杨大文-流域生态水文学2014
河流生态水文学研究进展
河流生态水文学研究进展摘要:生态水文学是20世纪90年代兴起的一门新兴边缘学科,主要从流域尺度上研究水文与生态之间的相互关系,探索实现流域生态平衡与水资源可持续利用的新途径。
通过对生态学与水文学相关关系的分析,提出了河流生态水文学的概念与内涵,综述了河流生态水文学的研究进展,着重介绍了水文与生态的相互关系、水利工程的生态效应、河流生态需水量,以及河流生态系统的恢复,并在此基础上,结合中国实际情况,指出了河流生态水文学的研究重点,提出了未来的研究方向。
关键词:生态水文学河流生态系统水文过程生态修复生态水文学是20世纪90年代兴起的一门研究生态过程和生态格局水文机制的边缘科学,于1992年在都柏林国际水与环境大会上作为一门独立的学科提出来,目的是寻求对水文因子与生态系统间结构与功能的理解,是水资源可持续管理的方法[1]。
生态水文学源于湿地生态系统管理和恢复的研究,1996年Wassen[2]等第一次提出了生态水文学的定义,他们认为:生态水文学是为了更好地理解湿地生态系统自然发育以及评价湿地系统价值、保护和恢复的一门应用科学。
2000年Zalewski[3]提出的定义受到了较为广泛的认同,他认为:生态水文学是在流域尺度上研究水文学与生物区功能上的相互作用,是水资源可持续管理的一种新方法。
目前,生态水文学的研究已得到迅速的发展和广泛的重视,成为热点问题。
越来越多的研究人员将理论生态学应用于河流管理以便保护沿河生物群栖息场所的研究,营养物在河道、洪泛平原和河岸区内的迁移规律的研究,以及河流廊道对生物种群结构和空间生态结构的影响方面的研究。
由于人为干扰日益严重,河流生态系统退化已是全球性的生态环境问题,河流生态水文学研究被寄予厚望,成为生态水文学研究的中心问题。
1 河流生态水文学概念与内涵河流生态系统指河流水体的生态系统,属流水生态系统的一种,是陆地与海洋联系的纽带,在生物圈的物质循环中起着主要作用,具有栖息地功能、过滤作用、屏蔽作用、通道作用以及源汇功能。
水文学
ｎ ｍｅ ｃｌ ｉ ｌ ｉｎｏ ｉ ｃｒｓｏ ｓ ｕ ｒ ａ ｓ ａ ｏ ｆ ｅ ｍｉ ｅｐ ｎｅ旰Ｕ ｉ ｍｕ ｔ ｓｓ ，中］杨林德（ ／ 同济 大学岩土及地下工程教育部重 点实验 室，上海 ２ ０ ９ ） ０ ０ ２，王国 波 ， 永 来 ， 险峰 ∥岩 土 工 程 学 报 ． ２ ０ ， ９１） １９ ～ 郑 马 一 ０ ７ ２ （２． ８ ２ 一
８７ ７６ ０ ０ ０ ７ １０・ ５ 水 文 学 ７ ５ 长 江 上 游 水 沙 变 化 分 析 －Ａ ａ ｓ ｎｃ ａｇ ｆ ａｅ ｏ ｄ － ｎ ｙ ｉ ｏ ｈ ｅｏ ｔ ｆ ｗ ａ ｌ ｓ ｎ ｗ ｒ ｌ ｎ
温室 内作物腾发量计算 与验证 ＝Ｃ ｌｕａｉ ｄ ｖｒ ｃ ｔ ｎｏ ａｃｌｔ ｎ ａ ｅ ｆ ａｉ ｆ ｏ ｎ ｉ ｉ ｏ ｃｏ ｖｐ ｔ ｓｉ ｔ ｎｉ ｇｅｎ ｏ ｓ 刊 ，中］ 陈新 明（ ｒｐｅａ ｏ ａ ｐｒ ｉ ｒｅ ｈ ｕｅ［ ｒ ｎ ａｏ ｎ ／ 西北农 林科技大学水利与建筑工程 学院，杨 凌 ７ ２ ０ ） １ １０ ，蔡焕杰 ，李 红 星 ，王 健 ∥水 科 学 进 展 ． ２ ０ ， １（） ８ ２ １ 一 ０ ７ ８６． １ ￣８ ５ 一 以彭曼． 蒙特斯方程（ 简称 ＰＭ） ． 为基础 ，根据温室 内地表净辐射 的 规 律 ，推 导 出 了 计算 温 室 内地 表 净 辐 射 公 式 ，同 时引 进 作 物 冠 层 高 度 ，对 Ｐ Ｍ 方 程 中 与风 速 有 关 的 空 气 动 力 学 项 进 行 修 ． 正 ， 出了适合于计算温室条件下 参考 作物腾 发量的 ＰＭ 公式 导 ． （ 简称 ＰＭ 修） ． ．对 不同方法的计算值进行 了分析 比较 ，并应用 试验资料对 ＰＭ 修给 予 了验证 ．结果表 明， ． 修与实测值较 ． ＰＭ 为吻合 ，累计值平均误差仅 为 ９１ ．％．图 ２参 ６ 关键词：温室 ；作物 ；腾发量；彭 曼． 蒙特 斯方程 ；修正：验证
河海大学 流域水文模型课件
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
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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
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AEFN
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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
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草本
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建筑物 农田
人（船） 鱼
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河流
下午4时30分
海洋
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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。
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全
球
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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
GBHM模型原理及其在中尺度流域的应用
文章编号:100020240(2006)022*******GBHM 模型原理及其在中尺度流域的应用 收稿日期:2005207211;修订日期:2005210204 基金项目:国家“十五”科技攻关项目(2001BA610A 203);国家自然科学基金/日本学术振兴会项目(2004)资助 作者简介:王磊(1981—),男,江苏六合人,2004年在清华大学获硕士学位,现为日本东京大学博士研究生,主要从事水文模型及水资源规划研究.E 2mail :Wang @hydra.t.u 2tokyo.ac.jp王 磊1, 王忠静1, 尹 航1, 杨大文1, 何 杉2(清华大学水利系水文水资源研究所,北京 100084;2.水利部海河水利委员会,天津 300170)摘 要:分布式水文模型核心之一是对流域的离散方法.基于地形分析和单位线概念,G B HM 利用面积函数和宽度函数概化流域地形特性,将流域划分为一系列内部均一的流带和流条,形成均质坡面流单元,使模型可用一维水份运动方程描述降水产流过程.模型在永定河流域的应用表明,其原理和效率均较为满意.关键词:G B HM ;坡面流单元;流带;分布式水文模型中图分类号:P333.9文献标识码:A 流域地形特性是流域内最为重要的空间属性之一,对流域内的产汇流过程起着决定性的作用.许多模型都通过对流域内地形特性进行适当的描述以获得令人满意的水文模拟结果[1],如TO PMODEL以变源产流概念为基础,利用地形指数ln (α/tan β)反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响及空间不均匀性[2].TO PMODEL 模型结构简单,优选参数少,计算耗时少,但它对水文要素的空间变异性及水文单元的相互联系有些考虑不足[3].SH E 模型则将流域栅格化,空间变量在各栅格内相同,反映模型参数、降雨输入以及水文响应的空间分布性.但为保证精度,栅格单元尺寸不能太大,因此计算量大,在大尺度流域中难以应用[4].G B HM [5](Geomorp hology 2Based Hydrological Model )模型则结合TOPMODEL 和SH E 模型的优势,相对于TO PMODEL ,G B HM 模型对水文要素的空间变异性考虑更为完善,但是计算用时增加不多;相对于M IKESH E 模型,G B HM 模型的计算耗时又大大减少.因此,G B HM 适合于大尺度流域完整水文过程的模拟计算.1 G B HM 模型基本原理1.1 流域地形特性的描述(1)面积函数:如图1所示,首先定义x 为距离单元流域出口的流距,G B HM 模型面积函数为自单元流域出口至流带d x 的累积面积对流距x 的微分:A (x )=d A C (x )d x =A C (x )-A C (x -d x )d x(1)图1 G B HM 模型的“流带坡面”划分体系Fig.1 Flow interval 2hillslope scheme of G B HM (2)宽度函数:在G B HM 模型中,宽度函数定义为在x 位置处,流带d x 中河段的分布情况,即流带d x 中河段的数目.数学描述如下:W (x )=∑Ni =1n i(x ,di min,d i max )(2)式中:i 为河段编号;N 为该单元流域中河段的总数;d i min 和d i max 分别是第i 个河段的上游端和下游第28卷 第2期2006年4月冰 川 冻 土J OU RNAL OF G L ACIOLO GY AND GEOCR YOLO GYVol.28 No.2Apr.2006端距离该单元流域出口的流距.函数n i 定义如下:n i (x ,d i min ,d i max )=1,d i min <x <d i max 0,ot herwise(3)1.2 流域划分体系G B HM 模型的“流带2坡面”划分体系如图1(a )所示,在单元流域范围内,从源头到单元流域出口的汇流路径被划分为若干流带,显然每个流带中又包含着若干河段.假定在每一流带中,任一河段的两边具有对称坡面,并且这些坡面几何相似(通过坡长和倾角来表示),那么每一流带可以用若干几何相似的坡面来表示,每个这样的坡面就是一个坡面流单元.G B HM 基于坡面流单元所构造的模型,是一种具有物理意义的坡面响应模型.坡面流单元是垂直河流方向的梯形土柱,各土柱上水分运动由地表快速流运动、包括土壤水运动在内的SPAC 系统和地下水运动构成.如图1(b )所示,坡面通常简化为倾斜平面,宽d x (流带的宽度),倾角α(取流带中各网格的最陡坡降的平均值),坡长L 计算如下:L =A (x )2W (x )(4)式中:A (x )为面积函数;W (x )宽度函数.由上可知,计算单元的几何特性可以用流距的一维形式描述,即概化为x 的单值函数.1.3 流域空间特性表达(1)降雨.根据泰森(Thiessen )多边形原理:r (x )=∑mi =1r i ・a r i (x )/∑mi =1a r i (x )(5)式中:r (x )为流带内平均面雨量(mm );m 为流带内雨量站泰森多边形切片的数目;r i 为流带内第i 个雨量站泰森多边形切片的雨量值(mm );a r i (x )为流带内第i 个雨量站泰森多边形切片的面积(m 2).(2)土地利用和土壤类型分布.模型对土地利用和土壤类型分布概化如下:对每个坡面流单元,假设有n 种土地利用和m 种土壤类型,则两者的组合共有n ×m 种情形.将坡面沿河道方向再一次离散为若干相互平行的矩形,每个矩形代表流带内一种土地利用和土壤类型的组合即流条,各流条面积等于该流带中相应土地利用和土壤类型组合面积占流带面积的比例.各矩形所产生的径流直接汇入单元流域的主河道.在坡度、坡长、土地利用和土壤类型等水文要素已知的情况下,每个坡面流单元的产流模式可以认为是确定的[6].1.4 产流模型(1)冠层截留.冠层截留能力的大小与植被覆盖度和叶面指数成正比,对某一植被:S co (t )=I 0・K v ・L A I 0(6)式中:S co (t )为该植被在t 时刻的截留能力(mm );I 0为该植被一年中的最大截留能力(mm );K v 为该植被的覆盖率;L A I (t )为该植被在t 时刻的叶面指数;L A I 0为该植被一年中叶面指数的最大值.实际的冠层截留量由降雨量和冠层潜在储水能力共同决定.t 时刻冠层潜在储水能力为:S cd (t )=S co (t )-S c (t )(7)式中:S co (t )为t 时刻冠层的潜在储水能力;S c (t )为t 时刻冠层的蓄水量(mm ).考虑到降水速率r (t ),则在该Δt 时段冠层的实际截留量I actual 为:I actual (t )=r (t )Δt r (t )Δt ≤S cd (t )S cd (t ) r (t )Δt >S cd (t )(8) (2)蒸散发.模型中的蒸散发计算考虑以下部分:冠层、植被根系区、地表积水面和土壤表面.冠层蒸发与地表蒸发,依据实际蓄水量按实际蒸发能力计算;根系蒸发和土壤(裸土)表面蒸发,取决于潜在蒸发能力,而且取决于土壤特性、土壤含水量及地下水位.本模型中,将受植物根系分布影响的土壤沿竖直方向离散为N r 层(本次计算中取N r =10),分别计算每层的散发量.各类蒸发计算如下式:冠层的蒸发:E canopy (t )=K v K c E p S c (t )≥K v K c E p Δt S c (t )/ΔtS c (t )<K v K c E p Δt(9) 地表积水面的蒸发:E surface (t )=E p (1-K v )S s (t )≥E p (1-K v )ΔtS s (t )/Δt S s (t )<E p (1-K v )Δt(10) 植被根系区的散发:E tr (t ,j )=[K v K c E p ]f 1(Z j )f 2(θj )L A I (t )L A I 0(11) 土壤表面的蒸发:E s (t )=[E p (1-K v )-E surface (t )]f 2(θ)(12)式中:E canopy 为冠层的实际蒸发速率;E p 为潜在蒸发速率(mm ・h -1);K c 为作物系数;S c (t )为t 时刻冠层的蓄水量(mm );E s (t )为土壤表面的蒸发速率(mm ・h -1);θ为表层土壤的含水率;E tr (t ,j )为t 时刻根系区第j 层的散发速率;Z j 为第j 层的平均深度;f 1(Z j )为根系分布函数;f 2(θj )为土壤水7522期王 磊等:G B HM 模型原理及其在中尺度流域的应用分函数;θj 为第j 层的土壤含水率.(3)非饱和带土壤水运动.对于干旱半干旱或者半湿润地区,土壤含水量很难达到蓄满产流的状态,故土壤水运动中的水平分量可以忽略不计,只对竖直方向的一维运动用Richards 方程描述:5θ(z ,t )5t =-5q v 5z+s (z ,t )(13)式中:θ为体积含水率;s (z ,t )为源汇项,例如:蒸散发;z 为自地表竖直向下的距离,取向下为正(m );q v 为垂直方向的土壤水通量,以下式计算:q v =-K (θ,z )[5ψ(θ)5z-1](14)式中:K (θ,z )为导水率;ψ(θ)为毛细水吸力(m ).(4)地下水运动及其与河道的水量交换.根据图1(b )所作简化,地下水运动可以简化为沿坡面流动的一维运动,可用Darcy 公式模拟:q G (t )=K g ・(H 1-H 2)L/2・h 1+h 22(15)式中:K g 为潜水层的导水率(m ・h -1);L 为坡长(m ).1.5 汇流模型鉴于坡面2河道系统中复杂的河网与坡面位置确定的困难性,对径流演进模型进行了简化:假定流带中的所有坡面产流都直接排入单元流域主河道,则河网简化为主河道系统,在其中进行径流演进.径流演进采用一维动力波模型的连续方程和动力方程:连续方程:5Q 5x +5A r5t=q L (16)式中:x 为河道顺着径流演进方向的距离(m );t 为时间(s );A r 为河道的断面积(m 2);Q 为x 处的流量(m 3・s -1);q L 为侧向入流(m 3・s -1・m -1),由地表入流和地下入流两部分组成.动力方程:Q =S 1/20np2/3・A r 5/3(17)式中:S 0为河床坡度;n 曼宁系数;p 为湿周(m ).2 G B HM 模型在永定河流域的应用永定河是海河流域的一条三级河流,系官厅水库的主要水源.本文应用试点区域为永定河官厅水库入口以上流域,集水面积41692km 2.该流域属大陆性半干旱季风气候,十年九旱,春旱风大、夏热多雹、秋水集中、冬季寒冷.多年平均降水不足400mm ,其中1990年降水442mm ,略丰于该流域多年平均水平.2.1 数据准备建立流域的水文模型需要包括DEM 图、土地利用、土壤分类及等地理信息及相应参数,还包括降水、蒸发等气象数据以及用于模型率定、校核和验证的水文观测与还原资料等.本模型使用的基础数据来源与特征如下:(1)DEM 图(图2a ).原始D EM 图精度为30m ×30m 网格,相当于1∶50000的地形图,来源于国家测绘局.考虑到一般计算机的速度和其他可利用的地理信息精度,本模型计算中利用30m 精度栅格生成流域河网,用合成后的150m 精度栅格分块计算。
流域水文过程与植被相互作用研究现状评述
水文科学从以研究陆地水循环过程为核心的地表水文学、土壤水动力学、地下水动力学以及为生产实践服务的工程水文学现已逐渐发展成为综合研究水分、能量与物质（泥沙、二氧化碳以及营养物质等）耦合循环及陆面与大气相互作用、水文过程与生态过程相互作用等为主要内容的综合性、交叉性学科。
生态水文学是水文学与生态学的交叉学科，由于气候变化与人类活动加剧引起的流域植被生态退化问题日益严峻，同时由于流域水文过程与植被生态过程的紧密相互作用，流域植被生态水文问题近年来成为国内外的研究热点之一［1］。
基于文献调研，本文旨在从流域水文过程与植被相互作用机理、流域植被生态水文模型、气候变化下的流域生态水文响应三个方面阐述流域水文过程与植被相互作用研究的现状，分析流域生态水文学研究的发展历程与趋势。
1流域水文过程与植被相互作用规律研究1.1植被对水文过程的影响植被通过根系吸水和气孔蒸腾对水文过程直接作用，同时也通过其垂直方向的冠层结构和水平方向的群落分布对降雨、下渗、坡面产汇流以及蒸散发过程产生间接影响，形成了植被对水文过程的复杂作用。
植被对降雨的影响主要表现为冠层截留及茎干流对降雨的重分配作用。
植被的截留能力受植被类型、郁闭度、降雨量和降雨强度等因素影响。
一般情况下，郁闭度愈大、降雨量和降雨强度较小，植被的截留能力愈大。
据统计，我国各类森林生态系统的林冠降雨截留率的平均值为22%左右［2］。
流域水文过程与植被相互作用研究现状评述杨大文，雷慧闽，丛振涛（清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084）摘要：从流域水文过程与植被相互作用规律、流域生态水文模型、流域生态水文对气候变化的响应三个方面，对国内外相关研究现状进行了总结分析。
从中发现，当前流域水文学正在从以单一水循环过程为主要研究对象发展成以研究水分、能量与物质耦合循环以及水文过程与生态过程的相互作用等为主要内容的综合性、交叉性学科。
现关于流域水文过程与植被之间的关系研究多集中于单向作用的研究，如水文过程对植被的影响研究和植被变化对水文过程的影响研究，而对水文过程与植被之间的反馈机制以及对流域内土壤-植被-大气复杂系统的整体研究不足，缺乏对流域水文过程与植被相互作用机理的全面认识。
章光新!——精选推荐
流域作为人类活动和环境过程的功能地理区域!"#$%!直接关系到一个地区甚至一个国家的社会经济可持续发展和生态环境安全"目前!由于全球气候变化和人类活动的强烈影响!流域的可持续发展面临着严峻的挑战"首先!气候变化和人类活动严重地紊乱了流域水循环和生物循环的动态平衡"其次!流域水管理主要采用机械的水文工程方法!没有考虑流域尺度的水循环对生物地球化学演化的作用!&%"如在我国众多流域中因大规模进行水利工程建设而带来的水循环短路化#绝缘化及生态系统的孤立化等一系列问题!严重制约着流域社会经济可持续发展!’%"因此!我们必须采用生态水文学的理论思维和系统科学的方法来研究流域水文系统与生态系统#水循环与生态过程之间的相互作用关系!确保流域社会经济与生态环境协调#稳定#可持续发展!加快我国小康社会建设的进程"(流域生态水文学研究的内涵流域生态水文学$()*+,-.+/+01#.2!/,13142%是以流域为研究单元!应用生态水文学的理论思维和系统科学的方法!5%!在时空尺度上研究生态过程与水文过程相互影响#相互作用#共同耦合演进的过程#机理和机制!探求流域水资源持续利用与水环境安全管理的一门新型学科!最终目标是为流域社会经济与生态环境协调#稳定#健康发展提供科学依据和决策指导"流域不仅是土地利用综合评价与管理的基本地理单元!6%!同时也是生态水文学研究的最佳尺度"目前!流域土地利用7覆被变化$89::%和生态水文学的研究是国际地圈#生物圈计划$;<=>%重要的组成部分之一!?%"其中!生态水文学是在"??@年ABC3DE国际水与环境会议上正式提出的!是描述生态格局和生态过程的水文学机制的一门学科!其生态水文格局#生态水文过程与生态水文模型是重点研究内容!"F#"&%"两者之间的联系是因为土地利用7覆被变化能影响流域范围内径流#蒸腾#入渗和降水!然而!流域水循环必将影响和改变生态格局和生态过程!以及土地利用和相关的管理方法的选择"%流域自然因素对生态水文格局与过程的影响机理%12自然营力与地质环境塑造了流域基本的生态水文格局陆地表层系统在自然营力作用下!如第四纪新构造运动#火山地震等!其结构物质#地形地貌#水文地质环境等要素都发生了巨大的变化!塑造了流域基本的生态水文格局!同时原本的生态水文过程产生了紊乱!在新的驱动机制作用下!生态过程与水文过程相互作用!共同演变成相对稳定的生态水文格局"因此!研究流域自然演变历史对深刻认识近代生态水文过程有着重要的指导意义"重点是从时间序列上研究流域水文系统构造环境的演变#水文循环和水质演化的过程与规律#生态系统演替的规律及其趋势!尤其是加强对河流的洪泛平原的地质历史研究"洪泛平原是人类聚居和生产活动的主要场所!具有较高的生产力"同G.DEHDE4)C1B*()*+,-.+/I01#.2/,13142J+-+),0.章光新中国科学院东北地理与农业生态研究所K长春"LFF"@M1,*.+)-*;E-*D*B*+1N<+14,)O.2)E/P4,D0B3*B,)3I013142K:PQK:.)E40.BE"LFF"@K:.DE)流域生态水文学是以流域为研究单元!应用生态水文学的理论思维和系统科学的方法!探求流域水资源持续利用与水环境安全管理的一门新型学科"重点论述了流域自然地理要素演变对生态水文格局与过程的影响机理#流域生态水文格局与过程对土地利用和管理的响应机制以及建立特色流域生态水文模型的构思!并就流域生态水文学急需研究的重要科学问题作了详细的阐述和探讨!旨在为保证流域社会经济与生态环境协调#稳定#可持续发展提供科学依据和决策指导!加快我国小康社会建设的进程"流域生态水文学$生态水文格局$生态水文过程$生态水文模型$自然地理要素@A&A62)));BCDB+%))*02%;))&%;)A()*+,-.+/+01#.2/,13142D-)E+R-BCS+0*)OO32DE4*.+*.+1,2)E/-0D+E*DND0T+*.1/1N+01#.2/,13142*14,1O+)N*+,-B-*)DE)C3+ R)*+,,+-1B,0+-/+U+31OT+E*)E/-)N+R)*+,+EUD,1ET+E*T)E)4+T+E*)**.+R)*+,-.+/#-0)3+V Q+U+,)3H+2-0D+E*DND0D--B+-1N R)*+,-.+/+01# .2/,1314D0)3,+-+),0.K R.D0.T)2+E-B,+*.)*+01#+EUD,1ET+E*)E/-10D1#+01E1T2/+U+31O.),T1ED1B-32K01E-D-*+E*32)E/01E*DEB1B-32K R+,+ /D-0B--+/G.+2),+)-N1331R-W!*.+DEN3B+E0+T+0.)ED-T-1N E)*B,)34+14,)O.2N)0*1,-1E*.++01#.2/,1314D0)3O)**+,E-)E/D*-O,10+--+-X" *.+,+-O1E/DE4T+0.)ED-T-1N*.++01#.2/,1314D0)3O)**+,E-)E/D*-O,10+--+-1E*.+3)E/B*D3DY)*D1E)E/T)E)4+T+E*X#*.+01E0+DU+/1N 0.),)0*+,D-*D0+01#.2/,1314D0)3T1/+3VR)*+,-.+/+01#.2/,13142X+01#.2/,1314D0)3O)**+,E-X+01#.2/,1314D0)3O,10+--+-X+01#.2/,1314D0)3T1/+3XE)*B,)34+14,)O.2N)0*1,-ZL$LP"FFF#56&5[@FF’\"@#FF$@#FL收稿日期!@FF’#F’#"&基金项目!中国科学院知识创新项目[]^:_@#Q(#L@F#@\作者简介!章光新"男"长春市高新区蔚山路L"?&号"研究员"主要从事水文水资源与生态领域的研究#I#T)D3!Y.4‘aE+D4)+V)0V0E章光新!关于流域生态水文学研究的思考&%!"#$%&’"$(%%))*+,-.’"/%%%0第!"卷!##$年第%!期!总第期"&’()**+,-./01-!231-41-.,56+78,79:;39<=>6/3?<:6@6.?A9;9,:>3时"它是流域构造运动和水文过程演变的产物"洪泛平原的历史和结构决定洪泛的空间格局#方式$和地下水循环%补给区和水质"可见认识洪泛平原的地质历史是理解近代生态水文过程的基础!"#$&!B!流域自然地理要素演变对生态水文动态的影响流域的气候%第四纪沉积与土壤%地形地貌等自然地理要素的演变"对生态水文动态有着深远而重要的影响!%&$&水是维持生态系统平衡的重要因子"流域空间地理位置的不同"气候要素#降水量%蒸发量和温度等’也随之发生变化"直接影响着流域水循环过程和植被分异规律"如在不同类型流域(((西北干旱区内流河流域%南方热带雨林区流域%东北半干旱内陆河流域等"各自具有独特的水循环特征和生态水文景观&地表第四纪沉积对流域水循环条件有很强的影响"直接影响到含水层的渗透系数%持水能力和潜在的地表地下径流!%’$&土壤是植被生产的母体"营养元素和水分都是从土壤中汲取的"同时土壤的理化性质直接影响到界面水文通量和水质&流域的地形地貌不仅界定水的范围#面积%水域’"而且坡度降直接影响着物质流#如能量%物质和信息’的传输方向%速度和时间&流域边界可以影响到局部的气流和气候%迁徙流和物种分布的相关格局"以及污染的扩散流!%($&研究的主要问题有!!重点开展全球气候变化的区域水文响应%降水时空分异规律及其与生态系统耦合关系的研究"预测流域水文情势演变趋势及其对生态系统的影响机制)"加强流域赋水空间#土壤%地下含水层’水力特征时空演化对水文通量的影响研究"定量计算径流对频率分布和土壤水力特征的空间结构的敏感性!)%$)#利用流域数字高程模型*+,"提取重要水文特征参数"如坡度%坡向%流域界线%汇流网格等"建立流域分布参数水文模型和溶质迁移转化模型"预测变化环境下的水文水资源演变趋势"揭示物质流的传输途径%梯度变化速率以及最终归宿&C 流域生态水文格局与过程对土地利用和管理的响应机制流域作为一个完整而连续的自然综合体"其生态水文格局也具有连续性"主要表现在水文系统的连续性%生态系统的连续性%水域与陆域的连续性%陆域的连续性等方面!#$&但是"在大规模无序的人类活动作用下"流域生态水文格局的连续性遭到破坏"生态水文过程发生急剧的变化"流域生态水文系统的内部结构和功能产生弹性变化"通过自身调节"达到稳定状态"有时超越弹性限度可导致整个系统的瓦解和崩溃&CD%土地利用E 覆被变化!FGHH "对流域生态水文格局与过程的影响流域土地利用-覆被变化#./00’是一个相当复杂的过程"可从逐渐转变#外来种群逐渐入侵’到整个改变#草地转变为森林和耕地’!1($"直接作用于生态景观格局"景观格局中的植被可以在多个层次上影响降水%径流%蒸发和入渗"从而对水资源进行重新分配"由此影响和改变了流域水文循环过程&234546789:;;认为"在流域中土地利用的作用是至关重要的&土地利用使降水分成两部分!!*绿水+通过蒸腾作用由水蒸汽流向大气)"*蓝水+流到河流中或补给地下水&水文过程对流域土地利用具有高度敏感性"因此"水资源综合管理必须考虑水资源系统的土地利用和管理因素"它是实现水资源可持续利用的成功关键!1($&土地利用方式的变化也可直接导致水资源的利用方式和强度的改变"如在半干旱地区的雨养旱田改为灌溉水田"主要靠过度抽取地下水来灌溉"导致水位下降"形成降落漏斗"同时加速地下水与地表水体之间的水量交换&水利工程建设"可直接破坏流域的连续性"导致流域水循环短路化%绝缘化及生态系统的孤立化"紊乱生态水文格局和过程&土地覆被的变化能够有效地影响地表反射率%地表温度%下垫面的粗糙度和土壤<植被<大气连续体间的水分交换!=><="$&由上可见"运用*@+技术和模型技术"加强流域土地利用A 覆被变化条件下的生态水文效应研究"模拟不同土地利用情景下的生态水文过程"揭示生态<水文相互作用机理"为土地合理利用与退化的生态环境恢复重建提供了科学依据&CD!流域生态水文格局与过程在水环境安全调控中的作用和功能流域生态水文格局与过程在水环境安全调控中的作用和功能主要体现在以下两个方面&%"流域的淡水生态系统与营养负荷淡水生态系统被认为是四维结构系统"环境变量的空间格局和生物数量由纵向%横向%垂向和时间梯度来决定"它们之间通过水%能量和物质通量来联系!B($&水是地球表层系统中的物质和能量传输的载体"水文过程可以通过各种水文要素"如水位%流速%流量等影响营养物质在淡水生态系统的分布和富集&CD E:FFG3:H5;<IFJK9LJ4等学者认为"在流域水平方向上"水<营养元素的运移系统被陆地景观的结构"也就是陆地的形态,地貌结构$%土地利用,已耕种的土地"可耕土地$和土地覆被所决定&淡水生态系统周围的湿地%洪泛平原可通过改变地表径流和水文格局来影响地下水的补给%径流和排泄"在控制和降低营养物的沉积%运移%营养负荷"以及净化水质量等方面具有重要作用&!"土地不合理利用和管理带来的人为污染土地利用带来的点源与面源污染已引起国际社会的关注和重视&流域作为土地管理和社会经济发展的基本单元"土地不合理利用和管理给流域生态水文系统带来了严重的污染"在我国七大江河流域系统均遭受不同程度的污染&目前"国际上盛行合理利用自然湿地或构建人工湿地来处理污染物%净化水质"这是人为利用生态水文格局和过程来调控区域水环境安全的一种新型模式&针对上述科学问题"建议重点开展以下研究工作!!流域系统营养元素-盐分,盐渍土区$时空分异规律%运移机理以及与生态水文格局和过程的耦合关系)"流域生态水文过程及其演变机制"构建合理的生态水文格局"处理人类活动造成的污染)#流域水文系统及其水文化学过程对植物的成分%结构%分布和演替的影响!==$&"建立流域生态水文模型的构想流域生态水文模型是在揭示流域生态水文过程机理的基础上"建立的预测植被类型或植物群落对水文生境或水文地球化学生境变化的响应模型!=?$"为政府提供土地利用与管理的理论依据和科学决策&"D%生态水文模型研究进展简介生态水文模型已成为国际水文计划,IEM $和国际地圈<生物圈,I2NM $的热点研究课题&=>世纪’>年代中期"土壤O 植被<大气连续体,@MC0$概念引入我国"以刘昌明院士为首的科学家们以农田生态系统为主要研究对象"就@MC0系统界面的水分过程%通量的估算模型以及能量物质交换等方面开展了系列研究工作&(>年代中后期"我国学者注重作物耗水规律和节水农业技术的研究!=P$&此外"夏军教授等人研制了水<生态耦合模型"成功地应用于博斯腾湖水资源的可持续管理!=Q$&国际上成功开发并应用的主要生态水文模型有以下几种&!荷兰开发的陆地生态系统生态水文影响评价模型<IRST@"描述植物种群和生境因子,如土壤%地下水和土地管理$之间的相互关系"可用来评价人类活动引起环境变化条件下的植物种群响应机制"以及用来计算水文变化的生态效应的*+,UCR 生态水文模型!=V<=&$&"澳大利亚联邦科学与工业研究组织,0@ITS $研发的分布参数水文模型,RSMS2WIT,$"用来预测流域尺度上土壤<植被<大气系统界面的水分过程%碳循环以及物质与能量通量!=’$&#ICE@建立了各种尺度的*植物<土壤<大气+相互作用模型"适合不同生态类型的大尺度生态水文过程模拟模型不断被提出和应用"@XCR Y 土壤O 植被O 大气Z 传输模型在各种尺度上得以迅速发展"通过对陆地生态系统的不同参数化处理"形成了种类繁多的生态水文过程模拟模型&如德国开发的中尺度生态水文模型@[I,,@K:F 4\][4;83I\;8^34;8],K]8F $是用来研究分析气候变化的区域响应"在流域尺度上综合了水文%植被%侵蚀和氮的动态变化!=(O?>$&$I0EST@生态水文"C!"#$%&’"$(%%))*+,-.’"/%%%0模型!用来预测化学和水文生物因子对植物种群响应的影响"!地下水对地表生态有一定的控制作用!与植被群落结构#种类和其他生态特征之间的关系十分密切!近期发展了针对地下水生态过程的多种模拟模型!如!"#以及$%!等"此外!还有&’()*+,-#./&&,%0#0&)#)12,#3425,等生态水文模型"&1%建立特色的流域生态水文模型根据流域人类活动的干扰程度!可把流域大致分为人工化#半人工化#自然状态6种类型流域"重点研究植物群落多样性与环境要素以及人类活动相互作用关系!选择对植物生长和种类分异贡献率大的环境要素作流域生态水文模型类型变量$如植物种群#土壤#水文#土地管理#气候%"通常大部分流域生态系统是土壤#水文#气候与人类活动的综合体"其中!水文和土壤条件控制着许多环境因子$包括氮的可获取量#盐分#有机物质的分解#矿化度速率等%!因此!主要变量可划分为几个子变量$如土壤包括结构#化学#含水量!水文包括水化学#水文区#地下水埋深#水位上升速率等%7689"采用数理统计方法和先进的模型技术!建立有特色的流域生态水文模型!预测植物种类和群落对环境要素和人类活动的响应态势!为退化生态系统的恢复重建以及政府有关部门水土资源管理!提供科学依据和实践指导"2结束语流域生态水文学是在人们认识流域作为人类活动和环境过程的功能地理区!也是社会经济发展和土地管理的基本单元的背景下诞生的!它是保证流域水资源持续利用与水环境安全管理的理论依据和实践工具"在理论体系和研究方法上需要不断地对其改进#完善和发展!尤其在流域生态水文学研究的内涵#变化环境下流域水循环的生态水文学基础研究76:9#流域尺度与生态水文尺度的配比拟合关系!以及生态水文模型的经验;统计#专家知识$等级划分%#黑箱关系应该向定量化发展等方面!需要深入研究和探讨"在实践应用方面!应该首先在我国干旱#半干旱地区和盐渍土区开展流域生态水文学的研究!因为那里的流域水循环和生态环境都比较脆弱"参考文献+345467897:0!"#$%&’%(()*+,&-*(./012341546789381:39*+’;<65=49741>6?875@A=12875!565>!B#.B3A95783:+5C6935D15478<875565>75@(757>1D154)EFFG)HIJKLM EHNOEPE.!Q#,R’STU B)UT;/TU V W.X5@6?7439=3:740D154017840M 741?056?78219=21?46C1!U#.(18Y3A951M Z&XU-<AY86=065>)Q[[E.!H#\%(]’X*%.T5C6935D1547865@6?7439=:3957463578=47413:40115C6935D15491239465>!U#./01’75@%A=497867M &47413:401T5C6!935D154^T5C6935D15478X5@6?7439=L)EFF_.!P#Z-((X//TT -*,R/TU&\TV (R*!RWT(T*/.*1‘=49741>61=:39RD196?7a=‘7419=01@=!U#.,7=065>435VZM *7463578R?7@1Db <91==)EFFF.!G#(RZXTB cR’T,&SX.T?30b@9383>b !!!401=?61546:6?Y7?d>93A5@43A=11?3=b=41D 293219461=7=D757>1D1544338=43‘79@=A=47657Y6864b 3:‘741991=3A9?1=!B#.T?3!83>6?78T5>6511965>)Q[[[)EeJEfM EO_.!e#刘树坤.中国水利现代化和新水利理论的形成!B#.水资源保护)Q[[H)EFJQfM EOG.!N#阎水玉)王祥荣.流域生态学与太湖流域防洪"治污及可持续发展!B#.湖泊科学)Q[[E)EEJEfM EON.!_#T5C6935D15478<9341?4635%>15?b JT<%f.’75@=?721D35643965>7==1==D15491!=179?02875!U#.;&T<%eQ[g U OFPg [[F)EFFP.!F#]URV ]R&&)UR’<\T)]hTU&)1478.X5!41>9741@>13>97206?787==1==D1543:15!C6935D15478?35@6463565‘7419?74?0D154=M 865d65>875@=?7211?383>b)15C6935D15478D3@18865>75@WX&!B#.\b@9383>6?78<93!1==1=)Q[[[)GFJPfM QFFOHEF.!E[#U-VUXW;Tc OX/;U]T.<8754=65‘7419O 35493881@1?3=b=41D=M 7?46C19381650b !@9383>6?293?1==1=75@91=235=143‘7419=491==X)=?32175@>1519783A48651!B#.R@!C75?1=65,7419U1=3A9?1=)Q[[E)QP JNfM eFGON[G.!EE#赵文智)程国栋.干旱区生态水文过程研究若干问题评述!B#.科学通报)Q[[E)PeJQQfM E_GEOE_GN.!EQ#赵文智)程国栋.生态水文学!!!揭示生态格局和生态过程水文学机制的科学!B#.冰川冻土)Q[[EJPfM PG[OPGN.!EH#R*VUT,]RXUV)U-]TU/,X’]h.T?3!0b@9383>b !(#.’35@35M U3A481@>1<91==)EFFF.!EP#U-VUXW;TcOX/;U]T X.T?30b@9383>bM 70b@9383>6?219=21?46C13:?86D741O=368O C1>1474635@b57D6?=!B#.,7419U1=3A9?1=U1=179?0)Q[[[)HeJEfM HOF.!EG#(RZXTB cR’T,&SX.T?30b@9383>bOO401=?61546:6?Y7?d>93A5@43A=11?3=b=41D 293219461=7=D757>1D1544338=43‘79@=A=47657Y6864b 3:‘741991=3A9?1=!B#.T?3!83>6?78T5>6511965>)Q[[[)EeJEfM EO_.!Ee#,X’Z\T’(’i)]UX*S(R**)RU/;U (RW*;&cT,&SX)1478./01=49A?4A9175@:A5?46353:401j6=4A78U6C19:833@287655179<83?d)<3875@!B#.T?383>6?78T5>6511965>)Q[[[)EeJPfM EGFOEee.!EN#U-]TU/]%ZS\%;&)(XZ\%T’]-ZS)&/Ti%*,TXTU&./01=274678@6D15=6353:875@=?721=A=47657Y6864b !B#.T5C6935D154)V1C1832D15475@&A=47657Y6864b)Q[[Q)P JHfM 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QGGOQeQ.!Qe#TU/&T*%Z V.T?30b@9383>6?786D27?4O7==1==D154D3@1865>M 751m7D281:39419!91=496781?3=b=41D=65*339@O\38875@!B#./01*14019875@=.T5C6935D15478(3@1865>75@%==1==D154)EFFF)EeJPfM EHOQQ.!QN#UT(Z-j%*T S.T?383>6?781::1?4=3:‘7419D757>1D15465401*14019875@=M 401D3@18VT(*%/!B#.T?383>6?78T5>65119!65>)Q[[[)EeJEfM EQNOEPE.!Q_#,%UUXZS U)V%,T&.TC78A746353:7@6=496YA46352797D14191?30b@9383>6?78D3@18J/-<-WOXU(f 357=D788?932265>93474635?74?0D154!B#.B3A95783:\b@9383!>b)EFFN)EFEJEOPfM ePO_e.!QF#王根绪)刘桂民)常娟.流域尺度生态水文研究评述!B#.生态学报)Q[[G)QG JPfM _FQOF[H.!H[#j%’T*/X*%SUh&%*-j%.(1=3=?7811?30b@9383>6?78D3@18865>437578b=191!>635781::1?4=3:?86D741?075>1!B#.T5C6!935D15478(3@1865>75@%==1==D154)EFFF)EGJPfM QGFOQNE.!HE#U%(&X&&%’%(%.\b@9383>6?7891!=235=1A5643:401-9@&47>16996>74635791775@401@b57D6?:68865>3:7lA6:19=3:401XC7503175@<7?d=7@@81<8765=!U#.Z&XU-’75@75@,7419/1?056?78U12394[Ng[Q)Q[[Q.!HQ#夏军)孙雪涛)谈戈.中国西部流域水循环研究进展与展望!B#.地球科学进展)Q[[H)E_JEfMG_OeN.章光新!关于流域生态水文学研究的思考&&。
华北平原大型灌区生态水文综合观测网络设计
华北平原大型灌区生态水文综合观测网络设计吕华芳;雷慧闽;杨大文;薄宏波【摘要】清华大学水利水电工程系在华北平原地区建立生态水文综合观测网,进行农田生态水文综合试验研究.该观测网络通过对不同空间和时间尺度的水、热、物质循环的连续观测,形成对不同时间和空间尺度水循环机理的系统认识,为现代水文学与水资源科学的发展提供试验数据.同时,将该网络与卫星遥感观测相结合,可以将田间观测推广到全灌区,对指导该地区农业水资源管理和制定社会经济可持续发展规划具有重要的实践意义.该观测网络测量项目完整,观测手段先进,可为其他类似站网的建设提供参考.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2013(030)005【总页数】5页(P26-29,33)【关键词】农田生态系统;水文综合观测站;水热循环;通量观测;多尺度【作者】吕华芳;雷慧闽;杨大文;薄宏波【作者单位】水沙科学与水利水电工程国家重点试验室,清华大学水利水电工程系,北京100084;水沙科学与水利水电工程国家重点试验室,清华大学水利水电工程系,北京100084;水沙科学与水利水电工程国家重点试验室,清华大学水利水电工程系,北京100084;山东省聊城市位山灌区管理处,山东聊城252000【正文语种】中文【中图分类】S271-33我国农田生态系统占国土面积的19%，是我国第3大植被生态系统［1］。
农业用水占到总用水量的63%，且有效利用率仅为40%左右，远低于发达国家，农业生态节水已引起国家的高度重视。
华北平原是我国最大的粮食产区，占我国农田总面积的18.6%［2］，而水资源量仅占全国水资源量的3%（1956—2000年平均），提高农业水资源利用效率不仅可以减少农业水资源的消耗，同时还有利于控制农业面源污染对环境和生态的影响，因此农业生态用水的合理高效利用在华北平原尤为重要。
目前，我国有关农业生态节水应用基础理论与试验研究方面比较薄弱，缺乏农业生态节水发展所需要的基础数据积累［3］。
基于Budyko弹性系数法的佳芦河流域径流变化归因识别
第32卷第1期7061年9%Vc-436Nv.1Feb.,9061水资源与水工程学报JoaciaO of Wator Resources&Wator Enai/eeCnaDOI：10.11745/j.imn.472-643X.2024044基于BudySo弹性系数法的佳芦河流域径流变化归因识别陈丽丽4,莫淑红4,巩瑶4（4西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安710043；2.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃兰州734000）摘要：气候变化和人类活动对径流的影响是一个综合过程，因此径流动态变化及其归因识别和定量表征对区域水资源开发管理至关重要。
以佳芦河流域为研究区，选用Maun-Ken/a/趋势检验法、有序聚类法等分析了研究区水文要素的主要变化特征;采用基于BuPykv水热耦合平衡理论的弹性系数法,定量分析了径流深变化对各驱动因素的响应程度。
结果表明:研究时段内，降水量和潜在蒸散发量均无明显变化，但径流深呈显著减少趋势且在478年发生突变，相比基准期，径流深相对变化率为-505%；人类活动和气候变化共同作用于该流域导致径流深锐减,其中人类活动、降水量和潜在蒸散发量对径流深变化的贡献率分别是77.54%01.31%和）.15%o关键词：径流变化；驱动因素；弹性系数法；佳芦河流域中图分类号:TV41；P333文献标识码：A文章编号：472-643X（2061）01-0110-07Attribution identification of runoff change in Jialu RiverBasin baser on Budyko elastia coeff d ent methodCHEN Lid1,MO Shuhong1,GONG Yao4(1.State Laboratory of'Eco-hyraulics in Northwest Arid Region of China,Xi'an University of Technology,Xi'azi710043,China；2.Watcs Resoorcct and Hydropoocs Investioahoo,Design and Research Institute Co.,Lh.g Gansu Provinco,Lanzhoo734000,China)Abstruct:Climate ch/ao//human activities comprebensive-k a/ect rc/off processes,so the dyeamlc chanao cP rc/off alona with its attri/ution i/xti/c/Wa//quantitative characteCzation are of great sig-nificn/cn to the dxXopme/t//management of repionai w/or resources-In this030X2,tabina Jialu Riv・or Basin as the study area,Mann一Ken/ali ten/Wst//oiCeCy clusteCna methoP were used to analyeo the characteCstics of the ch/aos of hykroloplc elements in the stu/y area；//the elastic coe/icient methoP based on Bu/yko wator-enerae Uala/co ep/ation was used to qu/titmW/y analyeo the mspopso of m/oP to each dCvina fOctoc The csu U s showed that there was no significant chanao in precipitation /d poWntim//oW/spim/oa,but the cmoP s U ow/a significant decreasing trend/d an abmpt chanao occurred in1975with a relative chanao rate of-50.5%compared with the base peCoP.Humanactivities//climate chanae Wpether caused a sh/p decrease in m/off in the basin,//the coatridutWa rates of human activities,precipitation//poWntim evagotranspiration to rc/off chanao were75.54%,21.31%an/1.49%,respectiveik-Key wordt:m/ofr chanao；dCvina f/tor;elastic coefficient methoP;jmiy RXor Basin1研究背景流域水循环受社会水循环和自然水循环耦合影响［1］,气候变化和人类活动共同作用驱动河川径流变化,其中气候条件主要通过降水、气温、风速、湿度等气象要素的变化影响径流过程［2］;人类活动的影响包括水利工程建设运行、土地利用方式变化、工农业用水、水土保持措施等引起的径流变化［1。
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生态水文问题与国家需求
供水安全：我国人均水资源量不足世界平均水平的1/3，北方 地区水资源短缺尤其严重。 粮食安全：农业用水量约占我国总用水量的65%，水资源安全 直接影响到粮食安全。 生态安全：人类对水资源的过度开发威胁自然生态安全。 气候变化：加剧了水资源的短缺，危及供水安全、粮食安全 和生态安全。
地表 (land surface) 非饱和土壤 (unsaturated soil) 地下水 (groundwater)
降水 (precipitation) 截留、蒸发 (interception, evaporation) 入渗、地表径流、蒸发 (infiltration, surface flow, evaporation) (transpiration, soil moisture movement) 地下径流 (groundwater movement)
定性→定量 经验→理论 单一→综合、交叉 传统→现代技术（GIS、遥感和计算机模拟)
学科研究方向的背景
教学背景——大学本科专业的主要专业基础 应用背景——水文学、水资源、农田水利、环境与生态
学科研究的应用背景
水文学——陆地水循环的关键环节：降雨径流及土壤水 水资源——地表水、地下水为主的水资源评价 农田灌溉——土壤水的转化与消耗、水资源的有效利用 生态水文学——陆生生态的生态需水和生态用水
蓝水：径流 （可再利用）
气候变化的流域生态水文响应研究是水文学前沿和热点
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； 气候变化下的流域生态水文响应研究，必 将促进流域水文学、植被生态学及其他相 关学科的交叉与融合，从而推动水文学研 究的不断深入。
气候 变化
水文 过程
SPAC水热传输模拟
Rn
大气
c
λE
Ta
ea ra r1 rC
大叶模型 三个介质 土壤 植物（叶） 大气 两个介面 土壤－植物 植物－大气
Rv
冠层
cv cs
λE v
T1
ra r1
Tb
eb
e1*
λE s G
Rs
r2
T2
r2 rs
e2
水汽压
土壤
显热 潜热
温度
2.3.2 SPAC水热传输
SPAC水热传输模拟模型
c v c p T1 Tb r1
土壤 水热迁移
c
T T t z z
c p e b e a E ra
c c p Tb Ta ra
k D t z z z
单位数量土壤水具有的势能——单位数量、标准参考状态 • 重力势Ψg • 压力势Ψp • 基质势Ψm • 溶质势ΨS • 温度势ΨT 总水势 Ψg = ± z
(Mgz：gz、ρwg z、z）
Ψp = h Ψm ～θ （土壤水分特征曲线） ΨS ～c 、T Ψ＝ Ψg ＋ Ψp ＋ Ψm＋ Ψs ＋ ΨT
硝化 — 微生物作用下的氧化，NH4+→ NH3－
反硝化 —微生物作用下的还原，NH3－ →N2，NO2 (一级动力学方程） 溶解与沉淀 吸附与解析 — 平衡吸附、动力吸附 (一级动力学方程） 可动水体与非可动水体间的质量迁移
化学动力学反应方程 X+Y→Z Z/t = kXnYm Z/t = kXn n = 0 、 1 、2
2.4 土壤中溶质的迁移与转化
2.4.1 土壤溶质迁移转化基本方程
土壤溶质迁移转化的研究背景
环境问题 —— 面源污染 （化肥、农药等） 土壤盐碱化
土壤溶质迁移基本方程
c c s c qc Dsh v. SC t z z z
水热扩散
R N RV RS RV CV EV
c p e 2 e b E S r rs
c s c p T2 Tb r2
能量平衡
RS C S E S
E EV E S
C CV C S
c p e1 eb Ev r1 rc
Eg
H1 H2 H3
E0
2.5.2 粮食与作ຫໍສະໝຸດ －－作物耗水与产量 作物水分生产函数 Jensen模型
ETai Ya Ym i 1 ETmi
n
i
作物生产量与其生长期内的蒸腾量成正比。
2.5.2 粮食与作物－－作物耗水与产量
冬小麦生长模拟模型
CO2、温度、水分、氮素 光、辐射 光合作用 生物量 呼吸作用 光周期反应 热、温度 热效应 春化作用 生理发育时间 叶面积指数
0.6 0.4
温 度 距
0 平 （ ℃ -0.2 ） -0.4 -0.6 0.2
全球气候变暖
全 球
1860
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
1.0
温 度 0.5 距 平 （ -0.5 ℃ ）
-1.0 0
1860
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
生态水文学在水文科学发展中的地位
生育阶段
干物质生产
干物质分配
2.5.3 生态环境——自然生态耗水、水土环境污染
水土环境污染
面源污染与地下水脆弱性评价
降雨径流，污染物迁移转化
生态植被耗水
自然、人为→土壤水环境→自然生态植被
生态植被耗水
河道地表水
土壤水 地下水
2.6 土壤水动力学在流域水文模型中的应用
流域水循环过程 大气 (atmosphere) 树冠 (canopy)
河 道 蒸散、下渗、壤中流 (river)
流域水文循环系统概念与水文模型的演变
降雨 I(t)
Q(t)
输入 I(t)
响应函数
输出 Q(t)
黑箱模型 概念性模型 分布式模型 代表性单元模型 （REW）
技术 支撑
数字流域技术、卫星遥感技术 数字高程、流域自动识别和河网编码，基于数字流域的空间 变异性识别与描述；提供流域水文模型所需的信息
水环境——农业面源污染
2.2 土壤水势与土壤水分运动
2.2.1 土 壤 水的数量、形态和能量 土壤水的数量
土壤含水量（率）——重量、体积
W Mw M Ms 100% 100% Ms Ms
土壤水的形态
吸湿水－薄膜水－毛管水－重力水
Vw 100% V
土壤水的能量——势能——土水势
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；
（不能再利用）
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。
• 连续体 • 驱动力——水势
q = - △ψ1 ／R1 = - △ψ2 ／R2 = - △ψ3 ／R3 = - △ψ4 ／R4 阻抗 容抗
Transpiration 大气 -500 bar
叶 -15 bar Evaporation
根 -3 bar
土壤 -0.3～ -1.0 bar
2.3.2 SPAC水热传输
区域水循环与CO2、N和P等物质循环的耦合
氮（磷）循环与非点源污染密切相关，逐渐成为主要污染源 碳循环与作物生长密切相关，对温室气体减排有重要意义
2.5 土壤水问题应用研究
2.5.1 水文水资源－－ 四水转化概念 四水转化概念 大气水
降水 蒸发 三水——降水 地表水 地下水
地表水
土壤水
土壤组成 组成比例 比热容 热导率
固相 xs cs λs
气相 xa ca λa
土壤中的多相（水）流 液态水 气态水－水汽 水的相变－潜热－温度－相变 水汽的扩散与迁移
2.3.1 土壤中水热耦合迁移
冻结条件下土壤水热耦合迁移
k i i D t z z z w t
对 流： q c 弥 散： Dsh c/ z 分子扩散＋机械弥散→水动力弥散 源汇项：S c 液相以外的动态贮存：cs
2.4.2 土壤溶质迁移转化行为
土壤中溶质迁移转化的基本行为 （物理、化学、生物）
根的吸收 — 根的密度、离子浓度差（竞争方程） 挥发 — 在土壤表面以气态形式的损失 降解 — 如农药的水解与微生物的降解 c=c0e –kt、半衰期 ti/2=o.693 / k
c I T T LI I t z z t
水热耦合方程
土壤中水和冰混合， 并伴随有相变。
θ
θ
t1
t0
z
T
2.3.2 SPAC水热传输
SPAC系统概念 SPAC——Soil Plant Atmosphere Continuum, 1965, Philip
c
m m m m k m k k k m m m t x x y y z z z
d d m D k c
四水——大气水 土壤水 地表水 地下水 五水——降水 土壤水 地表水 地下水 植物水
地下水
转化的观点，机理的认识
2.5.1 水文水资源－－ 地下水资源评价 地下水均 衡
P I G
ET P—降雨 I—渠灌 G—井灌
地下水均衡 μΔH = P + I – (1-) G – cE0 ± Q
αP βI λG
1. 前 言
我们的母亲河－－黄河……