水力发电学报
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2024年 43卷 5期
刊出日期：2024-05-25
1
编辑部推荐论文：黄河下游近期持续冲刷过程中床沙粗化特性分析
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曹玉芹, 夏军强, 周美蓉, 陈建国
DOI: 10.11660/slfdxb.20240501
床沙组成的变化影响悬沙沿程恢复及河床阻力变化。本文基于黄河下游7个水文站1999—2020年的实测床沙资料，计算了各水文断面不同粒径组床沙占比的年际变化，分析了近二十年持续冲刷过程中不同河型河段床沙的时空粗化特性，讨论了河床冲淤过程对床沙粗化的影响。从时间来看，小浪底水库运用后，不同时期床沙的粗化特点不同，拦沙初期（2000—2006年）急剧粗化，拦沙后期（2007—2020年）粗化放缓，高村站及上游各站床沙呈波动粗化，高村站以下则变化不大，且粗化程度最强处由游荡段向下游过渡段转移；从空间来看，床沙沿程细化，游荡段以极粗沙为主，过渡段以粗沙和极粗沙为主，弯曲段的中细沙不可忽视。拦沙初期各河段床沙组成的调整表现为中细均冲；拦沙后期则表现为中粗均冲，极粗沙占比增大，利津以上各站细沙占比不足5%，对悬沙的补给受限，中沙和粗沙仍经受冲刷，极粗沙对相应悬沙有较好补给作用。河段汛后床沙中值粒径与河床累计冲刷量呈良好的幂函数正相关关系，但拦沙后期床面已粗化到相当程度，河床冲淤对床沙粗化的影响受限。研究结果有助于掌握近期整个黄河下游床沙的粗化现状及预测下游河道冲淤变形规律。
2024 Vol. 43 (5): 1-12 [
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13
融合多源信息的大型湖泊营养状态遥感评估
孟定华, 毛劲乔, 李伟峰, 高欢, 盛路遥
DOI: 10.11660/slfdxb.20240502
湖泊营养状态直接反映了水环境质量，但在复杂环境因素影响下，全面且准确评估大型湖泊的营养状态是一项挑战。为应对这一难题，综合运用卫星遥感数据和现场实测数据等多源信息，并采用光谱曲线和四分位距原则（IQR）清洗数据异常值，以反演湖泊营养状态表征指标：叶绿素a浓度（Chl-a）和营养状态指数（TSI）。通过统计分析选取关键环境因子，包括pH、温度（T）、平均风速（AWS）和含沙量（SC），基于反向传输神经网络（BP-NN）和麻雀搜索算法（SSA）构建营养状态反演模型SSA-BP-NN。结果表明：基于BP-NN模型的Chl-a和TSI反演精度分别为0.843和0.834，而经SSA算法优化后，二者反演精度提高至0.918和0.936。以洪泽湖为例，运用该模型阐明了大型湖泊营养状态的时空分布特性，即西、北部湖区高于东部湖区。此外，栅格点数据分析表明Chl-a和TSI具有较强的相关性，且TSI的变化范围更稳定。水华因其高度瞬态性而复杂，TSI作为综合性指标可反映水体富营养化的基本情况，为水华风险预警提供背景参考。本研究表明，通过引入与湖泊营养状态相关性较强的环境因子，可以显著提升遥感反演模型评估精度，为大型湖泊生态系统健康状况评估和风险预警提供参考。
2024 Vol. 43 (5): 13-23 [
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24
西南地区典型河道型水库水温结构及水动力机制研究
贺玉彬, 时晓燕, 周洪举, 李星皓, 万欣, 张红, 刘昭伟, 任华堂
DOI: 10.11660/slfdxb.20240503
大型河道型水库在发挥水电效益的同时，其特有的水温分层对水环境的影响不容忽视。现有研究多偏重于水温垂向差异及时间演变规律研究，对于其形成过程的水动力影响研究尚不够深入。本研究利用数学模型模拟分析西南地区典型河道型水库—乌东德水库水温结构变化过程，发现水动力条件是水温结构形成的决定性因素，主温跃层的形成和演变取决于温差异重流导致的水动力机制。2—3月来水下潜于水库底部，二者界面形成主温跃层，并不断向库区下游发展；4—6月来流形成中间流，其上和其下分别形成两个温跃层；7月入库水流为上浮流，其下形成主温跃层；坝前局部区域水体主温跃层因取水孔口动力抽吸作用等温线出现局部收缩。
2024 Vol. 43 (5): 24-34 [
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35
1000 MW水轮机转轮径向安装偏差对流动特征的影响
吴思源, 王一凡, 刘兴民, 黄星星, 杜清玭, 周凌九, 陈端, 王正伟
DOI: 10.11660/slfdxb.20240504
本文以百万千瓦混流机组为研究对象，使用ANSYS软件进行三维全流道稳态数值分析。探究在额定工况下，当转轮出现Y轴负方向0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm、1.5 mm、2.5 mm的径向安装偏差时，间隙分布不均匀对于百万千瓦大型水轮机组内部流动特征的影响。研究发现，在一定偏差数值内，随着间隙的减小，该区域压力逐渐上升，但超过该数值以后，流体无法流入则变为了低压区。另外，上冠腔和下环腔均出现了相同数量的旋涡演变周期，但旋涡的发生位置不同，上冠腔旋涡较剧烈，且数量与叶片数呈非整数倍关系。最后阐明了下环腔内壁面受到的旋涡流动冲击程度要大于上冠腔内壁面。因此，本研究可以应用于其他大中型混流式水轮机的设计与安装，对于提高水轮机运行质量、降低运行成本和提高水电站效益具有重要意义。
2024 Vol. 43 (5): 35-42 [
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43
基于麻雀搜索算法的梯级泵站优化调度
马夏敏, 张雷克, 刘小莲, 田雨, 王雪妮, 邓显羽
DOI: 10.11660/slfdxb.20240505
针对梯级泵站系统运行效率普遍偏低、能耗损失较大等问题，建立了梯级泵站优化调度模型，引入了寻优能力强、搜索精度高的麻雀搜索算法（SSA），对算法中安全阈值和侦察者占比两参数进行了比选；据此提出了基于SSA算法的梯级泵站优化调度方法，并将其应用于密云水库调蓄工程中的三级泵站优化调度研究。结果表明，三种不同流量工况下，相较于现状方案，PSO及GA算法所得优化方案其系统运行效率可提升0.03% ~ 0.18%，年运行成本可节省￥9,700 ~ ￥69,500。利用SSA算法所获优化方案在两项指标改进方面更为突出，可达到0.98% ~ 1.20%的效率提升及￥369,000 ~ ￥443,900的年运行费用的节省，验证了SSA算法在梯级泵站优化调度中的可行性和高效性，可为梯级泵站优化调度提供一种合理可靠的方法。
2024 Vol. 43 (5): 43-53 [
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54
考虑监测数据时序特征和空间分布的堆石坝参数反演研究
程欣悦, 马刚, 张贵科, 艾志涛, 程勇刚, 王桥, 周伟
DOI: 10.11660/slfdxb.20240506
随着安全监测技术的发展，柔性智能位移计、管道机器人等新型监测技术逐步被用于堆石坝的安全监测。高堆石坝在其生命期内中积累了海量的监测数据，充分利用这些数据，开展参数反演分析，可以提高堆石坝数值模拟的准确性，有助于合理评估堆石坝安全性态。论文基于时间序列聚类从海量监测数据选择有代表性、多样性的测点组合，提取时序特征构造目标函数，反映堆石坝变形的时空演化特性，采用多目标优化算法进行堆石坝各分区的材料参数反演。与现有参数反演方法相比，本文方法能合理利用堆石坝大量监测数据，充分反映其在填筑、蓄水和运行过程中的变形发展和空间分布特性，基于反演分析的材料参数其计算沉降值与实测值吻合良好，能够显著提升参数反演的精度。
2024 Vol. 43 (5): 54-67 [
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68
基于径向基网络的堰塞体溃决峰值流量预测研究
王琳, 张润宇, 苑鹏飞, 王桑蓬
DOI: 10.11660/slfdxb.20240507
堰塞体由天然滑坡堆积而成，受上游来流冲刷和渗透极易发生溃决，给下游人们生命财产造成严重威胁。快速、准确地预测溃决峰值流量是堰塞体抢险工作的重中之重。现有研究基于数据库—统计回归—溃决模型的思想，提出了一系列堰塞体溃决峰值流量预测模型，但均未综合考虑堰塞体冲蚀特性和颗粒组成对溃决流量的影响，且随着数据的不断扩充，预测模型难以取得预期效果。因此，本研究基于国内外2060例堰塞体溃决信息数据库，通过考虑堰塞体几何特征、冲蚀特性和颗粒组成，提炼出堰塞体高度（Hd）、堰塞体宽度（Wd）、堰塞体体积（Vd）、水库库容（Vl）、溃口深度（Hw）、溃口平均宽度（Wb）、堰塞体中值粒径（d50）7个影响参数，并将堰塞体冲蚀程度分为5类，构建了考虑冲蚀特性的堰塞体溃决峰值流量预测模型。选取数据齐全的120座堰塞体溃决案例对模型进行验证，均方根误差（RMSE）和相关系数（R2）分别为9581 m3/s与0.965，并和国内外已有典型参数模型进行比较。结果表明，考虑堰塞体冲蚀特性和d50参数的模型可以更好地预测溃决峰值流量，能够为堰塞体溃决抢险进程中的溃决洪水演进、下游受灾区域划分等工作内容提供合理参考。
2024 Vol. 43 (5): 68-79 [
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施工-地质双驱动的地下洞室有害气体浓度智能预测方法
卢耕阳, 陈云, 聂本武, 陈述, 晋良海
DOI: 10.11660/slfdxb.20240508
地下洞室有害气体浓度与开挖方案、地质条件等密切相关，开展施工-地质影响下的有害气体浓度精准预测对于施工安全管理具有重要意义。然而，有害气体监测数据有用信息难被提取，爆破参数、基岩类别等特征与有害气体浓度间存在非线性耦合，基于此，本研究提出融合沙普利加性解释（SHAP）理论的集成学习有害气体浓度智能预测方法。通过主成分分析（PCA）进行特征预处理，运用树结构贝叶斯优化（TPE）算法迭代寻求CatBoost有害气体浓度预测模型最优超参数组，引入SHAP解释框架，探寻有害气体排放浓度重要影响因子。以金沙江旭龙水电站导流洞工程为例，研究结果表明：对比CatBoost、TPE-XGBoost以及TPE-LightGBM模型，TPE-CatBoost模型均方根误差（RMSE）分别降低了48.9%、40.2%、36.8%，具有更高预测精度；融合SHAP理论发现PM10、PM2.5浓度与爆破方案关联更为密切，CO、CO2浓度受地下水状态等地质条件影响更大。
2024 Vol. 43 (5): 80-93 [
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三向变形条件下铜片止水破坏准则研究
王立安, 傅中志, 丁强生, 王永生
DOI: 10.11660/slfdxb.20240509
铜片止水是水工混凝土结构分缝之间最重要的止水构件。混凝土结构在自重和水荷载作用下，常产生不均匀变形，使结构分缝之间的铜片止水产生拉伸（压缩）、沉陷和剪切三向变形（相对位移）。铜片止水的安全性取决于三向变形的量值，常通过三个方向的位移单独判断，未考虑三向位移的耦合作用。本文设计制作了两种尺寸共计40个铜片止水试件，通过三向加载独立控制的试验平台对铜片止水进行了不同拉伸、沉降位移的剪切试验，研究了铜片止水的剪切变形规律和破坏形态，得到了三维位移空间中的破坏包络面，提出了一个三向变位条件下铜片止水的变形破坏准则，可用于铜片止水的安全性判断。
2024 Vol. 43 (5): 94-102 [
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采用Karhunen-Loève分解计算堤坝沉降区间场
周婷, 介玉新, 张延亿
DOI: 10.11660/slfdxb.20240510
大坝的建造以及运行过程中受多种内外部多因素耦合作用，其沉降分析是复杂、非线性问题，采用非概率区间方法构造大坝沉降区间有利于定量描述多源不确定信息，使计算更加吻合实际情况。本文将基于Karhunen-Loève分解的区间场有限元方法由线弹性模型扩展至邓肯-张模型中，通过引入平方指数形式的空间依赖函数描述切线模量的空间变异性。采用以Legendre多项式为基函数的Galerkin方法计算模量变化区域的特征值与特征函数。在区间有限元的框架下，编写非线性区间本构模型Abaqus用户子程序UMAT，结合Python脚本计算大坝沉降针对于模量参数变化的响应区间，并与传统顶点集区间方法进行对比。工程实例分析表明，所提方法可以有效计算大坝沉降区间，所得到的沉降区间能涵盖顶点集区间，且有限元计算次数由指数级减少为多项式级。本文方法可以进一步扩展至大坝长期变形区间计算问题。
2024 Vol. 43 (5): 103-114 [
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115
冻盐耦合作用下掺碱粉煤灰混凝土的劣化规律
邵善庆, 龚爱民, 屈宝莉, 王福来, 罗加辉, 雍康, 金镯
DOI: 10.11660/slfdxb.20240511
为研究掺碱激发剂粉煤灰混凝土在硫酸盐环境下的劣化规律，分析了不同碱激发剂掺量（0%、5%、8%、10%）的粉煤灰混凝土在冻融循环和硫酸盐耦合作用下的质量损失、超声波波速损失、抗压强度损失的变化规律，同时通过电镜、EDS能谱、XRD衍射对变化规律进行了分析，并基于试验数据建立劣化规律人工神经网络预测模型。结果表明，加入碱激发剂后，补尝了由于粉煤灰水化消耗的水泥水化产生氢氧化钙，有利于维持混凝土碱平衡；有效提高了粉煤灰混凝土的耐久性，碱激发剂掺量8%时为最佳。试件的劣化程度与冻融次数表现为线性正相关；在质量损失方面，不同掺量的试件呈现出平稳下降和加速下降两个阶段，其中未掺碱激发剂的试件加速下降阶段出现较早；在超声波波速损失、抗压强度损失方面，掺了碱激发剂的试件只出现了平稳下降的阶段；通过微观分析可知，造成掺碱激发剂粉煤灰混凝土劣化过程加剧的主要原因是石膏和钙钒石的逐渐生成；建立的人工神经网络预测模型具有较高的精度。
2024 Vol. 43 (5): 115-122 [
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