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。

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。

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。

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。

三峡库区内支流众多,但因缺少基本水文站监测,支流的水文和水资源信息匮乏,影响了区域的水资源管理和防洪安全。为此,选择了三峡库区20条典型支流为研究对象,其中18条为无资料支流,应用自主研发的遥感水文站技术,结合卫星及无人机遥感数据构建了支流监测断面的三维数字河道模型,计算分析了2016年1月—2023年7月的河道流量、相对水位等信息。研究表明:①三峡库区内20条典型支流的河道横断面形状呈U形,属于典型的山区河流;遥感水文站技术在计算三峡库区无资料支流流量时具有良好的精度,平均NSE和R²分别可达到0.74和0.76。②在研究期内库区支流相对水位变化较小,库首、库中和库尾支流相对水位月际变化在1.2 m以下的月份占比可达93.1%、86.8%和87.4%。③库区典型无资料支流的平均流量总体平稳,但趋势分析结果表明,共有13条无资料支流的流量正在减少,库区支流流量总体上呈现下降趋势。④三峡库区20条支流年均流量和全年总流量十分丰富,年均入库流量达164.75亿m³,约占库区年入库流量的4.8%,为地区经济发展提供了有力的水资源支撑。

在水华遥感监测领域,水华面积是评估水体水华严重程度的重要指标,也是有关部门采取防治措施和确定应急响应等级的关键信息。针对中低分辨率影像采用传统方法估算水华面积精度较差的问题,以太湖为研究区,对比Sentinel-2、Sentinel-3数据提取水华面积的差异性,分析了Sentinel-3影像NDVI与混合像元中水华面积占比的关系,构建了基于NDVI密度分割法的蓝藻水华面积校正模型,对Sentinel-3提取的水华面积进行了校正;并对比分析了利用该模型与像元累加法、藻华像元生长算法进行水华面积统计与高分辨率Sentinel-2影像统计结果的一致性。研究结果表明:构建的校正模型在Sentinel-3影像水华面积估算中准确度和可靠性优于传统方法,能够有效提升该影像在水华监测领域的应用价值。

水环境质量预报预警是提升水污染防治现代化水平的重要支撑。提出了香溪河流域水环境磷风险平台技术体系,建立了香溪河流域水环境磷风险预报预警平台。该平台具备自动化收集多源异构的气象、水文、水质监测和污染源排放等底座数据并融合处理的功能,可为流域模型的边界条件和过程条件提供支撑,进一步对降雨过程、水文变化、总磷浓度和水环境风险提供预测和评价结果,并对2016年和2020年进行磷风险预报预警应用,为香溪河提升流域智慧化管理水平和推进磷风险管控提供技术支撑。

面向水资源监测任务需求,综合考虑时-空覆盖性、传感器参数、成像质量和目标重要性等准则,基于监测任务需求原型,提出一种自适应多传感器性能度量方案,构建模糊贪婪搜索决策的星载组合方法,实现对水资源监测任务的最大效益化观测。为验证组合方案的适应性,以丹江口库区为试验区,进行多传感器组合观测模型验证。试验结果表明,组合观测方案能满足在特定时空约束条件下对库区水质、库岸环境及常规干旱监测任务的需求,为水资源日常监测提供合理的决策依据。

2021年南水北调中线工程天津干线建立了包含102个国产北斗监测站点的沉降监测系统,每天新增约6.4 GB的原始观测数据和2 125个沉降监测结果。工程距离跨度大,人工巡检效率低,难以快速、及时地对监测站点的健康状况进行诊断。为解决此问题,提出了一种面向海量北斗变形监测数据的站点健康诊断自动化技术。利用多路径误差是否长期大于阈值、沉降序列是否发生突变,实现对北斗监测站点周围观测环境和稳定性的及时诊断,以较低的人力成本实现对北斗监测站点周围植被生长变化和土质沉陷异常变化的快速分析和诊断。

针对时间序列InSAR计算量大、时效性低、传统D-InSAR精度不高的问题,提出了TD-InSAR连续像对干涉测量方法,并利用HyP3云计算平台实现了长距离引调水工程沿线地表形变连续干涉像对快速分析。以珠江三角洲水资源配置工程为研究区,以传统PS-InSAR监测结果为参照数据对TD-InSAR地表形变探测精度进行了验证。试验结果表明:TD-InSAR取得的地表形变速率与PS-InSAR趋势一致,决定系数R²>0.7,精度相比传统D-InSAR方法提高了52.6%;基于云计算的TD-InSAR地表形变监测方法降低了时序分析的计算量,提高了时序分析的时效性,适用于大范围的地表形变快速普查分析。

为了探究上海近海区水体生态状况,采用水色遥感技术,对叶绿素a浓度进行反演,考虑BRDF对反演的影响,基于Landsat-8遥感数据和水质实测数据,结合Lee模型和QAA算法对上海近海水体进行BRDF校正。结果表明:悬浮泥沙浓度是影响水体BRDF的主要原因之一;日光在非垂直入射时,角度对水体BRDF影响较小;BRDF校正后模型R²平均值达到0.9,提高了22.2%,RMSE平均值降低至0.74;BRDF校正前上海近海区叶绿素a浓度平均被高估2 mg/m³。通过BRDF校正提高了叶绿素a反演精度,为近海水体水色反演研究提供新思路。