《平原河流水沙模拟测控成套技术与应用》

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我国河流上兴建的水利、水运、桥梁等涉河工程规模和设计施工难度居世界之首。受河流复杂水沙运动作用,大中型涉河工程关键设计参数往往需要通过物理模型试验研究确定,因此,物理模型试验参数测控精度直接关系到工程的成败。然而,在我国经济发达的平原地区,河流外接江海、内连湖泊,河网密布、比降平缓、水流往复,闸泵、桥梁等涉河工程众多,给模型水沙参数测控带来极大的困难:①大区域、大比尺带来的水沙参数高精度测量问题;②多边界潮流运动带来的水沙边界精准控制问题:③多参数、多仪器带来的标准化集成问题。对其进行精准测控是世界级难题,现有国内外技术无法满足,必须依靠自主研发。在国家重大仪器专项、国家自然科学基金及106项校企合作项目支持下,历经15年攻关,解决了平原河流物理型水沙测控高精度、高响应速度、高集成度三大技术瓶颈,最终创建了水沙模拟测控成套技术。主要发明有:

1、发明了红外光水位仪、全流场-局部-点流速同步测景技术和高频旋涡场诊断-点测量方法,解决了水位高精度、全场流速同步、流场高频测量难题。水位测显误差由0.35mm降至0.05mm;粒子图像测速采样频率提升8倍以上。

2、发明了细颗粒泥沙分散、休止角、沉速测量方法、激光含沙量仪和光学地形仪,攻克了高变幅含沙量、床面高含沙层与真实地形甄别难题。含沙量测范围由20kg/m3(散射)或10-50kg/m3(透射)扩大为0-70kg/m3,地形测量误差由±lmm降至±0.5mm。

3、发明了开边界非恒定流精准控制技术和多泵加沙自动控制技术,首次提出了测控仪器数据标准化交互规约和“自设计、自试验、自处理”模型试验新模式,研发了多终端水沙测控系统,填补了复杂边界非恒定流模型水沙通量精确模拟和系统标准化集成的空白。潮流控制精度由尾门控制的3L/s降至0.1L/s,实现了多边界自动加沙,控制误差降至5%。

该项目授权发明专利56项、受理国际发明1项。发表论文116篇,其中SCI 53篇,受到国际水利与环境工程协会A.T.伊本奖得主H. Chanson教授等国内外著名学者的高度评价。主编两部行业标准,获省部级一等奖3项,出版著作3部,主办2次国际会议和4次国内会议。成果被2017年中水利学会主编的《水利学科发展报告》大篇幅引用。部分成果被相关标准采纳和列入《水利先进实用技术重点推广指导目录》。直接应用于长江12.5m深水航道、珠江河网航道整治、青草沙水库、港珠澳大桥等55项涉河工程规划设计方案优化模型试验中,科学确定了工程关键设计参数,节省工程投资11.1亿多元,产生的防洪减灾、航运等社会效益巨大。还推广至长江科学院等7家国内主要水利水运科研院所承担的62项模型试验研究中,获直接研究经费0.98亿元。部分技术已形成产品,近三年实现销售收入1.01亿元。培养1400多名职业技术人才。成果取得了重大创新,有力提升了我国水利量测技术水平,还可为流域系统治理、水生态文明和“一带一路”基础设施中涉河工程建设做出重要贡献,推广前景广阔。

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