《水科学进展》2026年第4期中文摘要
元流域：江河治理保护研究新范式
冶运涛1，2，3，蒋云钟1，3，梁犁丽4，曹 引1，3，王 英2，顾晶晶1，周 政1
（1. 中国水利水电科学研究院，北京 100038；2. 中建生态环境集团有限公司，北京 100037；3. 水利部数字孪生流域重点实验室，北京 100038；4. 中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院，北京 101199）
摘要：为破解国家江河战略实施中跨部门协同管理难、社会多元主体参与难、复杂系统风险预见难等治理问题，亟需构建贯通物理流域和人文社会的新型范式。融合元宇宙、人工智能与流域科学等理论技术，提出了元流域理论框架和技术体系。阐释了元流域的定义、内涵和特征，构建了以高保真数字孪生流域为数字基座，融合虚拟社会、沉浸交互、共生智慧中枢要素的“六基三元”基本模型，解析了其运行机理和核心能力，提出了其关键技术攻关方向。元流域将流域治理主体从“人通过工具治理流域”跃迁为“人与智能体共同治理流域”，形成物理流域与虚拟社会平行互动、双向闭环的协同治理机制，赋能江河安全保障、资源配置、生态保护等核心任务治理范式的演进。元流域以其全新理念和技术革新，推动流域治理正从“数据驱动”的第四范式迈向“智能驱动”的第五范式，为国家江河治理体系与治理能力现代化、实现人水和谐共生提供了理论框架和实践蓝图。
关键词：元流域；江河治理保护；数字孪生流域；虚实共生；元宇宙；人工智能
融合先验信息与深度学习的小样本水文建模
杨亿博1，张建云2，刘金平3，江恺瑶4
（1. 福建中锐网络股份有限公司，福建 福州 350000；2. 太阳成集团tyc122cc入口水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 210029；3. ESCAP/WMO台风委员会秘书处，澳门 999078；4. 澳门城市大学数据科学学院，澳门 999078）
摘要：水文建模在部分区域常受小样本问题制约，导致性能显著下降。为此，本文提出了一种融合水文先验信息的Gamma卷积神经网络（GammaConv-Net，GCN），通过Gamma分布概率密度函数刻画降雨径流的时滞响应机制，引入径流权重分配结构以显式表征流域调蓄作用及多时间尺度径流成分，并以端到端方式联合优化水文物理参数与网络权重，实现参数自适应学习。在北江流域石角站的试验中，多核结构GCN在全样本下纳什效率系数（ENS）达0.90以上，优于新安江（XAJ）模型与多层感知机（MLP）；在5%极小样本条件下，ENS仍保持0.86（XAJ为0.67，MLP为0.73）。所得Gamma参数呈现区域适应性，合理解释了径流时滞特征。研究表明，GCN有效提升了小样本水文建模的数据效率与可解释性。
关键词：小样本建模；水文先验信息；降雨—径流过程；端到端参数训练
考虑雨量站空间关系的深度学习洪水过程预报模型
胡彩虹1，姜蕴秋1，王丽春2，刘成帅1，解添宁1，苗 敢1，李晓宇3
（1. 郑州大学水利与交通学院，河南 郑州 450001；2. 黄河水利委员会河湖保护与建设运行安全中心，河南 郑州 450001；3. 黄河水利委员会黄河水文水资源科学研究院，河南 郑州 450001）
摘要：降雨时空异质性是影响洪水预报精度的关键因素之一。本文提出一种融合降雨空间特征与洪水过程特征的深度学习框架，在耦合图卷积神经网络（GCN）和长短时记忆网络（LSTM）的基础上，采用以雨量站为节点的邻接矩阵改进LSTM输入模块，引入径流过程矢量化（RPV）方法，构建GCN-RPV-LSTM洪水过程预报模型。选取贾鲁河中牟站控制流域34场实测降雨-径流资料对模型进行训练和验证，并将预报结果与GCN-LSTM和RPV-LSTM模型进行对比研究。结果表明：①GCN-RPV-LSTM模型洪水预报精度最优，6h预见期下，验证期纳什效率系数（ENS）较2种对比模型分别提高0.014和0.076；②该模型对双峰型洪水的预报结果较准确，ENS始终保持0.9以上，在高流量洪水预报中性能最优；③该模型具有更强的鲁棒性，但存在洪峰低估和峰现时间延后现象。未来可进一步改进模型结构，为流域防洪安全提供科学的决策依据。
关键词：洪水预报；邻接矩阵；图卷积神经网络；长短时记忆网络；径流过程
面向洪涝灾害损失的降水指标适用性对比分析
赵慧玲1，赵铜铁钢1，吴辉明2，刘 培2，陈文龙2
（1. 中山大学水资源与环境研究中心，广东 广州 510275；2. 珠江水利科学研究院洪涝灾害防御研究所，广东 广州 510611）
摘要：降水指标适用性评估是洪涝灾害损失分析的重要内容。面向2002—2023年中国31个省（区、市）年洪涝灾害损失，本文构建稳态和非稳态损失模型，通过拟合优度（R2）、贝叶斯信息准则（BIC）和均方根误差（ERMS）对比分析了13个常用降水指标的适用性。结果表明：①12个月标准化降水指数（SPI-12）在全样本上的适用性整体最高但在高损失年份上的表现较不稳定，非稳态模型下对受灾人口和直接经济损失的R2中位数分别为0.50和0.52；由于没有考虑多年降水的分布，平均日降水强度和日降水量大于等于20.0mm的日数适用性均略低于SPI-12，对受灾人口的R2中位数分别为0.48和0.46，对直接经济损失的R2中位数分别为0.36和0.38。②尽管非稳态模型引入了时间项，降水指标的BIC值中位数与稳态模型相当或更低。③相比于面积加权，暴露度（人口和GDP）加权有助于降低部分降水指标拟合洪涝灾害损失的ERMS，特别是降水量和降水距平。整体上，遴选合适的降水指标对于洪涝灾害损失评估具有重要意义。
关键词：洪涝灾害；降水指标；损失函数；受灾人口；直接经济损失
融合水动力学机理的复杂河道水位—流量关系泛化模型
李宥霖1，马腾飞2，王船海1，杨 珅1，俞 悦1，陈 钢1
（1. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2. 南京慧水软件科技有限公司，江苏 南京 211800）
摘要：针对中下游河道受洪水涨落、回水及河床冲淤等因素影响导致水位—流量关系呈现复杂非线性特点，而传统数据驱动模型缺乏物理机制约束、泛化能力弱的问题，本文提出一种融合水动力学机理的泛化建模方法。该方法基于圣维南方程组，提取水位（Z）、水位及流量的时间变化率（dZ/dt，dQ/dt）与弗劳德数（Fr）构建物理输入特征集，耦合BP神经网络建立代理模型。选取中国七大流域中涵盖多种复杂水力机制的9个代表性断面进行系统评估。结果表明：Fr对模型精度提升作用显著，能够有效捕捉复杂水流动力特征，各断面的纳什效率系数均接近1；dZ/dt和dQ/dt对性能的改善具有站点依赖性，仅在铁岭站等深槽断面表现突出，而在其他断面受微分数据噪声影响收益有限。本文构建的物理特征集能够精准刻画不同流域的复杂水位—流量关系，突破了传统水动力模型因下游边界未知而难以预报的瓶颈，可为变化环境下实时洪水预报及数字孪生应用提供技术支撑。
关键词：水位—流量关系；弗劳德数；BP神经网络；水文模拟
嫩江流域水-粮食-湿地纽带关系时空演变及驱动机制
胡博亭1，2，章光新1
（1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102；2. 中国科学院大学，北京 100084）
摘要：嫩江流域是中国重要的粮食主产区与湿地集中分布区，水、粮食和湿地之间存在紧密的纽带关系，开展水-粮食-湿地（Water-Food-Wetland，WFW）纽带关系研究对流域多资源安全保障及协同发展至关重要。本研究构建涵盖湿地水文服务功能的WFW评价指标体系，综合采用协调度模型、结构方程模型和机器学习模型揭示嫩江流域WFW纽带关系时空演变及驱动机制，结果表明：①1990—2020年流域WFW协调度演变过程为濒临失调—良好协调—濒临失调，空间上WFW协调度呈嫩江上游>中游>下游；②流域水与湿地子系统具有协同效应，粮食与水和湿地子系统具有显著竞争效应，粮食安全水平每增加1%将导致水安全和湿地生态安全水平分别下降0.52%和0.67%；③农业灌溉用水量是驱动流域WFW协调度演变的主控因子，贡献率达35.2%，其管控阈值为98.6亿m3，以维持流域WFW协同发展。粮食生产与湿地生态保护间的激烈争地争水是制约嫩江流域WFW协同发展的关键因素，研究成果可为灌溉农业发展规划和湿地生态恢复方案提供科学支撑。
关键词：水-粮食-湿地；纽带关系；协同发展；湿地水文服务；嫩江流域
基于隐马尔可夫模型的水文状态识别及应用
卫晓婧，郭生练，熊立华，周研来
（武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072）
摘要：在气候变化和人类活动双重影响下，流域降雨径流关系呈现非平稳性特征，传统稳态假设的水文模型难以捕捉系统的结构性跃迁，导致径流模拟性能下降。本文以水文状态作为非平稳性的表征形式，构建了1—3状态的隐马尔可夫模型（HMM），采用维特比算法识别流域水文状态及其演化路径，并将解码得到的水文状态结果引入径流模拟过程以应对非平稳性影响。基于CAMELS数据库240个典型流域开展试验，结果显示：约22.5%的流域具有显著多状态水文特征；引入水文状态约束的多状态模型在概率模拟与确定性模拟中均表现出显著优势，不确定区间覆盖率较单状态模型平均提升约30%；纳什效率系数由0.45提升至0.83（增幅约84%），均方根误差平均降低约49%。研究表明：基于HMM的水文状态识别方法能够有效捕捉水文状态跃迁，将状态信息纳入模拟过程有助于提升非平稳条件下的径流模拟性能，为变化环境下水文模拟提供新路径。
关键词：隐马尔可夫模型；水文状态；非平稳径流模拟；不确定性分析
不同降水强度下北峪河流域水沙输移的驱动机制
魏 冲1，2，舒章康3，董晓华1，2，李佳倩1，安 敏4，李子威3，喻 丹1，2
（1. 三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2. 三峡库区生态环境教育工程研究中心，湖北 宜昌 443002；3. 太阳成集团tyc122cc入口水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 210029；4. 三峡大学经济与管理学院，湖北 宜昌 443002）
摘要：解析不同降水强度下的水沙驱动机制，能够突破年、月尺度累积效应的局限，从而精准刻画流域侵蚀动力的演变。本文以嘉陵江北峪河流域为研究对象，基于2007—2020年气象水文资料和下垫面数据，筛选264场场次侵蚀事件，采用偏最小二乘-结构方程模型（PLS-SEM）定量解析不同降水强度下流域水沙关系的驱动机制。结果表明：北峪河流域具有径流系数低且含沙量高的水沙特征，日最大降水量高于30mm的高强度降水事件场均贡献年均输沙总量的44%，是流域输沙的关键动力来源；随着降水强度的增加，水沙关系由高度离散状态（决定系数（R2）介于0.07～0.09）转变为显著的幂函数关系（R2 = 0.94）；PLS-SEM 结果显示，径流对输沙变化的解释力随降水强度的增加而显著增强（路径系数从0.519增至0.922）；高强度降水条件下，前期降水对输沙的总效应（0.658）超过了场次降水，输沙过程受前期降水和径流协同调控，同时气温、植被及连通性等下垫面因素对含沙量的综合调节作用也更为显著。研究成果可为山区小流域水土流失精准防控提供科学依据。
关键词：水沙输移；驱动机制；场次尺度；不同降水强度；PLS-SEM
多因素影响下的长江上游典型区间入汇水沙变化预测分析
谭寓宁1，2，李文杰1，刘怀湘2，杜洪波1，万 宇1
（1. 重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；2. 太阳成集团tyc122cc入口港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，江苏 南京 210029）
摘要：梯级开发背景下的长江上游水沙来源已发生显著变化，库区支流来沙逐渐成为梯级库群的核心控制因素。本研究选取长江上游典型区间16个资料较为完整的支流水文站实测数据，综合运用数理统计方法、极限梯度提升模型（XGBoost）及长期情景模拟，探讨多因素影响下的水沙通量变化规律。结果表明：①研究区域水量变化幅度相对较小，但2007—2020年三峡库区支流来沙总量仅为1970—1987年的34.2%；同期金沙江下游各支流站点输沙量亦减少13.6%～90.6%。②所构建的逐月水沙模数预测模型表现良好（决定系数大于0.74）。其中，降水量、月份和地形因子共同解释了80.2%的径流模数变异；径流模数、降水量、水库影响、土地利用和月份共同解释了81.0% 的输沙模数变异。③基于未来气候变化情景的预测显示，2026—2056 年研究区域年均降水量较历史水平有所降低；预测嘉陵江北碚站未来年均输沙量约为3 574万t，为三峡库区的最主要泥沙来源；高输沙模数区主要集中于金沙江下游部分支流，最大约为829 t/(km2·a)。本研究有助于深化对长江上游水沙分布格局及其时空演变规律的认识。
关键词：山区河流；水沙变化；影响因素；预测模型；水库
太湖流域平原区微地形动态滞蓄效应
赵鹏轩1，王船海1，张娉楠2，叶 寅3，陈 钢1
（1. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2. 江苏省水利工程规划办公室，江苏 南京 210029；3. 南京慧水软件科技有限公司，江苏 南京 211800）
摘要：平原区微地形动态滞蓄效应对降雨径流过程具有显著的调节作用，但该效应的定量描述及在水文模型中的准确表征仍存在挑战。基于太湖流域平原区野外水文监测，提出有序化解析微地形结构的基本微地形单元方法，构建高效模拟微地形滞蓄过程的动态填洼算法；进一步提出量化微地形动态滞蓄效应的微地形滞蓄曲线和考虑微地形调控的平原区水文模型。结合7个典型微地形区域高精度地形数据与试验基地监测数据，对所提方法进行了应用与验证。结果表明：该算法在保证物理合理性的同时，使参与计算的洼地单元数量下降约1～2个数量级；微地形滞蓄曲线对滞蓄过程的拟合效果良好，平均相关系数达0.99；模型能够有效表征降雨前期滞蓄与后期缓释效应，径流量模拟误差下降了19%。研究成果为复杂微地形动态滞蓄效应的定量描述提供了有效途径，完善了平原区水文模拟的机理框架。
关键词：动态滞蓄效应；微地形滞蓄曲线；野外水文监测；平原区水文模拟
黄河内蒙古段封冻期非漫滩与漫滩槽蓄水增量变化
申红彬1，2，陈 建1，陈翠霞2，3，王海周1，张善举1
（1. 华北水利水电大学，河南 郑州 450045；2. 水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），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：现有对高寒地区河流凌汛封冻期槽蓄水增量研究，少有涉及非漫滩与漫滩分异问题。根据河流水文系统自动调整与滞后响应理论，基于Muskingum法，考虑封冻期槽蓄水相态（液态、冰态）转化，推导建立封冻期槽蓄水增量（包括液水与固冰）滞后响应模型；分别统计分析非漫滩与漫滩情景下模型参数的不同影响因子与变化规律，揭示槽蓄水增量变化的分异机制。以黄河内蒙古段为例，通过参数率定并应用模拟封冻期槽蓄水增量变化过程，结果表明：模拟值与实测值变化趋势符合良好，确定性系数与Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.95、0.96；液态蓄量系数主要与初始槽蓄水量与平滩流量比值正相关，反映了漫滩阻力增大影响；固冰体积综合系数在非漫滩情景下主要与液态蓄量系数负相关，反映出主槽流速减小、冰花堆积厚度减小的影响，而在漫滩情景下可分解为河冰面积与冰厚综合增长系数，前者主要和封冻期流量与平滩流量的比值正相关，反映了漫滩程度增大影响，后者主要与平滩流量正相关，反映出主流区流速增大、冰花堆积厚度增大的影响。对于黄河内蒙古段主槽萎缩、平滩流量减小，封冻期水流相对更易漫滩，液态蓄量系数增大与河冰面积增大均有利于增大固冰体积，而冰厚综合增长系数减小有利于减小固冰体积，三者不同的变化规律及其共同作用使得槽蓄水增量呈现出复杂变化。
关键词：槽蓄水增量；滞后响应；非漫滩与漫滩；分异；凌汛封冻期
基于多目标协同的平原圩（垸）区水动力调控方法
程 旭1，2，吴修锋1，戴江玉1，吴时强1，2，程 磊2，杨 帆1，李子祥1
（1. 太阳成集团tyc122cc入口水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 210029；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：平原圩（垸）区地势低洼，易受外洪内涝叠加影响，水动力不足是制约水环境改善的关键因素。针对传统调控方法主观性强、难以实现全局优化的问题，本文以太湖流域大荡圩为研究对象，基于Copula函数构建了圩内-圩外联合水情情景，应用InfoWorks ICM模型模拟了圩区水动力过程，并构建CNN-LSTM-SelfAttention代理模型与遗传算法耦合，开展了多目标协同优化调控。结果表明：新增单点引水闸使水量交换率由1.72%提高至36.69%，闸泵协同优化后进一步提升至49.82%；在外洪叠加强降雨情景下，河道水位可稳定控制在防洪警戒水位以下，且取水后仍维持在最低控制水位以上，同时显著提升了河网流速与流量历时保证率。研究成果可为平原圩区洪涝防治与水环境改善提供理论与技术支撑。
关键词：水动力调控；水系连通；闸泵协同调控；多目标优化；平原圩（垸）区
水利水电枢纽溃坝风险知识图谱与量子拓扑融合分析
周晋军1，靳淞云1，秦晨睿1，王 昊1，刘家宏2
（1. 北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2. 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）
摘要：针对溃坝诱发因子多样、传递路径复杂、损失量化困难等问题，本研究提出构建融合知识图谱与量子拓扑分析的溃坝风险评估框架。基于Scrapy爬虫与文献分析获取多源数据，设计正则表达式集提取溃坝风险传递路径，划分为气象、地质、工程与管理、生物四大类因素；采用破坏势能与频率因子进行量子编码，得到适用于溃坝风险评估的4类拓扑构型；引入可信度评估，验证量子拓扑分析方法的合理性。结果表明：知识图谱共提取了70条典型路径；量子拓扑分析得到的拓扑脆弱性指数，工程与管理因素类最高，气象类与地质类次之，生物类最低；路径可信度与节点连接度具有一致性，拓扑脆弱性大小与各类风险的实际致灾机理相符。本研究提出的“图谱-拓扑”技术范式实现了溃坝风险传递路径的结构化整合与量化，为溃坝风险传递路径的分析提供了新思路。
关键词：溃坝风险；水电枢纽；传递路径；多维风险分析；知识图谱；量子拓扑
饱和裸土与水面潜在蒸发量差异特性及其驱动因素分析
李婉歆1，2，王文科1，2，李 智3，韩知明4，席 颍1，2，赵梓萱1，2，王瑞源1，5
（1. 长安大学水利与环境学院，陕西 西安 710054；2. 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3. 中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710077；4. 西北农林科技大学水土保持与荒漠化整治全国重点实验室，陕西 杨凌 712100；5. 水利部旱区生态水文与水安全重点实验室，陕西 西安 710054）
摘要：饱和裸土蒸发量是准确估算实际蒸发量的参考基准，实际应用中常用水面蒸发量代替，迄今对二者蒸发差异性对比的系统监测及驱动因素分析还比较薄弱。本文依托野外蒸渗仪试验，对比分析典型饱和裸土与水面在不同时间尺度上的蒸发量差异，基于蒸发过程的能量驱动与水汽传输机制，综合运用敏感性分析、机器学习等方法，解析了2种供水充足介质间的蒸发差异性驱动因素。结果表明：年内饱和细砂蒸发量高于水面，二者蒸发量差异在夏季高达21%；使用耦合温度的界面能量平衡方程与水汽传输模型可定量解析实测蒸发差异；2种介质蒸发差异性驱动因素在于热响应特性分化，饱和裸土以快速热响应高效利用辐射驱动水分汽化，水体则由热惯性及高比热容缓冲效应主导蒸发过程。研究表明，温度与热通量对供水充足介质的蒸发差异及亚日尺度潜在蒸发速率的精确计算至关重要。
关键词：水面蒸发；潜在蒸发；饱和裸土；蒸渗仪试验；能量平衡；水汽传输
自然系统流域尺度水碳循环耦合过程研究进展
刘艳丽1，2，李宇超3，金君良1，3，张建云1，2，关铁生4，刘翠善1，2
（1. 太阳成集团tyc122cc入口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；4. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）
摘要：水循环与碳循环作为地球系统的核心生物地球化学过程，在流域尺度上通过“水-碳耦合”协同演化。流域作为水量与物质平衡意义上的自然单元，是认识这一耦合关系的重要尺度，也是基于自然解决方案应对气候变化和流域水安全的关键基础。本文阐释了自然系统流域尺度的水碳循环耦合过程，分析了水碳循环耦合机制，梳理了水碳循环耦合过程的观测技术与模拟模型体系，建立了流域水碳循环双向耦合模型框架，探讨了气候条件对流域水碳循环耦合过程的影响，并从双向耦合过程、界面过程量化、数据支撑和极端事件影响等方面总结了当前研究中亟待解决的问题，提出了未来发展趋势，以期为流域碳中和、水资源安全、生态安全和粮食安全，以及基于自然解决方案的气候变化减缓与适应提供科学支撑。
关键词：水碳循环耦合；水循环；碳循环；双向耦合框架；流域尺度；基于自然的解决方案；气候变化
黄土高原生态水文调控的范式革新与关键技术
吕锡芝1，张恒硕1，秦天玲2，严登华2
（1. 黄河水利委员会黄河水利科学研究院河南省黄河流域生态环境保护与修复重点实验室，河南 郑州 450003；2. 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）
摘要：黄土高原作为维系中国北方生态安全与水资源平衡的核心地带，其生态水文调控对黄河流域水安全具有全局性战略意义。然而，当前面临大规模生态修复后出现的植被退化、土壤旱化、水沙骤减等新老问题交织的复杂挑战，传统以“保土增绿”为核心的单一目标调控模式已难以适应多目标协同管理的现实需求。本文系统论证了从“保土增绿”向“水-生态-经济-社会”多维协同的系统均衡范式转型的必要性，提出了涵盖目标、理念、尺度、评价与管控5个维度的范式革新内涵，并构建了以“感知—认知—预知—调控”为闭环的智能技术体系作为支撑路径。在此基础上，明确了需重点突破的深厚包气带水循环、植被水分适应性、水沙重新平衡、水-碳-氮耦合机制及社会-生态系统模拟等五大基础科学前沿。该研究为推动黄土高原实现生态保护与水资源安全的协同统一提供了科学依据与决策参考，未来需通过科技、政策与工程协同发力，支撑区域高质量发展与人水和谐的长期目标。
关键词：生态水文调控；系统均衡；范式重构；智能闭环
