降下來的雨到哪兒去了

眾所周知，自然界中水是不斷運動和變化的。對自然界水的時空分布、變化規(guī)律等現(xiàn)象的研究稱之為水文學(xué)。“降下來的雨到哪兒去了？”——降雨徑流過程是陸地水循環(huán)最核心的研究內(nèi)容。徑流模擬和準(zhǔn)確預(yù)報對防洪、抗旱、水力發(fā)電、航運、生態(tài)保護等關(guān)系國計民生的關(guān)鍵領(lǐng)域都有重要意義，更直接關(guān)系到廣大人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。

華東師大地理科學(xué)學(xué)院科研人員聯(lián)合荷蘭、英國、德國等科學(xué)家，在水文降雨徑流模型方面取得突破性進展，原創(chuàng)性地提出了新的地形驅(qū)動水文模型HSC(HAND-based Storage Capacity curve)。相關(guān)論文在水文學(xué)一區(qū)期刊《水文學(xué)與地球系統(tǒng)科學(xué)》（Hydrology and Earth System Sciences，HESS）發(fā)表，并被高亮報道。

    把“水”算準(zhǔn)，到底有多難？

水文的精確預(yù)報，必須建立在科學(xué)認(rèn)識水循環(huán)客觀規(guī)律的基礎(chǔ)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里，且具有時間、空間的強異質(zhì)性，分布上不均勻又極其復(fù)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(zhì)、植被等。這些都極大地增加了水文準(zhǔn)確預(yù)報的難度。

另外，眾多傳統(tǒng)模型嚴(yán)重依賴實測的徑流數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)的率定，很大程度上限制了模型在廣大無資料地區(qū)的應(yīng)用。上世紀(jì)七八十年代，集體涌現(xiàn)出了一批世界“名?！保╰op model），如我國河海大學(xué)趙人俊教授開發(fā)的新安江模型，武漢大學(xué)夏軍教授開發(fā)的水文時變增益非線性系統(tǒng)模型（TVGM），瑞典氣象水文研究所開發(fā)的HBV模型，以及英國蘭卡斯特大學(xué)基思·貝文（Keith Beven）教授的“名模”，但這些世界“名?！痹跓o資料區(qū)的應(yīng)用中也很受限制。而此后幾十年，水文模型領(lǐng)域一直較少有突破性進展。

生態(tài)大數(shù)據(jù)支撐新模型誕生

歷時6年，包括華東師大地理科學(xué)學(xué)院高紅凱研究員（文章第一作者兼通訊作者）在內(nèi)的國際科研團隊（中、荷、英、德）刻苦攻關(guān)，嘗試了數(shù)十種新的模型結(jié)構(gòu)和算法，跳出以往相關(guān)研究慣用的牛頓物理學(xué)視角，原創(chuàng)性地從生態(tài)水文視角提出了新的地形驅(qū)動水文模型HSC。HSC模型基于新的地形指數(shù)HAND(Height Above the Nearest Drainage)，通過簡單而具有大樣本生態(tài)觀測數(shù)據(jù)支持的假設(shè)，建立了以地形為基礎(chǔ)的土壤含水量和變源產(chǎn)流面積間的非線性關(guān)系。

長久以來，地形只被用來驅(qū)動水流從高到低運動，但越來越多的研究發(fā)現(xiàn)地形是綜合反映地理綜合體（水土氣生）的指標(biāo)。美國水文學(xué)家2017在美國科學(xué)院院刊（PNAS）撰文，利用全球2200多個站點的根系深度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，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模型正是基于該生態(tài)大數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的重要客觀規(guī)律，結(jié)合蓄滿產(chǎn)流理論建立的。

支撐研發(fā)成果創(chuàng)新

這是科學(xué)界首次將生態(tài)學(xué)根系深度空間分布與水文學(xué)的產(chǎn)流過程進行直接聯(lián)系的理論和應(yīng)用創(chuàng)新。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(gòu)數(shù)據(jù)進行了嚴(yán)格驗證。同時，通過與經(jīng)典的流域水文模型HBV和“名模”對比，發(fā)現(xiàn)新模型不僅無需率定產(chǎn)流參數(shù)，還可以模擬變源產(chǎn)流面積的空間和時序變化，而且在模擬效果上比傳統(tǒng)模型有明顯改進。

該模型不僅在生態(tài)水文理論上有所突破，在實際應(yīng)用中也有廣闊的前景。降雨徑流計算得到的產(chǎn)流量與幾乎所有水相關(guān)問題都緊密相連，包括水多（洪澇）、水少（干旱）、水臟（水污染）、水渾（泥沙）、水死（水生態(tài)）等。新模型可廣泛應(yīng)用于防災(zāi)減災(zāi)、水資源管理和調(diào)度、水污染防治和水生態(tài)修復(fù)等。由于新模型無需參數(shù)率定，因此可以應(yīng)用于廣大發(fā)展中國家的無資料地區(qū)，這對“一帶一路”沿線國家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護等，都有重要的支撐作用。這一模型研發(fā)體現(xiàn)了重視原始創(chuàng)新的學(xué)術(shù)目標(biāo)，為下一步研發(fā)項目成果集成創(chuàng)新提供了重要支撐。

《中國教育報》2019年04月01日第7版