水力发电学报
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2021年 40卷 6期
刊出日期：2021-06-25
1
基于五点等效法的海上风机运行荷载识别研究
江琦, 董霄峰, 翁珮瑶, 练继建
DOI: 10.11660/slfdxb.20210601
可靠的荷载时程是评估风机剩余生命周期和疲劳的关键因素，但长期的荷载监测不可行。本文针对海上风机结构振动特性和荷载特点，采用五点等效法识别风机运行荷载。该方法克服了初始值影响，降低误差传递和累计误差，提高荷载识别稳定性和鲁棒性。首先采用弹质阻尼模型验证识别荷载的准确性和精度，并讨论噪声对识别方法的影响；然后将识别方法应用于FAST中5 MW单桩海上风机模型识别运行荷载。结果表明，该方法能准确稳定识别海上风机运行荷载，风速和运行策略调控对识别荷载的精度无影响，可进一步应用于实际海上风机中，不仅可以优化未来风机设计，还可为风机安全评估和风机运行策略调整提供科学指导。
2021 Vol. 40 (6): 1-11 [
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12
后置导叶对潮汐双向贯流式机组性能的影响
朱国俊, 冯建军, 戈振国, 刘可然, 罗兴锜
DOI: 10.11660/slfdxb.20210602
潮汐双向贯流式水轮机与常规贯流式水轮机的重要区别在于其需要兼顾正向和反向来流工况。为了均衡提升双向贯流式水轮机正反向运行条件下的性能，针对某潮汐双向贯流式水轮机，本文采用商业软件ANSYS CFX，研究了不同后置导叶位置和数量对双向贯流式水轮机性能及内部流动特性的影响。对比结果可知，后置导叶位置和后置导叶数量对机组反向发电时的性能影响较大，后置导叶安放位置系数为0.5和后置导叶数量为8时，机组总体性能较好。随着后置导叶数量增加，正向工况时尾水管水力损失减小，后置导叶通道水力损失反而增大；反向工况时转轮水力损失不断减小，转轮效率逐渐增大。研究成果为潮汐双向贯流式水轮机关键过流部件的优化设计提供技术参考。
2021 Vol. 40 (6): 12-20 [
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21
径流式水电站弃能利用的制氢系统优化研究
杨阳, 王孝群, 练冲, 张玉胜, 吴振
DOI: 10.11660/slfdxb.20210603
基于我国水电站“弃水”弃电的严重现状，针对我国建设的无调节能力的径流式水电站，开展弃能利用的制氢系统优化研究。根据水电站的实际流量过程及机组运行特性，提出水电站弃能的计算方法，并构建“产”、“储”、“输”完整的集成运行控制与容量优化配置模型，并对氢气市场价格、年均氢气产量与水电站弃能制氢系统的经济效益关系进行敏感性分析。四川省沙坪二级水电站算例结果表明，液氢运输距离为500 km时，按照3.5元/Nm3的氢气单价，制氢系统最优容量配置下，2019年弃电利用率为70.54%，氢气产量为2.09×107 Nm3，全生命周期净现值为1.99亿元。本研究为解决清洁能源的电能利用问题提供了新路线，对促进我国进入氢经济时代有重要的意义。
2021 Vol. 40 (6): 21-30 [
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31
降水产品在黄土高原的精度评价及替代性研究
武海喆, 刘登峰, 黄强, 郑宏伟, 邹昊, 耶楠, 林木
DOI: 10.11660/slfdxb.20210604
降水融合数据产品为资料匮乏区域的水文研究提供了新的数据来源。结合黄土高原渭河流域地面站点观测数据，定量分析了多源融合降水数据CMFD、MSWEP、大气同化数据CMADS等降水产品的多时空尺度精度和应用潜力，应用流域分布式水文模型SWAT探讨了各降水产品在渭河日流量模拟中对地面实测降水数据的可替代性。结果表明，这3套降水数据基本上能够体现流域降水空间分布规律，但存在一定程度的偏差，在各时间尺度的降水量对比中MSWEP表现较优，日尺度的平均误差仅为0.05 mm。对各降水数据采用变化参数重新率定后的模拟精度比固定参数情景明显改善，能够有效模拟流域的日流量变化过程。说明这些降水产品在渭河流域水文模拟中具有替代地面站点实测降水数据的潜力。
2021 Vol. 40 (6): 31-40 [
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41
西北内陆河流域用水总量控制及治理效果评估——以黑河及石羊河为例
胡智丹, 王忠静, 郑航
DOI: 10.11660/slfdxb.20210605
在西北内陆河流域实施用水总量控制和流域重点治理可促进水资源可持续利用和生态环境恢复改善。本文建立了用水总量控制及流域治理效果评估指标体系，通过量化指标评分值和指标权重，采用加权平均方法进行综合评估，并在河西走廊黑河流域和石羊河流域进行应用。结果表明，该方法能较全面反映流域用水总量控制及治理的实施情况，便于以结构化和定量化的方式分析存在的问题，可为加强流域用水总量控制体系建设和完善流域治理提供依据和支撑。综合评估结果显示黑河流域和石羊河流域用水总量控制的绝大部分目标已经实现，流域重点治理任务基本完成，用水总量控制体系建设及流域治理总体成功。
2021 Vol. 40 (6): 41-50 [
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51
1970—2017年西江流域降水特性分析
苏恒, 徐宗学, 李鹏, 叶陈雷, 王京晶
DOI: 10.11660/slfdxb.20210606
基于西江流域37个气象站点1970—2017年逐日降水数据，采用滑动平均、Mann-Kendall趋势检验、Sen’s坡度、小波变换及经验正交分解等方法分析了流域降水时空演变特性。结果表明，西江流域年降水量呈不显著的减少趋势，以29年为主周期，空间分布呈现由东向西、由北向南递减的趋势。年内降水主要集中在夏季，冬季占比最小；春、秋降水量呈减少趋势，夏、冬呈增加趋势，只有春季降水量减少趋势较显著；6月降水量最大，12月—翌年2月各月降水量相近且较小。降水集中程度较高，降水集中度（PCD）与降水集中期（PCP）空间分布均呈由西向东递减的趋势，PCD与PCP第一、二模态空间分布均不具有一致性和方向分异性，可能与流域降水成因多样性有关。
2021 Vol. 40 (6): 51-61 [
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62
低影响开发雨水系统规划研究综述
杨凤茹, 陈亮, 张雅卓, 郭祺忠, 练继建, 李萌萌
DOI: 10.11660/slfdxb.20210607
在城市雨洪资源控制和利用过程中，提高雨水径流控制效果和雨水利用效益均离不开合理的雨水系统规划。本文基于海绵城市建设中低影响开发雨水系统规划的两个不同出发点，分别从格局导向和目标导向两方面综述了低影响开发雨水系统规划的相关研究进展，探讨了不同规划方法的原理、思路、步骤及优缺点。同时，发现我国在进行低影响开发雨水系统规划与研究过程中，仍面临雨水系统空间规划与尺度难以协调、低影响开发设施适用场地指标比选体系不完善、低影响开发雨水系统利益相关者偏好分析不足、低影响开发设施成本效益评估体系缺失等问题。
2021 Vol. 40 (6): 62-78 [
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79
基于压力场的草鱼幼鱼巡游动力学研究
张奔, 胡晓, 杨国党, 龙泽宇, 黄慧玲, 石小涛
DOI: 10.11660/slfdxb.20210608
为研究鱼类在巡游过程中的动、阻力形成过程和机理，本文利用PIV（particle image velocimetry）技术对草鱼（Ctenopharyngodon idellus）幼鱼周身压力分布特征和流体作用力进行分析。研究结果表明：处于巡游状态的草鱼幼鱼，鱼体受到周围流体的推力的大小及其随时间的变化趋势取决于幼鱼周身的正压分布，而鱼体周身的负压分布则主导幼鱼运动过程中流体阻力的形成。实验数据显示，由于幼鱼周围流体正、负压所形成的推力占比分别为59.01%和40.99%，其中基于正压力的游泳效率为(80.20±17.47)%，基于负压力的游泳效率为(58.82±25.82)%，且流体负压所产生的阻力所占比例高达81.88%。同时鱼体头、中、尾部推力占比分别为13.70%、38.49%和47.81%，中部阻力占比最高为72.81%，尾部是推力的主要来源且游泳效率最高为(77.24±12.11)%，整个鱼体都有助于推力的产生。本研究结果有助于加深对鱼类游泳动力学机理的认识和理解，可为鱼类仿生学应用和生态保护提供基础数据支撑。
2021 Vol. 40 (6): 79-88 [
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89
基于字符级CNN的调水工程巡检文本智能分类方法
刘婷, 张社荣, 李志竑, 关炜
DOI: 10.11660/slfdxb.20210609
日常安全巡检是维护长距离调水工程安全运行的重要手段。目前巡检采集的非结构化文本数据主要依靠人工进行安全等级评判，在工作效率和准确率方面存在明显不足。本研究基于自然语言处理技术，提出了一种面向字符层面的卷积神经网络的巡检安全文本智能分类方法。该方法通过引入预训练的单个字符向量改进卷积神经网络的输入层，使得分类模型直接从原始文本中提取特征信息，不仅避免了传统分类方法对专业词库的依赖，而且不易受文本中出现的口语化表达和错别字的影响。以国内南水北调工程的巡检文本为案例，通过与多种深度学习算法进行全面比较，对比验证了所提方法的有效性和优越性。结果表明，字符级的分类方法明显优于传统基于词的分类方法，且卷积神经网络在巡检文本分类方面明显优于其他深度学习网络。该方法具有较高的分类准确率，以此为调水工程安全维护提供新的智能化手段。
2021 Vol. 40 (6): 89-98 [
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土坝坝坡抗滑稳定分项系数方法：理论和标定
陈祖煜, 周恒, 陆希, 袁友仁, 黎康平
DOI: 10.11660/slfdxb.20210610
基于可靠度理论的设计方法可在一定程度上考虑计算参数的变异特性和不确定性，在此基础上建立的以概率极限状态为基础的分项系数法可在实际工程中提供简便、有效的设计方法。本文在现行规范的基础上，结合可靠度分析方法和历史经验模型的检验，对土石坝坝坡抗滑稳定分项系数设计方法的原理和分项系数的取值进行了较为全面的阐述。结果表明：土石坝筑坝材料的黏聚力和摩擦系数的分项系数γc和γf宜分别取1.20和1.10。结构安全级别为Ⅰ级（1级土石坝）、Ⅱ级（2、3级土石坝）和Ⅲ级（4、5级土石坝）建筑物的结构重要性系数γ0分别取1.10、1.05和1.0；鉴于特高坝的特殊性，特高坝结构系数γd取1.30 ~ 1.35。结合我国已建的15座土石坝，验证了上述安全控制指标的合理性，本研究成果可为规范的修订和完善提供参考。
2021 Vol. 40 (6): 99-116 [
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一种计算颗粒入渗深度的反滤料孔隙模型
杨佩瑶, 王红雨, 张刚, 李星, 何金沙, 柴鹏翔
DOI: 10.11660/slfdxb.20210611
为进一步理解反滤系统渗透侵蚀机制，预测流失颗粒在反滤料中的分布情况，本文提出一种人工填料处于密实状态的反滤孔隙网络模型，分别与文献中的2种反滤孔隙模型计算被保护土颗粒进入反滤层的入渗深度值及数值模拟方法进行对比分析，并通过工程案例进一步验证了新模型的可行性与适用性。结果表明，3种孔隙模型预测的入渗深度值中，Locke and Indraratna模型的值最大；当被保护土颗粒通过孔隙通道的概率较小时，新模型计算值小于Silveira模型的值；随着被保护土颗粒通过概率增加，新模型逐渐大于Silveira模型的计算值。新模型与Zou的数值模拟预测的最大入渗深度随着特征粒径比D15/d85的不同，其变化趋势相同；但受Zou数值模拟过程中土样尺寸及入渗时间的限制，尤其在特征粒径比接近或大于4（反滤准则临界值）时，两种方法预测结果差别较大。当反滤料级配设计包线确定后，孔隙模型为反滤层设计提供了一种新途径。
2021 Vol. 40 (6): 117-126 [
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127
基于μ(I)颗粒流本构关系的三维滑坡运动模型
刘占奎, 费建波, 介玉新
DOI: 10.11660/slfdxb.20210612
滑坡是一种广泛存在并频繁发生的自然灾害，可以采用合适的数值模拟方法对滑坡运动过程进行模拟，进而对滑坡灾害进行分析与预测。基于连续介质理论和?(I)颗粒流理论，可以将Navier-Stokes方程与?(I)本构关系结合起来，得到滑坡体运动的连续性方程和动量方程，形成一种基于?(I)颗粒流本构关系的三维滑坡运动模拟方法。该方法基于OpenFOAM开源平台，采用有限体积法对方程进行离散求解，并开发求解器，可以实现对滑坡运动过程的三维数值模拟。本文还对室内粗糙斜面试验进行数值模拟，验证了基于?(I)颗粒流本构关系的三维滑坡数值模拟方法的可行性。
2021 Vol. 40 (6): 127-138 [
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139
混凝土坝施工文档实体知识智能挖掘方法
田丹, 沈扬, 李明超, 韩帅
DOI: 10.11660/slfdxb.20210613
混凝土坝施工信息多以文档文本的形式呈现，其体量大、分布广、内在关系复杂，人工操作难以准确、高效地提取信息知识内容，理清错综复杂的施工信息关系。在自然语言处理技术中，命名实体是文本信息知识的载体，实现精确快速的实体识别是施工知识挖掘的重要前提。本文提出一种融合深度学习与关联规则技术的混凝土坝施工文档知识智能识别及挖掘分析方法。该方法耦合双向长短期记忆神经网络（bi-directional long-short term memory，Bi-LSTM）与条件随机场（conditional random field，CRF），定义混凝土坝施工实体类型，构建命名实体识别模型，形成混凝土坝施工实体知识集合；在此基础上，考虑施工文本表达规律及实体类型，预定义实体之间关系，确定施工实体组合形式，形成实体关联规则提取技术；以实体关联规则提取技术为导向，改进Apriori算法计算频繁项集，获得实体间的强关联规则。该方法应用于实际混凝土坝施工监理周报中，经过计算得到命名实体识别的精确率为86.42%，验证了该方法的准确性。利用改进Apriori算法分析实体间的关联规则，证明了改进算法的优势，有助于提升混凝土坝施工文档知识分析的智能化与精细化水平。
2021 Vol. 40 (6): 139-151 [
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152
黏性对动力荷载下混凝土强度的影响机理
郑丹, 梁云涛, 李鑫鑫
DOI: 10.11660/slfdxb.20210614
本文研究了黏性对动力荷载下混凝土强度的影响机理。开展了水饱和、干燥和填充不同黏性液体以及高温烘烤后的混凝土动力性能试验，分别采用强度增加值和动力增强系数分析了填充液体黏度对动载下混凝土强度的影响规律，并采用多元回归分析了黏性和加载速率对动力荷载下混凝土强度影响大小。在统计分析现有动力试验数据的基础上，分析了不同试验条件下混凝土内部水分迁移规律，研究了材料内部孔隙水和毛细水对混凝土动力性能的影响机理。研究表明，在地震荷载加载速率范围内采用绝对值描述动力荷载下混凝土强度增加更合理，黏性对动载下混凝土强度的影响主要通过材料内部毛细水产生作用，常规干燥和饱和混凝土在动力荷载下的强度增加值并无差别。
2021 Vol. 40 (6): 152-159 [
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特高拱坝温控曲线合理性改进与复核
吴建明, 李庆斌, 谭尧升, 刘春风, 裴磊, 王亚军, 胡昱
DOI: 10.11660/slfdxb.20210615
随着智能温控技术提升，特高拱坝浇筑中的“三期九阶段”温控模式也可简化，使其更好改善混凝土内部应力。结合施工监测数据，本文提出“一期三阶段”和“二期六阶段”两种更简化的温控模式。通过数值模拟，控制冷却的各阶段，以拱坝内部应力变化过程来分析各曲线优劣。结果表明：“一期三阶段”温控模式在最短时间内使混凝土从最高温度降到封拱温度造成的应力影响最小；三种模式中，“一期三阶段”最大拉应力值远低于另外两种模式；三种曲线在120天、150天、180天达到封拱温度时，混凝土内部应力均远低于安全曲线，仅延长通水时长，对坝体应力影响不大；对于“三期九阶段”温控模式，减小坝体应力的关键在于合理调整降温速率和降温与控温时长的比例。
2021 Vol. 40 (6): 160-168 [
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169
应用数字岩心技术的砂岩细观损伤检测
尹铎皓, 徐千军
DOI: 10.11660/slfdxb.20210616
细观结构的检测对研究砂岩损伤具有重要意义。本文对损伤前后的砂岩试件分别进行CT扫描测试，定量表征了砂岩细观损伤。利用数字岩心技术实现代表体积元的孔喉分析和有限元模拟，探讨了细观损伤机制并对宏细观损伤进行比较。通过CT扫描结果的三维重构统计砂岩的孔隙缺陷，获取有效承载面积并将其与弹性模量进行比较，证明CT扫描能准确反映砂岩损伤情况。从代表体积元中提取孔喉特征参数，发现损伤会对孔喉参数产生显著影响，而喉道长度和孔隙配位数的增加是造成细观损伤的主要因素。将CT处理软件Avizo与有限元软件Comsol对接，实现代表体积元的弹性模量模拟，模拟结果表明宏细观损伤存在一致性。本文为数字岩心技术在岩石损伤研究中的应用探索了一种路径。
2021 Vol. 40 (6): 169-178 [
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