《水科学进展》2025年第4期中文摘要
高坝水下缺陷检测与诊断评估：现状与挑战
向 衍1，2，王亚坤1，陈 哲3，戴 波1，2，陈思宇1，4，沈光泽1，2
（1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2. 水利部大坝安全管理中心，江苏 南京 210029；3. 河海大学信息科学与工程学院，江苏 南京 210098；4. 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650000）
摘要：高坝大库作为水安全保障体系中的支撑性基础设施，其安全稳定运行对社会经济可持续发展和公共安全至关重要。然而，高坝大库部分隐患缺陷隐蔽于水面以下，严重影响其全生命周期的安全健康服役。本文基于国内外高坝水下出险案例分析，系统梳理了光学成像检测、声学成像检测等缺陷检测方法和检测装备，评述了水下缺陷检测、损伤识别、深水孪生场景构建及健康诊断评估领域的最新研究进展。在此基础上，提出当前亟待解决的关键科学问题，包括多场扰动下声-光融合成像、深水缺陷高分辨率检测、多源数据融合表征、水下-岸基孪生场景误差传递及缺陷快速诊断等技术方法，以期为高坝水下精准探测与安全诊断评估提供科技支撑。
关键词：缺陷识别；高坝大库；水下检测；数字孪生；结构健康诊断
骤发干旱对全球农业基地粮食产量的影响
史锐光1，刘 懿1，2，张欣雨1，朱 烨3，任立良1，2，朱萧同1，刘 禹1
（1. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2. 河海大学水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 210098；3. 南京信息工程大学水文与水资源工程学院，江苏 南京 210044）
摘要：现有干旱对农业的研究多聚焦于传统干旱，鲜有从骤发干旱的角度开展评估，且忽视了作物生长不同阶段和不同灌溉模式对骤旱响应的差异性。针对上述问题，结合全球作物产量、作物物候、雨养与灌溉系统以及土壤水分等多源数据，构建考虑旱情开始速度的骤旱识别方法，提取全球骤旱事件，系统评估全球主要农业区骤发干旱对作物的影响。结果表明：①1940—2022年全球骤发干旱事件显著增加，且干旱开始阶段历时呈现加快趋势；②从作物生长阶段来看，在作物出苗至乳熟阶段面临更高的骤旱风险；③在不同的灌溉模式下，骤旱导致的水资源短缺对雨养农业区的影响最为显著，而地下水灌溉作物面临骤旱影响时展现出更好的抵抗性。本研究为全球粮食安全的风险防控提供了一定参考。
关键词：骤发干旱；全球作物；作物物候；粮食产量；雨养系统；灌溉系统
基于社交媒体大数据的城市洪涝识别与模拟验证
张克寒1，梅 超1，2，刘家宏1，2，王 佳1，2，宋天旭1，石虹远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. 水利部数字孪生流域重点实验室，北京 100038）
摘要：传统的城市水文监测手段在极端洪涝条件下面临一定失效风险，亟需新型监测手段进行补充。本研究提出了一种基于社交媒体大数据的城市洪涝识别方法，采用爬虫技术（BeautifulSoup4）提取社交媒体大数据中的洪涝相关词条，结合BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）+CRF（Conditional Random Field）命名体识别技术提取洪涝积水点地理信息，以2021年7月20日郑州极端暴雨洪涝灾害为例，通过与调查积水点空间分布和城市洪涝数值模拟对比验证识别方法的准确性。结果表明：基于社交媒体大数据识别的积水点与调查积水点空间分布基本一致，空间重合率达89.4%，空间重合的识别积水点中，水深在30～＜50 cm、50～＜100 cm、100～＜200 cm、200～＜ 300 cm和≥300 cm的比例依次为49.6%、36.8%、8.2%、4.1%和1.3%；50年一遇和100年一遇设计降雨、2019年8月1日和2024年7月22日实测降雨情景模拟结果从空间趋势上体现了识别结果的合理性。基于社交媒体大数据的城市洪涝识别是极端条件下洪涝监测的一种重要补充，可作为城市洪涝数值模拟验证、洪涝灾害应急决策的重要支撑。
关键词：城市洪涝模拟；洪涝识别；社交媒体大数据；命名体识别
基于可解释多源数据特征融合的深度学习集合径流预测
丁 诚1，王兆才1，丁伟杰2，程和琴2
（1. 上海海洋大学信息学院，上海 201306；2. 华东师范大学河口海岸全国重点实验室，上海 200241）
摘要：准确的径流预测是水资源管理与洪涝预警的核心，但径流过程的高度非线性给传统模型带来了挑战，且存在时空特征融合不足与可解释性欠缺等问题。本文融合遥感、气象等24类多源异构数据，综合考量人类活动与气候变化的影响，构建高精度、可解释的Transformer-KAN-LEC（TKL）深度学习集合径流预测模型。以嘉陵江流域11个站点的日径流预测为例开展研究，结果表明：TKL模型纳什效率系数均大于0.95，均方根误差较传统模型降低40%～80%，区间预测与极端事件预测性能均优于传统模型；可解释性分析显示，上游径流量、降水累积效应为关键影响因子。本文提出的“数据-模型-解释”系统性框架可为大流域水资源管理与洪涝预警提供支持。
关键词：径流预测；深度学习集合模型；时空特征融合；区间预测；注意力机制
气候与植被协同变化下的径流响应研究
——以秦岭北麓为例
张 豪1，鲍振鑫2，3，王 婕2，3，孟宪红4，余承霖1，朱俊杰2，3
（1. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；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. 水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029；4. 中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000）
摘要：为提高对气候和植被变化下径流响应的认识，在人类活动较少的秦岭北麓区域采用基于Copula函数的协同变化诊断、结构方程模型和弹性系数等方法，解析了气候与植被协同变化下的径流响应规律。结果表明：①1980—2022年研究区域降水呈不显著增加趋势，叶面积指数呈显著增加趋势，径流呈减少趋势。②在植被条件改善影响下，区域内降水转化为径流的比例减小。③气温升高是驱动区域植被变化影响径流的最主要气候因子。④适应气候变化的植被变化会放大径流对气温升高的响应，缩小径流对降水变化的响应；气温升高1℃直接导致径流减少2.7%，驱动植被变化间接导致径流减少3.8%；降水增加10%直接导致径流增加17.2%，驱动植被变化间接导致径流减少1.5%。本研究对认识气候和植被协同变化下的水文响应规律具有重要的科学意义。
关键词：径流响应；气候变化；植被变化；秦岭
基于组件式水文模型的径流模拟不确定性分析
——以长江上游流域为例
周丽婷1，2，谢 康3，刘 攀4，张晓菁4，曾志强1，2，周 涛2，5，张海荣1，2
（1. 中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443133；2. 智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443133；3. 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；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. 长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430010）
摘要：为评估降水数据、模型结构和模型参数对径流模拟不确定性的影响，本研究选取4种降水数据（站点实测和CRUJRA、CMFD、ERA5-Land格点数据），构建模块化的组件式水文模型，采用动态Sobol'敏感性分析方法，以长江上游51个分区流域为研究对象，分析降水数据、模型结构与模型参数在径流模拟中的敏感性。研究结果表明：①模型参数对径流模拟不确定性的贡献最大，多年平均总阶敏感性指数在分区流域的中位数为0.59，高于模型结构（0.51）和降水数据（0.36）；②壤中流是最敏感的水文子过程，蒸散发过程次之，积融雪、地表径流、基流过程的敏感性较低，水文子过程的敏感性具有年内变异性，以积融雪过程最为显著；③积融雪、蒸散发和壤中流过程的相关参数是影响径流模拟不确定性的关键参数；④平均温度、平均海拔和水力传导度是积融雪、蒸散发和壤中流过程模型结构和参数敏感性的显著相关因子。研究识别了径流模拟不确定性的敏感因素及其时间变化规律，可为流域水文模型的结构与参数优化提供依据。
关键词：径流模拟；不确定性；组件式水文模型；模型结构；模型参数；动态敏感性分析
基于多模式降水与水文模型的径流预报不确定性分析
向怡衡1，2，彭 涛1，3，殷志远1，4，祁海霞1，5，沈铁元1，4
（1. 中国气象局武汉暴雨研究所全国暴雨研究中心，湖北 武汉 430205；2. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081；3. 三峡国家气候观象台，湖北 宜昌 443099；4. 暴雨监测预警湖北省重点实验室，湖北 武汉 430205；5. 中国气象局流域强降水重点开放实验室，湖北 武汉 430205）
摘要：为提升流域径流预报的精度与可靠性，以清江流域为例，构建了基于多模式降水（ECMWF与NCEP）与多水文模型（GR4J与XAJ）的9种径流预报方案，并引入基于随机天气发生器的统计后处理（GPP）方法校正模式降水偏差，从确定性、概率性及不确定性3方面系统评估集合径流预报性能。结果表明：GPP方法提升了模式降水质量，进而改善了径流预报精度，尤其对误差较大的NCEP预报产品，校正效果显著；优选精度更高的降水预报产品并结合多水文模型集成策略，可进一步提升集合径流预报性能；在2020年典型洪水事件检验中，各方案在1d和3d预见期下均能准确捕捉峰现时间，其中多水文模型集成方案的集合平均峰值流量接近于实测洪峰。
关键词：集合径流预报；数值预报模式；水文模型；后处理；不确定性
耦合深度学习与水文模型的喀斯特地区径流模拟方法
许 钦1，2，金 晨2，3，张 坤2，4，陈 星5，张东杰1
（1. 智慧长江与水电科学湖北省重点实验室（中国长江电力股份有限公司），湖北 宜昌 443000；2. 水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 210098；3. 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210098；4. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；5. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098）
摘要：喀斯特地区水循环机制复杂，地质资料获取难度较大，如何进一步提升水文模型在该地区的径流模拟表现是亟待解决的研究难点之一。通过将改进后的EXP-HYDRO模型、双层南科院水文所模型与循环神经网络算法相耦合，建立物理机制与人工智能算法深度耦合的水文模型，并在长江中游南阳河流域和乌江中游野纪河流域2个喀斯特区域进行模拟验证。结果表明，建立的耦合水文模型能够显著提升喀斯特地区日径流过程模拟精度，相比于水文模型，耦合模型在南阳河流域与野纪河流域的纳什效率系数分别最高提升19.7%与37.1%；同时由于对物理机制的学习，耦合模型也表现出比单纯数据驱动方法更好的模拟精度，说明通过合理选择和学习不同的物理机制，可以有效提升人工智能模型的综合预测性能。
关键词：耦合水文模型；物理递归神经网络；径流模拟；喀斯特地区
考虑峰丛洼地内涝滞洪的分布式岩溶水文模型
陈立华1，2，杨文哲1，2，陈 航1，2，黄文举1，2
（1. 广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2. 广西壮族自治区岩溶区水安全与智慧调控工程研究中心，广西 南宁 530004）
摘要：峰丛洼地内涝滞洪是岩溶流域水循环的关键环节。针对岩溶流域水文模型刻画峰丛洼地滞洪过程的不足，提出基于水量平衡原理的洼地内涝滞洪模拟方法，构建考虑滞洪影响的分布式新安江岩溶（DK-XAJ-DF）水文模型，以刁江流域为研究区，开展流域内部龙头峰丛洼地内涝滞洪及河口、马陇水文站的逐小时径流模拟。结果表明：龙头洼地逐小时滞洪量模拟确定性系数达0.90，相对洪量误差为0.77%；验证期河口站与马陇站逐小时径流模拟确定性系数分别为0.85和0.89，相对径流总量误差分别为3.0%和− 4.4%；相较原模型，改进后的模型将马陇站的洪峰流量与峰现时间的合格率分别从65%与70% 提升至70%与80%。DK-XAJ-DF模型通过量化滞洪效应提升了岩溶区洪水模拟精度。
关键词：洪水预报；内涝滞洪；分布式岩溶水文模型；岩溶区；峰丛洼地
感潮河网水动力调控智能决策方法
袁赛瑜1，2，步佳李1，林佳威1，唐洪武2，3
（1. 河海大学水灾害防御全国重点实验室，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. 华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641）
摘要：感潮河网水闸群联合调度是提升河网水动力和减少水流往复、活水提质的重要措施。目前水闸调度以经验为主，低效费时，少数智能方法只能做确定性工况的调度决策，无法应对水文、潮汐以及闸门扰动下河网水动力过程实时动态调控。本文提出一种感潮河网水动力调控智能决策方法，利用长短期记忆网络和时间融合变压器精准捕捉水位和流量变化的长期依赖和非平稳动态特征，识别河网多重因素干扰，建立水位—流量非线性响应关系，实现精准预测；基于闸内外水位差，以目标断面净过水量最大为优化目标，建立基于遗传算法的闸门群水力调控优化模型，实现搜索目标最优下的闸门群联调方案。应用于上海蕴南片河网的水动力调控，结果表明该方法能够动态响应水文潮汐边界的变化，智能调控水闸群重构河网水动力格局，在设定的2种工况下12 h净过水率分别提升12.8%和5.4%，往复流流量分别降低74.2%和55.3%，显著改善了目标河段的水流往复，增强定向流动。
关键词：感潮河网；水动力；水闸群联合调度；智能决策
长江中下游区域性和流域性洪水流量演进分析
张鸿洋1，胡春宏1，周 曼2，3，高 宇2，3，关见朝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 100048；2. 中国长江三峡集团有限公司，湖北 宜昌 443133；3. 高坝大库运行安全湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443133）
摘要：洪水演进事关防洪安全，影响着沿程河道冲淤、河势演变及江湖补给，从频域对典型洪水组成及其沿程变化开展分析，对揭示洪水演进深层规律及成因、制定科学的防洪减灾策略具有重要意义。基于宜昌至大通水文站的日均流量实测数据，运用信号学时频域分析原理，重点分析了区域性洪水（2016年、2017年）、流域性洪水（1998年、2020年）各站流量的频域变化，量化了各河段主要因素对洪水流量信号强度的影响。结果表明：①支流与湖泊入汇、三口分流、区间集水主要影响洪水信号的长周期主频，降雨等短周期事件主要影响洪水信号的短周期次频；②对于区域性洪水和流域性洪水信号，长周期主频强度沿程增加至176.1%～240.3%，短周期次频强度沿程衰减至45.5%～74.5%；③洞庭湖入汇对洪水信号主频强度影响最强，其次为鄱阳湖、汉江、清江，洞庭湖入汇影响在区域性洪水时更显著。研究成果为解读不同类型洪水流量变化规律及成因提供了新角度，深化了对洪水传播规律的认识。
关键词：洪水流量；演进分析；流域性洪水；区域性洪水；时域分析；频域分析；长江中下游
小浪底水库运用后黄河下游泥沙粒径变化规律
张原锋1，2，张凯文3，王 平1，2，张文杰4
（1. 黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；2. 黄河实验室，河南 郑州 450003；3. 河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098；4. 河南省计量测试科学研究院，河南 郑州 450000）
摘要：小浪底水库运用后，黄河下游悬移质及床沙粒径均发生了很大变化。为研究悬移质及床沙粒径变化规律，利用水文泥沙及统测断面实测资料，结合床沙粒径对水沙过程的滞后响应特性，研究了小浪底水库不同排沙阶段黄河下游悬移质粒径、床沙粒径时空变化过程，建立了床沙中值粒径计算方法。结果表明：①小浪底水库异重流排沙阶段，悬移质很细，中值粒径只有0.007 5 mm左右；小浪底水库降低水位引起的溯源冲刷排沙阶段，悬移质较粗，中值粒径为0.027 3 mm左右。②黄河下游床沙粒径时空分布表现为“上段粗、下段细”及“非汛期粗、汛期细”的特征；夹河滩以上河段床沙粒径变化的主要影响因素为来沙系数、来沙量，夹河滩以下河段则主要受来沙系数和来水量的影响。③建立的黄河下游各河段床沙中值粒径计算公式，计算与实测值之间的决定系数大于0.62，相对误差为8.68%～11.9%，能够用于黄河下游床沙粒径的计算及预测。研究成果可为小浪底水库防洪调度运用及提高黄河下游输沙效率提供技术支撑。
关键词：悬移质粒径；床沙粒径；计算方法；小浪底水库；黄河下游
黄河下游典型河段断面调整规律及河槽断面预测
秦梦春1，刘军政1，白玉川1，徐海珏1，张金良2
（1. 天津大学水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津 300350；2. 黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003）
摘要：2000年后，随着小浪底水库的运用及河道整治工程的完善，黄河下游中水河槽（主槽）形态发生了显著变化，分析主槽断面形态调整特征，有助于深化对黄河下游河床演变规律的认识。基于2000—2021年汛后约2 500个实测大断面数据，分析了白鹤—孙口河段主槽断面调整规律，构建了融合粒子群优化（PSO）与支持向量回归（SVR）的河槽断面调整预测模型。结果表明：①断面尺度上，存在展宽淤高型、展宽冲深型、仅淤高型和仅冲深型4 种断面调整模式，以展宽冲深型为主。时间上，展宽冲深型占比在逐渐下降，仅冲深型则逐步提高；空间上，白花段和花夹段断面调整更为复杂。②河段尺度上，存在展宽淤高型、缩窄冲深型和展宽冲深型3种断面调整模式，以展宽冲深型为主；横向展宽和垂向冲深对4个子河段平滩面积提升的贡献率差异显著，分别为41%～59%（ 白花段）、37%～63%（花夹段）、43%～57%（夹高段）和22%～78%（高孙段）。③构建的PSO-SVR机器学习模型对主槽累计河宽与累计河床高程变化的预测误差均小于9%，主槽断面调整趋势的预测准确率在80%以上。
关键词：断面调整规律；河槽断面预测；中水河槽；PSO-SVR机器学习；黄河下游
基于改进TOPSIS法的平原河网水动力水质补水方案优选
贺 蔚1，2，章雪彤1，2，何文浩1，2，王龙飞1，3，赵文龙1，2，苏 莹4，高士强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. 河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098；3. 河海大学环境学院，江苏 南京 210098；4. 中国南水北调集团东线有限公司，北京 100036）
摘要：平原河网水环境备受关注，常采用生态补水来改善。前期已开展较多复杂交汇平原河网的水动力-水质数值模拟研究，有待进一步提出补水优化的定量评价方法。因此，本文以浙江海宁市中心城区河网为研究对象，构建一维水动力-水质耦合模型，模拟了9种闸泵组合方案的补水效果；提出了耦合AHP-CRITIC-改进TOPSIS方法的综合评价体系，对不同补水方案进行定量优化评价。结果表明，方案6（开启长山河东泵站和硖石市河泵站补水，关闭中间闸，并以麻泾港南闸和袁硖河闸排水）综合效果最佳，生态流速、NH3-N 达标率分别达48.1%和94.9%。改进TOPSIS方法可有效降低指标相关性带来的信息冗余，增强方案优选的区分度，方案6相对贴近度最高（0.732），与数值模拟结果一致。所提出的方法有助于提升平原河网补水方案优选的科学性与可靠性，可为流域水环境治理与调控提供参考。
关键词：水环境改善；平原河网；综合评价方法；AHP-CRITIC；改进TOPSIS；水动力-水质耦合模型
