水力发电学报
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2023年 42卷 12期
刊出日期：2023-12-25
1
特约论文： 粤港澳大湾区极端降水的气温响应结构研究
Hot!
陈晓宏, 罗佳颖, 罗丹
DOI: 10.11660/slfdxb.20231201
分析城市化影响下极端降水对气温的响应结构（P-T关系），有助于制定措施以减少城市地区极端天气相关风险。本文基于粤港澳大湾区（GBA）1970—2019年气温和降水站点观测数据，分析GBA的极端降水指标和极端气温指标的演变结构，通过箱元缩放函数构建不同阈值的极端降水对前一日气温（T1）和前九日气温（T1-9）的响应结构，并探究城市化对P-T关系的影响。结果表明：研究区的P-T关系大致呈极端降水强度随气温增加，极端降水强度先增后减的峰状结构，临界气温约为25℃，这种结构是高温下水汽受限导致的。而城市地区的P-T1关系受台风影响，在T1高于30℃后，极端降水强度再次增加。城市地区极端降水强度平均变率（8.0%/℃~ 12.5%/℃）高于郊区（6.3%/℃~ 8.7%/℃），并超过7%/℃的理论变率。
2023 Vol. 42 (12): 1-13 [
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编辑部推荐论文:新能源并网下混合式抽水蓄能电站竞价策略
Hot!
谢正义, 王义民, 畅建霞, 孙骁强, 郭爱军, 叶翔敏
DOI: 10.11660/slfdxb.20231202
随着我国西北地区新能源规模不断增长，弃风、弃光问题日益突出，建设具有更大储能容量的混合式抽水蓄能电站是目前最具有实践价值的解决方案，研究其在现货市场中的竞价策略具有重要意义。本文以黄河上游规划建设中的梯级混合式抽水蓄能电站为研究对象，构建了一个Stackelberg博弈模型，通过解决一个双层优化问题来实现其在日前市场中的利润最大化，其中，上层代表电站收入最大化问题，下层包括独立系统运营商面临的出清问题。结果表明，日前市场中，混合式抽水蓄能电站会在高电价时放水发电，低电价时抽水蓄能，电站与新能源通过打捆方式参与市场竞价的收益要高于两者联合但不打捆参与方式，且均高于混合式抽水蓄能电站单独参与市场竞价的收益。
2023 Vol. 42 (12): 14-26 [
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新型海上风电风机基础经济可行性评估
吴敬凯, 张安一方, 单楷越, 余锡平
DOI: 10.11660/slfdxb.20231203
随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，清洁可再生的海上风能开发利用受到国家和行业的高度关注。当前，海上风电行业面临以技术创新驱动降本增效的发展态势，海上风电风机基础型式创新是重要手段之一。为评估将新型风机基础应用于海上风电工程的经济可行性，本研究构建了海上风电场工程全生命周期经济评估模型。以新型单桩-摩擦环复合式基础为例，考虑将其应用于总装机量为300 MW海上风电场情景，计算海上风电场在建设期内的成本和运营期内的主要经济指标。将单桩-摩擦环基础与传统单桩基础、导管架基础和高桩承台基础等进行对比，并对建设投资、上网产量和平价政策等影响海上风电场项目经济效益的主要因素进行敏感性分析。结果表明单桩-摩擦环新型基础相比于传统已有基础具有显著的经济优势，具有更优的抗风险能力。
2023 Vol. 42 (12): 27-34 [
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35
降雨-径流关系非一致性演化的驱动因素诊断--以渭河流域为例
李同方, 张洪波, 赵孝威, 杨志芳, 张雨柔, 冶兆霞, 薛超伟
DOI: 10.11660/slfdxb.20231204
降雨-径流关系是流域产水能力的关键表征。受气候变化、下垫面改变和人类活动的耦合影响，降雨与径流之间的相关性呈现出一定的非一致性变化，不同因素的影响仍有待量化。耦合去趋势互相关分析与去趋势偏互相关分析方法，提出了一种降雨-径流非一致性关系驱动要素识别与影响估算方法，量化了气象条件、下垫面条件和人类活动的贡献。结果表明：构建的量化方法对非一致性序列具有良好的适用性；人类活动对渭河流域降雨-径流关系的影响最大，平均贡献率为58.86%，气象条件次之，下垫面条件影响最小；人类活动对渭河流域降雨-径流关系的影响在时域上总体处于持续增长态势，空间上呈现渭河干流上中游>泾河流域>北洛河流域。
2023 Vol. 42 (12): 35-47 [
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48
三峡区间年最大降雨与上游洪水遭遇风险研究
姚礼双, 彭杨, 廉博勋, 罗诗琦, 张志鸿
DOI: 10.11660/slfdxb.20231205
三峡区间降雨往往在汛期集中发生，一旦与上游洪水叠加，会对三峡防洪产生不利影响。为探究三峡区间降雨与长江上游洪水的遭遇规律，本文基于阿基米德Copula函数建立三峡区间年最大降雨和长江上游年最大洪水的联合分布，从时间遭遇和量级遭遇（包括峰值和过程）两方面解析两者遭遇的风险特征。结果表明，区间降雨和上游洪水发生时间遭遇呈双峰型，区间年最大日面雨量、7日面雨量一般早于上游年最大流量、7日洪量发生；设计频率越大，发生区间降雨和上游洪水峰值和过程遭遇的风险也越大，且发生峰值和过程遭遇时，区间降雨早于上游洪水的遭遇风险较大；同一设计频率发生过程遭遇的风险要大于峰值遭遇的风险。研究成果可为三峡水库防洪调度提供参考。
2023 Vol. 42 (12): 48-60 [
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混流式水轮机转轮适应性改造方法及效果分析
方创新, 高建国, 胡平良, 陈明, 胡凯锋, 孟龙
DOI: 10.11660/slfdxb.20231206
对混流式水轮机转轮进行适应性改造，能改善机组对电站水文条件的匹配性，提高机组运行效率，增加机组出力，提升机组运行稳定性及安全性。本文以白莲河水电站3号机为具体应用案例，介绍了以提升机组效率及运行稳定性为主要目标的转轮优化方法，通过CFD计算对优化方案的能量特性及内部流场情况进行了数值分析预测，并通过现场试验对机组改造后的能量特性及运行稳定性进行了分析。能量特性方面，当机组出力在7 ~ 14.5 MW之间，改造后水轮机效率较改造前提升5% ~ 8.84%，运行稳定性方面，机组在低部分负荷工况下，蜗壳进口和尾水锥管压力脉动幅值较改造前大幅降低，数值计算与现场测试均验证了优化方案的有效性。
2023 Vol. 42 (12): 61-69 [
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70
水泵水轮机复杂振动信号特征提取与智能识别
张苏祺, 李浩, 张宇宁, 郑祥豪, 丁海民, 李金伟
DOI: 10.11660/slfdxb.20231207
开展水泵水轮机振动信号特征提取与智能识别研究对确保抽水蓄能电站的可靠安全运行具有重要意义。由于水泵水轮机运行工况复杂，激发机组振动的物理来源较多，振动信号所包含的频率成分较为复杂，传统方法难以准确提取复杂振动信号特征。针对此问题，本文提出了一种基于变分模态分解、气泡熵和长短时记忆神经网络的振动信号特征提取和智能识别模型。首先，利用变分模态分解对振动信号进行分析，得到若干模态；然后，计算各模态的气泡熵值，构建气泡熵特征向量；最后，采用长短时记忆神经网络对振动信号特征向量进行训练和识别。通过使用蒲石河抽水蓄能电站中水泵水轮机的顶盖复杂振动信号对本文所提模型进行验证，振动信号识别准确率可达到97.87%，表明其具有重要的工程应用价值。
2023 Vol. 42 (12): 70-78 [
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运动参数对扑翼能量收集性能的影响
李伟忠, 保燕东
DOI: 10.11660/slfdxb.20231208
基于浸入边界法，本文研究了俯仰运动和升降运动的相位差φp及非简谐俯仰运动参数β对扑翼能量收集性能的影响。研究了不同俯仰运动转角幅值θ0下相位差对能量收集性能的影响，当θ0 = 30°时，有效攻角和升降诱导角的变化规律一致，此时扑翼无法收集到流动能。随着θ0的增加，扑翼的能量收集性能逐步得到改善，当θ0 = 76.3°时，得到的最佳相位差φp = 247.5°，净输出功率系数和能量收集效率分别达到0.8954和40.16%。与现有研究得到的最高效率（35%）相比效率值提高了5.16%。研究了θ0 = 76.3°和φp = 247.5°时非简谐俯仰运动对能量收集性能的影响，研究结果表明，非简谐俯仰运动可以进一步提高扑翼系统的能量收集效率，当β = 1.85时，净输出功率系数最大达到1.09。当β = 1.15时，能量收集效率最高达到45.58%，相对于简谐俯仰运动下效率提高了5.42%，此时的净输出功率系数为1.05。
2023 Vol. 42 (12): 79-86 [
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巨型混流式水轮机尾水管涡带CFD研究
周玉国, 王浩博, 董钟明, 李秘, 王彦龙, 邹双喜, 邹顺, 周大庆, 于安, 郭俊勋
DOI: 10.11660/slfdxb.20231209
本文结合SST k-ω湍流模型，建立水轮机全流道三维数值模拟方法，探究巨型混流式水轮机在低水头不同负荷工况下尾水管内部涡带形成机理及压力脉动变化规律。研究结果表明：在低负荷工况下，尾水管进口主流在转轮出口正向速度环量的作用下，易形成偏心螺旋状涡带，其旋转方向与转轮一致，此时尾水管内部可监测到主频为0.17倍转频(1.85 Hz)的低频压力脉动。而随着机组过流量增加，尾水管直锥段出现与转轮运动方向相反的涡带分布，并伴随着以2.16倍转频为主的高频压力脉动现象。通过比较不同泄水锥结构的计算结果，延长泄水锥结构可以抑制部分工况下螺旋状涡带的产生，使得尾水管内部主频压力脉动幅值减弱近45.9%。
2023 Vol. 42 (12): 87-95 [
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风险链视角下的工程进度风险分析方法研究
周君, 唐艳娟, 张文嘉, 王海娟
DOI: 10.11660/slfdxb.20231210
为揭示风险传播规律，辨识造成进度不确定性的根本原因，基于风险链理论，结合贝叶斯信念网络及Monte Carlo技术对风险演化过程进行定性-定量描述，开发出一种以风险驱动原理为基本思想的工程进度风险分析方法。该方法中对风险因素相关性、风险的多重不确定状态以及模拟环境的合理度设置都进行了相应考虑。工程应用表明，该方法与Monte Carlo模拟法、标准相关进度风险分析模型（CSRAM）的平均总工期模拟结果最大误差仅为1.5%，同时利用敏感性分析功能实现了挖掘项目层、各活动层关键风险诱因的目标，对协助管理者科学制定纾困对策具有一定参考价值。
2023 Vol. 42 (12): 96-107 [
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大坝智能建造智能化程度评价方法探讨
张钟壬, 马睿, 胡昱, 李庆斌
DOI: 10.11660/slfdxb.20231211
大坝“安全、高质、高效、经济、绿色”的智能化建造是未来发展趋势，准确评价大坝工程建设的智能化程度对实现组织级智能建造具有重要意义。然而，当前大坝工程建造正处于数字化到智能化阶段的转型期，尚未形成工程体系的智能化程度评价方法。本文基于大坝智能建造理论，梳理了大坝智能建造的系统特征与层级划分，阐述了智能化程度评估的基本原则，并基于大坝建造的通用框架建立了智能化程度评价模型，构建了通用的模型应用流程。最后，以典型的高土石坝、混凝土拱坝为例，针对不同类型工程特性从执行级、协调级、组织级角度系统性评价典型工程的智能化程度，为大型水利工程智能建造体系设计提供参考。
2023 Vol. 42 (12): 108-118 [
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基于多元优化的百米级胶凝砂砾石坝设计方法
丁泽霖, 徐良杰, 王肖楠
DOI: 10.11660/slfdxb.20231212
随着胶凝砂砾石坝（CSG坝）筑坝技术的提高，对百米级CSG坝的建造需求不断增加，亟需对不同剖面形式和胶凝含量的百米级CSG坝进行研究。本文采用有限元法建立CSG坝响应面预测模型回归方程；将预测模型回归方程作为目标函数，运用人工蜂群算法对CSG坝剖面形式及胶凝含量进行优化，得到一系列最优剖面解集；选取一组优化模型与实际工程开展模型试验进行对比验证。结果表明：两组模型在加载过程中的破坏模式不同，实际工程模型坝体与坝基接触面出现裂缝并逐渐发生贯通，坝踵处出现剪切裂缝破坏；优化模型发生滑移失稳破坏，坝体本身未见明显结构破坏，说明优化模型的结构强度得到了增强；正常工况下，优化模型较实际工程水平位移减小了36.9%，竖直位移减小了25.5%，超载安全系数增大了9.1%。结果为实际工程中CSG坝的剖面形式优化和百米级CSG坝的建造提供参考。
2023 Vol. 42 (12): 119-131 [
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考虑斜入射的重力坝耐震时程法抗震性能评估
崔溦, 刘贵锋, 张社荣, 王超, 王枭华
DOI: 10.11660/slfdxb.20231213
为明晰不同入射角度对基于性能的高坝抗震设计的影响，采用耐震时程分析（ETA）法同时考虑空间斜入射，分析大坝抗震性能变化情况。基于ETA法原理合成了3条耐震加速度时程曲线，建立Koyna重力坝-地基三维有限元模型，将耐震时程以不同角度输入地基进行地震动力分析。以裂缝贯穿时间、坝基损伤指标DBI、结构损伤耗能、坝顶顺河向相对位移为性能指标，进行重力坝抗震性能评估研究。结果表明：在耐震时程以不同角度入射时，大坝地震动力响应的差异显著，因此有必要在采用ETA法时考虑斜入射的影响。综合分析，60°入射下坝体损伤最剧烈、损伤耗能最高、坝顶顺河向相对位移最大。
2023 Vol. 42 (12): 132-145 [
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146
混凝土坝面交叉作业安全风险智能识别方法
曹坤煜, 陈述, 陈云, 孙孟文, 聂本武
DOI: 10.11660/slfdxb.20231214
为快速准确识别混凝土坝面作业风险，针对坝面交叉作业复杂场景特征，基于YOLOv8网络，提出了一种混凝土坝面交叉作业安全风险智能识别方法（YOLO-CDSRI）。首先，采用跨阶段局部网络（CSPNet）和快速空间金字塔池化模块（SPPF）构建主干网络，提高模型对图像中安全风险的态势感知能力。其次，针对小目标安全风险的误识别、漏识别问题，引入双向特征金字塔网络（BiFPN），经双向跨尺度连接和加权特征融合，增强风险特征间的信息耦合，提升模型对小目标安全风险的关注度。最后，以Wise-IoU为边界框回归损失函数，结合动态非单调聚焦机制，利用“离群度”评估锚框质量，避免标注框几何因素对模型的过度影响。研究表明：经500次迭代训练，YOLO-CDSRI的综合性能优于YOLOv5s、SSD 和 Faster-RCNN模型，可为智能识别混凝土坝面交叉作业安全风险提供技术支撑。
2023 Vol. 42 (12): 146-158 [
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TBM掘进速率区间预测Bootstrap-IHHO-BiLSTM模型
王晓玲, 韩国玺, 余佳, 王佳俊, 徐国鑫, 肖尧
DOI: 10.11660/slfdxb.20231215
针对现有隧道掘进机（TBM）掘进速率预测模型多采用点预测模型，缺乏考虑因模型结构主观选择、模型参数随机设置和数据随机噪声等导致的不确定性问题，本文提出基于Bootstrap方法和改进哈里斯鹰优化双向长短时记忆网络（BiLSTM）的TBM掘进速率区间预测模型。首先，建立基于改进哈里斯鹰（IHHO）优化BiLSTM网络的TBM掘进速率点预测模型，揭示稳定段掘进速率与上升段刀盘推力、扭矩、转速等掘进参数之间的相关性和时间依赖性；其中，采用基于混沌映射、参数非线性化和混沌搜索策略改进的哈里斯鹰算法对BiLSTM网络超参数进行优化，提高建模效率和精度。进一步地，采用Bootstrap方法对模型不确定性和数据中的随机不确定性进行量化，获得清晰可靠的预测区间。将所提模型应用于引汉济渭秦岭隧洞工程中，开展I ~ III类围岩条件下的TBM掘进速率区间预测，并将结果与BiLSTM-HHO模型、BiLSTM模型、BP神经网络模型对比，证明了本文模型的优越性。
2023 Vol. 42 (12): 159-171 [
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