Page 73 - 2025年第56卷第7期

然而，在传统泵站前池水动力优化中，仍存在两个主要问题：（1）不同前池形态各异，整流措施
影响因素众多，优化参数排列组合形成庞大样本空间，导致计算量过大；（2）水动力优化方案基本由
人为设定，主观性与经验性较强，即使产生优化效果也很难达到理论最优效果。
伴随优化方法为解决上述瓶颈问题提供了契机。近年来，随着优化算法的更新迭代，伴随优化算
［13］
法发展迅速 ［12］ 。其主要思想是引入拉格朗日乘子（伴随变量） ，避免直接求解流场变量关于设计变量
的微分方程，从而解决由此引起的工况多和计算耗时长问题，通过先求解相应的伴随方程再引入伴随
变量，代入灵敏度计算公式即可获得目标函数关于所有设计变量的梯度信息 ［14］ ，见图 1。该方法首先
在航空领域获得了较为广泛的应用 ［15-17］ ，如高昌等 ［18］ 以压力为目标函数，通过伴随优化方法改变外
形，机翼前缘压力明显减小，紧贴机翼下表面的二次激波封闭了高压气流，飞行器升阻比增加 5%，
达到了减阻增升的效果。随后推广到工业机械领域等 ［19-20］ 。然而，在水利工程中，仍然以多个预设工
况的排列组合进行方案比选为主，过渡依赖先期经验达不到深度优化效果。

图 1 伴随优化算法流程

综上所述，目前传统泵站前池工况组合繁多、主观经验性强，本文引入伴随优化方法对前池内流
态进行深度解析，通过求解敏感度函数，对流场方程和伴随方程同时迭代求解，同时考虑水沙两相流
工况，深度优化灌溉泵站前池水流流态，探索精准的抑涡方案，减少泥沙淤积带来的危害，为泵站工
程提质增效提供科学依据。

2 研究区域及方法

2.1 研究区域 选取黄河灌区宁夏段作为典型的多沙河流示范区域。宁夏多数大型泵站工程始建于
1970 年代初期，100 余座泵站分布于固海、盐环定、红寺堡、扁担沟等 7 处，在宁夏水利工程建设中
承担了不可或缺的角色。对宁夏地区多个正向泵站前池实地调研发现，多数前池两侧淤积严重，影响
前池流态以及泵站运行效率。以往的研究多通过底坎、导流墩、压水板等整流措施对部分前池进行改
善，然而由于优化方案样本空间繁杂、计算量大和经验性强，许多前池优化后仍然有大量淤积存在，
见图 2。

图 2 现有前池泥沙淤积

通过对泵站的长时间监测考察，发现淤积区域的形成主要有以下原因：（1）高含沙量河水通过引
水渠进入前池，当流速降低时，大量悬移质泥沙发生沉降；（2）前池突扩区导致大尺度漩涡出现，泥
沙被漩涡捕集产生堆积；（3）已经形成的淤积体对该区域水流恶化产生更多的泥沙淤积。

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