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  • 水利学报
  • 2025年 第56卷 第6期
  • 出刊日期:2025--
《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。

2025年第56卷第6期

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  • 黄河中游植被的水土保持作用范围的集合分析
    翁白莎,杨盼盼,严登华,王浩
    系统分析植树造林、退耕种草、封禁(自然恢复)工程等水土保持措施的试验结果,对客观认识黄河中游产汇流机理及未来水沙情势具有十分重要的意义。本文在梳理已发表的1165篇国内外文献的随机对照试验结果的基础上,通过Meta分析方法,整编形成1089个包含地表产流模数、侵蚀模数、平均入渗率三个指标的数据集,量化分析了上述三类措施的减水、减沙和土壤储水作用,以及地形坡度和降雨强度对三类措施水土保持作用的影响。结果表明,植树造林和退耕种草措施的水土保持作用随植被覆盖度增加而增强,随地形坡度和降雨强度增加而减弱,特别是在降雨强度大于120 mm/h时将受到剧烈影响。自然恢复措施的土壤储水作用随恢复年限增加而提升,减水和减沙作用在恢复年限30~60年之间相对稳定。本研究还提出了三类措施的水土保持作用值,旨在为数值模拟提供参数支持;讨论了水土流失治理的植被覆盖恢复程度,建议退耕种草措施控制在60%以内、植树造林措施控制在60%~70%为宜。
    2025  Vol.  56(6):    693-704,716    [摘要](103)    [PDF](73)
  • 复合管道水击波速的计算
    杨开林
    水击波速是计算管道水击压力的关键参数,复合管道水击波速的准确计算是一个亟需解决的科学问题。本文根据水击波速的原始定义,建立了水击波速与管道内壁周向应变率的函数关系,以及周向应变率与周向、径向和轴向应力变化率的函数关系。在此基础上,考虑复合管各层应变率、交界面压力、管材力学参数和结构尺寸等的相互影响,提出了准确计算复合管水击波速的通用公式。通过对影响通用公式各因素的解析,导出薄壁复合管(包括薄壁衬砌隧洞和地下埋管)水击波速的近似公式,然后分析了传统复合管水击波速公式存在的问题及适用条件。最后,通过算例证明:(1)对于含有厚壁层的复合管道,应该采用准确计算水击波速的通用公式;(2)传统的复合管道水击波速公式仅适用于薄壁复合管;(3)PCCP管的水击波速在945~1184 m/s之间;(4)当管道地下铺设时,受回填土的影响,管道水击波速略微增加,影响较小。
    2025  Vol.  56(6):    705-716    [摘要](66)    [PDF](40)
  • 基于深度学习的长江-洞庭湖流域洪水模拟预报研究
    李承龙,郭生练,梁志明,崔震,向鑫,张俊
    精准快速地预报长江-洞庭湖流域洪水,对三峡水库防洪调度至关重要。本文构建了卷积神经网络(CNN)、长短期记忆神经网络(LSTM)和门控循环单元(GRU)三个深度学习模型,采用2010—2023年汛期(5—9月)8个水文站和301个雨量站观测资料进行参数率定和模型验证。研究结果表明:这三个模型的洪水模拟预报精度都很高,其中GRU模型性能最优,训练期和验证期24 h预报结果的纳什效率系数(NSE)分别达到0.993和0.988,总径流相对误差分别为0.25%和-0.26%;对于验证期洪峰超过20 000 m3/s的6场洪水,三个模型的预报结果差异较大,GRU模型明显优于LSTM和CNN,其NSE大于0.85,洪峰绝对误差控制在2%以内。GRU和LSTM深度学习模型具有较高的模拟精度和较强的泛化能力,可为复杂的长江-洞庭湖流域洪水预报提供一种新的途径。
    2025  Vol.  56(6):    717-725    [摘要](86)    [PDF](63)
  • 基于综合评价的混合抽蓄-风-光多能互补系统容量优化配置研究
    马超,刘璐,练继建,丁蕾,李婧
    基于常规水电站进行混合抽蓄开发可以有效促进新能源消纳,保障多能互补系统并网发电。针对混合抽蓄开发需要,本文提出了一种基于全生命周期综合评价的混合抽蓄-风-光多能互补系统容量优化配置方法。首先提出了表征新能源出力及径流不确定性的组合情景生成方法;然后在多能互补系统多段线送出的模式下,构建了混合抽蓄-风-光多能互补系统短期协同运行优化模型;最后建立了混合抽蓄-风-光多能互补系统不同时间尺度评价指标体系,通过全生命周期综合评价进行最优容量配置决策。黄河上游尔多水电站的案例研究结果表明:配置混合抽蓄与水电站等容量的情况下,系统的最优容量配置为风电3000 MW、光伏1500 MW,需配套送出通道容量3700 MW,此方案下的系统的净现值为158.6亿元。
    2025  Vol.  56(6):    726-738    [摘要](63)    [PDF](43)
  • 黄河下游河相关系及其泥沙输移的量化表征方法
    费祥俊,舒安平,王乐
    黄河是典型的多沙河流,其高含沙水流对河流演变的影响不容忽视,传统的河相关系多主要考虑流量要素,鲜少涉及挟沙水流含沙量要素,所建立的河相关系不能充分解释黄河下游河相变化特征。鉴于此,本研究通过引入含沙量要素,使用已有的试验数据及黄河下游实测资料,并采用稳定河宽判定关系,推导建立了黄河下游新的河相关系,该河相关系可以有效量化表征黄河下游泥沙输移的水流挟沙力、不淤流速和平滩流量等特征指标。研究成果可为促进黄河下游河道整治与可持续发展提供科学依据。
    2025  Vol.  56(6):    739-746    [摘要](64)    [PDF](44)
  • 基于双模量动态本构模型的沥青混凝土心墙坝心墙响应特性研究
    李闯,宋志强,王飞,刘云贺,王宗凯,宁致远
    适宜的动态本构模型是评估沥青混凝土心墙坝防渗心墙抗震性能的重要基础。单轴动态拉伸、压缩试验结果表明,水工沥青混凝土在低温动荷载下呈现拉、压弹性模量显著增大且差异明显的现象。本文以Ambartsumyan主应力空间双线性静态本构模型为基础,考虑拉、压泊松比的差异,依据主应力状态算得等效应变率,阐明了弹性模量确定、拉压状态判断与等效应变率计算三者之间的耦合关系,开发了增量迭代解耦数值分析算法,建立了水工沥青混凝土双模量动态本构模型。依据本文模型计算得到的拉、压应力应变曲线与试验结果吻合良好。基于所建的双模量动态本构模型开展了实际沥青混凝土心墙坝心墙响应特性研究,结果表明:地震荷载下心墙动态双模量效应明显,与动态双模量模型相比,单模量模型的最大动压应力偏小约71.4%,不同位置的峰值加速度相对差异最大可达25.78%。忽略沥青混凝土的动态双模量效应将导致心墙轴向和竖向拉应变分别增大45.8%、27.1%,会造成对心墙抗震能力的低估。
    2025  Vol.  56(6):    747-758,770    [摘要](52)    [PDF](38)
  • 基于逆优化的邻接对手水电站参数反推模型及求解方法
    王祥祯,李亚鹏,程春田,李刚,崔长跃
    梯级水电具有高度耦合的水力电力联系,上游电站的下泄流量直接影响下游电站发电和竞价计划的可行性,尤其当上下游归属不同利益主体时,上游电站从自利角度出发制定发电决策,会给下游电站带来高度不确定性。针对该问题,本文研究了一类由两个利益主体管理的三座电站的局部水电梯级,基于可观测的上游电站下泄流量、发电量等历史序列数据,提出了一个反推其运行参数及历史序列数据的逆优化模型,并根据工程经验确定待定参数的可行域。该模型为双层优化模型,其上层模型负责确定目标电站的主要运行参数,下层模型利用上层模型给定的参数模拟目标电站的自利调度过程,天然径流在流域内的分配比例也融入到了待推断参数中。为求解这一具有高度非凸及多变量特征的数学模型,本文提出了基于改进微粒子群算法的变维搜索算法。算例表明,所提反推模型和求解算法可准确推断上游邻接电站的运行参数和历史序列数据,推断误差在2%以内,所提求解算法比原始算法有明显提升,且始终保持了较强的搜索能力。仿真实验和统计分析也论证了本文所提模型及求解算法的可靠性。
    2025  Vol.  56(6):    759-770    [摘要](49)    [PDF](35)
  • 基于国产CPU/GPU平台的水动力模型异构并行计算
    南统超,施睿,于春水
    水动力模型具有物理意义明确、可靠性高等优点,但其计算量大、算力要求高。鉴于先进计算芯片进口遇阻,国外CUDA软件平台也被禁用,有必要基于国产CPU/GPU产业现状发展“多节点-多GPU”异构并行计算方案。本研究基于国产硬件平台研发“多节点-多GPU”大规模分布式异构并行计算水动力模型,用于流域尺度二维浅水方程高效并行求解。通过三个算例检验了该模型的准确性、并行效率以及对亿级大模型的模拟能力。结果表明,该模型计算准确,并行加速效果显著,可模拟溃坝、大尺度复杂地形等条件下水动力过程,实现了对亿级网格洪水过程分钟级模拟。有望为我国洪水预报预警提供自主可靠的技术支撑,为流域大模型、区域地下水模型等其他大型水动力模型的异构并行计算提供借鉴。
    2025  Vol.  56(6):    771-779    [摘要](56)    [PDF](37)
  • 接复杂布置形式隧洞的抽水蓄能电站侧式进/出水口优化研究
    高学平,罗畅,朱洪涛,刘殷竹
    抽水蓄能电站进/出水口有时难以避免与复杂布置形式隧洞相接,当两者距离较近时,出流工况进/出水口存在严重的偏流现象,会导致拦污栅断面流速不均匀、各孔口流量分配不均匀等问题。然而,实际工程中受地形地质条件等限制,复杂布置形式隧洞可调整的范围非常有限,给进/出水口水力设计优化带来了很大困难。为解决进/出水口接复杂布置形式隧洞时所出现水力学问题,本文采用数值模拟的方法,研究了接复杂布置形式隧洞进/出水口的水力特性,并提出了相应的优化方法。结果表明:当进/出水口接复杂布置形式隧洞时,出流工况孔口流量比均超出0.9~1.1的范围,拦污栅断面流速不均匀系数大于2。在不改变隧洞布置形式的条件下,提出了优化方法,即通过减小中墙后退距离改善孔口流量分配,通过调整扩散段底部坡度改善拦污栅断面流速分布。进一步分析了复杂布置形式隧洞的影响范围,明确了复杂布置形式隧洞距离进/出水口小于20D时,应考虑其对进/出水口水力特性的影响。研究成果可为抽水蓄能电站进/出水口的设计和优化提供指导。
    2025  Vol.  56(6):    780-790    [摘要](55)    [PDF](35)
  • 灌浆功率时序预测的可解释门控循环网络模型
    王晓玲,轩昕祺,余红玲,李志,张天鸿,倪磊
    灌浆功率是灌浆施工过程控制的重要指标,精准预测灌浆功率有助于优化灌浆施工策略。现有灌浆功率预测大多采用常规的机器学习模型,其浅层结构难以挖掘复杂地质条件、施工布置等多因素耦合影响下的非线性时序特征,导致模型预测精度较低,并且现有模型内部决策机制不透明,模型可解释性较差。针对上述问题,本文提出一种灌浆功率时序预测的可解释门控循环网络(EGRN)模型。首先,采用自适应噪声完备集合经验模态分解方法将灌浆功率时序数据分解为不同频率的本征模态分量,在门控循环单元(GRU)前置多头自注意力机制(MHA),以有效提取灌浆功率时序数据的多维频率特征,并引入时序注意力机制(TPA)捕捉灌浆功率数据的长期时序依赖关系,提高模型的预测精度。之后结合MHA的权重分配与TPA的滤波器频谱分析结果,挖掘灌浆功率预测模型中关键的频率特征与时序依赖特征,增强模型的可解释性。案例分析结果表明,相较于其它对比模型,本文所提模型具有更高的预测精度,其MAERMSEMAPE平均值降低了24.78%、27.29%和24.99%,R2系数平均提高7.74%,相较传统机器学习算法,本文所提模型可解释性更强,具有更高的透明度与可信度。
    2025  Vol.  56(6):    791-804    [摘要](49)    [PDF](22)
  • 海河流域山丘区气候-植被物候-径流的响应关系
    韩淑颖,王庆明,赵勇,翟家齐,李海红,刘宽
    植被物候提前导致流域蒸散发增加,影响了流域水文过程,尤其在径流衰减剧烈的海河山区,研究气候、植被物候和径流的耦合关系,对阐明径流衰减原因、优化生态保护措施具有重要意义。本研究以海河流域山丘区17个小流域为研究对象,基于灰色关联模型分析了1982—2020年生长季植被因子(植被物候和归一化植被指数NDVI)与气候因子对径流的相对贡献,利用结构方程模型进一步探究了春(秋)季气候-植被物候-径流的多重调控机制。结果表明:①研究区总体超87.5%的区域生长季延长,平均延长0.42 d/a。②灰色关联度结果显示:降水(0.7)和土壤湿度(0.69)是影响径流的第一和第二影响因素,其次是植被春、秋季物候(均为0.63),其相对重要性超过气温、太阳辐射等气候因子。③春、秋季不同植被覆盖类型的小流域气候影响植被物候而调节径流的主要路径表现不一致,在春季,温度升高使春季物候提前,从而增加了蒸发而使径流减少;秋季则是降水和太阳辐射驱动物候变化而使蒸发和径流发生改变。本研究有助于认识海河流域植被与水资源演变响应的关系。
    2025  Vol.  56(6):    805-817    [摘要](71)    [PDF](41)
  • 水-气充罐式双层橡胶坝受力及变形特性研究
    高鑫,王天亮,周政国,杜洋,郭伟
    橡胶坝多用于城市河渠截流蓄水,是绿色、低碳、经济的柔性水工堰坝结构。受限于材料技术及生产制造工艺发展,现有橡胶坝挡水水位低,高橡胶坝建设面临整体投资高及技术滞后等问题。本文提出了上层坝袋充气,下层坝袋充水的水-气充灌式双层橡胶坝。基于有限差分法建立了坝袋结构-流体力学模型,通过大比尺模型试验证实了模型的准确性。分析了上游水位、充气压力、压力水头、锚固间距和坝袋周长比对坝袋受力变形特性及张拉力的影响。结果表明:增加水位,坝高先增后降,坝宽、接地宽度及张拉力持续增加,上下层坝袋截面积持续降低;得到的最优参数为坝袋周长比L2/L1=0.9、充气压力pi1=0.20γwL1、压力水头Hi2=0.45L1、锚固间距D/L1=0.06、上述参数下临界水位Hcr=0.375L1;基于最优结构参数,得到了设计计算参数表,可用于水-气充灌式双层橡胶坝的设计计算。
    2025  Vol.  56(6):    818-830    [摘要](36)    [PDF](37)

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