天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李雪副研究員近日在Journal of Hydrology上發(fā)表了題為“Using a two-step downscaling method to assess the impact of climate change on total nitrogen load in a small basin”的學(xué)術(shù)論文。該研究首次提出耦合機(jī)器學(xué)習(xí)和流域污染空間負(fù)荷模型技術(shù)，用于評(píng)估未來氣候變化對(duì)我國(guó)新安江流域總氮污染物的影響。
新安江作為千島湖的主要供水水源，是國(guó)內(nèi)首個(gè)跨省生態(tài)補(bǔ)償試點(diǎn)，具備極高的生態(tài)和戰(zhàn)略價(jià)值。該區(qū)域的氮磷污染問題主要來自農(nóng)業(yè)面源，受氣候顯著影響。因此，準(zhǔn)確評(píng)估未來氣候變化對(duì)新安江水資源和水環(huán)境的影響，對(duì)實(shí)現(xiàn)流域高質(zhì)量管理至關(guān)重要。目前，受限于新安江流域面源污染分布的多樣性和地形地貌的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的集總式模擬方法無法全面揭示流域污染的空間結(jié)構(gòu)變化，而開展高精度空間分布模擬又受到氣象數(shù)據(jù)空間精度不足的限制。為了克服這一挑戰(zhàn)，李雪副研究員及其團(tuán)隊(duì)提出了一種改進(jìn)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)全球多源氣候模式（GCM）數(shù)據(jù)進(jìn)行了創(chuàng)新性的二步降尺度分析，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)低分辨率氣象數(shù)據(jù)的超分辨處理，如圖1所示：
圖1 針對(duì)GCM數(shù)據(jù)的二步降尺度技術(shù)路線
基于二步降尺度獲取的新安江流域高分辨率氣象數(shù)據(jù)，與空間屬性回歸模型（SPARROW）聯(lián)用，能夠?qū)ξ磥聿煌瑲夂蚯榫诚滦掳步饔蚋髯恿饔騾^(qū)域的總氮污染貢獻(xiàn)強(qiáng)度進(jìn)行精確的空間分析，如圖2所示。上述研究結(jié)果能夠識(shí)別未來可能影響水質(zhì)的重點(diǎn)敏感區(qū)域，并診斷不同區(qū)域的潛在污染成因和關(guān)鍵環(huán)境問題，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域高質(zhì)量水環(huán)境管理提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
圖2 未來不同氣候變化情境下新安江流域總氮污染負(fù)荷變化空間分布
該工作由天津師范大學(xué)、清華大學(xué)、天津城建大學(xué)的科研人員合作完成。李雪副研究員為第一作者，沙健助理研究員為通訊作者，天津師范大學(xué)為第一完成單位。本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2022YFC3202701)及清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(sklhse-2021-B-07)資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.130510
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