北京师范大学校级重点实验室_数字流域实验室介绍.docx

序北京师范大学校级重点实验室数字流域实验室介绍徐 宗 学（北京师范大学水科学研究院，北京师范大学水沙科学教育部重点实验室，北京） 年伊始，伴随着北京师范大学水科学研究院的诞生，数字流域实验室正式成立经过 年的建设， 于 年向学校科技处提出申请，成立北京师范大学 数字流域校级重点实验室学校科技处十分重视，组织 学校相关部门领导和专家进行考察和论证，经过现场 考察和答辩，并经过专家组论证和科技处审核，以北京 师范大学首批“京师学者”特聘教授徐宗学为主任、鱼 京善教授为副主任的数字流域实验室获得学校批准， 学校正式立项建设北京师范大学数字流域校级重点实 验室实验室 现 有 成 员 人，其 中 教 授 人，为 徐 宗 学、鱼京善，副教授 人，包括苏保林、胡立堂、彭定志、 王国强、庞博、岳卫峰、孙文超，还有云影实验师和李占 杰助理实验师，学术委员会主任为刘昌明院士近 年来，数字流域实验室全体成员精诚合作，团 结一致，取得了突出成绩教育教学成果不断涌现，科研成果层出不穷，科研经费快速增长，博士硕士研究生人数持续增加据 不 完 全 统 计， 年 立 项 建 设 发 展 到现在，在校博士硕士研究生人数已突破 人，获得 教育教学成果奖 项，省部级以上科研成果奖励 项， 获得国家发明专利及软件著作权 项，编写出版专著 部，发 表 学 术 论 文 余 篇，其 中 论 文 近 篇， 论文 余篇另外，还获得国内外其他 各种奖项 项， 年和 年，先后牵头申报并获 得教育部科技进步二等奖和中国水利学会“大禹奖”二 等奖各 项主持召开“水文模型国际研讨会” 次，协 办国内国际学术研讨会多次先后有 人晋升为教授， 人晋升为副教授，王国强副教授获得教育部“新世纪 优秀人才”创新计划支持， 年，实验室主任徐宗学 教授当选为国际水文科学协会（）水资源系统委 员会（）副主席，标志着北京师范大学数字流域校级重点实验室在国内外的学术地位和影响得到了国内外学术界的认可和肯定其数值模拟研究为核心，以全方位解决我国水资源、水环境、水生态、水灾害等水问题为目标，重点开展以下 几方面的研究：流域产汇流机理、基于物理机制的分布 式水文模型、流域水环境模拟、水循环动力学机制、数 字流域平台及水文信息系统等根据立项建设时提出 的建设目标，紧紧围绕着实验室的主要研究方向，面向 国家重大需求，结合“”计划项目“气候变化对我国 东部季风区陆地水循环与水资源安全的影响及适应对 策”、国家重大水专项“渭河关中段生态基础流量保障 技术研究”、国家自然科学基金重点项目“黑河流域中 游地区生态水文过程演变规律及其耦合机理研究”、科 技部国际合作重大项目“气候变化影响下的太湖流域 洪水风险率 演 变 规 律”等 国 家 重 大 项 目 的 研 究，以 长 江、珠江、黄河、海河、辽河和太湖等流域为研究对象， 探讨了不同气候与地理条件下流域的产汇流机理，重 点研究气候变化和土地利用覆被变化对产汇流机理 的影响，以及遥感和 在分布式水文模型中的应用 等，研制并开发了具有自主知识产权的分布式水文模型等 结、 合生产实践，研制开发了分布式水文模型洪水预报系统，并已先后在雅鲁藏布江、渭 河 流 域 等 投 入 实 际 运 用结合全球环境基金项目，构建了具有自主知识产权 的分布式水文模型平台 ，并在清华大学、 中国农业大学、北京市水科学技术研究院等单位的科 研工作中得到了具体应用通过主办“水文模型国际研 讨会”和中瑞、中英、中美等国际项目合作，扩大了数字 流域实 验 室 在国 内 外相关研 究领域的学术地位和 影响目前正在承担的项目包括科技部“”课题、社科 基金重大项目、中国工程院重大咨询项目、国家自然科学基金重点和面上项目、北京市自然科学基金重点项 目、科技部国际合作项目等各类国家和省部级研究课题 余项，经费额度超过 万元，在水科学研究方 面取得了丰硕成果，为学科发展及国民经济建设做出了积极贡献数字流域实验室与美国、英国、澳大利亚、日本、瑞士、德国等近 余个国家建立了友好合作研实验室概况数字流域实验室以地表水、地下水水循环系统及北京师范大学学报（自然科学版）第 卷究和交流关系，每年都派出教师进行学术交流和互访，并已连续派出近 名研究生进行水文学与水资源专 业的联合培养或攻读博士学位术骨干脱颖而出，支撑数字流域实验室的快速发展人才培养 以水文学及水资源、水力学与河流动力学 个二级学科点为依托，通过大力开展双语教学和精品课程建设等，提高研究生的外语综合应用能力， 定期开展学术交流，鼓励研究生参加国内国际学术会 议和在国际学术期刊杂志上发表高质量的学术论文， 通过适当奖 励 机 制 鼓 励 研 究 生 发 表 三 大检索系统论文，积极申请全国优秀博士论文等，提高 研究生学术水平，引导研究生走向国际学术舞台，培养 德智体全面发展的高质量研究生实验室建设目标总体建设目标 数字流域实验室的总体建设目标为，通过对流域水循环及其动力学过程的系统研究，建立中国特色的流域水循环过程理论体系，发展水文 科学、水动力学、地下水科学、水环境科学和水生态科 学模拟技术与方法，使北京师范大学在该领域的研究 处于国内领先、国际先进水平地位并且致力于开发具 有独立知识产权的数字流域平台，综合流域遥感、水文 气象、水 环 境、水 生 态 等 多 源 数 据，集 成 水 文水 动 力 水环境水生态过程的相关模型，通过室内外观测实验 分析和数值模拟等手段，揭示流域水循环过程中的自 然变化规律以及人文因素和全球变化的影响关系，在 不断取得水科学原创性基础研究成果的基础上，为解 决旱涝灾害防治、水污染治理和生态环境保护与建设 等国家的重大问题提供科学依据同时，数字流域实验 室建设将立足于教学与科研工作并重，使之成为全校 数字流域的教学平台和科研实习基地科学研究 积极鼓励广大教师申请国家和省部级科研项目，努力开展以国家和省部级基础理论研究、应用基础研究和原创性研究为主的科研任务鼓励实 验室学术骨干联合相关方向团队组织申请、申报国家 层面的重大和重点项目，申请国家自然科学基金重点 项目、“”、“”、杰出青年基金、国家科技支撑项目 等鼓励 实 验 室 成 员 在 在 国 内 外 一 流 刊 物、尤 其 是 三大 检 索 系 统 杂 志 上 发 表 学 术 论 文 以 及出版专著学术交流 为提高实验室整体学术水平，拟采取“走出去，请进来”的办法，鼓励年轻教师到国内外著名大学进修学习和交流；同时，广泛建立学术联系，邀请预期建设目标 依托数字流域实验室，今后著名学者到实验室讲学和合作研究 创造良好的学术环境，争取让更多教师定期到国内外进行访问学习组 织并召开国内和国际学术会议，扩大数字流域实验室 影响力采用聘请校外兼职教授、客座教授等办法，定 期到校进行学术讲座，联合指导培养博士生和硕士生， 共同申请科研课题，扩大合作研究的途径，扩大实验室 的学术影响同时为参加国际科技项目合作、国际学术 交流和进修等人员申请配套经费和资助 年力争每年承担和完成科研项目 项，其中国家级项目 项；每 年 培 养 博 士 硕 士 研 究 生 名，发表国内外核心期刊论文 篇，其中三大检 索系统论文 篇；结 合 国 家与学校国际交流项 目，争取每年安排 名骨干教师参加国内外学术交 流或到国外著名高校和研究 机 构进 行 中 短 期 学 术 访 问、进修，并邀请 名国内外著名学者到实验室讲 学与学术交流；举办或协办 次全国性或国际学术 会议；力争通过 年的努力，将数字流域实验室建设成为北京市或教育部的重点实验室主要研究内容与成果主要研究内容数字流域实验室自 年正式立项建设以来，在“ 工程”二期的支持下，经过几年的建设，已从小到大、从弱到强，具备了相当的规模，并 且在全国享有一定的学术声誉和威望实验室已先后 完成各类国家和省部级研究课题近 项，并成功注册 了多项具有独立知识产权的分布式水文模型软件目 前正在承担科技部“”、国家重大水专项、科技部国 际合作、国家自然科学基金等各类国家和省部级研究 课题 余项，在水科学研究方面取得了丰硕成果近 期主要研究内容包括：建设内容与主要措施主要研究方向以大气水、地表水、土壤水和地下水水循环机理及其数值模拟技术为核心，重点开展流域产汇流机理、基于物理机制的分布式水文模型、流 域水循环与水环境动力学机制、数字流域平台及水文 信息系统等方向的研究力争在这些方向达到国内领 先地位学术队伍 根据学科发展需要，适度扩大教学、科研编制，引进国内外高层次人才；加大中青年学者培养力度，鼓励在职教师进修、出国访学、参加国际学术 会议与学术合作，促进优秀中青年人才脱颖而出；为广 大教师营造宽松的学术环境，优先推荐实验室学术骨 干进入国家、省部级各类人才培养计划；鼓励中青年学流 域 产 汇 流 机 理）分布式流域水文 过 程 模 拟研究：以全球气候变化和人类活动对流域产汇流机理的影响为重点，深入分析气候变化、土地利用覆被变 化等各种因素对产汇流机理的影响，探讨变化环境下 流域产汇流机理及其变化规律同时结合野外实验，将第 期徐宗学：北京师范大学校级重点实验室 数字流域实验室介绍实验手段和数值模拟相结合，努力取得具有国际领先水平、基于物理机制的分布式水文模型原创性研究成 果目前已完成与正在进行的主要项目包括“”计划 课题“气候变化背景下未来水文情景预估及不确定性 研究”、国家重大水专项“渭河关中段生态基础流量保 障技术研究”、国家自然科学基金重点项目“黑河流域 中游地 区 生 态水 文 过 程 演 变规 律 及其耦合机理研 究”等基于物理机制的分布式水文模型研究：系统研究分布式水文模型的基本原理、结构和方法以水文物理 过程为核心，通过遥感、网络技术、多媒体及虚拟 现实等技术全流域信息进行采集与数字化处理，并通 过野外观测网络建设，开发具有独立知识产权的分布 式水文模型，在此基础上构建全流域综合信息平台和 三维影像模型，研究陆地水循环与地表过程中的主要 水文 物 理 过 程，包 括 流 域 水 循 环 过 程、“土 壤植 被大 气”界面水热传输过程、坡面水文过程、土壤侵蚀与泥 沙传输过程、点源非点源污染物运移过程等探索陆地 水循环变化的基本规律，结合国家对水问题的重大需 求，探讨人类活动与气候变化影响下洪涝灾害、水资源 短缺、水土流失、生态退化的物理成因，为解决洪涝灾 害、水资源短缺、水污染加剧等问题提供科学依据和支 撑结合“”、水专项等项目，以长江、珠江、黄河、海 河、渭河、晋江、辽河和太湖等流域为研究对象，探讨不 同气候与地理条件下流域的产汇流机理，重点研究气 候变化和土地利用覆被变化对产汇流机理的影响，以 及遥感和 在分布式水文模型中的应用等，研制并 开发了分布式水文模型研制开发的分布式水文模型 洪水预报系统，已先后在雅鲁藏布江、渭河下游流域等 地区投入了实际运行以 数 字 流 域）数字流域平台及 水 文 信 息 系 统平台开发为重点，基于 技术开发和集成流域水循环过程各种模型，通过数字流域成果的可视化技术，推广 其成果的应用和转化并致力于定量遥感信息模型的 开发与应用，为流域平台提供数据源和模型基础累计 承担和参与完成了 多项国家、部委以及企业委托研 究课题，共发表学术论文 余篇曾获教育部科技进 步一等奖 项、注册具有独立知识产权的软件 套结 合全球环境基金项目，构建了具有自主知识产权的分 布式水文模型平台 ，并在清华大学、中国 农业大学、北京水科学技术研究院等单位的科研工作 中得到了具体应用此外，实验室开发的具有自主知识 产权的 数 字 流域 平 台在福建 省晋江市得到了成功 应用主要研究成果 年立项建设 以 来，数 字 流域实验室全体成员精诚团结，努力拼搏，取得了一系列重要研究成果除了获得近 项发明专利和软件著作 权，发表近 篇学术论文，出版多部专著外，以数字 流域实验室成员作为核心成员，牵头申报获得教育部 科技进步二等奖和中国水利学会“大禹奖”二等奖各 项此外，实验室主任徐宗学教授作为项目负责人，组 织数字流域实验室部分成员与水科学研究院相关教师 以及相关合作单位，先后获得国家社科基金重大项目 “我国河湖水系连通重大战略问题研究”与国家自然科 学基金重点项目“黑河流域中游地区生态水文过程演 变规律及其耦合机理研究”， 年，又成功获得北京 市自然科学基金重点项目“北京市典型区域城市洪涝 致灾机理与减灾对策研究”和水利部公益性行业科研 专项项目“东北粮食主产区旱灾评估技术及应用平台 研究”，标志着数字流域实验室无论是在学术水平还是 在科研实力方面，都得到了较为广泛的认可和肯定目前我国水量水质模拟多实行分离模拟评价，随 着水资源统一管理和分质供水的推进，水量水质分离模拟与评价模式存在的缺陷越来越明显作为数字流 域重点实验室的标志性成果之一，“流域水量水质综合模拟技术及其应用平台”构建了流域水量水质综合模 拟平台，从水量和水质两方面通盘考虑水资源合理配 置，为决策者提供更加科学的决策依据，主要技术内容 包括：（）结 合 水量模拟工具和 （）水质模拟 工 具，集 成 水 文 过程和水质过程模拟系统，构建流域水量水质综合模拟平台（ ，）；（）通过 系统进 行流域水量和水质过程模拟，以此揭示不同类型特征流域水量和水质过程及其演变规律；（）利用 平台开展情景分析，预测未来气候变化和 人 类 活 动影响条件下流域水量水质变化趋势；（）研究提出流）流域水循环及水 环 境 动 力 学 机 制 研 究以 流域为研究对象，从宏观、中观、微观尺度上研究流域水污染过程、模拟与控制技术、非点源污染物迁移转化与 环境容量计算、地下水模拟技术、水资源优化配置、地 表地下水交互作用等，从质与量二个方面揭示流域水 循环的耦合过程、地表水 地下水转化机理，为地下水 合理开发利用、水资源联合调度以及流域水资源高效 利 用 提 供 科 学 依 据除 利 用 地 表 水 地 下 水 数 值 模 拟 系列软 件 和 外，还具备独立开发的 地下水三维 流 数 值 模 拟 系 统 （ 与 ），对河流动力学、坡面侵蚀、地表水地下水 动 力 耦合及多相流运动进行了研究结合国家自然科学基 金项目、国家重大水污染治理专项和地方合作项目，开 展河口地区海水入侵防止对策研究，含井孔的地下水 “渗流管流”模 型 耦 合、地 表 水地 下水集成模拟及管 理等相关研究，为地下水管理、地质灾害防治和油气藏 模拟提供重要决策北京师范大学学报（自然科学版）第 卷域水资源管理、污染物总量控制与非点源污染防控机制和措施将 平 台 成 功 地应用于北京市密 云水库上游流域、沙河流域、漳卫南运河子流域、渭河 流域、黑河流域以及通州区，分析调查流域水量、水质 过程的演变规律和成因，预测未来气候变化和人类活 动影响下的水量水质变化趋势，为流域水资源综合管 理提供了科学依据该成果的主要特点是以大量实验和实地观测资料为基础构建 平 台，模 型 结构充分考虑研究 区的实际情况，可靠性强；以需求为牵引、以应用为目 标构建的 平 台，界 面 友 好、可 操 作 性 强、实 用性高 平台应用分析成果学术水平较高， 在流域水文循环、水资源演变、供水安全及非点源污染 控制等方面应用前景广阔研究成果应用对象明确，可 推广性强，得到了北京市水利规划设计研究院、北京市 水利科学研究所、北京市水文总站、北京市水土保持工 作总站及中国农业大学等合作单位和成果应用单位一 致好评，产生了广泛的社会效益及应用效益，充分体现 了成果的前瞻性、科学性，具有较为广泛的应用前景 该项成果经教育部组织的专家鉴定，整体达到国际领 先水平点项目“北京市典型区域城市洪涝致灾机理与减灾对策研究”，对城市洪水模拟的相关研究起到了极大的推 动作用依托北京市自然科学基金重点项目，论文基 于 和 的城市防洪排涝风险分析（初祁等）结合北京市天堂河流域开展了城市暴雨洪水的模拟；论文基于 模型的北京大红门排水片 区雨洪模拟研究（赵刚等）和 模型在城市暴 雨洪水 模拟中的参数敏 感性分析（史 蓉 等）则 基 于 模型模拟了北京大红门地区的暴雨洪涝致灾 过程，并分析了 模型中的敏感参数除了城市 区域外，结合有关的科研项目，实验室相关成员亦借助 其他分布式水文模型，开展了大量的研究工作，如论文基于 模型的母猪河流域水资源时空变化特征 研究（左德鹏等）借助 模型，依托科技部国际 合作项目，定量分析了胶东半岛母猪河流域的水资源 时空分布特点；论文太湖流域土地利用变化对径流的 影响研究（张 明 月 等）借 助 模 型，依 托 科 技 部“十二五”科技支撑计划项目，探讨了太湖流域土地 利用变化对径流的影响；论文概念性水文模型 在雅砻江 流 域 的 适 用 性 研 究（全 钟 贤 等）则 探 讨了概念性水文模型 在雅砻江流 域 的 适 用 性，为无资料地区的水文预测提供了重要的参考依据 此外，论文甘肃北山地区三维地 质建模方法 对 比 研 究（王景瑞等）基于甘肃北山高放废物地质处置预选 区地质 和 水 文 地 质 条 件，采 用 等 软件构建了 三 维 地 质 模 型，展 示 了 高 程 信 息、断 层 分 布、渗透系数的空间变化等本专辑主要内容近年来，数 字 流 域 实验室成员结合科技部 “” “十二五”科技支撑、国家重大水专项、国家自然科学基 金等项目，围绕着数字流域实验室的主要研究内容和 研究方向，开展了一系列深入系统的研究工作，取得了 十分丰富的研究成果尤其是 年获得国家自然科 学基金重点项目“黑河流域中游地区生态水文过程演 变规律及其耦合机理研究”以来，大家倍受鼓舞，干劲 倍增，新的研究成果层出不穷为了进一步凝练研究方 向，本专辑以数字流域实验室成员在相关研究领域的 主要研究成果为对象，并包括了国家自然科学基金重 点项目“黑河流域中游地区生态水文过程演变规律及 其耦合机理研究”的部分研究成果流域水循环与水环境动力学机制研究 作为数字流域实验室的另一个重要研究领域，流域水循环与水环境动力学机制受到了大家的广泛关注，本专辑亦 收录了部分相关论文例如，论文一种综合反映土地 利用变化对流域出口土壤侵蚀及泥沙量反馈影响的建 模方法及应用（方青青等）基于格网的分布式土壤侵 蚀及泥沙输移模型，结合人工降雨试验，确定在单次暴 雨条件下土地利用变化对土壤侵蚀及产沙量的影响； 论文辽河流域昌图县玉米地径流污染试验研究（申 萌萌等）以辽河流域为研究对象，选取玉米地进行小区 试验，定量估算在自然降雨条件下化肥农药等非点源 污染物随径流的流失量；论文苏州相城区望庭镇水稻 田降雨径流污染特征研究（管毓堂等）以苏州相城区 望庭镇水稻田为研究对象，在自然降雨条件下，开展水 稻田降雨产流产污同步观测试验，分析了降雨强度、 降雨前田面水深、农田管理等因素对水田产流产污的 影响，并估算了次降雨平均浓度（）大小；论文内 蒙古义长灌域土壤盐分变化特征分析（刘显泽等）以 内蒙河套灌区为研究对象，分析试验区土壤含盐量在 垂向剖面上的分布特征和变化规律，研究地下水埋深分布式流域水文过程模拟数字流域校级重点实验室最主要的研究方向是流域产汇流机理研究与基于物理机制的分布式水文模型研究，大家结合不同的 科研项目，基于不同的分布式水文模型，开展了一系列 相关研究，本研究方向所收录的论文占了本专辑的较 多篇幅近年来，随着城市暴雨洪涝灾害的不断加剧， 数字流域实验室成员除了继续应用传统的流域分布式 水文模型外，亦结合相关科研任务，针对城市暴雨洪涝 灾害问题，基于城市暴雨洪水模拟模型开展了大量的 研究工作尤 其 是 年 徐宗 学教授作为项目负责 人，联合民政部国家减灾中心、北京市城市规划设计研 究院与北京市水文总站，获得北京市自然科学基金重第 期徐宗学：北京师范大学校级重点实验室 数字流域实验室介绍和矿化度季节性变化规律及 其 对土 壤 盐 分 运 移 的 影响；论文沣河洪水过程溶解有机物的荧光特征研究及 来源分析研究（马梦娇等）以沣河流域为研究对象，利 用三维荧光光谱技术对暴雨期间洪水溶解的有机物进 行分析，结合紫外吸收光谱，定量分析了荧光溶解有机 物的来源、组成和分子结构等特征其生态效应与黑河中游地区生态系统演变规律及其对水循环的影响二个研究内容，论文黑河生态调水前后 中游土地利用变化分析（苏龙强等）重点针对黑河生 态调水对黑河中游土地利用的变化进行了深入分析， 论文黑河流域上中游植被蒸散发时空演变趋势及其 影响因子分析（程春晓等）则针对黑河上中游流域蒸 散发时空分布特征进行了深入分析，论文黑河上中游 流域地表植被对干旱的响应（赵捷等）则探讨了黑河 上中游流域地表植被与干旱的相互关系，论文黑河流 域地下水埋深与气候变化对植被覆盖的影响研究（宋 鹏飞等）则重点对黑河流域地下水埋深与植被覆盖的 相互关系进行了定量分析针对水文过程和生态水文 耦合模拟的研究内容，论文考虑地表水地下水交换关 系的分布式水文模型 开发与应用（李磊等） 开发了具有自主知识产权的 分布式水文模 型，论文黑河干流中游地区地表水和地下水集成模拟 与应用（胡立堂）对黑河干流地表水地下水进行了集 成模拟，论文流量数据量对分布式水文模型参数率定 结果影响分析以黑河流域上游为例（崔兴齐等）分析 了流量基础数据数量对分布式水文模型参数率定结果 的影响，论文基 于 模型的黑河上游流域 径流模 拟不确定性分析（何睿等）则重点探讨了 模型的 不确定性问题数字流域平台及水文信息系统作为数字流域实验室的另一个重要研究领域“数字流域平台及水文信息系统”，本次收录的论文包括全国水资源分区社 会经济及用水量数据汇总系统设计与实践（程涛等） 与基于 的马斯京根参数率定软件 开 发 及 其 应 用（王子丰等），前者根据由县级行政 区 数 据 推 算 全 国各水资源分区社会经济及用水数据的业务需求，研 究开发了全国水资源分区数据分类汇总系统，该系统 通过程序批量处理，极大提高了汇总工作的效率，通过 专题图的分区显示功能，便于宏观把握总体情况，成为 开展基于水资源分区用水效率评价的有力工具后者 设计了一种面向对象编程模式下的马斯京根模型参数 率定软件，并在 框架下使用 语言开发了应用 程序，该软件内置了试错法、最小二乘法、线性代数方 法和遗传算法四种 参 数 率 定 算 法，具 有 文 件 输 入输出功能以及计算结果显示分析功能，软件操作方 便，提高了马斯京根模型参数率定效率，具