水力发电学报
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2023年 42卷 8期
刊出日期：2023-08-25
1
编辑部推荐论文：长江流域2022年高温干旱事件演变及历史对比
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姜雨彤, 侯爱中, 郝增超, 张璇, 付永硕, 郝芳华
DOI: 10.11660/slfdxb.20230801
本文基于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第五代大气再分析数据集ERA5，定义了两类复合高温干旱事件（即气象干旱或农业干旱与高温同时发生的事件），对长江流域2022年春夏复合高温干旱事件演变过程进行了分析，评估了其持续时间及覆盖面积等特征及变化规律。研究结果表明，长江流域2022年复合高温干旱事件时间上自6月开始，8月最严重，9月有所缓解，空间上由中下游开始，然后扩大到全流域，9月又缩小至中下游地区；与流域历史典型事件相比，2022年夏季复合高温干旱事件的各特征值均为最大；1979—2022年期间，两类复合高温干旱事件7—8月份的特征值呈现显著增加趋势。本文结果可加深对流域复合高温干旱事件的认识，对于应对气候变暖背景下的极端事件具有重要意义。
2023 Vol. 42 (8): 1-9 [
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10
深度学习在河湖生态流量预报预警中的应用研究
陈浩, 王贝, 何锡君, 许月萍, 郭玉雪, 王冬
DOI: 10.11660/slfdxb.20230802
为提高生态流量预警预报精度及水利工程生态调度效率，本文以浙江省椒江流域为研究对象，采用水文学法计算断面生态流量及预警阈值，利用主成分分析法筛选模型预报因子，并提出了基于深度学习和概念水文模型的河湖生态流量预报预警新方法。结果表明：柏枝岙和沙段断面最适宜的生态流量核算值分别为2.89 m3/s和1.92 m3/s；选取降雨和蒸发作为输入因子，采用网格搜索法寻找最优参数，极值梯度提升算法（XGBoost）在所有年份的生态流量预警等级信息预报合格率都达到100%；基于XGBoost和新安江水文模型的耦合预报模型能够很好地完成生态流量预警预报和水库生态流量调度工作。研究成果可为河湖水资源保护和监管提供决策依据。
2023 Vol. 42 (8): 10-20 [
摘要
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21
来水不确定对跨流域工程供水调度风险的影响
华鑫, 白涛, 李磊, 赵云杰, 黄强
DOI: 10.11660/slfdxb.20230803
为量化径流预报的不确定性所产生的供水风险，本文以引汉济渭跨流域调水工程为研究对象，基于来水不确定性的概率分布定义了供水风险，以此建立与求解了供水调度模型，获得了不同预报误差的多尺度供水风险值，厘清了风险升级的预报临界误差，揭示了来水不确定性对跨流域调水工程供水风险的影响。研究表明：产生供水风险的径流预报误差阈值为15%，且预报误差与供水风险呈二次幂函数关系；三河口水库可利用其多年调节水库的性能，缓解预报误差带来的供水风险；将供水风险分为轻险、中险和重险，确定了风险升级的阈值分别为0.117、0.190，对应的预报误差分别为24.0%、32.7%。研究成果将为保障陕西省引汉济渭工程等跨流域调水工程的调水安全提供决策依据。
2023 Vol. 42 (8): 21-31 [
摘要
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32
梯级开发对河流生境连通性的影响与优化路径
何晓枫, 黄翔, 陈旻, 李嘉, 安瑞冬
DOI: 10.11660/slfdxb.20230804
为探究水电梯级开发对河流生境连通性的影响，以大渡河流域为例，通过资料收集与遥感影像识别，确定了流域内的135个水电站位置信息；采用河流连通指数量化了河流的生境连通性；分析了水电开发对连通性的影响因素，并提出了一种耦合连通性与电站效益的连通性优化路径。结果表明：①当前大渡河流域的河流连通指数RCI为16.68，未来随着所有规划电站的建成，这一值将降为4.2，RCI的空间分布呈现从上游向下游递减趋势。②相较于位于河源及河口的电站，位于河网中央的电站造成的影响更大。③不同的水电开发规划对连通性的影响差异显著，通过合理的规划，可以在保证水电开发效益的情况下有效地改善河流生境连通性。本研究旨在为河流生境连通性恢复与流域战略规划提供方法支持和理论参考。
2023 Vol. 42 (8): 32-41 [
摘要
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42
东洞庭湖水位模拟及水情变化归因
邹吉湖, 黄予宁, 黄峰, 申幸志, 钱湛, 姜恒, 韩帅
DOI: 10.11660/slfdxb.20230805
东洞庭湖水文情势近年来发生了较大变化，需要评估不同驱动因子对水文情势变化的贡献量。构建长短时记忆神经网络模型模拟东洞庭湖水位变化过程，采用水文改变指标分析东洞庭湖水文情势，并设置情境进行分析，评估长江干流流量变化、四水入湖流量变化和地形条件变化对东洞庭湖水文情势变化的贡献量。结果表明：长江干流流量变化是东洞庭湖丰水期水位下降和枯水脉冲平均历时减少的主要驱动因子。四水入湖流量变化是东洞庭湖水位逆转次数增加的主导因素。地形条件变化显著拉低了东洞庭湖枯水期水位，对东洞庭湖水位主要表现为拉低作用。研究成果可为东洞庭湖水资源管理与利用提供科学依据，为其他河流、湖泊等水系的水情变化归因研究提供参考。
2023 Vol. 42 (8): 42-50 [
摘要
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51
多沙河流水库支流拦门沙长效防治方法研究
杨晨, 刘福平, 李超群, 耿明全, 刘颖, 刘松霖
DOI: 10.11660/slfdxb.20230806
多沙河流水库内的支流口门处常形成拦门沙，影响水库功能的正常发挥，至今尚无有效的治理方法。为此，本文提出了基于移动导流桩柱的水库支流拦门沙长效预防和整治方法，并通过水槽模型试验验证了其应用效果。试验结果表明：当无防治措施时，多沙河流水库会在支流口门处形成不同程度的拦门沙，其发育速度与干流水沙流量正相关，拦门沙横断面表现为平行抬升，纵断面表现为“倒V”形态，拦门沙顶点形成于交汇区最大浑浊带区域，且随着干流水沙流量的增加向支流内部推进；当添加了防治措施后，在干流高水位时关闭豁口使得大部分泥沙在阻水墙外侧落淤，阻水墙内侧相对于外侧淤积高度降低了49%；在干流低水位时开启豁口使支流蓄的水通过导流墙“束水”冲刷拦门沙，使其上部形成稳定的冲沟，冲沟底部最大淤积高度仅为0.1 cm，实现了水库干流与支流的连通，达到水库拦门沙长效防治的效果。本方法机理明晰、成本低廉、操作灵活、效果持久，有望成为多沙河流水库支流拦门沙长效防治的新型技术手段。
2023 Vol. 42 (8): 51-60 [
摘要
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61
垂直凹壁面对称位置的空泡动力学模拟研究
张钰鹏, 徐倩倩, 余志伟, 陈婷
DOI: 10.11660/slfdxb.20230807
直角凹壁面是水力机械过流部件中的一种常见壁面类型，而对于其附近区域内的空泡动力学行为认识还十分有限。本文采用VOF方法捕捉气液交界面进而对垂直凹壁面附近对称位置的空泡动力学行为进行研究，通过改变无量纲距离参数γ来探究不同距离下射流特征及其对壁面压力的影响。结果表明，空泡在溃灭阶段会产生两种不同方向的射流，即主射流与斜射流。主射流方向指向两垂直壁面交点，斜射流的方向随时间变化，有可能对两壁面产生影响。两种射流对壁面的压力影响与距离参数γ呈反比关系，γ越大时射流对壁面压力的影响越小。当距离较小（γ < 2.5）时，需同时考虑两种射流的影响，但主射流对壁面的影响始终占据主导作用。
2023 Vol. 42 (8): 61-68 [
摘要
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模型水轮机初生空化的特征谱提取识别方法
韩文福, 倪晋兵, 桂中华, 满哲, 丁景焕, 肖微, 李东阔, 汪刚
DOI: 10.11660/slfdxb.20230808
目前水轮机模型初生空化识别方法仍采用人工识别法，这种方法获得结果的周期较长、主观性强、准确度及效率都较低。针对于此，对水轮机模型初生空化识别方法进行了研究与优化创新，提出了一种基于炮声谱与特殊脉动谱特征提取的水轮机空化智能识别方法，即多态泡音智能识别方法PSVFR。该方法依据自主开发的水轮机空化噪声多态算法MTCSPC，对数据进行处理，通过采集初生空化音态特征向量，建立矩阵模型，与样本数据库中的定性矩阵进行特征比对、计算、判断，以帮助机器完成对模型水轮机空化噪声的学习和识别。与现有技术相比，该方法能够提高机器对水轮机初生空化现象的识别准确度和识别效率，识别效率可达80%。
2023 Vol. 42 (8): 69-79 [
摘要
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水轮机调节系统的自耦PID控制方法
黄利容, 曾喆昭, 曾鹏
DOI: 10.11660/slfdxb.20230809
针对含死区环节和机械时滞的水轮机调节系统，研究了一种基于自耦PID控制理论的控制方法。首先，将带死区环节的时滞水轮机调节系统中时滞、死区非线性因素、不确定性以及外部扰动定义为总扰动，再通过引入虚拟控制量，将其等价映射为一个外环二阶线性扰动系统与一个内环一阶线性扰动系统的双闭环系统；其次，针对外环设计基于速度因子的自耦PD控制器，内环设计基于速度因子的自耦PI控制器；最后，在复频域分析了闭环控制系统的鲁棒稳定性和抗扰动鲁棒性。仿真结果表明，所设计的控制器在不同工况下控制效果不仅具有良好的抗扰动鲁棒性，而且具有良好的动态品质和稳态性能。
2023 Vol. 42 (8): 80-88 [
摘要
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一种水力机械压力脉动的分频模态提取方法及应用
周济宸, 牛翔宇, 林贵海, 刘鑫
DOI: 10.11660/slfdxb.20230810
水力机械在偏离最优工况条件下，水压脉动可能包含多种频率成分，对流场时域分析时，小幅值次主频率成分的非定常演变特征常被主频成分的时域演变所掩盖。本文借鉴结构动力学中模态参数提取方法，采用基于自然激励技术，由复响应函数获得不同频率下的模态参数，并编程计算了水力机械内的典型三维流场水力激励分频模态，分析了混流式水轮机小流量下的计算结果，刻画了尾水管涡带的低阶旋转模态，揭示了尾水管内高阶频率成分的产生与无叶区内旋转扰动源的关联关系。同时，还对动静干涉等原因导致的转轮上的激振模态进行分析，模态结果与理论预测一致。本文提出的分频模态分析方法有助于揭示不同频率压力脉动产生的根源、传播途径等信息。
2023 Vol. 42 (8): 89-97 [
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水利工程施工人员不安全行为识别方法
张社荣, 梁斌杰, 马重刚, 董发俊, 王超, 王枭华
DOI: 10.11660/slfdxb.20230811
水利工程施工过程中施工人员不安全行为是引发安全问题的关键因素，施工现场大多采用现场安全巡检、可穿戴式装备、实时监控等方法进行不安全行为识别，存在费时费力、成本高、信息化水平低等问题，不利于危险行为的及时发现、预警。针对上述问题，本文基于计算机视觉、深度学习，提出了适用于水利工程施工大场景下的不安全行为识别方法。首先，针对大场景下施工人员机械中的小目标漏检、错检问题，提出YOLOv5改进方法，并构建了施工人员机械多对象目标检测模型；其次，基于目标检测模型，分别提出了靠近静态危险区域、动态施工机械、安全帽未佩戴等常规不安全行为的识别方法；最后通过工程实例验证，本文所提出的识别方法增加了施工现场管控手段和力度，有效提升水利工程施工安全智慧化管控水平。
2023 Vol. 42 (8): 98-109 [
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基于卷积神经网络的轻量型裂缝分割方法
税宇航, 张华, 陈波, 熊劲松, 符美琦
DOI: 10.11660/slfdxb.20230812
针对通用分割模型作用在坝面混凝土表观裂缝时出现网络深度不断增加，导致模型参数过大，有效裂缝特征丢失，提出一种基于卷积神经网络的轻量型裂缝分割方法，以减小网络内存占用和特征丢失问题。网络采用编码-解码结构，利用深度可分离卷积和轻量特征提取模块构建级联编码器，解码器则融合编码器第二阶段的跨尺度信息，重构特征提取中丢失的像素级几何信息，以提高网络分割精度。试验结果表明：网络在自制坝面混凝土裂缝数据集上训练得到的模型大小为10.8 MB，相较于U-Net减小了90.8%，验证集测试下交并比为73.30%，像素精准率为85.36%，数据结果验证了网络在坝面裂缝分割方面的可行性，为提高坝面检测效率及坝面结构后期维护提供有力支撑。
2023 Vol. 42 (8): 110-120 [
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