“滾滾長江東逝水”，水從哪里來，又到哪里去？

在自然科學(xué)中，有一門學(xué)科名為水文學(xué)，研究自然界水的時空分布、變化規(guī)律等現(xiàn)象。

一個好的水文模型可以作出準(zhǔn)確的預(yù)測。最近，華東師范大學(xué)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(jìn)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)。

和以往模型相比，這個模型的厲害之處在于不需要大量的實測數(shù)據(jù)修正，可以應(yīng)用于廣大發(fā)展中國家的無資料地區(qū)。

其奧秘是什么呢？

a) 生態(tài)大數(shù)據(jù)獲得的植被根系深度隨距離最近河道高程（HAND）變化規(guī)律示意圖（摘自Fan 等，2017 PNAS）；b) 流域三維地形簡化為二維坡面示意圖；c) 根系區(qū)土壤含水量與變源產(chǎn)流面積間的關(guān)系示意圖；d) 根系區(qū)土壤相對濕度與產(chǎn)流面積比例間的關(guān)系曲線，該曲線是HSC模型的核心成果。華東師大 供圖

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(jìn)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。1970-1980年代，集體涌現(xiàn)出了一批世界“名?！保═OP MODEL），如中國河海大學(xué)教授趙人俊開發(fā)的新安江模型、武漢大學(xué)教授夏軍開發(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Lancaster大學(xué)Keith Beven教授的TOPMODEL，但這些世界“名?！痹跓o資料區(qū)的應(yīng)用中也很受限制。

此后幾十年，水文模型領(lǐng)域一直較少有突破性進(jìn)展。

歷時6年，包括華東師大地理科學(xué)學(xué)院研究員高紅凱（文章第一作者）在內(nèi)的國際科研團(tuán)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。相關(guān)論文在水文學(xué)一區(qū)Top期刊Hydrology and Earth System Sciences（HESS）發(fā)表。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(jìn)行直接聯(lián)系的理論和應(yīng)用創(chuàng)新。

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)。

HSC模型即基于新的地形指數(shù)，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。

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(jìn)行了嚴(yán)格驗證。同時，通過與經(jīng)典的流域水文模型HBV和TOP MODEL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(jìn)。

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(hù)等，都有重要的支撐作用。