针对河湖“四乱”基层巡查移动终端资源有限,传统深度学习检测模型参数量大、计算复杂度高难以部署的问题,提出基于YOLOv8n的轻量型遥感目标检测算法FBL-YOLO。该算法通过三级优化实现精度与效率的平衡:主干网络采用 FasterNet单元构建FasterC2f轻量型特征提取模块,颈部网络融合MAFPN与BiFPN优势设计BIMAFPN强化多尺度特征融合能力,检测头引入基于组归一化与共享卷积的LSCD轻量化结构精简参数规模。试验结果显示,FBL-YOLO在河湖“四乱”自建数据集上的参数量Params与浮点计算量FLOPs较基线模型分别降低50%和33.3%,mAP50提升2.8%,FPS达93.8帧/s;在NWPU VHR-10公共数据集上泛化性良好,可满足移动设备实时检测需求。

针对高原偏远无资料地区冰湖水量动态精准监测的难题,提出一种基于立体测绘卫星的水量估算方法。以2025年7月8日西藏吉隆溃决冰湖为例,利用高分七号(GF7)与资源三号(ZY3)立体影像重建湖盆数字表面模型(DSM),并结合2021—2025年哨兵二号影像自动提取多时相湖泊边界,通过边界与地形等高线最优匹配估计水位与蓄水量,同时采用ICESat-2激光测高数据验证地形精度。结果表明,GF7-DSM与ICESat-2之间的平均绝对误差为1.37 m;从湖盆几何形态上看,溃决前冰湖最大面积0.69 km²,最大水深53 m,湖盆底高程5 053.4 m,最大水位5 105.9 m;时序监测显示该冰湖存在明显“冬枯夏涨”现象,2025年7月7日蓄水量达历史极值约982万m³;溃决发生于7月7日12时52分—8日12时56分,24 h内下泄水量约424万m³,洪峰传播路径总长41.2 km、落差3 318 m、平均比降80.5‰,巨大势能转化与强水动力条件是导致灾害的直接原因。研究验证了国产立体测绘卫星在无资料地区冰湖动态水量监测中的有效性,可为高原冰湖溃决预警与灾害防控提供数据支撑。

当前水电站地下厂房施工的通风风机多采用固定频率的“一风吹”模式运行,易在不同工况下造成污染物排除效率不足或能源浪费的问题。为解决该问题,提出基于改进粒子群-径向基函数(IPSO-RBF)预测与模糊比例-积分-微分(PID)的地下厂房施工通风节能调控方法。在风机调控预测层面,利用基于IPSO-RBF算法开发的需风速动态预测智能模型实时依据CO及粉尘浓度提供风机调控方案,该模型引入IPSO算法对传统RBF算法的宽度及权重训练过程进行改进,经实测数据和模拟数据联合训练后在测试集上的MSE、MAE、MAPE值分别为0.25、0.38、2.37%。在风机调控层面,基于模糊PID开发了调控算法,经模拟仿真显示,该算法相较于传统PID算法的超调量下降7%,稳定时间减小37.5%。最后,构建了Web端智能节能馈控平台,对本研究主要方法进行技术集成。依托河南鲁山抽水蓄能电站进行了设备改造及平台部署,测试运行结果显示,在CO及粉尘浓度均于限定时间内降至规范要求值的前提下,风机运行能耗相较于传统方案下降了21.1%。研究结果为水电站地下厂房施工通风作业提供了以高效排污及节能为目标的智能化解决方案。

针对复杂背景下水体提取精度不足和鲁棒性欠佳的问题,提出一种改进型双注意力机制模型DSP-UNet。模型以U-Net为基础,引入条带池化以扩大感受野,并在上下采样连接中融合双注意力机制,同时在空间分支集成SimAM单元,以强化对局部边界特征与全局上下文信息的联合建模能力。基于OpenWUSU512数据集对模型进行训练,并通过多模型对比与模块消融试验进行验证。试验结果表明,DSP-UNet模型在各项指标上皆优于现有主流模型,平均交并化MIoU达0.962,较第二名模型PSP-Net提升2.6%,F1为0.966,表明模型在精确率与召回率之间取得了良好平衡。在Satellite Images of Water Bodies数据集上的进一步测试验证了模型的跨域泛化能力。消融试验结果显示,随着各模块逐步引入,模型在精度持续提升的同时训练时间减少11.5%,验证了模型设计的有效性。研究结果表明,DSP-UNet模型为遥感水体提取提供了一种高精度、强适应性的深度学习方案,具有良好的应用前景与研究价值。

针对水网数字化治理中物理拓扑关系与多维水力特征融合不足、多层级路由分析能力有限导致调水决策支撑薄弱的问题,以南水北调工程中线干线北京段及市内配套工程为研究对象,通过知识建模、抽取、融合及存储,构建了融合水网空间拓扑关系与多维水力特征的知识图谱,实现了437个工程实体、149个关系实体及流量、距离等属性特征的一体化语义表达。基于Cypher语言结合水资源调度业务场景,开发“基础拓扑分析-条件约束过滤-多目标优化”三级查询体系,满足多层次调度需求。研究成果对水利领域知识图谱技术应用及数字孪生水网建设有一定参考价值。

湄公河三角洲是世界最重要的生物多样性热点地区之一,分析其形态和海岸线变化对沿岸生态保护、水资源管理和区域可持续发展具有重要意义。基于1988—2023年Landsat卫星影像,采用归一化差异水体指数(NDWI)和最大类间方差法(Otsu)提取湄公河三角洲近35 a的水陆边界,从洲滩面积与数量、岸线长度与变化速率等多维度揭示了其时空演变规律,并探讨三角洲演变成因。结果表明:①三角洲总面积显著增加,而洲滩数量减少;②岸线长度年际变化幅度较大,总长度净增长63.39 km;③河道两岸与河口的岸线变化速率存在差异,岸线净移动距离呈现非对称增长和不连续的特征;④区域岸线演变存在显著空间分异,河口岸线持续向海扩张、金瓯半岛东南部海岸发生侵蚀后退,两类地貌变化与自然和人类活动的长期耦合驱动有关。研究成果可为流域资源管理和海岸带韧性规划提供关键数据支撑。

21世纪以来,长江流域水生态健康问题已成为全球环境科学领域的研究焦点,通过文献计量学与知识图谱方法,系统分析2000—2024年Web of Science核心合集(WoSCC)数据库(561篇)及中国知网(CNKI)数据库(364篇)中长江流域水生态健康评价相关研究文献。采用VOSviewer和CiteSpace软件解析研究热点聚类及突现词演变规律,结果表明:①研究发展呈现三阶段特征,早期年均发文量不足10篇,中期在政策驱动下年发文量逐渐增长,2017年后年发文量急速增长,这与长江流域生态保护政策实施呈现显著耦合特征;②WoSCC研究聚焦污染驱动的生态风险评估机制研究,CNKI研究侧重评价方法创新及生物完整性阈值诊断,二者分别着重关注微观机理与宏观管理;③新时期研究重点向水生态系统多维度综合评估拓展,支撑流域健康精准评价,推动“十四五”河湖管理目标向“水生态系统健康评价”的根本性转变。研究结果可为长江流域水生态健康研究提供科学支撑。

为评估三峡水库蓄水运行对长江中下游岸线生态环境的长期影响,促进人水和谐关系建设,以长江中游枝城—湖口河段为对象,通过整合水位监测数据、多时相遥感影像和无人机实景数据,对岸线空间动态演变进行定量研究。结果显示:三峡工程蓄水运行20 a间,大尺度水面面积占比保持相对稳定,标准差控制在2.4%以内;另外,2021—2023年,枝江、石首2处采样点岸线坡度分布的标准差最大值≤2%。结果表明,三峡水库蓄水运行对长江中游岸线空间格局影响有限,岸线形态保持总体稳定,这为长江岸线生态保护与可持续利用提供了重要科学依据。

在全球气候变暖的背景下,长江流域干旱灾害风险持续增加,流域抗旱管理面临着旱情监测预警精度不高、抗旱调度预演预判能力不足等瓶颈问题,亟待深入研究。从抗旱业务管理和“四预”应用需求出发,构建了抗旱补水调度数字孪生平台,选择长江流域2022年特大干旱为典型案例,围绕“当前旱情诊断-未来趋势研判-抗旱调度推演-预案会商决策”全链条全过程开展了情景推演,构建了干旱网络舆情监测分析、旱警水位超限告警预警、抗旱调度方案知识库和场景匹配等关键技术,实现了抗旱“四预”目标,切实提升了流域抗旱管理智能化、精细化水平,为推进干旱防御数字孪生建设提供了技术示范。

针对当前已有河湖数字孪生体大多存在的三维虚拟场景精度不够高、河湖水体动态化效果欠佳及动力过程不够精确等问题,使用虚幻引擎5(UE5)作为研究平台,对河湖环境下三维虚拟场景构建与水动力过程模拟方法进行了研究。首先将地形高度图、三维环境模型等作为输入数据构建高精度河湖三维虚拟场景,再对引擎中水体模拟插件进行改进,添加摩擦源项,实现河湖水体动力过程模拟,水文参量和数据读取与计算。然后设计了验证与对比试验场景,最终形成一个具备河湖三维场景与水动力过程模拟功能的数字孪生体框架。该方法实现了河湖三维场景构建、可视化水动力过程模拟与水文参量动态获取,提高了其作为数字孪生体的模拟能力,可为河湖流域数字孪生体技术在场景构建、动态模拟及交互设计的开发提供技术参考。

陆地碳汇是碳循环的重要组成部分,在全球气候变化背景下其重要性日益凸显,相关研究受到了国内外学术界的广泛关注。采用文献计量方法,以1994—2024年间Web of Science核心合集SCI-E数据库以及CNKI数据库中所收录的共计8 431篇相关文献为研究对象,运用CiteSpace软件绘制国内外文献共被引、作者共作以及关键词时间线等可视化图谱,分析了论文时间、学科、期刊以及来源国家的分布情况,给出了高影响机构、高产作者以及重要研究文献,并基于Burst检测探究了不同阶段关键词演化发展过程及未来趋势。结果表明:①近30 a来陆地碳汇发文量显著增长,2008年以后年均增幅12%,2019年以后年均增幅高达15%。②发文量较多的国家依次是中国、美国、德国、英国、加拿大等;高影响的研究机构主要有中国科学院、中国科学院大学、法国国家科学研究中心、美国农业部、巴黎-萨克雷大学等。③关键词演化过程主要分为3个阶段:1994—2008年侧重于碳循环基础理论研究,关键热词是碳循环、碳平衡和涡度相关等;2008—2019年研究热点从地球生态系统逐渐扩展到社会经济等方面,关键热词是净初级生产量、碳交换、生态补偿和低碳经济等;2019年至今紧密围绕全球碳减排目标与生态系统价值实现,关键热词是以碳中和、碳排放、温度敏感性、生态产品核算和碳交易;未来发展方向是碳汇监测核算、减排增汇提升方法、碳交易市场机制、深化国际合作等。研究成果可为厘清全球陆地碳汇发展脉络和研究热点、预测未来发展方向,以及促进我国双碳目标实现提供基础资料和政策建议。

为解决在大尺度河道数值模拟中河道遥感影像信息不全和实测地形高程资料部分缺失导致河道数字高程模型难以构建的问题,应用塔里木河阿拉尔—新渠满河段2011年相关水文资料与实测地形高程资料,通过ArcGIS软件结合Google Earth历史影像与Copernicus DEM 30数据绘制河道临水线与外缘线,基于二次插值、平均差值法与局部加权回归算法,结合断面高程数据,完善河道地形高程。通过Mesh Generator组件,重构该河段的河道数字高程模型,并检验数据在MIKE 21水动力-泥沙模块数值模拟中的可行性。结果表明:通过模拟得到的流速、流量-水位关系及河道冲淤变化与实测资料对比,各项指标的误差均符合相关技术规程的允许偏差要求;平均差值法可以弥补主槽与河漫滩高程补衔接不自然的问题;局部加权回归算法能有效平滑河道主槽沿程断面高程数据。研究成果旨在丰富河道地形高程数据的重构方法,为解决大尺度河道DEM难以构建问题提供一种新思路。

洪水期间,复杂地形和水域边界的快速变化极大增加了准确提取洪水淹没范围的难度。传统的人工和卫星遥感方法常因云层覆盖、光照变化和传感器限制等因素,导致其精度不足,且效率低下、成本高昂。基于此,利用深度学习与机器视觉技术,构建了针对洪水监测的“RiverDataset”数据集,并基于此数据集评估Segformer模型在洪水淹没范围提取中的效果。同时对比分析Segformer模型与基于ResNet50和VGG16的U-Net模型的水体分割性能。研究结果表明:Segformer模型凭借其Transformer结构,有效捕捉了广泛的上下文信息,并通过多尺度特征融合技术,保证了在复杂环境中的分割性能和信息的完整性;在平均交并比(mIoU)、平均像素准确率(mPA)、精确率和召回率等关键性能指标上,Segformer模型显著优于基于ResNet50和VGG16的U-Net模型。综上可知,Segformer模型在处理精确提取边界和有效排除干扰物的复杂分割任务中具有明显优势。

帷幕灌浆是抽水蓄能工程防渗加固的常用手段,注入率是帷幕灌浆的重要监测参数,直接影响灌浆的质量。注入率的波动段是灌浆施工过程中的关键阶段。目前对注入率过程监测数据的挖掘研究较少,灌浆中的合理注入率缺乏科学判据,也难以指导灌浆压力的调节。为此,提出一套帷幕灌浆波动段注入率区间分析和计算方法,对帷幕灌浆的历史注入率过程线形进行分类,选取出注浆过程的正常灌段,通过分析各灌浆参数与波动段单位平均注入率的相关性,选取灌浆强度数(GIN)、波动段浆液平均密度和灌浆孔序分别作为能量、裂隙和灌序指标;对注浆过程正常灌段进行聚类,计算各类的波动段注入率区间,最后判断各历史灌段的波动段单位平均注入率所处的具体波动段注入率区间,根据判断结果给予灌后评价。将提出的方法运用于五岳抽水蓄能电站上水库库盆坝趾帷幕灌浆工程实践中,结果表明:该方法的可行性及灌浆相似性假设得到了验证;评价等级处在Ⅰ级至Ⅳ级的灌段占93.5%,Ⅴ级到Ⅶ级的低评价灌段仅占一小部分。研究成果可供从事帷幕灌浆的工程技术人员参考。

科学有效地对河湖堤防决口险情进行动态实时监测,为灾后快速评估和防洪应急抢险决策提供技术支撑,具有迫切的现实需求。在分析决口险情监测任务需求的基础上,兼顾时-空-频-谱等约束,构建一种多源遥感协同监测方法,利用模糊多属性决策思路评价不同协同方案在决口险情及引发的次生洪涝灾害任务中的动态监测能力,并通过反演决口宽度、垸区淹没面积等指标,实现多卫星监测组合的统一量化评定及决口险情过程追踪。为验证多源遥感协同监测方法在决口险情及洪涝灾害应急处置中的性能,以“7·5洞庭湖团洲垸湖堤决口险情”为例进行论证分析。结果表明:决口及洪涝场景下分别求解的协同监测方案综合适应度最优,且决口宽度反演值与水文测报值相符,相对误差为0.98%;淹没面积反演值与洪水复演模型计算值大体一致,相对误差为-2.39%,协同监测方案可满足险情应急监测任务对响应时效性、协同性等实际需求。

水利水电工程中,灌浆是保障水工挡水建筑物稳定和防渗的关键施工环节,但传统灌浆监控设备在精确性、智能化和效率方面存在不足。研究旨在通过创新设计新一代灌浆参数智能感知与高效管控装备,实现灌浆过程的全自动化运行及预警反馈控制,提高工程管理效率、施工质量和安全。设计了智能集中制浆站、智能压力调节与冲洗装置、智能灌浆控制协调中心及数字化灌浆记录单元,并将其融合成新一代灌浆参数智能感知与高效管控装备;同时,开发了基于多重触控的多通道人机交互易用界面,以实现灌浆过程的配浆、送浆、调压、灌浆的全自动化运行管理,并通过实验与工程应用验证了该装备功能的可行性。与传统灌浆监控设备相比,施工质量显著提升,施工效率提高了30%以上。新一代灌浆参数智能感知与高效管控装备在水利水电工程灌浆施工中效果显著,实现了灌浆过程的自动化、智能化和高效化,为工程的高质量建设提供了有力支持,具有广阔的应用前景。

针对灌区水资源调度管理实时感知能力不足、智慧化程度不高的问题,研究数字孪生灌区水资源调度管理平台设计与实现,将物联网、数字孪生、水利专业模型与灌区水资源调度管理相结合,研究灌区水利实时感控体系与数字孪生可视化表达方法,设计数字孪生灌区水资源调度管理平台,实现数字孪生灌区水资源调度预演与决策。以数字孪生都江堰(渠首枢纽)工程为应用示范的实践证明,通过对灌区物理流域全要素与水资源管理活动进行数字化映射和智能化模拟,数字孪生灌区水资源调度管理平台能够及时感知水资源供应异常和设备故障,为管理者提供基于调度模拟结果的预测和优化建议,实现水资源精细化管理和调度智慧化决策。

DeepSeek作为先进的人工智能技术平台,给水利领域带来新的变革。基于工程水文的专业特点,分析了DeepSeek模型与工程水文分析计算的适配性,并选择水位频率分析作为评估DeepSeek在工程水文中应用前景的案例。结果表明通过采用结构化提问、合理拆分任务等技巧,DeepSeek能够准确地识别用户需求,其代码生成、解释、纠错、调优、改写功能极大地提升了工作效率,减小了学习成本,具有变革性潜力,未来结合洪水预测、水资源优化调度等相关专业技术将进一步拓展DeepSeek的应用场景与应用深度。

在移动互联网大数据的背景下,带有发布时间、发布位置等特征标签的社交媒体数据在自然灾害应对中的关键作用受到了广泛的关注。选择我国2022年长江流域特大干旱为应用案例,以主流的互联网社交媒体——微博文本作为数据源,基于机器学习与人工智能算法,抓取干旱演化过程数据,深入分析旱灾舆情时空特征与主题特征。研究结果表明:① 社交媒体关注热度时间变化与干旱发生演化过程较为同步,7月份长江全流域干旱在微博的讨论数据较小,到8月上旬陡然上升,至8月中下旬达到顶峰,12月初基本归零。从旱灾发生演化过程上看,四川、重庆、江西等受旱严重省市微博讨论热度时间特征与当地水文径流数据时间变化整体呈“此消彼长”趋势;② 社交媒体关注热度空间特征与区域受旱严重程度分布基本吻合,四川、重庆、江西等高热度省市微博讨论占比超过50%,而云南、西藏、上海、青海等省市的微博讨论占比较低;③ 社交媒体干旱主题特征差异较大,江西、湖南两省主题热词为“鄱阳湖面积萎缩”、“水位下降”,四川、重庆两省市舆情热词是“山火”、“地震”、“农户减产”、“用电紧张”。伴随旱情发展演化过程,公众干旱舆情的情感倾向经历了从负向逐步趋向正向的过程。研究成果可为流域旱灾跟踪分析与社会公众抗旱动员提供技术支撑。

灌溉面积是有效实施农业节水所需的基础性数据,传统调查统计方式已经不能满足当前灌溉面积监测需要。融合GF-1与Sentinel-2卫星影像,构建作物生育期的样本光谱,基于像元尺度光谱匹配方法协同提取江苏省宿迁市皂河灌区2017—2022年作物种植结构及实际灌溉面积。结果显示:皂河灌区的主要种植模式为水稻小麦轮作;灌区2017—2022年实际灌溉面积分别为85.11、91.91、103.65、95.85、97.72、88.24 km²。基于样本点利用混淆矩阵对提取的实际灌溉面积结果进行精度验证,总体精度为89.71%,Kappa系数为0.80,监测结果精度较高且提取效果优于目前公开产品中精度较高的IrriMap_Syn产品及IWMI产品。该方法适用于南方灌区实际灌溉面积提取,可为灌区管理部门日常监管、优化水资源配置等提供技术与数据支持。