中國網／中國發展門戶網訊  黑河流域是我國第二大內陸河流域，面積約?14.3萬平方公里。在黑河流域從上游至下游，形成了以水為紐帶的多元自然景觀，包括冰川、積雪、凍土、草原、森林、河流/湖泊、綠洲、戈壁、沙漠等。黑河流域寒區旱區并存，上游屬于極端寒冷環境，而下游屬于極端干旱環境。黑河流域歷史悠久，早在漢朝時期這里已經有大規模的農田水利設施。多元的自然景觀與復雜的人文過程交織在一起，使得黑河流域成為開展星機地綜合遙感觀測與模型集成的理想天然地球科學實驗室。

近年來，隨著氣候變化與經濟發展，黑河流域出現了一系列的生態環境問題。例如：黑河流域上游冰雪、凍土快速退化，過度放牧和礦產開發對上游高寒生態系統造成了嚴重的影響和破壞；中下游農業灌溉與生態用水矛盾突出，曾經一度隨著上中游人口增加與耗水增多，大幅擠占下游生態用水，最終導致下游天然綠洲大面積萎縮、居延海干涸、沙塵暴頻發等嚴重的生態災難。雖然通過行政手段制定了中、下游分水方案，使得下游的生態得到了一定的恢復，但是黑河流域仍然面臨著嚴重的生態環境問題，威脅著該區域的可持續發展。當前急需流域尺度的立體化網絡化的綜合觀測與模型集成研究來科學評估和指導黑河流域的可持續發展，并為寒旱區內陸河流域科學管理提供支撐。

中國科學院黑河遙感試驗研究站（以下簡稱“黑河遙感站”）圍繞黑河流域生態環境保護與流域可持續發展，致力于生態水文要素綜合監測與模型集成研究，建立了涵蓋上、中、下游的流域尺度水文氣象綜合觀測體系，發展和生產了一批寒旱區遙感數據產品，改進和開發了一系列針對寒旱區過程的生態、水文模型，支撐了黑河流域水資源管理與優化、生態保護與修復等相關政策制定。

構建了黑河流域生態水文觀測綜合觀測系統

流域觀測系統是流域科學研究中的新手段，兼顧流域中水文、生態、氣象等觀測的時空尺度，地面觀測與遙感觀測相配合，從流域整體的角度出發考慮觀測的代表性，將監測與控制試驗并重，重視新興觀測手段與信息系統和模型的高度集成。黑河遙感站在黑河流域初步建成了流域觀測系統。從區域代表性上，該系統包含了黑河上游的高寒生態系統、中游的人工綠洲與荒漠生態系統和下游的天然綠洲生態系統；從觀測要素上，包含植被（如碳通量、樹干液流、葉面積、物候期、生物量、太陽誘導葉綠素熒光）、大氣（如溫度廓線、濕度廓線、輻射、降水、潛熱通量、感熱通量等）、土壤（如溫度廓線、濕度廓線、熱通量）等；從觀測手段上，將單點觀測與網絡化觀測相結合，可以獲取米級到千米級不同遙感尺度上的代表性觀測。

針對我國生態系統監測設備嚴重依賴進口、觀測設備自動化和信息化程度低，以及與遙感和模型尺度不匹配等瓶頸問題，通過原始和集成創新，研發了國產自動化、智能化新型生態系統關鍵參量監測設備，并研制了生態監測物聯網關鍵設備（如通用型數據記錄傳輸儀、低功耗長距離無線組網中繼和終端設備）和生態監測物聯網信息系統（圖?1）。

黑河流域生態水文觀測系統構建了我國第一個多要素-多尺度-精細化流域綜合觀測系統，包括水文氣象觀測（加強觀測期有?23?個觀測站，目前長期運行站點為?11?個）、生態水文傳感器網絡及衛星遙感，引領了我國流域系統綜合觀測研究（圖?2）。流域內長期運行?11?個氣象觀測站、11?個渦動相關儀（EC）、2?套雙波段水熱觀測大孔徑閃爍儀（OMS）、3?套大孔徑閃爍儀、1?套積雪觀測系統。該綜合觀測系統覆蓋黑河流域上、中、下游區域，涵蓋草地/草甸、農田、濕地、檉柳林、胡楊林、荒漠、戈壁等主要地表類型，觀測時間序列最長的站點已有?13?年的數據積累。

深入開展定量遙感反演及遙感產品真實性檢驗研究

基于電磁波輻射傳輸模型，黑河遙感站在大量地基遙感與星機地同步觀測試驗的基礎上，發展了面向寒旱區陸地關鍵參量的定量遙感算法。包括：積雪、凍土、冰川、河湖冰等陸地冰凍圈要素，以及植被、碳循環、水循環和能量循環等干旱區地表關鍵參量。在對長時間序列遙感觀測數據的基礎上，黑河遙感站研發了面向冰凍圈與寒旱區關鍵參量的遙感產品。其中，我國逐日長時間序列雪深遙感數據產品、地表凍融遙感產品等，被國內外學者認可并廣泛應用在氣候變化、水文水資源和災害等領域。

真實性檢驗是評價遙感產品質量、可靠性和適用性的唯一手段，也是提高遙感產品精度的主要依據。遙感產品真實性檢驗要依靠大量的地面觀測來遙感象元尺度的地表真值。這也是黑河遙感站的主要目標之一。在黑河上、中、下游試驗區設計了多尺度嵌套的土壤水分和地表溫度觀測網絡，來應對從米級到千米級不同分辨率遙感數據的真實性檢驗。經過多年努力，黑河遙感站構建了異質性地表遙感產品真實性檢驗的理論框架和方法體系（圖?3），系統地發展了異質性地表優化采樣、多尺度觀測、尺度上推、空間代表性誤差估計的新理論、新方法，解決了異質性地表遙感產品真實性檢驗的難題；并制定了多項遙感產品真實性檢驗國家標準。

研發了流域“水-土-氣-生-人”復雜過程的綜合集成模型

開發冰川-凍土-積雪過程高寒山區水文模型

黑河上游高寒山區山徑流的預測精度直接影響中下游水資源分配，傳統的分布式水文模型多針對溫帶地區設計，直接用于積雪、冰川、凍土廣泛分布的寒區時，模型機理會失效，模擬能力和應用效果也明顯變差。因此，鑒于寒區水文過程的特點，開發適合該區域特征的寒區生態水文模型對黑河流域水資源管理具有重要意義。

黑河遙感站利用黑河上游分布式的氣象水文觀測系統、積雪和凍土觀測系統、徑流觀測等長期觀測數據，在分布式水文模型（GBHM）中增加積雪、冰川和凍土模塊。積雪過程綜合了多套積雪模型方案，構建了關鍵的積雪能量平衡方程，發展了基于能量平衡方程的多層積雪模塊。考慮到黑河上游面積小于?1?平方公里的冰川占絕對優勢，冰川模塊采用了計算過程相對簡單且對冰川規模無嚴格限制的高階冰流模型。凍融過程是在?GBHM?的框架內，耦合了具有較強物理意義且能細致描述寒區凍土水熱過程的?SHAW（Simultaneous Heat and Water Model）模型。考慮了積雪、冰川、凍土要素后分布式水文模型對黑河上游徑流模擬精度顯著提高（圖?4）。

研制耦合生態-水文-經濟的集成模型

黑河流域綜合觀測系統獲取的觀測數據，為構建耦合生態-水文-經濟的全流域生態水文集成模型提供了數據基礎，保障了集成模型的順利完成；集成模型整體框架如圖?5?所示。在該框架下，模擬分析了歷史時期（1981—2010?年）黑河上游的生態水文現狀及空間分布格局，并結合氣候變化情景（RCP4.5）開展了長時間序列的預估。考慮上游來水變化，模擬了2001—2060?年期間黑河中下游的生態水文過程變化。首次利用模型和觀測手段閉合了黑河流域水量平衡。模擬了黑河流域不同空間尺度（如上、中、下游，以及灌區、河道、景觀等）的水量平衡，定量化了水循環過程各個分量的貢獻。預測了黑河流域社會經濟發展路徑，結合聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）2010?年提出的共享社會經濟路徑，綜合考慮人口、經濟、技術進步、水資源利用等因素，形成黑河流域的共享社會經濟路徑（SSPs）不同發展路徑，并定量評價了不同?SSPs?路徑下水壓力、社會經濟等要素的響應的關系。

建立了黑河流域可持續發展決策支持系統

在聯合國可持續發展目標（SDGs）和?IPCC SSPs研究框架下，結合黑河流域自然特征和關鍵流域發展問題，將?SDGs?和?SSPs?降尺度到流域尺度，建立了流域可持續發展目標（RiSDGs）和流域共享社會經濟路徑（RiSSPs）。利用代理建模技術對黑河流域生態水文模型降維，生成上游生態水文代理模型和中下游生態水文代理模型，并通過地表需水和供水、土地利用變化、溫度、降水等界面參數將上游生態水文代理模型、中下游生態水文代理模型、經濟系統模型（CGE）、土地利用模型、人口增長模型、城市化模型、指標計算模型和可持續性評價模型集成，形成了黑河流域生態水文-社會經濟集成模型。以此為基礎，開發建立了黑河流域可持續發展決策支持系統（圖?6），該系統為?SDGs?在流域尺度和區域尺度上的實施和監測提供了新途徑。

結語

黑河遙感站圍繞流域科學中的地面與遙感綜合觀測、模型集成與可持續發展等科學問題，建立了流域分布式、多尺度生態水文觀測網絡及遙感像元尺度地面真實性檢驗場，研發了一系列定量遙感產品，建立了流域集成模型，支持了遙感產品的真實性檢驗和自然與人文復雜過程的流域綜合集成研究。黑河遙感站的觀測和研究將在我國山水林田湖草等綜合自然資源監測、祁連山國家公園建設，以及流域可持續發展戰略中繼續發揮先鋒示范與科技支撐的重要作用。（作者：車濤、李弘毅、晉銳、蓋迎春、譚俊磊、張陽、任志國、王旭峰、李新，中國科學院西北生態環境資源研究院，中國科學院黑河遙感試驗研究站；《中國科學院院刊》供稿）

相關文章