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新聞動(dòng)態(tài)

水庫大尺度空間編目與庫容模型估算研究取得進(jìn)展

????水庫通過(guò)調節和管理水資源,在防洪、供水、灌溉、發(fā)電、生態(tài)保護和水質(zhì)凈化等方面都發(fā)揮著(zhù)重要作用。盡管已有若干可公開(kāi)獲取的全球數據集對水庫空間位置和屬性進(jìn)行了編目,但水庫的建設運行與相關(guān)機構或組織匯編之間存在顯著(zhù)時(shí)間滯后性,給及時(shí)反映水庫的水文和環(huán)境影響帶來(lái)很大的挑戰。此外,這些大區域尺度水庫數據集往往存在大量水庫庫容信息缺失的情況,限制了水庫水資源管理和影響評估。因此,迫切需要提升水庫空間編目的時(shí)效性和庫容的精細化表達。

????針對上述研究問(wèn)題,中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所宋春橋研究員團隊聯(lián)合美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校、加州大學(xué)洛杉磯分校、法國空間研究中心和河海大學(xué)等機構的學(xué)術(shù)同行,利用衛星遙感產(chǎn)品編目了2000年后全球新建水庫清單(GREI-p2k)。該清單識別了21世紀新建水庫的熱點(diǎn)區域,并從水資源政策角度討論了水庫修建的潛在驅動(dòng)力。進(jìn)而,研究團隊利用機器學(xué)習方法,綜合考慮水庫周?chē)匦魏蜌夂虻纫蛩?,基于資料記錄水庫庫容信息構建人工智能預測模型,精確估算了全國尺度水庫庫容。該研究為快速估算水庫庫容和監測大尺度蓄水量變化提供了一種可行方法,對于合理保護和利用水資源以及制定相關(guān)政策至關(guān)重要。

????研究成果近期發(fā)表在Science Bulletin和Journal of Hydrology,通訊作者為宋春橋研究員,第一作者分別為博士研究生范晨雨和碩士研究生苑春雨。以上研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國科學(xué)院先導A計劃、國家自然科學(xué)基金委面上項目和研究所自主部署項目等的資助。

????GREI-p2k詳細記錄了6,760座2000年后新建水庫,總面積為53,183.90 km2,總庫容為1,287.69 km3。亞洲是世界上新建水庫數量最多的地區(4,092座),也是庫容增加最大的地區(831.15 km3,占64.55%),主要分布在中國和印度。從流域/區域尺度來(lái)看,長(cháng)江流域新建水庫庫容最多,尼羅河流域、印度北部、中國南部和巴西也是新建水庫的主要熱點(diǎn)地區。此外,研究還將GREI-p2k與現有的全球水庫數據集進(jìn)行了比較,GREI-p2k記錄的新建水庫數量、面積和蓄水量都有顯著(zhù)的補充。相比于GeoDAR v1.1數據集,GREI-p2k增加了5,726 座新建水庫,將GeoDAR v1.1中新建水庫分布豐度提高了近四倍,庫容補充了近50%??傮w而言,GREI-p2k為我們提供了一個(gè)全新的視角,深入分析了自2000年以來(lái)通過(guò)建造水庫在全球范圍內累積的陸地蓄水量。在大壩持續蓬勃發(fā)展的時(shí)代,這項工作將有助于更全面地監測全球水庫給區域水量收支帶來(lái)的變化,從而制定更有效的水能管理戰略,也將有助于更系統地評估大壩和水庫對全球碳循環(huán)的影響。

圖1. 新編目GREI-p2k數據集2000年后新建水庫全球分布圖. (a) 新建水庫的全球分布和熱點(diǎn)地區;(b-c) 各國新建水庫的數量和總庫容;(d) 新建水庫總庫容排名位于前15的國家;(e) 新建水庫總庫容排名位于前15的特大流域

????為了精確估算大區域尺度水庫庫容,研究團隊開(kāi)發(fā)了基于機器學(xué)習算法的全國水庫庫容估算模型??紤]水庫庫容與自身形態(tài)學(xué)特征、周邊地形地貌、水文氣象條件等變量的內在聯(lián)系,利用不同機器學(xué)習方法挖掘收集到的部分水庫的記錄庫容和影響變量的隱式復雜關(guān)系,對比不同算法構建和優(yōu)選庫容估算人工智能模型,應用于全國水庫數據集(CRD)估算國家尺度的水庫庫容信息。結果表明,在六種機器學(xué)習模型中,使用極端梯度提升樹(shù)(XGBoost)算法構建的智能模型在庫容預測中表現最佳,相關(guān)系數為0.97,納什效率系數為0.95,平均絕對百分比誤差為22.93%。估算結果顯示,全國未記錄水庫的庫容約為279.28 km3(254.52-306.47 km3),連同有資料記錄信息,全國水庫總庫容為1,065.19 km3(1,040.43-1,092.38 km3)。研究團隊所提出的方法為大尺度水庫庫容快速估算和庫容變化監測提供了可行途徑,對合理保護和利用水資源以及制定相關(guān)政策至關(guān)重要。

圖2. 水庫庫容預測智能模型概念圖及流域尺度水庫庫容估算結果統計分析. (a) 水庫數量統計,(b) 庫容統計,以及柱狀圖和餅狀圖中的全國水資源一級流域內水庫數量和庫容統計

????論文信息

????(1)大尺度水庫空間編目論文及對應數據產(chǎn)品鏈接

????論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.04.043

????數據集鏈接:https://doi.org/10.57760/sciencedb.15520

????(2)基于機器學(xué)習的全國水庫庫容估算論文

????論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.130674