水力发电学报
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2022年 41卷 9期
刊出日期：2022-09-25
1
圆柱绕流尾涡图像的灰度特征和纹理特征
卢聆江, 刘昭伟, 杨童, 陈永灿
DOI: 10.11660/slfdxb.20220901
图像技术是流体力学研究的重要手段，在流动显示和流动测量中应用广泛；随着信息技术的发展，图像技术在流动规律研究的应用不断深入。论文以圆柱绕流为对象，分析雷诺数Re = 50 ~ 1725时尾涡图像的分布特征，解析图像的灰度特征参数和纹理特征参数随雷诺数的变化规律，并开展流动特性解释。研究发现，圆柱绕流的紊动扩散速率、分离点位置、尾涡空间分布的变化导致了图像灰度与纹理呈现出不同的识别特征：当Re < 600时，尾涡的灰度直方图的均值随雷诺数的增加线性递减；当Re = 148 ~ 642时，基于尾涡图像的纹理对比度推导出的尾涡脱落周期长度与经验取值吻合良好；当Re > 170时，灰度歪斜度随雷诺数递增且表现为明显的线性关系。
2022 Vol. 41 (9): 1-11 [
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12
泥沙颗粒级配对高速水流空化空蚀的影响
董志勇, 李宇航, 徐旭意
DOI: 10.11660/slfdxb.20220902
在小型循环式水洞中试验研究了非黏性沙颗粒级配对高速水流空化空蚀的影响。首先，在循环式水洞内筒中配制8种泥沙小于某粒径不同重量百分比（P < 2%、12%、33%、47%、56%、70%、86%、100%）的挟沙水样，用红外测沙仪测定了挟沙水样的含沙量。利用压力数据采集系统实时量测了泥沙小于某粒径不同重量百分比P下水洞工作段（空化区、空蚀区）的压力；其次，试验采用不同强度混凝土试件，在相同含沙量S、小于某粒径不同重量百分比P的工况下，进行历时4 h的空蚀破坏试验。试验结果表明：在含沙量S = 12 kg/m3，喉部流速V = 38.6 m/s条件下，空化区测点压力随小于某粒径重量百分比P的增大而降低，促进了空化的发生；空蚀区测点压力则随小于某粒径重量百分比P的增大而升高，增强了空蚀的强度；混凝土试件强度相同时，混凝土试件的空蚀量随泥沙小于某粒径重量百分比的增大而增加；保持含沙量S和小于某粒径重量百分比P不变，高强度（fcu = 17.8 MPa）混凝土试件的抗空蚀能力明显比低强度（fcu = 13.7 MPa）试件高。
2022 Vol. 41 (9): 12-20 [
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21
输配水系统明满瞬变流全窄缝数值模型
莫铁祥, 李国栋
DOI: 10.11660/slfdxb.20220903
发生在输配水系统中的明满流交替过程是引起系统破坏的主要原因之一。准确模拟发生在输配水系统中的混合明满流瞬变过程，是亟须解决的技术难题之一。然而，常用的Preissmann窄缝法无法模拟含负压流的瞬变过程，很大程度上限制了该数值模型的适用范围。本文耦合二分压力法及Preissmann负窄缝思想，建立了一套可模拟求解非恒定明流、含负压的有压瞬变流及含负压的明满交替混合流数值模型，并基于CFL约束条件提出了对负压流与明流的判别方式。通过明渠充水、有压管道水锤及充水过程中关阀形成的明满流交替及水锤同时作用的复杂算例表明：本文所建模型突破了传统Preissmann窄缝法不能模拟负压的局限及二分压力法判别明流及满管负压流的困难，实现了对不考虑气液两相相互作用下的明满交替瞬变流的准确模拟。
2022 Vol. 41 (9): 21-30 [
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31
粤港澳大湾区城市群水资源配置模型
张赵毅, 何艳虎, 谭倩, 陈晓宏
DOI: 10.11660/slfdxb.20220904
现有水资源评估和规划（WEAP）模型缺乏考虑地区配水优先顺序，研究基于用水安全度确定的地区配水优先度改进现有WEAP模型，并应用于粤港澳大湾区城市群水资源配置，比较了不同地区和行业配水优先顺序下的WEAP模型配水方案效果。结果表明，大湾区各市用水安全度随地区及用水行业不同呈现差异，广州、深圳、东莞生活及工业用水安全度较低；在保障生态基流的前提下，同时考虑地区和行业配水优先顺序的配水方案提升了重点地区生活及工业用水满足度，配水结果更合理；枯水期深圳及东莞用水受限，大湾区河库互联互通工程十分必要。研究同时考虑地区和行业配水优先顺序，为WEAP模型改进提供了新思路。
2022 Vol. 41 (9): 31-43 [
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44
大规模风光接入下梯级水电站调度方式研究
谭乔凤, 聂状, 闻昕, 丁紫玉, 张子仪
DOI: 10.11660/slfdxb.20220905
风光接入流域梯级水电系统联合打捆外送是解决新能源消纳难题的有效途径，但也使得传统面向单一水电系统的调度方式面临极大挑战。为此，本文系统研究大规模风光接入背景下梯级水电站在长期、日前和实时尺度上的调度方式，并以雅砻江流域锦官梯级多能互补调度为实例，系统评估互补调度效益和风险。结果表明：大规模风光接入背景下，大型水电站水库的中长期水位应提前并加深消落，以增加枯期发电量并减少汛期弃水；互补运行能提升系统调峰能力，且调节水电日出力过程可缓解外送通道竞争；充分发挥梯级水电站的联合调度作用，能分别在日前和实时尺度上对风光功率进行电力补偿调节，弥补风光预测不确定性导致的发电偏差，提高供电可靠性。
2022 Vol. 41 (9): 44-55 [
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56
澄碧河流域降水及旱涝变化特征分析
孙桂凯, 王熙财, 马龙, 黄瑞, 王蕾, 莫崇勋
DOI: 10.11660/slfdxb.20220906
为了解西南岩溶区流域的降水及旱涝变化特征，选用澄碧河流域1979—2019年12个地面站点实测逐月降水资料，采用Sen斜率估计法、小波周期分析、经验正交函数（EOF）分析及标准化降水指数（SPI）等方法进行分析。结果表明，41 a间澄碧河流域年降水量呈现不显著增加趋势，以30 a为主周期；降水主要分布在夏季，并且呈不显著变化；降水量整体上呈现出由东南向西北递增的格局。EOF分析发现流域呈现出三种降水模式，其主要以全流域降水变化一致为主，其余两种模式均呈现出相反的降水变化。澄碧河流域干旱事件向洪涝事件转变发生在1994年，流域洪涝发生频率大于干旱发生频率，旱涝事件变化在空间上的分布特征具有一定差异性。研究结果对流域防范旱涝灾害具有参考意义。
2022 Vol. 41 (9): 56-66 [
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67
基于动态临界雨量的小流域山洪灾害分级预警
韩俊太, 王政荣, 杨雨亭
DOI: 10.11660/slfdxb.20220907
临界雨量方法在山洪灾害预报预警中应用广泛，然而传统的临界雨量方法以静态临界雨量为主，且无法判别山洪灾害的风险等级。本文发展了基于动态临界雨量方法的山洪灾害分级预警方法，并在福建闽江下游小流域进行应用。方法采用人工神经网络构建成灾流量与风险因子间的统计关系，进而获得无资料地区成灾流量的空间分布，并根据历史重现期划分不同山洪风险等级，得到对应风险等级的临界流量和临界雨量。结果表明：通过考虑流域前期湿润状况，该方法能够显著延长山洪灾害预警的预见期，有效提升对山洪灾害的监测预报能力。此外，相比于传统山洪预警方法，山洪风险等级的划分使得该方法更适用于山洪灾害风险预警的业务应用。
2022 Vol. 41 (9): 67-76 [
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基于多源降水数据估算澜湄流域可能最大降水
熊景华, 郭靖, 郭生练, 李娜, 王俊, 尹家波, 唐俊龙
DOI: 10.11660/slfdxb.20220908
基于多源降水数据估算流域可能最大降水（PMP），对推求稀缺资料地区的设计和校核洪水具有重要意义。选取澜沧江-湄公河流域为研究区域，以APHRODITE降水数据集和实测降水为基准，评价CHIRPS、MSWEP和PERSIANN三套全球降水产品的精度，基于改进的统计法估算1天和3天的PMP。结果表明：（1）MSWEP产品具有较高的精度和降水探测能力；（2）栅格尺度下MSWEP与APHRODITE降水数据的PMP估算结果显著相关；（3）基于MSWEP卫星降水数据估算的湄公河流域1天和3天的PMP分别为122 mm和192 mm，与其他的PMP估算结果相近。卫星降水数据可为缺乏资料地区的PMP估算提供重要参考依据。
2022 Vol. 41 (9): 77-86 [
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87
负载工况水轮机变速运行仿真研究
寇攀高, 朱光明
DOI: 10.11660/slfdxb.20220909
针对变速水电机组调节控制的研究需求，本文在研究可变速水轮机调速控制系统动态模型和控制策略的基础上，搭建了可变速水电机组的MATLAB/Simulink仿真平台，开展了变速水轮机组大幅度增/减负荷动态过程仿真，分析了电液随动系统接力器动作速度限制、电液随动系统滞后时间对变速机组减负荷过程的影响。仿真研究表明：（1）本文提出的基于接力器行程误差、转速误差的双闭环PID控制器能够同时实现水轮机转速、导叶开度的无差调节；（2）变速机组大幅度减负荷过程对水轮机而言相当于常规水电机组的甩负荷过程，伴随着转速、水压过高/低的情况；（3）电液随动系统滞后时间、动作速度对变速水轮机负载工况下转速、接力器行程、水轮机水压、单位参数的动态响应过程影响显著，限制了负载工况一次调频、负荷调节的幅度。
2022 Vol. 41 (9): 87-97 [
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胶凝砂砾石坝模型试验突变理论破坏判据
丁泽霖, 薛江寒, 王婧, 包闯
DOI: 10.11660/slfdxb.20220910
地质力学模型试验是研究胶凝砂砾石坝（cemented sand-gravel dam，CSG坝）安全稳定性的一种研究方法，但在试验中，模型的变位位移比较微小、倾覆趋势不易捕捉，并不能精确地判断出试验中模型受压破坏的区间及其超载安全系数（模型破坏时的极限安全系数）。针对这一问题，本文通过开展CSG坝复杂地基条件下地质力学模型试验，得到了坝基内部应变、坝体下游面位移及坝体表面应变等数据，判断出模型的超载安全系数Kp在4.6 ~ 6.2区间内；为得到模型精确的超载安全系数，首先运用突变理论对模型试验数据进行四次多项式拟合，后将结果代入模型失稳判别式，得到了模型的超载安全系数Kp的精确区间为6.0 ~ 6.2。本文解决了困扰CSG坝地质力学模型试验中超载安全系数精确性的问题，对CSG坝后续的推广、发展和应用起到了积极的作用。
2022 Vol. 41 (9): 98-107 [
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粉质黏土中厚壁筒型基础减阻措施研究
练继建, 赵昊, 刘润, 郑宏杰, 杨旭
DOI: 10.11660/slfdxb.20220911
筒型基础具有建造成本低、安装效率高等优点，已在我国近海风场安装超60台。随着海上风电向深水化、大容量发展，筒型基础尺寸不断增大，岸边预制与浮运、沉放过程中钢制筒裙易发生屈曲破坏，导致安装失败。因此本文提出混凝土筒裙加钢制分舱板的厚壁筒型基础，在避免筒裙屈曲的同时进一步降低造价，但厚壁筒裙导致沉放阻力增加，有效的减阻措施及准确的沉放阻力预测是其安全沉放安装的关键。为此开展了粉质黏土中筒型基础室内模型沉放试验，探究了筒壁减阻环与筒端冲水破土装置的减阻效果，提出了考虑减阻效应的沉放阻力计算方法。研究结果表明，与分舱板等厚度的减阻环可使侧摩阻力减小约50%；筒端冲水破土装置可使端阻力减小约88%，为减小冲水破土对负压施加的影响，推荐采用冲水破土与负压沉放间隔作业的施工方式。
2022 Vol. 41 (9): 108-117 [
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118
面向混凝土坝施工管理的知识图谱智能构建
沈扬, 田丹, 刘昊, 任秋兵, 张栋梁, 李明超
DOI: 10.11660/slfdxb.20220912
混凝土坝施工管理知识多以文本的形式记录存储，具有数据量大、碎片化严重、层次性差等特点。本文从非结构化文本数据中智能挖掘施工知识，理清知识间的逻辑关系，提升知识的应用效率是混凝土坝施工管理面临的重要问题。本文提出一种混凝土坝施工管理知识图谱智能生成方法，将海量文本数据转化为可直接利用的知识。融合字词向量、BiLSTM-CRF（Bi-directional Long Short-Term Memory-Conditional Random Field）网络、Attention机制，建立混凝土坝施工管理实体智能识别模型，强化施工实体特征，获取混凝土坝施工管理文本中的实体词语。结合已识别的施工实体，定义实体间关系类型，利用互信息提取实体关系，组合形成施工知识链，构建混凝土坝施工管理知识图谱。该方法应用于实际混凝土坝施工管理文本分析中，经过计算得到混凝土坝施工管理实体智能识别模型的F1值为92.48%，优于其他实体识别模型；利用已识别实体间的关联关系，建立了混凝土坝施工管理知识图谱，形成基于知识图谱的施工知识检索机制，实现施工知识的快速提取，提高了施工知识的应用效率。
2022 Vol. 41 (9): 118-128 [
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开裂混凝土中碳钢与不锈钢钢筋腐蚀速率研究
王海龙, 俞宁, 吴远建, 徐洪权, 孙晓燕
DOI: 10.11660/slfdxb.20220913
为了揭示裂缝宽度对混凝土中碳素钢与不锈钢钢筋锈蚀速率的影响，本文在钢筋腐蚀电化学理论的基础上，考虑裂缝对混凝土中氯离子和氧气输运的影响、氧气对钢筋锈蚀的作用，建立开裂混凝土数值模型探究了钢筋的腐蚀过程。通过与试验结果的对比分析验证了数值模型的正确性，并以此为基础开展了参数敏感性分析。研究结果表明：阳极极化过程和氧气供给是影响钢筋腐蚀速率的两大制约因素，裂缝除了能够提前钢筋由钝态转化为腐蚀态的时刻，也会对碳钢腐蚀稳定后的腐蚀速率大小产生影响，减小裂缝宽度和氯离子扩散系数能有效限制钢筋的腐蚀速率。与碳素钢筋相比，即使在更恶劣的侵蚀条件下不锈钢钢筋仍表现出了更好的耐蚀性能。
2022 Vol. 41 (9): 129-138 [
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混凝土冲击破坏动力特性及能耗规律研究
李玉涛, 党发宁, 任劼, 周玫
DOI: 10.11660/slfdxb.20220914
为探究冲击速度和骨料率对混凝土动力特性及能量传递规律的影响，设计了骨料率为0、32%、37%和42%的混凝土试样，利用SHPB装置进行了速度为5、6和7 m/s的冲击压缩试验。系统分析了冲击速度和骨料率不同时混凝土动态变形、动强度增长及能量转化规律，并利用双因素方差分析法研究了冲击速度和骨料率对动强度的影响程度。结果表明：冲击压缩作用下，混凝土试样主要以拉伸劈裂破坏模式为主。混凝土动强度随骨料率和冲击速度的增大而增大，而且相较于骨料率，冲击速度对动强度的影响程度更大。冲击速度介于5 ~ 5.8 m/s时，DIF随骨料率的增加而增加；冲击速度介于5.8 ~ 7 m/s时，DIF随骨料率的增加而减小。混凝土试样透射能随冲击速度和骨料率的增大而增大，而反射能、吸收能和吸能占比均随冲击速度的增大而增大，随骨料率的增大而减小。
2022 Vol. 41 (9): 139-149 [
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拱坝施工仿真参数多因素概率预测方法
宋文帅, 关涛, 任炳昱, 王佳俊
DOI: 10.11660/slfdxb.20220915
施工仿真参数对拱坝施工进度仿真结果的准确性具有重要影响。目前施工仿真参数分析多采用单变量建模方式，部分采用多元分析方法建立点预测模型，均难以分析各类因素影响下施工仿真参数的不确定性。针对上述问题，本研究提出基于宽度学习系统-弹性网分位数回归（broad learning system-elastic network quantile regression, BLS-ENQR）的施工仿真参数概率预测方法。宽度学习系统不需要深度网络结构，具有高效的非线性学习能力，可以克服传统分位数回归模型仅能分析线性关系的不足；同时，采用弹性网正则化惩罚来减小回归系数并提高模型稀疏性，从而避免模型过拟合。工程应用表明，本研究提出的方法可以有效分析出施工仿真参数的概率分布，且相比于支持向量机-弹性网分位数回归、极限学习机-弹性网分位数回归、宽度学习系统-分位数回归模型，该方法具有更好的预测性能，为拱坝施工仿真参数预测提供了一种新思路。
2022 Vol. 41 (9): 150-160 [
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