流域径流形成与转化的非线性机理

在全球气候变化和高强度人类活动等多重影响下，我国长江、黄河、淮河等大江大河流域，正面临来自防洪、抗旱、治污、水资源与生态保护以及城市群绿色发展等流域水安全综合应对和管理的系统挑战。如何认识不断变化的环境下流域水循环的机理？如何揭示变化环境下流域水-土-气-生以及人-地系统的相互作用关系？如何从流域系统综合新的视野和角度，科学模拟现状和预测未来演变趋势？如何科学规划和决策流域可持续发展未来方向和路径等，不仅是当前地球系统科学及流域科学面对的全球变化与可持续发展交叉研究的国际学科前沿，也是我国生态文明建设、长江大保护、黄河高质量发展等国家的重大需求。基于这些研究需要，团队在水文水资源领域长期耕耘，在径流形成与转化的时变非线性理论、流域和城市水系统方法方面开展大量研究工作，并将成果应用于长江、黄河、淮河以及西北新疆塔里木河流域等水资源、水环境和水生态综合管理，取得了系统性成果。

项目组在国家973、基金委等项目支持下，历经数十年，面向上世纪70年代震惊中外的河南“75.8” 特大暴雨洪水灾害雨洪径流预测的重大需求，以及变化环境下流域水循环空间分异的水资源径流估算问题，针对径流形成与转化的三个关键科学问题， 即流域产汇流非线性、蒸散发非线性以及流域分布式系统的非线性，开展了深入和系统的研究，探索从响应单元到流域尺度径流形成与转化的非线性机理，提出了新的发现并取得了国际上认可的成果。

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及控制因子（如降水量、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；进一步提出了径流模拟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%。

图1.径流形成与转化的时变增益非线性规律与模型（TVGM）

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。研究发现的土壤蒸发与总蒸腾比率与植被叶面积指数（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。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。

图2.径流形成与转化的流域蒸散发难点问题的科学发现与估算模型

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的影响与调控，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准确性和精度。发展的流域分布式时变增益模型为准确理解流域水文过程相互作用关系提供了重要工具。

图3.流域分布式时变增益模型及其与流域多过程耦合（DTVGM）

◆  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。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。项目成果被应用到我国黄河、淮河、长江及湖北、山东和云南流域洪水预报及防洪减灾，考虑雨强等非线性成果列入国家《水利水电工程设计洪水规范(SL44-2006)》中推荐应用，产生了突出的经济与社会效益；淮河流域防洪防污联合调度重大示范工程、我国东部季风区长江、黄河等八大流域应对气候变化影响的水管理与重大调水工程对策，被评价为“在应对气候变化、改进流域水资源规划及重大调水工程管理与适应性对策方面，发挥了重要的作用”。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，2017年获国家自然科学二等奖。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”。

近5年来，项目成果得到了进一步的应用和发展，尤其将天然流域暴雨洪水非线性时变增益理论扩展到高强度人类活动城市化过程的城市雨洪内涝的非线性系统模拟及应用，发展了 城市水系统5.0体系 ，为缓解城市内涝、指导海绵城市建设及城市绿色发展提供科学支撑；以及将流域水循环的非线性径流模拟扩展到长江流域“水-土-气-生”和“人-地”关系的综合系统模拟以及与“湖库-岸线-城市群“系统治理和智慧管理服务的 “长江模拟器”科学装置 ，在长江大保护及流域高质量发展做出了重要的贡献。

未来，研究团队将不断深化流域径流形成与转化的时变非线性机理认识，提升流域、区域和全球的水安全保障能力，助力我国“双碳”目标的实现。