Stochastic Transfer Function Model and Neural Networks to Estimate Soil Moisture1

Abstract: A practical methodology is proposed to estimate the three‐dimensional variability of soil moisture based on a stochastic transfer function model, which is an approximation of the Richard’s equation. Satellite, radar and in situ observations are the major sources of information to develop a model that represents the dynamic water content in the soil. The soil‐moisture observations were collected from 17 stations located in Puerto Rico (PR), and a sequential quadratic programming algorithm was used to estimate the parameters of the transfer function (TF) at each station. Soil texture information, terrain elevation, vegetation index, surface temperature, and accumulated rainfall for every grid cell were input into a self‐organized artificial neural network to identify similarities on terrain spatial variability and to determine the TF that best resembles the properties of a particular grid point. Soil moisture observed at 20 cm depth, soil texture, and cumulative rainfall were also used to train a feedforward artificial neural network to estimate soil moisture at 5, 10, 50, and 100 cm depth. A validation procedure was implemented to measure the horizontal and vertical estimation accuracy of soil moisture. Validation results from spatial and temporal variation of volumetric water content (vwc) showed that the proposed algorithm estimated soil moisture with a root mean squared error (RMSE) of 2.31% vwc, and the vertical profile shows a RMSE of 2.50% vwc. The algorithm estimates soil moisture in an hourly basis at 1 km spatial resolution, and up to 1 m depth, and was successfully applied under PR climate conditions.     

热浮力及室外风压耦合驱动下高层建筑疏散走廊烟气运动网络模拟分析

火灾发生后,火灾烟气主要通过疏散走廊向建筑的其他部位蔓延.有效控制疏散走廊中的烟气,可以阻止其进一步蔓延到楼梯间.了解火灾烟气在疏散走廊中的运动规律,是控制其蔓延扩散的前提.热浮力和室外风压是烟气在走廊中运动的主要驱动力,研究二者耦合作用对走廊中烟气运动的影响,对进一步弄清火灾烟气的流动规律具有较大的意义.采用网络模拟软件CONTAM 3.0模拟疏散走廊中火灾烟气在上述两种驱动力作用下的运动情况.结果表明,随室外风速增大,疏散走廊中火灾烟气的运动速度增大,远大于单纯热浮力作用时烟气的运动速度;当热浮力和室外风压耦合驱动时,室外风压对烟气运动的影响起主要作用.     

二氧化碳灭火系统扑灭风电机组舱内火灾试验研究

为有效遏制全国多地风力发电机组火灾事故的势头,基于灭火系统在风电机组防火设计中的重要性,提出采用二氧化碳灭火系统对风电机舱进行灭火保护的解决方案。在建造国内首台风电机组火灾模拟试验装置的基础上,通过试验研究二氧化碳灭火系统在常温状态和低温状态下对风电机组火灾的灭火能力。结果表明,该灭火系统能够对风力发电机组进行全淹没灭火保护,适用于空间狭小且结构复杂的风电机舱;在低温条件下,其喷放时间和灭火时间虽比常温状态下长,但灭火效能并未降低。     

基于生命周期评价的风力发电机碳足迹分析

本文以我国市场占用率最高的2 MW双馈式风力发电机为研究对象,采用生命周期评价(LCA)方法,核算其全生命周期过程的碳足迹和总能量需求,分析风力发电机不同生命周期阶段的环境影响,识别其减碳潜力.研究结果表明,风力发电机生产阶段、运输阶段、运行阶段和废弃处理处置阶段的碳足迹(以CO2-eq计,下同)分别为1701 t、61 t、255 t和-325 t;各生命周期阶段的总能量需求分别为10413 GJ、701 GJ、1561.95 GJ和-1081 GJ.风力发电机的碳足迹和总能量需求主要来源于生产阶段,废弃处理处置阶段材料的回收利用有效的降低了生命周期的碳足迹和总能量需求.生产阶段的碳足迹和总能量需求分别占全生命周期碳足迹和总能量需求的101%和90%;废弃处置阶段对碳足迹和总能量需求的贡献为-19%和-10%.每1k Wh风力发电的碳足迹和总能量需求分别为20.7 g和0.14 MJ,风力发电机的能量回收期为0.79年.敏感性分析表明,风力发电机的质量和废弃处置阶段的金属回收率都是风力发电机总能量需求和碳足迹的影响因素.     

北京市典型排放源PM_(2.5)成分谱研究

为了建立和完善北京市PM_(2.5)本地化源谱,对北京市11类排放源PM_(2.5)进行采集,并测定其26种组分,分析了不同排放源源谱的组分特征.结果表明,在有组织排放源中,燃煤电厂PM_(2.5)中OC和Si含量很高,占PM_(2.5)的质量分数分别为8.56%和6.19%(平均值),而供热/工业锅炉排放PM_(2.5)中则是SO_4~(2-)(占48.38%)和OC(11.0%)比例最高,水泥窑炉PM_(2.5)中OC(7.12%)、Ca(4.81)和Si(4.41%)占有较大比例;垃圾焚烧排放的PM_(2.5)中Si、Ca、K和SO_4~(2-)均较高,分别占8.15%、9.36%、7.17%和6.79%,且Cl~-含量(2.5%)高于其他所有源,生物质燃烧源PM_(2.5)中OC(21.7%)、Si(6.75%)、Ca(6.15%)较为丰富,餐饮源PM_(2.5)中OC(19.44%)、SO_4~(2-)(5.76%)和K(3.11%)含量均较高;无组织开放源中,道路扬尘和土壤风沙PM_(2.5)化学组分含量变化较为一致,均是Si(分别为16.8%和9.3%)和OC(分别为8.89%和6.61%)最高,建筑水泥尘PM_(2.5)中Ca(17.46%)含量高于其他源;流动排放源PM_(2.5)中OC、EC比例最高,其中,重型柴油车的OC(29.79%)与EC(26.5%)排放比例相当,而轻型汽油车OC排放占有绝对优势(占75%).本文通过对比国内外部分排放源PM_(2.5)成分谱的差异,指出不同区域相同源类排放的PM_(2.5)化学组分差异较大,在应用受体模型中的化学质量平衡模型(CMB)判断受体颗粒物来源时,应基于本地的排放源成分谱,以避免较大的误差.     

基于BP神经网络的矿车运行时矿井摩擦阻力的预测*

为了快速有效地确定矿车等运输设备在巷道内运行时矿井摩擦阻力的变化情况,克服模拟软件计算量和现场实测工作量大的问题,以巷道风流速度、矿车运行速度、阻塞比、矿车长度4个矿车运行时巷道摩擦阻力的影响因素作为切入点,采用动网格技术模拟得到矿车在巷道内运行时有关矿井摩擦阻力的数据,以此为样本构建基于BP神经网络的矿井摩擦阻力预测模型,运用MATLAB软件进行网络训练,并将BP神经网络预测值与FLUENT模拟值进行对比。研究结果表明:BP神经网络结构比较简单,能以较快速度收敛,预测值与模拟值最大误差在7%以内,该神经网络模型用于求解矿车等运输设备在巷道内运行时摩擦阻力的变化情况是可行的。     

PM2.5与O3协同控制视角下深圳市工业VOCs源谱特征

选取深圳8类典型工业行业开展VOCs样品采集,检测分析了100种VOCs组分,从PM_2.5和O₃协同控制的角度分析了不同污染源的成分谱特征和对环境的影响.结果表明：加油站源谱组成以烷烃（48.4%）占主导,OVOCs （27.6%）占比突出,乙酸乙酯（14.1%）、异戊烷（13.0%）、正戊烷（12.0%）为其优势排放物种;涂料制造、胶黏剂生产、油墨制造、化工制品、纺织印染、医药制造行业排放组成均以OVOCs （42.3%~97.1%）占主导,丙酮为大多数行业的优势物种,且乙腈在部分行业中占比突出.垃圾发电行业以OVOCs （33.9%）和卤代烃（28.3%）占主导,乙醛（13.4%）、丙酮（11.0%）、一氯甲烷（6.1%）为该行业排放的优势物种.以PM_2.5和O₃协同控制为导向,芳香烃和烯烃是储存运输源需要控制的重点;OVOCs和芳香烃都应成为工艺过程源和废弃物处理源控制的关键.涂料制造行业的源反应活性SR_O3和SR_SOA值分别为6.0g/g和1.2g/g,削减单位质量排放的VOCs所减少的PM_2.5和O₃生成潜势最多,应成为深圳市PM_2.5和O₃协同控制下的优先控制行业.     

基于CFD方法的土工离心机数值建模

目的 研究湍流模型和旋转域划分对土工离心机数值计算的影响,以建立适用于土工离心机计算的数值模型。方法 针对一款有实测风阻功率的土工离心机模型,分别采用SRF和MRF方法进行建模,选用标准k-ε、RNG k-ε和SST k-Omega湍流模型,对不同转速下土工离心机室内流场进行数值模拟,对比计算所得风阻功率、流场及温度场分布。结果 标准k-ε模型和SST k-Omega模型对湍流黏度的过度预测会导致计算所得土工离心机风阻功率偏大。中低转速下,旋转域的划分对计算结果的影响较小,但采用SRF方法计算所得的风阻功率与实验值更接近。结论 通过对比实验结果,为土工离心机计算建立了较为可靠的数值模型,并通过对比流场分布分析了因湍流模型选择引起计算误差的原因,为土工离心机数值模拟提供了思路。     

一种基于综合环境剖面的导弹弹上设备加速贮存试验方法

目的 基于导弹武器在历经地面使用载荷后,还要满足飞行载荷的特点,讨论用于评估导弹弹上设备贮存期的加速贮存试验流程与方法。方法 开展加速因子试验,获得加速因子计算公式,根据实际使用环境载荷,制定综合环境试验剖面,按照贮存期目标值开展加速贮存试验,等效地面使用环境载荷,开展飞行环境载荷考核试验,试验成功后,给出贮存期评估结论。结果 该方法在多型导弹贮存延寿工程的弹上设备贮存期评估中得到应用,应用表明,可以评估导弹弹上设备的贮存期,具有工程应用价值。结论 获得加速因子计算公式后,将导弹弹上设备的地面使用环境载荷累计影响与能够经受飞行载荷环境分步进行试验,能够体现导弹弹上设备历经的环境载荷,可以用于弹上设备的贮存期评估。     

机载雷达天线对飞机雷击附着点影响研究

飞机的雷击附着点是飞机防雷设计研究的基础,是飞机设计中的重要过程。本文以伊尔-76飞机模型为例,依据SAE-ARP5416和国内相关标准规定的雷击附着点试验方法,采用基于传输线矩阵法的数值仿真技术对飞机的雷击附着特性展开研究,分析了机载雷达天线对飞机雷击附着点的影响,为机载雷达天线的雷电防护设计提供了理论基础。