水力发电学报
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2024年 43卷 10期
刊出日期：2024-10-25
1
编辑部推荐论文：混合抽蓄-风-光多能互补系统容量配置研究
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张鹏飞, 马超, 李时雨
DOI: 10.11660/slfdxb.20241001
混合抽蓄-风-光多能互补系统具有广阔应用前景，其容量配置需面临复杂水力水量、电力电量关系表征问题，同时其经济性评价需考虑电力市场规则。本研究提出了运行优化与容量配置决策两阶段优化思路，首先提出了适应中长期市场的月度统一电力送出模式，其次构建了混合抽蓄-风-光多能互补系统中长期运行多目标优化模型，然后基于海量容量情景模拟获取离散决策空间，最后从中优选得到最优新能源容量配置及运行方案。黄河上游清洁能源基地算例结果表明：失负荷风险接受度高、中、低分别对应新能源容量配置为混合抽蓄容量的3.2 ~ 3.9倍、2.4 ~ 3.0倍、1.6 ~ 2.1倍；系统月尺度打包并网电量峰谷比介于1.36 ~ 1.45，说明系统内各电源在中长期尺度的互补性较好。
2024 Vol. 43 (10): 1-16 [
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17
基于集合卡尔曼滤波的水文模型状态变量反馈校正方法
王文鹏, 何坫鹏, 巫义锐, 邱鹏, 张馨月, 刘波
DOI: 10.11660/slfdxb.20241002
集合卡尔曼滤波已应用于水文模型初始状态误差校正。如何选择校正变量、是否同步校正模型参数、如何优选滤波超参数是其应用难点。为此，以綦江流域GR5J模型为原型，同化实测流量反馈校正模型状态，通过合成实验和滚动预报实验，分析状态变量选择、模型参数扰动、滤波超参数对预报精度的影响。结果表明：准确识别有偏初始状态，集合卡尔曼滤波能提高预报精度；若难以识别，建议同步校正产流汇流状态变量，减少过校正。模型参数有偏时，应先识别模型参数，再校正模型状态。增加集合数和预热时长能提高校正精度，模型和观测噪声的影响具有非单调性；滤波校正效果随预见期延长而衰减，但要优于模型预热技术。该发现可作为作业预报应用状态校正法的参考。
2024 Vol. 43 (10): 17-31 [
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32
黄河下游花园口至孙口河段高效输沙洪水阈值研究
白玉川, 梁栋, 李岩, 黄哲, 徐海珏
DOI: 10.11660/slfdxb.20241003
河流能量耗散率变化反映了河道水沙输移能力以及河床形态的调整规律。本文研究区域为黄河下游花园口至孙口河段，从能量耗散角度出发，结合对实测资料的统计分析，探究了河流边界阻力能耗率与来水来沙、断面形态以及河床稳定性之间的定量关系，并基于边界阻力能耗率与河床稳定性双重指标，确定了花园口至孙口河段的高效输沙洪水阈值。研究结果表明：流量是影响边界阻力能耗率的主要因素，并与边界阻力能耗率的幂次呈线性相关；随着流量增大到2000 m3/s以上，边界阻力能耗率随含沙量增加呈先减弱后增强的趋势。大流量条件下边界阻力能耗率与宽深比呈负相关关系，花园口与夹河滩断面形态复杂，相关性较弱；相比之下高村与孙口断面形态简单，相关性增强。非恒定水沙条件下的河床大多处于失稳状态，在综合考虑河床形态稳定及边界阻力能耗率最低的前提下，计算得出花园口至孙口河段的洪水高效输沙临界流量约为1500 m3/s，含沙量约为23 kg/m3。
2024 Vol. 43 (10): 32-41 [
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42
基于深度学习的河道非恒定流糙率反演方法
李成业, 彭杨, 罗诗琦, 于显亮, 姚礼双
DOI: 10.11660/slfdxb.20241004
糙率是反映水流阻力影响的一个综合性系数，直接影响一维非恒定流的模拟精度。以往糙率反演研究很少考虑其随流量或水位的变化。为此，本文将糙率视为流量的分段线性函数，提出一种基于长短期记忆神经网络的河道非恒定流糙率反演方法，以数据驱动方式实现对糙率的直接反演；并针对天然长河段计算断面多、流量变化范围大的特点，提出一种基于逐次逼近的分步反演策略来降低反演求解维度。以向家坝库区河道为例进行数值检验，结果表明：利用不同流量级下的糙率反演值进行一维非恒定流计算，得到的沿程水位变化过程与实测资料较为吻合，且计算精度明显高于不考虑糙率随流量变化的结果。该结果验证了方法的有效性，为天然长河道糙率反演提供了新途径。
2024 Vol. 43 (10): 42-52 [
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53
屏蔽电机内冷却循环流场及水力损失数值研究
郭苗, 刘宇, 唐学林, 刘树红, 左志钢, 李小芹
DOI: 10.11660/slfdxb.20241005
本文采用RNG k-ε湍流模型对一屏蔽电机内部流动进行数值模拟，同时运用多孔介质模型及Ergun方程计算近似电机定子区域内流动，最终构建了基于能量守恒定律的水力损失分析理论模型，揭示了屏蔽电机内部水力损失演化过程，并结合相应流场现象进行了分析。计算结果表明，转子与多孔介质两者间隙内流体成螺旋形流动，同时较大的多孔介质阻力将导致冲击水流在此间隙前出现多个轴对称漩涡；推力轴承径向流道间的进口处出现类似叶片绕流的轴对称漩涡，同时推力轴承外流场还存在强环流；研究结果揭示了复杂的几何结构会导致产生较多漩涡，且造成较大水力损失，尤其是在推力轴承与滑动轴承间。以上计算结果可为相似电机内部冷却循环流动开展相关几何参数和结构优化提供一定参考。
2024 Vol. 43 (10): 53-62 [
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63
通孔平板附近空化泡动力学特性数值模拟研究
马明凯, 尹建勇, 龚德鸿, 张永学, 杜先荣
DOI: 10.11660/slfdxb.20241006
在空化清洗过程中，清洗的程度与空化泡到孔板的距离和空化泡最大半径之间的比值息息相关。然而对通孔平板附近的空化泡动力学研究大多局限于空化泡形态和射流方向，对于射流强度以及演变周期的关注很少。本文基于开源流体动力学软件OpenFOAM平台，利用已建立的两相可压缩空化泡动力学模型对带有通孔平板附近的空化泡多周期演变动力学特性进行了深入地研究。通过分析发现，空化泡溃灭形成的液体射流到达孔心时的最大速度随着γ（特征距离）的增加而减小；随着ε（相对大小）的减小，液体射流达到孔心的最大速度增加；空化泡第一次溃灭时的最小半径均随着γ和ε的减小而逐渐增大，空化泡溃灭的剧烈程度有所减缓，第一次溃灭周期有所延长。
2024 Vol. 43 (10): 63-75 [
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76
快速功率波动下大型定/变速机组的响应特性研究
汪玉清, 周大庆, 冯陈
DOI: 10.11660/slfdxb.20241007
本文对定速机组和变速机组应对快速功率波动时的响应情况进行了对比仿真，研究了九种不同大小、不同频率的功率波动下定速机组和变速机组的响应情况，并利用功率差的平均值、标准值、功率上升（下降）响应时间的平均值、功率延迟时间这四个量化评估指标对定速机组和变速机组的功率响应特性进行了具体分析。结果表明变速机组不仅能有效应对秒级时间内快速波动的新能源出力，对快速新能源出力波动的响应能力也远优于传统定速机组，进一步说明了变速机组应对新能源波动的有效性。
2024 Vol. 43 (10): 76-84 [
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寒冷条件下高拱坝施工过程仿真方法研究
关涛, 肖一峰, 任炳昱, 于浩
DOI: 10.11660/slfdxb.20241008
众多高拱坝施工面临着恶劣寒冷气候的考验。然而，现有的高拱坝施工过程仿真方法较少直接考虑气温对施工的影响，且未考虑基于气温预测成果进行动态分块，以分析寒冷条件下利用正温时段进行浇筑的特点。针对以上问题，本文提出了基于Informer的寒冷条件下高拱坝施工过程仿真方法。首先，提出基于Informer气温预测模型，实现未来气温序列的预测，在此基础上实现可施工时段分析；其次，建立考虑动态分块的寒冷条件下高拱坝施工进度仿真模型，提出更加贴近实际施工情况的分块施工仿真策略，以更好地模拟和分析不同气温条件下的施工过程；最后，以西南地区的叶巴滩高拱坝工程为例进行研究，采用Informer模型对气温进行预测，平均误差为±1.49℃，每日的可施工时长平均误差为±1.16 h。通过对比三种不同的仿真策略，发现寒冷条件下采用动态分块策略可以充分利用可浇筑时段，施工效率更高，也表明在仿真中“考虑气温”比简单降效处理更加贴近实际情况。
2024 Vol. 43 (10): 85-96 [
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基于MTSVR-ISAO的混凝土重力坝参数反演方法
曹文翰, 马琳, 苏怀智
DOI: 10.11660/slfdxb.20241009
混凝土坝参数识别是评价其运行状态的关键。为进一步提高参数识别的效率和精度，提出一种基于多输出孪生支持向量机（MTSVR）和改进雪消融优化器（ISAO）的混凝土坝参数反演方法。通过训练MTSVR模型模拟待反演参数与位移静水压分量之间的非线性关系以代替复杂的有限元计算。采用ISAO对目标参数进行寻优反演。工程实例分析表明，代理模型计算结果与有限元计算结果基本一致。与传统元启发优化相比，ISAO寻优收敛速度更快，准确度更高，单次参数反演用时更少。结果说明构建的反演方法可在保持计算精度前提下有效提高计算效率，方法具有有效性和实用性，为工程真实参数辨识提供参考。
2024 Vol. 43 (10): 97-106 [
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特高拱坝变形机理可解释性智能预测模型
马春辉, 余飞, 程琳, 杨杰
DOI: 10.11660/slfdxb.20241010
针对传统“黑箱”模型可以预测却无法解释拱坝变形的缺陷，利用Shapley Additive Explanation（SHAP）理论对特高拱坝的机器学习变形预测模型进行解构分析，分析水压、温度、时效对特高拱坝不同部位径向水平位移的影响规律。构建特高拱坝变形监测数据的轻量梯度提升算法（Light Gradient Boosting Machine，LightGBM）黑箱预测模型，利用SHAP对存在多重共线性的因子进行剔除，再从整个因子集和单个样本两个角度分析不同影响因子对模型变形预测的贡献度；通过分析拉西瓦特高拱坝坝肩、坝基、拱冠等不同部位的径向水平位移与影响因子间的关系，发现时效因子对高程越高、越靠近拱冠位置的径向水平位移影响越大，温度因子主要影响靠近拱冠位置的径向水平位移，水压因子主要影响高程较高位置的径向水平位移，而坝基和深入坝肩岩体测点的径向水平位移几乎不受水位、温度的影响。解决了以往“黑箱”变形预测模型可视性差、内部机理不明的问题，根据可解释模型得到的相关规律可为特高拱坝的工作性态分析和运行管理提供借鉴。
2024 Vol. 43 (10): 107-120 [
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大坝变形极端梯度提升区间预测模型应用研究
陈羡濠, 胡昱, 王亚军, 朱学舟
DOI: 10.11660/slfdxb.20241011
大坝在运行期间，其原始监测数据呈现出复杂、多样且时变的特征，该情况导致了长期监测预警的有效性与准确性逐渐减弱，进而增加了工程失事的风险。因此，建立高效准确的变形监测模型对大坝安全评估具有重要意义。由于大坝系统固有的不确定性，传统的确定性点预测面临无法规避的误差挑战，难以确定坝体变形主要影响因素且精度有待提高。本文提出了一种新的方法，采用极端梯度提升结合自举法构建预测区间，同时，通过弹性网络法进行位移影响因子集的特征提取，使用贝叶斯优化算法搜索最优模型参数。该模型通过自举法结合多个集成模型，有效估计了模型的偏差；通过训练组合模型得到残差，进一步估计了随机噪声的方差，最终实现了对大坝变形不确定性的量化。文章结合白鹤滩特高拱坝运行期坝体变形监测资料进行工程实例验证，通过对比采用单一模型的预测结果和实测结果，验证了本文提出的混合模型方法的高精度和良好鲁棒性，均方根误差仅为0.0112，模型准确率达到96%，效能提升较单一模型最高提高71%。
2024 Vol. 43 (10): 121-136 [
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