水力发电学报
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2023年 42卷 3期
刊出日期:2023-03-25
1
编辑部推荐论文:明渠含沙水流流量测量精度分析——以超声时差法测流为例
Hot!
段炎冲, 杨郁挺, 王忠静, 李丹勋
DOI: 10.11660/slfdxb.20230301
水流中泥沙的存在对流量测量精度的影响一直是水力学的重要问题。本文以超声时差法测流方法为例,在室内明渠水槽中开展了不同含沙量(最大含沙量27 kg/m3,宁夏引黄灌区天然沙,中值粒径0.015 mm)对流量测量精度的影响测试研究,以电磁流量计及巴歇尔槽测量值为基准,对比了超声时差法在不同含沙量下的流量测量偏差,分析了含沙量对其流量测量精度的影响。结果表明:在含沙条件下,超声时差法的流量测量值总体偏大,且偏差量随含沙量增大呈增大趋势。多声路箱式超声时差流量计受含沙量影响相对较小,在本文泥沙粒径、含沙量范围内平均意义上流量测量偏差在7%;单声路超声时差流量计受含沙量影响较大,在本文测验环境下其在含沙量较高时测量值偏大300% ~ 500%,基本处于失效状态。
2023 Vol. 42 (3): 1-12 [
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物理机制引导的水库调度深度学习模型研究
张玮, 郑雅莲, 刘志武, 刘攀, 李梦杰
DOI: 10.11660/slfdxb.20230302
为了从海量数据提炼人工调度经验来指导日常工作,机器学习等技术正逐渐应用于水库调控实践中。然而,仅依赖机器学习技术形成的水库调度方案,往往无法真实反映水库调度过程,使得调度经验刻画不到位。因此,本研究构建了物理机制引导的水库调度深度学习模型,以损失函数惩罚项的形式考虑水库出库流量的水量平衡约束、单调性约束、边界约束,以数据增强的方式在模型训练集与验证集中纳入稀遇洪水调度过程。研究结果表明,该模型在常规运行条件与稀遇水文条件均能有效模拟水库调度决策,与基准模型相比,该模型的模拟结果更符合水量平衡原理,有效减少负值流量,能准确模拟高值流量。该模型可为水库智慧调度的实现提供技术支撑。
2023 Vol. 42 (3): 13-25 [
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26
DEM数据源及分辨率对流域洪水模拟影响研究
李建柱, 李磊菁, 张婷, 康彦付, 张博, 冯平
DOI: 10.11660/slfdxb.20230303
以半干旱半湿润区的柳林流域为例,基于无人机三维倾斜摄影7 cm高分辨率和ASTER 30m两种数字高程模型(DEM)数据源,重采样获得1 m、5 m、10 m、20 m、30 m分辨率共10套DEM,构建HEC-HMS水文模型,选择1995—2021年20场洪水进行模拟,探讨DEM数据源和分辨率对洪水模拟精度的影响。结果表明:7 cm高分辨率地形数据源的1 m重采样DEM构建的模型,模拟结果相对较好,洪峰流量、径流量相对误差绝对值均值分别为16.4%和15.7%,NSE均值为0.657;ASTER 30m DEM构建的模型,洪峰流量、径流量相对误差绝对值均值分别为16%和18.7%,NSE均值为0.646,其他分辨率和数据源的DEM构建的模型,洪水过程模拟结果也差别不大。
2023 Vol. 42 (3): 26-40 [
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雅鲁藏布江上游径流变化及影响因素分析
杨大文, 王宇涵, 唐莉华, 严冬, 崔同欢
DOI: 10.11660/slfdxb.20230304
雅鲁藏布江流域蕴藏着丰富的水资源,在气候变化背景下,近年来其上游(奴下水文站以上流域)的径流发生了显著变化。本文基于耦合冰冻圈过程的生态水文模型GBEHM,构建了雅鲁藏布江上游的分布式水文模型,对其水文过程进行模拟,计算得到上游水文要素的变化过程,并定量分析了气候变化对径流的影响。结果显示,1981—2010年雅江上游的年径流量和蒸散发量均呈显著增加趋势,降水增加是径流增加的主要因素;冰川和冻土发生显著退化,多年冻土面积占上游面积的比例减少约7%,多年冻土活动层厚度增加速率约30.6 cm/10a,季节性冻土的年最大冻结深度减少速率约7.3 cm/10a;流域冰储量以10亿m3/a的速率显著下降,而冰川融化径流以2.7 mm/a的速率增加。
2023 Vol. 42 (3): 41-49 [
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高转速泵作透平的水力优化与性能分析
赵勇, 张彦, 肖业祥, 汪程鹏, 王生辉, 张瑾
DOI: 10.11660/slfdxb.20230305
泵反转作透平应用领域广泛,除了可应用于可再生能源发电,还可应用于高能耗行业的高压余能回收,但其水力效率普遍偏低。为提高其水力效率,可结合水轮机水力设计理论,采用CFD方法进行水力性能优化。本文对离心泵反转作透平的叶轮采用正交实验方法进行了水力优化,该透平应用于海水淡化能量回收装置,运行额定转速12000 r/min,且部分外形尺寸已被限定。采用试验和数值方法,对优化后的透平水力性能与流动特性进行了详细分析,水力优化结果表明,与初始设计方案相比,采用正交优化后的叶轮内的流动分离和漩涡流等现象得到明显改善,透平的水力效率得到了较大提升;数值计算与试验的性能特性曲线趋势吻合良好,在额定转速下,随着水头的增加,水力效率先增加后减小,最优水力效率达85.47%;在偏工况下,离最优工况点越远,水力效率会相应降低,且内部流动状态变得更加复杂。
2023 Vol. 42 (3): 50-59 [
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60
正导叶进出口角对多级液力透平性能的影响
苗森春, 张佳伟, 王晓晖, 史凤霞, 杨军虎
DOI: 10.11660/slfdxb.20230306
为揭示正导叶进出口角对多级液力透平性能的影响,以一台3级离心泵作液力透平为研究对象,利用速度矩相等并根据叶轮和反导叶几何参数推导出正导叶进出口角,设计出推导后的三种导叶模型,通过计算流体力学软件CFX对初始方案和三种新方案进行数值模拟并对比分析。结果表明:三种新方案在各个流量工况下效率均有明显提高,且高效运行范围变宽,其中新方案中方案C液力透平的性能最佳,在最优工况下效率提升了2.15%;内流方面,新方案下的多级液力透平在正导叶与叶轮之间的压力分布更加均匀,各级叶轮叶片进口附近的漩涡区域变小,同时对于进口处较高的湍动能区域也有明显减弱。上述研究可为今后多级液力透平导叶设计和优化提供一定参考。
2023 Vol. 42 (3): 60-69 [
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70
基于卷积径向基网络的多变量水位预测模型
王海麟, 朱加良, 何正熙, 周新志
DOI: 10.11660/slfdxb.20230307
实现河流水位的准确预测对于流域水资源的精准调度与管理具有重要意义。由于水文数据的复杂多变与非线性相关特性,传统机器学习模型的预测精度难以进一步提高。本文提出了一种基于卷积径向基网络的多变量水位预测模型,该模型先通过多层二维卷积网络对水文变量的时空特征进行并行化地充分提取,然后利用径向基网络实现河流水位的高精度预测。针对四川省清溪河流域开展了模型的相关实验研究,结果表明:与四种经典模型相比,其均方根误差最少降低了0.0387,纳什效率系数最少增加了0.0557;与现有的自回归循环网络模型相比,在相同输入特征条件下其最大误差和均方根误差分别降低了0.3482和0.0165,验证了该模型在流域水位预测中具有良好的适用性和有效性。
2023 Vol. 42 (3): 70-81 [
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高沥青混凝土心墙坝抗震安全评估研究进展
邓铭江, 孙奔博, 许佳
DOI: 10.11660/slfdxb.20230308
山区水库大坝建设是西部地区未来很长一段时间内重大基建工程的关键组成部分,也是开发水能资源、实现水资源合理配置与有效调控的重要措施。但受西部地区地震频发和运行环境复杂的影响,这些山区水库大坝的建设和长期安全保障面临着严峻的挑战。高沥青混凝土心墙坝作为山区水库大坝的主力坝型之一,其生命周期内的抗震安全尤显重要。本文全面评述了近年来国内外高沥青混凝土心墙坝抗震安全评估的发展现状,详细分析了目前高沥青混凝土心墙坝抗震安全研究中存在的问题,主要内容包括:沥青混凝土非线性动力本构模型、堆石料与沥青混凝土心墙接触面、沥青混凝土心墙与混凝土基座接触面本构模型,高沥青混凝土心墙坝-地基相互作用体系及抗震安全评估等内容。总结了高沥青混凝土心墙坝抗震安全评价理论与方法的发展方向,阐述了高沥青混凝土心墙坝抗震安全评估研究今后的发展趋势和关键科学问题,明确了重点研究方向,为国家重大工程建设和可持续发展相关决策提供参考。
2023 Vol. 42 (3): 82-91 [
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泾阳黄土分散性综合判别方法与机理研究
吕鑫江, 郑文杰, 王琳, 吴艾芳, 薛中飞
DOI: 10.11660/slfdxb.20230309
分散性土遇水易发生侵蚀,会导致管涌等危害,在堤坝工程中最终可能演化成极具规模的溃坝。文献中针对分散机理的研究主要聚焦于分散特性与某单一指标的联系,与此同时针对影响电动电位较为显著的介电常数与土体分散体系的相互作用较少报道。本研究通过针孔试验、孔隙水可溶性阳离子试验和经验公式法对陕西泾阳黄土分散性进行综合判别,研究影响黄土分散体系的关键因素,揭示导致黄土由聚结结构转为分散结构的内在机理。结果表明土体pH值呈现碱性,阳离子含量和可交换钠离子含量满足条件(CNa+ > 1 mmol/L,ESP > 7%)时,土易于分散。通过与国际上类似的问题土相对比发现,泾阳黄土电动电位ξ主要受pH值影响而不是黏粒含量和液限。介电常数相比之下较其他问题土低,这是因为泾阳黄土的液限较低,土壤的盐分含量、水分含量等会影响土水混合物介电常数虚部的变化,即为介电损耗,但其分散性仍然显著。
2023 Vol. 42 (3): 92-102 [
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液化场地水平位移预测数据驱动方法研究
张屹蕃, 王睿, 张建民, 张建红
DOI: 10.11660/slfdxb.20230310
基于Youd等2002液化变形数据库,结合机器学习方法,本研究建立了基于机器学习的液化场地水平位移预测数据驱动方法,并利用其对新近地震液化场地的水平位移进行了预测。首先,收集了新近几次地震液化场地水平位移案例,在此基础上采用已有常用工程经验方法对新近地震液化场地水平位移进行预测以探究其适用性,发现Youd 2018方法具有良好的表现。为获得最优的机器学习模型,本研究分别讨论了BP神经网络模型(BPNN)、径向基神经网络模型(RBF)、决策树模型(DT)、随机森林模型(RF)、支持向量机模型(SVM)等机器学习模型的适用性。研究发现,随机森林模型(RF)表现优越,该方法计算效率高、数据可扩展性好,同时能够很好地反映已有数据特性。相较于Youd 2018方法,随机森林模型(RF)对新近地震液化场地水平位移的整体预测精度提升18.17%。最后,本研究探讨了随机森林模型(RF)预测液化场地水平位移时不同影响因素的敏感性。
2023 Vol. 42 (3): 103-117 [
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金沙江下游梯级水电工程建设风险管理实践
樊启祥, 张超然, 洪文浩, 龚德宏, 徐俊新, 汪志林, 杨宗立, 林鹏, 翁文林, 李果, 郑斌, 李明
DOI: 10.11660/slfdxb.20230311
金沙江下游梯级水电站开发,对于构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系,促进西部地区经济社会协调发展,建立以水电为核心的水风光储蓄一体化清洁能源基地,助力“双碳”目标实现具有重要意义。针对金沙江下游电站建设“四高、三大、两岸、一严”的技术和管理挑战,本文通过对工程建设风险和项目法人建设管理能力的全面分析,系统总结了在金沙江下游水电开发过程中形成的工程建设管理理念、项目管理模式、绿色水电实践、和产学研用协同创新机制等实践经验,有效解决了工程建设各项关键技术难题和重大管理问题,促进了金沙江下游梯级水电工程的顺利建设。
2023 Vol. 42 (3): 118-131 [
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非饱和水工混凝土水力系数反演研究
黄耀英, 张耀, 徐小枫, 何一洋, 包腾飞
DOI: 10.11660/slfdxb.20230312
实际水工建筑物大部分区域的混凝土一般处于非饱和状态,当水工混凝土在服役过程中受到水的作用时将发生非饱和吸水,导致混凝土内部含水量增加进而产生湿胀变形,影响到长效服役混凝土水工建筑物结构应力应变状态。为了获得准确的非饱和水工混凝土水分扩散系数和湿胀系数,提出了一种基于“实测湿胀应变-正交设计-神经网络-数值计算”相结合的非饱和水工混凝土水分扩散系数和湿胀系数的反演方法,结合室内开展的典型龄期下浸水的非饱和水工混凝土湿胀试验数据,展示了提出反演方法的可行性。结果表明,水胶比0.5的水工混凝土在28 d龄期浸水时的水分扩散系数、形状系数和湿胀系数分别为3.98×10-12 m2/s、6.07和3.08×10-3。
2023 Vol. 42 (3): 132-140 [
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考虑分层填充的非均质堆石混凝土温度研究
徐小蓉, 肖安瑞, 梁婷, 金峰, 余舜尧, 邱流潮
DOI: 10.11660/slfdxb.20230313
为了研究堆石混凝土早龄期温度的非均匀时空分布特征,本文开发了考虑自密实混凝土分层填充和离散堆石颗粒体的非均质材料温度仿真方法,并结合石坝河水库的原型监测试验开展温度变化规律研究。结果发现,初始状态浇筑填充期的非均匀入仓温度,几个小时内即可完成混合均匀过程;早龄期第二阶段为堆石体与自密实混凝土的共同温升过程,约2 ~ 3天时间,而堆石辅助吸热的温升幅度与速率低于自密实混凝土的;之后堆石混凝土整体温度趋向均匀稳定,并缓慢下降。浇筑仓不同区域的堆石率略有差异,堆石率越高的地方平均温度越低;靠近钢模板的上游防渗层与下游三角区域几乎无堆石,夏季施工时温度峰值及温度梯度较高,要引起工程重视;上仓混凝土浇筑对下层仓浅表层的“二次温升”影响约6℃,深度1.0 m以下的区域影响很小;若仓面浇筑期短,采用均质堆石混凝土模拟施工期温度是高效的替代方案,但要合理选择等效入仓温度和等效绝热温升值。
2023 Vol. 42 (3): 141-152 [
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