《水科学进展》2025年第5期中文摘要

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日期：2025-11-20 17:08 点击数：

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水网建设背景下经济社会需水预测的关键科学问题与研究方向

何国华，王建华，赵勇，姚园，何凡，朱翰林，秦长海

（中国水利水电科学研究院流域水循环与水安全全国重点实验室，北京 100038）

摘要：准确可信的经济社会需水预测是国家水网工程规划建设的重要基础。当前，中国经济社会需水预测面临计算误差偏大、未来演变态势缺少共识等挑战，其深层原因在于已有研究对经济社会需水预测存在的现实挑战、需要突破的关键科学问题以及未来研究的发力重点认识不清。本文分析了经济社会需水预测存在的多要素耦合复杂性、政策干预波动性、计算方法主观性、长周期预测局限性及“测不准现象”等5个方面制约，讨论了经济社会需水预测需要回答的三大科学问题，并基于国家水网规划建设的实践需求，梳理提出了水资源-经济社会协同演变机制、生产侧-消费侧用水需求交互效应、预测技术方法集成和中长期用水需求测算及其不确定性管理等4个重点研究方向。研究成果可为中国水资源管理决策及国家水网工程规划建设提供理论支撑。

关键词：需水预测；国家水网；经济社会；驱动机制；变化响应

滨海城市水安全的变化机制与韧性提升路径

王强¹，徐羽¹，高超¹，贺瑞敏²，张建云²，许有鹏³，朱志伟¹

（1. 宁波大学土木工程与地理环境学院，浙江宁波 315211；2. 南京水利科学研究院水灾害防御全国重点实验室，江苏南京 210029；3. 南京大学地理与海洋科学学院，江苏南京 210023）

摘要：随着气候变化和人类活动影响加剧，滨海城市水系统面临的压力增大，探讨滨海城市水安全和韧性提升对生态文明建设和可持续发展具有重要意义。本文聚焦滨海城市，系统梳理了滨海城市水安全现状和变化机理，探讨了水安全韧性提升理念与框架。研究表明：城市水安全内涵丰富，资源供给、防洪保障、生态环境保护是其核心内容，系统环境、结构、功能是其支撑要素；自然地理特征、海陆交互作用、高度城镇化和气候变化等导致滨海城市水安全问题日益复杂，当前主要矛盾在于水资源供需、雨洪产蓄、污染系统治理等；滨海城市水系统优化需要基于陆海统筹视角，以资源安全、防洪安全、生态安全为重点内容，考虑灾前、灾中、灾后全过程评估，围绕理论、技术、运维、治理和制度创新的总体路径，构建水安全韧性提升框架。城市水安全韧性提升是中国当前重大战略部署和国家安全的重要内容，本研究可为滨海城市水问题统筹治理提供参考与和理论支撑。

关键词：水安全；水循环；演变机理；韧性；滨海城市

“四水四定”多层级评价内容及方法

左其亭¹^，²，纪义虎¹，马军霞¹，臧超¹^，²

（1. 郑州大学水利与交通学院，河南郑州 450001；2. 河南省水循环模拟与水环境保护国际联合实验室，河南郑州 450001）

摘要：为科学评估“四水四定”政策实施以来的成效与影响，亟需开展“四水四定”多层级评价研究。在总结前期“四水四定”理解和认识的基础上，定义了“四水四定”评价的概念，解读了其蕴含和谐共生状态、体现协调发展理念、聚焦政策实施成效、强调供水能力约束的内涵，分析了开展“四水四定”多层级评价的必要性与意义。结合和谐共生理论，构建了“四水四定”多层级评价框架，阐释了包括人水和谐层、适水平衡层、用水协调层、供水协调层4个层级评价的主要内容。提出了4个层级评价的常用方法，并在伊洛河流域展开实例应用，分析了多层级评价在区域水资源管理规划、政策执行的动态管理与优化、实施成效的全面监测与反馈、水利高质量发展长期愿景等方面的应用前景。研究成果可为进一步拓展“四水四定”评价研究、支撑相关工作开展提供参考。

关键词：“四水四定”；评价方法；多层级评价；和谐共生理论；人水和谐

中国经济社会消费水量时空演变特征及未来预测

秦长海，车温馨，赵勇，何凡，曲军霖，官子愈

（中国水利水电科学研究院流域水循环与水安全全国重点实验室，北京 100038）

摘要：国民经济发展以满足最终消费为核心，生产与消费过程共同驱动区域间商品隐含的虚拟水流动，并影响水资源的供需格局。本文基于满足消费需求的视角，结合直接用水与虚拟水净流入量，通过多区域投入产出模型定量分析产业和地区的虚拟水流动特征，采用极限学习机模型预测中国及分区的经济社会消费水量。结果表明：1987—2017年虚拟水贸易总量增长近2.95倍，2017年达5 954.7亿m³，贸易网络范围由东部沿海向中西部扩展，区域间联系逐步增强；人均经济社会消费水量与经济发展、产业结构密切相关，整体随经济社会发展呈增长趋势，但农业主导省区呈下降趋势，2017年全国人均消费水量增至457.8m³；预测显示，全国消费水量将于2035年达到峰值6 704亿m³，2050年略降至6 521亿m³，该趋势受商品消费结构、贸易结构和人口变动的综合影响，也反映了节水与水资源管理政策在控制水资源消耗中的有效性。

关键词：经济社会消费水量；虚拟水贸易；用水量；多区域投入产出模型（MRIO）；极限学习机（ELM）

中国三大城市群城市化对短时和长时强降雨的影响

常琛朝¹，钟艺涵¹，刘森杰¹，周世强²

（1. 华北水利水电大学水资源学院，河南郑州 450046；2. 香港理工大学建筑环境与能源工程学院，香港 999077）

摘要：在气候变化和城市化的双重影响下，密集城市群降水模式已发生改变。然而，针对不同降雨类型的城市化响应规律（尤其是气候-地理背景相异区域），认知仍显不足。本研究聚焦中国珠三角、长三角、京津冀三大城市群，基于高分辨率降雨和气象数据，系统分析城市化对短时强降雨（SDIR）和长时强降雨（LDIR）的影响机制及区域差异。结果表明：城市化对SDIR增强作用最显著，区域异质性突出，长三角与珠三角SDIR高值区集中于城市核心区，而京津冀因地形扰动及城市水汽抑制效应，SDIR高值区分布于山前过渡带；SDIR日变化受局地环流与水热条件调控，京津冀夜间强热岛与山谷环流促进夜间SDIR事件发生，珠三角与长三角午后海风水汽输送及高对流位能导致午后SDIR频发。京津冀和珠三角地区季风气流夜间增强及地形效应影响导致沿海及山前区域LDIR高发，长三角地区地形扰动较小，日间及夜间LDIR事件的高值区沿长江和城市呈带状分布，可能与该区域较高的对流有效位能有关。

关键词：强降雨；短历时；长历时；城市群；日变化

中国山丘区极端降雨演变的时空分异特征

王雪梅¹^，²，刘荣华¹^，²，刘晓婉¹^，²，刘潇¹^，²，周雄³，孙朝兴¹^，²

（1. 中国水利水电科学研究院流域水循环与水安全全国重点实验室，北京 100038；2. 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100038；3. 北京师范大学环境学院，北京 100875）

摘要：山丘区极端降雨是诱发山洪、滑坡、泥石流等灾害的主要驱动因子，厘清其演变规律对完善山区防灾减灾体系具有重要意义。基于中国山丘区（平均坡度≥2°）800个气象站点1971—2024年小时降雨观测数据，以各站点降雨序列（小时雨量≥1mm）的95%分位数作为极端降雨识别阈值，采用Mann-Kendall检验和Theil-Sen斜率估计方法，系统分析了中国山丘区极端降雨量级和频次的演变规律。结果表明：①全国平均来看，山丘区极端降雨量级和频次呈增加趋势，平均每10 a分别增加0.6mm和0.3次；②就空间分布格局而言，华东和西北地区增加最为突出，东北和华中地区次之，华南和西南地区增加较小，华北地区频次变化不明显；③基于30 a滑动窗口分析揭示的不同区域极端降雨趋势发展规律，预判未来东北、华北和西北地区极端降雨量级和频次呈加速增加态势，其中西北地区增速最为突出，华东地区增速趋于放缓，华南和华中地区可能趋于稳定甚至下降，西南地区波动性增加。研究揭示了中国山丘区极端降雨演变规律的时空分异格局，可为区域极端降雨灾害风险防控提供科学依据。

关键词：极端降雨；山丘区；时间演变；Mann-Kendall检验；Theil-Sen斜率估计；空间格局

青海湖2003—2023年水文情势变化及其对气候变化的响应

农爱乐¹，相龙伟¹^，²，汪汉胜³，陈祖刚²，李国庆²，邓帆¹

（1. 长江大学地球科学学院，湖北武汉 430100；2. 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094；3. 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，湖北武汉 430077）

摘要：青海湖是青藏高原最大的内流湖，青海湖水文情势变化研究对于区域水资源管理和生态环境保护具有重要意义。本文综合利用多源遥感影像、卫星测高和水文气象数据，探究2003—2023年青海湖的面积、水位及水量变化趋势，定量分析相关气象、水文因素对青海湖水量平衡的影响。研究表明：2003—2023年青海湖的面积、水位和水量增加趋势分别为18.65km²/a、0.20m/a 和0.91km³/a，大致可分为稳定扩张、快速扩张和缓慢扩张3个阶段；在水平衡分量中，陆面降水径流、湖面降水、冻土融水和冰川融水对总入湖水量的贡献率分别为57.2%、41.6%、0.8%和0.4%，其中陆面降水径流和湖面降水增加是青海湖水文情势发生变化的主导因素。

关键词：水文情势变化；气候变化；水量平衡；多源数据；青海湖

青藏高原冲积河群空间分布及维持条件

李志威¹，何育聪¹，余国安²

（1. 武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，湖北武汉 430072；2. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京，100101）

摘要：本研究旨在全面揭示青藏高原冲积河流地貌的整体特征与形成机制。基于2010—2025年野外考察与GIS空间分析，提出“冲积河群”概念，用以刻画高原集中发育的同类河型干支流系统。结果表明：高原以弯曲与辫状河群为主导类型，其中弯曲河群集中分布于黄河与怒江源区，辫状河群在五大江河源区广泛发育。冲积河群格局受下垫面与水沙条件协同控制，弯曲河群多见于植被茂密、坡度平缓、水多沙少流域；辫状河群则形成于坡度大、植被稀疏、水少沙多区域。进一步研究发现，弯曲河流的河谷坡度与弯曲系数呈显著正相关，揭示冲积河群通过形态自调整实现能量优化的内在规律。本研究为理解青藏高原河流水系结构、演变及其对气候变化的响应提供了新框架。

关键词：冲积河群；弯曲河流；辫状河流；气候变化；人类活动

基于大语言模型的交互式水文模型参数优化特性

——以HBV和VIC模型为例

汤业海¹^，²，唐雄朋¹^，²，高超¹^，²，章四龙¹^，²，胡彩虹³，王国庆⁴^，⁵，刘艳丽⁴^，⁵

（1. 北京师范大学自然科学高等研究院水科学研究中心，广东珠海 519087；2. 北京师范大学水科学研究院，北京 100875；3. 郑州大学水利与交通学院，河南郑州 450001；4. 南京水利科学研究院水灾害防御全国重点实验室，江苏南京 210029；5. 水利部应对气候变化研究中心，江苏南京 210029）

摘要：复杂物理分布式水文模型计算成本高昂，传统全局优化算法因需大量物理模型运算而难以适用于此类优化问题。以较少次数的物理模型运行寻找最优参数，对于复杂模型的优化迭代求解具有重要意义。本文提出基于大语言模型（Large Language Models，LLMs）的智能交互式参数优化框架，以HBV和VIC模型为例系统评估了6种主流LLMs在水文模型参数优化中的表现。结果表明：①LLMs凭借对参数物理含义和反馈指标的深度理解，平均仅需45次迭代即可达到95% 最优解，显著优于传统算法（100次以上）；②LLMs在低中维参数空间（参数数量≤6）表现优异，在高维参数任务中其水文模型参数优化性能衰减严重，但推理型模型展现出更强鲁棒性；③专家知识引导策略下VIC模型平均纳什效率系数较零知识策略提升0.14，上下文记忆机制有效增强了优化稳定性。本文将LLMs引入水文模型参数优化过程，证明LLMs“诊断—反馈—调整”在模型参数优化中的有效性，可为大语言模型赋能科学研究的范式创新提供参考。

关键词：水文模型；参数优化；大语言模型；领域知识；上下文记忆

台风影响下黄浦江复合洪水的时空演变与重现期分析

莫振杰¹，娄厦¹^，²，刘曙光¹^，³，周正正¹^，³，俞汇⁴

（1. 同济大学土木工程学院，上海 200092；2. 同济大学土木工程防灾减灾全国重点实验室，上海 200092；3. 中国气象局上海城市气候变化应对重点开放实验室，上海 200030；4. 上海市水文总站，上海 200232）

摘要：为揭示超大城市沿江典型区域复合洪水的风险演化特征及台风影响机制，基于2002—2024年黄浦江上中下游3站实测降雨、潮位及台风数据，采用超阈值法识别极端与复合洪水事件，构建Copula联合分布模型，系统分析复合洪水的时空分布格局、上下游分异性及其对台风的响应特征。结果表明：①复合洪水事件多集中于7—9月，呈现“上游暴雨主导型、中下游潮雨协同型”空间分异格局，近年来频次与强度显著上升，尤以上游风险增幅最为显著；②超过1/3的复合洪水受台风影响，台风通过增强潮位极值或暴雨强度，显著改变联合风险结构；③复合洪水重现期在不同河段存在明显差异，上下游区域的复合洪水重现期分别由台风增水与台风暴雨主导。研究成果可为沿海超大城市复合洪水风险识别与分区防控提供科学依据。

关键词：复合洪水；时空演变；联合重现期；台风影响；Copula函数；上海市

三峡坝下游河道多值型水位—流量关系的成因

王党伟¹^，²，周子镜¹^，²，高宇³^，⁴，关见朝¹^，²，郭传胜¹^，²，肖扬帆³^，⁴

（1. 中国水利水电科学研究院流域水循环与水安全全国重点实验室，北京 100038；2. 中国水利水电科学研究院水利部泥沙科学与北方河流治理重点实验室，北京 100038；3. 中国长江三峡集团有限公司，湖北宜昌 443133；4. 高坝大库运行安全湖北省重点实验室，湖北宜昌 443133）

摘要：三峡水库蓄水后坝下游河道持续冲刷，下游典型断面上的实测水位—流量关系与建库前相比发生了较大变化。本文基于2003—2022年实测水文数据，分析三峡建库后长江中游多个水文站的水位—流量关系，提出计算支流顶托幅度的理论模式，揭示支流入汇对干流水位的影响机理。结果表明：三峡坝下游河道水位总体呈现枯水位持续下降、洪水位有升有降的特征，大通以上水文断面的水位—流量关系中均存在临界转换流量；支流顶托是造成大流量水位抬升且水位—流量关系呈现散乱的多值型关系的重要原因；该理论模式能够准确反映支流顶托造成的复杂水位变化过程，可以量化不同因素对顶托范围和幅度的影响程度；三峡建库后坝下游河道持续冲刷粗化导致糙率增加会明显增大支流顶托影响范围，出现部分年份洪水位异常增高现象。研究成果可以为长江中下游防洪提供理论依据和技术支撑。

关键词：水位—流量关系；支流顶托；理论模式；坝下游；三峡水库

基于图网络代理模型的城市排水系统智能控制

周楚天¹，刘攀¹，许钦²^，³，谢康²^，⁴，蔡晶²^，⁵

（1. 武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，湖北武汉 430072；2. 南京水利科学研究院水灾害防御全国重点实验室，江苏南京 210029；3. 长江保护与绿色发展研究院，江苏南京 210098；4. 水利部应对气候变化研究中心，江苏南京 210029；5. 皖江工学院，安徽马鞍山 243031）

摘要：为针对城市排水系统实时控制中模拟精度与控制效率难以兼顾的问题，本文提出了一种结合图神经网络代理模型与强化学习的智能实时控制方法，以提升溢流风险管控效能。构建了可高效模拟复杂系统溢流的图神经网络代理模型；以溢流最小化为目标、代理模型为虚拟环境，采用强化学习实现多闸门动态调控。以岳阳市排水片区为例开展研究，结果表明：代理模型测试期内纳什效率系数达到0.969，模拟精度较高；强降雨条件下，基于代理模型的强化学习策略最大可削减18.1%的溢流量，且单步决策仅用0.19s，显著优于遗传算法等传统方法（单步耗时16.2min）；在不确定性情景下，强化学习更加稳健。研究可为城市排水系统智能调控提供技术支撑。

关键词：城市排水系统；图神经网络；代理模型；城市内涝；实时调控；智能控制

人工湿地对平原河网水动力与水质的影响效应

贺蔚¹^，²，黄金雅萱¹^，²，蒋爱丽¹^，²，杨子航¹^，²，王龙飞³，王玲玲¹^，²，唐洪武¹^，²

（1. 河海大学水利水电学院，江苏南京 210098；2. 河海大学水利部水循环与水动力系统重点实验室，江苏南京 210098；3. 河海大学环境学院，江苏南京 210098）

摘要：平原河网往往地势低平、流动缓慢无序，外源汇入下易造成水质恶化。人工湿地常被用于水环境原位治理，但其对整体河网水动力和水质的影响有待明确。本研究以江苏宿迁典型复杂平原河网为例，结合8次降雨前后原型观测，构建并验证了耦合产汇流、管网、河网的一维水动力-水质模型，探讨人工湿地布设对水动力和水质格局的影响效应。研究表明：人工湿地布设显著改变河网的水动力与水质格局，湿地段阻力增加使分流格局调整，整体流量下降0.004m³/s，分流比由37.8%降至29.7%；湿地段及下游河段水质改善明显，河网平均NH₃-N质量浓度降低0.041mg/L，劣V类水体比例减少6.5%；人工湿地的影响主要体现在河段糙率增大、扩散系数减小、衰减系数增大，参数敏感性排序为衰减系数＞扩散系数>>糙率。研究根据河段断面特征提出人工湿地布设建议，可为城市河网精细化调控及人工湿地合理布置提供理论依据与实践参考。

关键词：水动力特性；水质改善；人工湿地；平原河网；原型观测；数值模拟

散粒加糙床面逆坡明渠流速特性的试验研究

袁康¹^，²，张涛涛¹^，³，肖洋¹^，²，刘佳明⁴^，⁵

（1. 苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州 215009；2. 河海大学水利水电学院，江苏南京 210098；3. 河海大学水利部水循环与水动力系统重点实验室，江苏南京 210098；4. 河海大学水灾害防御全国重点实验室，江苏南京 210098；5. 河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210098）

摘要：为探究散粒加糙床面对逆坡明渠流速分布的影响，采用粒子图像测速（PIV）技术开展了正、逆坡明渠非均匀流水槽试验，对比分析纵向间距比（糙元纵向间距（λ_x）与糙元高度（h）之比）在2～16范围内的主流流速分布与近床区流场结构，并揭示了理论床面位移（z₀/h）和等效粗糙高度（k_s/h）的变化规律。结果表明：①双平均（时间-空间平均）流速分布在糙元上方呈对数，且近水面流速随坡度由逆转正而增大；糙元下方则呈线性分布。②在λ_x/h=2时，正坡因空腔回流显著降低近床流速，逆坡工况无回流，减速效果较弱；当λ_x/h≥4时，正、逆坡工况均出现1.1h～1.4h的分离区。③z₀/h随糙元间距增大呈对数减小，随坡度由逆转正而增大。④k_s/h在λ_x/h=4时达到峰值，且随坡度由逆转正显著增大。研究成果可为调水工程输水能力优化提供理论支撑。

关键词：逆坡明渠流；非均匀流；散粒加糙床面；流速特性；床面坡度

耦合水位控制规则的水电站泄洪-发电联合分层优化调度

何中政¹^，²，李邦浩¹^，²，黎良辉¹^，²，曹志明¹^，²，兰芳¹^，²，涂强¹^，²

（1. 南昌大学工程建设学院，江西南昌 330031；2. 南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，江西南昌 330031）

摘要：针对水电站泄洪-发电联合优化调度中考虑闸门动作使得决策变量维度激增和调度期末水位难控制的问题，本文提出机组-闸门分层优化策略，将所有闸门聚合为一个虚拟闸门，上层模型对多机组和虚拟闸门进行泄洪-发电优化调度，下层将虚拟闸门总流量在所有闸门中进行优化分配，实现问题降维；同时，提出流量分级水位控制策略，来水较大时开展泄洪-发电联合优化调度，来水较小时依据水位控制规则退水，确保调度期末水位合理消落。以峡江水库开展实例分析，试验结果表明：相比传统联合优化模型，分层模型洪峰流量从17 490m³/s降至16 647m³/s，削峰率从22.3%升至26.0%，发电量从558万kW·h增至567万kW·h；耦合水位控制策略后，削峰率提升至26.6%，期末水位从46.00m降至45.47m。该模型可为水电站泄洪-发电联合优化调度提供技术参考。

关键词：泄洪-发电调度；水电站；机组-闸门分层优化；水位控制规则