变化环境下水文研究和水文模拟的几个关键问题
现代水文水资源学科体系及研究前沿和热点问题
现代水文水资源学科体系及研究前沿和热点问题一、本文概述随着全球气候变化的加剧和人类社会对水资源需求的日益增长，现代水文水资源学科面临着前所未有的挑战与机遇。
本文旨在全面梳理现代水文水资源学科的体系框架，深入剖析其研究前沿和热点问题，以期为相关领域的研究者和实践者提供有价值的参考。
本文将首先回顾水文水资源学科的发展历程，阐述其基本概念和研究范畴，明确学科的定位与使命。
在此基础上，将重点分析现代水文水资源学科的研究前沿，包括气候变化对水文循环的影响、水资源评价与管理、水生态系统保护与恢复、水文极端事件与灾害风险评估等方面。
本文还将探讨当前水文水资源领域面临的热点问题，如水资源短缺与危机、水权与水市场、水资源利用效率与可持续性等。
通过对现代水文水资源学科体系及研究前沿和热点问题的系统梳理和深入剖析，本文旨在促进相关领域的学术交流与合作，推动水文水资源学科的创新与发展，为全球水资源的可持续利用和管理提供科学支撑。
二、现代水文水资源学科体系随着科学技术的快速发展和全球水资源问题的日益凸显，现代水文水资源学科体系已逐渐形成为一个综合性的、多学科的交叉领域。
它不仅涵盖了传统的水文学和水资源学内容，还融入了环境科学、生态学、地理学、气象学、社会学、经济学等多个学科的知识和方法。
现代水文水资源学科体系的核心在于对水循环过程的深入理解和模拟，包括降水、蒸发、入渗、径流等各个环节。
在此基础上，学科体系进一步扩展至水资源的评价、规划、管理、保护等方面，形成了水资源工程学、水资源管理学、水资源经济学、水资源生态学等分支学科。
同时，现代水文水资源学科体系还注重与其他相关学科的交叉融合。
例如，通过与环境科学的结合，研究水资源的污染与治理；通过与生态学的结合，探讨水资源开发与生态保护的平衡；通过与气象学的结合，分析气候变化对水资源的影响；通过与社会学和经济学的结合，评估水资源的社会经济价值及其合理配置。
在研究方法上，现代水文水资源学科体系强调定量分析与定性分析相结合，注重数据的采集与处理、模型的构建与验证，以及预测与决策支持系统的开发与应用。
水利工程水文模拟研究
水利工程水文模拟研究水文模拟研究主要包括以下几个方面：1.水循环模拟：通过建立水文循环模型，模拟水的输入和输出过程，了解降水和蒸发对水库汇水过程的影响，为水库调度和洪水预警提供数据支持。
2.河流水动力学模拟：通过建立河流流动模型，模拟河道水流的流速、流量、水位等变化，分析河流对洪水的响应能力和对河道生态环境的影响，为河道治理和河流生态保护提供技术支持。
3.土壤水分模拟：通过建立土壤水分模型，模拟土壤中的水分变化，了解农田灌溉需水和农田排水的水平衡，为农田灌溉和排水管理提供技术指导。
4.水库调度模拟：通过建立水库调度模型，模拟水库的蓄水、放水和泄洪过程，分析不同调度方案对水库水位、供水能力和防洪能力的影响，为水库管理和水资源规划提供决策支持。
水文模拟研究的基本原理是根据数学方程和统计方法，将水文过程进行抽象和描述，建立数学模型，并通过计算机程序对模型进行求解和模拟。
模拟过程需要输入一系列的观测和参数数据，如降雨量、蒸发量、温度、土壤类型等，通过模型对这些数据进行处理和分析，得到模拟的结果。
模拟结果可以定量地反映水文过程的变化规律，为水利工程设计和管理提供技术依据。
在水文模拟研究中，常用的数学模型包括水循环模型、水动力模型、土壤水分模型等。
这些模型采用不同的数学方程和算法，结合实际观测数据和地理信息系统（GIS）技术，对水文过程进行描述和模拟。
常用的模拟算法包括有限差分法、有限元法、遗传算法、神经网络等。
水文模拟研究在实际工程中有着广泛的应用。
例如，在水利工程设计中，可以通过模拟研究不同工程方案对水文过程的影响，选择最合适的方案；在水库和河流管理中，可以通过模拟研究不同调度方案对水库水位和河道流量的影响，优化水库调度和水资源调配；在洪水预警中，可以通过模拟研究预测洪水的发生时间和影响范围，提前采取防洪措施。
总之，水利工程水文模拟研究是水利工程设计、规划和管理中不可或缺的一部分，通过建立数学模型和模拟算法，对水文过程进行模拟和预测，为水利工程决策提供科学依据和技术支持。
我所知道的水文学研究存在的问题Microsoft Word 文档
My view
水文学研究存在的问题
列举如下：
1.由于研究所采用水文法和水保法的缺陷，水保措施的各项水循环
效应不能进行精确定量。
2.由于缺乏很好的模型工具，目前大多数成果属于定性研究或者估
算得到。
3.受数据资料不足及尺度空间分布问题限制，很多模型谬误化高。
4.缺乏观测资料流域的水文预测。
：
5.水面源污染物产生过程模拟、不同环境条件下的水化学模拟参数
的获取、水质模拟与水文模拟的尺度问题等方面仍然需要开展大量的基础研究。
6.目前的研究多局限于微观群落尺度，在流域景观尺度上还大都停
留在空间统计分析上，综合模拟理论和方法尚未形成，无法满足我国缺水地区水土平衡战略、水资源高效利用、受损生态系统修复等方面的国家重大科学需求。
7.已开展的耦合模拟研究也是处在松散耦合模拟阶段，模型之间只
是进行了简单机械的参数传递，尚不能在深刻明晰相互作用机制的基础上，进行紧密耦合型的系统模拟，以制定满足客观需求的合理生态与环境目标。
8.由于缺乏系统的耦合模拟分析平台，使得人类各项水资源开发利
用及调控措施的生态与环境效应不能得到有效揭示，也难以制定出科学的、适应性的生态水文综合对策。
9.而我国对梯级水电开发问题虽然重视，但投入的科研人力和经费
都还远远不够，更没有开展对水体污染的治理。
10.虽然近年来设立了流域水循环研究室，但从事水文学研究的人
员仍然偏少，没有形成研究体系。
11.我国目前尚未推出一个成熟的模拟与管理软件包，与欧美发达
国家的同行相比有很大差距.。
水文学原理试题及答案
水文学原理试题及答案一、选择题。
1. 下列哪个不是水文学的基本原理？A. 水的循环。
B. 水的地质作用。
C. 水的生态环境。
D. 水的地表流动。
答案，B。
2. 水文学研究的对象是什么？A. 地表水。
B. 地下水。
C. 海洋水。
D. 所有水体。
答案，D。
3. 水文学的研究内容主要包括以下哪些方面？A. 水资源调查。
B. 水文地质。
C. 洪水预测。
D. 所有选项。
答案，D。
4. 以下哪个不是水文学的研究方法？A. 地质勘探。
B. 水文调查。
C. 水文模型。
D. 数值模拟。
答案，A。
5. 水文学原理研究的主要目的是什么？A. 预测水资源的分布。
B. 防洪减灾。
C. 保护水环境。
D. 实现水资源可持续利用。
答案，D。
二、填空题。
1. 水文学是研究地球表层水循环规律的学科，它是地球科学的一个重要分支。
2. 水文学研究的对象包括地表水、地下水和冰雪水。
3. 水文学的研究方法主要包括水文调查、水文模型和数值模拟。
4. 水文学原理的主要目的是实现水资源的可持续利用。
5. 水文学原理的研究内容主要包括水文地质、水文地貌和水文气象等方面。
三、简答题。
1. 请简要介绍水文学的基本原理。
水文学的基本原理主要包括水的循环、水的地表流动和水的地下流动。
水的循环是指地球表层水在大气、陆地和海洋之间不断循环的过程，包括蒸发、降水、融化和蒸发等环节。
水的地表流动是指地表水在地表流动的过程，包括河流、湖泊和水库等。
水的地下流动是指地下水在地下流动的过程，包括地下水补给、地下水位和地下水动力等。
2. 请简要介绍水文学的研究对象和方法。
水文学的研究对象包括地表水、地下水和冰雪水，主要研究水的分布、变化和运动规律。
水文学的研究方法主要包括水文调查、水文模型和数值模拟，通过对水文数据的收集和分析，建立数学模型和进行数值模拟，来研究水文学的规律和特点。
四、综合题。
1. 请结合实际案例，说明水文学原理在水资源管理中的应用。
水文学原理在水资源管理中起着重要作用，通过对水文学原理的研究，可以预测水资源的分布、变化和利用情况，从而合理规划和管理水资源。
水利水电工程中的水文模拟与预测
水利水电工程中的水文模拟与预测水文模拟与预测在水利水电工程中起着重要的作用。
随着对水资源的日益重视，水文模拟与预测成为评估水力资源开发利用的不可或缺的工具。
本论文将探讨水文模拟与预测在水利水电工程中的应用及其关键技术，并对今后的发展前景进行展望。
一、水文模拟与预测的意义水文模拟与预测是指利用数学模型和统计方法，根据历史水文数据和地理环境条件，对目标区域的未来水文变化进行预测和模拟。
其意义主要体现在以下几个方面：1. 优化水资源配置：通过水文模拟与预测，可以合理预测未来的水文情势，从而采取相应的调控措施，优化水资源配置，合理安排水库的蓄水和放水计划，确保水力发电的稳定运行，并提高水资源的利用效率。
2. 预防水灾风险：水文模拟与预测可以预测暴雨洪水等自然灾害的发生情况，为防范水灾风险提供科学依据。
通过实时监测水文数据，并结合水文模型进行预测，及时采取措施，减少洪涝灾害对人民生命财产的损失。
3. 调整水电站发电策略：水文模拟与预测能够根据水文预报，合理调整水电站的出力计划，平衡电网负荷，确保电力供应的稳定性。
同时，还可以预测水库的蓄水量，提前做好调度，有效应对枯水期的来临。
4. 为水资源管理提供科学依据：水资源的合理管理离不开水文模拟与预测的支持。
通过模拟和预测，可以研究水文过程、预测水文变化对水资源的影响，为水资源管理提供科学依据，探索可持续利用水资源的方法。
二、水文模拟与预测的关键技术水文模拟与预测的关键技术主要包括以下几个方面：1. 数据采集与处理：水文模拟与预测需要大量的水文数据作为输入，包括降雨数据、蒸发数据、径流数据等。
对于遥感、地面监测等多种方式获得的水文数据，需要进行有效的处理和评估，消除噪声和不确定性。
2. 水文模型的构建与验证：水文模拟与预测需要建立一套科学合理的水文模型，以模拟和预测未来的水文变化。
常用的水文模型包括基于物理原理的分布式模型、基于统计分析的单站模型等。
在构建水文模型时，需要对模型进行适当的验证和调整，提高模型的可信度和适应性。
如何进行水文模拟与预测
如何进行水文模拟与预测水文模拟与预测是一项重要的工作，对于水资源管理和防洪减灾具有重要意义。
通过模拟与预测，可以有效地评估水文过程，掌握水资源的变化规律，提前预警水灾风险，并制定相应的应对措施。
本文将从数据收集与处理、模型建立与验证、预测与应用等方面，探讨如何进行水文模拟与预测。
一、数据收集与处理水文模拟与预测的第一步是收集与处理相关数据。
水文数据主要包括降雨量、蒸发量、径流量等各项指标。
为获取准确可靠的数据，我们可以利用现代化的水文观测设备，如雨量计、蒸发计和流量计等进行监测。
这些观测设备应部署在具有代表性的水文站点，以保证数据的全面性和可比性。
收集到的水文数据需要进行初步处理，主要包括数据校验和填补。
校验过程中，需要检查各个观测站点的数据是否存在异常值或缺失值，并对其进行修正或填补。
此外，还需要对数据进行时间序列分析，了解各项指标的变化趋势和周期性规律，为后续建模与预测提供依据。
二、模型建立与验证在数据处理的基础上，我们可以利用数学模型来模拟水文过程。
水文模型有很多种，常用的包括分布式模型、单位线模型和参数模型等。
模型的选择应根据具体情况，考虑数据的可获得性和模拟效果等因素。
模型的建立需要利用已知的水文数据进行参数估计与模型校准。
参数估计过程中，可以采用最小二乘法、贝叶斯推断等方法，找到最优的参数组合。
在模型校准阶段，需要利用观测数据进行模拟，比较模拟结果与观测结果的差异，并对模型进行修改和优化，直至模拟结果能较好地拟合观测数据。
模型的参数估计和校准完成后，还需要进行模型的验证，以评估其预测能力和适用性。
验证过程中，通常将历史数据分为建模期和验证期，利用建模期的数据进行模拟，并将模拟结果与验证期的观测数据进行对比。
如果模型的预测结果能较好地逼近观测结果，即可认为该模型是可靠的，可以用于未来的预测工作。
三、预测与应用完成模型的建立和验证后，我们就可以进行水文模拟与预测工作了。
预测的目标可以是水文过程的任何一个环节，如降雨量、径流量、水位等。
水文水资源面临的主要问题及解决方法
水文水资源面临的主要问题及解决方法作者：拉巴来源：《科学导报·学术》2019年第43期摘;;要：水资源管理问题与人们生产生活息息相关，同时水也是保证生命的关键因素。
然而随着文明的发展进步，越来越多的水利工程数量使得目前水文水资源面临着多方面的问题，包括水文气象与水资源的紧密关系配合等，均产生了多种问题，严重影响了水文水资源工作的后续开展。
本文简述了我国水文气象与水资源面临的问题，并提出了一些解决措施。
关键词：水文水资源;问题;措施水是生命之源，一切生命的成长都需要水作为基础部分，因此，水资源无论是从个人层面还是从国家层面来说都极其重要。
但由于我国地区特点，水资源分布不均，再加上各处区域的气候条件不稳定，部分地区干旱与洪涝等灾害较为频繁，导致现今的水文水资源面临着较多问题，严重影响后续工作的开展。
一、我国水文气象面临的主要问题（一）洪涝灾害洪涝灾害经常发生在汛期，包括主汛期、秋汛以及凌汛等，受气候影响较大。
由于降水原因，在我国长江以南以及西北的部分地区都会产生洪涝，外部可一直延展至西藏与西南，均有洪涝灾害发生[1]。
其中，包括松花江流域以及太湖等，均发生过特大洪水，严重威胁人们的生命财产安全。
（二）干旱干旱主要影响的地方主要是华北地区，同时由于黄河断流时有发生，因此周边地区的干旱也并不罕见。
另外还有云南、贵州等等地，均发生过持续干旱的事件，造成大部地区供水较为困难。
以2010年播种小麦为例，播种面积3700万亩，但受到干旱影响最终导致产量严重下降甚至颗粒无收的面积达到了3148万亩，干旱对作物的影响无疑是巨大的。
（三）雾霾天气雾霾的成因较多，大部分都是因为环境污染严重再加上城市供暖排放二氧化碳的量增多，但其与水文气象也同样有着密不可分的关系。
水库每天都要蒸发掉大量的水蒸气，水库上方的空气自然会较为湿润。
空气遇上湿润的空气会凝结成气团，但由于风力并不能成为降雨的产生条件，因此空气中的尘埃颗粒逐渐增多，最终形成雾霾。
水文模拟在自然科学中的使用教程
水文模拟在自然科学中的使用教程随着科学技术的不断进步，水文模拟成为了自然科学领域中一种重要的工具。
它可以帮助我们预测水文过程，分析水资源的利用和保护，以及评估水环境的变化。
本文将介绍水文模拟的基本原理和常用方法，以及如何应用它来解决实际问题。
一、水文模拟的基本原理水文模拟是通过建立数学模型来模拟和预测水文过程的一种方法。
它基于一系列的物理方程和统计关系，通过计算机程序对水文系统进行数值模拟。
水文模拟可以分为两种类型：分布式模型和集中式模型。
分布式模型是将流域划分为多个子流域，每个子流域都有自己的特征和参数。
这种模型可以更准确地模拟流域内不同地区的水文过程，如降雨、蒸发、径流等。
常用的分布式模型有SWAT（Soil and Water Assessment Tool）和HEC-HMS （Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System）等。
集中式模型则将整个流域看作一个整体，通过简化和统计的方法来模拟水文过程。
这种模型适用于数据较少或对模拟精度要求不高的情况。
常用的集中式模型有HBV（Hydrologiska Byråns Vattenbalansavdelning）和VIC（Variable Infiltration Capacity）等。
二、常用的水文模拟方法1. 降雨径流模型：降雨径流模型是水文模拟中最基本的模型之一。
它通过描述降雨和径流之间的关系来模拟流域的径流过程。
常用的降雨径流模型有SCS-CN （Soil Conservation Service Curve Number）模型和IHACRES（Identification of Hydrographs And Component flows from Rainfall, Evaporation and Streamflow data）模型等。
2. 地下水模型：地下水模型用于模拟地下水的流动和补给过程。
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地表水模型发展过程
地下水模型发展过程
1800
推理公式模型, 1850 谢尔曼 , 1932 流域单位线
1900
Darcy 定律, 1856 Dupuit公式，1863 Boussinesq方程，1877 Slichter （拉普拉斯方 程），1889 Meizner 公式，1923 Theis方程式， 1935 Jacob公式，1940 Hubbert 方程，1956 Neuman 有限元，1969 Jacob Bear多孔介质流体 动力学， 1972 MODFLOW， 1975 地表地下水耦合模型
参数率定，分段检验
• 气候变化，土地利用变化的水文响 应
– 非平稳的序列，非稳定的关系
• 区域和全球尺度的水文模拟
– 无资料流（区域） – 气候和下垫面在空间上的异质性
？
• 水文模型和气候模型的耦合
– 时间和空间尺度的不匹配 – 参数的确定（率定）
过去的研究工作
– 选择一个（有时多于一个）水文模型，用历史资料 作参数率定和模型检验 – 用不同的方法产生将来的气候变化情景，用于水文 模型的输入， – 用率定好的水文模型模拟将来的水文情景
它代表了过去的20年里模拟环境变化下的水文相应的方法和水平。
举例
Xu, 1999. Water resources Management
举例
Xu, 1999. Water resources Management
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
现在的认识水平
– 不同的水文模型即使在率定期和检验期的结果相差 无几，一旦用将来的气候变化情景作为水文模型的 输入，其模拟的将来的水文情景相差巨大 – 即使同一个模型用不同时期的历史资料率定的参数 其模拟的将来的水文情景也相差巨大
Example:
Parameter values change with time period! How can we couple it with climate model that run in a time step of 15min?
Littlewood et al. 2008
何为将来的研究方向？
Case 1
Mean annual Runoff and change (2010-2029 vs 1990-2009)
RegCM4 R2
20 E
°
10 E
° 10 S ° 20 S ° 30 S
°
30 E
°
Runoff RegCM4 R2
40 ° E
10 E
° 10 S
°
20 E
°
30 E
°
40 ° E
LHM (G1 & G2)
Improve the land surface hydrologic characteriztions of GCMs, RCMs Surface energy balance GCM-generated rainfall, Radiative fluxes, humidity, etc Rectangular grids Conceptual towards physically based 10 – 30 minutes > 1 000 000 km2 possible
From A. V. Fedorov et al. Science 312, 1485 (2006) 5
环境变化的水文响应
• 一阶矩的非平稳性
– 均值的趋势变化
水资源估算
• 高阶矩的非平稳性
– CV 、Cs 、自相关系数 等变化 – 频率变化, – 概率分布变化
频率计算， 水文设计
• 水文关系非平稳性
Land surface processes Model
N=1
N=2
N=N
N=N+1 Bare soil
λE H RL RS E1 Ec Et P Canopy W1c Layer 1 W2c Layer 2 Qd Q12 Qb
33
Uncertainty problems in modeling
Parameter uncertainty
° 20 S
° 30 S
0 100 200 300 400 >500
-75 -50 -25 <-100
Mean annual (2010-2029)
mm yr-1
0 %
25 50 75 >100
relative change
Li et al., SoCoCA
Case 1
Mean monthly change 2010-2029 vs 1990-2009
Jiang, Chen, Xu, 2007. Journal of Hydrology
Example:
也就是说，到目前为止发表的所有有关水 文模型模拟的将来气候变化情景下的水文 响应结果都是有问题的
原因？
Example:
Parameter values change with time period! Which parameter set shall we use? Merz, Parajka, Blöschl, 2011, Water Resources Research
1950 1960 1970 1980 1990
菲利浦, 1954
Nash， Dooge 线性串联 水库 集总式概念性水文模型 时间序列分析随机模型
分布式物理模型，SHE 大尺度分布式水文模型， 陆面过程模型
环境变化
• 气候变化
– 自然变化 – 异常变化-人类活动影响
• 流域下垫面变化
– 自然变化 – 异常变化-人类活动影响
2.异参同效性问题(Equifinality)
不同的参数模拟出同样的结果
2.异参同效性问题(Equifinality)
原因
不同的参数模拟出同样的结果
异参同效性
模型结构 -结构过于复杂, -过参数化 overparameterization
现有资料不足 -仅靠流量资料来率定参数 -流量资料不足于约束所有参数
Example:
Jiang, Chen, Xu, 2007. Journal of Hydrology
Future water resources depend on model or climate?
Example:
Future water resources depend on model or climate?
Xu, 1999. Agricultural and Forest Meteorology
Can we Couple hydrological models With climate models?
Theoretically yes, In practices, no
30
Theoretical Base
Concept Inputs
Spatial discretization Modelling approach Temporal scale Spatial scale Coupling with GCM
Modified from: Sivapalan & Blöschl (1997)
Xinanjiang Model
– 降雨径流关系的变化 – 其它水文要素关系的变化
环境变化与 水文响应， 预测，管理
降雨径流关系的非平稳性
年降雨和径流的累积曲线 1956-2005. Unit: 103 mm
Zhang et al., 2011
何为前沿？
• 过去的研究：
– 甄别和模拟水文气候资料的历史变化趋势代表10年前的研究水平.
资料误差 -系统误差造成水量平衡误差影 响参数显著水平
LWBM
Water resources planning and management Surface water balance Rainfall, evaporation, land use, etc Subcatchments/grids Conceptual 1 day – 1 month > 100 000 km2 No
Water balance
Energy balance
Radiation budget
Types of large scale hydrological models
Model type
Use
CHM
Flood forecast, Design understanding Catchment water balance Rainfall, evaporation, land use, etc Sub-catchments/grids Empirical, conceptual, physically-based <1 hour to 1 year <5000 km2 No
Model uncertainty
34 sources
Uncertainty problems in modeling
Uncertainty exists in every step
Many methods based on Bayesian theory have been developed and used. Decomposition of the total uncertainty into individual sources is challenging! 35 et al.) (GEWEX 05, Duan
Xu, 1999. Agricultural and Forest Meteorology
Stability of parameter values with time