欧冠足球官网地址地下水数值模拟融合创新团队郝永红教授课题组在Journal of Hydrology发表论文“Simulation of spring discharge using graph neural networks at Niangziguan Springs, China”。该项研究由欧冠足球官网地址、清华大学和美国亚利桑那大学的科研人员共同合作完成。

太行山区发育的岩溶大泉为海河流域提供了重要的水资源。过去的几十年里，岩溶地下水过度开采导致了地下水位下降和泉水流量减少。如此，该项目将图神经网络（GNN）模型中两种基于光谱的ChebNet和图卷积网络（GCN）应用于岩溶水文过程，考虑了降水、泉水流量和人为影响之间的相关性。传统神经网络采用二维网格作为输入，这忽略了空间结构上的信息，用图结构模拟各站点间的流量关系，依靠边的连接建立联系，采用卷积聚合节点的邻居节点和边的信息，进而描述不规则结构的空间过程。该方法很好地捕捉了降水入渗、非均质岩溶含水层中地下水运动和岩溶泉水流量的空间依赖性。本研究提出了娘子关泉GNN模型中的三种图结构（完全图、信息流图和地下水流场图）来描述降水与春季流量的关系（图1）。结果表明，地下水流场图是GNN模型的最优图结构。在最优结构的基础上，利用ChebNet和GCN研究了降水驱动的泉水流量模型。结果表明，高阶ChebNet比GCN更适合于模拟具有非线性和非平稳行为的岩溶水文过程（图2）。此外，本研究还证实，地下水可持续发展政策明显缓解了娘子关泉水流量的下降趋势。

图1 三种图结构：完全图(a)、信息流图(b)和地下水流场图(c)

图2 泉水流量的拟合图：ChebNet(a)和GCN(b)

地下水数值模拟融合创新团队郝永红教授为该文章的通讯作者，数学科学学院硕士研究生盖玉婧担任第一作者，欧冠足球官网地址邓兴超、刘彦老师参与合作。该项目得到了国家自然科学基金面上项目（42072277，U2244214, 41272245, 40972165，40572150）、天津市研究生研究创新项目（2022SKY267），欧冠足球官网地址研究生研究创新项目（2022KYCX108Y），天津幻影之星数字技术有限公司的项目《Python应用于图形卷积网络和图形数据可视化》（202102553012）和美国国家科学基金会（EAR1931756，TW500和MOST111-2222-E-002-006）的共同资助。

论文链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169423010211