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浦江头条

水不仅是从高处向低处流,中欧科学家提出水文新模型

澎湃新闻记者 臧鸣

2019-03-04 20:58  来源:澎湃新闻

“滚滚长江东逝水”,水从哪里来,又到哪里去?
在自然科学中,有一门学科名为水文学,研究自然界水的时空分布、变化规律等现象。
一个好的水文模型可以作出准确的预测。最近,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,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)。
和以往模型相比,这个模型的厉害之处在于不需要大量的实测数据修正,可以应用于广大发展中国家的无资料地区。
其奥秘是什么呢?
a) 生态大数据获得的植被根系深度随距离最近河道高程(HAND)变化规律示意图(摘自Fan 等,2017 PNAS);b) 流域三维地形简化为二维坡面示意图;c) 根系区土壤含水量与变源产流面积间的关系示意图;d) 根系区土壤相对湿度与产流面积比例间的关系曲线,该曲线是HSC模型的核心成果。华东师大 供图
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。1970-1980年代,集体涌现出了一批世界“名模”(TOP MODEL),如中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Lancaster大学Keith Beven教授的TOPMODEL,但这些世界“名模”在无资料区的应用中也很受限制。
此后几十年,水文模型领域一直较少有突破性进展。
HSC模型与世界“名模”TOPMODEL在模拟苏格兰Bruntland流域饱和区面积动态变化上的效果对比。左列图中,越接近深蓝色表示距离最近河道高程(HAND)值越大,黑线包围区域表示饱和区;右两列图中,黑色区域表示模型模拟的饱和区,土黄色表示非饱和区。显而易见,HSC对饱和区动态变化的模拟效果优于TOPMODEL。华东师大 供图
历时6年,包括华东师大地理科学学院研究员高红凯(文章第一作者)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。相关论文在水文学一区Top期刊Hydrology and Earth System Sciences(HESS)发表。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。
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。
HSC模型即基于新的地形指数,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。
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TOP MODEL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。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。
责任编辑:郑浩
校对:丁晓
澎湃新闻,未经授权不得转载。新闻报料:4009-20-4009
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