以来,由于入海径流少,辛集闸闸下河道被潮汐动力所控制,源源不断的海相来沙使河道严重淤积.据94年实测地形资料分析[9],淤积河道长达26km ,淤积总量达到1262万m 3,河道行洪能力下降47%.本文验证计算的河道一维计算域取自漳卫新河的辛集闸至河口,长3716km ;口外海域的下边界至-20m 等深线,纵向长30km ,横向宽20km.河道地形资料采用94年大断面资料,口外地形采用1∶50000海图. 412 边界条件 河道进口给定流量、含沙量过程,口外开边界条件采用潮位控制,岸边界采用水流无滑移条件.口外各角点水位由实测潮位根据潮波传播相位差推延得到,再根据域内测点流速过程验证情况稍作调整,以90年实测大潮潮型概化计算潮型.一、二维连接断面采用流速边界,并按曼宁公式进行分配. 413 有关参数的选取[10] 在现有的认识条件下,河口水沙预测的关键是选取可靠的基本参数,如糙 率、挟沙力系数和泥沙恢复饱和系数等.为此,需对河口现状水流泥沙条件进行验证,它一方面是对数学模型本身的检验,另一方面也是率定水流泥沙基本参数,为各方案科学预报提供依据. 河道糙率采用01025,河口二维海域糙率采用0102;水流挟沙系数采用海河口数据K=100;淤积 物干容重取0165t Πm 3;根据验证计算确定泥沙恢复饱和系数α冲=011,α淤=0125;波高取大口河测波 站平均波高. 图1 计算与实测潮位过程对比图2 计算与实测流速过程对比 414 验证计算结果 图1～3给出了94年8月26～27日河口处的潮位、流速和含沙量计算与实测的对比,图中零时刻对应于26日14时.可以看出计算与实测潮位、流速吻合良好,表明水流计算参数的选取是合理的,计算方法也是可靠的.含沙量过程计算与实测有一定差别,主要是由于在潮流和波浪共同作用下泥沙参数的选取还有待进一步改进. 图4给出了83年～93年河道累计淤积量计算与实测的对比,全河段累计淤积量计算值约590万m3.图5～6给出了河口局部涨急和落急流场,可以看出,涨潮流速明显大于落潮流速,与实测资料一致.这也是涨、落潮输沙不平衡,河道淤积的一个重要原因.受资料限制,口外海床变形未作验证. 图3 计算与实测含沙量过程对比图4 计算与实测河道累计淤积量对比 图5 涨急局部流速矢量场图6 落急局部流速矢量场 5 结语 对口外海域进行平面二维计算,对河道采用一维模拟;或者对河道流动复杂段应用二维模型,流动简单或顺直河段应用一维模型的一、二维耦合算法,既具有一维模型的快速方便,又能获得局部河段或平面大范围的细部信息.这样可以用较少的机时复演和预测长河段的河床变形及其重点段的细部变形,是一种解决某些实际工程问题的有效方法. 致谢:论文得到大连理工大学土木系金生教授的指导和帮助,在此表示衷心的感谢. 参 考 文 献: [1] Wu W M,Li Y T.One2and T w o2Dimensional nesting mathematical m odel for river flow and sedimentation[C],5th International sym posium on river sedimentation,1992,K arlsruhe547-554. [2] Zhang S Q.One2D and T w o2D combined m odel for estuary sedimentation[J],Int.J.Sediment Research,1999,14 (1):37-45. [3] 刘家驹,张镜潮.淤泥质海岸航道、港地、淤积计算方法及其应用推广[J].水利水运科学研究,1993 (4). [4] 张修忠,王光谦,金生.浅水流动有限元分析及其高分辨率格式[J].长江科学院院报,2001(1). [5] Freund R W,Nachtigal N M.An im plementation of the QMR method based on coupled tw o2term recurrence[J].SI2 AM.J.Sci C om put.,1994,15(2):313-337. [6] 李义天.冲淤平衡状态下的床沙质级配初探[J].泥沙研究,1987,(3). [7] 李义天,胡海明.床沙混合活动层计算方法探讨[J].泥沙研究,1994,(1):64-71. [8] 吴卫民,等.河床床沙组成数值模拟方法[J].武汉水利电力大学学报,1994,27(3):320-327. [9] 王文治,梁永立.漳卫新河冲淤变化及发展趋势的分析[R].水利部天津勘察设计研究院,1996. [10] 金生.漳卫新河河口泥沙冲淤计算[R].大连理工大学,2000. 12D and22D nesting sediment transport model for rivers and estuaries ZH ANG X iu2zhong1,W ANG G uang2qian1 (11T singhua Univer sity,Beijing 100084,China) Abstract:A12D and22D combined sediment transport m odel for rivers and estuaries is presented.The basic equation,the numerical method,the coupling conditions and the treatments for non2uniform sediment are stud2 ied.The m odel is based on unsteady non2uniform and non2equilibrium sediment transport theory.The finite el2 ement method is abopted to solve the g overning equations for its capability of accepting com plex geometry.The m odel is verified by the simulations of the flow and sediment transport in the estuaries of the Zhangweixin River, in which the river area is treated as12D and the sea area is treated as22D.By trans ferring the water level,dis2 charge and sediment concentration at the interface,the coupling calculations are conducted in each iterative step.The results are in g ood agreement w ith the measured data and a lot of CPU time is saved,which shows that the proposed m odel is reliable and high efficiency in solving practical engineering problems. K ey w ords:estuary;sediment transport;nesting linking;finite element discretization 有交货时间限制的大规模实用下料问题 朱珠,王辉,志敏 指导老师：鲁习文 (华东理工大学理学院数学系,200237) 摘要：本文讨论了有交货时间限制的大规模单一原材料下料问题。对于一维下料问题，本文提出一种新的算法：DP 贪婪算法。在一维的基础上建立了二维的求解模型，运用降维思想结合一维的DP 贪婪算法，给出解决该模型的算法。数值计算结果表明该算法对大规模下料问题是有效的。 关键词：下料问题，DP ，贪婪算法 1、问题描述 单一原材料下料问题. 设这种原材料呈长方形，长度为L ,宽度为W ，现在需要将一批这种长方形原料分割成m 种规格的零件, 所有零件的厚度均与原材料一致，但长度和宽度分别为),(,),,(11m m w l w l ，其中m i W w L l w i i i ,,1,, =<<<。m 种零件的需求量分别为m n n ,,1 。下料时，零件的边必须分别和原材料的边平行。这类问题在工程上通常简称为二维下料问题。特别当所有零件的宽度均与原材料相等，即m i W w i ,,1, ==，则问题称为一维下料问题。 一个好的下料方案是在生产能力容许的条件下，以最少数量的原材料，尽可能按时完成需求任务, 同时下料方式数也尽量地小. 2、一维下料问题 2.1 模型假设 在充分了解并分析了实际情况后，我们对一维下料问题提出如下假设： （1）每天下料的数量受到企业生产能力的限制，在未完成需求任务前，每天下料的数量等于最大 下料能力。 （2）每个切割点处由于锯缝所产生的损耗不可忽略。 （3）增加一种下料方式大致相当于使原材料总损耗增加%08.0。 （4）每种零件有各自的交货时间，若某零件无交货时间，则记该零件交货时间为无穷大。 2.2 一维单一原材料实用下料问题的模型 根据公司要求，目标是既要所用材料最少，也要下料方式少。记m ：零件种类总数,i x ：第i 种下料方式下料的根数，k ：下料方式的种类数，:i δ第i 种下料方式的余料。借助函数 ???=01)(i x signal 00 =>i i x x ，可得所用材料)(1x f 和采用的下料方式)(2x f 分别为： ∑==k i i i x x f 11)(δ，()∑==k i i x signal x f 1 2)( 借助模型假设中假设(3)：增加一种下料方式大致相当于使原材料总损耗增加%08.0。故可将双目标转化为单目标： 零维纳米陶瓷材料 之纳米陶瓷粉体的制备机理分析关键词:零维纳米制备机理固相合成液相合成 摘要: 一般而言，物质的存在形式有固体、液体、气体三种。构成物质的原子在固体中几乎不改变其位置，但在液体中能够比较自由地移动，而在气体中能相当自由地到处移动，这与物质内的原子密度有关。固体内的原子密度高，间距小，原子间相互作用强，并且在长程范围内起作用；气体内原子密度很小，间距很大，原子间的相互作用弱，能够快速地到处运动，当然，发生相互碰撞而改变运动方向是难以避免的；液体则介于气体和固体之间。这样，原子的易动度影响微粒的制备方法和生成颗粒的形貌。纳米陶瓷粉体的制备可以分为固—固、液—液、气—气、固—液、固—气、液呷气、固—液—气几类化学反应，但是从反应物传质的速度上看，其原子或分子在液相中的扩散速度明显比在固相中快，在气相中的扩散速度又明显比在液相中快，所以固—液、固—气、固—液—气反应中的化学反应速度明显受制于物质在固相中的扩散速度，我们可以把它们统统归类到固相反应；同理，液—气反应可以归类到液相反应中；气相反应仅包括气—气反应。 正文: 3．1粉体的固相合成 固相合成工艺主要指：①反应物中至少有一种是固态，所有的固—固、固—液、固—气、固—液—气都属于其研究范围；②产物颗粒是在固相表面生成而不是在气相或液相中成核长大，但同时不排除固相合成工艺中有气相原料及气相反应存在。 应该指出，机械粉碎法是一种常见的固相制粉工艺，尤其是在制备粒度在微米级以上的陶瓷粉体时，这种方法既方便快捷，成本也比较低廉。但到目前为止，用机械粉碎的方法还无法得到纳米颗粒， 3．1．1粉体固相合成的基本原理 3．1．1．1固相合成的分类方法按参加合成反应的反应物情况，粉体固相合成反应基本可分成下述五类 式中：S，C和L分别表示固态、气态和液态，当然还有更复杂的合成反应，比如具有两种以上固态反应物并包括气态反应物等，但这些可视为上述几种反应的组合了。 从微观机制上看，这五类反应是有明显区别的：(1)类反应即是热分解反应，它在一定的温度、压力条件下即可发生。其中不存在反应物的扩散问题，但产物气体的扩散则是必然发生的。由于气体的聚集和释放，结果使固体颗粒变得疏松多子乙而进一步粉化，容易得到纳米颗粒。(2)、(3)和(4)类反应情况较为复杂，它们涉及两种分子参加的反应，只有两种分子通过扩散而相互紧密接触，合成反应才能发生。(3)类反应中涉及的是气体在固体中(或表面)的扩散。(4)类反应中涉及的是液体在固体中的扩散。(5)类反应最复杂，涉及三相反应。 题1、[下料问题的优化设计]某车间有一大批长130cm的棒料，根据加工零件的要求，需要从这批棒料中成套截取70cm长的毛坯不少于100根，32cm 长的毛坯不少于100根，35cm长的毛坯不大于100根。要求合理设计下料方案，使剩下的边角料总长最短。 根据题目意义，运用优化设计理论和方法，完成设计全过程;工程问题分析：数学模型建立及特征分析：优化方法选择；优化程序设计（解析优化）；计算结果分析；结论及体会。 基于MATLAB一维优化下料问题分析 0 前言 生产中常会通过切割、剪裁、冲压等手段，将原材料加工成所需大小零件，这种工艺过程，称为原料下料问题。在生产实践中，毛坯下料是中小企业的一个重要工序。怎样减少剩余料头损失是节约钢材、降低产品成本、提高企业经济效益的一个重要途径。在毛坯下料中我们常会遇到毛坯种类多、数量大的情况，如不进行周密计算则因料头而造成的钢材损失是相当可观的。为使料头造成的钢材损失减少到最小程度，我们可依据预定的目标和限制条件统筹安排，以最少的材料完成生产任务。 1 一维优化下料问题的具体模型分析 设原材料长度为L,数量充足。需要切割成n (n≥0)种不同规格的零件,根据既省材料容易操作的原则，人们已经设计好了n 种不同的下料方式，设第j 种下料方式中可下得第i 种零件 ij a 个,又已知第i 种零件得需要量为i b 个, j x 表示第 j B 种下料方式所消耗得零件数目, j c 表示第 j B 种下料方式所得余料(j=1, 2 , ?, n, j x ∈ Z)。满足条件的切割方案有很多种,现在要求既满足需要又使所用原材料数量最少,即最优下料方案满足:μｐ=min (∑j c j x )约束条件:∑ ij a j x =i b , j x ∈Z 。 线性规划数学模型 根据线性规划算法，约束条件包括两部分：一是等式约束条件，二是变量的非负性。出变量的非负要求外，还有其他不等式约束条件，可通过引入松弛变量将不等式约束化成等式约束形式。如果是求最大值的,则松弛模型最优解对应的目标函数值必大于或等于整数规划最优解对应的目标函数值；如果问题是求最小值，则松弛模型最优解对应的目标函数值必于或等于整数规划最优解对应的目标函数值。因此对于最优下料方案模型为： []()1 1 min 1n p j j j n ij j j j j f c x a x b x z μ==+? ==???=???∈??∑∑ 由式(1)的线性规划(LP)引入松弛变量 黄河河口海岸二维非恒定水流泥沙数学模型 曹文洪，何少苓，方春明 (中国水利水电科学研究院泥沙研究所) 摘要：针对黄河河口海岸岸线变化剧烈和含沙量变幅大的特点，开发和建立了适合黄河河口海岸应用的平面二维动边界非恒定水流泥沙数学模型。验证表明，本模型可以较好地模拟黄河河口海岸泥沙输移和冲淤变化，为研究和解决多沙河口海岸的泥沙问题提供技术手段。 关键词：黄河口；挟沙能力；窄缝法；非恒定流；数学模型 收稿日期：2000-01-06 基金项目：国家重点基础研究发展规划项目(G1*******)资助 作者简介：曹文洪(1963-)，男，(满族)，黑龙江省人，中国水利水电科学研究院教授级高工，博士。 自本世纪七十年代以来，由于计算机技术的迅猛发展，国内外相继出现了众多的河口海岸泥沙数学模型[1-7]，有力地促进了河口海岸的泥沙研究的发展。然而，已有的河口海岸数学模型大多是模拟含沙量较低的河口海岸的泥沙运动，而能够模拟多沙和岸线延伸剧烈的河口海岸泥沙数学模型还极为少见。近年来，已有个别学者尝试用泥沙数学模型模拟黄河河口海岸的泥沙运动，如张世奇开发了一套黄河口平面二维泥沙冲淤数学模型，得到了较好的效果[18～20]。为了全面系统地反映黄河三角洲海陆动态交互影响机理和泥沙运动与湿地演替关系，本文开发和建立了径流、潮流和波浪作用下的黄河河口海岸平面二维动边界非恒定流非均匀沙不平衡输沙数学模型。 1 模型结构 1.1 水流运动基本方程 (1) (2) (3) 为谢才式中：U、V分别为潮流速在x及y方向的垂线平均值分量；Z为潮位；C f 系数；F为柯氏系数，F=2ωsinφ，式中ω为自转角速度，φ为地理纬度；h为水深；Z 为海底起始高程。 b 黄河河口治理现状问题及对策探讨 孙远扩 山东黄河河务局 [摘要]本文在分析黄河河口治理现状的基础上，针对存在的黄河河口物理模型试验基地建设资金尚未到位、管理体制不顺、投资渠道不畅、河道节点工程不完善、防洪形势严峻、海岸线蚀退等问题，提出了保质保量完成河口物理模型建设、理顺河口治理管理体制、加强综合治理相对稳定入海流路、建设数字河口等对策建议。 [关键词]黄河口治理现状问题建议 黄河河口是黄河的重要组成部分，人民治黄以来，特别是随着河口地区社会经济的迅速发展和胜利油田的深入开发，国家高度重视河口治理，相继采取人工改道、加修堤防、整治河道、疏浚河槽等措施，初步建成了河口防洪工程体系。在新的形势下，维持黄河健康生命新理念和山东黄河哑铃战略的提出，对治理河口提出了更高的要求；水沙条件的急剧变化使得黄河河口出现诸多新情况、新问题；对河口的一些治理措施认识还不一致等，关系河口地区安全、发展的重大问题亦亟待研究解决。 1 黄河清水沟流路治理现状 现行清水沟流路是1976年人工改道形成的，原计划行水12～14年。但由于加大了治理力度，先后实施了河口疏浚治理试验、河口治理一期、人工出汊、挖河固堤等工程，加之受黄河流域降雨偏少和引用水量增加等因素的影响，黄河入海水沙量大幅度减少，尾闾河道淤积延伸速率大大减慢。因此，清水沟流路得以行河达30多年。 1.1 疏浚治理试验 为延长清水沟流路行水年限，经黄委同意，1988年4月，东营市、胜利油田和黄河部门联合在河口进行了疏浚治理试验，采取“截支堵汊、强化主干，束 水导流、定向入海，清障拖淤、疏浚河门，巧用潮汐、以潮输沙，护滩保槽，稳定河势，宽河固堤、确保安全”等措施，进行河口疏浚治理，尾闾河道众流归一，河口河段的防洪形势好转。 1.2 入海流路治理一期 随着黄河三角洲地区经济社会的发展和石油开发，要求黄河入海流路相对稳定，1989年黄委会同胜利油田等单位编制了《黄河入海流路规划报告》，国家计委于1992年批复，山东河务局又依据批复意见，编报了《黄河入海流路治理一期工程项目建议书》， 1996年国家计委对此批复，总投资为3.64亿元。其中，中国石油天然气总公司负担2.10亿元，并负责北岸崔家控导工程以下项目的建设与管理；水利部1.04亿元、山东省0.5亿元，负责南岸工程的建设与管理。到2003年底,除北汊1改道引河开挖和南防洪堤延长等个别工程未实施外，其他项目已基本建设完成。 1.3 清8改汊 为了缓解河口地区防洪压力，延长清水沟流路使用年限，结合胜利油田造陆采油的需要，经山东河务局报请黄委会批准，于1996年5月在清8断面附近实施了人工出汊造陆采油工程，1996年7月14日汊河过流，清8改汊工程实施后河口段河道呈溯源冲刷。1997年利津至西河口河段发生淤积，西河口以下河道 仍受溯源冲刷影响，发生冲刷，河床比降为1.030/ 000，比出汊前增大了0.060/ 000 。 1.4 2000年黄河河口治理 为保证河口治理的连续性，2001年水利部批复了《2000年黄河河口治理建设项目实施方案》，主要有：堤防道路、放淤固堤、河道整治等工程以及河口观测研究、黄河口专业机动抢险队建设、丁字路口专用水文站建设等项目。大多数项目均已按期完成。 1.5 挖河固堤 1997-1998年、2001-2002年和2004年分三次在河口河段实施了挖河固堤工程。据分析，挖河工程减淤作用明显，挖河工程在挖河段上下游河段引起了溯源和沿程冲刷，同流量级的水位均有大幅度的降低，平滩流量增大明显，断面形态向着有利方向变化，但挖河工程在减少河道淤积作用方面具有明显的时效性，约2年。 黄河河口的特点可以用“黄河口、大油田、红色圣地、黄金海岸”来概括。黄河口。黄河在垦利境内109公里，年径流量300亿立方米，正常年份，黄河每年携沙造陆3万亩左右，是中国唯一能“生长”土地的地方。垦利县现有土地面积313万亩，人均占有土地15.3亩，是山东省平均水平的5倍多，也是中国东部沿海地区土地后备资源最丰富的地区。 黄河（Yellow River）——世界上含沙量最多的河流。黄河，中国的母亲河。若把祖国比作昂首挺立的雄鸡，黄河便是雄鸡心脏的动脉。黄河流程达5464千米，流域面积达到752442平方公里，上千条支流与溪川犹如无数毛细血管，源源不断地为祖国大地输送着活力与生机。河是我国第二长河，世界第五长河，源于青海巴颜喀拉山，干流贯穿九个省、自治区：青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东，年径流量574亿立方米，平均径流深度79米。但水量不及珠江大，沿途汇集有35条主要支流，较大的支流在上游，有湟水、洮河，在中游有清水河、汾河、渭河、沁河，下游有伊河、洛河。两岸缺乏湖泊，黄河下游流域面积很小，流入黄河的河流很少。 胜利油田地处山东北部渤海之滨的黄河三角洲地带，主要分布在东营、滨州、德州、济南、潍坊、淄博、聊城、烟台等 8 个城市的 28 个县 ( 区 ) 境内，主要工作范围约 4.4× 10 4 km 2 , 是我国第二大油田。 胜利油田是一个资源丰富、资金密集、技术密集、人才密集的国有特大型企业，是中国第二大石油生产基地，同时又是正在建设中的山东石油化工基地和农牧渔业基地，在实施 中国石油工业“稳定东部，发展西部”战略方针和山东省两个跨世纪工程（开发建设黄河三角洲和建设“海上山东”）中均具有举足轻重的地位。 河口地区 工程地质实习指导书 兰州铁道学院土建分院隧岩所 2001年6月 目录 一实习目的、内容要求与方式 (2) 二实习地点与时间安排 (3) 三河口地区工程地质概况 (3) (一) 自然地理简介 (3) (三) 地层岩性 (4) (四) 地质构造 (5) (五) 地貌 (5) (六) 不良地质现象 (6) 四实习路线与观察点 (6) 五野外工作方法及技能 (10) (一) 地质观察点的记录格式和内容 (10) (二) 地质素描图绘制方法简介 (12) (三) 地质平面图绘制方法简介 (13) (四) 铁路地质剖面图绘制方法简介 (13) (五) 信手剖面图绘制方法简介 (13) 六实习报告的编写 (13) 七附录 (14) 附录 1 本区主要岩石花纹图例 (15) 附录 2 各种地质符号 (16) 附录 3 地层代号和色谱 (17) 附图1 河口地区地形图 一实习目的、内容要求与方式 土木工程专业野外工程地质实习是教学计划中一个不可缺少的实践性环节，对学生学好后续课程和掌握解决工程建设中各种地质问题的方法有着深远的影响。 (一) 实习的主要目的 1. 通过实习，使学生获得地质实体的感性认识，巩固课堂所学的基本理论和基本知识，为后续课程的学习打下良好的基础。 2. 通过基本技能的训练，如地质现象的观察、描述，地质资料的收集、整理，简易地质仪器、工具的使用等，使学生了解野外地质工作的一般内容和方法。 3. 了解地质病害对工程建设的影响，病害区地质工作的方法，典型病害的防治措施，使学生掌握在工程建设中如何应用地质知识。 (二) 实习的内容要求 1. 通过野外地质填图进行以下教学内容： (1) 能较熟练地阅读和使用地形图。 (2) 掌握地质罗盘仪的使用方法，能较准确测点和测定各种地质体的产状要素。 (3) 观察确定各种地质构造现象，并掌握其描述、记录方法。 ①岩性的鉴别、命名、描述及其在地质体中岩性变化的观察与记录。 ②了解野外地层划分的依据。 ③构造基本类型的确定，构造特征的观察与描述，构造对公路、铁路及水电工程的影响。 (4) 学习掌握基本的地质图件的绘制方法。如：素描图、信手剖面图的绘制方法等。 (5) 地质图的基本工作方法。 确定填图原则、范围，地质点的意义及一般观察、记录的方法，地质界限的填绘，标本的采集与记录，图件的整理与上墨。 2. 通过编制铁路地质剖面图进行以下教学内容： (1) 使学生了解定测阶段铁路地质剖面图的内容及编图方法，使学生能够正确地使用地质概念和地质述语表达线路工程地质条件及工程地质问题。 (2) 野外工程地质工作方法、步骤及组织。 3. 通过考察兰青、兰新铁路和公路的滑坡、泥石流、崩塌、落石、岩堆、黄土陷穴等地质病害的治理，使学生了解地质病害整治的工程措施及如何应用地质知识为工程建设服务。 (三) 实习的方式 野外地质实习方式是：在实习区布置观察线路，观察线路上布置观察点，教学内容安排在观察点上进行。在每个观察上，先由教师简要介绍观察点的内容和要求，再由学生进行实地观察，必要时可借助简单的地质仪器和工具，测量岩层产状、做素描图，信手剖面图等。在学生观察的基础上，由教师引导开展讨论，分析观察的结果，最后由教师归纳、总结、讲解各种地质现象的形成原因和过程。 2009年8月 水 利 学 报SH UI LI X UE BAO 第40卷 第8期 收稿日期:2008205207 基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAB06B08) 作者简介:刘晓燕(1964-),女,河南永城人,博士,教授级高级工程师,主要从事河流健康和环境流研究。 E 2mail :xyliu @yellowriver.g https://www.360docs.net/doc/c713668472.html, 文章编号:055929350(2009)0820956206黄河河口生态需水分析 刘晓燕,连 煜,可素娟 (黄河水利委员会,河南郑州 450003) 摘要:黄河入海水量及其流量变化过程对保障其河口三角洲生态健康具有十分重要的作用。本文分析了黄河三角洲生态系统的结构、组成及其功能,认为该生态系统关键期为5—9月。分析了黄河渔洼以下三角洲生态系统中的陆域湿地、河流湿地以及近海水域等重要生态单元生境修复与黄河径流条件的关系,重点分析了鸟类生境、河道内鱼类生境和近海水生生物繁衍生境的生态需水,提出了它们对黄河入海水量及其流量过程的要求。在统筹考虑黄河天然径流条件、自然功能用水和社会功能用水的平衡、黄河水资源配置条件等因素后,进一步提出现阶段黄河向 其三角洲生态系统提供的生态用水控制指标:5—6月繁殖关键期的适宜水量约22亿m 3,相应的利津断面流量应不 低于150m 3Πs ,最好能达到250m 3Πs ;7—10月应保障洪水量级不低于3500m 3Πs 、平水期流量不低于200～300m 3Πs ;11 月—次年4月流量应不低于75m 3Πs ,最好能达到120m 3Πs 。 关键词:黄河;三角洲;湿地;生态;需水 中图分类号:X 17111文献标识码:A 1 研究背景 现在的黄河河口三角洲是1855年兰考铜瓦箱决口改道后形成的。150多年来,伴随着河口流路“淤积-延伸-摆动-改道”的过程,黄河三角洲已成为我国生物多样性最为丰富、最具保护价值的河口三角洲生态系统,是东亚至澳洲涉禽迁徙的重要停歇地和繁殖地,东北亚鹤类的重要越冬地和迁徙停歇地,世界珍稀濒危鸟类黑嘴鸥、东方白鹳和黑鹳的重要繁殖和迁徙停歇地,天鹅、斑嘴鹈鹕、红隼等保护 性鸟类的重要越冬、迁徙和繁殖地。据调查[1],该地区共有植物393种,其中野大豆是国家二级保护植 物;共有鸟类283种,其中国家一级保护鸟类9种,二级保护鸟类41种;共有鱼类193种,其中国家一级保护动物2种、二级保护动物7种。为此,国家于1992年设立了黄河三角洲国家级自然保护区,主要保护珍稀濒危鸟类的主要生境。保护区位于黄河渔洼以下,总面积1513万hm 2 ,其中核心区面积518万hm 2。然而,1986年以来,黄河遭遇了连续枯水年,伴随着居高不下的人类用水,使利津断面(黄河最末端水文站,下距入海口约112km )的各月流量均大幅减少(图1),从而严重损害了三角洲生态系统的健康。黄河河口生态需水的研究已成为广受关注的热点课题。 从已发表文献看,自然保护区内的陆域湿地生态需水是迄今研究最多的方面[2-5],研究者采用的思 路基本上为水量平衡法。因选择参数不同和考虑的空间范围不同,其计算结果变动在15～40亿m 3范围内。然而,这些文献对陆域湿地的各生态单元在天然情况下对黄河径流的依赖程度、不同单元内典型植被和鸟类在不同季节对淡水条件的要求等未给出明确的说明。还有研究者直接以某年代实测年均流 量的10%或湿周与流量关系的拐点流量作为该河段生态流量[6-7],但没有介绍该方法的生态学意义。 近海水域生态需水也是人们关注的内容。文献[2-3,8]认为,盐度是影响该水域鱼类的关键因素,— 659— 基金项目中国博士后科学基金 作者简介 男 天津市人研究员 博士主要从事海岸河口水动力与泥沙的数值模拟研究 温州浅滩围涂促淤工程泥沙数值模拟研究 李孟国 天津 摘要 建立了波浪潮流泥沙数学模型通过多个 促淤方案的淤积效果模拟计算推荐了最佳促淤方案推荐的最佳促淤方案与定床浑水淤积物理模型试验推 荐的方案一致 关键词促淤泥沙温州浅滩数值模拟 前言 温州浅 灵昆岛小霓屿图瓯江口附近地形示意图 温州浅滩围涂造陆面积达 潮流输沙 在目前的考虑波浪潮流共同作用的泥沙数学模型中波流挟沙力来考虑 该类泥沙模型涉及四场本 基于现 数学模型的建立 波浪场数学模型 基于缓坡方程和线性波动叠加原理导出的多向不规则波联合折绕射基本方程为 式中及方向间隔 波浪计算域的西边界至 考虑波浪作用的潮流场数学模型 基本方程 连续方程 动量方程 为直角坐标系坐标分别为方向的流速分量 方向的水平涡动粘性系数为相对平面的水面起伏为静 分别为波流底摩擦应力在 数值方法 即可得到显式差分方程 模型西边界至梅岙东边界至计算 对模型进行了实测的大中小三个潮过程的验 关于潮流验证情况参见文献 模型的开边界采用实测潮位控制梅岙和楠溪江边界分别采用号和号测站的实测潮位资 计算时间步长为 图潮流泥沙计算域及水文测站位置图计算网格图 悬沙场数学模型 式中分别为为泥沙沉降 几率根据瓯江口现场 实测资料得出的瓯江口海区波流挟沙力公式为 式中为波浪水质点在床面的最大 用基于不规则三角形网格的有限差分方法进行显式离散 迎风 悬沙场计算范围与网格同于潮流数学模型进行了实测的 图和图 分别 给出了其中 图大潮含沙量验证曲线图小潮含沙量验证曲线 底床冲淤场数学模型 悬沙造成的底床冲淤场基本方程 式中 为 底沙造成的底床冲淤场基本方程 图断面冲淤验证 有关黄河河口问题的初步认识 胡敦欣 （中国科学院海洋研究所青岛２６６０７１） 一、从全球变化的角度看黄河河口的问题 黄河在世界上是很知名的，它的人海泥沙本来是世界第二（含沙量第一）；但由于全球变化（主要是人类活动，如建坝、引水等）人海水沙骤减，现在已不到原来的１／３，导致下游，特别是近海生态、环境的急剧恶化，引起全球的关注。 全球变化是全人类目前最为关注的重大问题之一。我现在简单介绍一下有关全球变化的大体情况。①２００１年７月在阿姆斯特丹召开了“全球变化公开科学大会”（近２０００人参加），会后发表了《阿姆斯特丹宣言》，明确指出全球变化已到来的危害性，呼吁全世界，包括政府和各界一起共同重视研究和应对这一问题。②全球变化目前有四大国际计划：世界气侯研究计划（ＷＣＲＰ）、国际地圈生物圈计划（ＩＧＢＰ）、全球环境变化中的人文因素计划（ＩＨ）Ｐ）和生物多样性计划（ＤＩＶＥＲＳＩＴＡＳ）。③目前全球变化研究中的四个核心问题：全球碳循环、全球环境变化与食物系统、水资源和空气质量。 中国在世界上有三个“第一”，即：人口、化肥、建坝。人口第一是指这么多人需要吃饭，需要提高生活水平，因此就要大发展。化肥第一，中国的化肥生产从１９９５年开始就超过美国，处于世界第一位，大量化肥的使用，引起很多环境问题。建坝第一，中国在２０世纪８０年代中期，建坝、水库的数量就超过全世界总数的１／２以上，建坝导致河流人海水沙大量减少，进而引起生态、环境的变化。 下面我给大家列出几个数字，以显示与黄河人海有关的近海环境生态恶化和生物资源枯竭的程度。 根据观测，１９８２～１９９２年十年间，黄河人海水沙减少了５５％左右。１９８２年１０月到１９９２年ｌＯ月，黄河口外浅海区环境、生态观测结果为：海水盐度３０％ｏ～３２％０等盐线已逼近海岸，近岸高营养盐冲淡水消失；表层硅酸盐含量由原来的２０～３０ｔａｎｏｌ／Ｌ降至４～１６ｔｔｍｏｌ／Ｌ；磷酸盐由０．６～０．８１ｔｍｏｌ／Ｌ降至０．２－－０．３ｐ．ｍｏｌ／Ｌ；硝酸盐由４～５ｔ』ｍｏｌ／Ｌ降至１－－２ｆｆｍｏｌ／Ｌ；初级生产力由８００ｍｇ／（ｍ２?ｄ）降至１００ｍｇ／（ｍ２?ｄ）；渔资源密度由５０～３００ｋｇ／ｈ降至１０－５０ｋ／ｈ。资源密度明显减少的有黄姑鱼、银鲳、牙鲆、对虾、蓝点马鲛、三疣梭子蟹、鹰爪虾等；有的经济鱼类，如中华绒毛蟹等基本绝迹。其引起的结果是整个海洋经济动物的营养等级结构明显衰退。另外，对虾产量表明，１９７９年是４万ｔ，２００１年不到５００ｔ，产量锐减。 ?４４ 实用下料问题 一．问题的重述 “下料问题(cutting stock problem)”是把相同形状的一些原材料分割加工成若干个不同规格大小的零件的问题，此类问题在工程技术和工业生产中有着重要和广泛的应用. 这里的“实用下料问题”则是在某企业的实际条件限制下的单一材料的下料问题。 现考虑单一原材料下料问题. 设这种原材料呈长方形，长度为L ,宽度为W ，现在需要将一批这种长方形原料分割成m 种规格的零件, 所有零件的厚度均与原材料一致，但长度和宽度分别为),(,),,(11m m w l w l ，其中w i ＜ m i W w L l i i ,,1,, . m 种零件的需求量分别为m n n ,,1 .下料时，零件的边 必须分别和原材料的边平行。这类问题在工程上通常简称为二维下料问题。特别当所有零件的宽度均与原材料相等，即m i W w i ,,1, ，则问题称为一维下料问题。 一个好的下料方案首先应该使原材料的利用率最大，从而减少损失，降低成本，提高经济效益。其次要求所采用的不同的下料方式尽可能少，即希望用最少的下料方式来完成任务。因为在生产中转换下料方式需要费用和时间，既提高成本，又降低效率。此外，每种零件有各自的交货时间，每天下料的数量受到企业生产能力的限制。因此实用下料问题的目标是在生产能力容许的条件下，以最少数量的原材料，尽可能按时完成需求任务, 同时下料方式数也尽量地小。现在我们要为某企业考虑下面两个问题。 1．建立一维单一原材料实用下料问题的数学模型, 并用此模型求解下列问题，制定出在生产能力容许的条件下满足需求的下料方案, 同时求出等额完成任务所需的原材料数，所采用的下料方式数和废料总长度. 单一原材料的长度为 3000mm, 需要完成一项有53种不同长度零件的下料任务. 具体数据见表一(略)，其中 i l 为需求零件的长度，i n 为需求零件的数量. 此外，在每个切割点处由于 2001年10月 水 利 学 报SH UI LI X UE BAO 第10期 收稿日期:2000208230 基金项目:国家自然科学基金及水利部联合资助重大项目(59890200). 作者简介:张修忠(1972-),男,山东临沂人,博士生. 文章编号:055929350(2001)1020082206河道及河口一维及二维嵌套泥沙数学模型 张修忠1,王光谦1 (11清华大学水沙科学教育部重点实验室,北京 100084) 摘要:建立了一种河道及河口一、二维嵌套的泥沙数学模型,对基本的控制方程、方程的离散和求解方法、嵌套连接条件以及非均匀沙的处理等问题进行了研究.以非恒定非均匀不平衡输沙理论作为本文建模的基础,为方便处理二维计算域的不规则边界,采用有限元数值离散格式.验证算例对河道做一维简化,对口外海域做二维处理,通过交界面的水位、流量和含沙量等的传递,在每一迭代步内进行耦合计算.数值模拟结果与实测资料吻合较好,且计算省时,表明本文建立的嵌套模型是一种解决某些实际工程问题的可靠的和高效的工具.关键词:河口;泥沙输运;嵌套连接;有限元离散 中图号:T V149 文献标识码:A 泥沙数学模型作为研究和解决河流、水库和近海等水域的水流运动和泥沙冲淤问题的有效工具,已得到了较为普遍的应用.一维模型计算省时,可快速方便地进行长河段、长时期的洪水和河床演变预报,但无法给出各物理量在平面范围的分布,因而在模拟河床细部变形、河口和港湾等水域的流动和冲淤问题时,显得无能为力.水深积分的二维模型克服了一维模型的缺陷,但因计算量剧增,模拟长河段、长系列、平面大范围的水流运动和河床演变问题时很不经济,即使是短时期问题也不易做到实时预报.因此,将一维和平面二维模型嵌套连接,发挥其各自的优势,对于解决许多生产问题是必要的和有意义的.文献[1]在这方面做了比较细致的研究工作,文献[2]应用一、二维嵌套技术成功的模拟了黄河口的演变. 1 水流泥沙数学模型及其求解方法 111 河道一维非恒定流水沙方程 河道水流运动的圣维南方程: 5A 5t +5Q 5x =0(1)5Q 5t +55x (Q 2A )=-gA 5ζ5x -gA Q 2K 2(2) 悬移质不平衡输运方程及河床变形方程: 5(AS k )5t +5(QS k )5x =-αωk B (S k -S 3k )(3)γ′5A sk 5t =αωk B (S k -S 3k )(4)式中:A 、B 、Q 、 ζ分别为河道的过水面积、河宽、流量和水位;K 为流量模数,由谢才公式计算;S k 、S 3k 、 ωk 、A sk 分别为第k 粒径组泥沙的含沙量、挟沙力、沉速及冲淤面积;α为恢复饱和系数; 纳米材料与技术作业 1.纳米材料按维度划分，可分为几类？ (1) 0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。 (2) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。 (3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。 (4) 体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。 (5)纳米孔材料(孔径为纳米级) 2. 详细说明纳米材料有那几大特性？这几大特性的特点是什么？为什么纳米材料具有这些特性？ (1) 表面效应：我们知道球形颗粒的比表面积是与直径成反比的，故颗粒直径越小，比表面积就会越大，因此，纳米颗粒表面具有超高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧，也正是基于表面活性大的原因，纳米金属颗粒可以看成新一代的高效催化剂，储气材料和低熔点材料； (2) 小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变会引起颗粒宏观物理性质的质变。特殊的光学性质：所有的金属在超微颗粒状态都呈现为玄色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等；特殊的热学性质：固体颗粒在超微细化后其熔点将明显降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为明显；特殊的磁学性质：超微的磁性颗粒可以使鸽子、海豚等生物在微弱的地磁场中辨别方向，利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，可以做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等；利用超顺磁性，可以将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体；特殊的力学性质：由于纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很轻易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。 (3)宏观量子隧道效应：处于分子、原子与大块的固体颗粒之间的超微纳米颗粒具有量子隧道效应，例如：在知道半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子的波长时，电子就会通过隧道效应溢出器件，使器件无法正常工作。 3.半导体纳米材料光催化特性产生的原因是什么？为什么一些半导体纳米材料的光催化特性要远远好于非纳米结构的半导体材料？ (1)光催化特性是半导体具有的独特性能之一，在光的照射下，半导体价带中的电子跃迁到导带，从而价带产生空穴，导带中产生电子。空穴具有很强的氧化性，电子具有很强的还原性；(2)光激发和产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的分离和符合这两个相互竞争的过程，因此为了提高催化效率，需要加入电子或者空穴捕获剂，纳米半导体材料相比于一般的半导体材料具有更大的比表面积，因此具有更好的催化效果。 4.详细说明零维纳米材料具有哪些优良的物理化学特性？产 关于一维下料问题的研究 摘要：“下料问题”是把相同形状的一些原材料分割加工成若干个不同规格大小的零件的问题．此类问题在工程技术和工业生产中有着重要和广泛的应用．在生产实践中通常要求解决用料最省、浪费最少等问题．下料问题即是其一。属最优化研究范畴．一维下料问题是生产实践中常见的问题，优化下料要求最大限度地节约原材料，提高原材料的利用率。本文介绍了两种方法，其一提出分支定界算法优化一维下料问题，并用MATLAB编写程序，通过计算机来完成这一复杂的过程。另一种方法-lingo，针对单一原材料的一维下料问题, 建立了整数规划模型, 然后将模型转化为求解最优下料方式问题; 利用lingo进行编程, 实现循环调用得到一维下料问题的局部最优解。实际上本文就是给出了解决适当规模下料问题的求解方法．该方法既可手工演算又可通过计算机求解。在实践中可以借鉴使用．Abstract： The “℃utting Stock Problem”is a problem of dividing raw materials in the same shape into several parts in different shapes． This kind of problem has important and wide appliance in engineering and industry production．Being living to give birth to in the practice requires use to anticipate to save most usually and Squanders at least and so on ，First of all Immediate future the cutting stock problem is ，The category optimization is researched the category 。For one thing, One—dimensional cutting stock problems can be encountered at the production stage of many areas，the optimization of cutting requests to save raw material at most and improve the use of raw materia1．A branch and bound algorithm for solving one—dimensional cutting stock problems can be completed by computer．For another,Aimed at raw material for a single one-dimensional cutting stock problem, This paper established integer programming model and then transformed into themodel under optimal feeding method for solving the problem;the use of lingo programming to achieve loop calls are one- dimensional cutting stock problem of the locally most optimal solution.Actually, Resolution means that the original is give out ，the proper scale issue may be resolved ，As yet the handwork performs mathematical calculations，But may solve a problem by means of the calculating machine ，Being living in the practice may draw lessons from the use． 关键词：一维下料问题分支定界算法 ILp函数最优化 one—dimensional cutting stock problems branch-and—bound algorithm ILp function Optimization 问题的提出 研究背景 下料问题”是把相同形状的原材料分割加工成若干不同规格大小的零件的问题，根据原材料长度是否相等，一维优化下料可以分为单一型材的优化下料和多型材的优化下料其中 碳纳米材料综述 课程：纳米材料 日期：2015年12月 碳纳米材料综述 摘要：纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能，这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域，引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注，也成为当前世界最热门的科学研究热点。物理学家对纳米材料感兴趣是因为它具有独特的电磁性质，化学家是因为它的化学活性以及潜在的应用价值，材料学家所感兴趣的是它的硬度、强度和弹性。毫无疑问，基于纳米材料的纳米科技必将对当今世界的经济发展和社会进步产生重要的影响。因此，对纳米材料的科学研究具有非常重要的意义。其中，碳纳米材料是最热的科学研究材料之一。 我们知道，碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有sp、sp2、sp3等多种轨道杂化特性。因此，以碳为基础的纳米材料是多种多样的，包括常见的石墨和金刚石，还包括近几年比较热门的碳纳米管、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等新型碳纳米材料。 关键词：纳米材料碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯 1．前言 从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前）、毫米时代（工业革命到20世纪初）、微米和纳米时代（20世纪40年代开始至今）。自20世纪80年代初，德国科学家Gleiter提出“纳米晶体材料’，的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体，并对其各种物性进行系统的研究以来，纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级（通常指1—100nm）的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料（纳米微粒），一维材料（直径为纳米量级的纤维），二维材料（厚度为纳米量级的薄膜与多层膜），以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次，是交叉学科跨世纪的战略科技领域[1]。 碳纳米材料主要包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯等，是纳米科学技术中不可或缺的材料，从1985年富勒烯(Fullerene) 的出现到1991年碳纳米管(carbon nanotube，CNTs) 的发现，碳纳米材料所具有的独特物理和化学性质引起了国内外研究人员广泛而深入的研究，二十年来取得了很多的成果。2004 年Geim 研究组的报道使得石墨烯( Graphene)成为碳纳米材料新一轮的研究热点，其出现充实了碳纳米材料家族，石墨烯具有由碳原子组成的单层蜂巢状二维结构，由于它只有一个原子的厚度，可以将其视为形成其它各种维度的石墨相关结构碳材料的基本建筑块，石墨烯既可翘曲形成零维的富勒烯及卷曲形成一维的碳纳米管，亦可面对面堆积形成石墨，由于石墨烯具有优异的电学、导热和机械性能及较大的比表面积，因而在储氢材料、超级电容器、高效催化剂及纳米生物传感等方面有着广泛的应用[2]。 2．常见的碳纳米材料 下料问题的优化设计 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT 题1、[下料问题的优化设计]某车间有一大批长130cm的棒料，根据加工零件的要求，需要从这批棒料中成套截取70cm长的毛坯不少于100根，32cm 长的毛坯不少于100根，35cm长的毛坯不大于100根。要求合理设计下料方案，使剩下的边角料总长最短。 根据题目意义，运用优化设计理论和方法，完成设计全过程;工程问题分析：数学模型建立及特征分析：优化方法选择；优化程序设计（解析优化）；计算结果分析；结论及体会。 基于MATLAB一维优化下料问题分析 0 前言 生产中常会通过切割、剪裁、冲压等手段，将原材料加工成所需大小零件，这种工艺过程，称为原料下料问题。在生产实践中，毛坯下料是中小企业的一个重要工序。怎样减少剩余料头损失是节约钢材、降低产品成本、提高企业经济效益的一个重要途径。在毛坯下料中我们常会遇到毛坯种类多、数量大的情况，如不进行周密计算则因料头而造成的钢材损失是相当可观的。为使料头造成的钢材损失减少到最小程度，我们可依据预定的目标和限制条件统筹安排，以最少的材料完成生产任务。 1 一维优化下料问题的具体模型分析 设原材料长度为L,数量充足。需要切割成n(n≥0)种不同规格的零件,根据既省材料容易操作的原则，人们已经设计好了n种不同的下料方式，设第j种下料方式中可下得第i种零件ij a个,又已知第i种零件得需要量为i b个, j x表示第 B种下料方式所消耗得零件数目, j c表示第j B种下料方式所得余料(j=1, j 2 , , n, j x∈ Z)。满足条件的切割方案有很多种,现在要求既满足需要又使所用原材料数量最少,即最优下料方案满足:μｐ=min (∑j c j x)约束条 件:∑ij a j x=i b,j x∈Z。 线性规划数学模型 根据线性规划算法，约束条件包括两部分：一是等式约束条件，二是变量的非负性。出变量的非负要求外，还有其他不等式约束条件，可通过引入松弛变量将不等式约束化成等式约束形式。如果是求最大值的,则松弛模型最优解对应的目标函数值必大于或等于整数规划最优解对应的目标函数值；如果问题是求最小值，则松弛模型最优解对应的目标函数值必于或等于整数规划最优解对应的目标函数值。因此对于最优下料方案模型为： 由式(1)的线性规划(LP)引入松弛变量 如果得到的最优解是整数,则求解结束。该最优解也是式(1)的最优解。否则,得到的最优解只是式(1)的最优解的一个下界。这样可以把式(1)划分为两个子问题。 再对式(3)和式(4)继续上述过程。若在某一时刻得到了一个全整数解xm,则xm 为式(1)的一个上界。此时 ,若打算从子问题k开始分支,而这一问题的下界为下料问题的解法
纳米材料之零维纳米
下料问题的优化设计
黄河河口海岸二维非恒定水流泥沙数学模型
黄河河口治理现状问题及对策探讨
黄河河口的特点
河口地区
黄河河口生态需水分析
温州浅滩围涂促淤工程泥沙数值模拟研究
有关黄河河口问题的初步认识
下料问题-2
河道及河口一维及二维嵌套泥沙数学模型
纳米材料与技术作业
下料问题
碳纳米材料综述
下料问题的优化设计