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降雨去哪了?原创径流模型来回答

来源:中国科学报 作者:黄辛 人气: 发布时间:2019-03-06 08:43:34

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论文第一作者兼通讯作者、华东师大地理科学学院研究员高红凯在讲解径流模拟。华东师范大学供图

众所周知,自然界中的水是不断运动和变化的。对自然界水的时空分布、变化规律等现象的研究称之为水文学。“降下来的雨到哪儿去了?”——降雨径流过程是陆地水循环最核心的研究内容。径流模拟和准确预报对防洪、抗旱、水利发电、航运、生态保护等关系国计民生的关键领域都有重要意义,更直接关系到广大人民群众的生命和财产安全。

华东师范大学地理科学学院科研人员联合荷兰、英国、德国等科学家,近日在水文降雨径流模型方面取得突破性进展,原创性地提出了新的地形驱动水文模型HSC (HAND-based Storage Capacity curve)。相关论文已在水文学一区Top期刊《水文学与地球系统科学》(HESS)上发表,并被highlight报道。

把“水”算准,到底有多难?

水文的精确预报,必须建立在科学认识水循环客观规律的基础上。然而,降雨径流的流域面积十分广大,往往有成千上万平方公里,且具有时间、空间的强异质性,分布上不均匀又极其复杂。水文过程还受诸多因素影响,例如气象气候因素,包括降水量、降雨强度、温度、辐射等;下垫面因素包括地形、土壤、地质、植被等。这些都极大地增加了水文准确预报的难度。

另外,众多传统模型严重依赖实测的径流数据进行模型参数的率定,很大程度上限制了模型在广大无资料地区的应用。上世纪70至80年代,集体涌现出了一批世界“名模”(TOPMODEL),如我国河海大学教授赵人俊开发的新安江模型、武汉大学教授夏军开发的水文时变增益非线性系统模型(TVGM)、瑞典气象水文研究所开发的HBV模型,以及英国兰卡斯特大学教授Keith Beven的TOPMODEL,但这些世界“名模”在无资料区的应用中也很受限制。而此后几十年,水文模型领域一直较少有突破性进展。

生态大数据支撑新模型诞生

历时6年,包括华东师大地理科学学院研究员高红凯在内的国际科研团队(中、荷、英、德)刻苦攻关,尝试了数十种新的模型结构和算法,跳出以往相关研究惯用的牛顿物理学视角,原创性地从生态水文视角提出了新的地形驱动水文模型HSC 。HSC模型基于新的地形指数HAND (Height Above the Nearest Drainage),通过简单而具有大样本生态观测数据支持的假设,建立了以地形为基础的土壤含水量和变源产流面积间的非线性关系。

长久以来,地形只被用来驱动水流从高到低运动,但越来越多的研究发现地形是综合反映地理综合体(水土气生)的指标。美国水文学家利用全球2200多个站点的根系深度数据发现,地形对根系深度有决定性影响。即通常情况下,HAND越大,根系越深。HSC模型正是基于该生态大数据发现的重要客观规律,结合蓄满产流理论建立的。

这是科学界首次将生态学根系深度空间分布与水文学的产流过程进行直接联系的理论和应用创新。据悉,该模型在英国、美国300多个具有不同气候、植被、土壤、地形的流域,通过多源异构数据进行了严格验证。同时,通过与经典的流域水文模型HBV和TOPMODEL对比,发现新模型不仅无需率定产流参数,还可以模拟变源产流面积的空间和时序变化,而且在模拟效果上比传统模型有明显改进。

“该模型不仅在生态水文理论上有所突破,在实际应用中也有广阔的前景。”该论文第一作者兼通讯作者高红凯告诉《中国科学报》,降雨径流计算得到的产流量与几乎所有水相关问题都紧密相连,包括水多(洪涝)、水少(干旱)、水脏(水污染)、水浑(泥沙)、水死(水生态)等。新模型可广泛应用于防灾减灾、水资源管理和调度、水污染防治和水生态修复等。由于新模型无需参数率定,因此可以应用于广大发展中国家的无资料地区,这对“一带一路”沿线国家的基础设施建设和生态环境保护等,都有重要的支撑作用。

研究人员表示,这一模型的研发体现了重视原始创新的学术目标,为下一步研发项目成果集成创新提供了重要支撑。

(逍遥客)

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