南水北调与水利科技（中英文）
2024年第22卷第5期文章目次
2024, 22(5):833-844.
摘要:
厘清生产-生活-生态空间（简称“三生空间”）质量的耦合规律，测算并分析城市群综合承载力，能够为承载力提升提供新思路，并为城市群可持续发展提供决策参考。基于三生空间视角，选取9个维度共27个指标构建综合承载力评价指标体系，运用熵值法确定指标权重，通过综合承载力测算模型对2001—2020年黄河沿线城市群承载力进行测算，并使用ArcGIS工具进行空间差异性分析，运用灰色关联度模型识别综合承载力的关键影响因素。结果表明：黄河沿线城市群综合承载力空间分异特征显著，整体呈现出三级梯度分布；中度承载力和高度承载力城市比例不变，保持在29.31%和12.07%，较高承载力城市比例由24.14%增加到29.31%，发展态势较好；各个城市群综合承载力关键影响因素存在差异，总体上集中于经济发展、生活服务、社会保障、生态压力、生态治理5个维度。黄河沿线城市群在未来发展过程中应注重产业经济与资源环境的协同发展，社会保障和服务设施配套建设，以促进生产-生活-生态空间质量的全面提升，并针对综合承载力不同梯队的城市群采用精准性治理措施，以全面实现黄河流域的生态保护和高质量发展。
厘清生产-生活-生态空间（简称“三生空间”）质量的耦合规律，测算并分析城市群综合承载力，能够为承载力提升提供新思路，并为城市群可持续发展提供决策参考。基于三生空间视角，选取9个维度共27个指标构建综合承载力评价指标体系，运用熵值法确定指标权重，通过综合承载力测算模型对2001—2020年黄河沿线城市群承载力进行测算，并使用ArcGIS工具进行空间差异性分析，运用灰色关联度模型识别综合承载力的关键影响因素。结果表明：黄河沿线城市群综合承载力空间分异特征显著，整体呈现出三级梯度分布；中度承载力和高度承载力城市比例不变，保持在29.31%和12.07%，较高承载力城市比例由24.14%增加到29.31%，发展态势较好；各个城市群综合承载力关键影响因素存在差异，总体上集中于经济发展、生活服务、社会保障、生态压力、生态治理5个维度。黄河沿线城市群在未来发展过程中应注重产业经济与资源环境的协同发展，社会保障和服务设施配套建设，以促进生产-生活-生态空间质量的全面提升，并针对综合承载力不同梯队的城市群采用精准性治理措施，以全面实现黄河流域的生态保护和高质量发展。
2024, 22(5):845-855.
摘要:
以黄河源区白河流域为研究对象，采用Mann-Kendall方法分析水文要素的演变特征，利用RCCC-WBM水量平衡模型（monthly water balance model developed by research center for climate change）模拟探究流域生态水文要素对气候变化的敏感性。结果表明：1981—2020年白河流域气温增加趋势显著，气温递升率为0.45 ℃/（10 a），潜在蒸散发年际变化不明显，而降水和径流呈现先减少后增加的阶段性变化特征；RCCC-WBM水量平衡模型对白河流域具有较好的月尺度径流模拟效果，率定期和验证期的纳什效率系数（Nash-Sutcliffe efficiency coefficient，ENS）分别为0.69和0.62；在假定的气候变化情景下，降水量增加40%且气温变化?4 ～4 ℃时对应的径流量变化范围为20.2%～84.4%，实际蒸散发量为1.4%～51.0%，即随着降水量的增多，流域气温和蒸散发变化对径流的影响越来越显著。研究结果可为黄河源区的水循环演变规律的揭示提供参考。
以黄河源区白河流域为研究对象，采用Mann-Kendall方法分析水文要素的演变特征，利用RCCC-WBM水量平衡模型（monthly water balance model developed by research center for climate change）模拟探究流域生态水文要素对气候变化的敏感性。结果表明：1981—2020年白河流域气温增加趋势显著，气温递升率为0.45 ℃/（10 a），潜在蒸散发年际变化不明显，而降水和径流呈现先减少后增加的阶段性变化特征；RCCC-WBM水量平衡模型对白河流域具有较好的月尺度径流模拟效果，率定期和验证期的纳什效率系数（Nash-Sutcliffe efficiency coefficient，ENS）分别为0.69和0.62；在假定的气候变化情景下，降水量增加40%且气温变化?4 ～4 ℃时对应的径流量变化范围为20.2%～84.4%，实际蒸散发量为1.4%～51.0%，即随着降水量的增多，流域气温和蒸散发变化对径流的影响越来越显著。研究结果可为黄河源区的水循环演变规律的揭示提供参考。
2024, 22(5):856-864,908.
摘要:
为揭示黄河上中游地区能源生产及其水足迹变化特征，基于能源统计数据，利用水足迹理论在市级尺度上定量分析能源产量、能源结构以及能源生产蓝水足迹的时空变化特征。结果表明：1990—2020年黄河上中游一次能源生产总量总体呈现上升趋势，从1.5亿t标准煤增至17.1亿t标准煤，全国占比由13.7%增到41%，空间上能源生产更加集中且重心向上游转移；近30年，黄河上中游能源生产结构中原煤比重呈下降态势，由93.3%减少至88%，天然气比例增加显著，以原煤为主的城市数量明显减少，清洁能源在其能源生产结构中的比重提升；能源生产蓝水足迹由1990年的4.64亿m3增至2010年为 25.18亿m3，随着能源生产用水效率的提高和清洁能源比重的提升，能源生产蓝水足迹减少至2020年的24.24亿m3，其中能源加工蓝水足迹是能源生产蓝水足迹的主要组成部分，空间上能源生产蓝水足迹高值区向水资源短缺的“几字弯”地区集中，加剧了该区域的水资源供需矛盾。研究结果可为黄河上中游地区用水效率提升、能源生产结构优化以及能-水系统协同发展提供理论依据及决策参考。
为揭示黄河上中游地区能源生产及其水足迹变化特征，基于能源统计数据，利用水足迹理论在市级尺度上定量分析能源产量、能源结构以及能源生产蓝水足迹的时空变化特征。结果表明：1990—2020年黄河上中游一次能源生产总量总体呈现上升趋势，从1.5亿t标准煤增至17.1亿t标准煤，全国占比由13.7%增到41%，空间上能源生产更加集中且重心向上游转移；近30年，黄河上中游能源生产结构中原煤比重呈下降态势，由93.3%减少至88%，天然气比例增加显著，以原煤为主的城市数量明显减少，清洁能源在其能源生产结构中的比重提升；能源生产蓝水足迹由1990年的4.64亿m3增至2010年为 25.18亿m3，随着能源生产用水效率的提高和清洁能源比重的提升，能源生产蓝水足迹减少至2020年的24.24亿m3，其中能源加工蓝水足迹是能源生产蓝水足迹的主要组成部分，空间上能源生产蓝水足迹高值区向水资源短缺的“几字弯”地区集中，加剧了该区域的水资源供需矛盾。研究结果可为黄河上中游地区用水效率提升、能源生产结构优化以及能-水系统协同发展提供理论依据及决策参考。
2024, 22(5):865-874.
摘要:
为探究海河“23?7”流域性特大洪水过程中蓄滞洪区泥沙淤积特征，评估受灾情况，基于实地淤积调查和高分遥感影像，计算淤积厚度空间分布，并结合DEM数据估算蓄滞洪量和蓄滞洪区利用率。结果表明：淤积厚度插值的均方根误差ERMS为1.32，纳什系数ENS为0.78，蓄滞洪量计算的ERMS为0.75，ENS为0.92，证明研究计算方法可行，计算结果可靠；8个蓄滞洪区共蓄洪24.63亿m3，蓄滞洪区利用率约为36.90 %，平均淤积厚度为2.60 cm，总淤积量达7.67×107t；海河流域洪水含沙量约31.14 kg/m3，其中大清河系和永定河系的洪水含沙量达到过去20 a平均含沙量的20~40倍；此外，研究发现海河流域西部和北部山地的淤积情况更严重，较早启用的、位于上游的蓄滞洪区淤积量更大。
为探究海河“23?7”流域性特大洪水过程中蓄滞洪区泥沙淤积特征，评估受灾情况，基于实地淤积调查和高分遥感影像，计算淤积厚度空间分布，并结合DEM数据估算蓄滞洪量和蓄滞洪区利用率。结果表明：淤积厚度插值的均方根误差ERMS为1.32，纳什系数ENS为0.78，蓄滞洪量计算的ERMS为0.75，ENS为0.92，证明研究计算方法可行，计算结果可靠；8个蓄滞洪区共蓄洪24.63亿m3，蓄滞洪区利用率约为36.90 %，平均淤积厚度为2.60 cm，总淤积量达7.67×107t；海河流域洪水含沙量约31.14 kg/m3，其中大清河系和永定河系的洪水含沙量达到过去20 a平均含沙量的20~40倍；此外，研究发现海河流域西部和北部山地的淤积情况更严重，较早启用的、位于上游的蓄滞洪区淤积量更大。
2024, 22(5):875-883.
摘要:
采用国产水动力学模型（integrated flood model system，IFMS），对“23?7”海河流域永定河系特大洪水中永定河泛区洪水演进及淹没范围变化进行精细化模拟复盘。将模拟结果与卫星遥感监测获取的泛区淹没范围进行对比，最大淹没面积误差仅为8.8%，验证了该模型在永定河泛区洪水模拟中的可靠度。构建的永定河泛区模型可以准确反映分洪口门启闭、蓄滞洪量变化及泛区进退洪淹没过程。基于该模型，进一步研究雨带北移对该地区未来防洪情势的影响。结果表明：同等重现期的设计洪水受雨带北移影响后，将导致泛区防洪情势愈加严峻，雨带北移影响下的20 a一遇设计洪水最大淹没范围与现状情景下50 a一遇设计洪水最大淹没范围持平。因此，为更好地应对未来防洪情势的发展，需要针对永定河泛区提出更加合理的防洪规划并科学制定工程与非工程相结合的防洪措施。
采用国产水动力学模型（integrated flood model system，IFMS），对“23?7”海河流域永定河系特大洪水中永定河泛区洪水演进及淹没范围变化进行精细化模拟复盘。将模拟结果与卫星遥感监测获取的泛区淹没范围进行对比，最大淹没面积误差仅为8.8%，验证了该模型在永定河泛区洪水模拟中的可靠度。构建的永定河泛区模型可以准确反映分洪口门启闭、蓄滞洪量变化及泛区进退洪淹没过程。基于该模型，进一步研究雨带北移对该地区未来防洪情势的影响。结果表明：同等重现期的设计洪水受雨带北移影响后，将导致泛区防洪情势愈加严峻，雨带北移影响下的20 a一遇设计洪水最大淹没范围与现状情景下50 a一遇设计洪水最大淹没范围持平。因此，为更好地应对未来防洪情势的发展，需要针对永定河泛区提出更加合理的防洪规划并科学制定工程与非工程相结合的防洪措施。
2024, 22(5):884-895.
摘要:
为全面理解和优化区域水资源利用格局、提高区域水资源利用率，以南水北调东线工程江苏段主要涉及的徐州、宿迁、淮安3个城市为研究对象，以2010—2022年数据为基础从基于洪水资源开发利用的水资源利用、经济社会发展、生态环境保护3个维度，采用共23项指标在使用熵权法确定权重的基础上，构建基于洪水资源开发利用的水资源利用-经济社会-生态环境系统容量耦合协调发展模型，并结合匹配度模型进行比较分析，运用障碍度模型分析影响耦合协调发展的因素。结果表明：3个城市的综合系统发展水平均由初级阶段上升到良好阶段。徐州、宿迁和淮安市的耦合协调度变化分别为勉强协调到良好协调、初级协调到良好协调以及初级协调到中级协调，而3个城市耦合协调度在后期均超越匹配度，达到理想协调状态。影响协调度的主要障碍因子为洪水资源利用潜力、森林覆盖率以及洪水资源量，且对于3个系统的障碍度分析，3个城市各自有不同的主导影响因素，徐州市复合系统耦合协调度主要受水资源利用影响较大，宿迁市受经济社会影响较大，而淮安市则受生态环境影响较大，因此，各市应当合理利用水库及蓄滞洪区的削峰、调蓄能力，增加洪水资源可利用量，提高洪水资源利用效率，降低洪灾发生频率，在保证经济和生态用水效率的同时，减少因洪灾带来的经济及生态损失。
为全面理解和优化区域水资源利用格局、提高区域水资源利用率，以南水北调东线工程江苏段主要涉及的徐州、宿迁、淮安3个城市为研究对象，以2010—2022年数据为基础从基于洪水资源开发利用的水资源利用、经济社会发展、生态环境保护3个维度，采用共23项指标在使用熵权法确定权重的基础上，构建基于洪水资源开发利用的水资源利用-经济社会-生态环境系统容量耦合协调发展模型，并结合匹配度模型进行比较分析，运用障碍度模型分析影响耦合协调发展的因素。结果表明：3个城市的综合系统发展水平均由初级阶段上升到良好阶段。徐州、宿迁和淮安市的耦合协调度变化分别为勉强协调到良好协调、初级协调到良好协调以及初级协调到中级协调，而3个城市耦合协调度在后期均超越匹配度，达到理想协调状态。影响协调度的主要障碍因子为洪水资源利用潜力、森林覆盖率以及洪水资源量，且对于3个系统的障碍度分析，3个城市各自有不同的主导影响因素，徐州市复合系统耦合协调度主要受水资源利用影响较大，宿迁市受经济社会影响较大，而淮安市则受生态环境影响较大，因此，各市应当合理利用水库及蓄滞洪区的削峰、调蓄能力，增加洪水资源可利用量，提高洪水资源利用效率，降低洪灾发生频率，在保证经济和生态用水效率的同时，减少因洪灾带来的经济及生态损失。
2024, 22(5):896-908.
摘要:
江水北调工程以向江苏境内工农业及城乡生活供水为主，同时保障改善洪泽湖、骆马湖生态，但工程运行现状存在运行成本高、湖泊弃水量大等不足。为此，采用模拟和优化技术相结合的方式，以供水缺额最小、湖泊水位超限制最小和泵站运行成本最低为优先级设定目标函数，构建江水北调工程年水量调度概化模型，开展不同水平年、不同补湖水位以及高水低用3种调度情景分析。结果表明：骆马湖调蓄库容小，调水运行期使得水位波动频繁，中运河泵站会同频开启补湖，且容易达到输水能力上限；适当降低洪泽湖补湖水位，可充分利用湖泊富余水量，使调水成本降低；完全禁止骆马湖高水低用会加重洪泽湖以下梯级线路供水任务的运行负担，同时增加骆马湖的弃水量，适当允许高水低用可使成本减小，减少泵站抽水任务。建立的模型以及相关研究成果可为江水北调工程调度运行提供一定参考。
江水北调工程以向江苏境内工农业及城乡生活供水为主，同时保障改善洪泽湖、骆马湖生态，但工程运行现状存在运行成本高、湖泊弃水量大等不足。为此，采用模拟和优化技术相结合的方式，以供水缺额最小、湖泊水位超限制最小和泵站运行成本最低为优先级设定目标函数，构建江水北调工程年水量调度概化模型，开展不同水平年、不同补湖水位以及高水低用3种调度情景分析。结果表明：骆马湖调蓄库容小，调水运行期使得水位波动频繁，中运河泵站会同频开启补湖，且容易达到输水能力上限；适当降低洪泽湖补湖水位，可充分利用湖泊富余水量，使调水成本降低；完全禁止骆马湖高水低用会加重洪泽湖以下梯级线路供水任务的运行负担，同时增加骆马湖的弃水量，适当允许高水低用可使成本减小，减少泵站抽水任务。建立的模型以及相关研究成果可为江水北调工程调度运行提供一定参考。
2024, 22(5):909-919.
摘要:
为精准模拟一维水动力学过程，基于明渠非恒定流的水动力模型，提出耦合改进考斯加科夫（Kostiakov）公式，考虑实际河道渗漏损失动态变化。在同一时间步长上，将水动力模型计算流量作为损失模型流量边界条件，通过损失经验参数a和b计算得出此时间步长河道损失量，对水动力河道损失参数进行实时修正。以永定河流域2022—2024年4场实测补水数据对模型精度进行检验，分析海河“23?7”流域性特大洪水（简称“23?7”洪水）前后永定河河道生态变化特点。结果表明：该模型在永定河流域具有良好适用性，相对误差的绝对值最小为0.004，最大为0.218；“23?7”洪水对永定河河道冲刷作用明显，河道形状发生明显改变，河道糙率与河道下渗损失较洪水冲刷前均减小，永定河下游流域较洪水冲刷前以小流量补水即可实现全流域通水，可为永定河下游生态调水提供参考。
为精准模拟一维水动力学过程，基于明渠非恒定流的水动力模型，提出耦合改进考斯加科夫（Kostiakov）公式，考虑实际河道渗漏损失动态变化。在同一时间步长上，将水动力模型计算流量作为损失模型流量边界条件，通过损失经验参数a和b计算得出此时间步长河道损失量，对水动力河道损失参数进行实时修正。以永定河流域2022—2024年4场实测补水数据对模型精度进行检验，分析海河“23?7”流域性特大洪水（简称“23?7”洪水）前后永定河河道生态变化特点。结果表明：该模型在永定河流域具有良好适用性，相对误差的绝对值最小为0.004，最大为0.218；“23?7”洪水对永定河河道冲刷作用明显，河道形状发生明显改变，河道糙率与河道下渗损失较洪水冲刷前均减小，永定河下游流域较洪水冲刷前以小流量补水即可实现全流域通水，可为永定河下游生态调水提供参考。
2024, 22(5):920-926.
摘要:
为解决随机森林方法经验性选取预测因子时存在的错误发现率问题，引入多重假设检验领域控制错误发现率的方法对预测因子的筛选进行质量控制，将因子筛选由经验依赖转化为数据依赖，从而提出一种基于多重假设检验的随机森林方法长期降水预测方法。以巴西巴拉那河上游流域为研究区，利用逐月气候系统指数，应用提出的方法对研究区2018—2020年54个雨量站点的逐月降水量进行模拟预测、检验和交叉验证。结果表明：与传统的随机森林方法相比，该方法预报精度更高，对不同站点1—12月的预测平均合格率达到64%，其中6月预测合格率达到84%，表明该方法可以作为流域长期降水预测的有效工具之一。
为解决随机森林方法经验性选取预测因子时存在的错误发现率问题，引入多重假设检验领域控制错误发现率的方法对预测因子的筛选进行质量控制，将因子筛选由经验依赖转化为数据依赖，从而提出一种基于多重假设检验的随机森林方法长期降水预测方法。以巴西巴拉那河上游流域为研究区，利用逐月气候系统指数，应用提出的方法对研究区2018—2020年54个雨量站点的逐月降水量进行模拟预测、检验和交叉验证。结果表明：与传统的随机森林方法相比，该方法预报精度更高，对不同站点1—12月的预测平均合格率达到64%，其中6月预测合格率达到84%，表明该方法可以作为流域长期降水预测的有效工具之一。
2024, 22(5):927-936.
摘要:
河流生态系统服务价值核算可为确定河道生态流量以及分析生态补水的效益提供重要参考。选择汾河为典型研究对象，考虑汾河水库、义棠、河津等6个干流水文站的断面形状、河道坡降和糙率等河道参数，基于水力学原理和生态系统服务价值核算方法，开展不同流量下的河流生态系统服务价值变化规律研究。结果表明：河流生态系统服务价值随流量的增加呈逐步减缓的上升趋势，而单方水的河流生态系统服务价值随流量的增加呈逐步减缓的下降趋势；按照汾河枯水期流量不低于15 m3/s的保障要求进行生态补水，需要年引黄水量6亿m3，可带来生态效益52.44亿元/a。研究结果可为生态与经济用水的竞争权衡、河道生态流量的确定和保障提供科学依据。
河流生态系统服务价值核算可为确定河道生态流量以及分析生态补水的效益提供重要参考。选择汾河为典型研究对象，考虑汾河水库、义棠、河津等6个干流水文站的断面形状、河道坡降和糙率等河道参数，基于水力学原理和生态系统服务价值核算方法，开展不同流量下的河流生态系统服务价值变化规律研究。结果表明：河流生态系统服务价值随流量的增加呈逐步减缓的上升趋势，而单方水的河流生态系统服务价值随流量的增加呈逐步减缓的下降趋势；按照汾河枯水期流量不低于15 m3/s的保障要求进行生态补水，需要年引黄水量6亿m3，可带来生态效益52.44亿元/a。研究结果可为生态与经济用水的竞争权衡、河道生态流量的确定和保障提供科学依据。
2024, 22(5):937-945,958.
摘要:
城市供水管网运行的优化调度对于实现系统节能降耗至关重要。针对传统方法寻优效果差、实用性不高的问题，引入基于水塔时变控制水位的调度规则，在含多水塔的供水管网内探究最经济的多泵站联合调度机制。选用分时水泵状态、固定水塔水位和时变水塔水位为决策变量，分别构建电费最低且水压冗余度最低的多目标优化调度模型，采用第二代非支配排序遗传算法求解。结果表明：基于时变控制水位的调度规则更具经济效益，至少节约4.93%的成本；与分时调度计划相比，优化求解更高效，在非固定时段内实现运行状态的灵活切换；相较于固定控制水位，采取更低的控制水位下界，能有效降低高峰电价时段的水塔蓄存量。
城市供水管网运行的优化调度对于实现系统节能降耗至关重要。针对传统方法寻优效果差、实用性不高的问题，引入基于水塔时变控制水位的调度规则，在含多水塔的供水管网内探究最经济的多泵站联合调度机制。选用分时水泵状态、固定水塔水位和时变水塔水位为决策变量，分别构建电费最低且水压冗余度最低的多目标优化调度模型，采用第二代非支配排序遗传算法求解。结果表明：基于时变控制水位的调度规则更具经济效益，至少节约4.93%的成本；与分时调度计划相比，优化求解更高效，在非固定时段内实现运行状态的灵活切换；相较于固定控制水位，采取更低的控制水位下界，能有效降低高峰电价时段的水塔蓄存量。
2024, 22(5):946-958.
摘要:
为有效求解跨流域水资源多目标优化调配问题，提出一种改进多目标布谷鸟算法（improved multi-objective cuckoo search algorithm，IMOCS）。针对多目标布谷鸟优化算法（multi-objective cuckoo search algorithm，MOCS）收敛速度慢、容易陷入局部最优解的缺点，引入混沌理论和变异机制，采用自适应发现概率和步长改进MOCS，形成IMOCS算法。以南水北调东线工程江苏段为例，构建跨流域水资源多目标调配模型，分别采用IMOCS和MOCS求解模型，并运用基于组合赋权的非负矩阵分解法对2种算法所得的Pareto解集进行评价。结果表明：IMOCS在收敛性、多样性和综合性能方面优于MOCS，能够得到更高质量的Pareto解集；相较于50%、75%和95%来水频率下的MOCS所求解的最优配置方案，IMOCS所求解的最优配置方案缺水总量减少0.21亿、0.51亿和0.07亿m3，损失水量分别减少了0.13亿、1.53亿和1.11亿m3。因此，IMOCS可为跨流域水资源多目标优化配置计算提供有效的算法参考。
为有效求解跨流域水资源多目标优化调配问题，提出一种改进多目标布谷鸟算法（improved multi-objective cuckoo search algorithm，IMOCS）。针对多目标布谷鸟优化算法（multi-objective cuckoo search algorithm，MOCS）收敛速度慢、容易陷入局部最优解的缺点，引入混沌理论和变异机制，采用自适应发现概率和步长改进MOCS，形成IMOCS算法。以南水北调东线工程江苏段为例，构建跨流域水资源多目标调配模型，分别采用IMOCS和MOCS求解模型，并运用基于组合赋权的非负矩阵分解法对2种算法所得的Pareto解集进行评价。结果表明：IMOCS在收敛性、多样性和综合性能方面优于MOCS，能够得到更高质量的Pareto解集；相较于50%、75%和95%来水频率下的MOCS所求解的最优配置方案，IMOCS所求解的最优配置方案缺水总量减少0.21亿、0.51亿和0.07亿m3，损失水量分别减少了0.13亿、1.53亿和1.11亿m3。因此，IMOCS可为跨流域水资源多目标优化配置计算提供有效的算法参考。
2024, 22(5):959-966,977.
摘要:
针对复杂工况下水泵机电运行参数趋势预测的问题，建立基于多任务学习(multi-task learning，MTL)和注意力机制(attention mechanism，AM)的水泵机电运行参数趋势预测模型。充分利用历史工况数据，使用多任务学习分析方法，寻找历史工况数据的共同特征；在预测新工况数据变化趋势时，引入注意力机制动态分配共同特征映射时的权重系数，突出关键共同特征，提升模型的预测精度；根据模型监测统计量阈限分析，建立机组运行监测多级预警模型，优化运维管理策略。以某泵站机组实际运行工况数据进行测试并与不同模型计算结果进行对比分析，结果表明：与传统单任务学习和静态共同特征映射权重的模型相比，基于多任务学习和注意力机制的模型，其统计量T2和Q均未超过95%和99%的控制限，表明该预测模型具有很好的稳定性和准确性。
针对复杂工况下水泵机电运行参数趋势预测的问题，建立基于多任务学习(multi-task learning，MTL)和注意力机制(attention mechanism，AM)的水泵机电运行参数趋势预测模型。充分利用历史工况数据，使用多任务学习分析方法，寻找历史工况数据的共同特征；在预测新工况数据变化趋势时，引入注意力机制动态分配共同特征映射时的权重系数，突出关键共同特征，提升模型的预测精度；根据模型监测统计量阈限分析，建立机组运行监测多级预警模型，优化运维管理策略。以某泵站机组实际运行工况数据进行测试并与不同模型计算结果进行对比分析，结果表明：与传统单任务学习和静态共同特征映射权重的模型相比，基于多任务学习和注意力机制的模型，其统计量T2和Q均未超过95%和99%的控制限，表明该预测模型具有很好的稳定性和准确性。
2024, 22(5):967-977.
摘要:
高寒地区年平均气温低、昼夜温差大，拱坝易产生温度裂缝，从筑坝材料源头就降低温升，可进一步降低拱坝开裂风险。开展中、低热水泥混凝土拱坝温度场、应力场的对比分析；进行低热水泥混凝土拱坝温控措施优化比选；形成适合高寒地区低热水泥混凝土拱坝的温控防裂方案。结果表明：低热比中热水泥混凝土拱坝最高温度低4.0 ℃左右，应力最大值低0.7 MPa左右，安全系数从2.48提升到3.65；低热水泥混凝土拱坝可放宽约束区冷却水管间距至1.5 m×1.5 m，强约束区浇筑层厚可从1.5 m放宽至3.0 m，坝体表面流水措施可取消，夏季浇筑温度可放宽至16.0 ℃，冬季实现常温浇筑；脱离约束区，高温季节5—9月浇筑温度可放宽至18.0 ℃，层厚对大坝最高温度及应力影响较小，因此可放宽至6.0 m；大坝采用全年永久保温，等效放热系数取β≤ 3.05 kJ/（m2?h?℃）。研究结果验证了低热水泥混凝土拱坝抗裂性能的优势，给出高寒地区温控优化措施，实现大坝快速施工，进一步降低了温控和施工成本。
高寒地区年平均气温低、昼夜温差大，拱坝易产生温度裂缝，从筑坝材料源头就降低温升，可进一步降低拱坝开裂风险。开展中、低热水泥混凝土拱坝温度场、应力场的对比分析；进行低热水泥混凝土拱坝温控措施优化比选；形成适合高寒地区低热水泥混凝土拱坝的温控防裂方案。结果表明：低热比中热水泥混凝土拱坝最高温度低4.0 ℃左右，应力最大值低0.7 MPa左右，安全系数从2.48提升到3.65；低热水泥混凝土拱坝可放宽约束区冷却水管间距至1.5 m×1.5 m，强约束区浇筑层厚可从1.5 m放宽至3.0 m，坝体表面流水措施可取消，夏季浇筑温度可放宽至16.0 ℃，冬季实现常温浇筑；脱离约束区，高温季节5—9月浇筑温度可放宽至18.0 ℃，层厚对大坝最高温度及应力影响较小，因此可放宽至6.0 m；大坝采用全年永久保温，等效放热系数取β≤ 3.05 kJ/（m2?h?℃）。研究结果验证了低热水泥混凝土拱坝抗裂性能的优势，给出高寒地区温控优化措施，实现大坝快速施工，进一步降低了温控和施工成本。
2024, 22(5):978-986.
摘要:
开展泵站节能降耗优化模型算法研究、实现泵站经济运行具有重要的现实意义。动态规划法在泵站优化调度模型求解中较为常用，针对动态规划法决策变量离散处理对精度的影响，引入决策变量在可行域内随机生成并不断更新的粒子群算法，并提出“Sobol序列优化初始种群+实时调整惯性权重+正余弦替代学习因子”多策略融合的改进方法，通过4种基准函数性能测试，验证了改进粒子群算法在搜索能力和计算精度上有显著提升。在此基础上，将改进粒子群算法应用于某大型调水泵站以耗电费用最小为目标的单机组变速优化模型求解中，得到不同时段的最优决策方案及相应的目标最优值，并与动态规划法计算结果进行对比，2种方法最优决策过程基本一致，最优目标值精度相当。结果表明：粒子群算法组合改进策略是可行的，计算结果是可靠的，可以作为泵站优化调度模型求解的一种有效方法。
开展泵站节能降耗优化模型算法研究、实现泵站经济运行具有重要的现实意义。动态规划法在泵站优化调度模型求解中较为常用，针对动态规划法决策变量离散处理对精度的影响，引入决策变量在可行域内随机生成并不断更新的粒子群算法，并提出“Sobol序列优化初始种群+实时调整惯性权重+正余弦替代学习因子”多策略融合的改进方法，通过4种基准函数性能测试，验证了改进粒子群算法在搜索能力和计算精度上有显著提升。在此基础上，将改进粒子群算法应用于某大型调水泵站以耗电费用最小为目标的单机组变速优化模型求解中，得到不同时段的最优决策方案及相应的目标最优值，并与动态规划法计算结果进行对比，2种方法最优决策过程基本一致，最优目标值精度相当。结果表明：粒子群算法组合改进策略是可行的，计算结果是可靠的，可以作为泵站优化调度模型求解的一种有效方法。
2024, 22(5):987-996.
摘要:
为研究碾压混凝土劈裂过程中层面裂缝演化规律，对不同砂浆处理的碾压混凝土开展劈裂抗拉试验，分析试件破坏形态和不同龄期的劈裂抗拉强度，结合数字图像相关（digital image correlation，DIC）技术观测碾压混凝土劈裂过程中层面裂缝发展规律，获取裂缝相关参数，包括裂缝宽度、裂缝扩展速率，并测定层面附近的显微硬度，分析裂缝扩展速率与显微硬度的关系。结果表明：砂浆处理可以有效提高层面结合效果和劈裂抗拉强度，降低裂缝扩展速率；层面裂缝发展过程分为初始、萌生、扩展、贯通4个阶段，扩展速率在贯通阶段呈陡增趋势，未处理试件的裂缝宽度最大；层面显微硬度明显低于上下层，砂浆处理能增强层面显微硬度，层面显微硬度与裂缝扩展速率、劈裂抗拉强度的决定系数R2均在0.9以上，相关性较高。
为研究碾压混凝土劈裂过程中层面裂缝演化规律，对不同砂浆处理的碾压混凝土开展劈裂抗拉试验，分析试件破坏形态和不同龄期的劈裂抗拉强度，结合数字图像相关（digital image correlation，DIC）技术观测碾压混凝土劈裂过程中层面裂缝发展规律，获取裂缝相关参数，包括裂缝宽度、裂缝扩展速率，并测定层面附近的显微硬度，分析裂缝扩展速率与显微硬度的关系。结果表明：砂浆处理可以有效提高层面结合效果和劈裂抗拉强度，降低裂缝扩展速率；层面裂缝发展过程分为初始、萌生、扩展、贯通4个阶段，扩展速率在贯通阶段呈陡增趋势，未处理试件的裂缝宽度最大；层面显微硬度明显低于上下层，砂浆处理能增强层面显微硬度，层面显微硬度与裂缝扩展速率、劈裂抗拉强度的决定系数R2均在0.9以上，相关性较高。
2024, 22(5):997-1006.
摘要:
针对当前研究在处理复杂指标体系中指标间相关性不足以及指标筛选机制缺乏明确性的问题，从整体指标体系转化与逐个指标删减2个维度出发，采用统一流形逼近与投影（uniform manifold approximation and projection，UMAP）以及卷积神经网络（convolutional neural networks，CNN）技术，开展复杂水工闸门安全评价指标体系降维研究。构建水工闸门安全评价的初始指标体系，在分析指标相关性的基础上，使用UMAP对原始指标体系进行降维处理；提出一种基于指标值离散化的CNN训练样本生成方法，引入相对变化幅度和敏感度两个指标，以定量评估指标本身及其相对变化对闸门安全综合评价结果的影响，筛选关键评价指标；基于沙坪二级水电站中孔闸门的监测数据，对评价指标体系降维前后的结果进行对比验证，并从多角度探讨2种评价指标体系降维方法的差异及其各自的优缺点。提出的基于UMAP、CNN技术的2种方法不仅实现了复杂水工闸门安全评价指标体系的有效降维，而且为水工闸门安全综合评价与预警提供了重要的前置工具，为相关领域的研究提供了新的视角。
针对当前研究在处理复杂指标体系中指标间相关性不足以及指标筛选机制缺乏明确性的问题，从整体指标体系转化与逐个指标删减2个维度出发，采用统一流形逼近与投影（uniform manifold approximation and projection，UMAP）以及卷积神经网络（convolutional neural networks，CNN）技术，开展复杂水工闸门安全评价指标体系降维研究。构建水工闸门安全评价的初始指标体系，在分析指标相关性的基础上，使用UMAP对原始指标体系进行降维处理；提出一种基于指标值离散化的CNN训练样本生成方法，引入相对变化幅度和敏感度两个指标，以定量评估指标本身及其相对变化对闸门安全综合评价结果的影响，筛选关键评价指标；基于沙坪二级水电站中孔闸门的监测数据，对评价指标体系降维前后的结果进行对比验证，并从多角度探讨2种评价指标体系降维方法的差异及其各自的优缺点。提出的基于UMAP、CNN技术的2种方法不仅实现了复杂水工闸门安全评价指标体系的有效降维，而且为水工闸门安全综合评价与预警提供了重要的前置工具，为相关领域的研究提供了新的视角。
2024, 22(5):1007-1015.
摘要:
研究大方量砂土的改良，综合考虑材料易得性、工程造价需求，采用黏粒含量较低的黄土对砂土进行改良，并深入探究应力场与渗流场的耦合作用，为实际工程中类似工况提供一种相对经济而且有效的改良方法。以晋中地区砂土为研究对象，借助应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪，探究黄土对砂土应力-渗流耦合关系的影响，分析多因素耦合下砂土强度和渗透性的变化。结果表明：在剪切过程中，砂土的强度随含水率增大而减小，随围压的增大而减小，其受黄土掺量影响最大；砂土渗透性随应力变化而变化，渗透系数随着轴向应力的增大而减小，且砂土渗透系数随着黄土掺量的增大出现数量级的下降。根据砂土应力-渗流耦合试验所提供的数据分析，证明掺入当地黄土对于改善砂土性质的有效性。尽管当地黄土和黏土在黏性上有一定差异，但其在强度、渗透性等方面的特性依旧能够取得类似的改良效果。
研究大方量砂土的改良，综合考虑材料易得性、工程造价需求，采用黏粒含量较低的黄土对砂土进行改良，并深入探究应力场与渗流场的耦合作用，为实际工程中类似工况提供一种相对经济而且有效的改良方法。以晋中地区砂土为研究对象，借助应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪，探究黄土对砂土应力-渗流耦合关系的影响，分析多因素耦合下砂土强度和渗透性的变化。结果表明：在剪切过程中，砂土的强度随含水率增大而减小，随围压的增大而减小，其受黄土掺量影响最大；砂土渗透性随应力变化而变化，渗透系数随着轴向应力的增大而减小，且砂土渗透系数随着黄土掺量的增大出现数量级的下降。根据砂土应力-渗流耦合试验所提供的数据分析，证明掺入当地黄土对于改善砂土性质的有效性。尽管当地黄土和黏土在黏性上有一定差异，但其在强度、渗透性等方面的特性依旧能够取得类似的改良效果。
2024, 22(5):1016-1028.
摘要:
为研究天津平原地下水的水化学特征和碳酸盐风化碳汇特征的时空演变，在研究区内利用2020—2022年的采样数据分别进行ArcGIS反距离权重空间演化分析、聚类分析以及SPSS数据统计分析等工作。研究表明：在时空演化特征方面，2020—2022年Na+和Cl?的质量浓度呈现逐年增加趋势，地下水中的咸水含量逐渐增加，其中在116°63′E～116°84′E、117°12′E～117°47′E最为显著，Ca2++Mg2+与HCO?3+SO24?的质量浓度比值均大于1，天津平原地下水的咸水Ca2++Mg2+与HCO?3+SO2-4的毫克当量浓度比值均小于1；在天津平原地下水阴阳离子的空间分布中，地下水中的阳离子Na+、Ca2+的质量浓度区间分别为[104.00，4 812.21] mg/L、[38.30，713.67] mg/L，阴离子Cl?、HCO?3的质量浓度区间分别为[73.60，11 282.49] mg/L、[78.00，539.46] mg/L；在海咸水入侵的影响方面，通过对比和分析地下水中的Cl?和其他离子（Na+、Ca2+）质量浓度比例发现，靠近滨海区域，地下水的咸化程度较高，进一步实证分析发现海水入侵对地下水化学组成有显著影响Δ[Na+]=4 708.21 mg/L，Δ[Cl?]=11 208.89 mg/L）；在碳酸盐风化碳汇特征分析方面，天津平原西部地区的地下水碳酸盐风化碳汇量减少，而东部地区的地下水碳酸盐风化碳汇量增加，其中Ca2+、Mg2+的质量浓度对碳酸盐风化碳汇具有显著的正向影响（B[Ca2+]=0.910，P=0.03；B[Mg2+]=0.312，P=0.09）。
为研究天津平原地下水的水化学特征和碳酸盐风化碳汇特征的时空演变，在研究区内利用2020—2022年的采样数据分别进行ArcGIS反距离权重空间演化分析、聚类分析以及SPSS数据统计分析等工作。研究表明：在时空演化特征方面，2020—2022年Na+和Cl?的质量浓度呈现逐年增加趋势，地下水中的咸水含量逐渐增加，其中在116°63′E～116°84′E、117°12′E～117°47′E最为显著，Ca2++Mg2+与HCO?3+SO24?的质量浓度比值均大于1，天津平原地下水的咸水Ca2++Mg2+与HCO?3+SO2-4的毫克当量浓度比值均小于1；在天津平原地下水阴阳离子的空间分布中，地下水中的阳离子Na+、Ca2+的质量浓度区间分别为[104.00，4 812.21] mg/L、[38.30，713.67] mg/L，阴离子Cl?、HCO?3的质量浓度区间分别为[73.60，11 282.49] mg/L、[78.00，539.46] mg/L；在海咸水入侵的影响方面，通过对比和分析地下水中的Cl?和其他离子（Na+、Ca2+）质量浓度比例发现，靠近滨海区域，地下水的咸化程度较高，进一步实证分析发现海水入侵对地下水化学组成有显著影响Δ[Na+]=4 708.21 mg/L，Δ[Cl?]=11 208.89 mg/L）；在碳酸盐风化碳汇特征分析方面，天津平原西部地区的地下水碳酸盐风化碳汇量减少，而东部地区的地下水碳酸盐风化碳汇量增加，其中Ca2+、Mg2+的质量浓度对碳酸盐风化碳汇具有显著的正向影响（B[Ca2+]=0.910，P=0.03；B[Mg2+]=0.312，P=0.09）。
2024, 22(5):1029-1040.
摘要:
通过对相关文献的研究梳理，归纳常用的水能、风能、太阳能资源评估指标及方法，总结历史时期气候变化对我国水能、风能和太阳能资源的影响以及未来气候变化背景下我国水能、风能、太阳能资源的变化。水能、风能、太阳能资源的评估方法均可归纳为基于观测的评估方法、基于数值模式的评估方法、基于卫星遥感的评估方法及基于再分析资料的评估方法。在未来气候变化背景下，现有研究大多认为未来我国水能资源将会增加，风能及太阳能资源将会减少，而且存在时空异质性，气候变化将影响以水能、风能和太阳能为主的可再生能源的开发利用。为应对气候变化带来的不利影响，未来应加强水能、风能和太阳能资源评估指标体系研究，推动水能、风能、太阳能资源评估基础数据库及通用化资源评估软件系统建设，统筹推进未来气候变化背景下水能、风能、太阳能资源评估及水能、风能、太阳能发电的中长期预报/预测研究。
通过对相关文献的研究梳理，归纳常用的水能、风能、太阳能资源评估指标及方法，总结历史时期气候变化对我国水能、风能和太阳能资源的影响以及未来气候变化背景下我国水能、风能、太阳能资源的变化。水能、风能、太阳能资源的评估方法均可归纳为基于观测的评估方法、基于数值模式的评估方法、基于卫星遥感的评估方法及基于再分析资料的评估方法。在未来气候变化背景下，现有研究大多认为未来我国水能资源将会增加，风能及太阳能资源将会减少，而且存在时空异质性，气候变化将影响以水能、风能和太阳能为主的可再生能源的开发利用。为应对气候变化带来的不利影响，未来应加强水能、风能和太阳能资源评估指标体系研究，推动水能、风能、太阳能资源评估基础数据库及通用化资源评估软件系统建设，统筹推进未来气候变化背景下水能、风能、太阳能资源评估及水能、风能、太阳能发电的中长期预报/预测研究。
微信公众号二维码
手机版网站二维码
南水北调与水利科技（中英文） ® 2025 版权所有
冀公网安备13010502002656号
冀公网安备13010502002656号 冀ICP备14004744号-5