水力发电学报
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2021年 40卷 3期
刊出日期：2021-03-25
1
特约论文：高坝泄洪消能技术研究进展和展望
Hot!
张建民
DOI: 10.11660/slfdxb.20210301
近40年来，我国水利水电工程建设蓬勃发展，建成了一大批具有世界级水平的水电工程，涌现了许多创新技术，推动了我国在高水头大流量泄洪消能方面的研究达到世界先进水平。本文重点梳理和评述我国在高水头大流量泄洪消能方面所取得的最新研究成果，包括全断面掺气减蚀技术、高拱坝表-深孔空中碰撞和无碰撞挑流消能、高重力坝多股多层淹没射流跌坎底流消能、燕尾挑坎、翻卷挑坎、洞塞式、旋流式及阶梯式内流消能等新技术。对今后中长期的水利水电工程建设面临的高坝水力学问题研究进行了展望。
2021 Vol. 40 (3): 1-18 [
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19
海绵城市建设雨水基础设施优化配置研究进展
蒋春博, 李家科, 高佳玉, 吕鹏, 姚雨彤, 李怀恩
DOI: 10.11660/slfdxb.20210302
气候变化和快速城市化改变了城市生态水文循环过程，加剧了水资源短缺、水环境污染、水生态破坏、暴雨洪涝灾害等城市问题。为获取低影响开发措施（low impact development，LID）/绿色基础设施（green infrastructure，GI）与城市灰色基础设施耦合系统空间优化配置方案以及多目标成本-效益最优曲线，本文系统归纳了不同规划目标导向下新建、改建城区海绵城市建设核心指标与控制要点；针对现有研究中的科学和技术问题，构建了雨水基础设施区域优化配置模式，主要由雨水基础设施性能指标数据库、成本效益定量化及计算机辅助决策三部分构成。探讨了数值计算和模型模拟中典型LID设施的关键参数及其性能指标；基于环境经济学理论分析了海绵城市建设成本和效益指标定量化方法；探索有限成本投入下，改善城市水环境、水生态、水资源、水安全的多目标智能优化算法，结合模型模拟以实现城市生态水文良性循环和可持续发展。
2021 Vol. 40 (3): 19-29 [
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30
三峡水库运行后洞庭湖水沙变化及影响因素
冉雪嫣, 朱德军, 李丹勋
DOI: 10.11660/slfdxb.20210303
水库建设改变江湖关系，影响下游水沙情势，进而对流域状况、人类生活和社会发展产生影响。本文根据2003—2019年洞庭湖三口、四水及长江水沙数据，运用Mann-Kendall趋势检验、滑动平均值等方法分析洞庭湖水沙变化趋势，并用Mann-Kendall突变分析方法对有显著变化的站点进行突变分析。结果表明，2003—2019年，荆江三口各水文站年输沙量、弥陀寺站与康家岗站年径流量有显著变化且具有突变点，荆江三口其余各站年径流量及四水各站水沙无显著变化。其中弥陀寺年径流量和年输沙量变化的突变点分别位于2014年和2010年，其余存在显著变化的各站年输沙量突变点皆位于2008年前后。长江干流来水来沙是影响洞庭湖水沙的重要因素，受2008年三峡水库开始175 m试验性蓄水影响明显，采砂活动等因素也可能与洞庭湖湖区冲淤情况存在关联。
2021 Vol. 40 (3): 30-38 [
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39
黄河下游游荡段断面滩岸崩退过程概化模拟
王英珍, 夏军强, 邓珊珊, 周美蓉
DOI: 10.11660/slfdxb.20210304
近期黄河下游游荡段河床冲淤变化剧烈，滩岸崩退是该河段河床调整的一个重要方面，研究滩岸崩退过程对揭示黄河下游游荡段河势稳定的主控因素具有重要意义。首先建立了断面尺度的崩岸概化模型，并计算了2004年汛期下游游荡段樊庄与夹河滩两个典型断面的滩岸崩退过程，分析了抗冲强度、抗剪强度、渗透系数、坡脚堆积比例等主要因素对滩岸崩退的影响。结果表明：两断面滩岸累计崩退宽度计算值分别为413 m及733 m，与实测值较为吻合；滩岸崩退与坡脚横向冲刷宽度的变化一致，且坡脚横向冲刷宽度越大越不利于滩岸的稳定。滩岸崩退宽度随土体抗冲强度的增大而减小，当土体起动切应力由0.1 N/m2增加至0.3 N/m2时，樊庄及夹河滩断面滩岸崩退宽度分别减小34%和33%；滩岸崩退宽度随崩塌土体坡脚堆积比例的增大而减小，当坡脚堆积比例由50%增加至100%时，樊庄及夹河滩两断面滩岸崩退宽度分别减小10%和7%，因此坡脚堆积有利于增加滩岸的稳定性。
2021 Vol. 40 (3): 39-49 [
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50
考虑弃水电量成本的短期电力电量平衡模型
纪昌明, 赵亚威, 张验科, 马皓宇
DOI: 10.11660/slfdxb.20210305
为提高汛期水电消纳能力，本文在已有成本最小模型中引入弃水惩罚成本，建立了考虑弃水电量成本的短期电力电量平衡模型；针对模型求解过程中难以有效获取满足大规模复杂约束的可行解的不足，避免算法过早收敛和陷入局部最优，提出了基于滚动修正策略的改进粒子群算法。云南省滇中区域电网计算结果表明，相较于成本最小模型，虽然其它能源成本增加了142万元，但汛期弃水电量减少了714万kWh，系统总成本降低了7.04%；相较于弃水电量成本最小模型，虽然弃水电量增加了285万kWh，但火电成本降低了1795万元，系统总成本降低了21.65%；在缺乏调峰容量的时段内，适度安排其他电站进行调峰能够有效减小弃水电量和总成本。
2021 Vol. 40 (3): 50-63 [
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64
基于EnKF算法的大型河网水量数据同化研究
顾炉华, 赖锡军
DOI: 10.11660/slfdxb.20210306
大型河网非恒定模拟计算仍是当前难点，现实环境的不确定性使传统模拟方法精度难以有效提高。数据同化方法融合数据和观测，是提高实际问题模拟和预测精度的重要手段。本文以太湖流域河网为对象，引入集合卡尔曼滤波方法，构建了太湖流域河网水量数据同化模型，探究了水位观测数据同化对河网水量预测精度的影响，并将模型运用于太湖流域河网洪水预报。结果显示：太湖流域各水利分区水量相对独立，为降低模拟误差，需在各个片区引入观测数据。通过同化各水利分区内2 ~ 3个站点每隔1-2天的观测数据，可使模拟误差降低约40%。太湖领域的预报水位与实测水位基本一致，宜兴、丹阳、常州等站的最高洪水位预报误差不超过0.02 m。
2021 Vol. 40 (3): 64-75 [
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76
基于Johnson分布的年降水量频率分析
常浩浩, 宋松柏, 吴海江, 陈得方
DOI: 10.11660/slfdxb.20210307
鉴于Johnson分布具有多种变换形式，能够通过复杂的变换曲线实现良好的曲线拟合能力。本文探讨了矩法、分位数法、普通最小二乘法（OLS）、权重最小二乘法（WLS）和对角权重最小二乘法（DWLS）5种Johnson分布参数估计方法并适线拟合，并将Johnson分布与P-Ⅲ分布的适线拟合效果进行对比。选取陕西省陕北地区4个气象站（定边、宜川、志丹和吴起）的年降水量序列资料，基于Johnson分布，应用5种参数估计方法分别对4个气象站的年降水量频率曲线参数进行估计。结果表明：基于Johnson分布模型的年降水量频率曲线能够有效拟合实测序列频率，DWLS法拟合效果最佳，其次为矩法、OLS法、WLS法、分位数法。此外，Johnson分布的拟合效果略优于P-Ⅲ分布。
2021 Vol. 40 (3): 76-83 [
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84
基于等流量法缩减空间策略的水电站调度方法
黄成剑, 解阳阳, 刘赛艳, 卞吉莉
DOI: 10.11660/slfdxb.20210308
采用合理的调度方法可有效提高水电站发电效益。模拟方法容易获取可行解，但不能提供最优解；优化方法能够求得最优解，但往往因搜索空间过大而求解不理想。本文考虑两者特点，提出基于等流量法缩减空间策略的水电站调度方法，即利用等流量法模拟调度过程，缩减搜索空间，在缩减空间内利用优化方法求解模型。实例研究表明：该方法适合群智能算法求解水电站调度模型；在相同群智能算法和水电站调度模型下，缩减搜索空间后，多年平均发电量、保证出力提升显著，多年平均弃水量明显减少。此外，群智能算法在缩减空间内的收敛速度更快，标准差更小。因此，该方法能够有效提高群智能算法求解的优化程度、收敛速度和稳定性，可为水电站调度提供重要参考。
2021 Vol. 40 (3): 84-95 [
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96
间隙空化对贯流式水轮机压力脉动特性的影响
徐洪泉, 何成连, 孟龙, 张弋扬
DOI: 10.11660/slfdxb.20210309
许多贯流式水电站机组振动严重、噪声大，部分电站难以正常运行。目前的贯流式水轮机稳定性研究多侧重于转速频率和涡带频率，对高倍转速频率压力脉动危害性及其成因关注较少。本文将空腔危害水力机械稳定性理论应用于灯泡贯流式水轮机间隙空化研究，采用理论分析和原、模型试验验证相结合的方法，论证分析了间隙空化和高倍转速频率压力脉动的联系。本文介绍了贯流式水轮机原、模型尾水管压力脉动和真机振动的频率特性及工况条件，指出其产生原因是转轮叶片或导叶端面间隙空化，证明1倍、2倍或3倍叶片通过频率压力脉动产生于叶片内、外侧端面间隙空化，导叶通过频率压力脉动来自于导叶端面间隙空化。
2021 Vol. 40 (3): 96-102 [
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103
定常流和往复流下冲击式透平气动特性分析
余杨, 赵明仁, 余建星, 李振眠, 高扬, 徐立新,
DOI: 10.11660/slfdxb.20210310
为充分利用振荡水柱式波能装置中的往复流能量，选取冲击式透平作为研究对象，以输入系数、扭矩系数和效率作为性能指标，对该透平在定常流和往复流下的性能进行三维模拟分析，通过文献对比验证了计算结果的准确性。结果表明：冲击式透平的几何参数中，外径间隙宜取1 mm左右，动叶片数量宜取30；在往复流下，冲击式透平的性能曲线因加、减速阶段性能不同出现迟滞环，其中输入系数曲线呈现顺时针滞回环，而效率曲线出现逆时针滞回环，这主要是由于加、减速阶段涡轮两端压降不同造成的，扭矩系数相比而言没有明显的迟滞现象。通过比较定常流和往复流结果发现，往复流流动频率越低，透平性能越接近定常流下的性能，从而证实了准静态分析方法的可行性。
2021 Vol. 40 (3): 103-112 [
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神经网络响应面在堆石坝流变反演中的应用
周新杰, 孙新建, 郭华世, 李巧英, 官志轩
DOI: 10.11660/slfdxb.20210311
堆石体的流变参数对高面板堆石坝的长期安全性分析具有重要意义。参数反演可以准确获得符合坝体实际长期变形规律的流变参数。本文分别采用反向传播神经网络（BP）和径向基神经网络（RBF）构造出待反演参数与位移值之间的响应，引入统计学回归预测模型中的均方根误差（RMSE），平均绝对百分比误差（MAPE）和线性回归决定系数（R2）等指标来全面评估不同神经网络响应面映射能力的优劣，从而提高参数反演的效率和准确率。结果表明，RBF神经网络响应面的评估指标均优于BP神经网络响应面。利用RBF神经网络响应面和多种群遗传算法（MPGA）得到反演后的流变参数并将其用于有限元计算，得到的蓄集峡坝体沉降值在大小和分布上与实测值有很好的一致性。
2021 Vol. 40 (3): 113-123 [
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124
基于密度分簇的长周期监测数据异常识别方法
李明超, 李明昊, 任秋兵, 沈杨
DOI: 10.11660/slfdxb.20210312
针对水工结构长周期监测数据野值识别中存在分布假设难以满足、野值点数量受限和野值难以有效量化的问题，提出了以改进局部异常系数算法为基础的密度分簇局部异常识别方法。该方法将长周期监测数据集分为极端簇、野值簇和正常簇，在每个簇中以不同方式赋予异常可能性，得到了综合考虑自变量和效应量的异常可能性时序图，实现了水工结构长周期监测数据野值识别与量化分析。核心算法预先不使用任何分布假设，改进了局部异常系数算法可达距离的定义，扩大了高异常系数与低异常系数的差值，使得野值与其他数据点更易区分。依托实际调水工程长周期监测数据，考虑实测数据集中野值数量和位置均未知的情况，根据异常可能性计算可信程度作为回归分析模型的权重，模型预测结果与未加权重的模型相比得到了较大提高，验证了所提出方法的有效性。
2021 Vol. 40 (3): 124-133 [
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134
基于图像的混凝土表面裂缝量化高效识别方法
王超, 贾贺, 张社荣, 时铮, 王枭华
DOI: 10.11660/slfdxb.20210313
卷积神经网络（convolutional neural network，CNN）算法是目前进行裂缝图像识别的常用方法。但目前仍存在卷积神经网络过于复杂、训练参数多、设备配置要求高和检测实时性低等问题。针对以上问题，本文提出一种基于轻量化CNN的混凝土表面裂缝识别方法。通过搭建轻量化全卷积神经网络（light-weight full convolutional neural network，LFNet）解决目前经典的卷积神经网络中训练参数过多的问题；采用基于高斯梯度变化的阈值分权法，对存在裂缝的图像进行分析，提取裂缝特征；最后采用基于欧氏距离的裂缝宽度算法实现对裂缝宽度分析计算。实验结果表明，本文所提的LFNet优于目前经典的卷积神经网络，其精确率、召回率和综合评价函数值三个参数分别达到97.944%、98.277%、98.108%，裂缝宽度特征参数的计算误差可控制在0.5 mm以内。
2021 Vol. 40 (3): 134-144 [
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145
库底吸收对重力坝动力响应的影响分析
李艳朋, 李建波, 林皋
DOI: 10.11660/slfdxb.20210314
水库库底吸收是重力坝-地基-库水系统在地震作用下相互作用中的重要组成部分。本文基于声固耦合方法结合阻抗边界条件可以对水库库底吸收进行模拟，通过算例验证可知无论是激励频率相同库底反射系数不同还是激励频率不同库底反射系数相同两种情况都可以得到准确的坝面动水压力分布曲线。通过对丰满新建重力坝的分析可以得到的结论为不同库底反射系数对坝面动水压力分布有显著影响，动水压力幅值随着库底反射系数的增加而变大，坝体动力响应也随之变大；讨论了丰满老坝对新坝坝面动水压力分布的影响，由于上游老坝的存在，新坝整个坝面上动水压力幅值明显变大。
2021 Vol. 40 (3): 145-154 [
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155
适应柱状节理玄武岩坝基的特高拱坝结构研究
徐建荣, 赖道平, 吴关叶, 何明杰, 王贤彪, 张伟狄
DOI: 10.11660/slfdxb.20210315
白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩发育，其岩芯破碎，完整性较差，变形模量等力学指标相对较低，还表现出各向异性及开挖后易松弛的特性。白鹤滩水电站是首次将柱状节理玄武岩应用于高拱坝坝基，为研究特高拱坝适应基础岩体的力学特性，本文提出了拱坝扩大基础的结构形式。应用三维有限元方法，计算研究了扩大基础受力机理及效应，并研究柱状节理玄武岩松弛的敏感性，论证了拱坝扩大基础适应柱状节理玄武岩坝基特性的能力。
2021 Vol. 40 (3): 155-164 [
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165
高内压盾构隧洞原位试验及衬砌变形行为研究
黄井武, 严振瑞, 李代茂, 唐欣薇, 姚晓庆
DOI: 10.11660/slfdxb.20210316
针对城市地下高内压盾构输水隧洞工程，提出一种“外衬管片-中衬自密实混凝土（self compacting concrete，SCC）-内衬钢管”分离式衬砌结构，立足珠江三角洲水资源配置工程试验段，开展衬砌结构原位试验，探索该结构的变形行为。采用柔性囊体实现洞内高内压的可控有序加压模拟，并使用光纤光栅及分布式光缆测试技术对结构变形进行了监测。结果表明：随内压的增加，管片、自密实混凝土与钢管的变形逐渐增加；自密实混凝土内弧面和管片内弧面混凝土应变相对自密实混凝土外弧面应变分布更为均匀，复合排水板达到有效分离管片和自密实混凝土的效果；钢管呈现整体受拉、局部受弯的变形特征，变形受内压影响显著。
2021 Vol. 40 (3): 165-172 [
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