机理与数据的融合对大坝建造-运维全生命周期性态准确高效评估与调控至关重要。本文梳理了大坝建造面临的主要难题与融合模型的发展历程，提出了融合模型串联、并联、混联的三种结构型式、基本特征及适用性，并通过混凝土拱坝温度场监测分析工程实例阐述了融合模型的应用方式及适用性。研究表明：融合模型分析预测能力强、准确性高、泛化能力强，能够处理复杂动态演化的数据；相比于非融合模型，三种结构型式的融合模型均体现出显著的优势，为解决大坝建造与运维过程中参数反演、监测分析、策略优化等问题提供一种新的视角和范式。

本文回顾了大坝建造发展历程，总结了大坝智能建造的发展趋势和关键技术，梳理了大坝智能建造的关键问题与智能控制的关系，提出了大坝建造的智能控制理论，详细阐述了智能控制的概念、定义、特征、理论结构、要素，明确了“智能决策+自动控制”为智能控制的两大核心要素，构建了“自主感知与认知信息、智能组织规划与决策任务、自动控制执行机构完成目标”的大坝智能控制系统，并对其设计理念、组成要素、模块特征、应用层级进行了说明。本文所提出的智能控制理论为解决大坝建造过程中结构服役状态调控、全寿命周期安全性能评估、施工风险预测预警、成本造价控制难题，实现“高质、高效、安全、经济、绿色”的智能建设目标提供理论基础。

针对水电站运行管理中大量多源异构的结构化和非结构化文本资料难以有效管理和复用难题，将基于本体的知识建模引入到水电站运维知识管理和知识服务中，定义了基于本体的知识表示模型并详细构建了水电站设备运维、故障预警、应急预案三大典型业务领域本体知识表示实例和本体知识库，提出本体综合相似度计算方法，并以该算法为基础实现了本体驱动的水电站知识检索、预测预警和应急演练可视化应用。通过实际工程案例展示验证了基于本体的水电站运维知识库构建方法及关键技术的可行和有效性，提升水电站知识管理和应用水平。

针对我国高混凝土坝建设“安全、高质、高效、经济、绿色”的目标，本文首先将数据驱动和机理驱动相结合，提出了融合信息与机理的数字混凝土技术，探讨了国内外已有数字混凝土理论的区别，建立了混凝土材料的数字孪生体；其次，根据数字混凝土架构从智能分析数据库、骨料生成与投放和水化动力特性赋能角度展开论述，诠释了数字混凝土构建与赋能过程，并回顾各种赋能技术的研究进展；随后，依托金沙江下游溪洛渡、向家坝和乌东德高混凝土坝，从数据抢救、高掺粉煤灰联合筑坝技术、低热水泥筑坝技术阐述数字混凝土的应用探索；最后对技术难点和应用前景进行总结。本文所提出的数字混凝土是混凝土材料另一个维度上的再现，能够联系纳-微-细-宏观角度结构性能演化机理进行跨尺度联动分析，从材料层次为大坝智能建设提供可靠的数据支撑和决策依据。

目前，中国建造了2.3万多座大坝（坝高15 m以上），占全球总数的40.6%，筑坝数量居世界之最。在国际反建坝背景下，揭示中国筑坝数量世界之最的原因具有重要意义。本文介绍了水坝发展历程，针对中国国情阐明了筑坝数量世界之最的原因，并展望了中国水坝的未来。结果表明：中国筑坝数量之最的原因既是人口、自然地理、气候、水情等国情所致，也是满足防洪减灾、农业灌溉、城市供水、水力发电等国家重大需求所致；水坝具有巨大的社会、经济和生态环境效益，按照未来国家战略刚需，中国筑坝的数量不是多了，而是不够，还需站在生态文明建设和高质量发展的国家战略高度，进一步建设和完善大坝体系。该成果对科学、合理、公正地认识与评价水坝具有参考价值。

践行双碳战略，能源是主战场，电力是主力军，构建以新能源为主体的新型电力系统是实现碳中和的必由之路。在分析碳中和背景下电力行业减排目标、电力结构及其占比的基础上，针对构建新型电力系统面临的问题与挑战，提出加快常规水电和抽水蓄能电站建设是新型电力系统可靠性和长周期调节能力的重要基础。结合我国能源资源禀赋和开发利用现状，提出强化水电与新能源协同发展战略思路，依托流域梯级水电建设更大规模清洁能源基地，并加快抽水蓄能电站和储能工厂建设的发展路径，重新定义了水电在新型电力系统中既提供基础电量又发挥容量功能的新定位，进而提出促进清洁能源大基地和储能工厂建设的政策建议。研究成果可为清洁能源基地规划设计和相关政策文件的编制与修订提供一定参考。

水库汛限水位分期控制是提高洪水资源利用效率有效途径。利用圆形分布法进行汛期分期；确定汛限水位分期控制的效益、风险指标集，建立风险效益多目标协同决策模型。计算各指标集效用函数，确定赢得函数值及可达效用集合，利用非线性规划求解理想Nash协商解。根据模式识别理论确定最优方案，以现状点作为风险效益协商决策基点，通过调整现状点实现对风险效益的偏好。以响洪甸水库为例，首先考虑风险效益同等看重情况，水库前、后汛期最优汛限水位分别为127.0 m和126.5 m。增加风险现状点取值实现前汛期对风险的偏好，风险赢得函数值提高，前汛期最优汛限水位随之降低；增加效益现状点取值实现后汛期对效益偏好，效益赢得函数值提高，后汛期最优汛限水位随之升高。

针对传统深度学习的裂缝检测方法在复杂环境下鲁棒性低、边缘区域识别精度差、损伤量化结果误差大的问题，本文提出一种复杂环境下基于级联神经网络的混凝土裂缝检测方法。该方法分为三步：第一步利用改进的语义分割模型对复杂环度参数获取算法计算裂缝宽度。试验结果表明，相较于传统裂缝识别方法，本文方法在精确率、召回率、准确率、F1分数和交并比五项评价指标上均有提升，且总体检测准确率在95%以上，能实现复杂环境下境下的裂缝进行初步识别，判断图像中裂缝的大致感兴趣区域；第二步采用本文所提基于金字塔池化的掩膜优化方法对粗分割图像进行优化，精确捕获裂缝边缘上下文信息；第三步采用二维码靶标的图像像素解析度和裂缝宽混凝土裂缝的检测与定量分析。

在双碳目标驱动下，风能与太阳能等新能源发电迅猛发展，解决其随机性、间歇性和波动性问题，亟需配套建设储能设施。本文将“以水为介质”的重力储能定义为“水储能”，并从技术原理、经济性、环境影响和设施安全等方面，对当前主要储能形式进行综合比较，研究表明“水储能”是当前和未来支撑新能源发展和新型电力系统构建的最佳储能方式。同时，本文还对抽水蓄能、水电扩机和梯级水电储能的规划思路、调节计算、评价方法和发展模式等关键技术及相关政策进行探索，展望其发展前景，可为新能源开发和新型电力系统规划设计提供参考。

水分利用效率（WUE）反映了消耗单位质量水所制造的干物质量，是评估植被生长适宜性的综合指标，但是WUE的复杂影响机制使得区域多种因素的驱动贡献不甚明晰。为了探究多种因素对WUE的直接或间接影响关系，以求得到更好的WUE模拟效果，本研究构建了结构方程模型（SEM）与人工神经网络（ANN）相耦合的SEM-ANN模型。由SEM确定WUE影响因素之间的结构关系及影响程度，然后转化为ANN的拓扑结构。结果表明：在新疆和田地区，不同植被类型WUE的影响因素和影响层次有所不同；温度、降水、饱和水汽压差、风速均对植被WUE有着不同程度的直接影响；在草地及耕地中，增强植被指数（EVI）可体现为为间接影响WUE的中间变量；而在灌木及常绿针叶林中，标准化降水蒸散发指数（SPEI）将作为中间变量。经过SEM优化后的ANN结构，拟合效果更好，SEM-ANN模型对于生态系统的环境控制和WUE的模拟有着很高的解释性和精确性，这为提高新疆生态系统的高效用水能力以及预测未来气候变化下WUE的响应状况提供了理论依据和模拟途径。

高村至陶城铺河段是黄河下游典型的宽滩过渡型河段，“二级悬河”发育严重。本文基于断面法和2000—2016年的水沙与实测大断面数据等资料，统计分析了小浪底水库运行后高村至陶城铺河段主槽和滩地的地形调整过程。结果表明：小浪底水库运行后，2000—2016年主槽持续冲刷，河相系数减小，断面形态更加窄深，平滩面积增幅普遍在200%以上，但是近年来调整强度明显减弱，高-孙段调整模式既有横向小幅展宽也有垂向冲深，孙-陶段调整模式以垂向冲深为主；主槽-滩区系统逐渐从沉积模式转为侵蚀模式，主槽侵蚀速率约0.07 m/a，滩区侵蚀速率在0.002 ~ 0.008 m/a之间，2000—2016年高村至陶城铺河段共累计侵蚀2.251亿m3。时间上看，滩面横比降有所增大；空间上看，滩面横比降集中分布在0.5‰ ~ 2‰之间。

侧式进出水口出流工况水流呈现扩散态，拦污栅断面脉动流速很大，可能危及拦污栅安全，其脉动流速变化规律及产生原因有待进一步探讨。本文建立了典型进出水口试验装置，利用激光多普勒流速仪与声学多普勒流速仪开展试验研究。结果表明：在靠近扩散水流末端的拦污栅断面脉动流速很大，流速脉动值可达时均值的1.8倍，平均紊动强度为0.724，该断面流速脉动呈现出明显的正态性，其概率密度分布基本服从正态分布；水流自输水隧洞段经扩散段、调整段、防涡段、向库区流动的过程中，紊动强度沿程呈现先增大后减小的变化规律，水流在输水隧洞段脉动流速小，在扩散段及调整段内脉动流速沿程均较大，脉动流速值接近时均值，甚至大于时均值，进一步解释了拦污栅断面脉动流速很大的原因。拦污栅断面及进出水口沿程的脉动流速规律有别于对脉动流速的一般认知规律。研究成果将为进出水口体型参数优化及分析引起拦污栅振动破坏提供理论依据。

构建高精度的变形预测模型对于大坝风险评估及防治措施制定具有极其重要的意义。传统的大坝变形预测模型鲜有针对大坝的变形滞后性特点以及变形特征因子的影响性分析与评估，这会对模型的预测精度造成较大的影响，并导致模型缺乏可解释性。针对上述问题，本文提出一种结合时间注意力机制的门控循环单元神经网络（GRU）架构。首先通过卡尔曼滤波（Kalman Filter）对原始大坝变形数据中由于监测器异常导致的随机噪声与异常值进行处理。其次，利用随机森林（RF）对各变形特征因子的重要性进行分析和评估，筛选模型输入的特征因子。最后，针对大坝变形的滞后性，利用时间注意力机制进一步提高GRU模型对时间维度上的动态特征关注度，增强模型对时间维度信息的自适应学习能力，且对时间注意力进行可视化进一步提高了大坝变形预测模型在隐藏状态阶段上的可解释性。通过工程实例研究结果表明，卡尔曼滤波在大坝变形监测中确实存在一定适用性，同时本文所提出的耦合时间注意力机制的变形预测模型有着较高的预测精度，对于预测过程中的隐藏状态层级有较强的解释性，并揭示了温度与水位因素对大坝变形的长期影响，为大坝变形安全监测提供了一种新的有效方法。

人水关系复杂且涉及要素众多，探究人水关系作用机理，针对人水关系存在的问题提出和谐调控路径具有重要意义。本文以黄河流域为例，从人文系统与水系统的自身复杂性、耦合系统复杂性、相互作用复杂性三方面阐述了人水关系的复杂性；分析了人水关系作用过程，基于人水系统互馈作用关系揭示了人水关系作用机理，总结了现阶段黄河流域人水关系存在的问题；提出了利用和谐调控解决人水关系问题的基本思路和理论方法。“黄河分水”和“区域水资源与经济社会和谐平衡”两个实例应用研究结果表明，面对黄河流域复杂的人水关系，利用和谐调控理论方法可优化流域分水方案，提高区域和谐水平，促进人水关系和谐发展，为解决人水关系问题提供了有效的手段。

电力现货市场是现代电力体系的重要组成部分，对还原电力商品属性、发现价格和优化资源配置起着关键作用。水电受径流随机性影响，丰枯矛盾突出，出力不确定性大；水库受综合利用限制多，梯级电站联系紧，多主体上下游电站信息共享难；加上外送通道不足、断面阻塞严重等现状，水电参与电力现货市场面临诸多挑战。本文针对水电参与电力现货市场“量价”申报涉及的关键科学技术问题，包括市场出清价预测、发电能力优化、竞价策略、水电现货报价决策支持系统等，对国内外研究现状进行总结，对提出的数学模型和算法进行归纳，评述了现有方法的优缺点，对未来发展趋势进行展望，旨在为丰富我国电力现货市场理论和方法及水电企业生产经营提供参考。

堆石坝变形监测数据是一种时间序列数据，可以用时序预测模型挖掘其规律并进行预测。本文利用时序预测模型提出一种堆石坝变形预测方法，该方法首先采用时间序列分解（seasonal-trend decomposition procedure based on loess，STL）将堆石坝变形监测数据分解为趋势项、周期项和不规则波动三部分，再使用经验模态分解（empirical mode decomposition，EMD）对不规则波动平稳化处理，最后利用长短期记忆网络（long short-term memory，LSTM）预测分解后的序列，并利用贝叶斯优化方法进行超参数优化。为评估该方法的预测效果，以水布垭面板堆石坝为例，通过控制训练时长、预测时长、离群值数目等变量进行多组仿真实验，并与其他时序预测模型对比。结果表明该方法预测精度较高，适用性较广，对于堆石坝的性状评估具有一定的应用价值。

混凝土大坝变形预测对其安全运行具有重要意义，针对传统分析方法难以捕捉长期序列时序特征从而导致预测精度较低的问题，本文采用麻雀优化算法（SSA）和K调和均值算法（KHM）相结合对监测值进行聚类以捕捉序列时序特征，然后采用自适应噪声完备集合经验模态分解（CEEMDAN）等方法对聚类结果进行降噪处理，最后采用长短期记忆（LSTM）模型对序列进行预测。分析结果表明，本文所提出的聚类方法具有较好的长序列特征识别能力，结合基于CEEMDAN分解方法去除序列中存在的冗余信息，从而使LSTM模型能够更好地捕捉变形值的时序特性，进而提高预测精度。所提模型具有较好的精度和适应性，可为大坝变形预测提供一种有效方法。

系统量化气象干旱到不同等级水文干旱的传播阈值对水文干旱早期预警与精细化管理具有指导作用。本文以黄土高原沁河流域为例，采用标准化降水指数和标准化径流指数表征气象干旱、水文干旱，运用游程理论识别干旱事件，并对干旱事件进行合并、剔除及气象干旱与水文干旱事件的匹配，同时使用贝叶斯网络结合Copula函数构建模型求解气象干旱到不同等级水文干旱的传播阈值。结果表明：随着水文干旱等级的升高，气象干旱到水文干旱的传播阈值增大，在传播过程中气象干旱强度削弱；沁河流域引发中度、重度及极端水文干旱对应的气象干旱历时阈值分别为12.8月、21.8月、30.9月，烈度阈值分别为14.2、22.4、30.0；沁河流域耐旱能力强与流域气象及下垫面条件有关。

大坝变形性态是多种因素长期共同作用的结果，其演变模式包括时间和空间两个维度。然而，当前大坝变形智能建模较少综合考虑时空二维特征，原型观测资料中蕴含的大量时空信息亟待进一步挖掘。针对该问题，本文从单测点时序相关性和多测点空间关联性出发，提出构建一种耦合时空两个维度相关特性的大坝变形动态监控模型。该模型将门控循环单元（gated recurrent unit，GRU）神经网络作为核心层，建模学习历史变形数据内在时变规律，通过迭代提取有效变形因子来构造空间维度特征，并引入软注意力机制改进GRU隐藏状态的概率权重分配规则，实现对关键信息的自适应学习。以丰满混凝土重力坝多测点变形监测数据为例，验证了该模型的有效性。结果表明，所提出的监控模型能准确模拟大坝变形动态演变过程，且与常规监控模型相比，其外推预测精度更高，为大坝安全监控提供了新的方法和手段。

中国水电开发程度以及发展阶段存在说法不一、比较概念模糊、数据来源和统计口径不清等问题。为了准确判断中国水电的发展阶段及在全球所处水平，基于国际较为权威的水电资源量和发展现状统计数据，系统对比了中国与其他重点国家和区域的水电开发程度。中国水电技术可开发量达到2740 TWh·a-1，占理论蕴藏量比例为44.3%，水电资源丰富且开发条件较好。从重点国家和区域的对比来看，中国水电技术开发程度达到48.2%，在资源量前十和装机量前十的国家中仅次于美国，高出发达国家平均水平4.6个百分点。虽然总体开发程度较高，但中国西南区域部分河流水电开发程度仅为16%，调节性能较好的抽水蓄能电站在电力装机中比例仅为1.4%，存在区域发展不平衡、抽蓄作用偏弱等问题。新形势下，中国水电应重点推进西南流域重点区域常规水电开发，并加快推进抽水蓄能电站的规模化建设。