大型水电站泄洪洞单洞泄洪规模是关乎枢纽布置、泄洪安全、以及工程投资的重要技术指标，以往未见量化研究报导。本文从计算泄洪洞挑流水舌挑距与下游河道冲刷深度出发，建立了泄洪洞泄量与下游河道宽度、泄洪洞布置轴线与下游河道夹角、基岩抗冲能力以及泄洪洞运行方式等指标之间的量化关系，对白鹤滩、小湾、溪洛渡、锦屏一级泄洪洞分别进行了定量估算研究，所得结果与工程实际以及相应的设计方案基本一致，表明该估算方法具有较高的可靠性，可用以估算待建工程泄洪洞最大泄量或对已建工程泄洪洞泄洪规模的合理性进行评价。

气候变化和城市快速发展，导致我国城市洪涝问题日益突出。城市洪涝模拟是当前城市洪涝灾害风险管理领域研究热点，但国内外依然缺乏针对城市多层构筑物的精细模拟技术和方法。城市立交桥，是一种典型的城市多层构筑物，极易遭受洪涝灾害，并对城市交通造成严重影响。以城市立交桥为代表，在现有全分布式城市暴雨内涝模型基础上，结合城市立交桥的特点，提出一种分层模拟技术，并从网格分层构建、分层产汇流计算、地表与管网分层耦合和上层网格排水等方面详细阐述了分层模拟技术。将该分层模拟技术应用于深圳市罗芳立交桥2018年“8.29”暴雨积水过程模拟，与单层模拟方法相比，多层模拟结果更接近上报积水信息。研究表明，分层模拟技术更能准确表达城市复杂多层建筑物的实际暴雨内涝过程。

为了开展高拱坝-地基体系整体稳定地震易损性分析，从坝肩潜在滑块滑动失稳破坏模式出发，综合考虑了地震动和材料参数的不确定性，采用增量动力分析方法（Incremental Dynamic Analysis，IDA），开展了基于概率统计框架的1000次非线性动力响应分析。分别采用特征点残余滑动位移和滑动面积比作为评价结构响应的性能指标，以地震动峰值加速度（peak ground acceleration，PGA）为地震动强度指标，定量的划分了高拱坝-地基体系的不同性能水平，绘制了地震易损性曲线，并对不同极限状态下的地震易损性进行了评估和分析。结果表明，基于特征点残余滑动位移的IDA曲线可以将高拱坝-地基体系分别划分为局部滑动破坏和整体滑动失稳破坏两个破坏等级；基于滑动面积比的IDA曲线可以划分为轻微滑动破坏、中等滑动破坏和整体滑动失稳破坏三个破坏等级；从而根据高拱坝-地基体系的实际地震需求从概率意义上评判结构所处的破坏状态，为高拱坝的抗震优化设计、加固和维修决策提供科学依据。

水库优化调度问题是一个具有马尔可夫性的优化问题。强化学习是目前解决马尔可夫决策过程问题的研究热点，其在解决单个水库优化调度问题上表现优异，但水库群系统的复杂性为强化学习的应用带来困难。针对复杂的水库群优化调度问题，提出一种离散四水库问题基准下基于n步Q-learning的水库群优化调度方法。该算法基于n步Q-learning算法，对离散四水库问题基准构建一种水库群优化调度的强化学习模型，通过探索经验优化，最终生成水库群最优调度方案。试验分析结果表明，当有足够的探索经验进行学习时，结合惩罚函数的一步Q-learning算法能够达到理论上的最优解。用可行方向法取代惩罚函数实现约束，依据离散四水库问题基准约束建立时刻可行状态表和时刻状态可选动作哈希表，有效的对状态动作空间进行降维，使算法大幅度缩短优化时间。不同的探索策略决定探索经验的有效性，从而决定优化效率，尤其对于复杂的水库群优化调度问题，提出了一种改进的ε-greedy策略，并与传统的ε-greedy、置信区间上限UCB、Boltzmann探索三种策略进行对比，验证了其有效性，在其基础上引入n步回报改进为n步Q-learning，确定合适的n步和学习率等超参数，进一步改进算法优化效率。

水电站在泄洪期间，会在下游空间形成大量的粒径大小各异的运动水滴，就构成了泄洪雾化液滴粒径的分布问题。目前泄洪雾化液滴粒径分布采用Gamma函数来描述，属于经验函数的方法，缺乏实际的物理意义。本文将最大熵原理应用于水电站泄洪雾化液滴粒径分布研究中，对挑流泄洪产生的液滴粒径分布进行了研究。研究结果表明：（1） Gamma分布计算的雾化液滴滴谱分布结果存在削峰特征，滴谱分布的众值直径（数量概率密度最大对应的直径）偏向于小粒径方向，且计算的峰值比实验值偏低。（2）仅通过质量守恒为约束推导的最大熵MEM分布的计算的滴谱分布的众值直径明显偏向于大粒径方向，且计算的峰值比实验值偏高。（3）本文构建的MEP分布模型计算的结果与Gamma函数和MEM分布计算结果相比较，均方根误差最低，决定系数最高，更加符合实测数据的变化趋势。

农业规模化机械化是东北地区农业产业发展的必然趋势，规模化水田布局除了考虑灌溉效率问题，还需要协同农机作业性能等目标来满足当前农业生产的需求。本文将田间试验与数值模拟相结合，田间试验测量了庆安国家灌溉试验重点站内22块水田的收割机生产率，数值模拟选取了收割机机型、田块面积、田块长宽比共计210组方案，利用收割机生产率模型开展数值模拟，分析了水田不同形状、面积和长宽比对收割机生产率的影响，探究了基于较高收割机生产率前提下东北地区适宜水田规格阈值。研究结果表明，具有较大面积、较大长宽比的矩形水田规格有较高的收割机生产率，适宜东北地区水田长度和宽度的阈值分别为[160 m，200 m]和[40 m，200 m]，该结果可为水田优化布局提供技术参考。

堰塞体溃决洪水洪峰流量及洪水时程曲线特征的预测是堰塞湖应急抢险及下游风险控制方案制订的重要依据。堰塞体溃决的离心模型试验，在研究堰塞体溃决机理、溃决过程及溃决洪水的历时曲线特征方面独具优势，但离心模型试验供水系统的设计，涉及到从外部静止状态到高速旋转状态的模型中连续供水，同时还要保证堰塞体溃决过程中上游水位为设定的常水头，是堰塞体溃决离心模型试验中的关键性的一大难题。本文围绕以上难题，设计了一种环形水箱以解决从静态到动态模型的连续供水问题，通过理论分析，确定了环形水箱中可提前注入的最大水量。另外在试验箱设置了竖井式溢流口，可以排出高出设定常水头的水体，保证了上游水位的稳定。通过以上设计有效地解决了供水系统中的关键难题，并在后续堰塞体溃决离心模型试验中得到了验证。

对称突扩分离再附水流现象广泛存在于工程和生活中，流道突扩易产生局部水头损失、压力变化、结构振动、次生噪声等，对称突扩存在流场对称性失稳现象，如管道对称突扩等。然而，由于紊流的复杂性和量测技术的局限性，人们对其流动特性和流态演变规律认识仍然不足，有必要开展对称突扩流动的流场结构分析研究。本文基于物理模型试验和高精度图像粒子测速技术，模拟了不同雷诺数条件下（Re=539~48 911）对称突扩水流流动现象和精细流场结构，包含层流、过渡流和充分发展的紊流典型流态，随着雷诺数Re增加，流态从层流过渡到紊流，从对称到非对称分布，其流态发生对称性失稳，高雷诺数紊流时主流偏向一侧，流场结构相对稳定；揭示了突扩水流主流两侧形成的非对称分布的大尺度涡漩结构，其与流场对称性失稳有关联。

为提升少水型河道平时的生态和景观效果，提出了一种侧边开口梯级拦水堰与曲线河槽槽岸组合的河道治理形式，并以梯级拦水堰组合直线槽岸作为对照，分别对应梯级拦水堰淹没和非淹没2种不同水深，进行三维水流数值模拟与水力模型试验，分析了相应的水流特性。又以两种不同体长的草鱼幼鱼进行了通行成功率、通行轨迹和通行时长的过鱼试验。结果表明：在同种试验条件下，组合曲线河槽的试验用鱼通行适宜区占比最大为70%左右，分布范围更大，进一步减小了试验用鱼误入非适宜区的可能，过鱼试验结果也优于组合直线河槽，其中试验用鱼通行成功率最高为86%，较组合直线河槽提高10%，通行时间最短为85.4 s，较组合直线河槽时间最大可缩短31.2%，本文的研究结果可为北方山区季节性中小河流等少水河道的整治和河流生态改造提供一定参考和借鉴。

鱼道设计离不开鱼类行为特性的研究，智能监控是观测、记录和量化鱼类行为的主要手段，但由于鱼道紊动的水流环境对鱼体精确跟踪造成了困难。本研究提出一种适用于鱼道研究的鱼类游泳行为提取方法，通过高斯混合模型（GMM）和卷积神经网络模型（CNN）对鱼体图像语义分割，再根据鱼体像素计算上溯轨迹、游泳速度和摆尾幅度。方法的验证以草鱼为试验对象，分别进行基于UNet和SegNet的鱼体语义分割对比试验和鱼类游泳行为提取试验。试验结果表明：（1） UNet模型的图像语义分割结果（MPA=95.9%，MIoU=93.3%）优于SegNet模型（MPA=95.5%，MIoU=92.8%）；（2）应用GMM-CNN模型进行过鱼轨迹跟踪，其坐标平均相对误差（MRE_x=7.1%，MRE_y=2.4%）低于单独使用GMM方法23.1%、11.6%；（3） GMM-CNN模型测算鱼类行为能够准确定位鱼体特征点，应用于提取鱼类游泳行为时具有较高的精确度。基于GMM-CNN鱼类游泳行为提取方法可以为鱼道设计提供技术支持。