水力发电学报
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2021年 40卷 10期
刊出日期：2021-10-25
1
变流场情景下基于鱼类游泳特性的上溯通道分析
孙林, 易文敏, 张兴磊, 李嘉, 安瑞冬
DOI: 10.11660/slfdxb.20211001
水电开发对洄游性鱼类的生境造成了影响，预测目标鱼类洄游期的上溯通道可为修建过鱼设施提供依据，从而减缓其负面效应。本文选取虎渡溪航电工程的下游河段作为研究区域，将长薄鳅、白甲鱼、异鳔鳅鮀作为目标鱼类，针对几种目标鱼类的游泳能力对不同流速进行分区后，得出了适用于多种过鱼目标的流速适宜度曲线，然后对研究区域过鱼期的典型流量进行了数值模拟。根据流速适宜度曲线对研究区域的多种过鱼目标进行了流速适宜度评价，并由评价结果预测了满足多目标过鱼要求的上溯通道。结果表明：流速适宜度评价最优区域出现的位置随流量变化而有所不同，低流量运行条件下出现在主流区域，而高流量运行条件下出现在主流区域两侧；上溯的通道面积占总面积的比例也随流量变化而有所不同，低流量运行条件下的占比约为高流量运行条件下的3 ~ 4倍。根据预测通道特征，对鱼道的进口布置及电站运行调度提供了建议。该结果可为相关鱼类的保护工作提供依据。
2021 Vol. 40 (10): 1-9 [
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10
含沙量对高速水流空蚀影响的试验研究
董志勇, 孙金阳, 李宇航, 徐旭意
DOI: 10.11660/slfdxb.20211002
本文在小型循环式水洞中试验研究了含沙量对高速水流空蚀影响的机理。首先，在小型循环式水洞的水箱内筒中人工配制了低含沙量、中含沙量、高含沙量的挟沙水流，用红外测沙仪测定了挟沙水流的含沙量，用压力动态数据采集系统量测了不同含沙量时空蚀区的压力；其次，为了探究含沙量对空蚀和磨蚀的影响，制作了不同龄期、不同配合比的混凝土试件，分别在空化区和空蚀区安装混凝土试件，使混凝土试件在不同含沙量工况下进行5 h的空蚀和磨蚀试验，通过混凝土试件每小时的重量损失来表征空蚀量和磨蚀量。试验结果表明：中值粒径d50 = 1.09 mm（沙粒），含沙量S = 0 ~ 30 kg/m3工况下，水洞空蚀区各测点的压力和空化数随含沙量的增加而升高，促进了空蚀的发生；混凝土试件配合比、龄期不变时，混凝土试件的空蚀程度随含沙量的增加而加剧，空蚀范围扩大。较高强度配合比的混凝土试件在不同含沙量时的抗空蚀能力优于较低强度配合比（的混凝土试件，且含沙量越高，其抗空蚀能力的差距越明显；随着养护时间的延长，混凝土试件在不同含沙量的抗空蚀能力也在增强；相同试验历时的混凝土试件磨蚀量远小于空蚀量，意味着含沙高速水流对混凝土试件的空蚀作用远大于泥沙的磨蚀作用。
2021 Vol. 40 (10): 10-18 [
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19
光流法在掺气水流流场测量中的应用进展
汤荣才, 王航, 白瑞迪, 桑伟, 刘伟
DOI: 10.11660/slfdxb.20211003
水利设施中掺气水流运动速度估计一直是水气两相流领域重点研究的课题，由于掺气水流中气泡复杂的演变机制和剧烈的湍动瞬变，导致现有的测量技术难以准确的表征水流流场情况。基于光流法的流场可视化技术因其独特的优势而成为图像识别领域重点研究的方向。光流法能够根据像素亮度计算出细观气泡运动的高分辨率光流场，弥补了传统的基于粒子图像测速技术的不足。为了全面反映国内外研究人员应用光流技术对掺气水流流场可视化估计的进展，本文从经典光流法的原理出发，综述了目前用于掺气水流中的几种光流技术及其特点，然后总结了光流技术在处理掺气水流这种复杂场景时采用的关键技术和参数选择情况。最后，探讨了光流技术在掺气水流应用中所面临的挑战和前沿问题，并对其未来的发展做出展望。
2021 Vol. 40 (10): 19-29 [
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30
连续分布均匀沉水植被明渠水流流速分布比较
张维乐, 吴时强, 吴修锋, 高昂, 王芳芳
DOI: 10.11660/slfdxb.20211004
植被影响下的河道流速分布是评价河道行洪能力的重要指标，关系到河床稳定与河道安全。以连续均匀分布的沉水植被为研究对象，系统评述了国内外对河道植被水流流速分布的研究进展，从紊动特性阐述了流速分布剖面形成机理，剖析了分区流速解析模型和平均流速模型研究现状和存在不足，基于文献数据，评价了现有平均流速模型适用性及准确度，认为目前对于植被水流流速求解多集中于均匀流条件顺直型河道、植被类型及形态单一的连续均匀分布植被，未来流速模型应针对沉水植被阻力系数、植被影响下的河床应力、非均匀流状态及有限尺寸内柔性植被斑块等方向作进一步研究。
2021 Vol. 40 (10): 30-44 [
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45
水电站尾水位特性解析与建模
贾本军, 周建中, 陈潇, 张勇传, 田梦琦
DOI: 10.11660/slfdxb.20211005
准确解析水电站的尾水位特性是对其进行建模、从而实现尾水位高精度预测的关键。首先采用定性与定量分析相结合的方法揭示了水电站尾水位变化的后效性特征；然后基于相关性分析初步探明了尾水位变化过程的关键影响因子；进一步构建了水电站尾水位特性的多项式拟合模型和支持向量回归模型，并对比分析了各模型描述水电站尾水位特性的性能。溪洛渡-向家坝梯级和三峡-葛洲坝梯级水电站的实例研究表明，四座水电站2小时尺度的尾水位变化过程后效性特征显著，以当前和前一时段的下泄流量以及下游电站水位或下游支流来水为输入的支持向量回归模型是一种实用性、可靠性和准确性均衡的具有实际工程应用价值的尾水位预测模型。
2021 Vol. 40 (10): 45-59 [
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60
青海湖水量平衡变化及其对湖水位的影响研究
王欣语, 高冰
DOI: 10.11660/slfdxb.20211006
利用1961—2015年青海湖的实测水位及气象观测资料建立了青海湖年水量平衡方程，估算了青海湖逐年的湖面降水、湖面蒸发及入湖流量，分析了水量平衡各要素的变化趋势。在此基础上，通过回归分析等方法研究了不同因子对青海湖水位变化的贡献率。结果表明，青海湖水位在2005年之前呈下降趋势，2005年之后水位上升。青海湖多年平均降水量为14.6×108 m3，多年平均入湖径流量为24.4×108 m3，多年平均蒸发量为40.1×108 m3。1961—2015年间湖面降水呈增加趋势，入湖径流在2003年后增加显著，而湖面蒸发在2000年后呈减少趋势。入湖径流和湖面降水的增加及湖面蒸发的减少共同导致了青海湖水位在2005年之后回升，其中入湖径流对水位变化的贡献率最大，为38.2%。
2021 Vol. 40 (10): 60-70 [
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71
西江流域压咸风险调度及其时空传递规律研究
白涛, 李磊, 黄强, 武蕴晨, 刘夏
DOI: 10.11660/slfdxb.20211007
枯水期珠江河口咸潮情势日益加重，径流不确定加剧了压咸风险，严重威胁沿线的供水安全。本文基于概率密度分布描述径流不确定性，构建了单源风险调度基本框架。以西江流域五座水库为研究对象，量化了预报误差与压咸风险的响应关系；揭示了压咸风险的时空传递规律；将压咸风险划分为3个等级；确定出各级风险越级传递的临界阈值。研究表明：随预报误差的增大，压咸风险提前且持续天数增加、风险率增大；压咸风险呈逐时段累积和从上游向下游、从支流向干流的时空传递规律；当预报误差超过±16%、±21%时，压咸风险从轻险越级至中险、中险越级至重险。研究成果对于西江流域压咸风险的调控和粤港澳大湾区的供水安全具有重要的应用价值。
2021 Vol. 40 (10): 71-80 [
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81
城市社区尺度降雨径流快速模拟——以福州市一排水小区为例
叶陈雷, 徐宗学, 雷晓辉, 陈阳, 班春广, 苏恒
DOI: 10.11660/slfdxb.20211008
随着城市化进程的不断加快，我国城市正面临着越来越严峻的洪涝问题。本文在社区尺度上构建雨洪管理模型（SWMM），使用遗传算法率定SWMM模型参数；在对研究区降雨分析的基础上，采用模糊识别法筛选出最具代表性的两种雨型；基于不同的降雨情景与SWMM模拟值组成的数据集，建立长短期记忆神经网络（LSTM）模型模拟研究区降雨径流关系，并使用不同工况评估了LSTM模型效果。结果表明，LSTM模型对降雨径流的模拟与SWMM模型基本吻合，而其对洪峰流量的拟合略有偏差。在较小降雨下，LSTM模型模拟洪峰流量较SWMM输出结果偏小；在较大降雨下，模拟结果偏大；在中等降雨时，模拟效果最好。此外，50个隐含层单元的拟合效果更好，但同时更多的隐含层单元对洪峰流量拟合效果更好。
2021 Vol. 40 (10): 81-94 [
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95
跨省江河水量分配的理论基础与定量方法
崔世博, 罗琳, 胡诗若, 赵建世
DOI: 10.11660/slfdxb.20211009
跨省江河水量分配是协调人类-自然用水矛盾以及省区用水矛盾的基础和前提。跨省江河水量分配的本质是利益分配，其理论基础既包括自然科学也包括社会科学。本文基于政治学中的正义理论和经济学中的产权理论，阐述了水资源分配应遵循的基本原则；结合水资源供需关系与水文丰枯特性，构建了跨省江河水量分配的定量模型；并以无定河流域和渭河流域为对象，对丰水和缺水两种情景进行了案例分析。结果表明：基于正义理论和产权理论的水量分配模型满足了人类和自然用水的基本需求，社会矛盾小，可操作性强，可以较好地平衡流域各省份的生活、生产、生态用水矛盾。
2021 Vol. 40 (10): 95-104 [
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105
水轮机热力学法测效率的改进方法
曹登峰, 张鹏, 周叶, 邹志超
DOI: 10.11660/slfdxb.20211010
水轮机效率测试中的热力学法通过对能量转换中单位能量的测定来确定水轮机的流量和效率，无需直接测量流量。开展热力学法时，低压侧断面流速分布不均是影响测试结果准确性的重要因素。针对此问题，提出了一种通过迭代计算水轮机低压侧流速、流量及效率的改进计算方法。该方法无需进行流速测量，减小了测试的工作量。引入单位机械能的修正项和低压侧流速进行双重迭代计算，得出的低压侧流速更能代表水轮机低压侧的平均流速，进而得到更准确的水轮机流量和效率。测试实例表明，迭代计算数次后，可得到准确的单位机械能、水轮机流量及效率，能够满足工程上的测试需要。此方法可促进热力学法在低水头型式水轮机效率测试中的应用和推广，值得予以借鉴。
2021 Vol. 40 (10): 105-111 [
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绩溪电站机组运行稳定性分析
张飞, 倪晋兵, 刘仁, 魏欢
DOI: 10.11660/slfdxb.20211011
绩溪抽水蓄能电站是我国自主研发长短叶片技术首次在抽水蓄能机组中应用，受到多方关注。在绩溪电站首台机组调试过程中，多方组织对包含机组振动、摆度、压力脉动等测点的机组稳定性进行了全面测试，采用时域特征值和频谱分析技术对试验数据进行分析，获得了机组在抽水启动、稳定抽水、稳定发电和发电启动带负荷过程等工况下的机组稳定性特征。测试结果表明：稳定工况下，绩溪首台机组振动和摆度混频幅值均在相关规范限定的A区范围内，满足机组稳定运行的需要；相较常规混流式水泵水轮机，采用长短叶片设计转轮设计时，各测点压力脉动频率成分更加复杂；协联抽水情况下，某些测点的主频有随扬程变化而改变。抽水启动和发电带负荷过程，机组稳定性参数能够满足运行需要。
2021 Vol. 40 (10): 112-123 [
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124
考虑温度变化和长期变形的面板堆石坝模拟
陈辉, 邓刚, 张延亿, 张茵琪
DOI: 10.11660/slfdxb.20211012
面板裂缝是影响混凝土面板堆石坝安全和性能的关键因素之一。本文基于ABAQUS软件，开展了堆石体长期变形与混凝土水化热、时空不均匀分布温度场边界施加等二次开发，以老挝某混凝土面板堆石坝为研究对象，研究了堆石体长期变形、混凝土水化热、环境温度变化的联合作用机制。分析了堆石体长期变形量值、面板浇筑时间过程、环境温度数值和分布模式等对面板应力变形的影响，揭示了混凝土浇筑后早期水化热温升和环境温度影响导致面板表面较大顺坡向拉应力是面板大量早期水平裂缝的主要原因；同时也发现，即使对于浇筑后较长时间，考虑温度变化情况下计算出的面板拉应力也高于不考虑温度变化情况。计算分析可为面板浇筑时机选择，面板温度裂缝、变形裂缝分类防控等提供技术依据。
2021 Vol. 40 (10): 124-134 [
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135
多元感知的强夯施工质量智能监测装备系统
刘全, 张宏阳, 邬志, 金银龙, 高乔裕, 李飞羽, 游川, 赵越良
DOI: 10.11660/slfdxb.20211013
夯坑位置、夯次和夯沉量是强夯法施工质量监测的主要指标，其中夯沉量是传统监测的技术难点，监测的效率和精度往往难以兼顾。为此，本文研发了基于多元感知的强夯施工质量智能监测装备及配套的智能监测系统。构建了基于夯锤主动目标的夯沉量摄影测量监测体系；集成GNSS-RTK和磁方位角传感器实现了夯机和夯坑的协同定位；基于机器视觉和时序模式实现了夯次智能监测；研发了强夯施工质量智能监测云平台发布监测数据，集成上述系统实现了夯次、夯沉量、夯坑位置等施工参数的实时监测系统。现场实验验证了本智能装备的监测精度和效率均满足施工管理的要求。本文可为强夯施工等智能监测装备研发提供参考。
2021 Vol. 40 (10): 135-146 [
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147
基于时序分解与深度学习的堆石坝变形预测
冷天培, 马刚, 向正林, 梅江洲, 关少恒, 周伟, 高宇
DOI: 10.11660/slfdxb.20211014
堆石坝变形监测数据是一种时间序列数据，可以用时序预测模型挖掘其规律并进行预测。本文利用时序预测模型提出一种堆石坝变形预测方法，该方法首先采用时间序列分解（seasonal-trend decomposition procedure based on loess，STL）将堆石坝变形监测数据分解为趋势项、周期项和不规则波动三部分，再使用经验模态分解（empirical mode decomposition，EMD）对不规则波动平稳化处理，最后利用长短期记忆网络（long short-term memory，LSTM）预测分解后的序列，并利用贝叶斯优化方法进行超参数优化。为评估该方法的预测效果，以水布垭面板堆石坝为例，通过控制训练时长、预测时长、离群值数目等变量进行多组仿真实验，并与其他时序预测模型对比。结果表明该方法预测精度较高，适用性较广，对于堆石坝的性状评估具有一定的应用价值。
2021 Vol. 40 (10): 147-159 [
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耦合时空相关特性的大坝变形动态监控模型
任秋兵, 李明超, 沈扬, 李明昊
DOI: 10.11660/slfdxb.20211015
大坝变形性态是多种因素长期共同作用的结果，其演变模式包括时间和空间两个维度。然而，当前大坝变形智能建模较少综合考虑时空二维特征，原型观测资料中蕴含的大量时空信息亟待进一步挖掘。针对该问题，本文从单测点时序相关性和多测点空间关联性出发，提出构建一种耦合时空两个维度相关特性的大坝变形动态监控模型。该模型将门控循环单元（gated recurrent unit，GRU）神经网络作为核心层，建模学习历史变形数据内在时变规律，通过迭代提取有效变形因子来构造空间维度特征，并引入软注意力机制改进GRU隐藏状态的概率权重分配规则，实现对关键信息的自适应学习。以丰满混凝土重力坝多测点变形监测数据为例，验证了该模型的有效性。结果表明，所提出的监控模型能准确模拟大坝变形动态演变过程，且与常规监控模型相比，其外推预测精度更高，为大坝安全监控提供了新的方法和手段。
2021 Vol. 40 (10): 160-172 [
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