水力发电学报
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2024年 43卷 7期
刊出日期：2024-07-25
1
编辑部推荐论文：黄河流域非平稳气象干旱特征的重构及时空演变规律
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陈仕豪, 门宝辉, 庞金凤, 张腾, 王红瑞
DOI: 10.11660/slfdxb.20240701
气候变化和高强度人类活动影响下，基于平稳性假设的传统方法难以准确描述非平稳时间序列的演变规律。本文基于黄河流域1960—2020年逐月气象资料，采用自适应噪声完备集合经验模态分解法和游程理论提取标准化降水蒸散指数的重构干旱特征，结合Pettitt法和旋转经验正交函数研究非平稳气象干旱时空特征。结果表明，多时间尺度黄河流域气象干旱均呈现显著性增强趋势，且各时间尺度标准化降水蒸散指数序列均于1996年发生显著变化。考虑非平稳性的重构干旱特征时间上呈现出更为显著的季节性变化，空间上更符合流域实际情况。研究结果对厘清非平稳气象干旱时空演变规律具有重要意义，可为黄河流域防旱抗旱提供科学依据。
2024 Vol. 43 (7): 1-13 [
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14
佳芦河流域设计年径流和设计洪水的广义可加模型
莫淑红, 杨金来, 梁伟佳, 张高锋, 吕婧妤
DOI: 10.11660/slfdxb.20240702
受气象要素变化和人类活动的影响，径流序列的一致性常遭到破坏，需要直接针对非一致性水文序列进行研究。本文以黄土高原区佳芦河流域的年径流量和年最大洪峰流量为研究对象，基于广义可加模型（GAMLSS），优选气温、降水和库坝控制下的流域有效产流面积作为协变量进行模拟分析，并采用平均设计寿命水平法（ADLL）与等效可靠性法（ER）估算非平稳序列的设计年径流及洪峰流量。结果表明：两个水文序列均具有非一致性，所构建的多协变量年径流模型的低分位数曲线和高分位数曲线的拟合效果较好，洪峰流量模型整体模拟效果均较好；GAMLSS模型及相应的ADLL和ER方法在特定重现期或概率区间能提供更高精度的洪峰流量及年径流量设计值，且较好地体现了水文序列变化趋势对设计值的影响。
2024 Vol. 43 (7): 14-29 [
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30
基于极点对称模态分解的中长期径流预报组合模型
李继清, 刘洋, 张鹏, 陈景
DOI: 10.11660/slfdxb.20240703
为提高径流预报精度，解决径流序列分解后高频分量波动范围大、预报精度差的问题，基于极点对称模态分解法（ESMD）平稳化处理技术将径流序列分解，通过分析不同频率分量特征，择优选取预报方法，结合粒子群优化最小二乘支持向量机（PSO-LSSVM）全局优化和非线性建模能力及适应性强的特点，对高频分量进行预测，利用BP神经网络非线性映射能力和逼近任意非线性函数的优势对中低频分量和趋势分量进行预报，构建了ESMD-PSO-LSSVM-BP组合预报模型，对西江干流上中下游三座水文站的年、月尺度径流开展中长期径流预报。结果表明，对不同频率分量采用不同预报方法的组合模型可以有效提高径流预报精度。
2024 Vol. 43 (7): 30-40 [
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41
挑流喷溅水滴的数论分档随机喷溅数学模型
张华, 姚钰波, 张雨辰
DOI: 10.11660/slfdxb.20240704
挑流泄洪雾化时，水舌与下游水垫塘的碰撞会喷溅大量随机运动的水滴，它构成了喷溅水滴运动的初值问题，基于数论方法在选点较少的情况下仍然有较好的均匀性的思想。本文提出了数论分档水滴的概念，通过数论方法对水滴进行分档，并将高维相空间降维到一维相空间来计算，建立了水滴数论分档随机喷溅数学模型。对比其数值解和高精度解的结果表明：在计算水滴数相同时，本文数学模型的误差最小，随着水滴数的增加，其误差减小的也最快并迅速接近高精度解。因此，水滴数论分档随机喷溅数学模型不仅能够用更少的水滴获得更高的计算精度，而且能够实现高维初值相空间降维到一维相空间的简洁表达。
2024 Vol. 43 (7): 41-50 [
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51
泥沙浓度对水力机械材料磨损及磨蚀特性的影响
杨俊峰, 孙淑贞, 孙帅辉, 宋国华, 任最有
DOI: 10.11660/slfdxb.20240705
多泥沙河流上运行的水力机械受到泥沙磨蚀而导致过流部件变形、破坏，严重威胁机组安全运行。本研究对水力机械常用材料开展了旋转喷射磨蚀试验，采用失重法和微观形貌分析法研究了泥沙浓度对材料磨损及磨蚀特性的影响。结果表明：材料受到冲击磨损和磨蚀的累积失重量均随泥沙浓度变化呈近线性增长；当泥沙浓度小于60 kg/m3时，3种材料累积失重量随泥沙浓度增长较缓；当泥沙浓度大于60 kg/m3时，材料失重量增长较快。随着泥沙浓度的增大，冲击磨蚀对材料造成更严重的破坏，但空蚀损伤呈减弱趋势，材料表面硬度越高，抗空蚀性能越好，磨损和磨蚀失重量相等的临界泥沙浓度越低。空蚀作用会影响沙粒撞击材料表面的角度，导致颗粒水平冲击载荷更大，磨痕呈现切削唇边和堆积，在更高泥沙浓度下沙粒切削破坏占据主导作用。
2024 Vol. 43 (7): 51-60 [
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61
颗粒流运动SPH方法及滑坡破碎效应研究
林川, 林彦喆, 苏燕, 潘依琳, 高献
DOI: 10.11660/slfdxb.20240706
山体滑坡是全球范围内多发的一种地质灾害。由于滑坡具有突发性和破坏性强的特点，建立有效的数值分析模型将有助于制定针对性的防治策略。本文针对滑坡运动过程中表现出的颗粒流特性，基于μ(I)模型提出了针对浅层滑坡的动态摩擦系数表达式，并构建了对应的光滑粒子流体动力学（SPH）方法求解框架。考虑到颗粒破碎对滑坡运动性的显著影响，结合基于破坏势能的颗粒破碎法则，建立μ(I)模型中基底摩擦力与颗粒分布之间的关系。通过两个经典的三维斜面模型试验，验证了μ(I)模型在滑坡运动分析中的应用价值，并进行了颗粒破碎效应参数敏感性分析，为后续滑坡灾害的防治工作提供参考。
2024 Vol. 43 (7): 61-72 [
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稳定分析中滑动面构造方法分析
介玉新, 王杨强, 周婷, 谢琪
DOI: 10.11660/slfdxb.20240707
滑动面的构造方法是边坡稳定分析的关键课题之一。任意滑动面的构造比较复杂，基于Logistic函数积分等基函数构造的曲线可以代替传统的折线形滑动面，改善滑动面的光滑性，也有利于减少其自由度。对基于基函数的滑动面构造方法进行梳理，将其划分为基于连续函数叠加的构造方法和基于积分运算的构造方法。重点对Logistic函数及其积分的性质进行分析，得到了不同参数对曲线形态的影响规律，从而缩小了相关参数的取值范围，为减小滑动面自由度提供了依据。在此基础上也给出了一种确定给定滑动面参数初值的方法。针对两个边坡算例的计算表明，所提出的方法能够满足边坡稳定分析的要求。
2024 Vol. 43 (7): 73-84 [
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85
土石坝风险等级智能预测分析及模型优化研究
李炎隆, 张雨春, 王婷, 殷乔刚, 刘云贺
DOI: 10.11660/slfdxb.20240708
大坝溃坝会造成大量的生命财产损失和巨大的环境破坏。精准快速确定土石坝风险等级，对于控制土石坝溃坝危害具有重要意义。本文采用K-最近邻（KNN）算法填补了数据库中大量缺失数据，引入遗传优化算法（GA）优化轻量级梯度提升机（LightGBM）超参数，建立了基于GA-LightGBM的土石坝风险等级快速预测模型。采用受试者工作特征曲线（ROC）、曲线下面积（AUC）值等其他评价指标对模型精度进行验证，并将其与传统机器学习模型进行了对比。研究表明，所提模型预测准确率为89.95%，准确度最高。模型的AUC值为0.977，说明模型在适用性和预测精度方面都优于传统预测模型。采用SHAP分析对该模型进行了全局影响因素分析及案例分析，结果表明，检查频次是导致土石坝风险最重要的影响因素之一。
2024 Vol. 43 (7): 85-96 [
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改进小波阈值与优化BiLSTM组合的大坝变形预测方法
石佳晨, 岳春芳, 朱明远, 皮李浪
DOI: 10.11660/slfdxb.20240709
变形是反映大坝结构状态变化的重要指标。由于变形数据的非线性特点和其背后复杂的机理，提升变形的预测精度对大坝安全及结构控制具有重要意义。为此，基于融合建模理念提出了一种组合的大坝变形预测方法，该方法结合了改进小波阈值去噪与鹈鹕优化算法（POA）优化的双向长短期神经网络（BiLSTM）。首先，采用改进小波阈值去噪法对变形实测数据序列进行处理；其次，通过POA搜索最优超参数组合用于优化BiLSTM模型；最后，基于最优超参数下的BiLSTM模型进行大坝变形预测。工程实例表明，改进小波阈值法具有更好的去噪效果，POA-BiLSTM能够准确预测大坝变形。在最终测试集上平均MAE、MAPE、RMSE、R2分别为0.244、0.041、0.301、0.906。相较于其他方法，表现出更高的预测准确性和稳健性，可为大坝变形监测提供参考。
2024 Vol. 43 (7): 97-108 [
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109
水利工程施工的IT2FS-MARCOS风险评价
孙开畅, 薛文丽, 李婷婷, 陈千庆
DOI: 10.11660/slfdxb.20240710
为解决专家决策的主观性造成的风险评价不确定性和不同风险参数权重下考虑多种风险因子评价问题，这里提出一种基于IT2FS-MARCOS法的水利工程施工风险评价方法。首先确定水利工程施工风险指标评估体系，运用最优最劣法（BWM）融合基于层间相关性的客观赋权法（CRITIC）的组合赋权法对各风险参数的权重进行分析；然后引入区间2型模糊集（IT2FS）改进多准则决策中的基于折衷方案的备选方案排序法（MARCOS）计算各风险因素的效用函数值，基于效用函数值进行风险因素分析和评价。结合工程实例应用，表明：地质、天气条件和作业计划安排等风险因素危险程度较高，其中地质条件对该施工项目安全威胁最大，为水利工程施工需重点管理的风险因子。该模型的特点是不仅考虑了专家评价的模糊性，而且采用多准则决策方法避免对风险参数简单加权，与优劣解距离法（TOPSIS）相比，本方法与工程实际符合得更好，有望为处理水利工程不确定信息下的风险评价提供一种新的思路。
2024 Vol. 43 (7): 109-120 [
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