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全球河道型水庫水下地形建模和水量估算研究取得進展

  水庫是水資源管理的重要設施,可以調節徑流、攔蓄洪水、提供清潔能源,用于灌溉、航運、供水、養殖等。獲取水庫的水下地形信息是精確量化水庫水資源與全球水循環影響、建模水庫水文水動力過程、評估水生態環境演變等研究的重要基礎。近年來,在遙感技術的支持下,國內外學者在區域乃至全球尺度的水庫空間編目、水量變化估算等方面開展了系列研究。然而,由于衛星遙感觀測難以獲取水下地形信息,開展區域大尺度水庫蓄水總量估算仍具有較大挑戰,其中,需突破的關鍵問題是:如何研發一種獨立于實測資料的水庫水下地形建模方法? 

  針對該科學技術難題,在國家重點研發計劃項目、中科院戰略性先導科技專項等資助下,中國科學院南京地理與湖泊研究所宋春橋研究員課題組聯合美國堪薩斯州立大學、河海大學、中國科學院地理科學與資源研究所等機構的科研人員開展了全球河道型水庫水下地形建模和水量估算研究,相關研究成果在Water Resources ResearchGeomorphology上發表,論文的第一作者是劉凱助理研究員。 

1. 河道型水庫水下地形建模方法概念示意圖 

  該項研究在系統開展了全球可用數字高程模型數據精度評價的基礎上,以SRTM-1 DEM,GDRIJRC GSW等數據為基礎,提出了一種適用于全球河道型水庫的水下地形建模和水量估算新方法(簡稱ADBAR)。該方法的核心思想是利用水庫水下未知地形和周邊可測地形的空間自相關性。這種空間自相關性一方面體現在水庫大壩下游—庫區—上游的河道縱剖面地形變化具有空間連續性;另一方面,水庫庫區的橫斷面的水下與岸帶地形形態具有地貌發育可延展性。發展該水下地形建模方法,首先利用水庫上下游已知的縱剖面高程,實現了庫區縱剖面高程信息的空間推測;以此縱剖面高程為約束,逐段確定庫區橫斷面形態,基于岸帶未淹沒地形信息進行空間插值和高程剖面重建,進而實現全庫區水下地形信息重建(如圖1所示)。 

2 研究樣區圖 (a) 全球48個驗證水庫及兩個驗證流域的空間分布圖 (b) 驗證水庫的基本信息 

  本研究在全球共選取了482000年后修建蓄水的水庫(20002月遙測的全球SRTM DEM可提供水下地形暴露信息),對所構建方法開展研究試驗和精度評估(圖2)。結果表明:該方法獲取的水下地形用于估算水庫蓄水總量的平均精度可達到86.77%,其中80%以上水庫(不同大小、形態、地貌特征等)的水量估算誤差小于20%,證明了此方法對全球水庫具有較好的普適性。同時,本研究還以黃河上中游流域部分區域和巴西托坎廷斯河流域為樣區,開展了流域尺度河道型水庫總蓄水量的估算(圖3),結果表明:兩個流域河道型水庫的總蓄水量分別為283.10 × 108 m3997.47 × 108 m3,其中有實測記錄水庫的總估算結果與驗證數據接近,估算誤差小于10%。流域尺度評估結果進一步驗證了本方法的區域適用性。 

3流域尺度河道型水庫總蓄水量估算結果 (a) 黃河上中游流域部分區域 (b) 巴西托坎廷斯河流域 

  相較于早期研究,本研究所提出的方法不依賴于任何實測資料,同時該方法可實現對水庫全庫區水下地形信息的重建,而不局限于水庫消落帶。總體而言,該方法具有較強的空間普適性和較高的模型魯棒性。需要指出的是,該方法依賴于河道的上下游高程約束,因此不適合少數非河道型水庫。此外,水庫淤積對水庫水下地形和庫容的影響是客觀存在的,不可避免給重建的水下地形和蓄水總量估算結果帶來不確定性,對該問題的研究還有待進一步深入。 

  論文鏈接: 

  全球河道型水庫水下地形建模方法文章: 

  https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020WR027147 

  多源全球尺度數字高程模型數據精度評價文章: 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X1930159X 

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