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流域径流形成与转化的非线性机理

发布时间: 2018-03-23 17:27:43     返回首页

       

       该项目从全球海量数据,发现了时变增益非线性产流规律,和受控于土壤-植物调控的蒸散发非线性机理,提高了径流预测的精度,创新了水文非线性理论;提出了复杂系统中简单关系的时变增益非线性模型;发展了耦合蒸散发、下垫面变化和人类活动影响的分布式非线性模型,创新了水文非线性系统方法;地球科学许多过程都是非线性,并越来越体现为人类社会的服务能力。课题成果体现了科学与社会服务功能的联系和以水为纽带产生的重要影响力,为促进地球科学非线性研究做出了贡献。

       1、径流形成的时变增益产流非线性机理

       现实中,降水产生径流量级大小的水文增益因子并非定常,而是与高度非线性的输入因子 降水量、湿润程度大小的土壤湿度和下垫面类型有密切关系,随时间瞬时变化和空间变化。基于全球代表性流域海量水文数据与响应关系的识别, 项目组在国际上发现了受控于 土壤湿度、降雨强度和下垫面组合的时变非线性产流规律。一是揭示了降水、土壤湿度等关键性控制因素的时变与非线性特性。由于这些高度非线性,导致了降雨形成径流的系统增益并非定常和平均态;二是发现了径流形成增益因子与土壤湿度、降雨强度和下垫面参数组合的时变非线性指数律关系,从机理上,揭示了径流形成内在的非线性产流规律,  建立了非线性响应与水文物理机制之间的联系;进一步,提出了径流计算新的方法与时变增益模型,包括产、汇流非线性以及季节性变化的组合计算, 解决了原水文线性理论中假定产流增益为常数和仅为平均态的问题明显提高了径流预测的精度经国际洪水预报比较研究计划(UCG)在全球60多个不同气候区的代表性流域验证,较线性系统理论预报精度平均提高了45%,最大提高了63%。

       2. 水量转化的蒸散发非线性机理

       径流形成与转化研究中,当短历时高强度暴雨洪水,扩展到长历时【水量转化】关系“蒸散发“问题, 就成为一个关键。由于实际蒸散发受“大气-土壤-植被”多因素的影响,呈高度非线性。项目组通过大量实验和野外观测研究,重点探讨了受控于“土壤-植被”制约的蒸散发关系及其在空间尺度扩展的难题。一是发现了土壤蒸发、总蒸发、叶面积指数、土壤湿度之间的非线性关系,揭示了“大气-土壤-植被”水量转化中植物水的调控机制;二是通过尺度分析、参证高度变量与遥感观测信息相结合,提出了一种与作物生长过程时空变化相联系的蒸散发估算模型。价值和意义:发现了土壤蒸发与总蒸腾比率与植被LAI之间的非线性指数关系和一种能够揭示冠层蒸腾与截留蒸发和土壤蒸发的新的分层模型,为认识径流形成与转化联系的生态水文机理,奠定了科学基础。发表的SCI论文被来自全球29个国家的学者引用。由于科学揭示了作物和土壤调控的蒸散发机理,提高了农作物所需灌溉的水资源量的精准计算,达到节水和增产的目的。成果应用到我国华北农业水资源管理,国家最高科技奖获得者李振声院士认为:取得了节水100 毫米,粮食超 1000公斤(夏、秋两季)的良好结果。

       3. 流域分布式时变增益非线性系统模型

       流域径流形成与转化具有很强的时空变异性, 通过响应单元与空间尺度的扩展,发展了流域分布式时变增益非线性模型与不确定性分析方法。其特点是:系统论与物理方法结合, 对不同资料条件有比较强的适应能力,为定量分析人类活动和气候变化对径流影响与调控,提供了新的途径。其一,建立了时变产流系数与流域下垫面覆被空间变化之间的联系;其二发展了多闸坝河流和大型调水工程影响的“水量-水质”多过程模拟与径流调控方法,实现了取用水和外调水的混合水循环模拟与“水量-水质-水生态”多过程的径流调控;其三,提出了基于Bayes原理的分布式模型参数敏感性分析,即不确定性分析方法,显著提高了参数估计的效率。发展流域分布式时变增益模型价值与意义:复杂系统中找到一种简单有效的模型,是理解流域水文过程相互作用关系的重要途径。

       三个发现点的联系和系统贡献:1)从全球海量数据,发现了时变增益非线性产流规律,和受控于土壤-植物调控的蒸散发非线性机理,提高了径流预测的精度,创新了水文非线性理论;2)提出了复杂系统中简单关系的时变增益非线性模型;发展了耦合蒸散发、下垫面变化和人类活动影响的分布式非线性模型,创新了水文非线性系统方法;3)地球科学许多过程都是非线性,并越来越体现为人类社会的服务能力。课题成果体现了科学与社会服务功能的联系和以水为纽带产生的重要影响力,为促进地球科学非线性研究做出了贡献。

       该研究在本门学科最具影响的学术杂志WRR,JH等发表,8篇代表作SCI总引725次,SCI他引577次,SCI单篇最高他引151次。2002年出版了《水文非线性系统理论与方法》专著,2004年获湖北省自然科学一等奖,2011年获国际水资源管理杰出贡献奖。2014年获国际水文科学奖-Volker奖章。项目的科学价值被国际水文科学协会(IAHS)评价为:“发展的非线性时变系统水文学途径,推动了水资源管理的水文科学基础研究”。