水力发电学报
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2021年 40卷 7期
刊出日期：2021-07-25
1
上犹江水库入库洪水预报的流溪河模型研究
黎楚安, 陈洋波, 叶盛, 王晨宇, 陈卫东
DOI: 10.11660/slfdxb.20210701
本文采用90 m空间分辨率的数字高程模型（DEM）数据构建上犹江水库控制流域的流溪河模型，基于不同河道分级和不同数量的雨量站方案，探讨模型在水库入库洪水预报中的适用性。采用粒子群优化（PSO）算法选取最优参数，对2009—2020年间18场实测洪水进行了模拟。结果表明，3级河道构建的模型模拟指标比4级河道略好，模型预报效果更好。分别采用9个和15个雨量站构建模型并对2000—2020年内31场洪水进行模拟，结果表明，15个雨量站的模拟效果比9个雨量站的好，增加雨量站网密度有利于提高流溪河模型的模拟效果。流溪河模型可用于上犹江水库入库洪水预报。
2021 Vol. 40 (7): 1-12 [
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13
径流预报的极点对称模态分解-Elman网络模型
李继清, 王爽, 吴月秋, 田雨
DOI: 10.11660/slfdxb.20210702
针对径流序列非线性、非平稳的特点，将极点对称模态分解（ESMD）方法与Elman神经网络模型相结合，建立了ESMD-Elman神经网络组合模型，并应用于长江上游干支流8站的年、月径流预报。首先利用ESMD方法将径流序列分解为各模态分量和趋势余项；然后利用Elman神经网络模型分别预测各平稳序列；最后加和重构得到最终预测结果。结果表明：组合模型预报精度大于单一模型，与ESMD-BP神经网络组合模型比，ESMD-Elman神经网络组合模型的8站年径流预报结果的平均相对误差（MAPE）平均降低3.6%，均方根误差（RMSE）平均降低7.8%，确定性系数平均提高5.0%；8站月径流预报结果的MAPE平均降低3.0%，RMSE平均降低2.8%，具有“分解?预测?重构”特点的组合模型提高了预报精度。
2021 Vol. 40 (7): 13-22 [
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23
基于强化学习的非常规水资源优化配置模型
伍鑫, 陈植欣, 温庆博, 王忠静, 胡黎明
DOI: 10.11660/slfdxb.20210703
目前我国非常规水资源开发利用程度较低，水资源配置的系统不确定性较大，水资源优化配置模型有待提升。本文将强化学习方法引入水资源配置模型，以水资源的经济效益为优化目标，建立了基于强化学习方法的水资源优化配置模型，采用Python语言编制计算分析软件；以北京市水资源优化配置作为案例分析，将非常规水资源纳入配置体系，得到了研究区水资源优化配置方案及收益区间。结果表明，本文建立的基于强化学习的非常规水资源优化配置模型能合理分析不同来水情况总体经济效益的收益范围，与区间两阶段随机规划模型相比，能在一定程度上提高预期经济收益；不同来水年的收益情况表明非常规水资源对缓解北京市水资源短缺有重要作用。
2021 Vol. 40 (7): 23-31 [
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32
基于洪涝削减效果的海绵措施优化布局研究
程涛, 黄本胜, 邱静, 赵璧奎, 徐宗学
DOI: 10.11660/slfdxb.20210704
为应对城市洪涝等水安全问题，2015起我国大力推广海绵城市建设。不同海绵措施的作用机理不同，其空间布局会显著影响洪涝削减效果。本研究以济南市海绵城市示范区为例，基于城市水文水动力学多过程耦合模型，通过多情景洪涝模拟，分析了海绵措施不同布局的作用效果，并从流域水循环视角提出洪涝控制策略。结果表明，上游布设低影响开发（LID）措施能有效控制风险区面积，下游布设LID具有良好的径流量和水深控制效果，而上游布设LID、下游改造管网的方案能兼顾马路行洪风险和内涝风险双重控制效果。具有与济南特征类似或不同的城市可从流域水循环视角出发，分析径流形成和水循环规律，采取适应区域水循环特征的具体措施。
2021 Vol. 40 (7): 32-46 [
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47
新疆和田植被水分利用效率的SEM-ANN模型构建
卢娜, 牛俊
DOI: 10.11660/slfdxb.20210705
水分利用效率（WUE）反映了消耗单位质量水所制造的干物质量，是评估植被生长适宜性的综合指标，但是WUE的复杂影响机制使得区域多种因素的驱动贡献不甚明晰。为了探究多种因素对WUE的直接或间接影响关系，以求得到更好的WUE模拟效果，本研究构建了结构方程模型（SEM）与人工神经网络（ANN）相耦合的SEM-ANN模型。由SEM确定WUE影响因素之间的结构关系及影响程度，然后转化为ANN的拓扑结构。结果表明：在新疆和田地区，不同植被类型WUE的影响因素和影响层次有所不同；温度、降水、饱和水汽压差、风速均对植被WUE有着不同程度的直接影响；在草地及耕地中，增强植被指数（EVI）可体现为为间接影响WUE的中间变量；而在灌木及常绿针叶林中，标准化降水蒸散发指数（SPEI）将作为中间变量。经过SEM优化后的ANN结构，拟合效果更好，SEM-ANN模型对于生态系统的环境控制和WUE的模拟有着很高的解释性和精确性，这为提高新疆生态系统的高效用水能力以及预测未来气候变化下WUE的响应状况提供了理论依据和模拟途径。
2021 Vol. 40 (7): 47-60 [
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61
三峡水库汛期中小洪水调度对支流水华的影响
王鸿洋, 杨霞, 马骏, 杨正健, 刘德富
DOI: 10.11660/slfdxb.20210706
为研究三峡水库汛期中小洪水调度对典型支流水华的影响，以香溪河为例，选取2010—2019年水库调度过程中各环境因子参数进行分析。结果表明：汛期香溪河库湾水温适宜，光照、营养盐含量充足，利于藻类水华暴发，而利用洪水调度来防范支流水华仍是目前最直接有效的方法。三峡水库进行洪水调度时，改变了香溪河库湾的水动力和水环境条件，混光比与水位波动正相关（P = 0.32*），与叶绿素a浓度负相关（P = -0.239*）。三峡水库汛期调度过程发生频繁，调度持续时间较长，调度期间总体流量较大。三峡水库进行洪水调度时，香溪河库湾异重流倒灌潜入深度增加，倒灌形式转变为中下层倒灌，调度对支流水体扰动增大，使水体分层减弱，抑制水华暴发。本研究为有效利用汛期调度过程改善三峡水库支流水环境提供了新的认识，为进一步研究调度方法优化调度实践提供了支撑。
2021 Vol. 40 (7): 61-72 [
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73
生态调度下官厅水库热氧结构变化三维模拟
孙先忍, 童思陈, 黄国鲜, 鱼京善, 李兴华, 唐小娅, 雷坤
DOI: 10.11660/slfdxb.20210707
水温与溶解氧是表征水生生态系统健康与否的重要参数。为量化生态调度对官厅水库水温与溶解氧的影响，建立了官厅水库三维温、氧模型，通过现场实测数据对模型进行了校正与验证。结果表明，该模型可用于官厅水库温、氧模拟。结合官厅水库实际运行情况，设置不同生态调度情景，模拟结果表明：（1）官厅水库具有明显的热氧分层特征，调水将缩小表底温差，使分层时间延后，层结持续时间减少；而在生态流量下泄情景下，温跃层厚度与强度进一步减小，分别为0.5 ~ 1.7 m与1.25 ~ 3.58 ℃/m。同时考虑调水与生态下泄时，温跃层深度下降，但厚度变化不大而强度明显增加。（2）调水和生态下泄均会破坏水体的“氧跃层”，但对表层溶解氧影响不明显，变幅在-4.65% ~ 7.28%之间，而对底层有明显的增氧效果。（3）考虑生态下泄时，底层溶解氧浓度平均增加了1.85 ~ 8.52 mg/L，而同时考虑调水与生态下泄时，底层水体增氧效果更明显，增幅达2.71 ~ 12.83 mg/L，从而消除了底层水体的无氧环境，减少了低氧区域而使富氧期延长。为改善类似水体缺氧环境和理解湖库热氧分布提供一定参考。
2021 Vol. 40 (7): 73-86 [
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87
无轴轮缘导管涡轮机水动力学性能研究
宋科, 杨邦成
DOI: 10.11660/slfdxb.20210708
无轴轮缘导管涡轮机作为一种新概念潮流能发电装置，具有诸多优点且应用前景广泛。采用计算流体力学（CFD）方法对无轴轮缘导管涡轮机与传统有轴导管涡轮机进行了数值模拟对比研究，分别考察了两者水动力学性能的差异及叶轮轮径比对无轴轮缘导管涡轮机水动力学性能的影响。研究结果表明：在一定轴径比范围内，无轴轮缘导管涡轮机相比有轴导管涡轮机具有更高的输出功率及更低的轴向推力，但其瞬时功率及轴向推力的波动振幅相比有轴导管涡轮机略微增大，且随着叶轮轴径比的减小，其波动振幅进一步呈现出增大的趋势。此外，由于无轴轮缘导管涡轮机在轴心处存在一定面积的扫掠缺口，压力差将迫使水流通过轴心缺口“泄漏”出去，形成轴心射流，使其尾流恢复速度明显快于有轴导管涡轮机，且随着叶轮轴径比的减小，尾流恢复速度也进一步加快。研究成果为无轴轮缘导管涡轮机的优化设计及工程应用提供了一定的参考依据。
2021 Vol. 40 (7): 87-94 [
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95
基于沉浸边界法的轴流泵内鱼体运动数值模拟
杨丹丹, 赵明翔, 叶维祥, SHEN Lian, 罗先武
DOI: 10.11660/slfdxb.20210709
为精细分析鱼类在水力机械流道中的运动特性，本文以轴流泵为例，采用沉浸边界（immersed boundary，IB）与流固耦合（fluid-structure interaction，FSI）及大涡模拟（large eddy simulation，LES）相结合的方法，对泵内流场及鱼体通过泵流道的运动过程进行了数值模拟。结果表明，在相同雷诺数下计算得到的设计工况扬程系数与实验值误差仅为2.7%，验证了IB-FSI-LES方法适合于模拟轴流泵内部流动。与将鱼体视为流体示踪粒子的常规计算相比，采用IB-FSI-LES方法可以得到鱼体在泵内的复杂运动轨迹，捕捉鱼体与叶片发生碰撞时的运动突变以及叶轮内鱼体周围流场中涡结构的形成和脱落。研究结果可为水利水电工程中鱼类过机损伤精确评估及鱼类友好型水力机械优化设计提供科学依据。
2021 Vol. 40 (7): 95-104 [
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105
用于寒区心墙冬季施工的相变黏土热学性能研究
王友乐, 刘东海, 梁健羽
DOI: 10.11660/slfdxb.20210710
寒区土石坝心墙土料冬季施工经常会受到冻融问题的困扰，而常规保温措施会干扰施工过程，且施工有效时间较短。相变黏土可在不干扰正常施工的条件下防止心墙土料发生表层冻结，从而延长寒区土石坝冬季施工时间。在相变黏土的防渗、强度等性能符合心墙功能的前提下，本文对其热学性能进行研究，分析了相变材料（phase change material, PCM）掺量对其热学参数的影响机制，建立了潜热、导热系数和比热的均质化等效模型，并将其用于寒区冬季施工条件下的控温性能数值模拟，以验证相变黏土控温效果的有效性。结果表明：相变黏土的潜热主要受PCM掺量与结晶度控制；其导热系数和比热随PCM掺量的增加而减小；通过相变传热模型可以有效模拟控温过程，从而为进一步分析相变黏土的控温效果提供依据。
2021 Vol. 40 (7): 105-117 [
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岩石-混凝土界面I-II型断裂及声发射特征
罗丹旎, 谢雨卿, 苏国韶, 程寿山, 薛子熹
DOI: 10.11660/slfdxb.20210711
通过对岩石-混凝土复合试件进行三点弯曲和四点剪切断裂试验，研究了界面I-II复合型断裂力学行为及声发射特征。结果表明：（1）岩石-混凝土界面裂纹主要有三种破坏模式。模态比越高，界面粗糙度越大，界面裂缝出现非界面扩展复杂模式的可能性越大。（2）利用声发射特征参量的突变能够有效判断起裂和失稳临界状态，利用平均频率（AF）、上升时间与幅值之比（RA）两参数比值可量化分析断裂过程的拉剪破裂机制，利用AE事件聚积的方向可预测界面裂缝的扩展方向，从而揭示界面断裂损伤演化规律。（3）试件失稳破坏前夕，声发射信号主频变化明显，低幅低频信号大量剧增且突现不少低幅高频信号，主频有由离散发展为连续的趋势。高模态比时，主频分布的范围相对较大。
2021 Vol. 40 (7): 118-130 [
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堆石坝面板声发射源组合定位方法
姚可夫, 苏怀智, 杨立夫, 赵海超
DOI: 10.11660/slfdxb.20210712
堆石坝上游侧的混凝土面板是关乎大坝安全的重要防渗结构。针对现有声发射源定位方法在大尺度、时变性结构中定位效率与精度的不足，提出了一种兼顾大尺度与波速扰动影响的声发射源组合定位方法。首先，为减少声发射源定位计算中的无关搜索域，发展了一种分布式声发射传感器阵列，并基于各声发射传感器到时权重，建立了关于子监测阵列快速识别与声发射源区域二次细分的控制方程。其次，为进一步提高声发射源定位精度，改进了传统灰狼算法，并以细分的声发射源区域作为搜索域，以波速作为未知量，发展了一种基于改进灰狼算法的未知波速下声发射源定位方法。混凝土面板上的断铅试验结果表明：本文定位方法有效减少了至少75%的无关搜索域，且定位精度优于已知波速的声发射源定位方法，为水工结构健康监测提供了有益参考。
2021 Vol. 40 (7): 131-140 [
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141
长期恒荷载作用下混凝土断裂过程的时变特性
陆瀛鹏, 高洪波, 徐世烺, 韩小燕
DOI: 10.11660/slfdxb.20210713
大体积混凝土结构的时变断裂行为关系到结构的安全。为研究在长期恒荷载作用下混凝土的时变断裂特性，采用三种尺寸的楔入式紧凑拉伸试件，进行了荷载水平为85%最大荷载的恒定荷载作用下的时变断裂试验。试验结果表明，时变裂缝口张开位移、时变裂缝尖端张开位移与时变裂缝口张开速率均呈现出减速、稳定发展和加速破坏三个阶段的发展特征。与单调加载静态断裂试验相比，在试件尺寸相同时，时变断裂试验的临界裂缝口张开位移更大。时变裂缝口张开位移与时变裂缝尖端张开位移具有较强的线性相关性。裂缝张开位移与裂缝扩展长度间的几何关系较好符合铰链模型。
2021 Vol. 40 (7): 141-151 [
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波流与泥沙耦合模型中海岸越顶水流冲刷模拟
李松喆, 纪超, 张庆河
DOI: 10.11660/slfdxb.20210714
海岸越顶水流冲刷是一种自然现象，通常发生在风暴期间，可能会导致近岸地形的剧烈变化。现有海岸岸滩演变三维数学模型还较少考虑越顶水流冲刷，尤其是越浪冲刷的作用。为此，本文发展了越浪输沙经验算法，并引入到基于FVCOM和SWAN的三维波流与泥沙耦合模型中，建立了能够模拟越顶水流冲刷的三维岸滩演变数学模型；收集了两组越顶水流室内冲刷试验数据对模型进行了验证，结果表明，所建立的模型能够较好地模拟不同水动力和岸滩剖面条件下越顶水流冲刷造成的地形变化；另外，对越浪输沙算法中横向输沙率经验系数进行了敏感性分析，讨论了各系数对模型结果的影响。
2021 Vol. 40 (7): 152-162 [
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