地下水（GW）和地表水（SW）是水文系统的两个重要组成部分，它们在不同时空尺度上相互作用，并调节生态和生物地球化学过程。地下水是干旱地区水文循环的主导因素，地下水以基流的形式排入河流，以确保河流的流动并维持生态系统。研究并量化GW-SW相互作用并揭示水循环的演化特征是科学管理水资源的重要组成部分，对维持河流生态系统至关重要。传统的直接测量和温度示踪方法，仅限于较简单的边界区域，无法描述GW-SW相互作用的时空变化。此外，地下水-地表水耦合模型，对数据要求高，计算复杂，且具有较大不确定性。
针对以往研究不足，2021年5月，我院教授鲁程鹏指导硕士生季柯妍在水文学知名期刊Water Resources Management发表题为Estimation of the Interaction Between Groundwater and Surface Water Based on Flow Routing Using an Improved Nonlinear Muskingum-Cunge Method的论文。论文提出了一种改进的考虑侧向入流的非线性Maskingum-Cunge洪水模型，使河流洪水的模拟过程更加合理，可以更准确地模拟和预测洪水过程（洪峰流量等），同时对河水和地下水交换量进行合理估算（图1）。研究结果证明了改进方法的可行性和可靠性，在不同的情况下，新方法均能够获得最优的模拟结果（图2）。综上，新方法不仅继承了传统Maskingum-Cunge方法模拟洪水演进的能力，还能准确量化洪水过程中的GW-SW交换，有助于进一步交换量的时空变化特征，能有效地防止极端洪水事件中的地下水泛滥，对地下水管理和防洪具有实际意义。
论文链接：Lu, C., Ji, K., Wang, W., et al. (2021). Estimation of the interaction between groundwater and surface water based on flow routing using an improved nonlinear Muskingum-Cunge method. Water Resources Management, 35(8), 2649-2666. https://doi.org/10.1007/s11269-021-02857-9
图1：改进模型示意图。上图显示了传统马斯京根方法的局限性。在实际河道中，洪水期间始终存在侧向流入，忽略侧向流入量可能会导致较大误差。下图显示了本研究的创新之处。GW和SW的相互作用在河流洪水中起着重要作用，侧向流入是GW-SW交换的一部分。新方法同时模拟了洪水过程和交换量。
图2：从不同案例中获得的流量数据与模拟结果对比图。左图显示了传统马斯京根方法的模拟结果，右图显示了改进方法的模拟结果。Qin和Qout分别为实测流入值和流出值。QNMCL1和QNMCL2是使用新方法模拟的流量过程，与观测值拟合较好。QEX表示由于GW和SW之间的相互作用引起的洪水期间交换量。
供稿：鲁程鹏、季柯妍，编辑：何肖微，审核：雍斌、黄璟胜
