为获取更精准的三峡水库水位预测结果,构建了基于深度学习的15 min时间尺度的坝前水位超短期预测模型,对比不同模型在不同条件下的水位预测结果,分析模型设置对预测效果的影响。结果表明:在任何模型输入条件下,采用LSTM神经网络构建的水位预测模型比采用RNN神经网络构建的模型具有更好的水位预测效果,其预测的平均绝对误差(MAE)分别为3.58~4.40、4.45~6.02 cm;基于LSTM构建的水位预测模型均能取得较好的水位预测效果,其中综合考虑动库容、区间降雨影响的水位预测模型的效果最好,其MAE和最大绝对误差(MaxAE)分别为3.58 cm和56.99 cm;在基准预测模型的基础上,库区水位使得模型能够更好地考虑到动库容的影响,区间降雨能够提供更精确的入库水量信息,从而使得MAE降低18.64%。

长江口作为上海市主要水源地,取水安全常受咸潮入侵威胁。为探究保障取水有效举措,应用MIKE21软件构建了长江口二维水盐耦合数值模型,结合实例设计了双因素梯级补水方案,通过对比不同补水策略下的环境响应变化量,对压咸效益进行综合评估。结果表明:梯级补水方案下,北港等盐度线向外海后退约为3.04~3.18 km/(10³ m³/s),南港约为3.5~3.84 km/(10³ m³/s),陈行、青草沙水库水体盐度存在递减规律,衰减率大致为0.06‰/(10³ m³/s) 和0.1‰/(10³ m³/s),且与补水流量基本呈线性相关;可取水窗口期时长与补水时长趋于非线性关系,表现出一定的边际效益,模拟结果显示补水流量在9 900 m³/s水平下,维持13 d有望获得较优的取水效益;长江口杭州湾登陆台风倾向于对北港及青草沙水库补水效应产生显著干扰。该研究成果可为枯季极端工况下补水调度决策提供技术支撑。

青藏高原地区被称为气候变化的“敏感区”以及全球气候变化的“驱动器”和“放大器”,其地表水体作为冻土退化的敏感指示因子有着重要研究意义。研究利用1995—2024年Landsat5/8卫星遥感影像,采用年平均地温反演经验模型和NDWI水体指数阈值法,对多年冻土区在退化状态下地表水体演变的时空特征及其与气候变化的响应关系进行了探究。结果表明:研究区内多年冻土区和季节冻土区面积占比分别为63%和37%,根据验证反演精度达88.1%。1995—2024年,研究区水体数量增长40%(≤0.01 km²水体贡献为主),面积增长29%((1,100]km²水体贡献为主);多年冻土区水体数量增加85%(≤0.01 km²水体为主),面积增幅28%;季节冻土区水体数量增长16%,面积增长28%((1,100]km²水体驱动)。研究区水体增加的主导因素是气温升高,降水在多数情况下不是主要驱动因素,且多年冻土区水体对气候的响应更加敏感。研究可为理解全球变暖下高原冻土区水资源和环境变化提供新的案例和数据支撑。

基于丹江流域2个水文站2005—2021年的实测数据构建SWAT水文模型,使用6个全球气候模式(GCMs)在3种共享社会经济路径(SSPs)下的气象数据驱动模型。研究时段分为基准期(1963—2022年)和3个未来时期(2025—2050年、2051—2075年、2076—2100年),模拟未来气候变化情景并分析流域未来径流变化。结果表明:①SWAT模型在径流模拟中表现优异,校正后降水、最高和最低气温的相关系数分别达0.72、0.85和0.89。②2025—2100年流域气温呈显著上升趋势,降水呈波动上升趋势;SSP5-8.5情景下末期升温幅度可达7.11 ℃,为SSP1-2.6情景的2.72倍;SSP1-2.6情景下可能出现最大降水增幅,达11.63%。③流域年均径流呈现由近期减少转向远期增加趋势,碳排放增加使径流突变和显著增加时间延后;年内变化表现为春冬季显著增加、夏秋季减少;空间上径流增加主要集中于流域下游;研究成果可为丹江流域水资源科学管理和决策提供依据。

为科学认识和评价长江流域生活、生态、生产(“三生”)用水均衡性,从水土空间匹配和人均用水差异角度,采用基尼系数和洛伦兹不对称系数分析用水不均衡性及不均衡性来源,进一步采用匹配度指标分析用水量与区域面积、人口的匹配程度。研究结果表明:长江流域“三生”用水和总用水空间分布基尼系数分别为0.42、0.53、0.51和0.49,用水空间分布不均衡;人均用水基尼系数分别为0.10、0.37、0.25和0.21,人均用水比较均衡;长江流域用水量与区域面积、人口匹配度较高。研究结果可为水资源合理利用、实现人水和谐提供重要支撑。

滇西高原跨境河流水文演变研究对区域水资源管理具有重要意义。基于1956—2016年西南诸河三大水系(澜沧江、怒江、伊洛瓦底江)的降水与水资源数据,采用Mann-Kendall趋势检验、Morlet小波分析等方法,深入剖析研究区水文演变规律和多尺度周期特性。结果显示:①研究区产水模数达78.83×10⁴ m³/km²,水资源量均呈下降趋势,其中伊洛瓦底江衰减速率(-0.175×10⁸ m³/a)显著高于澜沧江(-0.024×10⁸ m³/a);②在区域尺度识别出24 a的水文变化主周期,2016年处于该周期低频末期,结合相位外推预测未来水量可能持续偏少;③发现澜沧江存在7~12 a的次周期振荡,区别于怒江和伊洛瓦底江的单周期主导模式;④降水量与水资源量相关性显著(R²>0.75),但澜沧江因特殊下垫面条件呈现不同步特征。系统分析量化了三江水系水文演变的空间分异特征,建立了基于多尺度周期分析的水量预测方法,为西南跨境河流水资源管理提供了新的科学依据。

重庆市集大城市、大农村、大山区、大库区于一体,水资源时空分布不均,城乡供水一体化发展难度大。为探讨如何在复杂地理与社会经济条件下实现城乡供水一体化发展,以城乡供水一体化的内涵为基础,结合重庆市城乡供水一体化不同发展模式特征,统筹考虑区域现状农村供水工程体系、自然地理条件、社会经济发展等因素,构建城乡供水一体化“工程—自然—经济”耦合协调评价指标体系与分区模型。通过对重庆市34个区县开展案例分析,得到具有不同区域特征的供水分区格局。结果表明:城市管网延伸模式分布于主城都市区,依托其高城镇化率实现供水全域覆盖;区域管网联通模式涵盖主城及渝东北地区,通过联通管网解决高程差异问题;区域整合块状模式分布在主城及渝东北地区,通过整合小型水源形成集约化供水单元;单村提标点状模式分布在渝东北和渝东南地区,通过分散式供水解决地形复杂区域饮水问题。研究成果可为重庆市城乡供水一体化建设提供技术支撑,对保障区域供水安全、促进成渝双城经济圈高质量发展具有重要意义。

为科学诊断水资源、生态系统与经济社会之间的协调状态,提出了一种基于三者状态的水平衡综合诊断方法,并以南水北调西线工程潜在水源区为研究对象开展实证分析。基于水平衡原理,构建了涵盖自然水收支、社会经济供需、河道内生态需水及社会-生态竞争关系的综合分析框架,对2005—2020年水源区水平衡状态进行量化评估。结果表明,研究期内南水北调西线工程水源区生态系统整体维持了较为稳定的水量平衡,水资源、社会经济与生态系统之间的协调性持续增强,耦合协调度稳步提升,水资源管理、生态保护与社会经济发展之间的协同效应日益显著。研究成果可为南水北调西线工程水源区水资源综合管理及调水工程相关政策制定提供科学参考。

GRACE卫星为监测全球及流域尺度的水储量变化提供了有效手段,但不同机构公布的数据产品间存在一定的差异。为了探究都思兔河流域2003—2021年间水储量的时空变化特征,通过融合贝叶斯三角帽法和3种GRACE数据,并利用2018—2021年的地下水位实测数据对地下水储量进行验证,进一步分析了流域内布龙湖水体面积的变化趋势。最后,利用交叉小波变换方法分析气象因素与地下水储量变化间的响应关系。结果表明:2003—2021年间,都思兔河流域陆地和地下水储量均呈明显的下降趋势,相比于2003—2017年,2018年之后的地下水储量变化下降斜率由-7.37 mm/a提高至-9.52 mm/a,地下水位实测数据与GRACE结果呈相似的下降趋势和季节性特征;近20 a间由于水储量的减少,布龙湖水体面积以-2 698 m²/a的速率减少;交叉小波变换结果显示,地下水储量与降雨呈正相关,而与温度和蒸散发呈负相关。研究成果可为多源卫星数据融合和流域尺度的地下水储量变化评估提供有效数据支撑和技术保障。

三峡水库运行以来综合效益显著,在长江经济带发展和长江大保护中发挥了基础保障和骨干主力作用。在构建国家水网中,水库是重要调蓄节点,对流域水资源优化配置、保障国家水安全发挥着重要作用。三峡水库位于长江上游干流向中游干流过渡地带且库容调节能力较强,在流域防洪、发电、航运和水资源利用等方面具有突出作用。随着长江上游若干巨型水库陆续建成投运以及国家高质量发展战略的深入推进,三峡水库运行环境发生了新变化并且在经济社会发展中承担了更重要的任务。因此,为加强三峡水库的功能和作用,有必要重新审视三峡水库在流域水资源利用中的地位和综合利用需求,梳理总结三峡水库在水资源利用方面的优化调度研究和实践情况,深入分析三峡水库不同阶段优化调度措施实施以来水资源综合利用效益情况,在坚持旱涝同防同治和加强跨区域水资源丰枯调剂的新要求下,提出三峡水库进一步挖潜增效的举措,为未来一段时期内三峡水库充分发挥水资源综合利用效益指明方向。

导致三峡—葛洲坝两坝间出入库计算流量不平衡现象的影响因子较多,分析各影响因子的重要性并识别出关键影响因子,对三峡—葛洲坝梯级电站的发电计划制定以及水情分析具有重要意义。收集三峡库区2018—2023年流量及出力的历史记录数据,根据出入库流量计算逻辑选择可能对两坝间出入库计算流量不平衡量产生影响的19个潜在影响因子,使用灰色关联分析与随机森林模型2种方法,识别导致三峡—葛洲坝两坝间出入库计算流量不平衡的关键影响因子,并计算得到不同影响因子的重要程度。结果表明:2种方法得出的结论基本一致,发电流量(葛洲坝全厂发电流量、三峡全厂发电流量、三峡电源电站发电流量)以及蓄放流量(三峡蓄放流量、葛洲坝蓄放流量)和出力是导致两坝间出入库计算流量不平衡量的重要因素;综合2种方法的计算结果,导致三峡—葛洲坝出入库计算流量不平衡现象的关键影响因子为葛洲坝全厂发电流量。研究成果可为后续针对校正三峡—葛洲坝库区出入库流量不平衡的研究提供参考。

发展水利新质生产力是现阶段推动水利高质量发展的必然要求,如何因地制宜发展水利新质生产力成为摆在理论和实践部门面前的重大战略课题。基于资源禀赋、比较优势和新结构经济学等理论,论证因地制宜发展水利新质生产力的理论逻辑,发现涉水要素的创新性配置、涉水产业深度开发与转型升级、涉水科技创新与人才培养是因地制宜发展水利新质生产力的关键动能。同时,从水要素多重价值角度,系统梳理水利新质生产力的多重维度和多种形态。在此基础上,围绕水科技、资源配置、生态价值、产业升级和灾害防控5个维度匹配地区提出最具特征的差异化路径体系,为各地形成因地制宜、优势导向与内生驱动的差异化路径提供决策参考。

实现水资源的科学管理和高效利用,是长江流域可持续发展的关键问题之一。以长江流域涉及的9个省(市)为研究区,根据《中国水资源公报》《长江流域及西南诸河水资源公报》《国民经济和社会发展统计公报》等权威资料,收集2014—2023年全国、长江流域及样本省(市)的部分农业、工业用水效率指标数据。采用描述性统计、比较分析等方法,探讨长江流域农业、工业用水效率区域性差异及影响因素。研究发现,近10 a来长江流域农业、工业用水效率逐步提升,但仍落后于全国平均水平;区域间农业用水效率表现为下游地区>中游地区>上游地区,与地区经济发展状况和地形地貌显著相关;工业用水效率表现为上游地区>中游地区>下游地区,与地区产业结构布局显著相关;耕地实际灌溉亩均用水量影响因素过多,不适用于评价地区间农业用水效率差异性。根据研究结果,提出了一些启示与建议,可为地区水资源管理政策制定提供参考。

为提高地下水水位时间序列预测精度,同时探讨经验模态分解(EMD)、集合经验模态分解(EEMD)、完整集合经验模态分解(CEEMD)、改进完整集合经验模态分解(ICEEMD)、局部均值分解(LMD)、鲁棒局部均值分解(RLMD)、固有时间尺度分解(ITD)、极点对称模态分解(ESMD)、小波变换(WT)、小波包变换(WPT)、经验小波变换(EWT)、变分模态分解(VMD)、奇异谱分析(SSA)、时变滤波经验模态分解(TVF-EMD)、傅里叶分解(FDM)、辛几何模态分解(SGMD)、逐次变分模态分解(SVMD)17种分解技术在地下水水位时序数据分解中的应用效果,提出基于17种分解技术的爱情进化算法(LEA)-快速学习网(FLN)预测模型。首先,利用EMD等17种分解技术对地下水水位时序数据进行分解处理,得到若干分解分量;其次,基于各分解分量训练集构建适应度函数,利用LEA优化适应度函数获得最佳FLN输入层权值和隐藏层阈值,建立EMD-LEV-FLN等17种模型对各分解分量进行预测和重构;最后,通过云南省草坝地下水监测井2019—2023年逐日水位时间序列预测实例对各模型进行验证。结果表明: ①WPT-LEV-FLN、EWT-LEV-FLN、FDM-LEV-FLN、TVF-EMD-LEV-FLN模型预测精度最高,预测的平均绝对百分比误差MAPE、平均绝对误差MAE、均方根误差RMSE分别在0.000%~0.001%、0.002~0.020 m、0.002~0.032 m之间,决定系数R²均为1.000 0;SSA-LEV-FLN、WT-LEV-FLN、VMD-LEV-FLN模型次之,预测的MAPE、MAE、RMSE、R²分别在0.003%~0.007%、0.041~0.087 m、0.063~0.131 m、0.999 5~0.999 9之间,其他模型预测精度相对较差,预测的MAPE、MAE、RMSE、R²分别在0.017%~0.033%、0.221~0.417 m、0.385~0.705 m、0.985 3~0.995 6之间。②WPT、EWT、FDM、TVF-EMD分解效果最好,其中WPT不但分解效果好,而且分解分量少,最具优势;SSA、WT、VMD分解效果较好,增加分解分量数可进一步提升分解效果;其他分解效果相对较差,其中SGMD、SVMD分解分量最少,最具潜力。③WPT-LEV-FLN模型预测精度高、计算规模小,最具实用价值和实用意义。

为研究El Niño事件对长江中下游区域水资源变化的影响,利用不同研究机构发布的2003—2022年GRACE重力卫星数据获取研究区陆地水储量(TWSA)变化,对比相关系数、互相关关系结果,选择与东部型和中部型两类El Niño事件指数相关性强的CSR MASCON TWSA数据序列。利用小波分析、经验正交分解,同时引入洪水潜力指数,研究两类El Niño事件对研究区域TWSA的影响。结果表明:①在TWSA与东部型El Niño事件时滞6个月的情况下,两者相关性最大,相关系数达到0.630;TWSA峰值与东部型El Niño事件存在正向响应,与中部型El Niño事件响应不稳定。②交叉小波变换显示TWSA与两类El Niño事件之间存在共振周期;经验正交分解显示研究区域南部易受到两类El Niño事件影响。③空间栅格洪水潜力指数分布显示,两类El Niño事件发生后,研究区域南部产生的洪水风险较高;东部型El Niño事件对应研究区域洪水风险更大,分布较为集中;中部型El Niño事件对应研究区域洪水风险的分布较为分散。研究结果表明研究区域洪水风险与El Niño事件密切相关,El Niño事件对陆地水储量变化影响研究有助于对研究区域的洪水进行预测与防范。

径流预报是提升水资源管理效率、保障流域水安全的重要手段,以湘江流域为研究对象,对比了新安江模型、SWAT模型、LSTM模型在不同时间尺度下的径流预报精度及适应性。研究结果表明:①各模型的计算效率有LSTM模型>新安江模型>SWAT模型。②在日尺度下,LSTM模型模拟效果整体最佳,新安江模型汛期模拟更优,SWAT模型在日尺度中的表现一般。③月尺度下,SWAT模拟精度明显提升,LSTM受输入条件影响较大。④总而言之,LSTM模型适用性最高,但缺乏物理机制支撑;新安江模型在汛期有较好的应用;SWAT模型能够反映流域内多种水循环要素的时空变化过程,但日尺度径流预报精度相对一般,适用于大范围的流域水资源综合评价。研究成果可为不同目标需求下的流域径流预报提供借鉴。

降水是地表水循环中重要的一个环节,为获取高质量栅格降水数据,依托现行4种栅格降水产品,并考虑多种辅助变量为输入,通过多种机器学习模型及其集成模型,获了长江流域0.1°的融合降水产品,并对获取的融合降水产品性能与原始4种降水产品性能进行了比对。研究表明:①RF、CatBoost、KNN、Lasso、DTREE、XGBoost、HGBR和ETREE 8种机器学习模型性能比较而言,以RF综合表现最优;②基于不同机器学习模型组合构建的9种集成模型中,以分季集成模型ELM4-S综合表现最优,且其在综合性能上比RF有所提升;③基于ELM4-S和RF获得的长江流域融合降水产品,明显优于4种原始降水产品,同时兼备了不同原始降水产品的优点,且在降水空间分布上能够体现出降水量随地形变化的细节特点。生成的长江流域2001—2023年日降水产品,可作为高精度降水产品用于生产应用与科学研究。

针对H-ADCP流量在线监测存在的特征流速选择困难、计算复杂度大及流量成果精度不高等难点,综合考虑特征数据降维、神经网络、支持向量机以及粒子群算法等人工智能算法,构建了基于特征自适应优选的H-ADCP流量在线监测模型,即FAO(Feature Adaptive Optimization)模型。选择受潮汐影响、水位流量关系复杂的罗湖水文站为研究对象,采用2019年和2023年实测流量资料,从各种算法的优缺点、降维数据的适用性以及模型稳定性等多个方面分析了FAO模型的适用性。结果表明:FAO模型具有较好的自学习能力,实测流量样本较少时,具有较好的流速特征学习能力和流量预测精度,检验期流量预测样本的均方根误差RMSE为6.06 m³/s、决定系数R²达到了0.93。提出的研究方法和模型可为流量在线监测研究提供新的研究思路和方法。

提高中长期水文预报的预测精度对于水资源调度、防汛抗旱以及农业生产等具有重要意义。为提高水文预报的精度,根据三峡库区万县站实测月径流序列,先采用互信息方法筛选预报因子,然后分别采用鲸鱼优化算法(WOA)、蝗虫优化算法(GOA)和麻雀搜索算法(SSA)优化的长短期记忆(LSTM)神经网络,结合基于时变滤波器的经验模态分解(TVF-EMD)、自适应完全集合经验模态分解(CEEMDAN)和变分模态分解(VMD),建立多种混合预测模型,采用平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)、纳什效率系数(NSE)、平均绝对百分比误差(MAPE)和相关系数R共5个指标评价模型的预报性能。结果表明:互信息法优选出的预报因子方案作为模型的输入可以提高预报精度,混合模型的预报精度均高于单一的LSTM模型,VMD-LSTM模型测试集的纳什效率系数值较LSTM模型提升了0.11;在混合模型中, VMD-SSA-LSTM模型预报精度高于CEEMDAN-LSTM和TVF-EMD-LSTM模型,通过预报因子筛选、数据预处理和集成稳健的优化算法能够提升单一的水文预报模型的精度。建立的VMD-SSA-LSTM模型可为流域的水资源管理和工农业生产提供参考。

在快速城市化的大背景下,城市地区下垫面变化是影响径流过程的重要因素,而影响机制尚待研究。选择武汉市青山区作为典型研究区域,通过遥感技术、GIS分析以及BP神经网络模型等方法,对典型研究时段城市下垫面变化进行了定量评估,并分析了这些变化对径流系数的影响。通过对比分析发现:城市下垫面变化对径流系数具有显著影响,随着建筑用地和道路的增加,径流系数呈现上升趋势,2009—2017年研究区径流系数从0.399增至0.535;而绿地、植被等用地面积的增加则有助于降低径流系数,同时海绵城市建设通过增加强透水地面面积,额外增加雨水调蓄容积,可达到降低径流系数的作用,海绵城市项目实施后,2017年径流系数为0.535,较海绵城市项目实施前降低0.051。研究成果可为城市规划和防洪排涝系统的设计提供科学依据,也可为城市水文循环和水资源管理提供技术支撑。