WHYSWESS
watershed hydrology, hydraulic, sediment transport, water quality, and ecology simulation system
“大自然的每一个领域都是美妙绝伦的。”
– 亚里士多德
流域综合评估模型预测湖泊未来叶绿素浓度
为了全面评估未来人为活动与气候变化对大型浅水湖泊叶绿素浓度的复合影响，研究以巢湖为研究对象，构建了流域综合评估模型。评估模型包括水文模块、营养盐负荷模块以及湖泊水动力水质模块（Delft3D与PClake耦合模型），能够量化社会经济因子（畜禽养殖、化肥施用、人口等）以及气候因子（风、气温、降雨等）对湖泊水环境（内源释放、底泥悬浮以及叶绿素等）的影响。
结果显示，与2020年相比，到2050年巢湖叶绿素a（Chl-a）浓度预计下降0.1 %至 6.5 %。尽管外源氮磷负荷显著下降，但由于内源释放强，外源负荷变化对Chl-a影响有限。升温导致Chl-a上升0.9 %至3.1 %。降水导致Chl-a下降4.4 %至9.4 %，是导致Chl-a下降的主要原因。在年尺度，降水和温度的影响主要与其整体趋势的变化有关；在季节尺度上，变异性的影响则更为显著。研究结果强调了在湖泊水质评估中全面量化外部压力影响的重要性，为湖泊水质评估与管理提供了参考与方法支撑。
物理约束深度学习预测水库热结构
为提高水库垂向水温与热分层的预测能力，研究以向家坝水库为对象，构建了物理约束深度学习框架（P-DL）。该框架利用Delft3D水动力–水温模型扩充训练数据并筛选关键影响因素，通过CNN和TCN提取多时间尺度特征，再结合Transformer与LSTM预测垂向水温曲线参数。同时，将水温剖面形态及气温–表层水温关系作为弱物理约束，使模型在保持计算效率的同时增强物理一致性。
结果表明，P-DL模型能够准确重建不同水深的历史水温，RMSE为0.54–0.72 ℃，R²为0.92–0.98，并且比传统LSTM模型更能捕捉短期局部水温波动。模型采用具有物理意义的参数描述垂向水温剖面，其中参数D可反映热分层的时间演变，参数A与B之差可表征分层强度及持续特征。在SSP5-8.5高排放情景下，P-DL模型对强分层期表层水温的预测精度达到R² = 0.88–0.90、RMSE = 0.83–1.10 ℃，表现出优于随机森林、支持向量机和常规LSTM模型的外推能力与分布一致性。
不同运行方式下库区水动力与热分层模拟
为揭示刘家峡水库水动力与热分层的演变机制，构建了三维水动力–水温耦合模型，模拟并比较低水位与高水位运行情景下库区流场和水温结构的时空变化。结果表明，不同运行方式并未改变年内累计蓄水时长，但会调整蓄水期的时间分布，进而影响库区水动力条件与热分层特征。低水位运行时，库区水体交换和流动强度相对较高；高水位运行时，水体热分层更为显著。此外，局部涡旋会增强热分层空间分布的异质性，使不同区域呈现差异化的分层强度。
研究揭示了水库运行方式影响水动力过程与热结构的作用路径，可为优化水位调控方案、改善库区水体交换并缓解热分层提供科学依据。
GPU并行加速二维水动力模拟
通过引入CUDA并行计算技术提升二维水动力模型的计算效率，以鄱阳湖为研究对象开展水流演变的长时间序列模拟，并对比三峡工程建设前后各20年湖口站及湖区不同分区的水位与流速变化。结果表明，三峡大坝运行后，鄱阳湖水位较建坝前下降0.4–2.0 m，流速增加0.01–0.04 m/s，且变化幅度总体呈由北向南递减的空间格局。与此同时，湖泊淹没面积减少约9%，星子站水位降至10 m的日期提前约27天，低水位持续时间延长约37天；在典型枯水年、平水年和丰水年中，低水位均提前出现，表明三峡大坝运行进一步加剧了鄱阳湖枯水期的低水情势。
GPU并行计算显著提高了模型计算效率，使大尺度湖泊长时间序列的精细化模拟成为可能。研究成果有助于识别季节性洲滩出露及水生生境变化，并可为三峡工程调度影响下的鄱阳湖水资源管理与生态保护提供科学依据。
长江上游水库的长期模拟与全球风险外推
离河水库数量庞大，却长期处于大坝监测和安全管理的盲区。本研究表明，其单位库容淤积和老化风险可能显著高于主河道大型水库。研究首先利用美国、欧洲和中国的全国性水库数据库识别离河水库的区域占比，随后聚焦全球大坝密度较高的长江上游流域，评估不同类型水库的泥沙淤积、老化及潜在溃坝暴露风险。研究整合多源数据，建立包含13,886座水库的数据库，并采用WHYSWESS泥沙模块DAMSED模拟1954—2024年的径流、输沙和水库淤积过程。模型对年输沙量和水库淤积量的模拟精度分别达到91%和96%，并针对河道水库与离河水库设置差异化淤积计算方法。
研究发现，离河水库在美国、欧洲和中国水库总数中的占比分别约为58%、38%和70%，但其淤积与老化风险长期受到忽视。长江上游离河水库的平均淤积比达11.3%，约为大型河道水库的4倍，其中约19%的水库淤积比已超过50%。预计到2050年，119座离河水库将服役超过100年，其中29座还将面临严重淤积。按该区域平均淤积水平估算，全球小型水库的库容损失可能达到120—212 km³。
Liu, H., Guo, C., Liu, P., & Yi, Y. (2026). Hidden crisis in off-stream reservoirs from their high sedimentation and ageing risks. Water Resources Research, 62, e2026WR043620. https://doi.org/10.1029/2026WR043620
