全球頭條：“數(shù)獨(dú)”地下水

北魏時期，地理學(xué)家酈道元步測江河，用30余萬字記錄了1252條大小河流的故事。

(資料圖片)

1400多年后的今天，首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院教授陳蓓蓓帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，通過優(yōu)化集成衛(wèi)星（GRACE）、合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）、人工智能（Geo-AI）等技術(shù)方法，結(jié)合遙感大數(shù)據(jù)和野外觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)集，找尋太行山到渤海水循環(huán)的秘密，開展京津冀平原地面沉降多元演化新模式研究，支撐回答“首都地下水資源的問題”。

說得通俗點(diǎn)，這群地學(xué)人力求通過不同精度的遙感照片、數(shù)十年積累的實(shí)測數(shù)據(jù)，搞清楚京津冀平原地下水儲量的變化和地表形變長時間變化的信息，未來還可以像天氣預(yù)報(bào)一樣開展地面沉降趨勢預(yù)測。

聽上去有趣且重要的研究，卻鮮少被報(bào)道。陳蓓蓓笑著分析原因：我們參與的項(xiàng)目，動輒以三四年為周期，是一個慢功夫，更算不上勁爆；研究的內(nèi)容和方法，聽上去和普通人的生活有距離感，需要解釋和翻譯；還有一個理由，我們大多比較內(nèi)向，俗稱“社恐”，我們覺得首要目標(biāo)是把活兒干好，實(shí)在沒什么好報(bào)道的……

看圖算數(shù)，觀水辨土，聽歲月“訴說”地下的秘密——只有走近這群自謙“沒有創(chuàng)造性發(fā)現(xiàn)”的團(tuán)隊(duì)才能發(fā)現(xiàn)，他們獨(dú)具浪漫。

1 看圖“找不同”

陳蓓蓓長相文氣，與大多數(shù)人印象里的“勘探”“地質(zhì)”完全不搭邊，她的自我介紹也多從科普引入：“我本科讀的是測繪工程，專業(yè)課有很多門，我最感興趣的是遙感科學(xué)與技術(shù)，理由是‘顏值高’——這么多好看的圖，還藏著地球‘內(nèi)部’的故事。”

一眼傾心，簡單而堅(jiān)定。從2007年起，陳蓓蓓讀碩士，跟著地下水地理信息系統(tǒng)研究專家宮輝力做科研，目光鎖定在京津冀區(qū)域，方向是利用遙感技術(shù)研究因地下水開采而引起的地表高程下降（地面沉降）。16年來，項(xiàng)目一個接著一個：持續(xù)更新京津冀平原地下水儲量變化和區(qū)域地表形變信息，解釋“地面沉降發(fā)生在哪里，為什么發(fā)生在那里”，參與京津冀重點(diǎn)高速鐵路、北京城市副中心等重大工程地面沉降專項(xiàng)勘查……但研究的焦點(diǎn)幾乎從未改變。

“這是我們工作的特點(diǎn)之一，基于長時間序列。”陳蓓蓓用團(tuán)隊(duì)正在搭建的京津冀平原地面沉降模擬器舉例，“這是靠大數(shù)據(jù)驅(qū)動的，所以數(shù)據(jù)量非常大。北京的地面沉降測量數(shù)據(jù)記錄最早可以追溯到1955年。前期的數(shù)據(jù)會少一點(diǎn)，但隨著科技的進(jìn)步，數(shù)據(jù)的量、精度都在大幅提升。簡單地說，我們要做的是整合讀懂這些數(shù)，找到地面沉降的趨勢。”

陳蓓蓓頭疼“講故事”，但是談到具體研究過程時，她的語速不自覺地變快了，“遙感技術(shù)離我們很近——人造衛(wèi)星給地球拍照，通過電磁波的輻射、反射特征，我們能看穿地面，了解地下的情況。它的優(yōu)勢在于大區(qū)域快速實(shí)時，而且不同的分辨率可以滿足不同的項(xiàng)目需求。”

真正看圖，卻需要足夠強(qiáng)大的專業(yè)背景。

外行眼里，一片不同深度的藍(lán)色中，白色點(diǎn)綴，紅色和淺黃色交織成色塊，是一幅色彩豐富的“畫”；到了團(tuán)隊(duì)眼里，圖上每一處顏色的“漸變”，都書寫著京津冀平原地表形變的速率。

一組15張類似中學(xué)數(shù)學(xué)作業(yè)的折線圖，宛若“找不同”的游戲；在團(tuán)隊(duì)眼里，線揚(yáng)線抑，一個折角的度數(shù)變化，代表著北京平原區(qū)地面沉降和不同含水層地下水位變化的季節(jié)性趨勢。

“研究難點(diǎn)不是看圖，是按項(xiàng)目需求，找到看準(zhǔn)圖的算法。”陳蓓蓓說，也有“算錯”的時候——

“當(dāng)時要研究北京某個區(qū)域地層高差變化，做法是選定一個相對穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)，以不同年份、不同位置的地層與這個點(diǎn)做對比，用差值表示自身沉降趨勢。不巧的是，我選了一個‘活潑’的基準(zhǔn)點(diǎn)。就當(dāng)年數(shù)據(jù)看，沒有問題。但是后續(xù)幾年數(shù)據(jù)累計(jì)起來，我就發(fā)現(xiàn)這個年份的數(shù)據(jù)不對勁兒了。”

這個已經(jīng)被修正的錯誤，也成了陳蓓蓓課堂上的一個案例。

最近幾年，團(tuán)隊(duì)不斷嘗鮮：對標(biāo)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展2030目標(biāo)，依托地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置，自主研發(fā)“悟空云平臺”；從太行山到渤海，構(gòu)建地面沉降控制性剖面，研發(fā)區(qū)域水循環(huán)-地面沉降模擬器；聯(lián)合中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院、北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站等，共建京津冀及周邊地表形變動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)、地下水監(jiān)測網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)研究技術(shù)數(shù)據(jù)共享。

去年下半年，團(tuán)隊(duì)還參與了河北滄州平原區(qū)地下水與地面沉降國家野外科學(xué)觀測研究站建設(shè)，這是全國第一個以地下水和地面沉降為監(jiān)測研究對象的國家野外站。“目前，這項(xiàng)研究還處于數(shù)據(jù)積累階段。”陳蓓蓓快人快語，她笑著說，做科研不急于求“快”，“不同于行政單位，我們背靠高校做科研，更針對具體的科學(xué)問題，挖掘數(shù)據(jù)背后的啟示、道理，同時讓科研成果更好的解決南水北調(diào)新水情背景下京津冀地面沉降實(shí)際問題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研一體化，將研究成果更好地應(yīng)用到祖國大地上。”

2 為沉降地面“體檢”

天下柔者莫過于水，而能攻堅(jiān)者又莫勝于水。和隱藏在地下的水打交道，竅門是順勢而為。陳蓓蓓說：“雖然每個項(xiàng)目看上去都是大數(shù)據(jù)的處理，但是沒有相對固定的公式可以套用。”

必須“一項(xiàng)目一方案”，找到影響沉降的主控因素。僅是常用的監(jiān)測技術(shù)，就各有所長：GPS（全球定位系統(tǒng)）的優(yōu)點(diǎn)是有全球性、全天候、高精度、實(shí)時性等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了水準(zhǔn)測量的不足；缺點(diǎn)是垂直方向的測量精度相對于平面測量精度一般較差。InSAR技術(shù)成本低，連續(xù)性和遙感探測能力強(qiáng)，區(qū)域控制力強(qiáng)；但是對大氣誤差、遙感衛(wèi)星軌道誤差、地表狀況非常敏感。

為了測得更準(zhǔn)、看得更清，團(tuán)隊(duì)幾乎每年都會有新專利落地。以陳蓓蓓個人而言，2019年一年就獲得了兩項(xiàng)專利，分別是“自適應(yīng)多源InSAR監(jiān)測地面沉降時間序列數(shù)據(jù)拼接方法及系統(tǒng)”和“一種基于多源監(jiān)測技術(shù)融合的地面沉降集成監(jiān)測方法”。她說：“要根據(jù)項(xiàng)目目標(biāo)選擇最合適的數(shù)據(jù)、算法、模型。同時對結(jié)果的可靠性和可解釋性，盡力做到最好，決不能簡單粗暴地套用一遍以往的方式。”

每次針對不同區(qū)域的沉降監(jiān)測，都被陳蓓蓓比喻為“體檢”。“和人一樣，有時候身體里有一個小問題，不會影響健康。但是，我們要動態(tài)觀察它的變化。”她進(jìn)一步解釋，這也是沉降監(jiān)測為何要因地而異，“同樣的沉降速度，放到一條高鐵線路上出現(xiàn)，就需要立刻采取措施，加密監(jiān)測頻率，防止危險(xiǎn)發(fā)生。而如果發(fā)生在一個很大的區(qū)域，留觀即可。”

即便是同一個研究對象，不同時間段的監(jiān)測也要區(qū)別對待。以團(tuán)隊(duì)對北京東部一個區(qū)域的監(jiān)測為例，“前幾年出現(xiàn)明顯沉降，原因是大范圍開采地下水。發(fā)現(xiàn)后，及時鋪設(shè)了市政管道，配合人口紓解，再加上南水北調(diào)工程實(shí)施，最近再測，這個區(qū)域的沉降勢頭已經(jīng)明顯放緩。”陳蓓蓓話鋒一轉(zhuǎn)，但是，隨著地下水位的回升，又可能帶來新的問題，有些地區(qū)地層繼續(xù)下沉，有些地區(qū)有所回升，有些地層保持穩(wěn)定。多種模式的疊加，可能會帶來更復(fù)雜的區(qū)域不均勻形變問題。因此不管是監(jiān)測手段，還是對演化機(jī)制、趨勢的研究，側(cè)重點(diǎn)一定有所變化。

陳蓓蓓比劃著解釋，可以把地面想象成一塊海綿，水流失了，相當(dāng)于海綿被擠干了，留下的土層就會被壓實(shí)，對應(yīng)發(fā)生沉降的現(xiàn)象。后續(xù)，水補(bǔ)回來，可不同地層吸水度不一樣，地面就會變得“高低有別”，如果差額較大，會帶來安全隱患。

“狡猾”的地下水還會給監(jiān)測設(shè)陷阱。比如地下水開采帶來的沉降，會有滯后效應(yīng)。另外，地面沉降是一維垂向的，但地層內(nèi)應(yīng)力的變化和土層的變形卻是多維度的。陳蓓蓓解釋，所以監(jiān)測手段也要包含不同方向。這就意味著利用不同軌道的遙感衛(wèi)星，使用不同的算法，最終得到一個三維的數(shù)據(jù)。

時間因素，也要被區(qū)別對待。“團(tuán)隊(duì)以南水北調(diào)工程的實(shí)施作為時間節(jié)點(diǎn)，評價(jià)該工程對區(qū)域地下水儲量動態(tài)變化的影響。”陳蓓蓓隨后的介紹，充滿了各種“聽不懂”的詞，比如自適應(yīng)EEMD（集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）算法、利用GRACE（散列連接算法）和GLDAS（全球陸地?cái)?shù)據(jù)通話系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)……“研究表明，南水北調(diào)工程實(shí)施后，地下水儲量季節(jié)性變化特征被增強(qiáng)，平均振幅由29.6毫米提高到37.6毫米，平均貢獻(xiàn)率由20%提高到28%；在實(shí)施調(diào)水工程后，地下水儲量長期變化速率仍呈現(xiàn)下降趨勢，但下降速率降低；華北平原有超過90%的地區(qū)地下水儲量長期消耗趨勢得到緩解。”

在研究的過程中，團(tuán)隊(duì)需要時刻小心翼翼。“我們要時刻告訴自己，千萬不要盲目下結(jié)論。”

采訪過程中，陳蓓蓓唯一一次主動要求多說兩句，也是為了解釋自己的研究領(lǐng)域——在世界范圍內(nèi)，地面沉降遍布50余個國家、150多個城市，在美國、日本和意大利等國家都出現(xiàn)了。北京所處的華北平原也是地面沉降地區(qū)。如果沉降嚴(yán)重，就會引起建筑物傾斜，濱海城市還會造成海水倒灌，給生產(chǎn)和生活帶來很大影響。

“更重要的是，地下水開采引起的地面沉降是一個不可逆的過程，即使地下水位恢復(fù)到最初水平，地層也不會恢復(fù)到原來狀態(tài)。”她篤定地說，“這就要求我們的監(jiān)測和研究必須精準(zhǔn)、有效，加強(qiáng)對重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)交通干線的監(jiān)測和預(yù)警。”

天道酬勤，團(tuán)隊(duì)一系列科研成果落地，成績亮眼——

3篇《科學(xué)引文索引》論文入選聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）地面沉降推薦案例，研究成果入選《地球大數(shù)據(jù)支撐可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)報(bào)告2022》；

為北京、京津冀地面沉降防治規(guī)劃和國家綜合防災(zāi)減災(zāi)“十四五”規(guī)劃等重大規(guī)劃的落實(shí)，提供了重要科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐；

研究成果持續(xù)服務(wù)區(qū)域發(fā)展，應(yīng)用于京津冀多條軌道交通、北京城市副中心、大興國際機(jī)場等重大工程。

3 探索“不確定性”

“我們都是在追求‘確定性’的過程中，發(fā)現(xiàn)了‘不確定性’給自己帶來的挑戰(zhàn)。”從事地學(xué)研究十余年，陳蓓蓓在日積月累中感悟著這門學(xué)科的浪漫，“我最深的體會就是，地學(xué)與哲學(xué)有著互通之處。”

科研之外，她更看重的身份是老師。“我經(jīng)常跟學(xué)生們講：不同的分辨率，會有不同的影響。說多了，學(xué)生會分不清哪些東西是確定性的。其實(shí)，我自己也經(jīng)常有這樣的疑惑。”陳蓓蓓笑著說，但是搞科研不就是這樣嗎，“我們的研究更是如此，遙感監(jiān)測出來的結(jié)果一定是確定性的，我們是在追尋結(jié)果的過程中，發(fā)現(xiàn)不斷變化的因素，不斷改進(jìn)、突破技術(shù)，力求去解決一個個‘不確定性’。”

這種“耐磨”的好性格，在陳蓓蓓看來，其實(shí)深受導(dǎo)師宮輝力的影響。“做研究時，宮老師會給我劃定一個大的框架，但不會告訴我具體該怎么做。”她說，自己感到成長最多的研究項(xiàng)目，還是研究生階段，參與導(dǎo)師的國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目——“北京地區(qū)地面沉降三維形變及演化機(jī)理研究”。

這是陳蓓蓓在學(xué)生階段全程參與的最重要的項(xiàng)目。“其實(shí)最開始壓力還挺大的。”她直言，這么大的題目拿在手里，從哪開始入手、用什么樣的研究方法、如何突破現(xiàn)有技術(shù)難點(diǎn)……研究的過程就像拼圖，所有問題都等著她一塊塊親手拼上去。“宮老師給了我很大鼓勵。每到一個研究階段，我有了新的想法去向他請教，他都會耐著性子為我解答，鼓勵我大膽地去探索，用準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)去解決‘不確定性’。”

正是這個項(xiàng)目，為陳蓓蓓日后的研究成果奠定了基礎(chǔ)，也讓她迅速成長。“從一個懵懂的、不會獨(dú)立從事科研項(xiàng)目的學(xué)生，慢慢學(xué)會了怎樣申請科研項(xiàng)目、怎樣設(shè)置問題，最重要的是理解了科學(xué)研究是怎樣的過程。”她笑道，研究過程中，加深了自己對北京地區(qū)地面沉降問題的理解。地學(xué)研究的魅力，讓她決定留在高校，“我感到特別幸運(yùn)，能夠踩在巨人的肩膀上，做自己感興趣的事。”

如今，陳蓓蓓也有了自己的研究團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)了7名博士生、16名碩士生。“我就是一個普普通通的科研工作者、一個教書的老師?，F(xiàn)在工作最大的動力，就是希望我的學(xué)生們能夠在科研和學(xué)習(xí)過程中不斷成長，有所收獲。”樸實(shí)的話語中，透著她對學(xué)生的期待，“我常常跟學(xué)生們講：不要覺得自己做的事有多么‘高大上’，也不要想‘混個畢業(yè)’就得了。我希望他們把團(tuán)隊(duì)的研究真正看作一份工作，在工作中鍛煉自己各方面的能力，找到真正感興趣、適合自己的方向。”

帶著學(xué)生做科研，陳蓓蓓也繼承了導(dǎo)師的“傳統(tǒng)”。“我會放手，讓學(xué)生參與研究的每一個環(huán)節(jié)，引導(dǎo)他們在一次次探索的過程中，不斷縮小研究方向，獲得正向的反饋，直到找到某個‘確定性’。”她說，這樣學(xué)生才能找到自己擅長的領(lǐng)域，“只有把研究做好、表達(dá)好，掌握了知識遷移的能力，學(xué)生才會有自信，以后不論到了什么工作崗位，面對新的問題，都有解決問題的能力。我覺得這點(diǎn)很重要。”

腳踏實(shí)地，鉆研更精、更準(zhǔn)，是陳蓓蓓和團(tuán)隊(duì)的研究準(zhǔn)則。今年，團(tuán)隊(duì)將研究領(lǐng)域的“視野”進(jìn)一步拓寬——在進(jìn)一步研究北京、京津冀地區(qū)地面沉降防治問題的基礎(chǔ)上，他們將目光投向華北平原的不同區(qū)域。陳蓓蓓解釋：“比如河北省有一些農(nóng)業(yè)開采地下水、開采地?zé)岬膯栴}，影響到了地面沉降；還有黃河三角洲地區(qū)存在的開采石油、天然氣等問題，包括海平面上升和地面沉降的疊加作用對沿海環(huán)境的影響，我們會開展從水循環(huán)到地面沉降的系統(tǒng)研究。”

面對未知的領(lǐng)域，不少問題需要從零開始學(xué)習(xí)、研究，難不難？陳蓓蓓給出的答案簡潔明了，又充滿“地學(xué)浪漫”：“做研究、帶學(xué)生，都不可能‘原地不動’，條條大路通羅馬。”

“星”解讀

市教委科研處 手握衛(wèi)星數(shù)據(jù)，腳步丈量大地。在北京高校卓越青年科學(xué)家計(jì)劃項(xiàng)目中，首都師范大學(xué)陳蓓蓓團(tuán)隊(duì)是唯一深耕地學(xué)領(lǐng)域研究的。

該團(tuán)隊(duì)針對京津冀新水情、新背景下，區(qū)域地面沉降系統(tǒng)演化的新機(jī)制、新規(guī)律，首次采用云計(jì)算、聯(lián)合實(shí)體云和公共云，研建基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的地面沉降模擬器，揭示氣候變化背景下地面沉降演化新模式及成因機(jī)理。研究成果為聯(lián)合國教科文組織水文計(jì)劃提供技術(shù)支撐，為國家綜合防災(zāi)減災(zāi)“十四五”規(guī)劃等重大規(guī)劃的編制提供了科學(xué)依據(jù)。

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