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CMADS对黄河源区水文模拟的适用性研究

中国农村水利水电 2025年第2期 97-105,113页

作者：王闯董增川崔洵彭宇晴河海大学水文水资源学院江苏南京210098

再分析数据集对于水文模拟和可靠的水资源管理具有吸引力,特别是对于气象资料匮乏的地区。研究以黄河源为研究区,使用中国大气同化驱动数据集(the China Meteorological Assimilation Driving Datasets for the SWAT Model,CMADS)驱动SW... 详细信息

再分析数据集对于水文模拟和可靠的水资源管理具有吸引力,特别是对于气象资料匮乏的地区。研究以黄河源为研究区,使用中国大气同化驱动数据集(the China Meteorological Assimilation Driving Datasets for the SWAT Model,CMADS)驱动SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型进行日尺度径流模拟并使用SWAT-CUP(SWAT Calibration and Uncertainty Program)和SUFI-2(Sequential Uncertainty Fitting-2)算法进行率定和验证,评估CMADS的精度及其对黄河源区水文模拟的适用性。结果表明:(1)CMADS在黄河源区的日尺度气温精度非常高,与流域内8个气象站实测数据的相关系数均在0.95以上。汛期日降水精度令人满意,相对误差基本在±10%之间,非汛期的日降水精度差,相对误差基本在-30%到-50%之间。(2)SWAT模型在黄河源区水文模拟的适用性非常强,利用气象站观测数据驱动SWAT模型得到率定期和验证期的NSE、R2、PBIAS、RSR和KGE各项评价指标等级均为非常好。(3)采用两种方法对CMADS水文模拟适用性进行评估。方法一是用CMADS驱动SWAT模型率定和验证并进行水文模拟;方法二是用CMADS驱动已经用实测气象数据率定好最佳参数的SWAT模型进行水文模拟。结果发现,CMADS在黄河源区水文模拟与实测流量相关性高,但是容易低估流量,总体来看,CMADS在黄河源区水文模拟适用性不错,其中方法一比方法二的水文模拟效果好。研究的结果证明CMADS可为气象资料稀缺的高寒山区提供较为可靠的数据来源,为扩大水文模拟的时间和空间尺度提供了可能。

关键词： CMADS 黄河源区高寒山区 SWAT模型

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基于移动最小二乘法的阶跃型滑坡预警曲面模型

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河海大学学报(自然科学版) 2025年第1期53卷 95-102,120页

作者：王伟丁聪刘世藩姜宇航陈超河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210098 河海大学江苏省岩土工程技术工程研究中心江苏南京210098

基于移动最小二乘法搭建阶跃型滑坡预警曲面模型,以三峡库区王家坡滑坡监测数据为例构建预警模型并验证了该模型用于滑坡阶跃预警的可行性。该模型通过移动最小二乘法拟合滑坡累计位移-监测期次曲线,利用拟合曲线导数信息确定滑坡阶跃... 详细信息

基于移动最小二乘法搭建阶跃型滑坡预警曲面模型,以三峡库区王家坡滑坡监测数据为例构建预警模型并验证了该模型用于滑坡阶跃预警的可行性。该模型通过移动最小二乘法拟合滑坡累计位移-监测期次曲线,利用拟合曲线导数信息确定滑坡阶跃变形区间,以区间二阶导数最大值点作为“类破坏点”获得当期降雨、前期降雨、位移速率阈值;根据“类破坏点”监测信息,利用移动最小二乘法建立滑坡阶跃变形发生的阈值曲面,以位移速率作为分级标准建立4级预警阈值曲面模型进行预警分析。王家坡滑坡验证结果表明,模型预警等级与滑坡实际位移情况相符,模型具有良好的预警效果,能实现高效准确的滑坡阶跃变形预警。

关键词：降雨型滑坡阶跃变形预警模型移动最小二乘法王家坡滑坡

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多元型复合灾害系统适应性评估——以粤港澳大湾区为例

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河海大学学报(自然科学版) 2025年

作者：黄莉张祎喆万旭哲王伟宋月河海大学公共管理学院河海大学港口海岸与近海工程学院

多元型复合灾害同时具备串发型和并发型灾害特质，对多元型复合灾害的适应性进行评估，准确识别高风险区域，有助于有效地制定防灾减灾措施，提升区域整体抗灾能力。结合灾害损失的叠加（折减）效应系数，建立并推导了一套针对多元型复... 详细信息

多元型复合灾害同时具备串发型和并发型灾害特质，对多元型复合灾害的适应性进行评估，准确识别高风险区域，有助于有效地制定防灾减灾措施，提升区域整体抗灾能力。结合灾害损失的叠加（折减）效应系数，建立并推导了一套针对多元型复合灾害系统的适应性评估理论公式。以粤港澳大湾区的“暴雨-滑坡、暴雨-崩塌”复合灾害系统为例，从防灾和应灾能力两个维度建立了评估指标体系，使用熵权-TOPSIS方法计算各区域的评估指数，并利用ArcGIS软件绘制了适应性区划图。结果表明：粤港澳大湾区“暴雨-滑坡、暴雨-崩塌”多元型复合灾害系统适应性分布特征为，适应性高的区域主要集中在南部地区，中部少数地区具有较高的适应性，而中部大部分区域、西南部和东部地区多为中、较低适应性区，西北部和东北部则多为低适应性区。在面对多元型复合灾害系统时，区域的适应性指数显著低于其针对单一灾害的适应性指数。成果为灾害适应性评估提供新的方法和视角，可以为防灾减灾实践提供理论指导。

关键词：多元型复合灾害适应性评估风险传递模型熵权法 TOPSIS方法粤港澳大湾区

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粤港澳大湾区并发复合灾害敏感性评估

河海大学学报(自然科学版) 2025年

作者：徐峥辉王伟宋月黄莉河海大学港口海岸与近海工程学院河海大学公共管理学院

复合灾害系统敏感性分析是复合灾害风险评估的关键，也是防灾减灾工作开展的必要前提。考虑到并发复合灾害在空间维度上的叠加效应，建立并推导了并发复合灾害系统敏感性综合评估理论模型，构建了崩塌-滑坡并发复合灾害敏感性评估指标... 详细信息

复合灾害系统敏感性分析是复合灾害风险评估的关键，也是防灾减灾工作开展的必要前提。考虑到并发复合灾害在空间维度上的叠加效应，建立并推导了并发复合灾害系统敏感性综合评估理论模型，构建了崩塌-滑坡并发复合灾害敏感性评估指标体系，以粤港澳大湾区为研究区域进行实证分析，得到复合灾害敏感性分布结果。结果表明：粤港澳大湾区滑坡-崩塌并发复合灾害呈现高敏感区在怀集县、封开县等湾区西北部地区，以及龙岗区、惠城区等湾区东部地区集中分布；低敏感区在三水区、南海区等湾区中部地区，以及台山市、恩平市等湾区西南部地区集中分布；较高敏感区、中敏感区、较低敏感区主要作为过渡区零星散布于高、低敏感区之间。

关键词：并发复合灾害敏感性滑坡-崩塌评估模型 CNN

知识引导数据驱动及其在水文模型构建中的应用模式和展望

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河海大学学报(自然科学版) 2025年

作者：冯钧邵萍萍张继茹刘学毅水利部水利大数据重点实验室河海大学河海大学计算机与软件学院

受环境变化影响，暴雨规律显著变异，突发水事件增加，导致洪水过程非平稳性加剧，人类活动改变了天然汇流规律，洪水预报面临新的挑战，研究有效的洪水预报水文模型有助于应对可能发生的灾害。目前，基于传统物理方法（机理模型）的水... 详细信息

受环境变化影响，暴雨规律显著变异，突发水事件增加，导致洪水过程非平稳性加剧，人类活动改变了天然汇流规律，洪水预报面临新的挑战，研究有效的洪水预报水文模型有助于应对可能发生的灾害。目前，基于传统物理方法（机理模型）的水文模型和数据驱动模型是研究洪水发生、预判洪水演变的两种主流方法。机理模型往往难以满足个性化或复杂繁多的场景要求，对洪水径流系统机制的理解不够完整，科研人员需要其利用深厚的专业知识来确定参数的初始表达，常常面临效率低下和优化水平不高的问题。数据驱动模型训练严重依赖于数据集，训练过程缺乏物理规律引导，容易出现不符合科学常识的输出，违反物理一致性原则，模型的可解释性较差。此外，训练数据和测试数据分布的偏差，会带来模型的泛化问题。理论引导数据科学(Theory-guided data science， TGDS)方法旨在利用领域的科学知识，提高数据驱动模型的有效性。因此，在本文的研究中，结合TGDS技术，为数据驱动模型引入洪水预报领域的物理知识，来指导模型更准确地拟合洪水过程，融合机理模型与数据驱动模型两种建模的优越性能，弥补相应的不足，增强模型的通用性、可解释性及其物理一致性。具体来说，首先，对现有的机理模型与数据驱动模型的实现与融合方式进行了概念与特点分析。其次，本文对TGDS技术在不同领域的研究现状提出了新的分类方式，并进行总结。最后，对知识引导数据驱动方法在水文模型构建的未来工作进行了展望。

关键词：知识引导数据驱动融合驱动洪水预报人工智能

多源降水产品在天山典型流域的评估及径流模拟

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水土保持学报 2025年第1期39卷 284-293页

作者：王文雨刘刚王晓燕庞李玲冯同飞谷黄河河海大学水灾害防御全国重点实验室南京210098 河海大学水文水资源学院南京210098 河北省保定水文勘测研究中心河北保定071025

[目的]为探究不同降水产品在天山高寒流域的特征差异及水文模拟应用潜力。[方法]结合不同统计指标及HBV水文模型,对比分析5套降水产品(基于站点插值的格点化数据CN05.1,卫星降水数据GPM、亚洲地区高质量高时空分辨率降水数据集AIMERG、... 详细信息

[目的]为探究不同降水产品在天山高寒流域的特征差异及水文模拟应用潜力。[方法]结合不同统计指标及HBV水文模型,对比分析5套降水产品(基于站点插值的格点化数据CN05.1,卫星降水数据GPM、亚洲地区高质量高时空分辨率降水数据集AIMERG、再分析数据CMFD和ERA5)在玛纳斯河源区的降水时空分布特征,评估不同产品精度,研究不同降水产品在径流模拟中的适用性。[结果]5套降水产品的年降水均呈现从北到南先增加后减小的空间特征,仅有AIMERG和CMFD可捕捉到冰川区降水高的特征;不同产品的降水年内变化特征一致,但夏季降水量差异显著,ERA5的夏季平均降水量达CN05.1的2倍,GPM降水量最低;GPM降水产品低估观测月降水,且在春季和冬季低估最为严重(64%~76%),而CMFD、ERA5和AIMERG 3套降水产品整体高估观测月降水,其中ERA5高估最为严重,尤其在夏秋季(134%~206%),CMFD对月降水略有高估。AIMERG与站点月降水的相关性较高,在雨季和非雨季也呈较高的日降水成功指数;基于AIMERG、CMFD及CN05.1的日径流模拟效果相近且精度高于其他数据集,纳什效率系数为0.81~0.82,相对误差低于6%,前2套降水产品对径流极值的模拟能力总体高于CN05.1。[结论]AIMERG和CMFD在玛纳斯河源区径流模拟中有较大的优势,研究可为气象资料匮乏的天山地区的径流模拟及水土流失预防研究提供数据参考。

关键词：径流模拟玛纳斯河源区 HBV水文模型天山山区卫星降水再分析数据

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山谷型小流域地表水与地下水时空交互模拟研究

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水文地质工程地质 2025年第1期52卷 32-41页

作者：杨蕴郭勇王发飞宋健吴剑锋河海大学地球科学与工程学院江苏南京211100 南京大学地球科学与工程学院江苏南京210093

以往地表水-地下水交互过程研究集中于平原河网地区,而水动力交互作用强烈的山谷型流域研究甚少。选取句容北山水库流域为研究区,聚焦山谷型流域地表产汇流与浅层地下水渗流交互过程,基于SWAT-MODFLOW构建了地表水-地下水耦合模型评价... 详细信息

以往地表水-地下水交互过程研究集中于平原河网地区,而水动力交互作用强烈的山谷型流域研究甚少。选取句容北山水库流域为研究区,聚焦山谷型流域地表产汇流与浅层地下水渗流交互过程,基于SWAT-MODFLOW构建了地表水-地下水耦合模型评价流域水量交互过程及时空变化规律。结果表明:流域范围内地下水与地表水的交互存在一定的时空差异性;2016—2019年期间整体呈现地下水补给地表水,但在丰水期局部时段,地表水补给地下水;研究区西北部、东北部山区以及南部北山水库周边地区表现为地下水补给地表水;耦合模型可较好地刻画研究区地表水与地下水的交互流量,流域地下水对河道净补给量的贡献率为8.72%,其中地下水补给量在空间分布上西部支流和中部支流区域分别占28.8%、79.8%,东部支流地表水补给地下水,地下水的补给率逆差为8.6%。研究成果可为流域水资源联合调度和开发利用提供技术支撑。

关键词：山谷型流域地表水-地下水 SWAT-MODFLOW模型耦合模型水量交互

土壤干缩开裂和卷曲分析的数值模型与若干进展Ⅰ:基本方程与网格类数值方法

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水利学报 2025年第1期56卷 42-55页

作者：章青刘攀勇顾鑫乔延赫河海大学力学与工程科学学院江苏南京211100

随着全球气候环境的变化和极端干燥天气的多发,土壤干缩开裂和卷曲问题愈加受到关注。土壤干缩裂缝和卷曲的产生破坏了土体结构的完整性,容易引起各种潜在的自然灾害。土壤干缩开裂和卷曲问题极为复杂,涉及水分蒸发、土体收缩、裂纹演... 详细信息

随着全球气候环境的变化和极端干燥天气的多发,土壤干缩开裂和卷曲问题愈加受到关注。土壤干缩裂缝和卷曲的产生破坏了土体结构的完整性,容易引起各种潜在的自然灾害。土壤干缩开裂和卷曲问题极为复杂,涉及水分蒸发、土体收缩、裂纹演化、空气侵入以及土层卷曲等过程,耦合了热-水-力-化等多物理场的相互作用。发展土壤干缩开裂和卷曲分析的数值模型和高效算法,再现蒸发条件下土壤的水分演化、体积收缩、裂纹扩展和土层卷曲的全过程,仍然面临着复杂的科学挑战。本文重点论述了土壤水分蒸发过程中水分演化、体积收缩、裂纹萌生和土层卷曲的力学机制,分析了致使土壤干缩开裂和卷曲的主要影响因素,给出了土壤开裂和卷曲分析的基本方程,评述了网格类数值方法在土壤干缩开裂和卷曲分析领域的发展与应用情况。分析表明,常规的网格类数值方法受到变形连续性假定和网格的约束,难以解决多裂纹和三维复杂裂纹的扩展问题。无网格粒子类方法直接在离散点集上构造插值基函数,在捕捉复杂土体的开裂和卷曲行为上具有很大的潜力。

关键词：土壤干缩开裂土层卷曲多物理场耦合作用力学机制网格类数值模型

淤泥固化土破碎重塑后的强度变形特性试验研究

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岩石力学与工程学报 2025年第1期44卷 197-208页

作者：王柳江臧耀辉江后根崔红斌赵旸河海大学水利水电学院江苏南京210098 上海速宜环境科技有限公司上海200051 南京交通工程有限公司江苏南京210019

为明确淤泥固化土破碎重塑后的强度损失及后期强度恢复特性,通过开展无侧限抗压强度试验,研究固化剂掺量、淤泥初始含水率、前养护龄期、二次固化方式、破碎程度以及后养护龄期对重塑土强度变形特性的影响,并与常规固化土进行对比分析... 详细信息

为明确淤泥固化土破碎重塑后的强度损失及后期强度恢复特性,通过开展无侧限抗压强度试验,研究固化剂掺量、淤泥初始含水率、前养护龄期、二次固化方式、破碎程度以及后养护龄期对重塑土强度变形特性的影响,并与常规固化土进行对比分析。结果表明:当固化土的强度大于600 kPa,初期重塑土的强度趋于稳定;缩短前养护龄期、增加固化剂掺量均有利于重塑土后期强度的恢复,重塑土的最终强度可恢复到固化土强度的40%~70%;固化剂总掺量相同时,二次固化重塑土的强度总体上小于一次固化重塑土,且第1次的掺量越高,强度降低越明显;高强破碎后的二次固化重塑土初期强度小于正常破碎二次固化重塑土,但后期强度随第2次固化剂掺量的增加而增长,且有可能大于正常破碎二次固化重塑土;重塑土的抗压强度小于200 kPa时,破坏应变随着强度的增大而减小,当强度大于200 kPa,破坏应变与固化土接近,在1%~2%范围;重塑土和固化土变形模量与抗压强度之间的关系基本呈相同的线性关系,即E50=73.8qu。

关键词：土力学淤泥固化土破碎重塑土强度损失强度恢复