北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所2022级本科生张峰赫以第一作者身份在地学领域旗舰期刊《Geophysical Research Letters》（GRL）发表题为 “Hidden Complexity in Reservoir Flow Regulation Revealed by Spectral Analysis” 的研究论文。该研究基于美国 205 座大型水库的日尺度入流-出流观测数据，结合频域视角和层次聚类分析方法揭示了水库调蓄行为背后的多样运行模式与强度规律，为理解人类活动如何重塑河流节律、改进大尺度水文模型中的水库参数化方案提供了新的方法框架。

研究背景

河流天然流量过程具有鲜明的日变化、周变化、季节变化和年际变化节律，这些节律长期塑造着下游生态系统与人类用水格局。水库建设和调度虽然在防洪、供水、灌溉和发电等方面发挥着重要作用，但也会以复杂方式改变河流流量的时间结构。

现有大尺度水文模型的水库建模多依据工程名义用途进行分类，或使用若干时间域指标衡量调节效应。然而，真实运行中的水库往往承担多重目标，实际调度行为与“防洪库”“供水库”“水电库”等静态标签并不总是一一对应。如何基于观测数据刻画水库真正的运行行为，一直是水文建模和生态水文学领域的重要问题。

数据与方法

本研究使用美国 ResOpsUS 数据集中的水库日尺度入流、出流记录，筛选出 205 座高质量的水库样本。所选水库平均记录长度约 44 年，时间范围覆盖 1900 至 2021 年，并结合 GRanD 数据库中的库容与工程用途信息开展综合分析。

研究采用连续小波变换对入流和出流时间序列进行频谱分解，比较天气尺度、周尺度、季节尺度和年际尺度上的能量变化，并将每座水库的调节特征概括为一个“调蓄向量”。在此基础上，进一步将调蓄效应拆分为两个维度：一是运行模式，即水库主要以何种方式改变流量变率；二是调节强度，即这种改变的总体幅度。随后，研究利用层次聚类对 205 座水库进行归类，识别具有代表性的水库运行模式。

图1水库调节径流的表征方法

主要结果

研究识别出四类具有清晰水文学意义的水库运行模式。最常见的一类模式在天气尺度和周尺度上显著削弱高频流量波动，而在季节和年际尺度上保留较多天然节律，这类模式占全部样本的 78%，与现实中广泛存在的防洪调度特征相一致。

除主导模式外，研究还识别出另外三类差异明显的调蓄行为：一类在季节尺度上增强流量波动，更接近灌溉型调度特征；一类更强地平滑季节尺度变化，常见于部分水电主导系统；另一类则会放大高频波动，对应某些更具“脉冲式”特征的水电运行方式。值得注意的是，这些模式并不简单等同于水库名义用途，而是更直接反映了观测到的真实运行行为。

与传统按工程用途划分的方法相比，基于频谱特征提取的模式分类能够更好地区分不同水库对河流流量的实际调节方式。不同的时空基底，可能会为水库带来截然不同的调蓄策略。这说明，理解水库运行不能只看设计标签，更需要回到观测数据本身。

研究还发现，调节强度与水库停留时间呈显著正相关。也就是说，水在库中停留时间越长，水库对天然流量过程的改造往往越强；并且在同一运行模式内部，规模更大的水库通常会表现出更典型、更强烈的调蓄特征。

图2:提取到的典型调节模式与水库名义目的之间的差异

研究意义

该研究从频域角度重新审视了水库调度行为，将水库对河流节律的影响从“按用途理解”推进到“按行为理解”，为认识人类活动如何改变自然流量过程提供了新的分析框架。

相关成果有助于为大尺度水文模型和地表过程模型中的水库表示方法提供新视角，指出未来需要更精确地表述水库调度的特征，也为流域调度、生态流量管理以及受调控河流生态影响评估提供参考。研究所提出的框架还具有较强的可拓展性，未来可进一步推广到不同气候区和管理体制下的水库系统研究中。

作者信息

第一作者 张峰赫

论文第一作者为北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所2022级本科生张峰赫，通讯作者为北京大学地空学院遥感所林佩蓉研究员。合作者还包括中山大学涂铜壁老师。研究得到了国家自然科学基金项目（42371481）、北京市科技新星计划（20230484302, 20240484647）的支持。同时，这项工作也是时空感知与城市韧性北京市重点实验室资助的本科生科研基金的资助成果。

文章详细信息

Zhang, F., Lin, P.*, & Tu, T. (2026). Hidden Complexity in Reservoir Flow Regulation Revealed by Spectral Analysis. Geophysical Research Letters, 53, e2026GL121654.

DOI: https://doi.org/10.1029/2026GL121654