2017年度国家自然科学奖公示-流域径流形成与转化的非线性机理-夏军

通过专家推荐申报2017年度国家自然科学奖项目公示内容

一、项目名称：

流域径流形成与转化的非线性机理

二、专家推荐意见：

推荐专家姓名：崔鹏

工作单位：中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所

职称：研究员

学科专业：自然地理与水土保持学

推荐意见：流域径流形成与转化过程极其复杂，认清其规律对防洪和水安全十分重要。传统方法多基于线性系统理论，导致径流估算较大误差。以夏军院士领衔的团队通过多年研究与探索，在径流形成与转化的非线性机理方面，做出了有新的发现与创新的成果：（1）发现了径流形成的产流量与土壤湿度、降雨强度和不同下垫面特征参数组合的指数规律，揭示了非线性系统响应函数的水文物理机制，创建了水文时变增益非线性模型(TVGM)，解决了径流非线性精准估算的理论难题。（2）发现了非线性水量转化中关键的土壤蒸发与总蒸腾比例，建立了叶面积指数、表层土壤含水量与土壤蒸发/总蒸腾比例之间的函数关系，揭示了径流形成中系统界面过程水分与能量非线性交换机制。（3）创建了流域分布式时变增益非线性模型(DTVGM)，揭示了流域径流形成过程与流域下垫面、人类活动和气候变化影响的响应机制，提出了量化水文模拟不确定性新的方法。该研究8篇代表性论文总他引719次，其中SCI他引579次；2004年获湖北省自然科学一等奖，2014年获国际水文科学领域的最高奖“国际水文科学奖-V olker奖章”。成果应用到我国江河湖库防洪减灾、水量水质联合调度以及重大调水工程管理，产生了显著的社会经济效益。将上世纪著名国际水文学家J.Dooge提出的《水文系统线性理论》提升到水文系统非线性理论新的高度，推动了水文科学基础研究和理论的发展。推荐该项目为国家自然科学奖壹等奖。

推荐专家姓名：林学钰

工作单位：吉林大学环境与资源学院

职称：教授

学科专业：水文地质和环境水文地质学

推荐意见：项目组成员通过多年合作，紧密围绕流域径流形成与转化机理以及时变非线性这一国际水文科学发展的前沿问题，取得了国际上认可的、系统性和有创新性的成果：（1）通过复杂降雨-径流响应关系的识别，发现了土壤湿度、降水强度和不同下垫面特征参数组合的时变增益非线性径流形成指数规律，揭示了非线性系统响应函数的水文物理机制，创建了水文时变增益非线性系统模型（TVGM），改进了水文径流估算的理论与方法，显著提高了径流预测的精度，有效地解决了径流非线性精准估算的理论难题。（2）发现了径流形成过程非线性水量转化中关键的SPAC 系统土壤蒸发与总蒸腾比例，揭示了径流形成中SPAC 系统界面过程水分与能量的非线性交换机制，实现了径流形成过程模拟中水与生态在流域尺度的扩展。（3）提出了流域分布式时变增益非线性系统模型（DTVGM）及量化水文模拟不确定性的新方法，解决了单元系统径流形成非线性机理向流域空间分异扩展及其与多要素耦合的难题，揭示了流域径流形成过程与流域下垫面、人类活动和气候变化影响的响应机制。该研究8篇代表性论文总他引719次，其中SCI他引579次；获2004年湖北省自然科学一等奖、2011年国际水资源管理杰出贡献奖和2014年国际水文科学领域的最高奖“国际水文科学奖-V olker奖章”。成果应用到我国江河湖库防洪减灾、流域水量水质联合调度以及重大调水工程的水管理，为水利水电工程安全设计、防洪减灾与水资源管理做出了重要的贡献，发挥了突出的社会经济效益。推荐该项目为国家自然科学奖壹等奖。

推荐专家姓名：汪集旸

工作单位：中国科学院地质与地球物理研究所

职称：研究员

学科专业：地热、水文地质学

推荐意见：流域径流形成与转化过程是水文学研究的核心内容。时变非线性又是水文科学发展亟待解决的一个瓶颈问题。项目组围绕流域径流形成与转化的非线性机理，系统深入地研究了水文非线性系统理论，取得了国际上认可的成果。主要发现点：（1）通过水文观测与实验、机理揭示与实践，发现了受控于土壤湿度、降水强度和不同下垫面特征参数的时变非线性径流形成指数规律，揭示了非

线性系统响应函数的水文物理机制，创建了水文时变增益非线性系统模型（TVGM），解决了径流非线性精准估算的理论难题。（2）发现了非线性水量转化中关键的SPAC 系统土壤蒸发与总蒸腾比例，建立了叶面积指数、表层土壤含水量与土壤蒸发/总蒸腾比例之间的函数关系，揭示了径流形成中SPAC 系统界面过程水分与能量的非线性交换机制。（3）创建了流域分布式时变增益非线性系统模型（DTVGM），提出了量化水文模拟不确定性新的方法，解决了复杂条件下径流形成与转化若干关键技术难题。该研究8篇代表性论文总他引725次，其中SCI 他引577次；2004年获湖北省自然科学一等奖，2011年获国际水资源管理杰出贡献奖，2014年获国际水文科学领域的最高奖“国际水文科学奖-V olker奖章”。项目成果极大地推动了水文非线性科学的发展，应用于我国江河湖库防洪减灾、流域水质水量联合调度以及重大调水工程的水管理，产生了突出的社会经济效益。推荐该项目为国家自然科学奖壹等奖。

三、项目简介：

本项目属地学水文地理学领域。流域径流形成与转化过程极其复杂，认清其规律对流域防洪和水安全关系重大。传统方法主要基于线性系统理论，导致径流计算较大误差，时变非线性一直是水文科学发展的一个瓶颈，亟待解决。项目组通过大量水文观测实验与资料分析，围绕径流形成的非线性机理、水与“土壤-植被-大气”（SPAC）界面过程机制、流域空间分异的分布式水文模拟及不确定性等关键问题，深入地研究了水文非线性系统理论，取得了国际上认可的成果。主要发现点：

1.在国际上发现了径流形成的产流量与土壤湿度、降雨强度和下垫面组合的时变非线性指数规律，揭示了非线性系统响应函数的水文物理机制，创建了水文时变增益非线性系统模型（TVGM），解决了径流非线性精准计算的理论难题。经全球60多个代表性流域的实际应用与检验，径流预报精度平均提高了45%，最大提高了63%。成果被世界水奖获得者Biswas教授评价为“发展了非线性时变模型，该创新研究有效地改进了水与环境相互作用的认识”；被著名水文学者Ababou教授评述为“这是水文‘非线性和非稳态’方向的一个代表性成果”；国际水文科学协会(IAHS)主席Savenije评价为“发展的非线性时变系统水文学途径，推动了作为社会经济可持续增长引擎的水资源管理的水文科学基础研究”。