降雨去哪了?原創徑流模型來回答—新聞—科學網

2021-01-10 科學網

 

■本報記者 黃辛

論文第一作者兼通訊作者、華東師大地理科學學院研究員高紅凱在講解徑流模擬。華東師範大學供圖

眾所周知，自然界中的水是不斷運動和變化的。對自然界水的時空分布、變化規律等現象的研究稱之為水文學。「降下來的雨到哪兒去了？」——降雨徑流過程是陸地水循環最核心的研究內容。徑流模擬和準確預報對防洪、抗旱、水利發電、航運、生態保護等關係國計民生的關鍵領域都有重要意義，更直接關係到廣大人民群眾的生命和財產安全。

華東師範大學地理科學學院科研人員聯合荷蘭、英國、德國等科學家，近日在水文降雨徑流模型方面取得突破性進展，原創性地提出了新的地形驅動水文模型HSC (HAND-based Storage Capacity curve)。相關論文已在水文學一區Top期刊《水文學與地球系統科學》（HESS）上發表，並被highlight報導。

把「水」算準，到底有多難？

水文的精確預報，必須建立在科學認識水循環客觀規律的基礎上。然而，降雨徑流的流域面積十分廣大，往往有成千上萬平方公裡，且具有時間、空間的強異質性，分布上不均勻又極其複雜。水文過程還受諸多因素影響，例如氣象氣候因素，包括降水量、降雨強度、溫度、輻射等；下墊面因素包括地形、土壤、地質、植被等。這些都極大地增加了水文準確預報的難度。

另外，眾多傳統模型嚴重依賴實測的徑流數據進行模型參數的率定，很大程度上限制了模型在廣大無資料地區的應用。上世紀70至80年代，集體湧現出了一批世界「名模」（TOPMODEL），如我國河海大學教授趙人俊開發的新安江模型、武漢大學教授夏軍開發的水文時變增益非線性系統模型（TVGM）、瑞典氣象水文研究所開發的HBV模型，以及英國蘭卡斯特大學教授Keith Beven的TOPMODEL，但這些世界「名模」在無資料區的應用中也很受限制。而此後幾十年，水文模型領域一直較少有突破性進展。

生態大數據支撐新模型誕生

歷時6年，包括華東師大地理科學學院研究員高紅凱在內的國際科研團隊（中、荷、英、德）刻苦攻關，嘗試了數十種新的模型結構和算法，跳出以往相關研究慣用的牛頓物理學視角，原創性地從生態水文視角提出了新的地形驅動水文模型HSC 。HSC模型基於新的地形指數HAND （Height Above the Nearest Drainage），通過簡單而具有大樣本生態觀測數據支持的假設，建立了以地形為基礎的土壤含水量和變源產流面積間的非線性關係。

長久以來，地形只被用來驅動水流從高到低運動，但越來越多的研究發現地形是綜合反映地理綜合體（水土氣生）的指標。美國水文學家利用全球2200多個站點的根系深度數據發現，地形對根系深度有決定性影響。即通常情況下，HAND越大，根系越深。HSC模型正是基於該生態大數據發現的重要客觀規律，結合蓄滿產流理論建立的。

這是科學界首次將生態學根系深度空間分布與水文學的產流過程進行直接聯繫的理論和應用創新。據悉，該模型在英國、美國300多個具有不同氣候、植被、土壤、地形的流域，通過多源異構數據進行了嚴格驗證。同時，通過與經典的流域水文模型HBV和TOPMODEL對比，發現新模型不僅無需率定產流參數，還可以模擬變源產流面積的空間和時序變化，而且在模擬效果上比傳統模型有明顯改進。

「該模型不僅在生態水文理論上有所突破，在實際應用中也有廣闊的前景。」該論文第一作者兼通訊作者高紅凱告訴《中國科學報》，降雨徑流計算得到的產流量與幾乎所有水相關問題都緊密相連，包括水多（洪澇）、水少（乾旱）、水髒（水汙染）、水渾（泥沙）、水死（水生態）等。新模型可廣泛應用於防災減災、水資源管理和調度、水汙染防治和水生態修復等。由於新模型無需參數率定，因此可以應用於廣大發展中國家的無資料地區，這對「一帶一路」沿線國家的基礎設施建設和生態環境保護等，都有重要的支撐作用。

研究人員表示，這一模型的研發體現了重視原始創新的學術目標，為下一步研發項目成果集成創新提供了重要支撐。

相關論文信息：DOI:10.5194/hess-23-787-2019

《中國科學報》 (2019-03-05 第7版 生態環境)

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