《Water》：A Paradigm Shift to Automated Machine Learning for Local and External Reference Evapotranspiration Estimation with Uncertainty Implication
Mostafa Sadeghzadeh,
Sepideh Karimi,
Amir Hossein Nazemi,
Pau Martí and
Jalal Shiri
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本文探讨了温和坡度隧道-竖井系统中水力状态转变与局部壅水响应机制。通过理论、数值与实验相结合的方法，研究人员证实了竖井处的短促扩缩过渡段可成为局部水力控制点，诱发上游壅水并使关键水力区集中于几何不连续处。研究还评估了入口调节作为缓解措施的有效性，证明其能将运行状态转向更低水深，提高余幅并降低承压风险。该研究为隧道水力设计及性能改善提供了重要见解。
在城市排水、水电输送等工程领域，大型地下隧道是输送流体的关键动脉。为了便于施工，这些隧道往往设计成缓坡。在理想情况下，缓坡倾向于维持稳定的亚临界自由表面流。然而，现实中的隧道系统并非一路坦途，竖井、跌水、连接处等几何突变体常常潜伏其中，成为水流状态的“干扰源”。这些局部结构会改变预设的水流状态，引发壅水、局部加速乃至自由表面流与承压流的混合现象，进而可能产生涌波、振荡和压力波动，增加侵蚀、振动和结构损坏的风险。尤其是在竖井这类几何不连续处，流速梯度和剪应力更为集中，问题尤为突出。尽管其工程意义重大，但针对隧道-竖井过渡段的设计指南却零散分布于明渠水力学、瞬变流分析和下水道水力学等领域，关键设计决策在很大程度上仍依赖于工程经验。近年来，虽然对混合流、瞬变填充等过程的研究有所深入，但对于缓坡输送隧道中，由竖井相关短促扩缩过渡段作为局部水力控制、诱发上游壅水这一特定情况及其缓解策略的关注相对不足。本研究正是瞄准这一缺口，展开探索。
为了揭示这一水力不稳定的机制并寻求缓解方案，研究人员采用了理论、数值与实验相结合的多方法框架。首先，他们利用基于电子表格实现的动量平衡过渡模型，作为筛选工具来识别与壅水发展和非稳态行为起始相关的流量阈值。其次，扩展使用了美国环保署的暴雨洪水管理模型（EPA-SWMM）来模拟系统尺度的非稳态行为，并采用有限元模型（FEM）来解析过渡段附近的局部水力梯度。最后，将数值预测结果与在墨西哥国立自治大学（UNAM）工程学院水力学实验室建造的弗劳德相似物理模型观测结果进行对比验证。
2.1. 系统描述与简化假设
研究针对一个具有温和纵坡的隧道-竖井-隧道互联系统展开理论建模。模型假设隧道直径恒定，衬砌材料均匀，粗糙度空间恒定。在分析的水力条件下，隧道在缓坡上运行，正常水深(yn)大于临界水深(yc)。竖井处的短促扩缩过渡会引入额外的局部损失，并可能拾高水力坡度线，从而引发壅水并改变预期的自由表面响应。研究将竖井不连续处视为局部水力控制，其相关的上游水深上升称为壅水响应。
2.2. 重力运行与能量约束
排水隧道设计为依靠重力运行。在自由表面条件下，只要水头损失与可用水头相匹配，封闭管道即使接近满流也不会产生大的内压。设计者通常选择能维持平稳亚临界流的坡度。然而，局部收缩、跌水或下游控制可能迫使水流趋向临界条件，引发水跃、产生壅水或诱发部分/完全承压。这种敏感性在圆形管道中尤为显著。
2.3. 能量可用性
研究建立了驱动重力流所需的能量预算，并将其分解为摩擦损失和局部损失，这与自由表面流封闭管道中能量守恒和损失核算的标准公式一致。
2.4. 竖井处的运行条件
竖井处的水力行为可分为两种极限情况：一是自由表面情况，水面保持在隧道拱顶以下；二是承压情况，一旦水流接触拱顶，便会发展壅水，下游水流收缩，隧道开始承压运行，此时可能形成波列，向上游传播并在入口处反射，放大瞬态行为。
2.5. 基于动量的过渡模型
研究在短促过渡段的上游断面（断面1）和下游断面（断面2）之间建立了控制体动量平衡。假设每个断面为静水压力分布，并忽略短距离内壁面剪切力相对于局部损失机制的影响。该模型用作识别水力扰动起始的筛选工具，而非完整预测过渡段内部的三维压力场。通过代入流速、面积、静水推力等关系，最终得到了用于分析的两个断面之间的动量方程。
研究发现，所有方法一致表明，壅水主要发生在竖井上游，最危险的水力区集中在几何不连续处。这意味着，对于缓坡隧道，竖井相关的短过渡段表现为一个局部水力控制，它主导了上游壅水的起始，并将关键水力区集中于几何不连续点。这挑战了单纯依靠均匀坡度隧道段来判断系统水力的传统假设。
研究的第二个贡献是评估了入口调节作为一种实际的“状态转换”策略。以分析的案例为例，实施入口调节后，入口水深从6.12米降低至3.50米，相对充水度从y/D = 0.87降至y/D = 0.50。这表明入口调节能将系统从较深、壅水主导的响应状态，转向一个更低水深的入口条件。这种转变带来了更大的余幅（freeboard）并降低了对承压的敏感性，从而实质性地改善了水力性能。
综上所述，本研究通过多方法诊断，明确了缓坡隧道-竖井系统中由几何不连续处局部控制引发水力不稳定的机制。研究结论强调，在隧道设计中应明确考虑竖井过渡段的水力影响，而不能将其视为无足轻重的附属结构。同时，研究证实局部几何修改（如入口调节）是一种有效的工程缓解措施，能够在纵向坡度受地质、施工或城市条件限制时，通过优化局部结构来提升整个输送系统的水力性能和安全裕度。这项研究不仅加深了对隧道-竖井系统复杂水力行为的理解，也为工程实践提供了直接、可行的设计改进思路，对于保障大型城市排水隧道、水电引水隧洞等基础设施的安全、稳定运行具有重要意义。
