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  • 水利学报
  • 2017年 第48卷 第3期
  • 出刊日期:2017-3-28
《水利学报》创刊于1956年,是中国水利学会、中国大坝协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。

2017年第48卷第3期

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  • 黑龙江防凌爆破试验研究
    刘之平,王涛,郭新蕾,付辉,杨开林,彭旭明
    炸药爆破冰盖或冰坝是防凌减灾的重要手段,确定爆破坑半径同炸药用量、冰盖厚度等相关影响变量的关系是有效实施爆破的前提。通过黑龙江上游江段现场防凌爆破试验研究,提出了防凌爆破的可靠方法和关键技术,建立了表达黑龙江冰凌爆破中冰盖厚度、冰下水深、炸药用量同爆破坑半径之间关系的公式。新公式预报的爆破坑半径值和实测值平均相对误差在8.5%以内。同已有的研究成果比较,本文论证了冰下水深对爆破坑半径的影响,所提出的爆破坑半径公式不仅适应于冰盖厚度小的河流,也适合高寒地区冰盖厚、强度大、水深浅的天然河流,且预报精度较高。研究成果应用到2015-2016年开河前黑龙江上游漠河江段防凌爆破中,确保该江段开河期间未发生冰塞和冰坝凌汛灾害。
    2017  Vol.  48(3):    253-260    [摘要](63)    [PDF](74)
  • 梯级水电站负荷调整方案评价指标体系及决策模型
    纪昌明,李荣波,刘丹,张璞,张验科,周婷
    梯级水电站负荷调整方案的优选直接关系到发电部门可获取的效益及面临的风险,鉴于现有风险-效益协同评价指标体系不完备,尚无法对其进行全面、有效评价与决策的问题,本文基于梯级水电站实际发电运行过程,建立了负荷调整风险效益协同评价指标体系,并给出了“发电风险率”、“负荷变动风险率”和“风险机会损失”等新指标的定义与计算方法;同时,针对传统灰靶决策模型忽略指标相关性的不足,将相关系数矩阵引入该模型中以代替马氏距离中的协方差矩阵,并定义相对靶心距来实现非劣方案的评价决策,由此建立了一种改进灰靶决策模型;将所建指标体系与改进模型应用于雅砻江流域锦官电源组梯级水电站负荷调整方案评价,计算结果与传统灰靶决策模型和基于马氏距离的灰靶决策模型相比,本文模型的评价结果更具合理性,可为科学实施梯级水电站负荷调整提供重要的依据和技术支撑。
    2017  Vol.  48(3):    261-269    [摘要](59)    [PDF](69)
  • 大规模水电系统优化调度降维方法研究Ⅱ:方法实例
    冯仲恺,牛文静,程春田,武新宇,申建建
    为缓解大规模复杂水电系统优化调度存在的“维数灾”问题,提出一种基于正交试验设计、在组合维实现降维的正交降维搜索方法。该方法将水电优化问题求解视为在发起点邻域内多次开展正交试验,选取“均衡分布、整齐可比”部分状态组合进行计算。分析表明该方法具有良好并行性,且时间复杂度和空间复杂度均为平方增长。同时,在应用至水电调度问题时,结合动态规划改进策略思想,提出4种不同的优化方法。贵州电网应用实例表明:所提方法具有计算参数少、鲁棒性强等优点,可有效均衡计算效率与求解精度,为大规模复杂水电系统优化调度的降维求解提供了新型方法。
    2017  Vol.  48(3):    270-278    [摘要](49)    [PDF](48)
  • 多沙河流治导线流路方程研究
    马良,张红武,马睿,刘磊
    为确定多沙河流河道整治治导线的形态特征,本文试图建立治导线流路方程,以便定量描述自然状态下主流线变化规律。通过整理黄河模型试验资料,发现诸断面最大单宽流量连线所给出的水流动力轴线与河道合理整治后的流路均呈曲率半径逐渐变化的圆滑曲线形式,因此可以正弦派生曲线作为描述自然冲积河流治导线流路变化的方程框架。通过理论探讨、天然河流与室内模型资料分析,建立了治导线流路特征参数同河流水力因子之间的定量关系式。其中弯曲系数及弯道幅度计算式采用61组取自黄河、长江、淮河干支流以及模型试验典型河段的资料进行拟合;流路起始角计算式考虑了实际作用流量与整治流量差异的影响,引入造床流量下流速与河床启冲流速来反映河床的相对稳定性;弯道跨度计算式考虑了弯道环流强度的作用,从而所建立的治导线流路方程不仅适用于砂质河床、卵石河床及砂卵石河床的稳定流路变化,还能描述实际作用流量变化时河道主流线“小水上提、大水下挫”的变化规律。此外,利用黄河上下游游荡型典型河段及寻峪河卵石河段资料对本文方法进行了验证与应用。
    2017  Vol.  48(3):    279-290    [摘要](48)    [PDF](71)
  • 生态塘对稻田降雨径流中氮磷的拦截效应研究
    王晓玲,李建生,李松敏,郑晓通,张福超
    农田养分的大量流失已成为农业面源污染的主要来源之一,生态塘兼具排水和生态湿地双重功效,研究其对稻田排水氮磷的拦截效应对于防治农业非点源污染具有重要意义。针对降雨径流条件下生态塘对降雨径流中氮磷的动态拦截效应以及降雨径流结束后氮磷在静水中的去除效应有待明了的需求,本文选取太湖西岸何家浜流域典型农田作为研究对象,并将该区域的塘堰改造为生态塘,研究了生态塘对水稻生长期内的三场降雨径流氮磷的拦截去除效果及降雨径流结束后氮磷在静水中的去除效应。研究结果表明:(1)在三场降雨过程中,生态塘对总氮(TN)的平均去除率为34.7%,总磷(TP)的平均去除率为34.8%;(2)生态塘对降雨径流中不同形态氮磷的去除率大小排序为氨氮(NH4+-N)> 颗粒态氮(PN)> 硝态氮(NO3--N),颗粒态磷(PP)> 溶解态磷(DP),且径流状态下水体垂向分层氮磷浓度分布随降雨进行而变化,总体分布规律为底层氮磷浓度大于表层氮磷浓度;(3)降雨径流结束后,TN 在生态塘中的去除率为50.4%,TP在生态塘中的去除率为52.3%,塘2对TN、TP的去除率大于塘1与塘3,生态塘表现了较强的抗冲击自修复性。
    2017  Vol.  48(3):    291-298    [摘要](41)    [PDF](52)
  • 水轮机活动导叶关闭过程中导水机构内动态流场数值模拟研究
    黄剑峰,张立翔,杨松,姚激
    水力机组在暂态过程中诱发的强瞬变流是一种复杂的非定常湍流,对机组安全稳定运行具有重要影响。为了探索水轮机活动导叶动态调节动作诱发叶后强瞬变流对机组暂态特性的影响,本文应用模拟流固耦合动态效应较好的浸入边界法和大涡模拟技术来处理该类强非线性动边界流体动力学问题。首先,精细模拟槽道内两级线性排列动静叶栅动态绕流叶后压力和尾迹结构分布,由于受到固定导叶和活动导叶动静干涉的影响,其下游流场表现出复杂的非定常流动特征。随后完成了水轮机导水机构两级非线性环列叶栅动态绕流的模拟,展现了水轮机导叶调节运动的关闭过程。该方法可用于水轮机流道内多级翼型叶栅绕流的精细模拟,为研究水轮机调节振荡对机组暂态性能的影响提供有益的参考,对耦合上游管道系统水力暂态和水轮机三维暂态效应的研究也有指导意义。
    2017  Vol.  48(3):    299-307    [摘要](42)    [PDF](49)
  • 基于聚合水库蓄放水模拟的洪水预报研究
    孙新国,彭勇,张小丽,周惠成
    大量水利工程建设很大程度上改变了流域的天然水文特性,特别是对洪水产生了更显著的影响,给流域水文预报工作带来很大的难度。本文首先基于聚合水库的思想,将众多水利工程聚合成一个水库,并根据各水利工程的基本调蓄规律制定聚合水库的蓄放水模拟图; 然后将聚合水库的蓄放水模拟图与天然期洪水率定得到的TOPMODEL 模型相结合,构建考虑水利工程影响的洪水预报模型;最后在丰满水库五道沟以上流域进行实例验证。结果表明,考虑水利工程影响的洪水预报方案优于原预报方案,显著提高了洪水预报合格率,并能有效克服原方案在初汛和久旱后预报产流偏大及主汛大洪水期间预报产流偏小的问题;预报洪水过程与实测洪水过程也更加吻合。对3种类型洪水过程的分析表明,聚合水库蓄放水模拟图能较好地反映水利工程在洪水过程中的蓄放规律和对洪水的综合作用。
    2017  Vol.  48(3):    308-316    [摘要](42)    [PDF](62)
  • 考虑取水口和支流的河流纳污能力计算模型研究与应用
    张晓,罗军刚,解建仓
    为了给入河污染物总量控制以及明确水功能区限制纳污红线提供技术支持,本文基于一维稳态条件下的水质模型,建立了考虑取水口和支流的分段求和模型来计算河流纳污能力。该模型以排污口、取水口或支流入口为控制断面将功能区划分为若干河段,确定各河段的流速,逐段计算纳污能力。相对于传统纳污能力计算模型,模型在考虑了支流和取水的基础上,能更灵活地对应功能区水质目标等级在水环境质量标准限值范围内合理选择水质目标浓度,从而避免出现纳污能力过严格或过宽松的情况。将模型应用于渭河干流陕西段,考虑取水口和支流的模型计算结果为73 814.43 t/a,相比于断首控制模型的36 159.96 t/a和功能区段末模型的85 365.49 t/a,考虑取水口和支流的模型计算结果更适中,同时模型可以得出任意两个控制断面之间的纳污能力;模型中考虑了取水口、支流及分段流速等因素,得到的纳污能力也更科学、合理,能为明确水功能区限制纳污红线及入河污染物总量控制提供技术支持。
    2017  Vol.  48(3):    317-324    [摘要](44)    [PDF](50)
  • 农沟底泥和水稻秸秆热解制备生物碳球及其氨氮吸附研究
    陈成广,周树烽,胡保卫,徐立红,盛国栋
    将农沟底泥和按其与水稻秸秆质量比20∶1、10∶1、20∶3、5∶1掺混的4种样品均制成Ø5 mm小球,600℃缺氧热解4 h 成生物碳球,分别标记为SS-0、SS-50、SS-100、SS-150、SS-200。通过元素分析、BET-N2、SEM、FTIR及Boehm滴定法等表征了生物碳球的组成与结构,利用序批实验研究了其对氨氮的吸附动力学和等温吸附模型,考察了水温对吸附的影响。结果表明,添加水稻秸秆有利于增加生物碳球通透性和亲水性,提高其传质性能。表面酸性含氧官能团分别为2.74 mmol·L-1、2.88 mmol·L-1、3.71 mmol·L-1、3.36 mmol·L-1 和3.03 mmol·L-1 。动力学研究表明,SS-0 吸附氨氮符合准一级动力学方程,而准二级动力学方程能较好地描述SS-50、SS-100、SS-150和SS-200的吸附过程,除了内扩散外,还存在其他过程共同控制吸附速率。等温吸附曲线均符合Langmuir方程,高温有利于吸附。生物碳球对氨氮具有较好的吸附能力,在农田排水的氨氮治理方面有广阔的应用前景。
    2017  Vol.  48(3):    325-333    [摘要](36)    [PDF](54)
  • 基于随机共振和经验模态分解的水力发电机组振动故障诊断
    贾嵘,李涛涛,夏洲,马喜平
    针对实际水力发电机组故障诊断中微弱信号难以检测引起故障诊断准确率低的难题,提出了一种基于随机共振(stochastic resonance,SR)和经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)的微弱信号检测方法。首先,采用随机共振对振动信号进行降噪处理,提高信号的信噪比;继而对随机共振的双稳输出信号进行EMD 分解,并采用能量法进行故障特征向量的提取,最后将其作为基于遗传算法优化支持向量机(GA-SVM)故障诊断模型的输入,实现故障模式的识别与诊断。仿真结果表明,该方法能够准确识别机组的异常情况,具有较高的故障诊断精度。
    2017  Vol.  48(3):    334-340    [摘要](46)    [PDF](46)
  • 模拟降雨下枯落物调控坡面产流产沙过程及特征研究
    孙佳美,余新晓,李瀚之,樊登星
    本研究采用模拟降雨实验的方法,研究了30、60和90 mm/h降雨强度下,5种枯落物覆盖坡面径流的水动力学特征,以期揭示枯落物覆盖条件对坡面产流产沙过程及其径流水动力学特征影响。研究结果表明:坡面平均产流率和产沙率随降雨强度增大而增大,随枯落物生物量增加而减小,并且与降雨强度和枯落物生物量之间均为指数函数关系;坡面流量-历时曲线稳定流量值主要受降雨强度的影响;产沙率-历时曲线稳定产沙率受降雨强度和枯落物生物量等多种因素的影响; 枯落物覆盖对坡面径流水动力学特性有显著影响,相比于裸坡覆盖有50、100、150、200 g/m2枯落物坡面径流平均流速相比裸坡减少率分别在17.7%、26.8%、37.9%、53.7%;雷诺数减少率分别在11.2%、18.7%、26.3%、33.4%左右;弗劳德数减少率在21.3%、30.3%、42.9%、61.2%左右,Darcy-Weisbach 阻力系数增大了0.5~5.6 倍;产沙率与Darcy-Weisbach 阻力系数呈对数关系,与剪切力和径流功率呈线性关系,枯落物能显著增大径流临界剪切力和功率;产沙率(Dr)和各水动力学因子间有良好的相关关系,相关程度顺序为:Re> w> V> P> Fr> f> t。
    2017  Vol.  48(3):    341-350    [摘要](46)    [PDF](41)
  • 黄河什四份子弯道河冰生消及冰塞形成过程分析
    赵水霞,李畅游,李超,史小红,赵胜男
    什四份子弯道因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段易发生冰塞断面。通过对2014-2015年冬季该段野外冰情监测及水文、气象资料分析,结合Landsat8遥感影像数据解译,研究了什四份子弯道河冰生消及冰塞形成过程。结果表明,野外观测结合遥感影像解译能够准确地反映河冰的时空特性。该河段弯道凹岸处冲积岸冰及凸岸静态岸冰的生长,极大地束窄了河面宽度,降低了水流的输冰能力,而使其成为初始卡冰位置;冰盖至此向上游发展,弯道下游因来冰量减少和上下游水力坡度增大而形成清沟;受弯道径向水流方向改变及弯道螺旋流的影响,导致冰花在冰盖下主槽与滩地的交界处堆积;稳封期受气温升降变化使得冰盖表面冻融交替,冲积冰反射率增大,后期解译的遥感影像中平滑岸冰面积较初始封河期增加。
    2017  Vol.  48(3):    351-358    [摘要](27)    [PDF](46)
  • 波状坡耕地工程减蚀技术设计与试验
    丁新辉,谢永生,田飞,张怀,郝晓东,周伟
    为解决波状坡耕地水土流失的治理问题,针对波状坡耕地的形态特征及其水土流失特点,设计了波状坡耕地拦挡淀排技术,并提出了相关参数计算方法。在河北省平泉县东北沟小流域布设径流小区2个(对照小区和措施小区)并观测产流产沙量。3年观测结果表明,波状坡耕地的土壤侵蚀主要是由几场强降雨引起的,拦挡淀排措施在强降雨情况下的平均减蚀率仍能达到98.37%;通过对次降雨资料分析发现次降雨量是影响波状坡耕地侵蚀的重要因子,经过拦挡淀排措施对径流的调控作用,措施小区径流量明显减少,措施小区径流量与次降雨量的相关性系数减小;按照野外径流小区的实际修建费用估算出拦挡淀排技术的公顷造价为30075元,仅为北方土石山区石坎梯田公顷造价的49.60%,具有良好的经济适用性。因此,拦挡淀排技术能够有效防治波状坡耕地水土流失,可作为一项新型坡耕地水土流失防治技术。
    2017  Vol.  48(3):    359-366    [摘要](32)    [PDF](36)
  • 表面流场的PyrLK“角点-质心”法在复杂流场中的应用
    凃洋,曹文洪,刘春晶,王向东
    粒子匹配方法是准确获取表面流场的关键。本文详细阐述了新近提出的基于光流算法PyrLK“角点-质心”法的基本原理及具体实现过程,采用该方法对弯道水槽中较复杂的表面流场进行计算,并与目前较为先进的匹配几率法进行了对比。结果表明,对于本文所示的复杂流场,匹配几率法计算结果很大程度上依赖于对运动矢量允许偏差等参数的选取,且还会出现由于提取到非示踪粒子的质心并使其参与计算而产生的误匹配;而PyrLK“角点-质心”法只与运动图像特征信息相关,无示踪粒子特定匹配规则的假定,在复杂流场中能较好地实现粒子的跟踪与匹配。与匹配几率法相比,PyrLK“角点-质心”法对于复杂表面流场计算具有更好的适应性。
    2017  Vol.  48(3):    367-372    [摘要](36)    [PDF](28)
  • 寒区结冰湖冰盖下溶解氧垂直分布数值模型
    白乙拉,李慧莹,李志军
    根据芬兰Valken-Kotinen 湖2011 年1-4 月冰下溶解氧现场观测数据,经对这些数据进行统计分析,绘制出该湖冰下不同时刻溶解氧含量垂直分布图形,通过大量的数据拟合与优化辨识计算,得到了描述该结冰湖冰下溶解氧时空分布规律的一个新的正态分布数值模型。该数值模型中溶解氧含量的变化由深度和冰封持续时间来确定,与文献中的小波分析法和高斯拟合时间序列法的分析结果作比较,该数值模型计算出的冰下溶解氧含量值与实测值吻合效果更好,所绘制出的溶解氧含量曲面和等值线图形更光滑,最后讨论了进一步改进该模型需要考虑的一些因素。该研究结果可推广应用到其它寒区冰封湖泊或水产养殖池塘等水体环境的溶解氧问题研究中。
    2017  Vol.  48(3):    373-377    [摘要](35)    [PDF](49)

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