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  • 水利学报
  • 2020年 第51卷 第12期
  • 出刊日期:2020-12-30
《水利学报》创刊于1956年,是中国水利学会、中国水利水电科学研究院、中国大坝工程学会主办的综合性学术刊物,是水利行业创刊最早、国内外最具影响的学术期刊,在水利工程类核心期刊中排第一位,被国内外多家检索系统收录。《水利学报》刊登反映水利、水电、水运领域较高水平的学术论文、专题综述和工程技术总结,开展学术论文的讨论和评论,介绍国内外科技动态和消息。主要专业范围包括:水文及水资源、防洪减灾、灌溉排水、水力学、泥沙、河港水运、岩土工程、水工结构及材料、水利水电施工及监理、水力机电、水利经济、水环境、水利史研究等。

2020年第51卷第12期

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  • 面向梯级水库多目标优化调度的进化算法研究
    纪昌明,马皓宇,彭杨
    实际工程中以梯级水库多目标优化调度为代表的大规模高维多目标优化问题,其优化难度是一般方法所难以应对的。为此本文提出一种新型的多目标粒子群算法LMPSO,其包含了基于超体积指标Ihk的适应值分配方法与基于问题变换的搜索空间降维策略,以有效处理问题的高维目标向量与大规模决策变量。将该算法应用于溪洛渡-向家坝梯级水库的中长期多目标优化调度中,并与4种知名算法的计算结果进行对比分析,验证LMPSO在求解该类问题上的卓越性能。由此为多目标优化调度高质量非劣解集的获取提供一种可靠的方法,并为下一步的多目标调度决策提供有力的数据支持。
    2020  Vol.  51(12):    1441-1452    [摘要](798)    [PDF](706)
  • U形渡槽内水体液面晃动对流作用试验研究
    王海波,李春雷,张昆航
    大型U形渡槽多为薄壁结构,柔性结构与水体间的动力相互作用与刚性壁假定存在明显的不同,渡槽类结构刚度对两类等效质量的影响尚需深入研究。本研究采用几何比尺1/10的大型薄壁U形渡槽物理模型,通过振动台试验研究U形渡槽与水体的动力相互作用。通过深入分析稳态白噪声激励下渡槽结构的动态响应及槽内水体液面自由晃动结构响应,确定U形渡槽中水体液面晃动的自振频率及阻尼比,并通过深入分析试验记录的液面晃动波高幅值与渡槽支座力、弯矩幅值,定量给出了试验对象U形渡槽结构槽内水体对流作用的等效质量及作用位置。可为实际U形渡槽工程抗震设计准确分析及安全性评价提供可靠依据。
    2020  Vol.  51(12):    1453-1461    [摘要](670)    [PDF](605)
  • 多目标约束下的土石坝抗液化措施数值建模与优化分析方法
    李明超,杨琳,任秋兵,赵宇
    土石坝坝基地震液化问题严重威胁工程安全。现阶段的液化研究主要集中于液化机理分析,而在抗液化措施的设计优化方面,现有土石坝工程主要依靠以往的工程经验来处理坝址的液化土层。本文构建了以土石坝坝体坡面水平位移梯度、坝顶震陷和抗液化措施成本最小化为优化目标的数学模型,提出了以静动力抗滑稳定安全系数、地基最大液化范围、液化深度、典型点地震过程中平均液化度和震后永久水平位移为约束条件的土石坝压重平台和坝基置换参数优化设计方法;采用完全非线性动力算法和多目标遗传算法,通过VC++集成FLAC3D进行开发,实现了综合考虑土石坝抗液化措施的安全性能与经济效益的多目标优化设计。该方法应用于工程实例中,采用存档微遗传算法对压重平台及地基开挖置换的9个控制性设计参数进行优化。结果表明,优化后的方案相较初始方案使上下游坝体坡面水平位移梯度指标降低了16.59%和24.33%,坝顶震陷减少了21.03%,工程造价节约了18.53%。所提出的模型与方法为改善土石坝坝基液化问题提供了新的思路。
    2020  Vol.  51(12):    1462-1472    [摘要](680)    [PDF](611)
  • 基于二元水循环的水量-水质-水效联合调控模型开发与应用
    裴源生,许继军,肖伟华,杨明智,侯保灯
    为将我国最严格水资源管理制度的实践与二元水循环理论相结合,提高“三条红线”控制指标的科学性与合理性,本文以SWAT模型为基础,通过改进子流域划分方法、添加经济社会模块和人工用水模块,对其人工侧支循环模拟进行了系统的完善,开发了基于SWAT的水量-水质-水效联合调控模型SWAT_WAQER。以广西南流江流域为例,从国民经济用水量、河道径流与水质等方面对模型进行校验,并在此基础上划分了2030年“三条红线”控制指标。结果表明:该模型性能良好,能够用于不同节水情景下的国民经济用水量、污染物排放量、水功能区水质达标结果分析,可以作为科学制定“三条红线”控制指标的有力支撑工具。
    2020  Vol.  51(12):    1473-1485    [摘要](690)    [PDF](642)
  • 冲击式水轮机喷射机构泥沙磨损特性的数值模拟
    葛新峰,孙洁,李阳,吴丹,张雷,化洪昌
    为分析泥沙颗粒的直径及浓度对喷射机构磨损位置和磨损率的影响,基于Fluent平台对模型冲击式水轮机的喷射机构进行了三维建模,在水气两相流非定常计算稳定的基础之上,加入离散相,应用基于颗粒轨道的欧拉-拉格朗日法对水气沙三相进行了非定常数值模拟。在泥沙体积分数为1%的条件下,泥沙径粒分别取0.01、0.05、0.4和1 mm;在泥沙径粒为0.05 mm的条件下,泥沙体积分数分别取1%、2%、3%、4%和5%。结果表明,喷嘴出口处的压能大部分转化为了动能,且喷嘴出口处出现了负压;随着泥沙径粒的增加,泥沙的随流性会变差;泥沙径粒影响喷嘴的磨损范围,但喷嘴表面的磨损位置是相似的;喷针头部的针尖位置更容易受到细小颗粒的磨损,且喷针的过渡段磨损与径粒大小呈正相关;喷射机构受到的最大磨损率随泥沙浓度的增加而增大;在同一泥沙浓度下,喷嘴受到的磨损要大于喷针;泥沙浓度的增加会使喷嘴、喷针的磨损率增加,但泥沙颗粒的运动轨迹及喷针磨损的位置是相似的。
    2020  Vol.  51(12):    1486-1494    [摘要](646)    [PDF](610)
  • 大尺寸水工隧洞衬砌物理模型试验系统研制与应用
    凌永玉,刘立鹏,汪小刚,傅睿智,孙兴松
    根据水工隧洞衬砌受力特点,研制出一种新型的大尺寸水工隧洞衬砌模型试验系统。该系统主要由压力筒体、加载系统、测量系统、封水结构组成,其中压力筒体由厚22 mm的Q245R钢板制作,尺寸为Ø3000 mm×L4000 mm,外水压力试验时采用橡胶囊柔性加载方式或衬砌与压力筒体间高压水体直接加载方式,内水压力试验时在隧洞内腔直接采用高压水体加载,动力源由自主设计的伺服控制高压水泵与稳压筒体组成,测量系统由常规检测仪器组合实现,封水结构则由端头涂刷防水胶与双圈橡胶条实施。该模型试验系统在高外水压力、高内水压力作用下的水工隧洞衬砌试验结果表明,所研制的试验系统能满足水工隧洞多种不同边界模型试验要求。
    2020  Vol.  51(12):    1495-1501    [摘要](640)    [PDF](603)
  • 供水系统可靠性-回弹性-脆弱性与多元要素的响应关系研究
    徐博,张弛,蒋云钟,黄强,王国庆,关铁生
    城市供水系统受来水、需水、水库调蓄等多种因素的交织耦合影响,其评价指标体系亦涉及多个层面,仅依靠供水保证率无法体现极端干旱事件在局部时段内所造成的不利影响。研究多种因素与评价指标之间的关联关系,可用于快速、有针对性地识别出最有效的供水保障措施。本文以实验样本生成-样本模拟-样本数据挖掘为主线,采用随机抽样生成大量供水系统实验分析样本,基于SOP调度规则进行样本模拟,利用多元弹性回归分析挖掘样本数据。以标准净入流m、库容系数β将实验样本分为4类,研究了不同类型供水系统中年径流变差系数CV、需水率YI、库容系数β与系统可靠性、回弹性、脆弱性3类评价指标之间的普适性关联关系,定量比较了供水系统对多种影响因素变化的敏感程度。结果表明:(1)系统可靠性对3类影响因素变化的敏感程度呈现显著的边际效益递减规律,面向不同区域的来水-需水-库容特征,需要有针对性地选择不同的供水措施;(2)对于系统回弹性和脆弱性,不论何种类型的供水系统均与年径流变差系数CV的关联性最强,需水率YI其次,受库容系数β的影响程度最小,为改善系统回弹性与脆弱性,应从跨流域调水、备用应急水源建设、非常规水利用等方面来进行系统设计;(3)水量较充沛且水库调蓄能力也较强的系统在一般枯水年往往不会缺水,容易被忽视,但在特枯或连续枯水年仍面临缺水风险。
    2020  Vol.  51(12):    1502-1513    [摘要](658)    [PDF](599)
  • 辽宁省近54年旱涝特征分析及其对大气环流响应研究
    王学凤,路洁,曹永强
    在全球气候变暖背景下,探讨区域旱涝时空演变及成因对实现抗旱减灾和社会可持续发展至关重要。本文以辽宁省为研究基点,以标准化降水蒸散指数(SPEI)为旱涝量化指标,运用滑动平均、小波变换、经验正交分解等方法对辽宁省近54年旱涝时空演变特征进行分析,并结合太阳黑子和遥相关指数,运用交叉小波方法探讨旱涝特征对各因子的响应。结果表明:(1)时间尺度上,辽宁省SPEI指数存在29a的主周期和5a、9a次周期,且近54年以0.143/10a的速率向湿润化发展;(2)空间模态上,受大尺度气候系统的影响,第一模态表现为全区一致的湿润化趋势,东西反向差异为第二模态,反映了地理位置、海陆分布对SPEI指数的影响;(3)成因上,受太阳活动影响在太阳黑子数极值年份易发生旱涝灾害,两序列在时频上存在8~12a周期,表现为显著的反相位共振关系;SPEI与ENSO、NAO指数呈负相关,与PDO和AO指数呈正相关,且存在不同时间尺度的共振周期。
    2020  Vol.  51(12):    1514-1524    [摘要](642)    [PDF](581)
  • 降雨条件下边坡暂态饱和区形成条件与演化特征数值分析
    邱祥,蒋煌斌,欧健,付宏渊,马吉倩
    为分析降雨入渗条件下边坡暂态饱和区形成条件与演化特征,开展不同坡度条件下边坡降雨入渗数值模拟计算,分析降雨条件下边坡暂态饱和区形成条件,研究降雨强度、饱和渗透系数、坡度等多因素对边坡暂态饱和区演化特征的影响。研究结果表明,降雨条件下边坡暂态饱和区的形成条件为:①降雨强度大于等于岩土体饱和渗透系数;②降雨入渗进入饱和状态土控制入渗阶段。降雨条件下,降雨入渗影响区、暂态饱和区均持续向下扩展;降雨停止后,地下水位线以上的岩土体孔隙水压力、体积含水气量持续降低,且地下水位线不断升高。降雨强度小于岩土体饱和渗透系数时,降雨入渗影响区扩展速率与降雨强度呈正相关;降雨强度大于等于岩土体饱和渗透系数时,降雨入渗影响区、暂态饱和区扩展速率受降雨强度影响较小。降雨期间,降雨入渗影响区、暂态饱和区扩展速率与饱和渗透系数随深度的变化率δkz呈正相关,孔隙水压力峰值与δkz呈负相关;降雨停止后,地下水位线、孔隙水压力峰值与δkz呈正相关。降雨初期,降雨入渗影响区面积、孔隙水压力峰值与坡度呈正相关;降雨后期及降雨停止后,降雨入渗影响区面积、暂态饱和区面积、地下水位线高度与坡度呈负相关。
    2020  Vol.  51(12):    1525-1535    [摘要](156)    [PDF](116)
  • 采用流管元测量冰期流量及流速分布的方法
    潘佳佳,郭新蕾,王涛,付辉,李甲振,郭永鑫
    北方河流冰期测流需要在冰盖上沿断面打孔,再测量各孔垂线流速分布,最后通过流速积分得到冰盖下的总流量。这种传统的冰期测流是一项耗时耗力且高风险的工作,限制了冰期流量流速资料的采集。本文基于流管元法和爱因斯坦的断面分区方法,提出一种基于理论公式的冰期测流方法。该方法被用于实验条件下复式断面的流速分布和黄河不同断面的流量计算。结果显示新方法获得的断面流量、单宽流量分布和水深平均的流速分布与实验值和现场观测值符合良好。基于流管元的冰期测流方法能广泛用于明流、部分冰封和完全冰封河道断面的流量及流速分布测量,能有效减少冰期测流工作量、提高测量效率,进而减少测量人员安全风险,可在水文观测中推广应用。
    2020  Vol.  51(12):    1536-1543    [摘要](114)    [PDF](77)
  • 复杂施工条件下无人碾压机群协同全覆盖路径规划研究
    时梦楠,崔博,王佳俊,关涛,佟大威,任炳昱
    无人碾压是大坝碾压施工领域研究的热点。大坝施工具有坝面面积大、料区多、障碍物多等复杂特点,这给无人碾压机群协同作业带来挑战。研究无人碾压机群高效协同全覆盖路径规划对于保证无人碾压机在大坝复杂施工条件下的碾压质量和进度具有重要意义。本文提出一种无人碾压机群协同全覆盖路径规划的新方法,包括作业面分解、子作业面规划、子作业面连通和机群任务分配等步骤。首先,针对存在障碍物的不规则边界作业面分解问题,采用Boustrophedon算法将其拆分成较少的无障碍物子作业面;其次,提出满足搭接法和错距法碾压施工原理的碾压运动模型(CMM,Compaction Motion Model)来进行子作业面路径规划;再者,将各子作业面连通施工顺序优化问题建模为TSP模型(TSP,Traveling Salesman Problem),采用混沌理论改进蜻蜓算法的搜索机制,构建混沌蜻蜓算法,以求解较优的子作业面间转场路径;最后,建立无人碾压机群作业时间成本函数,并以最小化时间成本为准则将全覆盖路径分配至各无人碾压机,实现无人碾压机群的高效协同全覆盖路径规划。以心墙堆石坝为例,通过Matlab仿真对比和工程应用,结果表明本文所提出的方法能够实现复杂施工条件下的无人碾压机群的协同全覆盖最优作业路径规划。同时,在碾压质量方面能够满足各料区碾压达标率均高于95%,在碾压效率方面无人碾压机设备利用率均高于97%。本研究为大坝碾压机群无人驾驶协同全覆盖路径规划提供了一种新思路。
    2020  Vol.  51(12):    1544-1557    [摘要](150)    [PDF](102)
  • 基于人工神经网络和粒子群优化的初期雨水调蓄池设计方法研究
    何胜男,陈文学,刘燕,穆祥鹏
    城市地表径流所产生的非点源污染是城市水系水质恶化的主要原因,设置初期雨水调蓄池是缓解地表径流污染最经济有效的手段之一。目前,初期雨水调蓄池一般采用经验方法设计,没有考虑汇水区污染物累计特性、污水处理厂处理规模、可用征地等客观条件,初期雨水调蓄池的截污效果有限。本文利用SWMM模型模拟分析了地表径流污染物累积特性,利用人工神经网络得到各调蓄池不同截污率与对应总截污量之间的高精度非线性数学模型;结合该模型,以调蓄池总截污量最大为优化目标,以污水处理厂处理规模和可用征地为约束条件,采用粒子群优化算法得出各调蓄池的优化截污率;结合各调蓄池截污率与径流量累积量之间的关系,得出各调蓄池的设计容积,并与国内常用的设计方法进行对比。分析表明,本文提出方法可在满足约束条件下实现截污效果最大化,采用本文提出方法设计的调蓄池在土地使用率和截污效果上均优于规范设计法。该方法合理、高效和适用范围广,可为城市初期雨水调蓄池设计提供技术支撑。
    2020  Vol.  51(12):    1558-1566    [摘要](146)    [PDF](77)
  • 2020年总目录
    2020  Vol.  51(12):    1567-1572    [摘要](197)    [PDF](124)

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