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基于概念性水文模型与长短时记忆模型耦合的汉江上游流域径流模拟

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湖泊科学 2025年第1期37卷 279-292页

作者：邓超孙培源尹鑫邹佳成王卫光河海大学水文水资源学院南京210098 河海大学水灾害防御全国重点实验室南京210098 南京水利科学研究院水灾害防御全国重点实验室南京210029 赣江下游水文水资源监测中心宜春336000

为了探究概念性水文模型(GR4J)与长短时记忆模型(LSTM)耦合过程中物理模型参数反馈机制以及考虑土壤含水量作为中间变量对物理引导机器学习(PIML)模型径流模拟的影响,本研究构建了PIML模型并设置考虑参数反馈、考虑中间变量和两者同时... 详细信息

为了探究概念性水文模型(GR4J)与长短时记忆模型(LSTM)耦合过程中物理模型参数反馈机制以及考虑土壤含水量作为中间变量对物理引导机器学习(PIML)模型径流模拟的影响,本研究构建了PIML模型并设置考虑参数反馈、考虑中间变量和两者同时考虑的3种方案(依次简称为H1、H2、H3),以安康站为控制站的汉江上游流域开展实例研究。结果表明:(1)3种PIML模型径流模拟效果均优于LSTM模型,其中验证期纳什系数(NSE)平均提升10.6%,而PIML-H1与PIML-H3模型径流模拟效果优于GR4J模型,验证期NSE平均提升4.2%,其中PIML-H3模型在3种PIML模型中表现最佳,表明基于LSTM和GR4J模型构建的PIML模型对径流模拟效果有所改善,且同时考虑中间变量和参数反馈因素时对径流模拟效果改善最佳;(2)3种PIML模型对低水流量的模拟效果均优于GR4J和LSTM模型,且PIML-H3模型效果最佳,而对于高水流量,3种PIML模型均表现不佳,说明PIML模型往往在模拟低流量事件中更占优势;(3)3种PIML模型的径流模拟效果均表现出较强的季节性变化,PIML-H2和PIML-H3模型相较于PIML-H1模型受到的季节性变化影响更为明显,说明PIML模型模拟径流结果的季节性变化受到中间变量的影响。研究可为汉江上游流域径流模拟预报提供技术支撑。

关键词：物理引导机器学习径流模拟中间变量 GR4J LSTM 汉江

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灌区冬小麦灌溉节点优化及产量效应模拟研究

南水北调与水利科技(中英文) 2025年

作者：栾清华毕宏铠张常昊王利书周玉良张海生翁白沙河北工程大学河北省智慧水利重点实验室河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室合肥工业大学土木与水利工程学院

华北平原作为我国重要的粮仓，存在地下水超采以及供需水矛盾异常突出等问题。为探究有限灌水下冬小麦最佳灌水节点，以期优化区域农田水资源管理，在实地调研的基础上，选择邯郸军留灌区为研究区，于2023年设计并开展了灌水试验；在此... 详细信息

华北平原作为我国重要的粮仓，存在地下水超采以及供需水矛盾异常突出等问题。为探究有限灌水下冬小麦最佳灌水节点，以期优化区域农田水资源管理，在实地调研的基础上，选择邯郸军留灌区为研究区，于2023年设计并开展了灌水试验；在此基础上考虑灌区土壤异质构成，构建灌区不同试验点的环境综合气候模型（Environmental policy-integrated climate model，EPIC）模型并针对不同灌水情景开展冬小麦生长过程及产量模拟分析。结果表明：一水或两水灌溉在起身-拔节期适当延后均有利于提高产量，提高了7.2%～29.1%不等；土壤中层（20～40cm）与底层（40～110cm）黏粒含量较高会降低灌水对作物的增产效应以及根系的发育从而对产量形成产生抑制作用，并且灌水节点滞后，土壤质地异质性造成的产量差异显著性增强。研究成果对区域优化灌水制度、实现节水保产具有一定的现实意义。

关键词：关键生长期田间试验土壤异质冬小麦 EPIC 产量模拟

基于调和分析及VMD-LSTM混合模型的甬江河口水位预报方法研究

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河海大学学报(自然科学版) 2025年

作者：陈永平韩韬邱超甘敏谭亚王瑾琪河海大学水灾害防御全国重点实验室水文水资源与水利工程科学国家重点实验室河海大学港口海岸与近海工程学院浙江省水文管理中心中国科学院南京地理与湖泊研究所

河口地区的水位可分为潮位和余水位，潮位波动平稳，河口水位预报难点主要来源于余水位的非平稳性。本文提出一种基于经典调和分析（T＿TIDE）、变分模态分解（VMD）和长短时记忆神经网络（LSTM）的混合模型，对河口水位进行12 ～ 48h... 详细信息

河口地区的水位可分为潮位和余水位，潮位波动平稳，河口水位预报难点主要来源于余水位的非平稳性。本文提出一种基于经典调和分析（T＿TIDE）、变分模态分解（VMD）和长短时记忆神经网络（LSTM）的混合模型，对河口水位进行12 ～ 48h的水位预报。该模型首先采用T＿TIDE程序包对河口逐时水位数据进行回报，回报水位即为潮位，用实测水位数据减去潮位得到相应余水位；接着采用变分模态分解模型（VMD）将各站点余水位分解为13个本征模函数（IMF），依次对应D0 ～ D12潮族；再用LSTM模型分别训练余水位的各个IMF分量和潮位并分别向后预报12 ～ 48h，各个IMF分量和潮位的预测值之和即为河口水位的预测值。结果表明：混合模型 12 h、24 h、36 h 和 48 h 短期水位预报的均方根误差（RMSE）相比单一的LSTM模型至多分别降低了0.15m、0.13m、0.16m、0.16m。此外，未来24h预报水位误差谱分析结果表明混合模型在D0、D2潮族频带的误差修正最为明显，相比单一的LSTM模型可分别将D0、D2潮族的谱峰至多降低0.05m、0.04m。

关键词：甬江口河口潮汐变分模态分解 LSTM模型调和分析水位预报

超大城市洪涝灾害成因综合解析——以重庆市为例

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土木与环境工程学报（中英文） 2025年第1期47卷 1-10页

作者：仉文岗王云浩胡庆芳孙伟鑫金君良重庆大学土木工程学院重庆400045 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京210029

近年来,极端天气事件呈现趋多趋强态势,变化环境下洪涝灾害频发给社会经济发展带来严峻挑战。重庆是中国西部超大城市和成渝城市群“双核”之一,主城区地貌以山地、丘陵为主,受上游江河来水和三峡库区回水的双重影响,洪涝灾害风险突出... 详细信息

近年来,极端天气事件呈现趋多趋强态势,变化环境下洪涝灾害频发给社会经济发展带来严峻挑战。重庆是中国西部超大城市和成渝城市群“双核”之一,主城区地貌以山地、丘陵为主,受上游江河来水和三峡库区回水的双重影响,洪涝灾害风险突出。以重庆市历年洪涝灾害事件为基础,梳理重庆市防涝减灾现状,分析水文、地理、地形、城市化、气象等因素对重庆市洪涝灾害发生频率和强度的影响,结合这些洪涝灾害致灾因子进一步对重庆市的孕灾环境和承灾体进行分析,提出针对重庆中心城区洪涝治理的对策建议。分析发现:重庆市洪涝灾害受多种因素综合影响,特殊的地理位置和山地城市的地形条件决定了重庆防洪治涝的艰巨性;重庆市河流纵横,山高谷深,完全具备发生洪涝灾害的孕灾条件;应充分考虑气象水文和经济社会发展的新情况,根据三峡水库等建成后的洪涝灾害特征和城区防洪防涝能力现状,及时优化城市洪涝灾害防御体系。

关键词：城市灾害洪涝灾害防灾减灾防洪规划

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基于水文学马斯京根法的河道汇污研究

河海大学学报(自然科学版) 2025年

作者：李宥霖杨凤费国松吴金宁邵飞燕朱文杰王船海陈钢河海大学水文水资源学院浙江中水工程技术有限公司江苏省水文水资源勘测局常州分局河海大学水文水资源国家重点实验室

快速并准确预测河道污染物浓度的变化过程是生态治理与污染事件应急响应的重要依据。目前非恒定流河道的一维水质模拟一般通过水动力学方法数值求解一维水质模型基本方程。本文提出了一种基于水文学方法求解一维水质模型基本方程的思路... 详细信息

快速并准确预测河道污染物浓度的变化过程是生态治理与污染事件应急响应的重要依据。目前非恒定流河道的一维水质模拟一般通过水动力学方法数值求解一维水质模型基本方程。本文提出了一种基于水文学方法求解一维水质模型基本方程的思路，该方法可通过水文学中河道汇流的马斯京根法参数K、X来等效替换河道地形、流速等数据，从而拓展山丘区的河道汇污计算方法。通过比较马斯京根汇污法与一维水动力水质方程求解方法的计算结果，发现K值取常数对污染物传播时间的计算不合理。因此通过建立K、X与流量Q的函数，使用马斯京根非线性模型与一维水质模型耦合，并阐明了两种求解小流量K、X值的计算方法。结果表明，非线性马斯京根汇污法解决了马斯京根汇污法预测峰现时间不准确的问题。该研究为解决山丘区污染物浓度模拟问题提供了有效且可行的新方法。

关键词：水质预测一维水质方程马斯京根法山丘区

2000—2022年中国植被恢复力时空特征及演变趋势

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农业工程学报 2025年

作者：王晶晶朱烨刘懿张欣雨南京信息工程大学水文与水资源工程学院水灾害防御全国重点实验室河海大学水文水资源学院

在全球气候变暖背景下，极端干旱热浪事件频发，植被抵御极端事件并从中恢复的能力遭遇严重挑战。该研究利用在轨道碳观测卫星-2(orbiting carbon observatory 2,OCO-2)的日光诱导叶绿素荧光（solar induced chlorophyll fluorescence, ... 详细信息

在全球气候变暖背景下，极端干旱热浪事件频发，植被抵御极端事件并从中恢复的能力遭遇严重挑战。该研究利用在轨道碳观测卫星-2(orbiting carbon observatory 2,OCO-2)的日光诱导叶绿素荧光（solar induced chlorophyll fluorescence, SIF）数据基础上优化生成的GlobalOrbitingCarbonObservatory-2basedSolarInducedchlorophyll Fluorescence(GOSIF)数据，分析了2000—2022年中国植被恢复力的时空特征及演变趋势，研究结果表明：1）中国植被恢复力整体呈现南方好、北方差的空间格局；2）结合一阶滞后自相关系数（lag-one autocorrelation,AC1）和方差的趋势分析结果显示，全国植被恢复力总体呈减弱趋势，与2000—2010年相比，2011—2022年恢复力呈减弱趋势的网格增加了24.28%，主要集中在黄河流域、长江中上游流域及珠江流域；3）就全国平均而言，植被恢复力发生变化的转折点出现在2013年，西南地区、东南沿海及珠江流域的植被恢复力转折出现时间较早，川渝贵鄂的山区、黄河流域、内蒙古中东部及新疆北部植被恢复力的变化与全国同步，内蒙古与黑龙江北部交界处植被恢复力出现转折时间较晚。该研究成果可为中国植被生态系统的修复与保护提供理论基础。

关键词：植被恢复力日光诱导叶绿素荧光时空特征演变趋势

基于Budyko理论的高寒山区流域径流演变归因分析

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河海大学学报(自然科学版) 2025年

作者：郭珈源孙旭杨刘金涛边巴拉姆王甲荣王淑红河海大学水灾害防御全国重点实验室河海大学水文水资源学院西藏自治区水文水资源勘测局山南水文水资源分局聊城大学地理与环境学院兰州交通大学土木工程学院

为提高对高寒山区流域气候变化下径流演变机理的认识，以羊八井流域为研究对象，系统辨析了该流域1982—2013年的水文气象要素演变特征，将冰川物质平衡和地下水蓄量变化项引入Budyko归因分析方程，评估了各要素变化对流域径流演变的贡... 详细信息

为提高对高寒山区流域气候变化下径流演变机理的认识，以羊八井流域为研究对象，系统辨析了该流域1982—2013年的水文气象要素演变特征，将冰川物质平衡和地下水蓄量变化项引入Budyko归因分析方程，评估了各要素变化对流域径流演变的贡献。结果表明：羊八井流域1982—2013年间降水量、平均气温、潜在蒸散发量、径流量和地下水蓄量均呈上升趋势，上升速率分别为29.9 mm/10a、0.23 °C/10a（p水文气候要素变化的敏感性增强，降水量、潜在蒸散发、非冰川区下垫面、冰川物质平衡及地下水蓄量变化对径流变化的贡献率分别为188.6%、-2.9%、-78.2%、21.0%和-28.6%；植被生长状况改善与冻土退化是导致流域下垫面变化的重要因素，二者对径流变化的贡献率分别为-27.8%和-50.4%。

关键词： Budyko 气候变化径流演变归因分析高寒山区流域

土地利用变化和水库调控对洪水过程的影响——以赣江上游平江流域为例

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湖泊科学 2025年第2期37卷 612-626页

作者：陈峻琳温天福李国芳肖勇张静文鲁翔宇江西省水利科学院南昌330029 河海大学水文水资源学院南京210098 水旱灾害防御江西省重点实验室南昌330029 南昌工程学院水利工程学院南昌330029

1980s以来土地利用变化及水库调控作用对赣江上游洪水形成过程产生了较大影响,解析洪水过程对下垫面变化的响应对防洪减灾意义重大。本文以赣江上游平江流域为例,根据下垫面差异将1981-2021年划分为1981-1992年、2000-2010年、2011-2021... 详细信息

1980s以来土地利用变化及水库调控作用对赣江上游洪水形成过程产生了较大影响,解析洪水过程对下垫面变化的响应对防洪减灾意义重大。本文以赣江上游平江流域为例,根据下垫面差异将1981-2021年划分为1981-1992年、2000-2010年、2011-2021年3个时期,分别记为85时期、05时期及20时期,采用情景分析法设置不同时期土地利用和水库调控情景,通过构建MIKE SHE模型并模拟各种情景下的洪水过程,进一步分析土地利用变化及水库调控对洪峰、洪量及峰现时间的影响程度。结果表明:85时期至20时期,平江流域草地、耕地分别减少3.49%和1.72%,林地、建设用地分别增加3.98%和1.41%。受土地利用变化的影响,20时期对比85时期洪水过程洪峰减少6.14%、洪量减少7.03%,峰现时间延后1.5 h,洪峰、洪量、峰现时间在下垫面变化的影响中分别占48%、50%及51%;水库调控对洪水过程发挥削峰错峰作用,洪峰降低6.60%,洪量减少5.72%,峰现时间增加12.29%,在洪峰、洪量及峰现时间变化中的贡献度分别为52%、50%及49%。土地利用变化一定程度上降低洪峰和洪量,而峰现时间延迟程度存在明显差异,其中大洪水、中洪水响应程度低于小洪水,与用地扩张及植被覆盖增长的土地利用转换机制有关;在水库调控影响下,大洪水洪峰和洪量敏感性最强,中洪水次之,小洪水相对弱,大、中、小洪水峰现时间都有延迟但相差不大。本研究分析了水库调控与土地利用变化对洪水过程的影响程度,可为流域洪水预报提供科学参考。

关键词：土地利用变化水库调控洪水过程 MIKE SHE 平江流域赣江上游

淮北平原砂姜黑土区典型作物根区土壤水分的来源及其量化研究

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水土保持学报 2025年

作者：朱婉婷朱永华王启猛吕海深刘名文王怡宁陆玟彭宇杰许海婷方逸敏河海大学水文水资源学院水灾害防御全国重点实验室河海大学河海大学地理与遥感学院水利部淮河水利委员会南京水利科学研究院

[目的]探讨1990—2022年淮北平原作物根区土壤水分的来源与量化特征，为作物灌溉管理和水资源利用提供科学指导。[方法]采用皮尔逊相关性分析与多元回归法计算降水、地下水对根区土壤水的贡献度，并利用多元线性回归和长短期记忆网络（L... 详细信息

[目的]探讨1990—2022年淮北平原作物根区土壤水分的来源与量化特征，为作物灌溉管理和水资源利用提供科学指导。[方法]采用皮尔逊相关性分析与多元回归法计算降水、地下水对根区土壤水的贡献度，并利用多元线性回归和长短期记忆网络（LSTM）模型进行土壤水量化模拟。[结果] 1)夏玉米在0～10 cm土层中，除出苗-拔节期降水贡献度为55%外，其余阶段地下水贡献度均可达到61%～68%；在10 cm以下土层中，根区土壤水主要来自相邻上层土壤水，占比可达74%以上。后期根系逐渐生长至100cm，尤其在40～80 cm土层，地下水对土壤水的贡献度明显增大，占9%～22%。2)冬小麦在0～10 cm土层中，除播种-出苗期和返青-拔节期地下水贡献度为50%以上外，其余阶段降水贡献度均可达54%～73%；在10 cm以下土层中，根区土壤水主要来自于相邻上层土壤水，占比可达63%以上。但在40～80 cm土层中，地下水与降水贡献度均有提高。3)LSTM模型在量化模拟土壤水方面比多元线性回归更加稳定和准确，模型评价指标R2>0.6,MSE水资源利用效率。

关键词：淮北平原作物土壤水相关性多元回归深度学习