变化环境下洪水预报方法转变与创新

张建云^1，2，3，谢  康^1，2，金君良^1，2，3，刘艳丽^1，2，3，贺瑞敏^1，2，王国庆^1，2，3

（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. 水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京  210029；3. 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京  210098）

摘要：洪涝灾害始终是中华民族的心腹大患。在全球气候变化与人类活动双重驱动的变化环境下，中国气温升温速率超过全球平均，极端短历时强降雨事件趋多趋强，流域下垫面因城镇化、水利工程建设等人类活动发生剧烈改变，水文过程“一致性”和“平稳性”假设被打破，传统洪水预报方法的适用性受到影响，给洪水预报工作带来了严峻挑战。本文针对变化环境下洪水预报的新问题，提出洪水预报方法需实现的8个核心转变：模型结构从集总式向分布式转变，数据输入从单一观测源向多源数据同化融合转变，参数确定从依赖有资料流域的长系列率定向适用于资料缺乏流域的方法转变，预报方式从单向预报向“降水预报-洪水预报-预报调度-洪水滚动预报”转变，预报业务从单一洪水预报向多灾种、多场景综合预报转变，预报要素从控制节点断面向数字孪生流域全水文要素转变，预报成果从确定性预报向概率性预报和集合预报转变，预报模型从物理机理模型向物理机理模型与数据驱动模型相结合的方向转变。人工智能技术在洪水预报及工程实践中具有显著的应用潜力，但需夯实水文物理过程模型基础，构建适应变化环境的洪水预报方法，提升流域洪涝灾害综合防御能力。

关键词：洪水预报；变化环境；分布式模型；集合预报

水旱灾害防御范式重构与关键问题

严登华^1，2，张建云³，王  浩¹，袁  喆⁴，尹  军⁵，秦天玲^1，2，翁白莎^1，2

（1. 中国水利水电科学研究院，北京  100038；2. 流域水循环与水安全全国重点实验室，北京  100038；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. 长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉  430010；5. 湖北大学资源环境学院，湖北 武汉  430062）

摘要：随着全球水循环“非稳态”特征日益凸显，极端暴雨、特大洪水、大范围干旱及其复合型灾害事件频发。传统基于历史统计的“防御重现”范式以气候平稳性为前提，在应对“低概率-高影响”的极端事件时面临适应性不足的挑战。本文通过解析“水-旱-灾-害-防-御”概念内涵，指出当前体系存在“重灾轻害、防强御弱”的结构性短板，提出了“智驭未知”的防御范式与实践路径。研究指出，现代化水旱灾害防御体系应以国家水网为战略载体，提升水资源跨时空协同调配能力；以智慧水利为核心驱动，构建“感知—预报—模拟—决策”全链条闭环；以生态化防治为韧性支撑，推动“灰绿协同”的系统治理；从社会心理学与能量视角拓展了灾害认知与防御评估的理论边界。研究旨在为构建面向未来不确定性的新一代水旱灾害防御体系提供理论依据与路径支撑。

关键词：水旱灾害防御；防御重现；智驭未知；国家水网；智慧水利；生态韧性

中国水-能-粮-碳耦合协调空间分异及驱动机制

刘  楠¹，门宝辉¹，韩笑宇¹，徐晓璐¹，袁小梦¹，王红瑞²

（1. 华北电力大学水利与水电工程学院，北京  102206；2. 北京师范大学水科学研究院，北京  100875）

摘要：在“双碳”目标与资源约束背景下，探究水-能-粮-碳（WEFC）系统耦合协调演化特征及其驱动机制对于开展资源协同优化调控具有重要意义。本文构建了空间自适应耦合评估模型测算耦合协调度，结合空间杜宾模型与门槛模型，分析了2000—2023年中国30个省份空间溢出效应与非线性影响机制。结果表明：研究期内WEFC系统耦合协调度呈波动上升趋势，空间上东西两翼较高、中部及部分内陆地区较低；科技投入具有显著正向直接效应及负向间接效应，而环境规制呈现负向直接效应与正向溢出效应；人口规模、生态及气候因素存在显著门槛效应，跨越阈值后变量作用方向或强度发生变化。研究揭示了WEFC系统协调演化的空间分异与驱动机制，为实施区域差异化协同治理及系统高质量发展提供参考。

关键词：水-能-粮-碳系统；耦合协调度；门槛效应；驱动机制

基于复杂网络的黄河上游水-能-粮-生系统

邓嘉祥¹，赵  勇²，权  全¹，白  钰³，高国轩¹

（1. 西安理工大学旱区水工程生态环境全国重点实验室，陕西 西安  710048；2. 中国水利水电科学研究院，北京  100038；3. 黄河上游水电开发有限责任公司，青海 西宁  810000）

摘要：黄河上游是黄河流域重要的水源涵养区和生态屏障，水-能-粮-生（WEFE）系统的结构差异与关键节点的作用机制直接影响区域资源的调配效率及流域生态保护与高质量发展。然而，现有WEFE系统研究多侧重整体性评价，难以揭示系统内部结构差异及关键节点作用机制。本文融合复杂网络理论与Copula函数，构建联合中心性识别关键节点，并结合介数中心性刻画节点功能角色差异，从系统结构视角定量分析了黄河上游WEFE系统的关联格局。结果表明：黄河上游WEFE系统呈现显著空间差异，当相关阈值为0.6时网络模块化指数达到0.274，系统结构稳定性较高；能源子系统内部关联强度最高（0.81），粮食与生态系统耦合程度较高（0.55），而能源与粮食系统相关性最低（0.25）系统协调性不足；网络结构识别出水-能模块与粮-生模块2类主要功能分区，水-能模块关键节点具有较高联合中心性但介数中心性较低，在局部资源调节中发挥核心作用；粮-生模块关键节点同时具有较高联合中心性与介数中心性，在跨系统资源流动中承担重要桥梁功能。本研究可为黄河上游多资源系统协同治理与流域高质量发展提供科学依据。

关键词：水-能-粮-生系统；复杂网络；联合中心性；黄河上游

干旱胁迫对渭河流域生态系统水碳耦合关系的滞后与累积效应

左德鹏^1，2，徐永康^1，2，王会肖^1，2，徐宗学^1，2，韩煜娜^1，2

（1. 北京师范大学水科学研究院，北京  100875；2. 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京  100875）

摘要：为解析干旱胁迫下生态系统水碳耦合的非线性响应机制，基于小波相干分析优选干旱指数，引入分布式滞后模型探究渭河流域生态系统水分利用效率（WUE）对干旱胁迫的滞后与累积效应。结果表明：①标准化降水蒸散指数（SPEI）是表征植被水分动态的最优指数，2000—2022年流域WUE与SPEI呈显著“双增”协同趋势（占比为75.1%）；②干旱对WUE的时间效应尺度呈“西北短-东南长”的空间分异特征，全流域以“生理滞后型”响应机制为主（占比为41.9%）；③干旱对WUE的累积效应主要受生态系统固碳量（GPP）变化主导，其响应强度显著高于蒸散过程；④不同植被抗旱策略差异导致生态管理阈值分异，建议将草原预警阈值设定为− 0.26，并将森林干预红线放宽至− 3.0。本研究量化了气候过渡带植被对干旱的非线性响应特征，为区域生态风险管理提供了科学依据。

关键词：水分利用效率；干旱；分布式滞后模型；累积效应；渭河流域

城市洪涝个性化应急避险路径动态规划方法与应用

王慧亮¹，严登明²，刘宏伟³，吴泽宁¹，周易宏¹

（1. 郑州大学水利与交通学院，河南 郑州  450001；2. 黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州  450003；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）

摘要：传统应急避险路径规划通常未充分考虑不同年龄段人群的通行能力差异，导致规划路径存在一定的安全风险，亟需探索精准高效的规划新方法。本研究提出一种面向不同年龄段人群的个性化应急避险路径动态规划方法，引入阻断因子表征路段通行安全性，以儿童、成人、老人等不同年龄段人群避险安全性和通行效率作为避险路径规划的主要目标，考虑路网可通行性和避险点容量约束，构建面向不同年龄段人群的个性化应急避险路径动态规划模型，采用改进Dijkstra算法实现个性化避险路线动态规划。研究表明：所提个性化避险模型，规划避险路径的安全性较常规路网和考虑积水路网情景分别提高了0.91和0.06，有效提升了应急避险路径的可靠性；该模型平均响应时间仅为0.17s，比传统Dijkstra算法的路径寻优效率提升了99.89%。本文提出的方法可提供更安全、高效的避险路线，为指导人员安全避险和精细化城市洪涝灾害防控提供理论和方法支撑。

关键词：城市洪涝；个性化避险；路径动态规划；不同年龄段人群；改进Dijkstra算法

基于多GPU并行加速水动力模型的城市洪涝快速高分辨率模拟

董柏良^1，2，谭  超¹，夏军强³，高帅领¹，王沛丰⁴，吕思远⁴

（1. 广东省水利水电科学研究院，广东 广州  510635；2. 中山大学土木工程学院，广东 广州  510275；3. 武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室，湖北 武汉  430072；4. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州  311122）

摘要：传统水动力模型受制于计算效率，难以满足大尺度、高精度洪涝预报预警的需求。为提升城市洪涝模拟效率，本研究构建了基于多GPU并行加速的洪涝快速水动力模型。模型包含二维地表径流模块、地表径流与地下管流交互模块、地下管流模块3个核心计算模块。针对计算成本最高的二维地表径流模块，采用Metis图分割方法实现计算区域的空间离散和并行负载均衡，基于MPI-OpenACC多GPU并行加速技术大幅提高计算效率。以广东省中顺大围区域为研究对象，采用短临降雨预报数据模拟“24·5”特大暴雨中该区域的洪涝淹没过程，验证模型计算精度和计算效率。研究结果表明：研发模型具有较高的计算精度，主要内涝点实测水深与模拟水深的决定系数达0.91；多GPU并行加速技术显著提高了水动力模型的计算效率，相较于64核心CPU，8GPU并行计算实现了26.38倍的加速比；模型能够在10min内以4m空间分辨率模拟811 km²城区（5 068万个计算网格）未来6h的洪涝过程。本研究验证了多GPU并行水动力模型在大尺度精细化洪涝预报预警中的应用潜力，研究成果能够为城市洪涝“四预”工作提供技术支撑。

关键词：城市洪涝；水动力模型；并行计算；多GPU加速

考虑地表-管道淤积影响的城市洪涝模拟

狄丹阳，方宏远，李  杰，张金萍，孙  斌

（郑州大学水利与交通学院，河南 郑州  450001）

摘要：针对目前城市洪涝模拟未充分考虑管道淤积对地表地下产汇流影响的问题，结合地表-管道淤积一二维耦合控制方程、地表地下滞留箱模型和管网等效淤积度智能预测方法，构建了考虑地表-管道淤积影响的城市洪涝模拟模型。以上海市长宁区为例，选取不同实测降雨情景进行洪涝模拟性能对比。结果表明：①与其他智能预测算法相比，本研究提出的管网等效淤积度智能预测方法在准确性和鲁棒性方面具有显著优势；②在实测降雨条件下，淹没水深和淹没面积模拟值的准确性明显优于传统雨洪数值模型，淹没面积的预测准确率保持在86.1%以上，淹没水深预测结果的平均绝对误差下降了0.13；③当降雨重现期大于2 a时，随着降雨重现期的增加，管道清淤条件下的淹没体积削减率呈逐渐下降趋势，管道清淤对淹没面积削减率呈现出先增加后减少的趋势。本研究可为城市洪涝模拟和精准化防灾减灾提供技术支撑。

关键词：城市洪涝；地表-管道淤积耦合模拟；水流交换模式；等效淤积度；地表入渗能力

基于Transformer模型的洞庭湖区水位快速模拟

李承龙^1，2，郭生练²，向  鑫²，李  鹏¹，舒卫民¹，梁志明¹

（1. 中国长江电力股份公司梯级水库调度中心，湖北 宜昌  443000；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：为了快速准确模拟洞庭湖区水位变化过程，在长短期记忆网络（LSTM）模型基础上，引入Transformer 架构和压缩-激励（SE）模块，分别构建了TRANS-LSTM和TRANS-LSTM-SE深度学习模型。采用2010—2023 年301个雨量站、6个水位站、8个水文站的6 h降水、水位和流量观测资料，对模型进行训练和对比分析。结果表明：①深度学习模型的训练耗时和模拟耗时远小于同研究区域的水动力学模型；②TRANS-LSTM-SE模型明显优于TRANS-LSTM和LSTM模型，训练期和验证期的Nash-Sutcliffe效率系数均大于0.996；③Transformer架构的多头注意力与SE模块通道注意力机制可协同优化LSTM模型，有效描述复杂江湖系统内水位非线性时空依赖问题，为洞庭湖区水位快速模拟预报提供了一条新途径。

关键词：水位模拟；长短期记忆网络；Transformer 架构；压缩-激励模块；深度学习；洞庭湖

黄河下游同流量下洪水位时空演变特点与机制

徐家祥¹，夏军强¹，周美蓉¹，郑  钊²，陈翠霞³

（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. 河南黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州  450003；3. 黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州  450003）

摘要：近年来在河床持续冲刷条件下，黄河下游河道水位—流量关系发生了显著变化。本文基于黄河下游6 个水文站1986—2023年水沙与地形数据，分析黄河下游洪水位变化的特点与原因，量化解析了1986—2020 年河道形态调整与河道阻力调整对同流量下洪水位变幅的影响。结果表明：①小浪底水库运行前（1986—1999年）黄河下游洪水位呈波动抬升趋势，4 000m³/s流量对应的洪水位抬升1.43～1.78m；水库运行后（1999—2023年）黄河下游同流量下洪水位呈波动降低趋势，4 000m³/s流量对应的洪水位下降1.51～3.40m。②洪水位降幅与河段冲刷量呈正相关，游荡段、过渡段、弯曲段的河床分别冲刷1亿m³，河段内水文站洪水位相应下降0.17～0.85m。③通过数值试验量化了1986年和2020年间不同因素对4 000m³/s流量下洪水位变幅的贡献，河道阻力增加引起洪水位抬升0.45～0.91m，河道形态变化引起洪水位下降0.59～1.58m。在孙口站以下河段，2种影响因素引起的洪水位变幅互相抵消，实际洪水位基本不变；孙口站以上河道阻力增加引起的洪水位抬升小于河床下切引起的洪水位下降，但抵消了24.3%的洪水位降幅。

关键词：洪水位；河床冲刷；河床下切；河道阻力；黄河下游

基于突变理论的黄河下游游荡性河道演变稳定性分析

曹智伟^1，2，宗虎城^1，2，李  坤^1，3，樊金生⁴，陆永军⁵，肖  洋^3，6，刘怀湘⁵

（1. 黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州  450003；2. 水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室，河南 郑州  450003；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. 周口师范学院，河南 周口  466001；5. 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；6. 苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏 苏州  215009）

摘要：黄河下游游荡段河势演变具有突发性和随机性的特点，研究其稳定性变化及主控因素对于解决河势游荡和防洪等问题具有重要意义。基于尖点突变理论，选取深泓摆动强度与水流冲刷强度为控制变量，对小浪底水库运行前后典型游荡河段河势稳定性进行量化分析。结果表明：1992—2020年河势稳定性呈增强趋势，2006年之前河势长期处于不稳定状态，2006年以后在调水调沙作用下明显转为稳定状态，体现了小浪底运行后水沙条件变化对提升河道稳定性的显著作用；稳定性系数与平均冲刷强度呈显著正相关，与深泓摆动强度呈负相关，其中来水来沙条件是主控因素；水库运行后平均冲刷强度持续增大，深泓摆动宽度与强度显著减小，河道游荡程度显著降低；汛期含沙量为河势稳定性的关键影响因子，含沙量越高，冲刷强度越小，深泓摆动强度越大，河势稳定性越低。本研究揭示了水沙条件变化驱动下游荡性河道演变的稳定性变化机制，可为黄河下游水沙调控与系统治理提供理论支撑。

关键词：河道稳定性；游荡性河道；尖点突变理论；黄河下游

三峡水库蓄水后长江中游断面形态调整模式

章广越^1，2，张  为¹，张德毅¹，陈  立¹，贾朝辉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. 中国三峡建工（集团）有限公司，四川 成都  610041）

摘要：大型水库的修建引起了坝下游的河槽形态调整，现有研究对河槽形态的总体调整特征已有较为系统的认识，但缺乏针对坝下游河道不同河型断面形态调整模式的量化判别标准。本文基于长江中游河道固定断面地形数据，从形心角度研究三峡水库蓄水后长江中游断面形态调整模式及其判别标准。主要结论如下：①时间维度上，断面形心纵坐标（总体减小，顺直河型形心横坐标变幅较小，弯曲河型朝凸岸侧移动，分汊河型朝主汊移动；空间维度上，顺直河型断面形态调整最大处位于下荆江下游和界牌河段，近坝砂卵石河段降幅最小与上荆江河段变化最大，弯曲和分汊河型形心坐标相对变幅最大处均位于荆江河段，并随着距坝里程增加逐渐减小。②基于形心迁移与水流动力轴线摆动的内在关联性，从动力学的角度明确了形心变化能够反映断面调整特征。③引入形心坐标相对变幅，提出整体下切型、平移下切型和平移调整型3种断面形态调整模式及其判别标准，发现顺直河型以整体下切型为主，弯曲河型3种模式皆有，分汊河型多表现为整体下切型和平移下切型。相较以往研究，本判别方法基于定量统计区分了不同河型间的差异，且形心相对变幅可以同时表征断面横向偏移和垂向冲淤的协同变化特征。

关键词：断面形态调整；水沙变化；形心；长江中游；三峡水库

考虑土壤温度垂向作用的潜水蒸发试验及改进公式

鞠  琴^1，2，何亚男^1，2，申同庆^1，2，王乐扬^1，2，金君良^1，2，刘艳丽³

（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；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）

摘要：潜水蒸发过程是地表地下水垂向交互的关键纽带，准确量化潜水蒸发量对淮北平原浅层地下水资源评价至关重要。本文利用五道沟水文水资源实验站2010—2019年大型地中蒸渗仪群实测数据及气象资料，分析不同深度潜水位处的土壤温度对潜水蒸发的影响，提出一种考虑地表温度和潜水位处土壤温度相对差异的温度系数，将其引入经优选后的3种潜水蒸发经验公式，并对这种考虑了土壤温度垂向作用的改进潜水蒸发公式进行评估。结果表明：①考虑地温系数的3种潜水蒸发经验公式都较原公式更符合实际潜水蒸发，总体精度提升5.89%～7.00%，相对误差减少9.55%～10.13%；②引入地温系数的幂函数改进公式整体表现优于改进的阿维里扬诺夫公式和叶水庭公式，对不同埋深处的潜水蒸发模拟时，各地温型公式均在0.6m埋深处精度的改进最显著；③从总敏感性指标和一阶敏感性指标来看，改进公式中3个变量的敏感性排序为潜水埋深>相对温差变量>水面蒸发，进一步验证了在潜水蒸发计算公式中考虑土壤温度影响的必要性。

关键词：潜水蒸发；土壤温度；蒸渗仪；黄潮土区；五道沟水文水资源实验站

明渠湍流结构对泥沙颗粒起动作用机理

沈  颖¹，刘  洁¹，肖  毅^1，2，杨胜发^1，2

（1. 重庆交通大学河海学院，重庆  400074；2. 重庆交通大学国家内河航道工程技术研究中心，重庆  400074）

摘要：泥沙临界起动条件是河流动力学的基础科学问题。相关湍流研究表明，明渠水流中存在超大尺度、大尺度和小尺度运动等不同尺度的湍流结构，但从湍流结构视角探讨泥沙起动的研究尚处于起步阶段，主导起动的湍流结构尺度及其作用机理仍存在较大争议。本文采用粒子图像测速（PIV）系统开展100组的泥沙起动试验，结合连续小波变换方法，分析不同尺度湍流结构在泥沙起动过程中的瞬态特征。试验结果表明，在本文设定的试验条件下，76.0%的泥沙起动由超大尺度运动主导；理论分析进一步表明，脉动拖曳力大小主要受流向的脉动流速和紊动能增量控制。在泥沙达到临界起动条件时，超大尺度运动强度显著增大，贡献了74.0%的流向脉动流速和59.3%的流向紊动能增量，成为主导泥沙起动的湍流结构。

关键词：泥沙起动；湍流结构；超大尺度运动；连续小波变换；脉动拖曳力

山区河流特征辨析与空间识别研究进展

江  威^1，2，严登华^1，2，庞治国^1，2，刘  权^1，2，马建威^1，2，张  鑫^1，2，李晨昊^1，2

（1. 中国水利水电科学研究院流域水循环与水安全国家重点实验室，北京  100038；2. 水利部防洪抗旱减灾工程技术创新中心（防御中心），北京  100038）

摘要：山区河流是沟通陆面生态水文过程与水域生态环境的重要纽带，在全球水文循环、物质输移和生态系统维持中发挥着关键作用。针对气候变化背景下山区河流灾害风险凸显与特征界定模糊的问题，本文系统梳理了国内外山区河流研究成果，明确了山区河流的科学定义，通过对比山区河流与平原河流的地貌-水文-泥沙-生态特征差异，揭示了山区河流的基本特征，即地表起伏度大于等于200m/km²、河床纵比降大于等于2‰、河床以砾石-基岩为主、河谷相对狭窄；基于地貌学、水文学和生态学的多学科交叉视角，提出了山区河流分类体系和空间识别框架。未来需重点针对山区河流精细识别、山区河流管控范围划定、山区河流碍洪要素识别与行洪风险定量评估等开展系统研究。研究成果可为山区河流分类管理和系统治理提供技术支撑。

关键词：山区河流；平原河流；河流分类；空间识别；风险评估

渤海泥沙对极端天气的动力响应：进展与展望

赵张益¹，王程浩¹，谢  琳¹，李怀远¹，谢华亮¹，侯志强¹，魏燕杰^1，2

（1. 交通运输部天津水运工程科学研究所，天津  300456；2. 水路交通环保行业重点实验室，天津  300456）

摘要：极端天气事件是塑造海岸地貌的关键因素，揭示其泥沙动力响应机制对海岸带韧性管理至关重要。本文综合现场观测、卫星遥感及数值模拟成果，按照泥沙起动与再悬浮、悬沙时空分布重塑及通量与源汇演变的过程链条，系统综述渤海极端天气下泥沙动力响应研究进展。研究表明：波流耦合使底部剪切应力增至常态的数倍至数十倍，海床液化使侵蚀速率提高5～10倍，二者共同构成泥沙大规模再悬浮的核心机制；极端事件期间悬沙质量浓度较常态提高10～100倍，高浑浊度带扩散路径受风场显著调控；台风与寒潮动力机制存在分异，单次台风可贡献全年泥沙净通量的5%～33%，寒潮以持续累积作用为主，并可引发源汇格局快速转换；据此提出“事件驱动—地貌调整—响应演变”正反馈机制。未来应聚焦高浓度浮泥流变特性观测、极端事件群集累积地貌效应及智能预测体系构建，以支撑渤海海岸带韧性治理。

关键词：泥沙输运；极端天气；波流耦合；源汇格局；再悬浮；渤海