地理科学学院高红凯研究员在水文降雨径流模型方面取得突破性进展 吕安琪/ 摄
HSC 模型与世界 “名模” TOPMODEL 在模拟苏格兰 Brunt- land 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。
“降雨去哪儿了?中欧合作原创水文新 模型”该研究成果一经发布,受到了新华 网、中国新闻网、《中国科学报》、澎湃新闻、 《新民晚报》、看看新闻网、《上海科技报》、 《劳动报》等诸多媒体的关注,并被学习强 国转载。
“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?
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。
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 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。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。(澎湃新闻)