水力发电学报
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2023年 42卷 9期
刊出日期：2023-09-25
1
编辑部推荐论文:挑流水舌入水喷溅的水滴生成数值模型研究
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何贵成, 张华, 彭燕祥
DOI: 10.11660/slfdxb.20230901
挑流泄洪雾化与水滴的生成及运动特性密切相关，其中水滴的生成问题是一个关键。本研究使用欧拉方法和拉格朗日方法相结合，提出了一种新的数值模型，用于模拟挑流水舌入水喷溅的水滴生成。首先，采用流体体积法获取挑流水舌的形态、速度和湍流动能等背景场信息。然后，利用液滴破碎的能量平衡理论构建特征参数，计算喷溅水滴的生成位置和数量。最后，使用拉格朗日方法追踪水滴的运动轨迹，并将模拟结果与水工模型试验数据进行对比。结果表明，模拟获得的水舌挑距、水滴生成位置、水滴群分布和降雨强度分布与水工模型试验的观测情况和数据高度一致，验证了模型的准确性，为挑流泄洪雾化研究提供了新思路。
2023 Vol. 42 (9): 1-10 [
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11
泥沙异重流稳定水跃的耗能与掺混实验研究
温志超, 黄哲, 徐海珏, 白玉川, 张金良
DOI: 10.11660/slfdxb.20230902
异重流稳定水跃是非连续异重流中的一种典型流态，反映着由急流过渡到缓流时的运动特征。其运动过程伴随着复杂的耗能和掺混过程，目前的研究还不能很好地解释两者间的对应关系。本文利用水槽实验，观测了泥沙异重流在斜坡与平底交界处的水跃现象，通过推导水头损失公式，分析了水跃耗能和掺混关系。研究发现增加入口含沙量或初始水深，或减小入口流速，均导致水跃强度减弱，共轭水深比值减小，异重流层厚度增加受限。这种实验现象伴随着水跃耗能过程的强弱，入口含沙量或初始水深的增加，或入口流速的减小，均导致水跃前后的水头损失降低，减少了被卷吸的上层清水流量，共轭水深比值进而减小，异重流层密度也有小幅降低。通过对异重流水跃的耗能过程分析，可知耗能减小表明流层间的紊动强度减弱，能有效地降低异重层和上层清水的掺混速率。通过回归分析，发现共轭水深比值与水头损失比?hf/hf1，以及?hf/hf1与掺混系数KQ均呈现出正比例线性关系。本文推导的能量指标是分析异重流水跃过程、揭示异重流掺混机制过程的可行方法。
2023 Vol. 42 (9): 11-21 [
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水风光多能互补系统中长期功率联合预报
雷鸿萱, 刘攀, 马黎, 吴迪, 龚兰强, 张杨, 林东升
DOI: 10.11660/slfdxb.20230903
水风光多能互补系统中水电、风电和光电通过打捆的方式并入电网。传统方法通过单独预报水电、风电和光电，然后累加得到水风光系统总功率，存在误差易累积且未考虑水风光时空互补性的问题。为提高系统功率预报精度，首先考虑时空相关性与互补性，在遥相关因子及功率等中选取预报因子；然后基于长短期记忆网络与上下限估计方法构建点预报和区间预报模型；最后实现功率的联合预报。以二滩水风光多能互补系统为实例，研究表明，在检验期，对于总功率预报，联合预报法的点预报纳什效率系数达到0.908，相较于累加预报法提高了0.016，同时区间预报的覆盖宽度综合指标也减少了0.352。提出的预报方法可为水风光互补运行提供技术支撑。
2023 Vol. 42 (9): 22-33 [
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融合改进灰狼算法的机器学习月径流预测方法
赵莹玉, 彭慧春, 李继清
DOI: 10.11660/slfdxb.20230904
为提高径流预报的准确性，对黄河唐乃亥站和兰州站实测月径流序列，分别采用梯度提升树回归（GBDT）、反向传播算法（BP）、差分进化-灰狼算法（HGWO）优化的支持向量回归（SVR）算法，结合变分模态分解方法（VMD）和极点对称模态分解方法（ESMD），建立组合预报模型。结果表明，组合模型VMD-HGWO-SVR预测效果最好，与ESMD-HGWO-SVR、VMD-BP、VMD-GBDT相比，两站的预测结果的平均绝对误差分别平均降低53.38%、14.27%、6.8%，均方根误差分别平均降低53.66%、22.0%、11.54%，平均相对误差分别平均降低54.92%、12.0%、3.67%，纳什效率系数分别平均提高17.09%、3.26%、1.36%。可以看出，该方法在月径流时间序列预测中具有较好的效果。
2023 Vol. 42 (9): 34-45 [
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西藏主要流域年径流的变化趋势及其原因
叶汀, 杨汉波, 霍军军
DOI: 10.11660/slfdxb.20230905
青藏高原是受气候变化影响最为明显的地区之一，气候变化驱动下的径流变化趋势及其原因备受关注。该研究采用Mann-Kendall检验和Pettitt突变点检验，分析了西藏自治区11个水文站1980—2016年径流深的变化规律；并采用基于Choudhury-Yang方程的气候弹性法，量化了年降水、年潜在蒸发以及下垫面变化对年径流深的影响。结果表明，研究区年径流深总体呈不显著上升趋势，多个流域在1997年左右发生突变；雅鲁藏布江下游地区年径流深对气候变化和下垫面变化的敏感性明显低于其他地区；年降水量的变化是年径流深变化的主要影响因素，导致所有站点的年径流深增加，但区域差异较为明显，其中对拉萨河流域的影响最大。
2023 Vol. 42 (9): 46-57 [
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1979—2021年雅鲁藏布江流域雪深时空特征研究
徐小蓉, 田园诗, 孙其诚, 金峰, 张尚弘
DOI: 10.11660/slfdxb.20230906
雅鲁藏布江流域地处高原寒区，研究该地区的积雪时空分布对工程建设和雪灾防治有重要意义。基于1979—2021年中国雪深长时间序列数据集、中国逐月气温与降水量数据集，采用Mann-Kendall趋势分析法和皮尔森相关分析法研究雅江流域的积雪深度特性。结果表明：积雪深度在空间分布上呈现“两端高、中间低”，西部源头处与东北部边缘地区有深厚积雪覆盖；积雪主要分布于海拔4000 ~ 5200 m、坡度小于35°范围内，其中最高雪深值分布在约4850 m；1979—2021年平均雪深以0.032 cm/a的速率减少，2017年经历了43年间的最低雪深值，近几年逐渐回升到多年平均水平；年平均气温以约0.024 ℃/a的速度升高，其与雪深呈现显著负相关性。
2023 Vol. 42 (9): 58-69 [
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水库群消落期多目标智能优化调度研究
周颖, 周研来, 郭生练, 林凡奇
DOI: 10.11660/slfdxb.20230907
本文考虑了河道天然流量模式调度需求，以发电量、供水满足度最大和河道流量偏差函数值最小为目标，建立了水库群消落期多目标优化调度模型，采用非支配排序遗传算法求解，以湘江流域东江-双牌-涔天河水库群为研究对象，进行了实例分析。研究结果表明：相比常规方案，在丰、平、枯水年情景下，发电量最大方案分别能提高1571万kW?h（11.2%）、1167万kW?h（10.9%）和811万kW?h（10.0%）的发电量；生态效益最好的方案，能减小1.56（61.2%）、0.33（6.3%）和0.89（13.6%）的河道流量偏差函数值；供水满足度最大的方案能提高2.1%、2.6%和3.4%的供水效益。构建的水库群消落期多目标优化调度模型可为长江流域水库群消落调度提供理论参考。
2023 Vol. 42 (9): 70-78 [
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水泵水轮机顶盖螺栓应力实测分析
赵强, 曹佳丽, 陈柳, 罗永要, 任绍成, 刘扬
DOI: 10.11660/slfdxb.20230908
水泵水轮机启停频繁、工况多变，内部流态复杂，顶盖在运行过程中受到复杂的水推力作用。连接顶盖和座环的高强度螺栓在不同工况下，应力水平和变化具有较大差别。螺栓的受力特性直接关系到机组的运行安全，因此，有必要全面了解顶盖螺栓在典型工况下的应力水平。本文依托宝泉蓄能电站水泵水轮机组开展顶盖螺栓应力实测工作。采用电阻应变法，选取螺柱中间截面上均布的4个应力测点，通过测量螺栓表面微应变得到螺栓应力。测试得到了螺栓在预紧、水轮机满负荷、甩负荷、水泵零流量及水泵正常运行工况下的应力结果，为顶盖螺栓和机组安全评估提供了基础数据，也为后续顶盖螺栓的设计提供参考。
2023 Vol. 42 (9): 79-87 [
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基于电力支撑的新型电力系统电力电量平衡
庞锋, 项华伟, 吴迪, 黄文波
DOI: 10.11660/slfdxb.20230909
可靠的电力支撑是电力系统安全稳定运行的重要基础。各类电源的可靠电力支撑作用是指在其可靠电力范围内，可根据系统负荷需求随时满发顶峰。本文提出基于可靠电力支撑的电力电量平衡计算方法，总体计算框架为结合电源装机和系统负荷需求进行备用及机组检修安排，在此基础上通过电力平衡确定各类电源各月（或旬、或周）的可靠电力支撑，进一步进行全年8760 h的电力电量平衡模拟，模拟思路为在满足各类电源最小技术出力或强迫出力前提下，尽量为风、光让出位置，在负荷高峰且风、光出力小时发电顶峰，总体实现各时刻电力电量平衡且尽可能吸纳风光。利用本计算方法分析山西电网不同抽水蓄能规模下的电力电量平衡，并分析了风电不确定性对电力电量平衡的影响，结果显示系统抽水蓄能增加将替代部分火电容量并增加抽水电量，从而增加新能源吸纳；若过多考虑风电的电力支撑，一旦风电受天气等影响降低出力，火电、水电等满发也难以满足负荷需求，将直接影响电力系统安全稳定。
2023 Vol. 42 (9): 88-100 [
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一种水电机组尾水管压力脉动数据滤波方法
张欢, 曾云, 张辉, 钱晶, 孙彦飞
DOI: 10.11660/slfdxb.20230910
尾水管压力信号的降噪处理对水电机组振动故障识别具有重要意义。为解决电站尾水管压力脉动数据中干扰信号对后续信号分析产生干扰的问题，本文利用自适应噪声完备集合经验模态分解将信号分解为若干个本征模态函数，并利用改进后的最大信息系数对各本征模态函数与原信号进行相关性计算，根据相关性系数的大小划定阈值，最后将处理后的本征模态函数叠加，用来压力信号的重构。并通过实例分析验证了该方法的有效性，同时与经验模态分解和传统的最大信息系数作对比，结果表明，本文提出的自适应噪声完备集合经验模态分解和改进的最大信息系数方法在水电机组压力数据的净化方面具更高的可信度。
2023 Vol. 42 (9): 101-111 [
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高亏格坝基地质体Kmeans-ERT自动建模研究
谭添文, 王佳俊, 吕明明, 王晓玲, 余佳
DOI: 10.11660/slfdxb.20230911
高亏格地质体是多处镂空的复杂地质构造，如坝基的互层、破碎带等。基于地层面的地质建模方法在处理高亏格地质体时存在自动化程度低、主观误差较大等缺点；基于体元的建模方法虽然可以实现自动化，但存在数据冗余的不足，且难以适应水利水电工程钻孔数据分布不均、地质体局部突变等特点。针对上述问题，提出一种基于栅格体元的高亏格坝基地质体K均值-极端随机树（Kmeans-ERT）自动建模算法。首先，针对高亏格地质体的随机性和突变性，采用鲁棒性较强的极端随机树算法构建分类模型；其次，采用K-means算法对地层样本进行聚类，根据聚类结果动态调整分裂阈值；最后，提出边缘检测算法识别模型边界，进而隐藏内部体元，实现模型轻量化。工程应用表明，所提出模型可以实现坝基高亏格地质体的自动建模，平均准确率相较支持向量分类（SVC）、K近邻算法（KNN）、随机森林、深度森林和BP神经网络分别提高17.4%、19.1%、4.7%、6.5%和17.1%，模型内存缩减率达69.3%；与人工建模方法和其余自动建模算法相比，所提出模型在精度和效率上具有优势。
2023 Vol. 42 (9): 112-124 [
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穿越城区组合衬砌隧洞外水内渗问题研究
王汉辉, 陶军, 张存慧, 苏凯
DOI: 10.11660/slfdxb.20230912
近年来我国兴建的穿越城区引水隧洞工程中采用了一种新型组合衬砌结构，由外层管片、内层不透水钢管和两者之间的回填混凝土、排水板组成。运行期内水压力经回填混凝土向外传递，外层管片朝外变形，管片间接缝会张开，进而引发外水内渗问题。结合深圳市罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程，建立某典型洞段渗流分析的三维有限元计算模型，分析了多种外部条件下衬砌的外水内渗流量和外水压力。分析表明：完建期管片渗透系数每减小一个量级，隧洞渗流量降低约90%，回填混凝土使隧洞渗流量降低30% ~ 40%，注浆圈对隧洞渗流量影响较小。运行期接缝为主要渗漏通道，占总渗流量的90%以上，此时注浆圈可以明显降低隧洞渗流量。隧洞渗流量的峰值出现在运行期，应作为隧洞外水内渗流量的控制条件。隧洞外水压力取值应以自密实混凝土回填后的完建期最大。
2023 Vol. 42 (9): 125-134 [
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