DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 5. 公示语英译问题应对策略 纵观以上分析可知，公示语英译不仅要考虑作者和读者间的距离，更要注重源语言文化和译入语文化间的差异，以及具体的文本和情景，这样才能对文字进行恰当的选择和调整，优化翻译结果。在对公示语进行翻译时，对于原文中出现的信息，如果追求逐字翻译一一对应或是释义过多，译语往往僵化或是冗长累赘，无法被读者快速浏览并理解，不能达到公示语本应追求的交际目的，从而违背了交际翻译原则。 在实际英译过程中应当尽量规避这些因素的影响。为此笔者从以下几方面提出几点建议： 5.1. 翻译层面 所谓“术业有专攻”，选择专业译者进行公示语文本英译是保证公示语翻译正确的基础。译者是目的语译本产出的源头，专业的译者能从语言层面大大减少上述逐字翻译、翻译缺失、过载翻译等错误，同时从根源上避免单复数不规范、大小写不规范、拼写错误等问题。除寻求专业译者外，在翻译过程中应当注意： ① 避免套译。充分理解公示语表达的信息并了解其蕴藏的文化因素，以纽马克交际翻译理论为指导，以译语读者为中心，根据公示语文本类型的特点，采取对应的翻译策略，使译文最大限度地实现原文的交际意图和交际功能。 ② 适当舍取。对于公示语原文内容，在必要情况下，可进行适当的增加或删除，但这个行为必须在一定的范围内，切不可过于脱离于原文进行自我发挥。通过适当舍取，使得译文更便于读者理解，遵循交际翻译的原则，避免出现翻译过载或缺失现象。 ③ 增加回译的手段，即置身于目的语语境中重新审视译文，看译文所达到的效果是否与原文一致，从而检验翻译结果，进行优化。 5.2. 管理层面 公示语从翻译到标牌制作过程中，需要多个相关单位和部门的通力合作。由于不同的街道，商圈分属不同的单位管辖，所以在同意词汇的选择上应当规范化。在调研过程中发现有些场所采用的是英式英语，将地铁译为“Metro”；而另一些场所采用美式英语，将其译为“Subway”。有些地方将“大道”一词翻译为“Avenue”，而有些地方翻译的则是“Boulevard”。鉴于此类情况，需要相关政府做出统一的文件规定，使各部门能够有所遵循，为和谐统一的国际化环境建设做出贡献。 此外，在走访调查过程中，英文大小写不规范以及拼写错误问题极为普遍。“卫生间”标识下写着 “Restroo”，“机场”下方标注着“Ariport”的英文翻译，“无障碍电梯”的翻译写作“Accessable Elevator”。由于公示语的翻译的整个过程涉及到专业翻译人员的译本提供和标牌制作人员的后期制作，这种错误极有可能是后期制作人员在路标、指示牌等公示语标牌的制作过程中疏忽导致的。问题虽小，可正所谓“细节决定成败”，这类不规范问题将会使得武汉国际化形象大打折扣。无论是在来访中国的外国人眼里，还是在中国的英语学习者眼里，都会给城市整体的文化形象带来很大的负面影响。因此，在标牌制作过程中，应当加大监管力度，及时与标牌制作公司沟通，确保在制作环节不出现任何文字错误。
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user: 6. 结语 翻译得体的公示语将为武汉建设国际化都市的语言环境和人文环境添砖加瓦，实现现代化城市对外交流和发展的新要求。纽马克的交际翻译理论为公示语文本英译提供了良好的理论基础，在翻译过程要极力避免上述所提到的翻译僵化、信息缺失，翻译冗余等问题，从翻译和管理两个方面为武汉国际化形象建设作出贡献。同时积极鼓励公众参与武汉市的双语环境建设，共同营造国际语言氛围，从而切实方便外国友人的学习、工作和生活。
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user: 摘 要 油田开发进入高含水期，开发成本、地面投资、水处理投入及环境污染等压力日趋突出，同井注采工艺利用油井举升系统与井下油水分离技术相结合，实现井下油水分离及回注，缓解地面处理压力，降低处理设备投入和操作费用。同井注采工艺经过多年发展，围绕不同需求形成电潜泵同井注采工艺、螺杆泵同井注采工艺、有杆泵同井注采工艺及组合同井注采工艺等工艺技术系列。根据实际应用资料，分析了井下油水分离技术面临的技术难点及其应用过程中存在注入、封隔、堵塞、腐蚀与结垢等问题。与此同时，同井注采工艺仍在不断的改进与创新，为后期的应用与发展提供借鉴与参考。 关键词 :井下分离，旋流分离，重力分离 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 油田进入中高含水期，油井因含水上升带来诸多问题。在开采成本不断攀升、采出水处理规模不断增大，环保压力日趋突出等问题，导致油井过早地停产或废弃，处理设备投入和操作费用攀升。加拿大Centre for Engineering Inc. [ 1 ] 于1991年进行了井下油水旋流分离和同井回注研究，并于1994年首次在Alliance油田进行了名为“ESP AQWANOT” (井下分离)的工业试验并获得成功。井下增压泵与油水分离技术相结合，形成井下油水分离同井注采系统，有效降低高含水期油藏开发的投入与成本，成为解决上述问题有效途径。
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user: 2. 井下分离技术及其工作原理 同井采油注水技术，简称同井注采，是指在同一油井中，当存在两个或两个以上不同地层时，产出液由一层或多层产出，利用井下油水分离装置对采出液进行油水分离，将低含水产液举升至地面，高含水产液回注注入层，在同一井筒内同时实现注入与采出。井下油水分离系统包括许多组成部分，但最主要的包括两部分，即油水分离器和提供举升动力和注入动力的泵。根据井下分离原理的不同，井下油水分离器主要包括重力分离式(主要与有杆泵组合作业)和水力旋流器两类。动力泵包括潜油电泵、螺杆泵、有杆泵及其组合。其中，以潜油电泵和螺杆泵为动力泵的结构形式应用最为广泛，技术也最为成熟。同井注采工艺技术可降低无效产液，降低举升能耗和地面处理成本，使高含水区块实现经济生产，可以使因高含水关停的井恢复生产。 2.1. 旋流分离技术 旋流分离是将液流的高速切向直线运动在旋流分离器几何结构的约束下转变成强旋转运动。在离心力的作用下，两种混合在一起且不互溶的液体中，重相介质沿外旋流向下运移至底流口排出；轻相介质顺内旋流沿溢流口排出。常规水力旋流器的主体结构包括入口、旋流腔、锥段、溢流管和底流管等。 旋流分离器的分离效果受结构选型、结构参数、分散相含量、介质粘度、密度差、入口压力及流量等等多因素影响。国内外学者对旋流分离器优化开展大量的研究工作。在结构形式及结构参数优化方面，贺杰 [ 2 ] 等曾经针对液-液水力旋流器入口、旋流腔长度、锥角大小、溢流口直径及溢流管伸入长度等参数进行了大量的对比实验。袁惠新 [ 3 ]、Thew [ 4 ] 及褚良银等对溢流管结构开展优化。美国的Petty [ 5 ] 等提出了反向流水力旋流器的结构形式，利用旋流腔的顶部增加的旋流稳定器结构实现水力旋流器同向出液的问题。在操作参数研究方面，倪玲英 [ 6 ] 等针对分流比对水力旋流器压力降和压降比的影响进行了研究，影响旋流器油–水分离性能，认为分流比的合理选择非常重要。舒朝晖 [ 7 ] 等研究了旋流器入口流量与旋流器边壁油滴粒径变化。文和平 [ 8 ]、蒋明虎 [ 9 ] 等在实验研究中对旋流器的压力降、入口压力、出口压力等参数开展模拟分析。 2.2. 重力分离技术 重力沉降法是利用油水密度差和不互溶性，在静止或者层流状态下实现油滴、悬浮物与水的分离。其特点是对任何浓度的含油污水都能进行处理，但其处理出水往往达不到排放标准，一般作为初处理。该类方法设备结构简单，易操作，除油效果稳定，可去除水中的浮油、部分的分散油，对溶解油或乳化油不适用。 曲占庆 [ 10 ] 等对重力式井下油水分离器的分离原理进行了研究，分析了在重力油水分离器中影响分离器效果的因素后，根据重力基本分离原理和重力分离器设计原则试制出一种新型的重力式油水分离器，并且进行了室内模拟实验。对分离器结构参数和混合液流态对油水分离效果的影响进行了深入研究，实验得出不同流态下合理的分离器结构设计原则。韩洪升 [ 11 ]，崔海清 [ 12 ]，杨树人 [ 13 ] 等对多杯等流型油水分离器进行了深入的研究，根据室内实验和理论分析，分析影响分离器分离效果的主要因素，对分离器结构、沉降杯形状进行了优化，设计出新型多杯等流型油水分离器，该分离器分离效果明显，可以提高原油产量，降低含水率。
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user: 3. 国内外同井注采技术现状 3.1. 国外研究及应用现状 截止目前，国外许多大的石油公司开发了诸多井下油水分离设备以减少采油成本和处理采出水费用，如加拿大工程研究中心(C-FER)、美国Vortoil公司、美国Reda公司等。美国、法国、德国、加拿大及俄罗斯等国均进行同井注采工艺的理论研究和现场试验。自1994年由水力旋流分离器和电潜泵组成的同井注采工艺首次在Alliance油田试验时起，同井注采技术已进行多口井的现场试，般采用水力旋流式同井注采工艺和重力式同井注采工艺。Veil及Voss [ 14 ] 等人统计美国及加拿大同井注采工艺应用59口井。其中，三分之二的采用重力分离型井下分离器。统计井数中30口井生产层为碳酸盐岩层，24口井产层为砂岩地层。19个井下分离注入层位为碳酸盐岩层，32口井的注入层为砂岩。试验井中，19口井原油产量上升，12口井产量下降。采用水力旋流式油井产量增幅达432%~1162%。重力分离同井注采应用油井产量增长幅度从106%~233%。虽然国外在同井注采技术研发应用逐渐成熟，但是在应用同时也暴露出同井注采工艺管柱寿命、油水分离效果差、难以实现长期有效注入等问题。 3.2. 国内研究现状 从20世纪末开始就有部分高校及石油企业联合起来进行同井采注的项目研究。东北石油大学、中国石油大学(华东)、江汉石油机械研究所、大港油田设计院等在文献收集分析、基础理论及室内实验方面开展初步研究。胜利油田、中海油、辽河油田、大庆油田等均在同井注采工艺上开展相关研发与应用。但由于各自工艺需求及目标储层差异性，形成了不同特点的同井注采工艺。 2004年，胜利油田采用抽油机与水力旋流分离相结合进行一口同井注采井现场试验，该工艺初期见到了很好的效果，地面产液量降低，受效井增液变化明显。连续运转3个月后由于出砂严重、井口被冻、设备损坏和资金短缺等原因将整套系统起出。 2007年，河南新庄油田、渤海油田、冀东油田先后开展双电泵同井注采工艺试验。其中渤海油田在7寸套管生产井采用电潜泵与水力旋流分离相结合的注采工艺，现场试验4口井。 2012年至今，大庆油田依托863项目开展有杆泵同井注采，双螺杆泵同井注采及螺杆泵采电泵注的组合同井注采工艺，现场试验24井次以上，成为国内目前推广试验井数最多的油田。
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user: 4. 同井注采技术类型及其应用情况 常见井下油水分离系统按动力泵的选取不同可分为潜油电泵井下分离系统、螺杆泵井下分离系统和双流泵井下分离系统。其中，以潜油电泵和螺杆泵为动力泵的结构形式应用最为广泛，技术也最为成熟，可在现有设备基础上进行改造。近年来双液流泵的研发，也在国外井下油水分离系统中得到了一定的应用。下面依次对以潜油电泵、螺杆泵及双液流泵为动力泵的三大类井下油水分离系统的组成及工作原理进行简要介绍。 同井注采工艺在美国、加拿大、俄罗斯及我国应用报道较多，其中美国主要采用水力旋流与电潜泵组合的工艺，二俄罗斯发展螺杆泵注采为主的工艺，我国引进吸收条件下逐渐形成电潜泵、螺杆本及有杆泵三种动力主体的同井注采工艺。 4.1. 电潜泵同井注采工艺 电潜泵同井注采工艺适用于产液量较大的高含水油井，利用旋流式井下分离后经电泵举升和诸如底层，实现同井注采。根据电泵及电机数量不同，电潜泵/旋流分离器井下油水分离方案可分为以下三种。 4.1.1. 单泵单电机同井注采工艺 单泵单电机同井注采工艺由一个电潜泵、旋流分离器和封隔器等组成(图1)。经产层产出流体经电潜泵增压，进入井下水力旋流分离器实现油水分离，低含水产出液从旋流器上溢口进入油管并举升至地面；高含水产出液经底流口注入注水层位。该系统中注入和举升的能量均由同一台电泵提供。该工艺优点是结构相对简单，成本较低，但是由于产出液经电泵后易形成乳化，旋流分离效果不理想。 图1. 单泵单电机井下油水分离系统示意图 4.1.2. 双泵单电机同井注采工艺 双泵单电机系统由两个电潜泵、旋流分离器和封隔器等组成(图2)。一台电机驱动两个电泵。根据旋流器与注水泵的连接方式的不同可以分为两种方案，于旋流器的上游，则称压进式；若泵安装于旋流器的下游，则称为抽吸式。因此双泵单电机同井注采工艺包括两种：①产出流体进入下端注入泵经增压后进入旋流器分离，其低含水产出液进入上端采油泵举升到地面，高含水产出液直接注入注水层。②产出液旋流器分离，从旋流器上出口溢出低含水产出液进入上端采油泵举升至地面，旋流器底部流口流出的富高含水产出液进入下端注入泵增压后注入注水层。双泵工艺适用于排量高，举升能量要求大的深井。 4.1.3. 双泵双电机同井注采工艺 双泵双电机同井注采工艺采用两套电泵及两套电机(图3)。产出液经旋流器分离后，低含水产出液经上端采出泵举升至地面，高含水产出液经下端注入泵注入注水层。该工艺实现先旋流分离，后分别经两个不同的井下电潜泵增压，适用于深井及注入压力要求较高的高产液量井。 图2. 双泵单电机井下油水分离系统示意图 图3. 双泵双马达井下油水分离系统 4.2. 螺杆泵同井注采工艺 4.2.1. 单螺杆泵同井注采工艺 单螺杆泵同井注采工艺由采出螺杆泵、水力旋流器、注入螺杆泵、动力传递系统等组成(图4)。产出液经产出层产出，进入井下水力旋流器分离，在旋流分离器中低含水流体经旋流器上溢口经旁通管进入油管举升至地面。高含水流体经旋流器底流口进入动力泵增压注入注水层。 图4. 单螺杆泵同井注采工艺图 4.2.2. 双螺杆泵同井注采工艺 双螺杆泵同井注采工艺通过双层油管结构的井下多层封隔工艺管柱保证产层和注入层的封隔 [ 15 ]，利用联轴器带动条件下地面泵同时驱动两个同轴螺杆泵分别进行分离液的举升和回注。其具体结构见图5。 4.3. 有杆泵同井注采工艺 4.3.1. 重力分离 + 双作用泵同井注采工艺 双作用泵同井注采工艺采用井下封隔器将生产层和注入层由分隔，由一台双作用泵提供举升和注入能量。油井产出液在井筒中进行重力分离，使双作用泵的柱塞上部位于富含油区，下部位于富含水区。来自生产层的油水混合液在油套环形空间内利用重力沉降分离。上冲程时上泵腔举升浓集油，下泵腔吸入分离水(图6(a))；下冲程时上腔吸入浓集油，下腔在抽油杆柱及环空动液面压力作用下注分离水(图6(b))。 该系统适用于动液面高注入压力较低，生产层和注入层相距较大的油井。在使用中，除单作用泵存在的下行阻力外，还会产生由于上下柱塞面积差而引起的附加下行阻力。随着面积差的增大和沉没度的 减小，附加下行阻力将会增加。对于注水量或注入压力高和沉没度低的井容易发生抽油杆下部弯曲，下行阻力过大，下行困难而出现难以维持生产的情况。 图5. 双螺杆泵同井注采工艺图 图6. 双作用泵井下油水分离系统 4.3.2. 重力分离 + 双凡尔串联泵同井注采工艺 双凡尔串联泵同井注采工艺 [ 16 ] (图7)由双凡尔串联泵和封隔器组成。双凡尔串联泵中密封柱塞将泵体分为上下两个单作用泵，上下冲程中分别驱动泵体上下泵腔和凡尔工作。在重力分异条件下，上冲程过程中上泵吸入低含水产出液，下泵吸入高含水产出液。下冲程时上泵腔排出低含水产出液至地面，下泵腔排出高含水产出液至注入层。 该工艺中上下泵的柱塞直径相同，消除了柱塞面积差带来的附加阻力，但会增加上行悬点载荷。如减小下泵柱塞直径将会有助于提高注入压力，但会减小注入量。 图7. 双凡尔串联双泵系统 4.3.3. 旋流分离 + 双作用泵同井注采工艺 旋流分离双作用泵同井注采工艺由旋流分离器、抽油注水双作用泵组成(如图8)。产层产出液经液固分离固相，后经旋流分离成高含水产出液和低含水产出液。抽油注水双作用泵上冲程过程中吸入高含水产出液至泵体，排出低含水产出液至地面；下冲程过程中排出高含水产出液至注入层，吸入低含水产出液至泵体。 4.4. 螺杆泵采电潜泵注组合同井注采工艺 如图9，螺杆泵采电潜泵注组合同井注采工艺主要由采出螺杆泵、水力旋流器、倒置注入电泵等组成。该工艺采用电泵注入，提升注入液量与注入压力；注入与采出为两套独立系统，与分离设备可调配性能高，保证了高效分离。 图8. 旋流分离 + 双作用泵同井注采工艺 图9. 螺杆泵采电潜泵注组合同井注采工艺
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user: 5. 井下油水分离技术发展及应用的关键问题 同井注采技术因其具备降低采油成本，减少石油和天然气业务对环境影响，降低饮用水地下水源污染，节省地面投资方面等多方面的优势，但是因其应用过程中仍存在诸多制约，经多年发展仍未能大规模推广应用。 5.1. 井下油水分离技术研究面临的技术难点 井下油水分离同井回注技术是中高含水期解决水处理问题以及环境问题的关键技术之一。但是，由于涉及的系统较复杂，并且该项技术现在尚不能在油田推广使用，许多技术还尚有待于进一步完善。根据调研情况，在井下进行油水分离和同井回注也存在着诸多不足 1) 由于井下分离难以达到地面分离的效果，注入水中通常会含有目的层难以满足长期的注水水质达不到我国现行水质控制指标，应充分估计水中含油浓度和固体悬浮物超标对油田生产的长远影响。 2) 从实际应用来看，井下分离、同井回注的工作质量监控上还有待加强。其注入水含油浓度难以监测。 3) 井下分离设备安装后，油井生产和注水参数调节余地很小，尤其是单井注水压力及注水量可调控程度受限。 4) 由于完井和修井作业费用昂贵，所以应提高井内设备可靠性和使用寿命。另外，应对井筒内各种参数进行监控和自动调节，即研制一套完善的智能系统 [ 17 ] [ 18 ]。 5.2. 应用过程中失效原因分析 1) 注入问题 [ 19 ]。为了使同井注采工艺正常工作，注水层必须具有足够的渗透性和孔隙度。注水层的较差注入性，不匹配的流体注入或注入参数导致的砂粒运移等都是影响注入性的关键。 2) 封隔问题。为了保护产层及地下水，注入层上下的固井质量必须达到要求，以封隔上下的生产层或地下水。另外，隔层厚度较小时难以满足注水时引起层间压力差而形成窜层。 3) 堵塞问题。储层出砂、结垢等问题会带来注入储层的堵塞问题。 4) 腐蚀与结垢。矿场实践表明腐蚀和结垢问题广泛存在。 5) 设计缺陷。只有两名操作员报告了工具设计的问题。Chevron在Rangely矿场试验 [ 20 ] 表明由于泵选型偏小导致试验失败。Southward实验表明其分离室太短导致井下分离效果不理想。
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user: 6. 应用前景展望 1) 近年来国内外同井注采技术逐渐由早期试验开始推广应用，形成了以旋流分离及重力分析两种井下分离方式为主要分类的有杆泵同井注采工艺、电泵同井注采工艺、螺杆泵同井注采工艺以及螺杆泵和电泵组合同井注采工艺 2) 同井注采工艺在应用过程中表现出其局限性，研究者也正在研发新型的同井注采工艺，比如新型重力和聚结组合分离器 [ 21 ]，水力旋流器和改进泵送耦合系统 [ 22 ]，表面涂覆磁性纳米粒子提高井下油水分离效果 [ 23 ]，井下水锥控制技术 [ 24 ]，叶片式管道分离器 [ 25 ]，可应用于井下各种膜基油水分离技术 [ 26 ] 等。
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user: 7. 结论 1) 经多年发展，国内外发展了电潜泵、射流泵和有杆泵为动力，旋流分离和重力分离为分离方式的同井注采工艺。 2) 同井注采工艺在降低采油成本，减少石油和天然气业务对环境影响，降低饮用水地下水源污染，节省地面投资方面等多方面存在优势，具有较好的应用前景。 3) 受地质条件、油藏认识及工艺成熟度等影响，同井注采工艺仍存在诸多难点。但国内外研究者围绕关键问题持续攻关将为其应用提供更好的选择。
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user: 摘 要 在水电工程规划设计中，坝厂址等位置的水位流量关系曲线对于确定泄洪建筑物和消能建筑物的规模、厂房及水轮机组的安装高程、电站装机容量及发电量效益等指标的确定都具有重要的影响。但在多数水电项目的前期阶段，往往缺乏实测的水位、流量资料，只有河道的大断面资料、测时水面线及少数历史洪痕调查资料，各工程断面水位流量关系曲线往往利用上述资料根据水力学方法来推求；加之上述点位河道情况往往较为复杂，如何算出合理的成果显得比较困难和重要。本文结合工程设计实践，以工程河段河流流态较为复杂的非洲U国K水电站项目为案例，用曼宁公式、堰流公式、伯努利方程为工具，在缺乏实测水位、流量资料的前提下，推求工程坝址等特征断面水位流量关系曲线。文中的思路和方法，对于类似缺乏水文资料情况下确定水位流量关系曲线有较好的参考和借鉴作用。 关键词 :缺乏水文资料，复杂天然河道，水位流量关系曲线，曼宁公式，堰流公式 Copyright © 2020 by author(s) and Wuhan University. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 在水电工程规划设计中，往往需要推求坝址、厂址等断面处天然河道的水位流量关系曲线。这些位置的水位流量关系对于确定正常蓄水位、泄洪和消能建筑物的规模、厂房及水轮机组的安装高程、围堰高程、电站发电量等工程效益指标的确定都具有重要的影响。而一些中小河流由于处在交通不便的偏僻山区，距离水文站较远，往往缺乏实测水位、流量资料；即使临时设立水文观测站点，短期内也很难观测到高水和低水部分的实测点据，这些都给推求坝、厂址的水位流量关系曲线带来较大困难。 一般来讲，河道断面水位~流量关系曲线的推求常采用以下几种方法： 1) 利用上下游已有特征断面水位~流量关系成果。当水电站设计断面附近有已知水位流量关系曲线的参证河床断面(一般为水文站)时，在水电站与该断面之间增测若干河床横断面，利用伯努利能量方程推求设计断面的水位流量关系 [ 1 ]。 2) 水力学方法。用曼宁公式对位于顺畅河道中的断面进行计算；对于河道有纵向明显跌落(如跌砍、瀑布等)或横向明显缩放(如卡口、断面突变段)等，可将此处断面概化为无底坎宽顶堰，利用水力学堰流公式进行计算 [ 2 ]。当设计断面有实测水位资料，上下游断面有可供移用的流量资料时，可根据实测水位及移用流量资料拟定水位流量关系；也可根据水位相关移用上下游断面水位流量关系，特别注意区间流量的改正 [ 3 ]。 3) 长期测流拟定。在工程特征断面位置布置水尺并进行水位、流量数据的长期观测，以期通过实测数据来建立水位~流量关系。并利用如 A D 法、史蒂文森法等方法进行高水外延 [ 4 ]。 4) 明渠恒定均匀流推求。河床断面处水流按恒定均匀流考虑，利用明渠恒定均匀流公式推求工程点位处不同流量等级下的水位，并最终建立水位流量关系 [ 5 ]。在国外工程设计中，有时要求根据HEC-RAS软件计算河道水面线后推求所需断面的水位流量关系曲线 [ 6 ]。 工程区域实测水位、流量数据及历史洪调资料的数量、可靠性对水位流量关系的计算及成果质量有着直接影响 [ 7 ]。在水电工程的实际规划设计中，多数工程位置偏远，区域河道附近上下游往往无水文站点，各工程点位处往往缺乏实测水位、流量资料，通常只有河道的大断面资料及测时水面线、极少数历史洪调资料。项目前期有限的设计周期也制约了设站长期观测水位、流量后再拟定水位~流量关系曲线工作的开展 [ 8 ]。尤其在近30年的水电开发热潮中利用了大量宜开发点位后，后续待开发的水电项目将更多地面临在缺乏水文资料的复杂天然河道断面(坝厂址河段往往有瀑布、跌水、急滩，深潭、沙洲等影响水力学条件的地貌存在，尤其对于引水式电站)分析计算水位流量关系曲线的情形。 因此，如何结合工程实际，充分利用断面资料和极少数的水文资料，选择合适的水力学、水动力学方法和选用恰当的参数来推求复杂天然河道断面水位流量关系曲线就变得非常现实和重要。
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user: 2. 研究方法 可用于天然河道水位流量关系曲线计算的水力学、水动力学方法较多，在水电工程中应用较为广泛的一般有以下3种： 2.1. 曼宁公式 曼宁公式在计算天然河道的过流能力、水位流量关系曲线中，应用非常广泛和普遍。曼宁公式计算公式如下： Q = A n R 2 / 3 I 1 / 2 (1) 式中：Q为洪峰流量，m 3 /s；n为河道糙率；I为水面比降；A为有效过水断面面积，m 2 ；R为水力半径，m。 曼宁公式在计算山区性河道，尤其是在计算工程点位上下游一定范围内较为顺直的山区性河道的水位流关系曲线中有较好的效果。 2.2. 堰流公式 当具有自由表面的水流，流经闸墩、桥墩、围堰、涵洞的进口等形成侧向收缩时或天然河道断面由于明显缩窄等形成收缩时，可按宽顶堰流来分析，称为无底坎宽顶堰。其计算公式如下： Q = σ s σ c m n b 2 g H 0 3 / 2 (2) 式中： σ s 为侧收缩系数； σ c 为淹没系数；m为自由溢流的流量系数；b为每孔净宽；n为闸门孔数；H 0 为包括行进流速水头的堰上水头，即 H 0 = H + v 0 2 / 2 g 。 堰流公式在计算工程断面有一定横向收缩或断面下游为跌水、瀑布等情况的山区性河道的水位流关系曲线中有较好的效果。 2.3. 一维恒定非均匀渐变流计算 从缓流河道中水面线的特性可知，无论下游有壅水建筑物还是有跌水急滩，其上游的壅水或落水水面线，都是以河道天然水面线作为渐近线。利用河道水面线这些特性，只要将起推断面设置在离计算河段足够远处，中间河段沿程水力摩阻可以基本上消除起始断面水位假设的误差，如图1所示。若起推水位为人为假定时，一般需经过若干次试算。若图中所示的起推断面足够远，起算误差调整段较长，试算次数会较少，甚至一、两次即可满足要求；若起算误差调整段较短，则试算次数需较多 [ 9 ]。 图1. 恒定流水面线计算误差示意 笔者在工程实践中曾采用一维恒定非均匀渐变流，推算设计断面所在河段不同流量下的水面线或根据几个断面同时刻水位来反推对应流量，从而根据水面线计算成果拟定设计断面水位流量关系，然后用水文调查资料进行合理性分析定线。 此外，本方法还可用于无实测水文资料时断面的高水外延及上下游断面间水位流量关系曲线成果的合理性分析。
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user: 3. 应用实例 3.1. 流域及工程概况 非洲U国的K水电站是该国第一大河上规划开发7个梯级电站中的第三级。K水电站开发任务以发电为主，坝址处流域面积为336，000 km 2 ，水库总库容7987万m 3 ，调节库容4553万m 3 ，具有日调节能力。水电站采用长引水开发方式，尾水出口在坝址下游约10 km处。从坝址上游1 km至尾水出口处之间的河道中，有多处瀑布、跌水、急滩，沙洲等，河道断面及水流形态十分复杂。 3.2. 流域及工程概况 坝址以上流域降雨量较为丰沛，年降雨量在900~2000 mm之间。在坝址上游有受上游库容巨大的V湖和K湖的调节，径流的日内变化非常小，月内变化也一般不大；洪水的涨落幅度一般不大，洪水过程较为平缓均匀，洪水的年际变幅亦较小，历年实测年最大洪峰流量最大值为2298 m 3 /s仅为最小值632 m 3 /s的3.64倍。K电站坝址处各月多年平均流量、设计洪峰流量成果见表1、表2。 Table 1 The annual runoff distribution at K Power Statio 月份 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 年 平均流量 955 931 921 938 974 1010 1027 1051 1056 1036 1035 1003 995 百分比(%) 8.14 7.24 7.86 7.74 8.30 8.34 8.76 8.96 8.72 8.84 8.55 8.56 100 表1. K电站年内径流分配表 Table 2 The design flood peak flow at K Power Statio 重现期(年) 10，000 1000 500 100 50 25 洪峰流量(m 3 /s) 4660 3820 3560 2970 2720 2460 表2. K电站设计洪峰成果 K水电站在前期规划阶段只有工程区域各涉河点位河道大断面资料及测时水位，无测时水位对应的流量资料。 3.3. 水位流量关系曲线计算 3.3.1. 计算思路 在采用任何水力学方法进行断面水位流量关系曲线计算时，都需要对水力学公式中的参数进行率定，并对计算成果进行验证。对于K水电站项目，因无实测水文数据，故参阅相关水力学书籍粗选各断面糙率n、流量系数m等参数。然后假定不同的测时流量，并视断面间计算水位值与实测水位值的差别情况调整不同断面间的同一参数取值，直到几个断面的测时水面线所对应流量一致为止。 另外，宜采用至少两种方法来进行测时流量反推，减少技术方法或参数粗拟因素所造成的成果误差；在确定出测时水面线、洪痕所对应流量后，便可用这些水位、流量点据来进行水力学计算的参数率定和成果验证 [ 10 ]。 3.3.2. 反推测时流量 根据测量成果知，K电站所在河流在DM2断面(导流明渠入口)有一处落差约2.14 m的跌坎，在DM3断面(发电引水隧洞入口)有一处落差约1.93 m的跌坎，DM4断面(坝址)下游约30 m有一处落差约6.57 m的瀑布，DM2 (导流明渠入口上游)~DM4距离为388 m。此3处断面均可概化为水力学中的无底坎宽顶堰(自由出流或淹没出流)。此外，3处均为山区性河道天然断面，亦可用曼宁公式计算其水位流量关系曲线 [ 11 ]。 由于测量区域无较大支流汇入，各断面的测时流量基本一致，因此，可利用恒定流方程根据各个断面的测时水面线，推算测时流量，并以此流量来反推和优化3种方法中的相关参数。在用曼宁公式和堰流公式计算时，均应考虑河道中巨石、沙洲对过水断面的影响。 用曼宁公式计算时，查天然河道糙率表得此段河道糙率取值为0.055~0.085，计算得断面DM1~DM4的测时流量为1059~1066 m 3 /s，均值1064 m 3 /s。 用堰流公式计算时，流量系数据该断面及上下游河段形态，查水力学手册得取值为0.350~0.375，计算得出DM1~DM4的测时流量范围为1018~1125 m 3 /s，均值1077 m 3 /s。 用一维恒定流计算(作者选用MIKE 11水动力软件作为计算工具)时，以DM4断面的测时水位为下边界，以DM1断面的假定流量为上边界，给定不同试算流量直至DM1~DM3处模型计算水位与实测水位最为接近为止。由于本流域受上游维多利亚湖调蓄后，径流变化平缓，以水面线测量月份的平均流量作为试算起推流量。试算得出DM1~DM4的测时水面线流量范围为1027~1076 m 3 /s，平均值为1054 m 3 /s。 由上述计算结果可知，用3种不同原理、不同方法计算出来的测时水面线的流量较为接近，证明概化的堰流模型、曼宁公式及MIKE 11软件水动力模块的参数选取较为合理，计算结果有较高的可信度。最终选取MIKE 11软件恒定流模块所算出的测时水面线对应流量平均值1054 m 3 /s作为测时水面线流量。 3.3.3. 各断面水位流量关系曲线计算 1) 导流明渠入口(DM2) 分别用堰流公式和曼宁公式计算此断面水位流量关系曲线。根据测时水面线及其相应流量点据进行模型参数率定。两个公式中各参数选取情况如下： 堰流公式： 淹没系数：经计算，此断面堰上水头为H 0 为3.51 m，堰下水头hs为3.28 m，hs/H 0 = 0.934。查阅水力学手册得此处为淹没出流，为0.78； 流量系数：根据河道现场情况，查水力学手册中流量系数表，并结合实测点据成果，率定得0.365。 曼宁公式： 水力学比降：此段河道的水面比降同时受到DM1断面跌坎和DM4断面下游处瀑布的影响，断面比降取河段比降，即：(1027.28 − 1025.49)/387.9 = 0.0046； 糙率：据河道现场情况查阅糙率表，得其取值在0.05~0.07之间；据测时水面线实测流量点据，率定得其河道综合糙率为0.057。 2) 坝址断面(DM4) 分别用堰流公式和曼宁公式计算此断面水位流量关系曲线。根据测时水面线及其相应流量点据进行模型参数率定和成果验证。DM4断面两公式中各参数选取情况与DM2断面类似，在此不再赘述。 导流明渠入口(DM2)和坝址(DM4)由上述两种方法计算所得水位流量关系曲线见图2和图3。 图2. DM2断面水位流量关系曲线 图3. DM4断面水位流量关系曲线 3.3.4. 水位流量关系曲线成果选用 从图2可以看出，用曼宁公式和堰流公式所作出的导流明渠入口(DM2)水位流量关系曲线较为贴合，且都与实测点据拟合较好，能较好地反应出此处河道的过流形态。堰流公式成果略偏安全，推荐采用。 从图3可以看出，用曼宁公式和堰流公式所作出的坝址(DM4)水位流量关系均与实测点据拟合较好，但两条曲线在中高水部分逐渐分离，堰流公式水位略高于曼宁公式。DM4下游约30 m为一处落差约5 m的瀑布，DM4处水流流态受瀑布影响明显，从河道现场情况与水力学方法的符合性和工程安全性考虑，推荐采用堰流公式成果。 3.4. 水位流量关系曲线成果的验证与修订 上述方法只是在水电工程规划设计前期，基础资料较为匮乏情况下的一种相对合理的理论性方法，其在参数选取等环节均存在一定的主观性和理论性，得出的成果也缺乏实际资料进行验证。在U国的K水电项目中，随着项目的推进，勘测设计单位在工程特征点位处设立了水尺并进行流量观测。根据累积的实测水位、流量数据对利用水力学方法计算得出的水位流量关系曲线进行验证后发现，水位流量关系曲线的中水部分基本通过了实测点群，精度尚可；高水部分略低于实测点据，对此部分成果进行了抬高修正 [ 12 ]。
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user: 4. 结论与建议 1) 测量河道断面不等于有效过水断面 [ 13 ]。河道断面面积一般由外业测量人员根据测量任务书中标示位置测得，但受作业条件限制，工程特征断面处及其下游临近范围内河道中如沙洲、巨石、小岛等的地形往往不能完整的测到。因此，水文专业人员在确定断面有效过流面积时，还应扣除上述不过水部分面积 [ 14 ]。如是弯道河段，还应扣除凹岸边滩不过水区域面积。此外还应根据工程河段的纵断面图来判断工程特征点位处河段是否为深潭河段。若是，还应扣除深潭下部的不过流死水部分面积。 2) 过水断面糙率n应由行洪区域水流流态、河床质特征以及下垫面等条件综合分析确定。一般来说，河道中泓区域糙率较小，河床质光滑、植被稀疏区域糙率较小；反之，滩地区域、植被密集且高低起伏的行洪区域糙率则较大。河道低水部分的糙率大于中、高水部分的糙率，并在中高水部分最终趋于某一稳定值。 3) 水力学比降应不同流量级比较后综合选用。一般河道在低、中、高水时，其水面比降是不尽相同。在实际设计中，若缺乏不同流量等级的水面线测量成果作为计算依据，一般可采用测时水面线比降作为水位流量关系曲线低、中水部分的水面比降，历史洪痕所得的比降可作为高水部分的水面比降，低、中、高水部分的水面比降应考虑合理过渡。 4) 流量系数应结合实测率定值与查手册推荐值后综合选用。对于复杂山区性河道，中低水时一般较小，且有时还受淹没出流的影响，水位流量关系曲线相对较为陡峭。高水时一般流量系数较大，水位流量关系曲线相对较为平缓。流量系数的确定应主要依靠实测水位流量点据率定得到。水力学手册中天然规整明渠的流量系数取值推荐范围只宜作为参考。 5) 恒定流方法的误差可控。关于恒定流方程推求各断面测时水面线及其所对应流量可能有较大误差的疑虑，不能以水库回水末端上游河道的水位不受水库回水影响的常识加以消除。图4所示水面线为某工程设计的实例。由图4可见，起始断面水位即便是相差1 m的情况下，上游设计断面的水位仍保持稳定，只是在起始边界附近略有差别，这说明只要起始断面距离工程设计断面有一定的间隔，起始断面边界条件的一定误差不会影响到工程设计断面成果可靠性。 6) 实测数据最可靠。前文所述利用曼宁公式、堰流公式和MIKE 11水动力学模型等方法计算水电工程特征断面水位流量关系曲线，虽然根据笔者自身工程经验认为其精度在工程前期可接受，但对于工程投资较大、一旦失事后影响巨大的水电工程来讲并不够严谨。因此，在实际设计中利用本文提到的相关方法分析计算水位流 图4. 不同起始水位对水面线成果影响示意图 量关系曲线时，还应尽早尽快开展水文外业工作，对工程特征断面河道进行水位流量观测，以便对现有成果进行及时的验证和修订。
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user: 摘 要 洪水灾害是当今世界最为频发的自然灾害之一，而洪水灾害风险评价是防洪减灾的重要支撑。本文建立浑太胡同防洪保护区溃堤洪水灾害风险评价的方法框架，并对研究区因典型溃堤洪水导致的洪灾风险进行评价。首先，通过构建浑太胡同溃堤洪水演进二维数值模型，模拟分析了研究区内溃堤洪水的时空演变过程；其次，以栅格为评价对象，综合考虑研究区的实际情况，建立了溃堤洪水风险评价指标体系，并通过级差最大化合成法组合了指标的层次分析法权重和熵权法权重，得到了各评价指标的组合权重；最后，利用K-Means聚类算法对评价对象综合得分进行了聚类分析，最终得到了研究区发生典型溃堤洪水时的风险情况。结果表明，级差最大化合成法能够对研究区洪水风险进行合理区分，且能避免乘法合成法可能出现的“倍增效应”；当迟拓子与马家堡子组合溃口发生100年一遇的流量过程时，中等和较高洪灾风险区域占研究区总面积的89.64%。 关键词 :溃堤洪水，风险评价，HEC-RAS，指标体系，级差最大化 Copyright © 2020 by author(s) and Wuhan University. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 《减轻灾害风险全球评估报告》指出 [ 1 ]，到2050年，估计全球人口的40%将生活在经历过严重水患的江河流域，尤其是在非洲和亚洲。对地形复杂且自然灾害频发的中国而言，洪灾更是面临的最主要的自然灾害 [ 2 ]。特别是新中国成立以后，随着泛洪区人口、社会财富等不断的聚集，洪灾给我国造成了大量的人员伤亡和财产损失。据统计，1950~2011年期间，洪涝灾害导致我国近28万人死亡，房屋倒塌1.2亿间，直接经济损失约6万亿元，农作物成灾面积3.35亿公顷 [ 3 ]。然而，作为一种非工程措施，洪灾风险评价可以为减轻各种洪水灾害损失提供有力支撑。 近年来，国内众多学者在洪灾风险评价方面做了大量的研究 [ 4 ] [ 5 ]。根据这些研究所用数据的不同，其评价方法主要可分为如下四种 [ 2 ] [ 6 ]：基于历史灾情数理统计法、基于指标体系的加权指数法、基于情景模拟分析法和基于遥感数据分析法。虽然这些方法在识别洪灾风险中起到了一定的作用，但是，也都有着各自的应用局限性。例如：基于历史灾情数理统计法要求大量的历史灾情数据、不能反映洪灾风险的空间差异性；基于指标体系的加权指数法通常不考虑洪水的淹没特征，另外，指标权重的计算方法有很多种，比如常用的有层次分析法、熵权法等，这也一定程度上造成了评价指标权重的不确定性；基于情景模拟分析法不考虑承灾体和孕灾环境等。此外，对于上述方法来说，当前也没有统一的洪水风险等级区化标准。为了能够综合指标体系法和情景模拟的优点，改善指标权重，Hongshi Xu等人 [ 7 ] 在情景模拟的基础上，构建了风险评价指标体系，并应用乘法合成法组合了层次分析法权重和熵权法权重，提出了改进熵权法，计算了各评价指标的权重，最后以此评价了海口地区的城市洪水风险。但是，李刚等人 [ 8 ] 的研究表明乘法合成法在一定情况下会出现“倍增效应”。而由级差最大化合成法组合的主、客观权重既不会出现乘法合成法那样的“倍增效应”，又能对评价对象进行有效的区分。因此，本文拟构建综合考虑情景模拟结果的基于指标体系的洪灾风险评价方法，并通过级差最大化合成法求各评价指标的组合权重。 本文在现有研究的基础上，旨在从致灾因子、孕灾环境和承灾体三方面来构建综合考虑情景模拟结果的基于指标体系的溃堤洪水风险评价方法，并研究评价指标权重的计算方法，探索K-Means聚类算法在洪水风险等级区划中的应用，最后以此作为方法框架对浑太胡同进行溃堤洪水风险评价研究。结果表明，该方法方能够对洪灾风险进行有效的评价。
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user: 2. 研究区与数据 浑太胡同防洪保护区位于辽宁省，“浑太”指的是浑河和太子河，如图1所示，自小北河起到下游的三岔河，浑河和太子河大体呈平行状向西南流去，在两河的堤防间形成了一块封闭的类似胡同状的区域(以下简称：浑太胡同)，该区域的面积约为300 km 2 。 图1. 浑太胡同防洪保护区及河流示意图 浑太胡同涉及到的乡镇级行政单位包括辽阳县境内的小北河镇、唐马寨镇及海城市境内的高坨镇、温香镇。根据2012年的统计数据 [ 9 ]，区域内人口、经济等数据如表1所示： Table 1 Social and economic statistics of Hun-Tai flood prevention are 区域名称 所属县区 区域面积(km 2 ) 常住人口(人) 耕地面积(公顷) 农业产值(万元) 工业产值(万元) 服务业产值(万元) 小北河镇 辽阳县 134 45，937 8000 56，000 115，900 284，630.07 唐马寨镇 139 41，287 7936 48，171.52 45，259 143，027.80 高坨镇 海城市 59.33 24，532 3466.67 24，595 134，935 288，196.66 温香镇 140.27 23，854 13，779.42 97，761 0 280，231.66 表1. 浑太胡同防洪保护区社会经济数据 模型输入的数据主要有：DEM数据、糙率数据和入流边界条件。研究区的地形数据来源于松辽委，如图1所示，DEM的分辨率为30 m，本文对研究区域进行了网格剖分，共划分了大小平均约为10，000 m 2 的网格31，273个(下文所指的评价对象)；参考对研究区洪水模拟的已有成果及研究区的实际情况，将居民地、水田、旱田、树丛和空地5种不同土地利用类型的糙率值分别设置为0.070、0.050、0.060、0.065和0.035；对于入流边界条件，根据研究区堤坝和洪水特点，本次风险评价选取迟拓子与马家堡子组合溃口作为典型溃口，溃口位置如图1所示，并将组合溃口100年一遇的流量过程作为模型的入流边界条件。各溃口的流量过程如图2所示： 图2. 组合溃口100年一遇流量过程
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user: 3. 研究方法 本文基于指标体系和情景模拟的风险评价方法，首先，利用HEC-RAS软件构建研究区溃堤洪水演进模型来获取致灾因子指标，通过灾损评估得到承灾体洪灾经济脆弱性指标，并利用ArcGIS处理研究区地形数据得到孕灾环境指标；其次，由级差最大化合成法对层次分析法权重和熵权法权重进行优化组合，得到各评价指标的组合权重，并计算各评价对象的综合得分；最后，通过K-Means聚类算法对各评价对象的综合得分进行聚类分析，可得到研究区的洪水风险图。洪水灾害风险评价的思路如图3所示： 图3. 洪水灾害风险评价 3.1. 洪水二维演进数值模拟 蓄滞洪区的洪水要素分析方法可分为水文学法和水动力学法 [ 10 ]，其中，水文学法主要有时段单位线法、线性或非线性水库法等，而水动力学法可通过求解浅水方程来进行洪水演进模拟，浅水方程计算公式如下 [ 11 ]： 连续方程： ∂ H ∂ t + ∇ ⋅ h V + q = 0 (1) 动量方程： ∂ V ∂ t + V ⋅ ∇ V = − g ⋅ ∇ H + υ 1 ∇ 2 V − c f V + f k × V (2) 式中，H为水面高程(m)；t为时间(s)；h为水深(m)；V为水流速度(m/s)；q为旁侧入流量(m 2 /s)；g为重力加速度(m/s 2 )； υ 1 为运动粘度(m 2 /s)； c f 为摩擦系数；f为科里奥利系数；k为单位矢量。 HEC-RAS作为一款水动力学软件，其2D模块便是基于浅水方程原理开发的。该软件的主要功能包含以下四个方面：① 恒定流水面计算；② 1D和2D非恒定流模拟；③ 可变边界的泥沙输移计算；④ 水温和水质传输模拟。利用以上功能，HEC-RAS既可以模拟桥梁、溢洪道、堰、闸门、滞洪池等水工建筑物对水流的影响，也可以对洪水进行二维演进数值模拟。 3.2. 指标构建与权重计算 1) 指标体系 根据研究区的特点，参考国内外关于洪水灾害风险评价的研究成果，本文在选择评估指标时，综合考虑了洪水对自然、经济、社会等方面的影响，从致灾因子、孕灾环境和承灾体脆弱性三个方面出发，确定了用以评价研究区溃堤洪水风险的指标体系。 指标体系可以划分为目标层、准则层和指标层，其中，目标层是以浑太胡同溃堤洪水风险评价为总目标，准则层包含致灾因子、孕灾环境和承灾体。致灾因子指标包括：最大淹没水深(MD)、洪水到达时间(AT)、洪水淹没时间(DT)；孕灾环境指标包括：地表高程(DEM)、地形坡度(SL)；承灾体指标：洪灾GDP损失(LOP)。根据指标与洪水灾害风险的相互关系，可以将指标划分为正向指标或负向指标，风险随正向指标的增大而增加，随负向指标的增大而减小。指标体系如表2所示： Table 2 The index system of risk assessmen 目标层 准则层 指标层 趋向性 浑太胡同溃堤 洪水风险评价 致灾因子 最大淹没水深(MD) + 洪水淹没时间(DT) + 洪水到达时间(AT) - 孕灾环境 地表高程(DEM) - 地形坡度(SL) + 承灾体 GDP损失(LOP) + 表2. 风险评价指标体系 2) 指标权重 指标权重的计算方法可以分为主观赋权法、客观赋权法和主客观组合赋权法 [ 12 ] [ 13 ]。李刚等人 [ 8 ] 的研究表明，综合考虑主观权重和客观权重，计算评价指标的主客观组合权重，更能对评价对象进行合理的评估或对备选方案进行有效的区分。因此，本文将采用级差最大化合成法来对由层次分析法计算所得的主观权重和由熵权法 [ 14 ] 计算所得的客观权重进行优化组合，以得到各评价指标的组合权重。 级差最大化组合赋权模型以各评价对象的区分度最大为目标函数、以各指标权重取值区间与指标权重和等于1为约束条件来对各指标的权重进行优选，其中各评价对象的区分度可以用其综合得分的方差s 2 来度量。记k个评价对象的综合得分为 x = ( x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x k ) ，k个评价对象n个评价指标的标准化矩阵为X，n个评价指标的权重为 θ = ( θ 1 ， θ 2 ， ⋯ ， θ n ) ， x ¯ 为各评价对象得分的平均值，则有： X = ( x 11 x 12 ⋯ x 1 k x 21 x 22 ⋯ x 2 k ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ x n 1 x n 2 ⋯ x n k ) (3) 第i个指标的权重 θ i ( i = 1 ， 2 ， ⋯ ， n ) 的取值范围 [ θ i − ， θ i + ) 由层次分析法计算所得的权重和熵权法计算所得的权重共同确定，进而，组合权重优化模型的数学表达式如(4)所示： s 2 = max 1 k − 1 ∑ i = 1 k ( x i − x ¯ ) 2       s . t . { ∑ i = 1 n θ i = 1 θ i − ≤ θ i < θ i + (4) 3.3. 基于K-Means的风险等级聚类分析 K均值聚类算法 [ 15 ] (k-means clustering algorithm，简称K-Means)是由James MacQueen于1967年提出的一种迭代求解的聚类分析算法，该方法被广泛应用于数据分析、信号处理和机器学习等领域。在利用K-Means进行聚类分析时，关键的一步是确定聚类数目。为此，本文先采用手肘法确定聚类数目，然后再通过K-Means聚类算法对研究区溃堤洪水风险进行聚类分析。应用手肘法确定聚类数目的核心指标是误差平方和(SSE， sum of the squared errors)，其计算公式如下： S S E = ∑ i = 1 k ∑ p ∈ C i | p − m i | 2 (5) 式中，k为聚类数目， C i 为第i个样本簇，p为 C i 的样本点， m i 为 C i 的质心。SSE随k值变化的规律是：k取值越大时，样本数据便被划分的越细，每个样本簇的聚合程度就越高，进而误差平方和SSE变小。根据k与SSE的这种关系便可确定K-Means的聚类数目。因k与SSE的关系曲线形似手肘，故而该方法被称为手肘法。
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user: 5. 结论 本文利用HEC-RAS模型对研究区当迟拓子与马家堡子组合溃口发生100年一遇溃堤流量时进行了洪水演进模拟，构建了综合考虑情景模拟结果的基于指标体系的溃堤洪水风险评价方法，利用级差最大化合成法，求得了用以评价研究区溃堤洪水风险的各评价指标的组合权重，并利用K-Means聚类算法对研究区洪水风险进行了聚类分析。得出以下结论： 1) 当迟拓子与马家堡子组合溃口发生100年一遇的溃口流量过程时，研究区的洪水风险整体呈现由上游到下游增大的趋势，风险最高的地方多为居民聚居地，中等风险和较高风险区域占到了研究区总面积的89.64%。 2) 利用乘法合成法组合主、客观权重时，可能会出现倍增效应，使得某一指标的组合权重远高于由层次分析法或熵权法所得的该指标的权重，因此弱化了其他指标在评价体系中的作用。 3) 由级差最大化合成法得到的组合权重能够对评价对象进行有效区分，且各区域的风险高低不依某一单一指标的增减而降低或升高，而是各指标综合作用的结果。
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user: 摘 要 针对当前船舶交通流模型没有充分考虑流量数据本身特性、预测方法精度不高的问题，提出了一种基于飞蛾火焰优化算法(Moth-flame Optimization， MFO)和最小二乘支持向量机(least squares support vector machine， LSSVM)的预测模型，该模型主要利用飞蛾火焰算法对LSSVM模型内部参数进行优化，基于采集的数据进行模型训练和预测。为验证模型有效性，利用我国广东省船舶交通流量等相关数据进行实验，并与FOA-LSSVM、PSO-LSSVM和GA-LSSVM等模型进行对比分析，结果表明MFO-LSSVM模型具有较高的预测精度和预测效率，验证了方法的有效性，可以用于船舶交通流量的预测。 关键词 :智能交通，交通流量预测，飞蛾火焰优化算法，船舶交通流量，最小二乘支持向量机 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 船舶交通量流量作为船舶交通状况的主要反映尺度，其大小可以反映交通是否拥挤，只有实时掌握船舶交通流量信息，才能更准确地进行预测并为船舶交通规划管理提供依据。目前国内外对于船舶交通流量预测方法研究的文献有很多，主要研究思路分为基于影响因素的预测和基于历史数据的预测，在这两方面分别采用不同的预测方法进行研究，并改进相关预测方法来提高船舶交通流量预测准确性。 目前国内外对于基于影响因素的船舶交通流量预测的文献有很多，总的来说，船舶交通流量的大小与多方面的因素有关，如社会经济发展水平、研究的交通流所处地域、当地的物产、货运市场等，其影响因素又有内因与外因之分。内因即船舶个体特征，包括船舶种类、船舶尺度、船舶吨级、船舶操纵性能等；外因包括港口腹地经济发展水平、港口泊位因素、航道条件、锚地条件、航行规定及管理要求、水域分布、自然条件、导助航设施等。冯宏祥和肖英杰 [ 1 ] 于2011年针对船舶交通流的随机性大、影响因素多、船舶交通流量预测的准确度不高等现象，基于支持向量机理论，结合长江苏通大桥断面的观测数据，建立预测模型进行短期的船舶流量预测。白响恩和张浩 [ 2 ] 于2012年提出一种结合粗糙集和支持向量回归智能算法的交通流预测模型，通过ROSETTA软件进行属性约简预处理，筛选出影响交通流变化的关键影响因素，运用Libsvm软件构建基于遗传算法参数寻优的支持向量回归预测模型。张树奎和肖英杰 [ 3 ] 综合考虑季节、气候等因素，通过分析历史流量数据，在线性增长模型的基础上构建了考虑周期性波动因素的船舶交通流量预测改进模型，并运用贝叶斯估计和预测方法求解模型。L Qi等 [ 4 ] 2016年提出了一种称为空间-逻辑映射模型的船舶交通流元胞自动机(CA)模型来提高海上运输效率和安全性，并以新加坡海峡的船舶交通流为例，进行了一些模拟和比较。 受到实际影响因素数据无法准确获得的制约，很多学者尝试从历史数据寻找规律，对未来交通流量进行准确预测，开发了很多复杂技术和算法，这其中主要可以归类为非数学或数学方法 [ 5 ]。非数学方法包括支持向量机、神经网络等，数学方法则包括线性和非线性回归、平滑技术和自回归线性过程等。而由于交通状态和流量数据的不确定性、复杂性等特点，传统的数学方法通常面临着模型难以构建的难题，而非数学方法由于不需要复杂的模型构建因此也被广泛应用于交通流预测，这其中主要以神经网络和支持向量机为代表，相比于神经网络，支持向量机基于结构风险最小化原则有效解决了小样本、局部最优和维数灾难等问题，泛化能力得到大大提高 [ 6 ]，而最小二乘支持向量机作为一种在标准SVM做出改进的机器学习技术，合理解决了线性KKT系统问题，并简化计算复杂性，因而可以从非线性系统建模的角度进行高精度拟合和预测。随着智能优化技术的进一步发展，越来越多的智能优化算法也被用于LSSVM模型的参数确定，如遗传算法，模拟退火算法，粒子群算法等。 船舶运输需求是一种派生性需求，因此影响船舶交通流量的外部环境因素和经济因素众多，单单只通过流量的时间序列数据往往不能进行准确预测，同时由于短期交通流表现出的相关特征，也导致在同一地点连续采集的数据通常会呈现强烈的季节性 [ 7 ] [ 8 ]，因此本文通过收集船舶交通流量的季度数据，从流量影响因素的角度对船舶交通流量进行分析，将LSSVM与近年来新提出的MFO算法相结合，提出了一种新的短期船舶交通流量预测模型，并选择其他算法优化的LSSVM模型来进行结果精确度和方法有效性的比较，进而实现流量精确预测。