数字孪生流域: 未来流域治理管理的新基建新范式

数字孪生流域是数字孪生地球的重要组成部分, 厘清数字孪生流域理论定义和内涵是研究和建设数字孪生流域的前提和基础, 对流域智慧化治理管理具有重要意义。本文基于数字孪生理论技术, 开展了以下研究: ①给出了数字孪生流域的定义, 认为数字孪生流域是以服务流域全生命周期管理的全量数据和领域知识驱动物理流域和虚拟流域交互映射、共智进化、虚实融合的新基建新范式, 并辨析了与传统建模仿真的区别。②数字孪生流域内涵是通过"由实入虚"、"以虚映实"和"由虚控实"实现物理流域对象的全生命周期管控, 特征包括高度保真、演化自治、实时同步、闭环互动和共生进化。③数字孪生流域基本模型由物理流域、虚拟流域、实时连接交互、数字赋能服务、孪生流域数据和孪生流域知识组成, 其核心能力包括物理流域感知操控、全要素数字化表达、实景可视动态呈现、流域数据融合供给、流域知识融合供给、流域模拟仿真推演及孪生自主学习优化。④提出数字孪生流域要解决的关键科学问题和关键技术体系, 并从感知网、数据网、知识网、模型网及服务网展望了数字孪生流域发展方向, 阐述了数字孪生流域的赋能领域。本文旨在通过数字孪生流域理论新型研究范式为数字孪生流域技术应用落地提供理论指导, 对未来智慧流域研究和数字技术在流域治理管理中的应用提供有益的启发与借鉴。     

流域遥感:内涵与挑战

遥感在流域综合管理与流域科学研究中得到广泛应用并发挥着不可替代的作用。重点阐述了流域遥感的内涵、进展与面临的挑战，系统总结了相关的流域遥感数据产品。流域遥感研究流域下垫面、水循环、水资源、水灾害、流域生态的遥感解析能力并提供相关的遥感数据产品。流域遥感数据产品正逐步成为不断更新的公共产品和服务，满足了流域管理监测信息及时性、完整性、连续性和高精度的要求。流域遥感与云计算的结合，可降低流域遥感数据产品生成的技术瓶颈；与云服务结合，可降低流域遥感数据产品的应用难度和成本，将是流域遥感走向实用的主流方向，从而为流域综合管理提供全方位的信息支撑。     

流域遥感:内涵与挑战

遥感在流域综合管理与流域科学研究中得到广泛应用并发挥着不可替代的作用。重点阐述了流域遥感的内涵、进展与面临的挑战，系统总结了相关的流域遥感数据产品。流域遥感研究流域下垫面、水循环、水资源、水灾害、流域生态的遥感解析能力并提供相关的遥感数据产品。流域遥感数据产品正逐步成为不断更新的公共产品和服务，满足了流域管理监测信息及时性、完整性、连续性和高精度的要求。流域遥感与云计算的结合，可降低流域遥感数据产品生成的技术瓶颈；与云服务结合，可降低流域遥感数据产品的应用难度和成本，将是流域遥感走向实用的主流方向，从而为流域综合管理提供全方位的信息支撑。     

南方小型岩溶流域与非岩溶流域的释水过程及径流组分差异

我国南方岩溶流域和非岩溶流域下垫面条件和含水介质结构的差异造成了不同的产汇流过程及机制,进而导致不同释水时段径流组分的开发利用价值不同。为深入理解岩溶流域的产汇流机制并探索岩溶流域的水资源评价方法,文章对鄂西庙沟岩溶流域和高家坪非岩溶流域共31次洪水过程进行了流量衰减分析,对比分析了两个流域的标准衰减方程、典型次降雨的释水过程以及不同洪峰流量下的径流组分差异。结果表明:岩溶流域的释水过程快于非岩溶流域,其衰减系数比非岩溶流域大40％;两个流域的河流基流均来自裂隙介质释水,裂隙介质为流域的主要储水空间,但非岩溶流域的裂隙介质比例比岩溶流域高8.8％;随洪峰流量增加,两个流域的地表径流占比均呈对数形式增大,地下径流占比均呈对数形式减小;岩溶流域径流组分随洪峰流量变化比非岩溶流域更为敏感,其地表径流占比变幅为4％~40％,而非岩溶流域则始终小于10％。文章定量评价了管道和裂隙介质在流域中的导水及储水功能,在进一步刻画岩溶流域产汇流过程及机制方面进行了有益的探索,研究结果可为岩溶山区水资源评价和流域水文模型的改进提供科学依据。     

海河流域水平衡与水资源可持续开发利用分析与建议

海河流域水资源的可持续利用是关系海河经济社会发展的关键问题.本文对海河流域1998～2006年降雨、供水和用水情况进行了全面分析研究,并从流域水循环角度对海河流域降雨、ET耗水(流域蒸腾蒸发)和入海水量进行了研究,分析了海河流域水资源开发和利用的发展趋势,分析了南水北调条件下海河流域的水资源形势,提出实现海河流域水资源可持续利用的途径.根据海河流域水资源综合规划提出的调水量和节水规划分析,南水北调可以从根本上提高海河流域水资源和水环境的承栽力,届时水污染防治和地下水恢复将成为流域水资源保护和管理的重点.     

黑河流域水文信息系统设计与实现

水文数据建模和数据共享是流域科学研究的重点工作, 也是"数字流域"研究的基础.目前集成观测数据和环境信息的流域信息基础设施已经成为"数字地球"技术在流域科学方面的重要应用.以水文数据模型和"协同促进水文科学发展大学联盟"水文信息系统(CUAHSI-HIS)为原型, 设计一个适合于黑河流域的集流域地理数据库、 观测系统数据库和数据共享发布系统于一体的流域水文信息系统.系统实现集成各种观测数据类型、 数据来源及观测数据的流域观测数据库, 通过统一地表和地下水的通用数据模型实现流域地表水和地下水信息的一体化存储管理, 同时存储、 组织和在线共享发布流域相关的观测数据和空间数据, 为流域科学研究提供在线生态环境数据的网络服务以及相应的流域观测数据服务, 有效的推动流域科学计划的研究.     

密西西比河流域监测、修复管理经验对我国流域生态保护修复的启示

美国流域保护修复的研究与实践开始较早,并在密西西比河的修复与治理上取得了良好成效,对我国流域生态保护修复工作具有一定借鉴意义。介绍了密西西比河的管理模式,并对美国在密西西比河开展的具有代表性的长期生态监测及修复管理工作进行了总结,总结了对我国流域生态保护修复工作的7点启示: ①建立和完善流域生态系统监测与评价指标体系; ②建立流域综合监测网络,进行全流域持续监测; ③建设流域生态信息平台,加强数据共享; ④以流域为单元开展生态状况调查和评估; ⑤建立和完善监测、评估、规划、实施循环体系; ⑥提升对流域生态系统的科学认知; ⑦加强流域协调治理,创新我国流域生态保护修复管理体系。旨在为我国广泛开展流域保护修复工作提供一个覆盖河源头至河口的流域监测与修复管理案例。     

西风带和南亚季风对三江源雨季水汽输送及降水的影响

为了进一步明确西风带和南亚季风对三江源流域的水汽输送作用及对流域降水的影响,利用ERA-20C再分析数据集对三江源流域1948-2010年雨季水汽通量场进行经验正交函数（Empirical Orthogonal Function,EOF）分解,得到可表征西风带和南亚季风水汽输送在三江源流域强弱关系的经验正交函数模态及指标,揭示当西风带和南亚季风分别控制流域时的水汽输送和降水分布规律。结果表明:西风带控制流域水汽输送时,流域内部水汽输送方向为由西北向东南,西风带和南亚季风在流域南边界附近汇集,流域东部及南部（澜沧江源区大部,黄河源区东部）降水显著增加;南亚季风控制流域水汽输送时,流域内部水汽输送方向为由南向北,两支水汽输送路径在流域以北汇集,流域北部（长江源区大部,黄河源区偏北部）降水显著增加。西风带和南亚季风的水汽输送均对三江源流域具有重要作用,两支水汽输送路径分别控制流域时可引起流域内部不同区域降水的显著增加。     

流域科学研究中的观测和模型系统建设

流域是地球系统的缩微,是自然界的基本单元。流域科学从基础研究角度可以被看作是地球系统科学研究方法在流域尺度上的具体体现;从流域综合管理的应用角度看,流域科学是在流域尺度上通过对自然资源和人类活动的优化配置而为可持续发展服务的应用科学。流域观测系统和模型系统的建设是发展流域科学的前提。提出了建立遥感—地面观测一体化的、覆盖流域能水和生物化学循环及社会经济活动的流域观测系统的设想,规划了系统各组成部分,以高效、高分辨率、高精度、多尺度、集成和现代化为流域观测系统的基本衡量准则。流域模型系统可概括为“水—土—气—生—人”集成模型的发展,[JP2]应该科学目标和流域管理目标并重,既要发展具有综合模拟能力的流域集成模型,也要建成流域水土资源和社会经济资源可持续利用决策支持系统。流域集成模型应由分布式水文模型、陆面过程模型、地下水模型、渠系模型、动态植被模型和社会经济模型构成。     

海河及西北内陆河流域的水热平衡研究

本文通过对海河流域的38个子流域及内陆河流域的7个子流域的逐年降水、径流及实际蒸散发和蒸发能力的分析,证明了基于Budyko假设的流域水热耦合平衡关系在海河及西北内陆河流域是成立的。根据各子流域的长期水量平衡结果,本文验证了水热耦合平衡模型中的唯一参数综合反映流域的下垫面条件且具有显著的区域分布规律,与此同时,本文还在海河流域及内陆河流域对根据流域平均坡度(tanβ),相对土壤最大蓄水能力(Smax/0)和相对土壤入渗能力(Ks/■r)估算模型参数■的经验公式进行了验证,计算结果较好。