报告题目：中国北方岩溶泉水流量的机器学习模型及其进展

报告人：郝永红教授（天津师范大学水资源与水环境重点实验室）

邀请人：薛永红、廖欣教授

讲座时间：2025年5月24日15:00-17:00

讲座地点：应急管理大学（筹）西院北区长庚楼320室

主讲人简介

郝永红，天津师范大学，天津市水资源与水环境重点实验室教授，博士生导师，主要从事地下水数值模拟研究。主持/完成6项国家自然科学基金项目、国家自然科学基金地质联合基金项目子课题、天津市自然科学基金重点项目等。在国内外重要学术期刊发表论文80余篇，其中SCI论文60余篇。

主要取得如下成果：①将灰色系统理论引入岩溶水文学，建立了岩溶地下水传播的灰色系统模型，获得了岩溶地下水水力响应时间的灰色计算方法，准确模拟了岩溶地下水压力波传播的过程；②将小波分析方法应用于降水与泉水流量分析中，从能量传播的角度解释了岩溶地下水运动与扩散过程；③运用水力层析技术对含水层裂隙带和岩溶管道进行了识别，为寻找地下水“水脉”提供了有效方法；④运用分阶段模拟分析法研究了气候变化与人类活动对岩溶泉流量的影响，为寻找北方岩溶大泉流量衰减与枯竭的原因进行了初步探索；⑤将极值统计理论应用于岩溶水文学，分析了极端气候变化条件下岩溶泉流量变化过程;⑥运用现代信号理论和机器学习研究气候变化和人类活动对泉水流量的影响，进一步提高了模拟精度，更加深入地认识到岩溶水文过程的机理；⑦运用机器学习模拟中国北方岩溶泉水流量，针对岩溶水文过程的复杂性和观测数据不足提出了系列解决方案，提升了泉水流量模拟的精度。

2020年获得天津市自然科学三等奖1项（第1完成人）、2018年获得“天津市师德个人先进”荣誉称号；担任国际学术期刊Journal of Hydrology副主编、中国优选法统筹法与经济数学研究会灰色系统专业委员会第四届理事会副理事长、天津市自然资源学会常务理事。

讲座摘要

世界上1/4的人口饮用岩溶地下水。中国是全球岩溶水资源最为丰富的国家之一，由碳酸盐岩构成的岩溶含水层占国土面积的1/3。中国北方岩溶含水层面积广大，水量丰富，形成了许多岩溶大泉。近几十年来，在气候变化和人类活动的影响下，泉水流量持续下降，部分泉水流量干涸，准确模拟泉水流量成为实现岩溶地下水科学开发利用与保护的重要前提。

由于泉水流量具有非线性和非平稳特征，机器学习模型成为泉水流量模拟的最佳手段之一。近年来，以LSTM为代表的机器学习模型应用于泉水流量模拟形成了一个新认识：泉水流量是多频谱的复杂过程，目前的观测数据量难以满足机器学习模型的需求，为此，我们发展出以下三种方法以解决岩溶水文过程的复杂性和数据不足之间的矛盾。①运用频谱分析方法将泉水流量分解为一系列单频谱序列的组合，使机器学习更加容易捕获泉水流量特征；②运用数据生成方法增加数据量，弥补观测数据的不足；③运用图神经网络将输入变量之间相互关联，增加信息量提升模型精度。