研究：全球河道型水庫水下地形建模和水量估算

水庫是水資源管理的重要設(shè)施，可調(diào)節(jié)徑流、攔蓄洪水、提供清潔能源，用于灌溉、航運、供水、養(yǎng)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(huán)影響、建模水庫水文水動力過程、評估水生態(tài)環(huán)境演變等的重要基礎(chǔ)。近年來，在遙感技術(shù)的支持下，學界在區(qū)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(wèi)星遙感觀測難以獲取水下地形信息，開展區(qū)域大尺度水庫蓄水總量估算仍具挑戰(zhàn)性，其中，需解決的關(guān)鍵問題是研發(fā)出一種獨立于實測資料的水庫水下地形建模方法。

針對上述問題，在國家重點研發(fā)計劃項目、中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等的支持下，中科院南京地理與湖泊研究所研究員宋春橋課題組與美國堪薩斯州立大學、河海大學、中科院地理科學與資源研究所等的科研人員合作，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(guān)研究成果發(fā)表在Water Resources Research和Geomorphology上，南京地理所助理研究員劉凱為論文第一作者。

該研究在系統(tǒng)開展全球可用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)精度評價的基礎(chǔ)上，以SRTM-1 DEM，GDRI和JRC GSW等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，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(guān)性，體現(xiàn)在兩方面：水庫大壩下游-庫區(qū)-上游的河道縱剖面地形變化具有空間連續(xù)性，水庫庫區(qū)橫斷面的水下與岸帶地形形態(tài)具有地貌發(fā)育可延展性。發(fā)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(xiàn)了對庫區(qū)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(qū)橫斷面形態(tài)，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(xiàn)全庫區(qū)水下地形信息重建（圖1）。

該研究在全球共選取了48個2000年后修建蓄水的水庫（2000年2月遙測的全球SRTM DEM可提供水下地形暴露信息），對所構(gòu)建方法開展研究試驗和精度評估（圖2）；結(jié)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86.77%，其中，80%以上水庫（不同大小、形態(tài)、地貌特征等）的水量估算誤差小于20%，這證明了此方法對全球水庫具有較好普適性。此外，該研究還以黃河上中游流域部分區(qū)域和巴西托坎廷斯河流域為樣區(qū)，開展了流域尺度河道型水庫總蓄水量的估算（圖3）；結(jié)果表明，兩個流域河道型水庫的總蓄水量分別為283.10×108m3和997.47×108m3，其中有實測記錄水庫的總估算結(jié)果與驗證數(shù)據(jù)接近，估算誤差小于10%，這進一步驗證了該方法的區(qū)域適用性。

和早期研究相比，該研究提出的方法不依賴于實測資料；也可實現(xiàn)對水庫全庫區(qū)水下地形信息的重建，而不局限于水庫消落帶。總之，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(shù)非河道型水庫；水庫淤積對水庫水下地形和庫容的影響客觀存在，給重建的水下地形和蓄水總量估算結(jié)果帶來不確定性的現(xiàn)象是不可避免的，還有待深入研究該問題。

圖1.河道型水庫水下地形建模方法概念示意圖

圖2.研究樣區(qū)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

圖3.流域尺度河道型水庫總蓄水量估算結(jié)果（a）黃河上中游流域部分區(qū)域，（b）巴西托坎廷斯河流域

來源：中國科學院南京地理與湖泊研究所