“数独”地下水 听岁月“诉说”地下的秘密

陈蓓蓓（前排右二）和学生在教室研讨

三维形变丈量办法获取的研究区年均沉降图

北魏期间，天文学家郦道元步测江河，用30余万字笔录了1252条大小河流的故事。

1400多年后的今天，首都师范大学资本情况与旅游学院传授陈蓓蓓率领团队，通过优化集成卫星（GRACE）、合成孔径雷达干预丈量（InSAR）、人工智能（Geo-AI）等手艺办法，连系远感大数据和野外看测站实测数据集，找觅太行山到渤海水轮回的奥秘，开展京津冀平原空中沉降多元演化新形式研究，支持答复“首都地下水资本的问题”。

说得通俗点，那群地学人力图通过差别精度的远感照片、数十年积存的实测数据，搞清晰京津冀平原地下水储量的改变和地表形变长时间改变的信息，将来还能够像气候预告一样开展空中沉降趋向揣测。

听上往有趣且重要的研究，却鲜少被报导。陈蓓蓓笑着阐发原因：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；研究的内容和办法，听上往和通俗人的生活有间隔感，需要阐明和翻译；还有一个理由，我们大多比力内向，俗称“社恐”，我们觉得首要目标是把活儿干好，其实没什么好报导的……

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看图算数，看水辨土，听岁月“诉说”地下的奥秘——只要走近那群自谦“没有创造性发现”的团队才气发现，他们独具浪漫。

1 看图“找差别”

陈蓓蓓长相文气，与大大都人印象里的“勘探”“地量”完全不搭边，她的毛遂自荐也多从科普引进：“我本科读的是测绘工程，专业课有良多门，我最感兴致的是远感科学与手艺，理由是‘颜值高’——那么多都雅的图，还躲着地球‘内部’的故事。”

一眼倾慕，简单而勇敢。从2007年起，陈蓓蓓读硕士，跟着地下水天文信息系统研究专家宫辉力做科研，目光锁定在京津冀区域，标的目的是操纵远感手艺研究因地下水开摘而引起的地表高程下降（空中沉降）。16年来，项目一个接着一个：继续更新京津冀平原地下水储量改变和区域地表形变信息，阐明“空中沉降发作在哪里，为什么发作在那里”，参与京津冀重点高速铁路、北京城市副中心等严重工程空中沉降专项勘查……但研究的焦点几乎从未改动。

“那是我们工做的特征之一，基于长时间序列。”陈蓓蓓用团队正在搭建的京津冀平原空中沉降模仿器举例，“那是靠大数据驱动的，所以数据量十分大。北京的空中沉降丈量数据笔录最早能够逃溯到1955年。前期的数据会少一点，但跟着科技的朝上进步，数据的量、精度都在大幅提拔。简单地说，我们要做的是整合读懂那些数，找到空中沉降的趋向。”

陈蓓蓓头疼“讲故事”，但是谈到详细研究过程时，她的语速不自觉地变快了，“远感手艺离我们很近——人造卫星给地球摄影，通过电磁波的辐射、反射特征，我们能看穿空中，领会地下的情状。它的优势在于大区域快速实时，并且差别的辨认率能够称心差别的项目需求。”

实正看图，却需要足够强大的专业布景。

外行眼里，一片差别深度的蓝色中，白色装点，红色和浅黄色交错成色块，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度。

一组15张类似中学数学功课的折线图，似乎“找差别”的游戏；在团队眼里，线扬线抑，一个折角的度数改变，代表着北京平原区空中沉降和差别含水层地下水位改变的季节性趋向。

“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——

“其时要研究北京某个区域地层高差改变，做法是选定一个相对不变的基准点，以差别年份、差别位置的地层与那个点做比照，用差值表达本身沉降趋向。不巧的是，我选了一个‘活泼’的基准点。就昔时数据看，没有问题。但是后续几年数据累计起来，我就发现那个年份的数据不合错误劲儿了。”

那个已经被批改的错误，也成了陈蓓蓓课堂上的一个案例。

比来几年，团队不竭尝鲜：对标结合国可继续开展2030目标，依托地球系统数值模仿安装，自主研发“悟空云平台”；从太行山到渤海，构建空中沉降掌握性剖面，研发区域水轮回-空中沉降模仿器；结合中国地量情况监测院、北京市地量情况监测总站等，共建京津冀及周边地表形变更态监测网、地下水监测网，实现研究手艺数据共享。

往年下半年，团队还参与了河北沧州平原区地下水与空中沉降国度野外科学看测研究站建立，那是全国第一个以地下水和空中沉降为监测研究对象的国度野外站。“目前，那项研究还处于数据积存阶段。”陈蓓蓓快人快语，她笑着说，做科研不急于求“快”，“差别于行政单元，我们背靠高校做科研，更针对详细的科学问题，发掘数据背后的启迪、事理，同时让科研功效更好的处理南水北调新水情布景下京津冀空中沉降现实问题，实现产学研一体化，将研究功效更好地利用到祖国大地上。”

2 为沉降空中“体检”

全国柔者莫过于水，而能攻坚者又莫胜于水。和隐躲在地下的水打交道，窍门是顺势而为。陈蓓蓓说：“固然每个项目看上往都是大数据的处置，但是没有相对固定的公式能够套用。”

必需“一项目一计划”，找到影响沉降的主控因素。仅是常用的监测手艺，就各有所长：GPS（全球定位系统）的长处是有全球性、全天候、高精度、实时性等特征，填补了水准丈量的不敷；缺点是垂曲标的目的的丈量精度相关于平面丈量精度一般较差。InSAR手艺成本低，持续性和远感探测才能强，区域掌握力强；但是对大气误差、远感卫星轨道误差、地表情况十分灵敏。

为了测得更准、看得更清，团队几乎每年城市有新专敏捷地。以陈蓓蓓小我而言，2019年一年就获得了两项专利，别离是“自适应多源InSAR监测空中沉降时间序列数据拼接办法及系统”和“一种基于多源监测手艺合成的空中沉降集成监测办法”。她说：“要根据项目目标抉择最适宜的数据、算法、模子。同时对成果的可靠性和可阐明性，尽量做到更好，决不克不及简单粗暴地套用一遍以往的体例。”

每次针对差别区域的沉降监测，都被陈蓓蓓比方为“体检”。“和人一样，有时候身体里有一个小问题，不会影响安康。但是，我们要动态看察它的改变。”她进一步阐明，那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呈现，就需要立即摘取办法，加密监测频次，避免求助紧急发作。而假设发作在一个很大的区域，留看即可。”

即使是统一个研究对象，差别时间段的监测也要区别看待。以团队对北京东部一个区域的监测为例，“前几年呈现明显沉降，原因是大范畴开摘地下水。发现后，及时展设了市政管道，共同生齿纾解，再加上南水北调工程施行，比来再测，那个区域的沉降势头已经明显放缓。”陈蓓蓓话锋一转，但是，跟着地下水位的上升，又可能带来新的问题，有些地域地层陆续下沉，有些地域有所上升，有些地层连结不变。多种形式的叠加，可能会带来更复杂的区域不平均形变问题。因而不论是监测手段，仍是对演化机造、趋向的研究，偏重点必然有所改变。

陈蓓蓓比画着阐明，能够把空中想象成一块海绵，水流失了，相当于海绵被挤干了，留下的土层就会被压实，对应发作沉降的现象。后续，水补回来，可差别地层吸水度纷歧样，空中就会变得“凹凸有别”，假设差额较大，会带来平安隐患。

“狡诈”的地下水还会给监测设陷阱。好比地下水开摘带来的沉降，会有滞后效应。别的，空中沉降是一维垂向的，但地层内应力的改变和土层的变形却是多维度的。陈蓓蓓阐明，所以监测手段也要包罗差别标的目的。那就意味着操纵差别轨道的远感卫星，利用差别的算法，最末得到一个三维的数据。

时间因素，也要被区别看待。“团队以南水北调工程的施行做为时间节点，评判该工程对区域地下水储量动态改变的影响。”陈蓓蓓随后的介绍，充满了各类“听不懂”的词，好比自适应EEMD（聚集体味模态合成）算法、操纵GRACE（散列毗连算法）和GLDAS（全球陆地数据通话系统）的数据……“研究表白，南水北调工程施行后，地下水储量季节性改变特征被加强，均匀振幅由29.6毫米进步到37.6毫米，均匀奉献率由20%进步到28%；在施行调水工程后，地下水储量持久改变速度仍闪现下降趋向，但下降速度降低；华北平原有超越90%的地域地下水储量持久消耗趋向得到缓解。”

在研究的过程中，团队需要时刻不寒而栗。“我们要时刻告诉本身，万万不要自觉下结论。”

摘访过程中，陈蓓蓓独一一次主动要求多说两句，也是为了阐明本身的研究范畴——在世界范畴内，空中沉降遍及50余个国度、150多个城市，在美国、日本和意大利等国度都呈现了。北京所处的华北平原也是空中沉降地域。假设沉降严峻，就会引起建筑物倾斜，滨海城市还会形成海水倒灌，给消费和生活带来很大影响。

“更重要的是，地下水开摘引起的空中沉降是一个不成逆的过程，即便地下水位恢复到最后程度，地层也不会恢复到本来形态。”她笃定地说，“那就要求我们的监测和研究必需精准、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，团队一系列科研功效落地，功效亮眼——

3篇《科学引文索引》论文进选结合国教科文组织（UNESCO）空中沉降选举案例，研究功效进选《地球大数据支持可继续开展目标陈述2022》；

为北京、京津冀空中沉降防治规划和国度综合防灾减灾“十四五”规划等严重规划的落实，供给了重要科学根据和手艺支持；

研究功效继续办事区域开展，利用于京津冀多条轨道交通、北京城市副中心、大兴国际机场等严重工程。

三维形变漏斗模仿图 3 摸索“不确定性”

“我们都是在逃求‘确定性’的过程中，发现了‘不确定性’给本身带来的挑战。”处置地学研究十余年，陈蓓蓓在积少成多中感悟着那门学科的浪漫，“我最深的体味就是，地学与哲学有着互通之处。”

科研之外，她更垂青的身份是教师。“我经常跟学生们讲：差别的辨认率，会有差别的影响。说多了，学生会分不清哪些工具是确定性的。其实，我本身也经常有如许的迷惘。”陈蓓蓓笑着说，但是搞科研不就是如许吗，“我们的研究更是如斯，远感监测出来的成果必然是确定性的，我们是在逃觅成果的过程中，发现不竭改变的因素，不竭改进、打破手艺，力图往处理一个个‘不确定性’。”

那种“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，宫教师会给我规定一个大的框架，但不会告诉我详细该怎么做。”她说，本身感应生长最多的研究项目，仍是研究生阶段，参与导师的国度天然基金重点项目——“北京地域空中沉降三维形变及演化机理研究”。

那是陈蓓蓓在学生阶段全程参与的最重要的项目。“其实最起头压力还挺大的。”她婉言，那么大的标题问题拿在手里，从哪起头进手、用什么样的研究办法、若何打破现有手艺难点……研究的过程就像拼图，所有问题都等着她一块块亲手拼上往。“宫教师给了我很大鼓舞。每到一个研究阶段，我有了新的设法往向他请教，他城市耐着性质为我解答，鼓舞我斗胆地往摸索，用准确的数据往处理‘不确定性’。”

恰是那个项目，为陈蓓蓓日后的研究功效奠基了根底，也让她敏捷生长。“从一个懵懂的、不会独立处置科研项目标学生，渐渐学会了如何申请科研项目、如何设置问题，最重要的是理解了科学研究是如何的过程。”她笑道，研究过程中，加深了本身对北京地域空中沉降问题的理解。地学研究的魅力，让她决定留在高校，“我感应特殊幸运，可以踩在巨人的肩膀上，做本身感兴致的事。”

现在，陈蓓蓓也有了本身的研究团队，培育提拔了7名博士生、16名硕士生。“我就是一个普通俗通的科研工做者、一个教书的教师。如今工做更大的动力，就是期看我的学生们可以在科研和进修过程中不竭生长，有所收获。”纯朴的话语中，透着她对学生的等待，“我经常跟学生们讲：不要觉得本身做的事有多么‘高峻上’，也不要想‘混个结业’就得了。我期看他们把团队的研究实正看做一份工做，在工做中磨练本身各方面的才能，找到实正感兴致、合适本身的标的目的。”

带着学生做科研，陈蓓蓓也继续了导师的“传统”。“我会罢休，让学生参与研究的每一个环节，引导他们在一次次摸索的过程中，不竭缩小研究标的目的，获得正向的反应，曲到找到某个‘确定性’。”她说，如许学生才气找到本身擅长的范畴，“只要把研究做好、表达好，掌握了常识迁徙的才能，学生才会有自信，以后不管到了什么工做岗位，面临新的问题，都有处理问题的才能。我觉得那点很重要。”

兢兢业业，研究更精、更准，是陈蓓蓓和团队的研究原则。本年，团队将研究范畴的“视野”进一步拓宽——在进一步研究北京、京津冀地域空中沉降防治问题的根底上，他们将目光投向华北平原的差别区域。陈蓓蓓阐明：“好比河北省有一些农业开摘地下水、开摘地热的问题，影响到了空中沉降；还有黄河三角洲地域存在的开摘石油、天然气等问题，包罗海平面上升和空中沉降的叠加感化对沿海情况的影响，我们会开展从水轮回到空中沉降的系统研究。”

面临未知的范畴，很多问题需要从零起头进修、研究，难不难？陈蓓蓓给出的谜底简洁了然，又充满“地学浪漫”：“做研究、带学生，都不成能‘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，脚步测量大地。在北京高校卓著青年科学家方案项目中，首都师范大学陈蓓蓓团队是独一深耕地学范畴研究的。

该团队针对京津冀新水情、新布景下，区域空中沉降系统演化的新机造、新法例，初次摘用云计算、结合实体云和公共云，研建基于大数据驱动的空中沉降模仿器，显示天气改变布景下空中沉降演化新形式及成因机理。研究功效为结合国教科文组织水文方案供给手艺支持，为国度综合防灾减灾“十四五”规划等严重规划的体例供给了科学根据。

（原题目：“数独”地下水）

来源：北京日报 　本报记者 李祺瑶

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