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  • 水利学报
  • 2025年 第56卷 第7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7期

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  • 耦合气象信息和可解释深度学习方法的日径流预报
    廖胜利,王在能,程春田,吴慧军
    高精度的径流预报信息是水利防洪和水电调度的重要依据。然而,输入特征的选择、模型结构的确定及预报结果的可解释性等因素严重限制了数据驱动模型在径流预报中的应用。本文以实测径流、降雨和包含丰富气象信息的ERA5再分析数据等多源数据为输入,将沙普利可加性解释(SHAP)方法和卷积神经网络-双向长短期记忆网络(CNN-BiLSTM)模型相结合,建立了一种通过“事后”特征选择机制优化模型输入的可解释径流预报框架。首先,多源数据为框架提供了丰富的输入信息,CNN和BiLSTM分别捕捉数据中的空间相关性和时序信息,提高模型预报精度。其次,模型训练后使用SHAP方法计算各输入特征的贡献度,通过比较不同输入条件下模型的预报表现,确定最佳输入特征及模型结构。最后,通过量化和可视化输入特征贡献度,提供了对模型预报机制和结果的解释。将所提方法应用于天生桥一级电站的区间入库流量预报并与通过偏自相关系数(PACF)、互相关系数(CCF)和随机森林(RF)等传统方法选择输入特征的模型进行比较。结果表明,与传统方法相比,SHAP方法不仅优化了模型特征空间选择而且显著改善了数据驱动模型在径流预报中的输入特征选择困难、无效以及预报结果难以解释的局限性。
    2025  Vol.  56(7):    831-843    [摘要](80)    [PDF](55)
  • 考虑加载历史的粗粒土蠕变过程通用数学模型
    邓刚,张茵琪,张延亿,苏羽,孙向军
    对加载历史中的多级加载-蠕变过程进行区分,以堆石料大型压缩蠕变实验数据和文献数据为基础分析对蠕变过程受先期加载历史的影响机制。紧邻蠕变的先期加载速率对蠕变初期弛豫蠕变阶段存在明显影响,但对蠕变中后期的平衡蠕变阶段影响很小;历史蠕变过程和更早期加载速率均对蠕变无影响。蠕变中后期平衡蠕变过程在蠕变速率对数-时间对数坐标系中沿固有直线蠕变基线发展。提出了低先期加载速率影响下初期弛豫蠕变阶段和中后期固有蠕变阶段蠕变速率发展模式的数学表达,明晰了弛豫蠕变速率和弛豫时间计算方法,建议了普遍适用于不同蠕变过程、考虑加载历史的一般形式蠕变与时间数学模型,应用模型可较好描述具有不同先期加载历史的蠕变过程。
    2025  Vol.  56(7):    844-852    [摘要](48)    [PDF](29)
  • 自适应库水位变幅的竖缝式鱼道出口优化及通过性分析
    郑铁刚,张志广,孙双科,李广宁,柳海涛,温静雅
    在过去的30年里,竖缝式鱼道是国内外流行的鱼道设计型式之一。鱼道出口段水深设计是影响整个鱼道运行过程中鱼类洄游的主要因素之一。为了适应鱼道上游水位的频繁变动,提出了一种新的竖缝式鱼道出口段设计方法,鱼道出口段由深水段、溢流段和浅水段三部分组成。通过开展物理模型试验与数值模拟计算对鱼道出口段水力特性进行详细研究。研究结果表明,无论鱼道出口处的水位如何,浅水段的水深和速度分布都是均匀的;但由于溢流段的设置,深水段的水力学指标沿程分布不均匀,受壅水影响导致溢流段上游池室竖缝断面流速降低;不同上游水位条件下,溢流段通过溢流平衡了鱼道出口和入口之间的流量,且溢流量满足薄壁侧堰泄流关系式。综合分析可见,鱼道出口段水力特性满足洄游鱼类上溯需求,表明竖缝式鱼道单出口设计方案是可行的,适用于日调节水库。
    2025  Vol.  56(7):    853-861    [摘要](36)    [PDF](28)
  • 考虑库水位和温度变化滞后效应的混凝土坝渗流预测模型研究
    陈旭东,蓝婷婷,胡少伟,徐颖,郭进军,顾冲时
    渗流性态是库水位、温度等外部环境荷载和内部防渗排水构造等交互作用的综合反映,而库水位和温度变化对渗流影响的滞后效应,目前尚无有效量化方法。本文旨在探明该滞后效应规律,构建相应的量化表达式,据此建立渗流预测模型。首先,采用贝叶斯向量自回归模型(BVAR)分析库水位和温度对渗流影响的滞后过程,量化表示库水位和温度影响分量。其次,为有效表征渗流与影响因素间的非线性映射关系,利用注意力机制(AM)动态调整渗流输入因子的影响权重,加强双向门控循环单元(BiGRU)对关键信息的筛选能力,并引入麻雀搜索算法(SSA)提升全局搜索和自适应性能,建立了混凝土坝渗流预测AM-SSA-BiGRU模型。实例研究表明:BVAR方法能够反映库水位和温度对渗流影响的滞后过程。本文模型有效捕捉了渗流变化趋势,具有较高精度和良好的鲁棒性。研究可为深入理解混凝土坝渗流性态演变及其性能预测提供新的手段。
    2025  Vol.  56(7):    862-873    [摘要](47)    [PDF](27)
  • 长江上游梯级水库群防洪库容互用方式研究
    牛文静,王正华,冯志州,王祥,许银山,陈桂亚
    长江上游已形成以三峡水库为核心的梯级水库群,其防洪库容共同承担流域防洪任务。为充分发挥防洪作用、提高水资源综合利用效益,本文提出了防洪库容“互用”概念,明确了互用方式分类、互用情景构建及互用系数计算方法,构建了梯级水库群防洪库容互用总体计算框架,针对不同梯级水库群组面临的不同防洪任务,在不降低防洪标准前提下优化梯级防洪库容利用方式。通过金沙江下游梯级水库群-三峡水库典型工程群组应用实例,验证技术方法的合理性、可行性和有效性,可为类似课题研究和工程实践提供有效借鉴和参考。
    2025  Vol.  56(7):    874-884    [摘要](49)    [PDF](31)
  • 基于云计算的水库群实时防洪多目标风险调度模型
    陈娟,张璐,孙飞飞,邓如霞,钟平安
    水库群实时防洪调度是受诸多因素影响的不确定性调度,开展水库群实时防洪多目标风险调度研究对保障流域防洪安全具有重要意义。本文考虑水文预报误差的不确定性,以各水库最高水位最低、下游防洪断面最大过水流量最小为目标函数,建立水库群实时防洪多目标风险调度模型;针对复杂水库群“维数灾”问题,基于云计算采用多目标金鹰优化算法(MOGEO)求解水库群实时防洪多目标风险调度模型,从智能优化算法、风险因子模拟、并行计算、云计算四个角度优化模型求解时间,满足实时防洪调度高时效性的需求;再根据非劣解集的空间分布,提出改进的点云体素下采样法提取最优调度方案。以淮河中上游史灌河流域为背景开展实例研究,结果表明:MOGEO在防洪调度方面的适应能力较强,模型求解时间由第三代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅲ)的1542 s缩短至830 s,快速收敛至Pareto前沿;基于改进拉丁超立方的风险因子模拟在确保抽样精度可靠的情况下,缩减了2/3的计算时间;采用云分布式集群的模型求解时间为113 s,为云服务器单机12核并行计算时间的1/6、串行计算时间的1/30,大幅度提高了模型求解效率。
    2025  Vol.  56(7):    885-897    [摘要](50)    [PDF](28)
  • 基于伴随方法的多沙泵站前池流态优化探索
    王海东,许栋,冉启华,袁赛瑜,唐洪武
    在多泥沙河流正向进水泵站前池中,由于断面突扩容易形成漩涡流态和泥沙淤积,干扰泵站正常运行。针对该问题,目前常通过增设导流墩等措施优化流态。然而,传统优化方法存在工况组合繁多、主观性与经验性较强的问题,难以获得最优设计方案。本文将空气动力学的伴随优化算法和水沙两相流理论结合计算,通过求解敏感度函数,对流场方程和伴随方程同时进行迭代求解,优化泵站前池水沙流态。结果表明:针对传统八字形导流墩,采用伴随优化法,微调几何外形,基本消除大尺度漩涡,特征断面流速均匀度高达90.23%,漩涡结构体积较无整流措施减小85.47%,较传统导流墩方案减小75.32%,泥沙淤积减少65.22%,优化效果显著。伴随优化算法可为泵站前池优化提供新的途径。
    2025  Vol.  56(7):    898-908    [摘要](35)    [PDF](28)
  • 水利工程生态服务价值系统化测算体系研究
    付意成,张剑,赵进勇,张春玲,史俊宝
    为科学评估不超过流域水生态承载力下的水利工程生态服务价值并推动其社会化应用,本文基于复合系统特性,结合体系结构完整性与功能多样性原则,构建了面向系统完整性的价值测算体系。该体系采用时空耦联方法对服务价值进行分类量化,结合土地利用变化分析揭示其空间格局与工程影响的关联性,并引入讨价还价动态均衡博弈模型量化生态补偿均衡解与价值实现路径。该系统化测算体系能够实现水利工程生态服务价值的全面、动态量化和空间分布特征的可视化,阐明工程影响下的时空分异规律,为生态补偿机制的设计提供定量依据。研究成果可为水利工程生态效益综合评估、流域水资源与生态环境协同管理提供科学支持。
    2025  Vol.  56(7):    909-919,932    [摘要](52)    [PDF](29)
  • 考虑损伤效应的塑性混凝土本构模型构建及数值实现
    赛冬拉·马学义,崔溦,江志安,张宝增
    塑性混凝土作为一种介于普通土与混凝土之间的特殊材料,其在峰值强度之前表现出硬化特性,破坏之后的变形现象更为复杂,表现出受围压影响的应变软化特征。为描述塑性混凝土的力学特性,本研究在室内三轴试验基础上,以微裂缝作为损伤基元,利用Weibull分布理论和Lemaitre应变等价原理构建塑性混凝土损伤演化方程,并引入硬化土模型中,建立了考虑损伤效应的弹塑性本构模型,并通过ABAQUS及子程序对新模型进行数值实现。模拟结果与试验结果对比发现:新模型计算结果与试验结果吻合较好,不仅能描述塑性混凝土的峰前应变硬化特征,还能呈现出随围压变化的峰后应变软化效应。研究表明所建模型能较好地描述塑性混凝土的力学特性。
    2025  Vol.  56(7):    920-932    [摘要](45)    [PDF](33)
  • 径流序列两段动态分解-预测-重构中长期预报模型
    陈小泽,王忠静,刘丹,石羽佳,KANGBoosik
    中长期径流预报是水资源优化调度的基础支撑。随着全球气候变化加剧,径流时间序列变异性呈增加趋势,基于时间序列分析方法的径流预报难度进一步增大。为克服这一困难、增强预报能力,本文通过局部加权回归周期趋势分解(STL)、变分模态分解(VMD)与带有知识蒸馏的深度学习组合,构建了基于STL-VMD-Informer的两段动态分解-预测-重构的中长期径流组合预报模型。该模型在永定河流域石匣里水文站断面应用表明,在预见期1、3、6个月时,其纳什效率系数NSE分别可达到0.897、0.843和0.796,验证了所提出的方法可较好地分离时间序列的变异性,延长预见期,提高预报精度。本方法对改进数据驱动的径流序列中长期预报方法和策略有积极的意义。
    2025  Vol.  56(7):    933-944    [摘要](50)    [PDF](37)
  • 微小通道内非定常空化流动可视化研究及热力学效应分析
    刘坤,颜建国,郭鹏程,李文博,赵莉
    为分析温度、流速和压力等因素对非定常空化演化过程的影响,并定量评价空化流动中的热力学效应,采用高速摄影可视化等方法,开展了25~65℃范围内的空化实验研究。实验获取了非定常空化流动图像数据,分析结果表明,随着温度的升高与空化数减小,空化区域空腔特征尺寸增大,且空化发展持续时间更长。回射流的持续流动促进云空化进一步脱落,且脱落分离过程体现出准周期性,而随着温度升高,腔体表现出更晚的脱落和更剧烈的溃灭射流现象。使用FFT变换计算得到了云状空化振荡主频率和无量纲斯特劳哈尔数St,证明了空腔最大特征长度是云脱落振荡频率的主导因素。空化均值图像信息表明,温度是决定空腔尺寸变化的主要因素。随着温度升高,平均空腔尺寸增加,随后因热力学效应抑制作用而减小,并通过无量纲参数CSP,表征热力学效应的抑制作用,超过特定温度后,热力学效应逐渐显著,进一步抑制了空化发展。随着空化数减小,准稳态的片空化分布逐渐转变为准周期性脱落云空化。
    2025  Vol.  56(7):    945-957    [摘要](44)    [PDF](22)
  • 基于植被指数的喷灌变量灌溉处方图生成方法研究
    张勇静,赵伟霞,单志杰,黄乾
    与冠层温度相比,植被指数是反映作物生长表型和水肥亏缺信息的复合指标,为变量灌溉处方图的生成提供了更为综合的基础信息。为了研究基于植被指数的高精度变量灌溉处方图生成方法,本文基于优化土壤调节植被指数(Optimized Soil Adjusted Vegetation Index,OSAVI),提出了仅通过改变喷灌机行走速度即可实现动态变量灌溉管理的扇形变量灌溉处方图生成方法,并研究了无人机多光谱系统起飞时间和飞行高度对扇形变量灌溉处方图的影响,及其与基于归一化相对冠层温度指标(Normalized Relative Canopy Temperature,NRCT)生成的变量灌溉处方图差异。试验在河北省邢台市大曹庄管理区中国水利水电科学研究院智慧灌溉技术与装备创新示范推广基地开展,供试作物为2023年和2024年种植的冬小麦,无人机多光谱系统飞行高度为50、70和90 m,分别于8:00、11:00、14:00和17:00开始起飞,飞行区域为四跨加悬臂圆形喷灌机控制的1/6区域。结果表明,起飞时间对OSAVI的空间分布具有显著影响,在11:00和14:00起飞时,OSVAI空间分布特征相对稳定且总灌水量相对较小,分别比17:00时的总灌水量平均减少17.7%和18.8%。随着无人机多光谱系统飞行高度的增加,总灌水量无明显变化规律,且不同飞行高度时的总灌水量最大仅相差6%。与基于NRCT的变量灌溉处方图相比,基于OSAVI的变量灌溉处方图总灌水量平均减少6%。在利用无人机多光谱系统获取冬小麦喷灌扇形变量灌溉处方图时,推荐适宜起飞时间段为11:00—14:00。
    2025  Vol.  56(7):    958-968    [摘要](32)    [PDF](702)

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