百年尺度黄河流域水沙演变特征与气候-人类驱动机制解析

吕锡芝^1，严登华²，秦天玲²，倪用鑫¹

（1. 黄河水利委员会黄河水利科学研究院河南省黄河流域生态环境保护与修复重点实验室，河南 郑州  450003；2. 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：针对黄河流域百年尺度水沙演变特征认识不足及不同时间尺度驱动机理辨识不清的问题，以花园口站以上控制流域为对象，基于1919—2022年逐月径流、输沙和气候资料，构建融合Budyko水热平衡与分形弹性理论的多尺度归因框架。结果表明：百年尺度黄河流域降水呈显著增加趋势（0.31 mm/a，p<0.01），而径流和输沙均显著减少（−2.35亿m³/a和−0.16亿t/a，p<0.01），水沙系统表现出明显非稳态特征；水沙演变具有显著多尺度非同步性，年代尺度上变化时序、幅度和方向存在差异，年内尺度上2000年后水沙分配由“汛期集中”向“全年均化”转变；人类活动是百年尺度水沙变化的主导因素，对径流和输沙减少的贡献率分别为73.2%和81.4%，减沙效应强于减流效应；水沙归因具有显著时间尺度依赖性，汛期及强干扰阶段以人类活动为主导，而非汛期及部分年代转换阶段气候变化作用相对占优。黄河流域百年尺度水沙系统已由以气候波动驱动为主转向以人为调控主导的非稳态演化阶段。

关键词：水沙演变；归因分析；Budyko理论；百年尺度；黄河流域

基于多方法集合评估的长江源区水沙变化归因分析

邹  虹¹，朱玲慧²，关颖慧¹，周金星¹

（1. 北京林业大学水土保持学院，北京  100083；2. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州  311100）

摘要：厘清气候变化与人类活动对水沙变化的相对贡献是认识高寒区水文过程的关键。本文基于1960—2021年水文、气象数据，运用双累积曲线法、累积量斜率变化率比较法和弹性系数法系统解析流域水沙变化的驱动机制。结果表明：①1960—2021年，长江源区暖湿化特征显著，直门达站气温和降水分别以0.37℃/(10a)（p<0.01）和13.58 mm/(10a)（p<0.01）的速率显著上升。②水沙演变空间分异明显，沱沱河站与直门达站径流增加显著，新寨站则表现为水沙同步减少。③气候变化是沱沱河站与直门达站径流增加的主导驱动因素，输沙变化以人类活动为主导；新寨站水沙同步减少主要受人类活动驱动。④3种归因分析方法在识别主导驱动因子上较为一致，弹性系数法表现出更强的稳健性。多方法集合分析能够有效降低单一方法带来的不确定性，为高寒流域水沙变化归因提供更可靠的科学依据。

关键词：水沙变化；气候变化；双累积曲线法；累积量斜率变化率比较法；弹性系数法；长江源区

基于特征水体的旱情预报和等级评估方法

孟令奎¹，王  熙¹，张  镇¹，王  喆¹，成建国²，李林宜¹，张  文¹，蔡  阳²

（1. 武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉  430079；2. 水利部信息中心，北京  100053）

摘要：为提升干旱发生早期识别与发展过程的评估能力，本文提出“特征水体”概念，并将其划分为对干旱响应敏感的小微水体与具有显著季节性变化的中大型水体，探索其在旱情早期预报与过程评估中的应用。针对小微水体，基于水体状态转移关系构建归一化小微水体状态转移指数（NSWSTI），用于旱情早期预报；针对中大型水体，提出遥感干湿基准值（RSDWI），结合标准化水体面积异常指数（SAAI）及多源水文气象因子，构建综合干旱评估指标。以2022年鄱阳湖、洞庭湖和洪泽湖流域干旱事件为例开展分析，结果表明：NSWSTI在洞庭湖和鄱阳湖流域相对于实测水位变化提前约半个月响应，在洪泽湖流域相对于库容变化也表现出一定领先性；综合干旱指数能够较好反映典型流域干旱事件的发展过程及空间差异。

关键词：旱情预报；特征水体；干旱等级评估；遥感干湿基准值；标准化水体面积异常指数

基于改进条件扩散模型的旱涝急转极端场景生成方法

陈鹏辛¹，姚福明²，黄炜斌¹，朱燕梅¹，马光文¹

（1. 四川大学水利水电学院，四川 成都  610064；2. 国能大渡河流域水电开发有限公司，四川 成都  610041）

摘要：在全球气候变暖背景下，旱涝急转事件频发，对流域防洪抗旱和水资源调度构成严峻挑战，而极端事件样本的稀缺制约了传统生成模型对其突变特征的准确刻画。本文以双江口水库为研究对象，提出一种基于改进条件扩散模型的旱涝急转极端场景生成方法，基于1966—2025年共59 a的月径流数据开展验证试验。结果表明：生成序列与历史观测的统计分布高度一致，均值相对误差为3.3%，KL散度为0.118 5，流量历时曲线纳什效率系数达0.985；月份条件下生成序列首月流量与历史同期均值的相关系数达0.995，准确复现了从枯水期到汛期的完整水文年循环相位；强度条件下生成事件与目标强度的平均绝对误差小于0.5个等级，急转事件分类准确率超过89%。该方法可在条件约束下生成超越有限历史记录但统计合理的极端情景，为旱涝急转风险评估与水库调度决策提供了新的技术手段。

关键词：旱涝急转；扩散模型；条件生成；极端事件；水文模拟

面向实时监测的星地降水信息融合方法

李伶杰^1，2，高  锐^1，3，云兆得^1，4，王银堂^1，2，崔婷婷¹，胡  剑⁵

（1. 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；2. 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京  210098；3. 天津大学建筑工程学院，天津  300350；4. 武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉  430072；5. 昆山市防汛防旱指挥部办公室，江苏 苏州  215300）

摘要：面向雨水情监测预报“三道防线”的建设需求，亟须发展实时星地降水融合方法，但现有方法受限于近实时卫星信息滞时与降水样本不平衡等问题，在实际监测应用中难以落地。本文提出星地降水信息实时融合方法，通过时空深度学习模型填补滞时内缺失的卫星降水数据，在分类辨识-定量估计两阶段融合框架中引入过采样、欠采样和混合采样方法缓解降水样本不平衡特性的影响。应用于巢湖和太湖流域2020年4 场典型强降水事件中，结果表明：UNet模型填补滞时内卫星降水数据的效果整体优于ConvLSTM，均方根误差低于1.75 mm/h；混合采样方法明显优于欠采样方法，有效提升了机器学习模型分辨有雨/无雨和强/一般降水的精度，分类指标F1分数超过0.88；与传统的两阶段融合方法相比，本文所提方法提升了0～0.1 mm/h和不低于25 mm/h 2个雨强区间的分辨能力，同时使Kling-Gupta效率系数平均提高0.36。本研究推动了星地降水信息融合从近实时向实时的跨越发展，可为“三道防线”中面雨量监测技术体系提供有益补充。

关键词：星地降水融合；实时监测；滞时；深度学习；不平衡样本

基于深度学习的黄河上游卫星降水分辨率提升方法

陈旭东^1，2，马娇娇^1，2，许文韬^1，2，王安如^1，2，邓  宇^3，4

（1. 郑州大学水利与交通学院，河南 郑州  450001；2. 黄河实验室（郑州大学），河南 郑州  450001；3. 黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州  450003；4. 水利部堤防安全与病害防治技术创新中心，河南 郑州  450003）

摘要：为提升黄河上游地区卫星降水空间分辨率，利用卷积神经网络（CNN）提取环境因子的空间特征，结合长短期记忆网络（LSTM）捕捉降水时序依赖关系，构建了CNN-LSTM基础模型，并引入迁移学习（TL） 策略，建立了CNNLSTM-TL卫星降水降尺度模型，同时采用SHAP（SHapley Additive exPlanations）方法对环境因子进行了可解释分析。结果表明：本文建立的卫星降水降尺度模型实现了500 m空间分辨率的降水估算，其决定系数（R²）达0.82，较基础模型、CNN-TL及LSTM-TL模型分别提升了10.8%、22.4%和43.8%，显著提高了黄河上游地区降水估算精度；地表温度（LST）对模型预测结果的贡献最大，蒸散发（ET）次之，低海拔地区ET的负向贡献相对较为突出，高海拔区域LST的正向贡献更为明显。研究成果可为黄河上游水资源管理及干旱监测提供技术支撑。

关键词：卫星降水分辨率提升；深度学习；可解释性分析；迁移学习；黄河上游

耦合SWAT与深度学习的径流模拟

王一博¹，李海翔¹，许月萍¹，钟文祥²，江衍铭¹

（1. 浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州  310058；2. 长江中兴工程顾问（福建）有限责任公司，福建 福州  350007）

摘要：为提高径流模拟精度并增强水文模型可解释性，本研究构建了SWAT与深度学习耦合的模型。模型运用贝叶斯方法进行参数优化，并通过堆叠（Stacking）集成策略融合各模型以降低高流量预报的不确定性。研究结果表明：耦合模型的决定系数（R²）、纳什效率系数（E_NS）、平均绝对误差（E_MA）等指标均优于单一模型，其中SWAT-LSTM在测试期的R²、E_NS和E_MA分别为0.766、0.761 和4.93 m³/s；SHAP可解释性分析表明，LSTM因依赖序列记忆而更侧重于降水因子，Transformer通过自注意力机制则更关注侧向流因子，揭示了不同深度学习模型对水文过程特征的差异化捕捉机制；此外，基于Stacking的集成模型在测试期预报的平均E_NS达到0.81。本研究为智能水文模拟与预报提供了兼具精度与可解释性的建模思路。

关键词：径流模拟；SWAT模型；深度学习；人工智能；可解释性分析

融合深度学习和大语言模型的可解释河流水质预测模型

司徒祖祥^1，唐洪武^1，2，冉启华^3，4，程香菊^1，2

（1. 华南理工大学土木与交通学院，广东 广州  510640；2. 华南理工大学亚热带建筑与城市科学全国重点实验室，广东 广州  510640；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. 河海大学流域水循环与水安全全国重点实验室，江苏 南京  210098）

摘要：基于物理机制的河流水质预测模型计算复杂，机器学习模型可解释性不足，导致预测与管理决策“两张皮”，难以落地应用。为实现高精度预测与决策支持的深度结合，融合时间卷积网络和注意力机制构建TCN-Attention深度学习模型，预测6项核心水质指标，通过贝叶斯优化自动调优参数；引入SHAP技术量化多源输入特征贡献，揭示关键驱动因子；基于Qwen3-Next大语言模型自动生成水质等级评价与改善建议。无锡市新吴区河流应用结果表明：TCN-Attention在小样本条件下预测性能良好，生活用水量、浊度和水域被识别为最关键影响因子；Qwen3-Next水质等级评价准确率达89.8%，所提改善建议具有针对性与可操作性。可解释水质智能预测方法可有效提升城市河流水质预测精度与可解释性，为智能化水环境管理提供了可靠的技术路径。

关键词：河流水质预测；深度学习；大语言模型；可解释性分析；水环境管理

塔里木盆地叶尔羌流域冰雪融水对径流的调节作用

胡江南^1，2，许  民²，康世昌^2，3，魏光辉⁴，李兴东^1，5

（1. 兰州交通大学数学与物理学院，甘肃 兰州  730070；2. 中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程全国重点实验室，甘肃 兰州  730000；3. 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都  610213；4. 新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒  841000；5. 兰州交通大学甘肃省复杂系统分析与控制基础研究中心，甘肃 兰州  730070）

摘要：为揭示叶尔羌河上游冰雪融水对径流的调节作用，采用SPHY模型，结合CN05.1逐日气象资料、MODIS积雪覆盖率、冰川数据和卡群站径流资料，模拟并分解1962—2022年径流过程。结果表明：①叶尔羌河上游年径流深以9.2 mm/(10 a)的速率显著增加，增长主要来自冰川径流（4.9 mm/(10 a)）和降雨径流（4.2 mm/(10 a)），融雪径流变化不显著；多年平均冰川径流、融雪径流、降雨径流和基流贡献率分别为62.2%、18.5%、13.3%和6.0%，不同水文年型下径流来源结构总体稳定。②敏感性试验表明，气温升高1、2℃使年径流深分别增加19.9%、42.6%；降水增加10%、20%对应增幅分别为5.7%、12.0%； 冰川面积减少5%、10%、20%时，年径流深分别减少11.8%、18.4%、28.5%。③叶尔羌河上游径流呈现冰川径流长期主导、降雨径流贡献增强的特征，冰川退缩将削弱消融季融水补给和径流调节能力。研究结果可为叶尔羌河上游冰雪融水变化评估及水资源适应性调控提供参考。

关键词：径流组成；SPHY水文模型；冰川融水；气候敏感性；叶尔羌河上游

金沙江下游梯级水库联合优化调度模型预测控制方案研究

谢雨祚^1，2，郭生练^2，朱  迪^1，2，郭  卫¹，李立平¹

（1. 长江水利委员会水文局，湖北 武汉  430010；2. 武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉  430072）

摘要：引入模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）方法，构建了金沙江下游梯级水库联合优化调度MPC方案，以预见期内发电量最大为目标，采用动态规划逐次逼近算法在闭环中推求最优解，在开环的MPC中执行最优决策。结合系统性和随机性误差特征设置5个预报精度组别进行敏感性分析，开展梯级水库供水期、防洪主汛期、蓄水期全年过程预报调度，并与现有的联合调度方案进行比较。结果表明：①当预报误差越小或预见期越长时，梯级水库的发电量越大；②与联合调度方案相比，3 d预见期计算方差组的MPC方案的弃水量减小了52.1亿m³（− 9.1%），发电量增加了29.6亿kW·h（+1.5%）；③MPC方案在年内不同时期具有时段差异化特征，其中防洪主汛期和蓄水期的发电量提升明显、蓄水期的弃水量减幅最大。MPC方案具有控制效果好、鲁棒性强等优点，为水库群实施滚动“预报—调度—决策”提供了一条新的技术途径。

关键词：梯级水库；联合调度；模型预测控制；水文预报；敏感性分析；金沙江下游

适配国产多节点GPU的二维非结构高性能水动力模型

张大伟¹，冯新政¹，马利平²，王  帆^1，王玮琦¹，孙东亚¹

（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. 西安理工大学水利水电学院，陕西 西安  710048）

摘要：为满足国产信创环境下洪水数值模拟的高性能运算要求，研发了适配国产多节点GPU集群的二维非结构高性能水动力模型。该模型基于二维有限体积法的Godunov型数值格式，依托可移植异构计算接口（HIP）框架，采用C++编程语言实现适配国产GPU的高性能加速计算，为进一步提升计算效率，采用METIS区域分解法和消息传递接口技术（MPI）实现跨节点多GPU的高效协同计算。通过经典矩形溃坝算例及Toce河算例验证了新研发模型具有良好的数值精度、可靠的稳定性和正确的分区通信技术，将模型在江苏省横山水库进行应用测试，结果表明：在“米”级分辨率、1 500万网格规模下，使用16个节点64块GPU可将计算耗时从3.76 h缩短至15 min，实现了大规模、高分辨率洪水模拟由单卡“小时级”到多节点“分钟级”的效率跨越。新研发模型可完全适配国产软硬件环境，具有广泛的工程应用前景。

关键词：二维水动力模型；国产GPU；多节点；非结构网格；Godunov格式

明渠流条件下红树植被对水动力特性的影响

唐泽润¹，丁学松¹，袁赛瑜^1，2，辛  沛^1，2

（1. 河海大学水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京  210098；2. 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京  210098）

摘要：红树林内水动力过程与泥沙输运及营养物质循环密切相关，认识红树植被周围流动特性对红树林湿地保护与修复具有重要意义。本文通过开展单株红树水槽试验对数值模型进行验证，采用OpenFOAM对明渠流条件下红树植被周围三维湍流流动进行数值模拟，探究红树植被对流速和湍动能分布的影响。结果表明：①与单株红树相比，红树斑块对流速分布的影响更显著，可扩大低速区范围并增强流速分布的空间异质性，整体缓流效果提升约131%；②红树斑块可提高整体湍动能水平，促进高湍动能区域在横向和垂向上扩展，其湍动能增强效应比单株红树高约45%；③在单株红树向红树斑块演变过程中，低速区范围和平均湍动能随着植株数量增加而持续增大，但其增幅逐渐减小，呈现非均匀变化趋势。研究成果可为红树林植被配置优化及湿地生态修复工程设计提供指导。

关键词：湍流；流速；湍动能；明渠流；红树林

基于正交分解的侧式进/出水口多尺度湍流结构

郭港归^1，2，刘亚坤³，张  帝³，龚尚鹏^1，2，吴  剑^1，2

（1. 长沙理工大学水利与海洋工程学院，湖南 长沙  410114；2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙  410114；3. 大连理工大学建设工程学院，辽宁 大连  116081）

摘要：侧式进/出水口内流动分离显著，其流场中包含多尺度湍流相干结构，表现出强非定常特性。本文采用基于k-ω SST的延迟分离涡模拟方法分析了流动中的多尺度湍流相干结构与流动分离、湍流统计特性之间的关系。结果表明：①受逆压梯度影响，扩散段呈现明显的流动分层，主流偏向流道中下部，回流区由流道角隅处延伸至整个流道顶部；主流与回流区之间形成剪切区，湍流强度较大。②正交分解表明，流场相干结构具有明显的多尺度级联特征，模态能量随阶数增加逐级降低；其中，低阶模态对应的大尺度结构主导流场非定常行为。量纲一频率为0.017 5的大尺度条带结构本质上是沿流向发展的角涡，其周期性演化主导了回流区边界的非定常变化。③高阶模态对应的小尺度涡结构主要集中于剪切区，并与高湍流强度区域空间分布一致，表明小尺度涡的相互作用与耗散是局部能量损失的重要机制。研究成果为侧式进/出水口的设计提供了理论依据。

关键词：湍流相干结构；侧式进/出水口；逆压梯度；剪切区

基于断面形态的多站水力几何法适应性分析

李泽林^1，2，龚家国¹，蒋云钟¹，范严伟^2，王  浩¹

（1. 中国水利水电科学研究院，北京  100038；2. 兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃 兰州  730050）

摘要：针对高山峡谷河流断面形态复杂导致多站水力几何法（AMHG）流量反演稳定性不足的问题，基于哨兵2影像提取金沙江上游枯、平、汛期断面形态特征，通过K均值聚类将断面分为单侧开敞不对称型（T1）、两侧开敞不对称型（T2）、两侧开敞对称型（T3）和对称且窄深（不开敞）型（T4），并分析不同形态条件下AMHG宽度指数和流量反演精度差异。研究结果表明：①T1型断面中度开敞与轻度不对称，有利于维持宽度—流量幂律关系稳定，其中第13类断面表现较优，除巴塘站外，纳什效率系数均大于0.74，相关系数均大于0.90；T2型受滩地淹没与横向动量交换影响，参数离散度高；T3与T4型因能量均衡或地形约束，AMHG 敏感性弱。②枯汛宽度比与宽度—流量幂律指数（b）呈显著负相关（r ≈ − 0.66），控制b的单调变化趋势，而汛期水流偏离度与b呈显著正相关（r ≈ 0.67），在高分位区引发离散性跃升，体现为“梯度控制”与“阈值放大”效应。说明断面形态通过调控河宽响应特征影响AMHG参数稳定性，形态分类可为复杂山区无资料河流AMHG适用性判别与断面筛选提供依据。

关键词：多站水力几何法；断面形态；流量测算；遥感；金沙江上游

混凝土增材制造河工模型床面的糙率特性

魏祥龙^1，2，黄峻恺¹，冉启华^1，2，袁赛瑜^2，王海东^2，3，黄  茗^1，廖  磊^2，4

（1. 河海大学流域水循环与水安全全国重点实验室，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. 宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川  750021；4. 安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽 合肥  230088）

摘要：混凝土增材制造技术的快速发展为河工模型的智能建造提供了新途径。为明确不同喷头尺寸制作的河工模型床面的糙率变化规律，本文以采用6、8、10、15 mm 4种喷头制作的床面为对象，开展了明渠均匀流试验，结合三维激光扫描与平面粒子图像测速（PIV）对床面几何形态和近壁流场结构进行分析。结果表明：①床面几何粗糙度（V）随粗糙单元宽度（b）呈先增大后减小的非线性变化；糙率（n）与当量糙率（k_s）均随b增大表现为先减小后增加，在10 mm处达到最小值。②相比6、8和15 mm床面，10 mm床面虽具有较大的几何起伏，但其近壁高涡量活动向外层发展的能力受限，表现为最低阻力水平，表明V与k_s之间不存在简单的线性对应关系。③构建了考虑k_s和流量（Q）共同作用的粗糙系数预测模型，可较好量化不同增材制造床面的阻力变化规律。研究结果可为目标糙率条件下建造河工模型的喷头尺寸及制作参数的优选提供理论依据。

关键词：河工模型；曼宁糙率系数；摩阻系数；相似理论；3D打印

面向数字孪生水网的空天地水工一体化激光雷达感知：进展与展望

付意成^1，2，刘志栋¹，臧文斌¹，张春玲¹

（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. 水利部京津冀水安全保障重点实验室，北京  100038）

摘要：针对数字孪生水网建设中传统监测手段存在的信息断层、机理耦合不足及跨介质感知精度低等瓶颈，本文构建了覆盖“流域宏观-河道带状-水工微观”全尺度的空天地水工一体化激光雷达（LiDAR）协同感知框架。通过系统解析激光脉冲在“大气-植被-水体-结构”复杂介质中的传输特性与衰减机理，重点论述多源异构数据处理及跨介质折射改正等核心技术，提出物理-数据双驱动的全要素反演方法。该体系集成卫星激光测高、机载绿光LiDAR、地面扫描及水下声光探测，实现对地形演变、水资源动态、结构病害及过流能力的高保真表征，在湖泊监测、工程监管及洪涝灾害响应中可显著提升水文模拟的物理真实性与应急决策时效性。针对高浊度衰减与数据同化挑战，未来聚焦物理信息神经网络（PINN）、边云协同及多光谱载荷，实现全要素映射，支撑水网智能调度。

关键词：数字孪生水网；激光雷达（LiDAR）；空天地水工一体化；跨介质探测；全要素感知；物理-数据双驱动