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“数独”地下水

发布时间:2023/05/12 新闻 浏览:58

北魏时期,地理学家郦道元步测江河,用30余万字记录了1252条大小河流的故事。

1400多年后的今天,首都师范大学资源环境与旅游学院教授陈蓓蓓带领团队,通过优化集成卫星(GRACE)、合成孔径雷达干涉测量(InSAR)、人工智能(Geo-AI)等技术方法,结合遥感大数据和野外观测站实测数据集,找寻太行山到渤海水循环的秘密,开展京津冀平原地面沉降多元演化新模式研究,支撑回答“首都地下水资源的问题”。

说得通俗点,这群地学人力求通过不同精度的遥感照片、数十年积累的实测数据,搞清楚京津冀平原地下水储量的变化和地表形变长时间变化的信息,未来还可以像天气预报一样开展地面沉降趋势预测。

听上去有趣且重要的研究,却鲜少被报道。陈蓓蓓笑着分析原因:我们参与的项目,动辄以三四年为周期,是一个慢功夫,更算不上劲爆;研究的内容和方法,听上去和普通人的生活有距离感,需要解释和翻译;还有一个理由,我们大多比较内向,俗称“社恐”,我们觉得首要目标是把活儿干好,实在没什么好报道的……

看图算数,观水辨土,听岁月“诉说”地下的秘密——只有走近这群自谦“没有创造性发现”的团队才能发现,他们独具浪漫。

1 看图“找不同”

陈蓓蓓长相文气,与大多数人印象里的“勘探”“地质”完全不搭边,她的自我介绍也多从科普引入:“我本科读的是测绘工程,专业课有很多门,我最感兴趣的是遥感科学与技术,理由是‘颜值高’——这么多好看的图,还藏着地球‘内部’的故事。”

一眼倾心,简单而坚定。从2007年起,陈蓓蓓读硕士,跟着地下水地理信息系统研究专家宫辉力做科研,目光锁定在京津冀区域,方向是利用遥感技术研究因地下水开采而引起的地表高程下降(地面沉降)。16年来,项目一个接着一个:持续更新京津冀平原地下水储量变化和区域地表形变信息,解释“地面沉降发生在哪里,为什么发生在那里”,参与京津冀重点高速铁路、北京城市副中心等重大工程地面沉降专项勘查……但研究的焦点几乎从未改变。

“这是我们工作的特点之一,基于长时间序列。”陈蓓蓓用团队正在搭建的京津冀平原地面沉降模拟器举例,“这是靠大数据驱动的,所以数据量非常大。北京的地面沉降测量数据记录最早可以追溯到1955年。前期的数据会少一点,但随着科技的进步,数据的量、精度都在大幅提升。简单地说,我们要做的是整合读懂这些数,找到地面沉降的趋势。”

陈蓓蓓头疼“讲故事”,但是谈到具体研究过程时,她的语速不自觉地变快了,“遥感技术离我们很近——人造卫星给地球拍照,通过电磁波的辐射、反射特征,我们能看穿地面,了解地下的情况。它的优势在于大区域快速实时,而且不同的分辨率可以满足不同的项目需求。”

真正看图,却需要足够强大的专业背景。

外行眼里,一片不同深度的蓝色中,白色点缀,红色和浅黄色交织成色块,是一幅色彩丰富的“画”;到了团队眼里,图上每一处颜色的“渐变”,都书写着京津冀平原地表形变的速率。

一组15张类似中学数学作业的折线图,宛若“找不同”的游戏;在团队眼里,线扬线抑,一个折角的度数变化,代表着北京平原区地面沉降和不同含水层地下水位变化的季节性趋势。

“研究难点不是看图,是按项目需求,找到看准图的算法。”陈蓓蓓说,也有“算错”的时候——

“当时要研究北京某个区域地层高差变化,做法是选定一个相对稳定的基准点,以不同年份、不同位置的地层与这个点做对比,用差值表示自身沉降趋势。不巧的是,我选了一个‘活泼’的基准点。就当年数据看,没有问题。但是后续几年数据累计起来,我就发现这个年份的数据不对劲儿了。”

这个已经被修正的错误,也成了陈蓓蓓课堂上的一个案例。

最近几年,团队不断尝鲜:对标联合国可持续发展2030目标,依托地球系统数值模拟装置,自主研发“悟空云平台”;从太行山到渤海,构建地面沉降控制性剖面,研发区域水循环-地面沉降模拟器;联合中国地质环境监测院、北京市地质环境监测总站等,共建京津冀及周边地表形变动态监测网、地下水监测网,实现研究技术数据共享。

去年下半年,团队还参与了河北沧州平原区地下水与地面沉降国家野外科学观测研究站建设,这是全国第一个以地下水和地面沉降为监测研究对象的国家野外站。“目前,这项研究还处于数据积累阶段。”陈蓓蓓快人快语,她笑着说,做科研不急于求“快”,“不同于行政单位,我们背靠高校做科研,更针对具体的科学问题,挖掘数据背后的启示、道理,同时让科研成果更好的解决南水北调新水情背景下京津冀地面沉降实际问题,实现产学研一体化,将研究成果更好地应用到祖国大地上。”

2 为沉降地面“体检”

天下柔者莫过于水,而能攻坚者又莫胜于水。和隐藏在地下的水打交道,窍门是顺势而为。陈蓓蓓说:“虽然每个项目看上去都是大数据的处理,但是没有相对固定的公式可以套用。”

必须“一项目一方案”,找到影响沉降的主控因素。仅是常用的监测技术,就各有所长:GPS(全球定位系统)的优点是有全球性、全天候、高精度、实时性等特点,弥补了水准测量的不足;缺点是垂直方向的测量精度相对于平面测量精度一般较差。InSAR技术成本低,连续性和遥感探测能力强,区域控制力强;但是对大气误差、遥感卫星轨道误差、地表状况非常敏感。

为了测得更准、看得更清,团队几乎每年都会有新专利落地。以陈蓓蓓个人而言,2019年一年就获得了两项专利,分别是“自适应多源InSAR监测地面沉降时间序列数据拼接方法及系统”和“一种基于多源监测技术融合的地面沉降集成监测方法”。她说:“要根据项目目标选择最合适的数据、算法、模型。同时对结果的可靠性和可解释性,尽力做到最好,决不能简单粗暴地套用一遍以往的方式。”

每次针对不同区域的沉降监测,都被陈蓓蓓比喻为“体检”。“和人一样,有时候身体里有一个小问题,不会影响健康。但是,我们要动态观察它的变化。”她进一步解释,这也是沉降监测为何要因地而异,“同样的沉降速度,放到一条高铁线路上出现,就需要立刻采取措施,加密监测频率,防止危险发生。而如果发生在一个很大的区域,留观即可。”

即便是同一个研究对象,不同时间段的监测也要区别对待。以团队对北京东部一个区域的监测为例,“前几年出现明显沉降,原因是大范围开采地下水。发现后,及时铺设了市政管道,配合人口纾解,再加上南水北调工程实施,最近再测,这个区域的沉降势头已经明显放缓。”陈蓓蓓话锋一转,但是,随着地下水位的回升,又可能带来新的问题,有些地区地层继续下沉,有些地区有所回升,有些地层保持稳定。多种模式的叠加,可能会带来更复杂的区域不均匀形变问题。因此不管是监测手段,还是对演化机制、趋势的研究,侧重点一定有所变化。

陈蓓蓓比划着解释,可以把地面想象成一块海绵,水流失了,相当于海绵被挤干了,留下的土层就会被压实,对应发生沉降的现象。后续,水补回来,可不同地层吸水度不一样,地面就会变得“高低有别”,如果差额较大,会带来安全隐患。

“狡猾”的地下水还会给监测设陷阱。比如地下水开采带来的沉降,会有滞后效应。另外,地面沉降是一维垂向的,但地层内应力的变化和土层的变形却是多维度的。陈蓓蓓解释,所以监测手段也要包含不同方向。这就意味着利用不同轨道的遥感卫星,使用不同的算法,最终得到一个三维的数据。

时间因素,也要被区别对待。“团队以南水北调工程的实施作为时间节点,评价该工程对区域地下水储量动态变化的影响。”陈蓓蓓随后的介绍,充满了各种“听不懂”的词,比如自适应EEMD(集合经验模态分解)算法、利用GRACE(散列连接算法)和GLDAS(全球陆地数据通话系统)的数据……“研究表明,南水北调工程实施后,地下水储量季节性变化特征被增强,平均振幅由29.6毫米提高到37.6毫米,平均贡献率由20%提高到28%;在实施调水工程后,地下水储量长期变化速率仍呈现下降趋势,但下降速率降低;华北平原有超过90%的地区地下水储量长期消耗趋势得到缓解。”

在研究的过程中,团队需要时刻小心翼翼。“我们要时刻告诉自己,千万不要盲目下结论。”

采访过程中,陈蓓蓓唯一一次主动要求多说两句,也是为了解释自己的研究领域——在世界范围内,地面沉降遍布50余个国家、150多个城市,在美国、日本和意大利等国家都出现了。北京所处的华北平原也是地面沉降地区。如果沉降严重,就会引起建筑物倾斜,滨海城市还会造成海水倒灌,给生产和生活带来很大影响。

“更重要的是,地下水开采引起的地面沉降是一个不可逆的过程,即使地下水位恢复到最初水平,地层也不会恢复到原来状态。”她笃定地说,“这就要求我们的监测和研究必须精准、有效,加强对重点区域、重点交通干线的监测和预警。”

天道酬勤,团队一系列科研成果落地,成绩亮眼——

3篇《科学引文索引》论文入选联合国教科文组织(UNESCO)地面沉降推荐案例,研究成果入选《地球大数据支撑可持续发展目标报告2022》;

为北京、京津冀地面沉降防治规划和国家综合防灾减灾“十四五”规划等重大规划的落实,提供了重要科学依据和技术支撑;

研究成果持续服务区域发展,应用于京津冀多条轨道交通、北京城市副中心、大兴国际机场等重大工程。

3 探索“不确定性”

“我们都是在追求‘确定性’的过程中,发现了‘不确定性’给自己带来的挑战。”从事地学研究十余年,陈蓓蓓在日积月累中感悟着这门学科的浪漫,“我最深的体会就是,地学与哲学有着互通之处。”

科研之外,她更看重的身份是老师。“我经常跟学生们讲:不同的分辨率,会有不同的影响。说多了,学生会分不清哪些东西是确定性的。其实,我自己也经常有这样的疑惑。”陈蓓蓓笑着说,但是搞科研不就是这样吗,“我们的研究更是如此,遥感监测出来的结果一定是确定性的,我们是在追寻结果的过程中,发现不断变化的因素,不断改进、突破技术,力求去解决一个个‘不确定性’。”

这种“耐磨”的好性格,在陈蓓蓓看来,其实深受导师宫辉力的影响。“做研究时,宫老师会给我划定一个大的框架,但不会告诉我具体该怎么做。”她说,自己感到成长最多的研究项目,还是研究生阶段,参与导师的国家自然基金重点项目——“北京地区地面沉降三维形变及演化机理研究”。

这是陈蓓蓓在学生阶段全程参与的最重要的项目。“其实最开始压力还挺大的。”她直言,这么大的题目拿在手里,从哪开始入手、用什么样的研究方法、如何突破现有技术难点……研究的过程就像拼图,所有问题都等着她一块块亲手拼上去。“宫老师给了我很大鼓励。每到一个研究阶段,我有了新的想法去向他请教,他都会耐着性子为我解答,鼓励我大胆地去探索,用准确的数据去解决‘不确定性’。”

正是这个项目,为陈蓓蓓日后的研究成果奠定了基础,也让她迅速成长。“从一个懵懂的、不会独立从事科研项目的学生,慢慢学会了怎样申请科研项目、怎样设置问题,最重要的是理解了科学研究是怎样的过程。”她笑道,研究过程中,加深了自己对北京地区地面沉降问题的理解。地学研究的魅力,让她决定留在高校,“我感到特别幸运,能够踩在巨人的肩膀上,做自己感兴趣的事。”

如今,陈蓓蓓也有了自己的研究团队,培养了7名博士生、16名硕士生。“我就是一个普普通通的科研工作者、一个教书的老师。现在工作最大的动力,就是希望我的学生们能够在科研和学习过程中不断成长,有所收获。”朴实的话语中,透着她对学生的期待,“我常常跟学生们讲:不要觉得自己做的事有多么‘高大上’,也不要想‘混个毕业’就得了。我希望他们把团队的研究真正看作一份工作,在工作中锻炼自己各方面的能力,找到真正感兴趣、适合自己的方向。”

带着学生做科研,陈蓓蓓也继承了导师的“传统”。“我会放手,让学生参与研究的每一个环节,引导他们在一次次探索的过程中,不断缩小研究方向,获得正向的反馈,直到找到某个‘确定性’。”她说,这样学生才能找到自己擅长的领域,“只有把研究做好、表达好,掌握了知识迁移的能力,学生才会有自信,以后不论到了什么工作岗位,面对新的问题,都有解决问题的能力。我觉得这点很重要。”

脚踏实地,钻研更精、更准,是陈蓓蓓和团队的研究准则。今年,团队将研究领域的“视野”进一步拓宽——在进一步研究北京、京津冀地区地面沉降防治问题的基础上,他们将目光投向华北平原的不同区域。陈蓓蓓解释:“比如河北省有一些农业开采地下水、开采地热的问题,影响到了地面沉降;还有黄河三角洲地区存在的开采石油、天然气等问题,包括海平面上升和地面沉降的叠加作用对沿海环境的影响,我们会开展从水循环到地面沉降的系统研究。”

面对未知的领域,不少问题需要从零开始学习、研究,难不难?陈蓓蓓给出的答案简洁明了,又充满“地学浪漫”:“做研究、带学生,都不可能‘原地不动’,条条大路通罗马。”

“星”解读

市教委科研处 手握卫星数据,脚步丈量大地。在北京高校卓越青年科学家计划项目中,首都师范大学陈蓓蓓团队是唯一深耕地学领域研究的。

该团队针对京津冀新水情、新背景下,区域地面沉降系统演化的新机制、新规律,首次采用云计算、联合实体云和公共云,研建基于大数据驱动的地面沉降模拟器,揭示气候变化背景下地面沉降演化新模式及成因机理。研究成果为联合国教科文组织水文计划提供技术支撑,为国家综合防灾减灾“十四五”规划等重大规划的编制提供了科学依据。