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- 水利学报
- 2023年 第54卷 第8期
- 出刊日期:2023-08-28
《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。
- 基于混合深度学习模型的洪水过程概率预报研究
- 崔震,郭生练,王俊,张俊,周研来
- 2023 Vol.54(8):889-897,909[摘要](325)[PDF](746)
- 水电站调压室托马临界稳定断面公式再认识
- 张健,姚天语,王沁怡,仇为鑫,陈龙,陈胜
- 2023 Vol.54(8):898-909[摘要](217)[PDF](324)
- 滩地刚性植物消浪作用特性研究
- 张之琳,黄本胜,刘达,邱静
- 2023 Vol.54(8):910-919,920[摘要](243)[PDF](489)
- 基于颗粒堆积算法的堆石料压实密度预测研究
- 沈超敏,邓刚,刘斯宏,严俊,毛航宇,王柳江
- 2023 Vol.54(8):920-929[摘要](207)[PDF](408)
- 基于多源遥感数据的黄河数字流域模型改进
- 薛源,覃超,吴保生,张玍,李丹,傅旭东
- 2023 Vol.54(8):930-941[摘要](227)[PDF](665)
- 特高土心墙堆石坝坝基防渗体渗流-溶蚀特征研究
- 徐力群,赵邵峰,沈振中,刘得潭,甘磊,张志银
- 2023 Vol.54(8):942-954[摘要](202)[PDF](1085)
- 融合改造的混合式抽水蓄能与风电联合运行短期调度模型
- 罗彬,陈永灿,苗树敏,刘昭伟,刘欣雨
- 2023 Vol.54(8):955-966[摘要](196)[PDF](373)
- 基于水足迹与水-能源-粮食关联关系的提水灌溉系统种植结构优化
- 崔思梦,吴梦洋,王小军,操信春
- 2023 Vol.54(8):967-977[摘要](210)[PDF](358)
- 水风光互补系统装机容量配置解析优化及敏感性分析
- 陈祥鼎,刘攀,吴迪,马黎,龚兰强,黄康迪
- 2023 Vol.54(8):978-986[摘要](226)[PDF](410)
- 气候变化下湖库蓝藻水华发展趋势及防控对策
- 施文卿,秦伯强
- 2023 Vol.54(8):987-996[摘要](217)[PDF](372)
- 鄱阳湖入江水道输沙能力与出湖沙量关系及冲淤调整规律
- 方春明,关见朝,史红玲
- 2023 Vol.54(8):997-1004[摘要](222)[PDF](406)
- 三峡水库运用后荆南三口分流演变规律及驱动因子
- 赵伟,毛继新,关见朝,王大宇
- 2023 Vol.54(8):1005-1014[摘要](198)[PDF](384)
- 基于混合深度学习模型的洪水过程概率预报研究
- 崔震,郭生练,王俊,张俊,周研来
- 传统的人工神经网络模型无法量化洪水预报的不确定性,而且在多时段连续预报中未考虑输出的时间相关性。本文通过融合新安江(XAJ)模型、基于外源输入编码-解码(EDE)结构的长短期记忆(LSTM)神经网络和混合密度网络(MDN),构建了XAJ-LSTM-EDE-MDN混合深度学习模型,以实现洪水过程概率预报。该模型在考虑预报洪水时间相关性的前提下,将解码过程产生的点估计转化为条件概率分布的估计;进一步采用最大似然估计法建立了损失函数,通过自适应矩估计(Adam)算法优选模型参数。在陆水和建溪两个流域的研究结果表明:该模型在不降低XAJ-LSTM-EDE模型预报精度的前提下,可有效反映预报洪水过程的不确定性,获得合理可靠的置信区间和优良的概率预报性能,为水库防洪调度等决策提供更多的风险信息,同时为研究深度学习在洪水概率预报中的应用提供参考。
- 2023  Vol.  54(8):    889-897,909
    [摘要](325)     [PDF](746) - 水电站调压室托马临界稳定断面公式再认识
- 张健,姚天语,王沁怡,仇为鑫,陈龙,陈胜
- 托马临界稳定断面公式通常被认为是含调压室的水电站输水发电系统运行稳定性判别的重要依据。本文首先从理论上论证了刚性水体假设与等出力调节方式下,系统不可能稳定运行;之所以能够得到托马临界稳定断面公式,是由于推导过程中忽略了调压室后压力管道与机组后尾水道的水体惯性,而这恰是导致系统不稳定的关键因素。其次针对实际弹性水体,理论上论证了等出力调节方式下,真实的水力发电系统也不可能稳定运行;同时指出含调压室的水电站输水发电系统稳定性主要取决于水轮机上下游侧的水锤反射系数;无论是调压室前引水道还是调压室后的压力管道与尾水道,管道内的摩阻均有利于稳定,调压室面积大小对稳定影响相对较小;等出力调节模式下,无论是采用刚性水体假设还是针对实际弹性水体,含调压室的水电站输水发电系统一定是不稳定的,一个不稳定的系统不可能存在稳定断面,托马临界稳定断面在理论上是不成立的。
- 2023  Vol.  54(8):    898-909
    [摘要](217)     [PDF](324) - 滩地刚性植物消浪作用特性研究
- 张之琳,黄本胜,刘达,邱静
- 滩地植物有利于保障沿海地区的水安全,量化成熟期植物消浪作用是提升生态海岸韧性的基础。本文基于一般试验规律和两种波高消减模型,分析提出了新的滩地植物消浪系数计算方法,结合波高条件可计算林带消浪后波高,相关表达式由大量试验数据进行了验证,最后对比了由本文方法与规范方法计算的林带后波高。结果表明,阻尼因数及消浪系数能直观体现植物消浪作用特性,波浪传播方向上植物面积占横截面比例是影响植物消浪机理的关键无量纲参数。植物非淹没时,本文方法得到的林带后波高与规范方法接近;植物淹没时,本文方法能更准确描述植物消浪作用。相较于规范方法,本文方法考虑了植物淹没情况,直观揭示了林带密度、宽度、高度,植物平均直径,水深等参数的影响,适用于更多工况。基于植物消浪作用的模型可快速研判相关参数变化对植物消浪效果的影响,为生态海堤滩地刚性植物规划设计及数模研究提供科学和技术支撑。
- 2023  Vol.  54(8):    910-919,920
    [摘要](243)     [PDF](489) - 基于颗粒堆积算法的堆石料压实密度预测研究
- 沈超敏,邓刚,刘斯宏,严俊,毛航宇,王柳江
- 堆石料的压实密度是反映其工程力学特性的重要指标。提出了一种基于降维映射的颗粒堆积算法,仅有一个模型参数即可在给定堆石料级配的情况下实时预测当前级配下的最大干密度。与试验结果对比发现,该算法能够较好预测给定的连续、间断级配堆石料最大干密度,为堆石料级配的高效优化设计提供了新思路。采用该算法模拟了堆石料细料截断和缩尺对堆石料压实密度的影响,结果表明:本算法可以较好地根据缩尺后的结果预测原型级配的堆石料压实密度,但堆石料压实密度的缩尺效应预测存在细料截断误差,误差与细料含量呈正相关;堆石料缩尺后粗料部分骨架的孔隙尺寸降低,有降低压实密度的趋势,而缩尺时增加的细料含量对密度的影响并无统一的规律,而是与粗料和细料的具体粒径分布相关。
- 2023  Vol.  54(8):    920-929
    [摘要](207)     [PDF](408) - 基于多源遥感数据的黄河数字流域模型改进
- 薛源,覃超,吴保生,张玍,李丹,傅旭东
- 山区河流水系众多,往往因地势险要难以现场量测获得河流基础信息,是典型的缺资料地区。本文结合多源遥感提取的68个河流断面及34个水文站实测断面,建立了黄河中游各级别河流的断面概化模型。融合传统线状DEM水系及河流表面、概化断面构建河道边界形态。针对黄河数字流域模型,基于不同级别河流的河道边界条件建立了断面判别模块,改进其汇流模型。以黄河一级支流皇甫川流域为例,以2010—2015年的资料率定模型,以2016年汛期日径流及年内3场典型洪水过程验证模拟效果。结果表明,改进后的模型输入参数均可由遥感观测获取,且日流量模拟的纳什效率系数高于0.8,流速及水深的模拟误差分别为7%、9%,全时期洪峰流量的模拟误差平均为15%、峰现时间误差约1.4 h,均较改进前明显提升。研究成果可为山区河流水文过程模拟及河流地貌演化等研究提供重要的基础数据和技术参考。
- 2023  Vol.  54(8):    930-941
    [摘要](227)     [PDF](665) - 特高土心墙堆石坝坝基防渗体渗流-溶蚀特征研究
- 徐力群,赵邵峰,沈振中,刘得潭,甘磊,张志银
- 针对渗透溶蚀效应下特高土心墙堆石坝的渗流与溶蚀问题,构建了以孔隙水压力、固相钙浓度与钙离子浓度为自由度的水泥基材料渗流-溶蚀耦合模型。以长河坝工程为背景,研究了特高土心墙堆石坝的渗流溶蚀特征,探讨了渗透溶蚀效应下特高土心墙堆石坝的失效标准,预测了坝体的服役年限。渗透溶蚀效应降低了坝体的防渗能力,服役100 a后坝体浸润线逸出点将较初始时刻抬升1.95 m;随着服役年限的增加,覆盖层、副防渗墙的渗透坡降增加,心墙、主防渗墙和防渗帷幕的渗透坡降降低;水泥基材料固相钙溶蚀相对严重的区域集中在两道防渗墙中下部、固结灌浆靠下游侧及防渗帷幕,靠近复合土工膜和高塑性黏土的坝基防渗体溶蚀程度较低。从固相钙的分解率、渗透系数、渗流量、渗透坡降和边坡稳定等角度分析,认为考虑渗透溶蚀效应时长河坝的服役年限约为68.3 a,降低主防渗帷幕的初始渗透性可较为有效地延长坝体服役年限。特高土心墙堆石坝坝基水泥基结构渗透溶蚀效应不可忽视,其设计、运行及维护应充分考虑水泥基材料的渗透溶蚀效应。
- 2023  Vol.  54(8):    942-954
    [摘要](202)     [PDF](1085) - 融合改造的混合式抽水蓄能与风电联合运行短期调度模型
- 罗彬,陈永灿,苗树敏,刘昭伟,刘欣雨
- 依托规模庞大的常规水电增建混合式抽水蓄能是加快抽蓄发展的重要途径。相比传统抽蓄电站,融合改造的混合式抽水蓄能电站具有水力联系更紧密、抽-发工况转换更复杂、“量调并重”角色更鲜明等显著特点,为探索其运行模式,本文提出一种融合改造的混合式抽水蓄能与风电联合运行短期调度模型。该模型以联合体整体收益最大为目标,以机组为最小调度单元,针对常规机组和抽蓄机组的差异化运行特性分别精细化建模,并引入状态变量实现运行状态的解耦与关联切换。在模型求解方面,通过线性化方法及建模技巧将原模型转换为混合整数线性规划(Mixed Integer Linear Programming,MILP)模型,最后在JAVA环境中采用CPLEX工具进行求解。以西南某流域电站为参考构建的应用示例验证了本文模型和求解方法的有效性,可为推进常规水电站的融合改造提供借鉴。
- 2023  Vol.  54(8):    955-966
    [摘要](196)     [PDF](373) - 基于水足迹与水-能源-粮食关联关系的提水灌溉系统种植结构优化
- 崔思梦,吴梦洋,王小军,操信春
- 灌溉系统是农业生产与用水的关键载体,其水-能源-粮食关联关系的协调性对区域可持续发展有重要影响。相较于传统的灌溉水高效分配研究,水足迹理论明晰了农业生产水资源消耗总量及其利用类型。针对提水灌溉系统水资源、能源供需配置不紧密及其生态影响考虑不全面的问题,联合水足迹理论与水-能源-粮食关联关系,统筹社会、资源、生态和经济多维系统,构建了考虑水资源调配、农业生产用水及粮食生产转移全过程的提水灌溉区种植结构多目标优化评价模型。将该模型应用于涟水灌溉区,通过调整粮食作物(水稻、小麦、玉米和大豆)的种植结构,运用Topsis方法对比评价了现状和优化配置情况的相对贴近度。优化结果表明:在保障粮食安全的基本前提下,应增大玉米的播种面积,减少大豆的播种面积;相较于现状,优化后的年均粮食单方水经济净效益提升4.0%,作物碳足迹在农作物种植基线改变时呈现下降态势,且2018年优化后的碳足迹降低79.5 kg。优化方案的相对贴近度均大于现状,对促进提水灌溉系统资源高效利用和农业可持续性具有可靠的支撑作用。
- 2023  Vol.  54(8):    967-977
    [摘要](210)     [PDF](358) - 水风光互补系统装机容量配置解析优化及敏感性分析
- 陈祥鼎,刘攀,吴迪,马黎,龚兰强,黄康迪
- 水风光装机容量优化配置对于提高能源利用效率具有重要意义,但传统的以系统净效益最大为目标的数值模拟方法难以刻画明晰互补系统净效益、装机容量、电价、成本等经济技术参数之间的定量关系。为此,本文提出装机容量配置的解析优化方法。首先构建风光弃电率函数,以精准模拟长时段风光弃电量;然后基于成本-效益模型解析最优装机函数,并采用数值模拟方法检验;最后,对最优装机函数泰勒展开,以评估容量配置中最优装机和互补系统净效益对各经济技术参数的敏感性。以雅砻江流域二滩水风光互补工程为实例,研究结果表明:提出的解析优化方法经检验可精确配置装机容量;最优装机和净效益最敏感的参数均为上网电价,最不敏感参数均为运行维护成本,系统净效益对上网电价敏感性为运行维护成本的4.44倍。研究可为流域水风光互补电站规划设计提供技术支持。
- 2023  Vol.  54(8):    978-986
    [摘要](226)     [PDF](410) - 气候变化下湖库蓝藻水华发展趋势及防控对策
- 施文卿,秦伯强
- 气候变化影响下,湖库蓝藻水华呈现全球性扩张。本文利用CiteSpace系统梳理了2006—2021年期间相关研究的历史沿革和发展趋势,总结了气候变化下湖库蓝藻水华的变化趋势,分析了气候因子对湖库蓝藻水华的影响及其机制,提出了新形势下蓝藻水华的防控对策。随着气候变化日益加剧,湖库蓝藻水华研究主题已成为了国际前沿热点之一,年发文量递增。气温升高、二氧化碳浓度增加与日照延长直接促进了蓝藻水华,而极端降雨频率升高通过增加营养盐入湖库负荷,风速下降通过促进藻类在湖库表层水体聚集,间接促进了蓝藻水华。适度严格营养盐控制标准,加强山水林田湖草综合治理,提升蓝藻水华预测预警与应急处置能力,对未来气候变化下湖库蓝藻水华防控具有重要意义。
- 2023  Vol.  54(8):    987-996
    [摘要](217)     [PDF](372) - 鄱阳湖入江水道输沙能力与出湖沙量关系及冲淤调整规律
- 方春明,关见朝,史红玲
- 鄱阳湖是长江流域生态系统的重要组成部分,近年来鄱阳湖枯水水位下降、枯水时间提前呈常态化和趋势性变化引起了广泛研究。鄱阳湖入江水道作为江湖联系的纽带,在江湖关系演变中起着重要作用。特别是2001年以来,入江水道演变和出湖沙量出现了显著和复杂的变化过程,其原因存在明显争议。本文采用水文泥沙观测资料结合机理研究,分析阐明了鄱阳湖入、出湖水沙变化与入江水道挟沙能力变化关系及冲淤调整规律。研究结果表明:入江水道代表断面月流速与湖口月出湖含沙量成正比,鄱阳湖出湖沙量与入江水道输沙能力直接相关;入湖泥沙对入江水道演变的影响是缓慢的,入湖沙量集中的4—6月,1985年前后各月出湖沙量减少量和减小比率都小于入湖沙量减少量和减小比率,都大于输沙能力减小比率;1998—2010年与1955—1998年比,月出湖含沙量变化比率与入江水道月挟沙能力变化比率具有较好关系;从出湖含沙量与代表断面流速关系看,1999—2010年出湖含沙量在不考虑断面变化情况下总体低于1955—1998年相关线,考虑断面扩大后则高于1955—1998年相关系,说明1999—2010年出湖含沙量增大和入湖水道断面扩大是冲刷和采砂共同影响的结果;入江水道下段代表断面2011—2020年同流速下顺出湖含沙量与1955—1998年关系线基本一致,而上段代表断面则明显低于1955—1998年关系线,说明入江水道下段已趋于稳定,上段仍可能会有一定的冲刷调整,引起湖区枯水位继续有所下降。本文研究结果对明晰鄱阳湖入江水道冲淤变化、长江与鄱阳湖相互影响复杂关系和指导鄱阳湖保护与治理具有重要意义。
- 2023  Vol.  54(8):    997-1004
    [摘要](222)     [PDF](406) - 三峡水库运用后荆南三口分流演变规律及驱动因子
- 赵伟,毛继新,关见朝,王大宇
- 荆南三口是江湖关系变化的核心,其分流规律变化会对三峡大坝下游江湖关系造成影响,因此需对不断演变的荆南三口分流变化规律及其驱动因子进行量化研究。本文基于1991—2020年的实测资料,通过回归分析与基于Tensorflow搭建的人工神经网络(ANN)模型,探究了三峡水库及上游水库群调蓄、荆南三口河道与干流不对等冲刷等驱动因子对三口分流变化规律的影响。分析结果表明:三峡水库蓄水运用前后,荆南三口分流量发生了较大变化,2003—2020年多年平均分流量比1991—2002年减少约20%,二者相差124.4亿m3。进一步对荆南三口分流演变的驱动因子进行探究,三口洪道和荆江不对等冲刷对三口分流量的影响为主要因素,约为75.7亿m3/a;其次是三峡水库调蓄作用的影响,约为28.6亿m3/a;而径流变化及三峡上游梯级水库群调蓄等因素对三口分流量的影响约为20.1亿m3/a。2003年三峡水库蓄水运用后,水库调节径流和不对等冲刷在三口分流演变的驱动因子中占主导地位,应持续优化三峡水库及其上游梯级水库群联合调度,采取疏、挖等措施,增加三口分流量,以维系江湖关系。
- 2023  Vol.  54(8):    1005-1014
    [摘要](198)     [PDF](384)