流域生态水文过程观测与模拟(杨大文课件,研究生专题讲)
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水文学与水文地质学课件教学配套课件杨维第一章绪论
课堂表现
40%
测验与作业
50%
出勤（纪律）
10%
参考书
● 参考书： 1.工程水文学. 叶守泽主编. 水利电力出版社 2005 2.水文学. 黄廷林.马学尼编 中国建筑工业出版社 2002
3.工程水文学. 王燕生主编. 水利电力出版社 1992
4.水文学. 雒文生主编. 中国建筑工业出版社 5.水文学. 黄锡荃主编. 高等教育出版社 6.工程水文学. 魏永霞主编. 水利电力出版社
研究时段 古水文学、现代水文学
工程水文学
工程水文学 (Engineering hydrology)：
应用于实际工程的水文学。包括有关控制或利 用河川径流所建造的工程，其规划、设计、施工与 运行管理所需要的水文学的知识。
学习的主要任务
二、水文现象特点与研究方法 1.特点:
时程变化 — 周期性与随机性 地区分布 — 相似性与特殊性
各形式的水所占比例
▲ 存在于自然界中不同形式的水所占比例
海洋 13.5亿 97.4%
图中单位为：km3
陆地 3598万 <2.6%
大气 1.3万 <0.001%
地下水 820万
冰盖和冰 川
2750万
河川资源
航航运运
水水资资源源
河河川川 资资源源
淡淡水水 养养殖殖
水水能能 资资源源
我国的河川和海洋都蕴藏着丰富的资源，有待于我们去综合开发和 利用。所有的这些水资源的开发利用，都需要我们进行相应的工程建 设，水文学是我们利用地球丰富水资源的基础。
特
点
：随 机 性
周 期 性
相 似 性
特 殊 性
研究方法
2. 研究方法：
水文学与水文地质学 课件 教学配套课件 杨维 第三章 1基本概念
尚辅教学配套课件
◆ 随机变量(Random variables) ：
随机变量 离散型 连续型
相邻两个随机变量之间，不存在中间值
随机变量的一个有限区间内可以取得任何数值
6/45
例：QX数值表
年份
1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981
6/45
相加定理
概率相加定理：
尚辅教学配套课件
互斥事件 A1，A2，…… An-1，An中，至少有一
个事件出现的概率等于各事件出现的概率之和。
即：
P( A1 A2 An ) P( A1 ) P( A2 ) P( An )
（3-5）
√ 互斥事件：不可能同时发生的事件。 √ 独立事件：彼此发生的概率相互无影响。
3）曲线两端趋于 ±∞，且以x轴为渐近 线。
6/45
其分布函数
正态分布函数： 尚 辅 教 学 配 套 课 件
F ( x) 1
x (xx)2
e 2 2 dx
2
P(x x x ) 68.3% P(x 2 x x 2) 95.4% P(x 3 x x 3) 99.7%
899～700 699～500 499～300
总计
频数 / 年
组内
mi 1 2 3 7 13 18 15 2 1
累积 ∑mi
1 3 6 13 26 44 59 61 62
62 —
频率 / %
组内 累积 △p P
1.6 3.2 4.8 11.3 21.0 29.1 24.2 3.2 1.6
1.6 4.8 9.6 20.9 41.9 71.0 95.2 98.4 100.0
湿地的生态水文过程课件
• 高于最高：抑制有氧呼吸，组织水分和矿物质吸收，各个器 官和组织萎缩、腐烂。
30
第四节 水文与湿地系统的相互作用
• 水文对湿地生态系统的影响 • 湿地生态系统对水文的影响
31
1. 水文对湿地生态系统的影响
➢ 对植物物种组成与丰富度的影响
• 物种组成与丰富度水文过程对湿地物种组成和多样性影响具 有两面性，受水文周期和自然能量的影响。
➢ 植物对于湿地水分的蒸散发有什么影响？增加？降低？
6
2. 集水区和径流 ➢ 降雨被拦蓄时，无法形成地表径流，拦蓄的积水通过蒸
发和下渗输出系统。 ➢ 当雨量超过土壤下渗能力，雨水汇集成径流，并在更大更
广泛的低洼处汇集，形成湿地。 ➢ 由集水区形成的湿地受到地表水的影响：坡面漫流和河川
径流。 ➢ 集水区形成的湿地水量呈现明显的波动性。
➢ 地下水是湿地重要水源之一，存在于岩石颗粒之间或细微 的裂缝中，这些含水的岩石称为蓄水层。
➢ 地下水通过影响包气带土壤水分和盐分间接影响天然植物 生长状态。
➢ 地下水主要通过向上的运动补充土壤水分。 ➢ 地下水与湿地系统间存在流注-回灌作用。
10
第二节 湿地水平衡
• 湿地水文周期 • 湿地水量平衡 • 湿地水量平衡的要素 • 湿地水量预算
过高都影响芦苇的生长。 • 盖度指植物地上部分植投影的面积占地面的比率。
29
2. 最低生态水位
➢ 水是生物体的重要组成部分，也是生命之源。根据水对生物的 生长发育的不同基点，可分为最高、最适和最低三个基点。
• 低于最低：水分不足使生物体内能力代谢紊乱，能力利用效 率降低，植物生长和生物合成作用减弱，原生质结构破坏， 物质吸收和运输受阻。
24
25
30
第四节 水文与湿地系统的相互作用
• 水文对湿地生态系统的影响 • 湿地生态系统对水文的影响
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1. 水文对湿地生态系统的影响
➢ 对植物物种组成与丰富度的影响
• 物种组成与丰富度水文过程对湿地物种组成和多样性影响具 有两面性，受水文周期和自然能量的影响。
➢ 植物对于湿地水分的蒸散发有什么影响？增加？降低？
6
2. 集水区和径流 ➢ 降雨被拦蓄时，无法形成地表径流，拦蓄的积水通过蒸
发和下渗输出系统。 ➢ 当雨量超过土壤下渗能力，雨水汇集成径流，并在更大更
广泛的低洼处汇集，形成湿地。 ➢ 由集水区形成的湿地受到地表水的影响：坡面漫流和河川
径流。 ➢ 集水区形成的湿地水量呈现明显的波动性。
➢ 地下水是湿地重要水源之一，存在于岩石颗粒之间或细微 的裂缝中，这些含水的岩石称为蓄水层。
➢ 地下水通过影响包气带土壤水分和盐分间接影响天然植物 生长状态。
➢ 地下水主要通过向上的运动补充土壤水分。 ➢ 地下水与湿地系统间存在流注-回灌作用。
10
第二节 湿地水平衡
• 湿地水文周期 • 湿地水量平衡 • 湿地水量平衡的要素 • 湿地水量预算
过高都影响芦苇的生长。 • 盖度指植物地上部分植投影的面积占地面的比率。
29
2. 最低生态水位
➢ 水是生物体的重要组成部分，也是生命之源。根据水对生物的 生长发育的不同基点，可分为最高、最适和最低三个基点。
• 低于最低：水分不足使生物体内能力代谢紊乱，能力利用效 率降低，植物生长和生物合成作用减弱，原生质结构破坏， 物质吸收和运输受阻。
24
25
水文学原理水文预报：水文预报原理与方法多媒体课件(水文培训班)
《 水文预报原理与方法》
多媒体课件
水 扬州大学水利与能源动力工程学院 学 大 州 2016.10 扬
利
学
院
《水文预报原理与方法》主要内容
《水文预报原理与方法》主要介绍河道洪水波形成与
传播的基本概念，河段洪水预报的基本原理与方法，降雨 径流预报的基本原理与方法。
扬
州
大
学
水
利
学
院
根据研究任务的不同，水文学可以分为以下几门学科：
扬
州
大
学
水
利
学
院
第一章
1、水文预报的任务和内容；
绪论
2、水文预报的作用；
在绪论中主要介绍以下几个方面的内容： 3、我国的水文情报预报工作及预报技术的发展；
一、水文预报的任务和内容 水文预报——是对自然界各种水体未来的水文现象及其变化进 行预报。它的任务就是分析研究水文现象的演变规律和水文预报技 术、预报方法，从而迅速地、准确地提供水文现象的定量或定性预 报。所以水文预报的内容是相当广泛的。 水文预报——就是根据已知的信息对未来一定时期内的水文状态 作出定性或定量的预测。 按水体在地球上所处空间位置的不同水文预报可分为： 海洋水文预报 陆地水文预报
文工作者就注意学习国外的经验，并结合我国的具体情况加以研究 和利用，经过多年实践，对于一些常用方法，如相应水位（流量） 法、流量演算法、单位线法，都从物理成因依据上作了深入的探 讨，并作出适合我国水文特点的改进。多年来，在对从国外引进的
水文流域模型进行研究的同时，提出了符合我国特点的流域水文模
型，并通过实践不断加以改进和完善--------新安江模型。
（9）相应流量（传播流量）：由水力学可知，洪水波的每一个位相都相应于一定的流量，
多媒体课件
水 扬州大学水利与能源动力工程学院 学 大 州 2016.10 扬
利
学
院
《水文预报原理与方法》主要内容
《水文预报原理与方法》主要介绍河道洪水波形成与
传播的基本概念，河段洪水预报的基本原理与方法，降雨 径流预报的基本原理与方法。
扬
州
大
学
水
利
学
院
根据研究任务的不同，水文学可以分为以下几门学科：
扬
州
大
学
水
利
学
院
第一章
1、水文预报的任务和内容；
绪论
2、水文预报的作用；
在绪论中主要介绍以下几个方面的内容： 3、我国的水文情报预报工作及预报技术的发展；
一、水文预报的任务和内容 水文预报——是对自然界各种水体未来的水文现象及其变化进 行预报。它的任务就是分析研究水文现象的演变规律和水文预报技 术、预报方法，从而迅速地、准确地提供水文现象的定量或定性预 报。所以水文预报的内容是相当广泛的。 水文预报——就是根据已知的信息对未来一定时期内的水文状态 作出定性或定量的预测。 按水体在地球上所处空间位置的不同水文预报可分为： 海洋水文预报 陆地水文预报
文工作者就注意学习国外的经验，并结合我国的具体情况加以研究 和利用，经过多年实践，对于一些常用方法，如相应水位（流量） 法、流量演算法、单位线法，都从物理成因依据上作了深入的探 讨，并作出适合我国水文特点的改进。多年来，在对从国外引进的
水文流域模型进行研究的同时，提出了符合我国特点的流域水文模
型，并通过实践不断加以改进和完善--------新安江模型。
（9）相应流量（传播流量）：由水力学可知，洪水波的每一个位相都相应于一定的流量，
河海大学 流域水文模型课件
下午4时30分 下午4时30分
如何学习生态学概论？
由小到大的尺度转换 由单元到整体的认识过程 由单一个体到复杂群体 由现象到科学的抽象过程
通过气孔，同时进行
光合和蒸腾
描述
系统论
下午4时30分
实验
控制论
定量
信息论
下午4时30分
描述
实验
定量
2
2014/10/30
个体 种群 群落 群落 群落 群落 群落 生态系统 景观
下午4时30分
第一章 第 章
绪 论
3
2014/10/30
AEFN
AEFN
岛屿
海洋
下午4时30分 下午4时30分
AEFN
森林
防护林 乔木
农田
下午4时30分
草本
下午4时30分
建筑物 农田
人（船） 鱼
下午4时30分
河流
下午4时30分
海洋
4
2014/10/30
生态环境问题
1986年第三世界环境保护专家们预测10大生态问题
1、世界人口急剧增长，到2010年，世界人口比1986年增加一倍。 2、森林遭到严重砍伐。森林正在以可怕的速度减少，造成严重 的水土流失。 3、野生动物大量灭绝，野生动物的生活环境遭到破坏，许多动 物绝种，影响生态平衡。 4、沙漠化日益严重。世界沙漠面积正在不断扩大，每年有两千 公顷农田被沙海吞没。 5、饮水资源越来越少，供饮用的淡水源逐渐减少，人类饮水问 题越来越大。
下午4时30分
全
球
下午4时30分
推荐阅读书目 水文生态学与生态水文学： 过去、现在和未来
（英）伍德，汉纳，赛德勒 著，王浩等译 出 版 社：水利水电出版社 出版时间：2009-12-1
如何学习生态学概论？
由小到大的尺度转换 由单元到整体的认识过程 由单一个体到复杂群体 由现象到科学的抽象过程
通过气孔，同时进行
光合和蒸腾
描述
系统论
下午4时30分
实验
控制论
定量
信息论
下午4时30分
描述
实验
定量
2
2014/10/30
个体 种群 群落 群落 群落 群落 群落 生态系统 景观
下午4时30分
第一章 第 章
绪 论
3
2014/10/30
AEFN
AEFN
岛屿
海洋
下午4时30分 下午4时30分
AEFN
森林
防护林 乔木
农田
下午4时30分
草本
下午4时30分
建筑物 农田
人（船） 鱼
下午4时30分
河流
下午4时30分
海洋
4
2014/10/30
生态环境问题
1986年第三世界环境保护专家们预测10大生态问题
1、世界人口急剧增长，到2010年，世界人口比1986年增加一倍。 2、森林遭到严重砍伐。森林正在以可怕的速度减少，造成严重 的水土流失。 3、野生动物大量灭绝，野生动物的生活环境遭到破坏，许多动 物绝种，影响生态平衡。 4、沙漠化日益严重。世界沙漠面积正在不断扩大，每年有两千 公顷农田被沙海吞没。 5、饮水资源越来越少，供饮用的淡水源逐渐减少，人类饮水问 题越来越大。
下午4时30分
全
球
下午4时30分
推荐阅读书目 水文生态学与生态水文学： 过去、现在和未来
（英）伍德，汉纳，赛德勒 著，王浩等译 出 版 社：水利水电出版社 出版时间：2009-12-1
黄土高原流域生态水文模拟和植被生态用水计算
参考内容
一、引言
黄土高原是中国乃至全球最具有代表性的半干旱地区之一，其复杂的地形和 脆弱的生态环境使其成为研究生态水文问题的热点区域。泾河流域作为黄土高原 的主要河流之一，其流域内的生态水文效应对整个区域的生态环境有着重要的影 响。因此，对泾河流域的生态水文效应进行评价，并优化调控流域内的植被分布， 对于改善区域生态环境，提高生态服务功能具有重要意义。
黄土高原流域生态水文模拟和植被 生态用水计算
01 引言
03 参考内容
目录
02 生态水文模拟
黄土高原流域生态水文模拟与植 被生态用水计算
引言
黄土高原位于中国北部，是一个具有独特自然环境的区域。该地区的土壤侵 蚀和水土保持问题备受。为了更好地保护黄土高原的生态环境，开展生态水文模 拟和植被生态用水计算的研究显得尤为重要。本次演示将介绍这两种方法的原理、 方法和结果，为黄土高原流域的生态保护提供理论支持。
3、气候调节：泾河流域的植被通过蒸腾作用调节气候。蒸腾作用可以降低 温度，增加大气湿度，对当地的气候具有重要影响。
三、植被适水格局优化调控研究
为了应对泾河流域面临的问题，我们提出了优化调控植被分布的策略。首先， 需要了解不同植被类型的需水规律。在此基础上，结合泾河的水资源情况，制定 出不同的植被适水格局方案。最后，通过模拟实验和对比分析，选出最优的方案。
结论
本次演示对黄土高原流域生态水文模拟和植被生态用水计算进行了详细阐述。 通过了解该地区自然环境和水文特点，我们能够更好地理解和保护当地的生态环 境。植被生态用水计算在维持植被正常生长、防止土壤侵蚀等方面具有重要作用。
然而，仍需进一步优化和完善现有的计算方法和模型参数，以更好地应用于 实际环境。总的来说，本次演示的研究成果为黄土高原流域的生态保护提供了有 益的参考，并为未来的研究方向和前景提供了重要思路。
流域生态水文研究
流域生态水文模型研究进展摘要：流域生态水文模型是全球变化下流域生态水文响应研究的重要工具，通过定量刻画植被与水文过程的相互作用及全球变化对流域生态水文过程演变的影响机制，为流域水资源管理和生态恢复提供科学支撑，是生态水文研究的前沿和热点。
基于植被与水文过程相互作用规律，流域生态水文模型一方面要充分描述植被与水文过程相互作用和互为反馈机制，另一方面要精确刻画流域的空间异质性。
本文在分析流域尺度陆地植被与水文过程相互作用特点的基础上，将现有流域生态水文模型进行归纳和分类，剖析不同类型模型的优缺点，并总结现有模型应用的代表性研究成果，最后，对流域生态水文模型存在的关键问题(如植被与水文相互作用机制的描述、模型参数的估计、模拟结果的不确定性分析等)进行讨论。
在全球变化加剧水资源危机的背景下，传统的水文学研究难以解决流域出现的新问题，生态水文过程的耦合研究日益引起学者们的关注[1-6]。
国际地圈生物圈计划及联合国教科文组织(UNESCO)国际水文计划(IHP)等都将陆地植被生态过程与水文过程的耦合研究作为核心内容1992年召开的国际水和环境会议首次将生态水文学作为一个独立的学科提出，其核心是在不同的时空尺度上揭示不同环境条件下植物与水的相互作用关系，为解决流域水资源危机和生态环境问题提供理论支持。
指出生态水文耦合研究将是21世纪水文学研究最前沿和最激动人心的创新领域。
流域生态水文模型是定量评估环境变化流域生态水文响应的重要工具，通过定量刻画植被与水文过程的相互作用及全球变化对流域生态水文过程演变的影响机制，为流域水资源管理和生态恢复提供科学支撑。
目前，国内外对流域生态水文模型已开展了一定深度的研究，并取得了一些阶段性成果。
本文主要针对陆地生态系统的流域生态水文模型，在分析陆生植被与水文过程相互作用特点的基础上，将现有的生态水文模型进行了归纳和分类，剖析不同类型模型的优缺点，并总结现有模型应用的代表性成果，最后，对流域生态水文模型存在的关键问题进行讨论。
扬大水文学原理Ch10
d Q (t ) I ( ) (t )
(t ) Q ( t ) I ( ) d 0
t
应用等流时法进行流域汇流计算举例 已知:(1)时段长为t 的净雨过程h1、h2、h3 (2)出流时间在0～t、
t～2t 、2t～3t间的等流时面积分别为1、 2、 3。
0
t
t A(t ) Q(t ) I ( )d 0 将 Q( t ) 0 ( 0 ,t )I ( )d 与 t (t ) / Q (t ) I ( )d A 0 ( 0 ,t ) ( 0 ,t )
将（2）代入（1）得：
d n 1Q d nQ dQ d m 1I d mI dI bn n 1 bn 1 n ...... b0 Q I am m 1 am 1 m ...... a0 dt dt dt dt dt dt
引进微分算子
D
d dt
上式又可简化为：
f a0 I
f I
其中
a1
…… am
f I
m
f b0 Q
b1
f Q
m0
a
……
m
m
m
I bn Q
n 0
n
n
bn
f Q
n
I(t)、Q(t)、S(t)之间的关系最终可简化为：
dS ( S — 全流域蓄量） dt 简化性流域蓄泄关系（“水库”作用） S b0Q (b0 — 系数） I (t ) Q (t )
二、流域蓄泄关系 （区分河槽蓄量变化关系） 令流域蓄水量S，那么在前面讨论的流域调蓄作用必然受到下列 流域水量平衡方程的支配。
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Roof Vegetation: Sedum
Four-Component Radiometer
Indoor Thermal Couple Meteorological Station
12
Vegetated Roof in Beijing Urban Area
(Beijing site, 2009.06~)
(1) Instruments: Meteorological system, eddy covariance system, soil profiles, crop growth status, leaf-level gas exchange, water quality. (2) Observation Items: a. wind speed/direction, air temperature/humidity, air pressure, surface temperature, precipitation, radiation; b. Latent/sensible heat flux, soil heat flux, carbon dioxide flux, soil evaporation, soil respiration; c. Stomatal conductance, photosynthesis rate, transpiration; d. Soil temperature, soil moisture, soil water potential, groundwater table; e. Leaf area index, dry biomass, crop yield; f. N-NO3 and N-NH4 concentrations in groundwater and soil water Photosynthesis rate
15
Oasis vegetation in the Northwest of China
(Korle site, 2007.09~)
(1) Instruments: Meteorological system, soil profiles, eddy covariance system(under construction) (2) Observation Items: a. wind speed/direction, air temperature/relative humidity, air pressure, surface temperature, precipitation, radiation; b. Latent/sensible heat flux, soil heat flux, carbon dioxide flux (under construction); c. Soil salinity, soil temperature, soil moisture, water table depth; d. Crop growing Cotton field
研究生专题讲座，2012.05.21
流域生态水文过程观测与模拟
楊大文 (yangdw@) 清华大学水利系
报告提纲
一、生态水文学的背景 二、生态水文过程观测及机理分析 三、生态水文模型构建及验证 四、气候变化的生态水文响应分析 五、生态水文学的研究思路
2
全球淡水仅占总水量的2.5% 而淡水中仅三分之一可以为人类利用
陕西榆林生态水文观测站位置
观测塔和涡度相关系统
2010年开始建设，2011年 6月正式开始连续观测。
榆林生态水文观测站下垫面情况
14
陕西榆林自然流域水文过程观测
榆林生态水文过程的初步观测结果
地表能量通量变化过程
沙柳（28.2%）
沙蒿（27.9%）
不同深度土壤体积含水率、温度、水势变化
主要植物覆盖度调查结果
蓝水：径流 （可再利用） （不能再利用）
气候变化的流域生态水文响应研究是水文学的前沿和热点
流域生态与水文过程之间存在着复杂的相互 作用，气候是二者的主要驱动力之一； 气候变化下的流域水资源变化，要求我们必 修研究生态过程与水文过程的耦合作用。
水文 过程 生态 过程
7
气候 变化
二、生态水文过程观测及机理分析
3
世界人口变化和预测
4
粮食生产需要大量水资源
5
人口增长导致水资源危机
全球缺水人口：5亿
40亿
全球人口：60亿
89亿
6
一、研究背景
水循环是一切水问题的科学基础，生态与水文过程相互作用是 流域水循环的关键环节 绿水：蒸散发
流域水循环决定水资源，影响生态系统； 粮食生产和植被生态维持是水的主要社会与生 态服务功能，也是“绿水”的主要消耗方式； 人类活动（如灌溉和水土保持等）直接影响生 态、水文及水资源。
(3) Observation results
50 GA 45 40 35 30 25 20 00 :00 02 :00 04 :00 06 :00 08:00 10:00 12 :00 14 :00 16 :00 18 :00 20 :00 22 :00 00:00 MT MB GRS CRS
Overall Runoff Retention
Long-term variability of CO2 flux
N-NO3
TN
N-NH4
Long-term variability of N concentration
11
Vegetated Roof in Beijing Urban Area
(Beijing site, 2009.06~)
(1) Instruments: Meteorological system, soil profiles, runoff flowmeter. (2) Observation Items: a. wind speed/direction, air temperature/humidity, air pressure, surface temperature, precipitation, radiation; b. Soil temperature, soil moisture, soil water potential; c. Precipitation, runoff d. Indoor surface and air temperature;
6 5 4 3 2 1 0 12:00
Rain : 80.8 mm Runoff : 44.9 mm Rtn. Ratio: 44.4
4
2
0 20:00
Temperature °C
Time
variability of roof surface temperature on a typical summer day
20110716
8
20110724
7
Intensity mm 5min
Intensity m m 5min
6
Rain : 61.0 mm Runoff : 12.5 mm Rtn. Ratio: 79.5
0 20 ) m 40 c ( h t 60 p e 80 d l i 100 o s120 140 0.2 0.4 0.6 0.8 1
M
The influential indices of mulched drip irrigation on soil salt
The soil water and salinity at the period of spring sowing (April 15th) under different non-growth flush styles 17
Eco-hydrologic Observations in the Water-limited Region
Mean PPT: 59 mm Mean Ta: 11.5 oC Vegetation: cotton Mean PPT: 399 mm Mean Ta: 8.4 oC Vegetation: sparse shrub & grass Mean PPT: 389 mm Mean Ta: 6.6 oC Vegetation: grassshrubdesert
Soil respiration
Soil profile
Flux tower 10
Plain cropland along the Downstream of Yellow River
(Weishan site, 2005.03~)
(3) Observation results
Long-term variability of ET
Soil profile
Laboratory
16
Oasis vegetation in the Northwest of China
(Korle site, 2007.09~)
(3) Observation results
The cotton yield and water utilization efficiency under different treatments
Mean PPT.: 534 mm Mean Ta: 13.8 oC Vegetat研 究所建设和维护 9
Plain cropland along the Downstream of Yellow River
(Weishan site, 2005.03~)
Agro-pastoral transitional zone in the Northeast of China
(Tongliao site, 2012~)
(1) Instruments: Meteorological sites, two eddy covariance systems (one for grazed meadow, another for desert), soil profiles, LAS (Large Aperture Scintillometer). (2) Observation Items: a. wind speed/direction, air temperature/relative humidity, air pressure, surface temperature, precipitation, radiation; b. Latent/sensible heat flux, soil heat flux, carbon dioxide flux; c. Soil temperature, soil moisture, soil water potential, water table depth; d. Leaf area index. Cropland
Four-Component Radiometer
Indoor Thermal Couple Meteorological Station
12
Vegetated Roof in Beijing Urban Area
(Beijing site, 2009.06~)
(1) Instruments: Meteorological system, eddy covariance system, soil profiles, crop growth status, leaf-level gas exchange, water quality. (2) Observation Items: a. wind speed/direction, air temperature/humidity, air pressure, surface temperature, precipitation, radiation; b. Latent/sensible heat flux, soil heat flux, carbon dioxide flux, soil evaporation, soil respiration; c. Stomatal conductance, photosynthesis rate, transpiration; d. Soil temperature, soil moisture, soil water potential, groundwater table; e. Leaf area index, dry biomass, crop yield; f. N-NO3 and N-NH4 concentrations in groundwater and soil water Photosynthesis rate
15
Oasis vegetation in the Northwest of China
(Korle site, 2007.09~)
(1) Instruments: Meteorological system, soil profiles, eddy covariance system(under construction) (2) Observation Items: a. wind speed/direction, air temperature/relative humidity, air pressure, surface temperature, precipitation, radiation; b. Latent/sensible heat flux, soil heat flux, carbon dioxide flux (under construction); c. Soil salinity, soil temperature, soil moisture, water table depth; d. Crop growing Cotton field
研究生专题讲座，2012.05.21
流域生态水文过程观测与模拟
楊大文 (yangdw@) 清华大学水利系
报告提纲
一、生态水文学的背景 二、生态水文过程观测及机理分析 三、生态水文模型构建及验证 四、气候变化的生态水文响应分析 五、生态水文学的研究思路
2
全球淡水仅占总水量的2.5% 而淡水中仅三分之一可以为人类利用
陕西榆林生态水文观测站位置
观测塔和涡度相关系统
2010年开始建设，2011年 6月正式开始连续观测。
榆林生态水文观测站下垫面情况
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陕西榆林自然流域水文过程观测
榆林生态水文过程的初步观测结果
地表能量通量变化过程
沙柳（28.2%）
沙蒿（27.9%）
不同深度土壤体积含水率、温度、水势变化
主要植物覆盖度调查结果
蓝水：径流 （可再利用） （不能再利用）
气候变化的流域生态水文响应研究是水文学的前沿和热点
流域生态与水文过程之间存在着复杂的相互 作用，气候是二者的主要驱动力之一； 气候变化下的流域水资源变化，要求我们必 修研究生态过程与水文过程的耦合作用。
水文 过程 生态 过程
7
气候 变化
二、生态水文过程观测及机理分析
3
世界人口变化和预测
4
粮食生产需要大量水资源
5
人口增长导致水资源危机
全球缺水人口：5亿
40亿
全球人口：60亿
89亿
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一、研究背景
水循环是一切水问题的科学基础，生态与水文过程相互作用是 流域水循环的关键环节 绿水：蒸散发
流域水循环决定水资源，影响生态系统； 粮食生产和植被生态维持是水的主要社会与生 态服务功能，也是“绿水”的主要消耗方式； 人类活动（如灌溉和水土保持等）直接影响生 态、水文及水资源。
(3) Observation results
50 GA 45 40 35 30 25 20 00 :00 02 :00 04 :00 06 :00 08:00 10:00 12 :00 14 :00 16 :00 18 :00 20 :00 22 :00 00:00 MT MB GRS CRS
Overall Runoff Retention
Long-term variability of CO2 flux
N-NO3
TN
N-NH4
Long-term variability of N concentration
11
Vegetated Roof in Beijing Urban Area
(Beijing site, 2009.06~)
(1) Instruments: Meteorological system, soil profiles, runoff flowmeter. (2) Observation Items: a. wind speed/direction, air temperature/humidity, air pressure, surface temperature, precipitation, radiation; b. Soil temperature, soil moisture, soil water potential; c. Precipitation, runoff d. Indoor surface and air temperature;
6 5 4 3 2 1 0 12:00
Rain : 80.8 mm Runoff : 44.9 mm Rtn. Ratio: 44.4
4
2
0 20:00
Temperature °C
Time
variability of roof surface temperature on a typical summer day
20110716
8
20110724
7
Intensity mm 5min
Intensity m m 5min
6
Rain : 61.0 mm Runoff : 12.5 mm Rtn. Ratio: 79.5
0 20 ) m 40 c ( h t 60 p e 80 d l i 100 o s120 140 0.2 0.4 0.6 0.8 1
M
The influential indices of mulched drip irrigation on soil salt
The soil water and salinity at the period of spring sowing (April 15th) under different non-growth flush styles 17
Eco-hydrologic Observations in the Water-limited Region
Mean PPT: 59 mm Mean Ta: 11.5 oC Vegetation: cotton Mean PPT: 399 mm Mean Ta: 8.4 oC Vegetation: sparse shrub & grass Mean PPT: 389 mm Mean Ta: 6.6 oC Vegetation: grassshrubdesert
Soil respiration
Soil profile
Flux tower 10
Plain cropland along the Downstream of Yellow River
(Weishan site, 2005.03~)
(3) Observation results
Long-term variability of ET
Soil profile
Laboratory
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Oasis vegetation in the Northwest of China
(Korle site, 2007.09~)
(3) Observation results
The cotton yield and water utilization efficiency under different treatments
Mean PPT.: 534 mm Mean Ta: 13.8 oC Vegetat研 究所建设和维护 9
Plain cropland along the Downstream of Yellow River
(Weishan site, 2005.03~)
Agro-pastoral transitional zone in the Northeast of China
(Tongliao site, 2012~)
(1) Instruments: Meteorological sites, two eddy covariance systems (one for grazed meadow, another for desert), soil profiles, LAS (Large Aperture Scintillometer). (2) Observation Items: a. wind speed/direction, air temperature/relative humidity, air pressure, surface temperature, precipitation, radiation; b. Latent/sensible heat flux, soil heat flux, carbon dioxide flux; c. Soil temperature, soil moisture, soil water potential, water table depth; d. Leaf area index. Cropland