水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。為深化節(jié)水愛水理念，弘揚(yáng)大禹精神和珞珈水文化，在第32屆“世界水日”和第37屆“中國水周”期間，武漢大學(xué)“弘禹文化季·水韻珞珈文化節(jié)”系列活動(dòng)之第156期研究生“弘禹論壇”暨世界水日·中國水周主題講座近日于水利水電學(xué)院順利舉辦。
2024年3月27日上午，活動(dòng)在武漢大學(xué)工學(xué)部第八教學(xué)樓8220室如期舉行。學(xué)院水利工程系季斌老師、智慧水利系王順老師、智慧水利系吳強(qiáng)老師作為專業(yè)點(diǎn)評(píng)嘉賓出席，學(xué)院黨委副書記左志香、輔導(dǎo)員陳曼雨、鄧力源、許笑星出席本次論壇。主講嘉賓分別為博士生魏俊、碩士生鄧仙芝、博士生劉永和碩士生孫皓。本次論壇由共青團(tuán)武漢大學(xué)委員會(huì)主辦，水利水電學(xué)院分團(tuán)委、水利水電學(xué)院研究生會(huì)承辦，并在水利工程系研究生第一至第五黨支部的積極參與下成功舉辦。
首先，博士生魏俊以《稻田生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)反演》為題進(jìn)行學(xué)術(shù)報(bào)告。他介紹道，對于所有水利行業(yè)的研究者或從業(yè)者而言，都基本上有這么一個(gè)概念：無論是從全球尺度還是全國尺度來看，農(nóng)業(yè)用水都是水資源消耗的一個(gè)主要途徑，而稻田的蒸散發(fā)是影響農(nóng)業(yè)用水的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，致使眾多的學(xué)者對稻田的蒸散發(fā)進(jìn)行研究。除此之外，蒸散發(fā)也影響著地球的水循環(huán)過程和地表能量平衡過程。魏俊同學(xué)的研究以具有空間連續(xù)性好、成本低的基于遙感模型的方法對蒸散發(fā)進(jìn)行估算，選取一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜诳紤]平流對蒸散發(fā)的影響，而該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥陨淼倪m用條件具有一定的局限性，因此，適用條件的考慮即為該研究的重點(diǎn)。他分別從溫度梯度與傳遞載體兩個(gè)方面探討了適用條件的可行性，并最終得出結(jié)論——稻田生態(tài)系統(tǒng)需要考慮平流修正因子的適用條件；選取適當(dāng)?shù)倪b感模型得出的結(jié)果更加準(zhǔn)確。
碩士生鄧仙芝以《高光譜圖像特征挖掘以精準(zhǔn)估計(jì)光合參數(shù)》為題進(jìn)行學(xué)術(shù)報(bào)告。她一開始便強(qiáng)調(diào)了定量化作物光合對育種，農(nóng)田管理，區(qū)域碳中和具有重要意義，并介紹了光合模型——包含光合生化機(jī)制的模型FvCB，它將光合速率分為三個(gè)不同的限制階段。其中，第一二階段的光合參數(shù)最大羧化速率(Vcmax)和最大電子傳遞速率(Jmax)最為關(guān)鍵，它們定義了葉片的光合能力，同時(shí)Vcmax也是碳循環(huán)模型的關(guān)鍵參數(shù)。報(bào)告提出了一種新型的無監(jiān)督頻段選擇方法，該方法受益于當(dāng)前主流的深度學(xué)習(xí)框架。該框架以分解和聚類兩個(gè)階段構(gòu)成，在分解階段，利用非線性深度自動(dòng)編碼器來提取準(zhǔn)確的材料光譜。在聚類階段，計(jì)算每個(gè)獲得的端元的方差以構(gòu)造方差向量，并采用經(jīng)典的K均值對方差向量進(jìn)行聚類。最后，訓(xùn)練一個(gè)智能代理，在給定高光譜圖像的情況下，該智能代理能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)策略以選擇最佳波段子集，而無需任何手工設(shè)計(jì)的推理。為此，無監(jiān)督頻帶選擇問題即可構(gòu)建為馬爾可夫決策過程，提出一種有效的方法對其進(jìn)行參數(shù)化，最終通過深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)來解決該問題。
報(bào)告提到：深度學(xué)習(xí)模型是一個(gè)很高的高維特征提取器，深度學(xué)習(xí)方法結(jié)合一維反射光譜估計(jì)光合參數(shù)從簡單的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展到多個(gè)隱藏層的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)再到一維卷積網(wǎng)絡(luò)，通過其強(qiáng)大的擬合能力得到比傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法更高的精度，但這些模型未能充分解釋其產(chǎn)生的效果，且光譜數(shù)據(jù)信息未得到充分挖掘，利用高精度和可解釋的深度學(xué)習(xí)模型結(jié)構(gòu)來挖掘光譜維度信息很有必要。因此，如何綜合光合光譜響應(yīng)機(jī)制、光譜圖像特點(diǎn)、構(gòu)建高精度、可解釋、泛化性強(qiáng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，來診斷光合能力是該研究亟需解決的問題。
博士生劉永以《基于氣孔優(yōu)化理論的分布式水文模型改進(jìn)及應(yīng)用》為題進(jìn)行學(xué)術(shù)報(bào)告。與博士生魏俊相似，劉永同學(xué)的研究也以蒸散發(fā)為主要對象，與其不同的是，他著重于對植被蒸騰作用的準(zhǔn)確模擬。劉永提到：植被在陸地水文循環(huán)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，植被蒸騰量可達(dá)到陸地總蒸騰量的60以上。因此，植被蒸騰的準(zhǔn)確計(jì)算對陸地水循環(huán)意義是非常重大的。而植被蒸騰作用主要由葉片表面的氣孔導(dǎo)度決定，氣孔導(dǎo)度就是我們一般所謂的冠層阻抗，但是，眾多文章明確指出：由于植物氣孔導(dǎo)度以及水分傳輸特性描述的不確定性，導(dǎo)致陸地總蒸散量模擬存在巨大不確定性。因此，準(zhǔn)確描述植被植物冠層導(dǎo)度及水力傳輸特性對植被蒸騰及蒸散發(fā)的預(yù)測至關(guān)重要。
報(bào)告提出了通過考慮植物水力學(xué)和植物氣孔優(yōu)化理論，修改SWAT模型（M-SWAT模型）的植被蒸騰模塊來改善植被蒸騰的模擬，并分析M-SWAT模型模擬性能及相比于傳統(tǒng)SWAT模型的優(yōu)勢。通過模擬驗(yàn)證及分析過程中使用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究表明：改進(jìn)后模型能夠較好的預(yù)測徑流，并且對于徑流的預(yù)測優(yōu)于原模型。因此可以認(rèn)為，改進(jìn)后的SWAT模型可以用于流域徑流的預(yù)測。其次，對于土壤水分動(dòng)態(tài)的計(jì)算，改進(jìn)后模型的土壤含水量變化更接近于觀測數(shù)據(jù)，土壤含水量模擬與現(xiàn)實(shí)條件下的土壤含水量動(dòng)態(tài)更加一致。
最后，博士生劉永介紹道：本研究雖然建立了基于植物水力學(xué)的分布式水文模型，在SWAT模型中引入冠層導(dǎo)度調(diào)控模塊，增強(qiáng)了分布式水文模型蒸散發(fā)過程的物理機(jī)制描述。提高了SWAT模型對土壤水分與徑流的預(yù)測能力。同時(shí)，改進(jìn)后的模型能夠合理的反映植被面臨土壤干旱、大氣干旱時(shí)的生存策略，而原模型無法表達(dá)出這種趨勢。
最后，碩士生孫皓以《太陽能壓縮空氣循環(huán)脈沖滴灌裝置研發(fā)與水力性能試驗(yàn)》為題進(jìn)行學(xué)術(shù)報(bào)告，碩士生孫皓指出：太陽能滴灌是當(dāng)前國際未來灌溉的研究方向之一，因其可有效解決動(dòng)力缺乏問題、降低系統(tǒng)能耗，具有高效節(jié)水能力，在全球已然得到廣泛應(yīng)用。但由于太陽能一方面能量密度低，易受到氣象因素的影響，導(dǎo)致與其相連的滴灌裝置水壓波動(dòng)明顯，灌溉效果差。傳統(tǒng)的滴灌系統(tǒng)往往依賴于高位水池，這不僅工程量大，而且無法適應(yīng)不同的環(huán)境需求。因此基于太陽能-壓縮空氣耦合供能思路，報(bào)告提出了一種間歇式動(dòng)態(tài)水壓新型循環(huán)脈沖滴灌裝置，并對裝置開展水力性能試驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)可行性分析以及綜合性能評(píng)價(jià)。
裝置設(shè)計(jì)思路主要通過太陽能穩(wěn)壓傳遞能量給水泵，將水分輸送于密閉儲(chǔ)水罐中，當(dāng)罐中壓力達(dá)到設(shè)定值，開啟電磁閥，罐中水量泄至滴灌帶，同時(shí)設(shè)定灌水時(shí)間，重復(fù)如上工作，完成循環(huán)脈沖過程，并針對不同環(huán)境設(shè)計(jì)了不同的控制方案。在預(yù)實(shí)驗(yàn)階段，根據(jù)不同因素開展一系列不同的水利性能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，最終得到的測定指標(biāo)證明了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性與可行性。
報(bào)告最后從經(jīng)濟(jì)可行性的角度對該裝置進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，與傳統(tǒng)滴灌相比，本裝置投入產(chǎn)出收益率是最高的，年運(yùn)行管理費(fèi)與其他滴灌裝置相比最低，凈效益現(xiàn)值最大。內(nèi)部收益率和投資回報(bào)年限優(yōu)于其他太陽能滴灌裝置。同時(shí)，機(jī)械控制與PLC控制兩種運(yùn)行方式維持在較高的經(jīng)濟(jì)效益，且可單獨(dú)用于不同的灌溉場景。
論壇期間，對于主講人的匯報(bào)情況，嘉賓老師也對主講人逐一進(jìn)行了指導(dǎo)和點(diǎn)評(píng)，肯定了同學(xué)們在學(xué)術(shù)道路上的成果，也指出了一些問題，譬如一些研究在熱點(diǎn)問題上還有所欠缺。指導(dǎo)老師建議同學(xué)們在做學(xué)術(shù)報(bào)告時(shí)要以更加辯證的態(tài)度來看待研究課題，多角度、多方面、多視角地尋找科研的切入點(diǎn)，從而尋找更好的學(xué)術(shù)思路。此外，參會(huì)同學(xué)們積極提問互動(dòng)，與主講人進(jìn)行了充分的討論，現(xiàn)場學(xué)術(shù)交流氛圍濃厚。
在各位主講人的精心準(zhǔn)備、嘉賓評(píng)委的專業(yè)點(diǎn)評(píng)、同學(xué)們的積極參與和工作人員的保駕護(hù)航下，第156期“弘禹論壇”暨世界水日·中國水周主題講座圓滿完成！論壇結(jié)束后，與會(huì)嘉賓同工作人員進(jìn)行了合影留念。
此外，值得祝賀的是，在本期弘禹論壇中，博士生劉永以精彩的展示征服了現(xiàn)場評(píng)委及觀眾，被評(píng)為水利水電學(xué)院第156期弘禹論壇“優(yōu)秀主講人”。依據(jù)評(píng)分結(jié)果，水利工程系第三黨支部被評(píng)為“優(yōu)秀承辦黨支部”。
圖文：吳京龍 李項(xiàng)燁 陳駿
