《现代水文水资源学》资料

水文学及水资源-前沿研究(转载)一 水文学及水资源1 学科方向水文学及水资源学科包括水文学和水资源学两个方面，是研究水的性质、循 环运动规律、水与环境相互关系以及水资源可持续利用的学科。 水文学是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律和运用 这些规律为人类服务的知识体系，研究领域同时也包括水圈同大气圈、岩石圈和 生物圈等自然圈层的关系。水文学同属于地球科学和水利科学两个范畴，与科学 探究和工程建设实践均密切相关。作为地球科学的一部分，水文学可分为陆地水 文学与海洋水文学两大部分，陆地水文学是水文学的主要组成部分。水文学和大 气科学共同关心水圈与大气圈的相互联系，逐渐形成水文气象学；水文学和地质 学共同研究地下水形成、埋藏和运动规律，形成了地下水水文学。作为水利科学 的一部分，水文学通常指的是应用水文学，是运用水文学及有关学科的理论和方法和排水、环境保护等工程建设，为农业、林业提供水文数据、水文参数和水文预 报服务的一门应用科学。应用水文学因服务对象的不同，又分为工程水文学、农 业水文学、森林水文学、城市水文学等分支学科。随着现代量测技术和计算机技术的发展，以及人类活动对自然环境和生态系统影响的日益加剧，现代水文学的 研究对象涵盖了水文循环的物理过程、伴随水文循环过程的生物化学过程，以及 植物生态过程等，其发展趋势是：1）综合研究手段，即地面观测、卫星遥感、 以及计算机模拟相结合；2）学科交叉，如大气科学与水文科学的结合，生态学 与水文学的结合等；3）“自然人工”二元水循环模式研究，即人类活动影响下 的自然水循环系统与社会水循环系统之间的相互作用研究。 水资源学是对水资源的量与质进行评价， 制定水资源综合开发利用和保护规 划，解决水资源供需矛盾，并对水资源实行科学管理的知识体系。在相当长的一段时间里，有关水资源的知识和经验常融合在其他学科如水文学、水利学中，没有形成水资源的专门学科。20 世纪中期以来，水资源问题日益突出，专门以水 资源为对象的研究和实践在很大范围内有了发展和提高， 逐渐形成了与原有的有 关水的学科内容有差别并自成体系的水资源学。 其研究对象主要可以归结为三个部分： 1）研究水资源的形成、演化、运动的机理，评价全球与不同区域的水资源的数量与质量及其时程变化2）研究在人类社会及其经济发展中为适应用水方法，研究解决各种实际水文问题的途径和方法，为水利、电力、交通、城镇供水的需要而开发利用水资源的科学途径；3）研究在人类开发利用水资源过程中引 起的环境与生态变化，以及这种变化对水资源自然规律的影响，探求在变化的环 境中如何保持水资源的可持续开发利用的科学途径等。 目前，水文学及水资源学科的学科方向可概括为： （1）水文学方面：水文学基础理论或理论水文学的研究，如流域水循环的 各要素过程、产汇流原理、水文变量及参数的空间变异与尺度问题、分布式流域 水文模拟方法、水文模拟与预测的不确定性分析等；应用水文学的研究，如工程 水文学（水文计算、水文统计、水文预报等） 、城市水文学、农业水文学、森林 水文学等；水文量测与水信息技术，如遥感水文学、同位素水文学、水文数据同 化、数字流域与水信息技术；学科交叉研究，如水文循环过程与物质循环过程的 相互作用（环境水文学） 、水文循环过程与大气过程的相互作用（水文气象学） 、 水文循环过程与生态过程的相互作用（生态水文学）及生态需水研究、流域自然 水循环系统与社会水循环系统之间的相互作用（二元水循环）等。（2）水资源学方面： 全球气候变化与人类活动影响下的流域水资源演变 机理； 流域水资源评价的理论、 方法与应用技术； 水资源合理配置与规划的理论、 方法与模型；水资源调度理论、技术与系统开发；节水型社会建设与水资源高效 利用的理论、方法和技术；水资源承载能力与发展战略、水资源管理、水价格体 系的理论、方法与技术体系；防洪调度和洪水管理的理论与方法；水电站群优化 补偿调节和水库优化调度的理论与方法；水生态与水环境承载能力的理论、方法 与技术；地下水模拟、修复与保护技术；水信息技术、数字流域相关技术的理论 与方法等。3 本学科发展新动向和值得关注点3.1 本学科发展新动向和值得关注点 3.1.1 水文学研究纵观近 10 年来的水文学领域研究进展，变化环境下的水文循环机理和演变 规律研究、基于物理机制的分布式流域水文模型研究、水文循环过程与水生态及 水环境演变相互作用机制研究、大气过程陆地水文过程耦合研究、缺乏观测资 料流域的水文预测（PUB）等，成为当前研究重点或发展新方向。 变化环境下的水文循环机理和演变规律 由于全球气候的变化和人类活动的 加剧，地球上的水文循环和水资源状况发生了深刻的改变，很多地区发生了严重 的水问题和水危机。为了研究新环境下的水文循环演变规律，解决日益严重的全 球水问题和水危机，探索变化环境下水资源的可持续利用方法，国际水文界实施 了许多研究计划，如国际水文计划（IHP） 、世界气候研究计划（WCRP） 、国际盟（ESSP）的“全球水系统计划(GWSP)”等。中国地域广阔，水文循环与陆地表 层系统特点鲜明、机理复杂，对全球变化有重要的响应，我国科学家一直积极参 与有关的研究并做出有中国特色的贡献。国家重点基础研究发展规划从 1999 年 开始设立了多个与水文相关的项目，如“黄河流域水资源演化规律与可再生性维 持机理”，“首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理与调控原理”，“长江 流域水沙产输及其与环境变化耦合机理”， “海河流域水循环演变机理与水资源高 效利用”等。此外国家自然科学基金委员会在 2005 年设立了两个重大研究计划 “全球变化及其区域响应”和“中国西部环境和生态科学”，后者的优先资助研究方 向包括黑河流域大气-水文-生态耦合过程及其模拟和黄土高原土地利用/土地覆 被变化（LUCC）的环境效应。 在气候变化对水文循环影响的研究方面， 主要集中在气候变化对水文水资源 的影响、气候变化对需水量的影响以及气候变化对水文极端事件的影响等。张家 诚（1999）论述了 El Nino 与全球变暖等气候变化对中国大陆尺度水分循环的复 杂过程。邢如楠（1999）阐述了大尺度海气相互作用对水文循环过程的影响，是 近年来我国在这一领域有代表性的成果。张光辉等（2000）将熵的概念和方法应 用于水文循环演化研究中， 并试图找到水文循环结构由常态转入突变或灾变时的 阈值。气候变化对区域水文水资源影响的研究一般采用通用环流模型（GCMs）地圈生物圈计划(IGBP)的“水文循环的生物圈方面(BAHC)”以及地球系统科学联模拟倍增后气温和降水的变化情景，然后把结果输入到水文模型中，模拟水循环 对气候变化的响应。采用分布式水文模型（张建云, 郭生练）既能够较好地反映 不同下垫面条件（如土壤、植被、土地利用等）下的产汇流机制，又能与 GCMs 联结耦合，是今后发展的方向。 在下垫面变化对水文循环及洪水影响的研究方面，森林、城市、水土保持和 水利工程的水文效应等受到较多的关注。研究表明，森林在水源涵养方面有非常 显著和独特的作用。但是，关于砍伐森林使径流量增加还是减少，不同的研究者 得出的结论截然不同（赵鸿雁, 巩合德, 张志强, 祝志勇） 。采伐森林或造林对流 域产水量的影响因地域、林木种群、气候湿润与否、经纬度等多因子有关（赵鸿 雁） 。随着计算机技术和地理信息系统(GIS)技术的发展，分布式模型正逐步成为 评估森林水文效应的重要手段（Mackay, Sun, Dunn, Geoff, 于澎涛） 。 由于工业化程度不断提高，人口向城市大量集中，城市规模不断扩大，由此 而带来一系列新的水文问题。围绕这些超出了传统水文学研究范畴的问题，形成一门新的水文学分支城市水文学。在城市水文理论和计算模型方面，国外已取 得了不少成果（Lazaro） ，我国近年来也开始了这一领域的研究。 水土保持是人类大规模改造下垫面的一种方式。 我国的黄土高原是水土流失 最为严重的地区，也是水土保持重点治理区，大规模的水土保持工程在减少土壤 侵蚀方面发挥了重要的效益，但同时大量减少了入河水资源量。为了搞清楚水土 保持工程影响下的水沙变化规律和水沙变化原因，水利水保界（如水利部黄河水 沙变化研究基金会） 进行了大量的研究， 通过原型观测、 模型试验， 并借助遥感、 GIS 和计算机模拟技术， 初步摸清楚了水土保持工程作用下的水循环机理和水资 源演变规律。但由于以前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。中国水利水电科学研究院在国家重点基础研究（973） 发展规划项目“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理”第二课题“黄河流 域水资源演变规律与二元演化模型”中，采用分布式水文模型详细模拟了各项水 保措施对水循环各个过程的影响，基于全口径的水资源评价方法，提出了水保措 施对狭义水资源、广义水资源、河川控制断面水资源和分区水资源的影响评价成 果。 随着工农业的发展，大量引用地表水和抽取地下水，改变了大气水-地表水土壤水-地下水的转换机制。利用水库调节河川径流，大幅减小了河川径流丰枯差值，引起一系列水文及环境生态效应。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。 中国水利水电科学研究院在“九五”国家重点科 技攻关项目“西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究”专题“西北地区 水资源合理配置和承载力研究”中，提出了“天然-人工”二元水循环演化模式，并 在“黄河流域水资源演变规律与二元演化模型”研究中， 进一步提出了各项人类活 动包括水利措施对水循环的定量影响成果。 基于物理机制的分布式流域水文模型研究 流域水文模型大致分为三类： 经验模型或黑箱模型、 概念模型或灰箱模型和基于物理机制的分布式水文模型或白 箱模型。经验模型的计算过程没有明确的物理法则，而只是列出输入数据和输出 数据的某种关系式。概念模型表现整个流域的有效反应，其弱点在于不能处理不 同土地利用类型和水文过程， HSPF、 如 HBV、 CHARM、 SCS 模型等 （Singh 2002） 。 基于物理机制的分布式流域水文模型，又称分布式物理模型（贾仰文 2005）或 物理性流域水文模型（胡和平& 田富强 2007） ，从水循环的动力学机制来描述流气象因素如降水、 气温和蒸发等， 能够将土地地表特征和模型参数建立直接联系， 能够分析气候变化和流域下垫面变化后的产汇流变化规律， 并为其他专业应用模 型提供水的流场情报，具有广阔应用前景。分布式物理模型的蓝图（Freeze 和 Harlan 1969）提出至今已有 30 余年，涌现出欧洲水文系统 SHE 模型(Abbot et al, 1986)、SWAT(Arnold et al 1990, 1995)、WEP 模型(Jia et al 2001，贾仰文等 2005) 等等。其真正发展得益于近 20 年来空间遥感技术（RS） 、地理信息系统（GIS） 技术的不断完善以及计算机技术的进一步发展。 分布式物理模型将水循环的各要素过程联系起来进行详细模拟。 蒸发蒸腾的 计算通常根据空气动力学及能量平衡原理，采用 Penman-Monteith 公式计算，并 考虑土壤的水热运移情况及植被叶面截雨、叶孔水汽扩散及根系吸水情况。非饱 和土壤水的计算通常采用竖向一维 Richards 方程 （在坡度大的山坡地区考虑竖向 及山坡方向二维） 、浅层地下水的计算采用 Bousinessq 方程进行数值计算，而河 流水和地下水的补给量或排泄量按达西定律计算。因此，产流的计算按水的移动 自然求得， 并不预先区分超渗产流模式还是蓄满产流模式。 地表径流的坡面汇流， 或按二维运动波或扩散波计算，或根据数字高程模型（DEM）预先设定好汇流 方向进行一维计算。而在一些低洼易涝地区，有些模型采用洪水泛滥的二维动力 波的数值计算方法。河道汇流计算视河道坡度及下游断面边界条件，采用一维运域水文问题，能够清晰反映地表土地特征如地形高程、坡度、形态和地貌，以及 动波、 扩散波或动力波算法。 虽然分布式物理模型从物理机制上来描述水的移动， 根据水移动介质的物理性质推定模型参数，从理论上讲无需参数率定和模型校 正，但由于受数据资料及尺度问题限制，实际上通常需要选择校正期，对根据观 测结果推定的参数进行一些调整，然后保持这些参数不变对模型进行验证。 数字流域、地理信息系统（GIS）及遥感（RS）技术为分布式物理模型的应 用创造了条件。20 世纪 80 年代初期，OCallaghan and Mark (1984) 首先提出了 利用网格型 DEM 并按最陡坡度方向决定地表汇流方向、生成河道网的方法。之 后，许多研究者如 Tarboton（1988,1991）等，针对非自然洼地的处理，以及利用 生成的河道网进行流域划分、地形特征和汇流特性分析等做了大量研究。这些研 究成果被 ARC/INFO 及 ARCVIEW 等 GIS 软件采用，为分布式流域水文模拟带 来了方便。地理信息系统将图形显示、空间分析与数据库管理技术相结合，为分 布式水文模拟的大量空间信息数据处理及管理提供了强有力工具。 遥感技术不但 能够提供土地覆盖及地形等基本空间数据，也为模型参数如叶面指数（LAI）等型的验证创造了条件。 水文循环过程与生态环境相互作用机制及生态需水研究 高强度的人类活 动，在一定的时间或空间上过多地影响、占用和控制了水土资源，“人地争水” 与“人水争地”矛盾凸现； 不和谐的“人-水”关系导致了世界范围内的水生态退化与 水环境恶化，危及人类的生存与持续发展。为实现人与自然的和谐共处，在竞争 性的用水条件下， 人类需要在充分发挥水资源的生态与环境及社会经济效益的前 提下，在自然和社会经济两大系统中合理分配水资源；并对退化的生态系统进行 科学修复，对恶化的水环境进行有效治理。为满足上述实践需求，水文循环过程 与生态及水环境演变相互作用机制成为重大基础性研究命题。 流域水文循环系统与生态系统相互作用机制研究已成为当前新兴交叉学科 生态水文学（Eco-Hydrology）的核心内容。生态水文学是 20 世纪 80 年代以 后逐步发展形成的一门新兴交叉学科，其研究内容是水文过程与植物分布、生长 相互作用， 其研究对象不仅包括湿地生态系统， 而且还涉及到干旱地区生态系统、 森林和疏林生态系统、江河生态系统、湖泊生态系统及水生生态系统等（Baird 1997） 。它重点研究陆地表层系统生态格局与生态过程变化的水文学机理，揭示 陆生环境和水生环境植物与水的相互作用关系， 回答与水循环过程相关的生态环的估算提供信息，同时还能对蒸发量、土壤含水率及地表温度等进行演算，为模拟环境变化的成因与调控 （夏军 2003） 在我国， 。 生态水文学方面研究起步较晚， 2000 年以后才开始受到我国学者的重视，将生态水文学介绍到国内来（赵文智、王根 绪 2002） 。国家自然科学基金委员会已将其列为其重大研究战略之中。国家九五 攻关西北水资源项目中，根据干旱区水文循环与非地带性植被生态系统演变关 系，提出了干旱区水分驱动的生态圈层结构理论（陈敏建、王浩、王芳等 2004） 。 在国家九五、十五攻关项目中，从宏观植被遥感的角度对此进行了研究；在近期 的黑河综合治理项目中，初步将植被生态演替模型与分布式水文模型相耦合。国 家十五攻关项目中，根据流域水文循环与生态系统相互作用机理分析，建立了区 域水循环尺度生态效应理论, 并据此提出依据生态效应判定区域生态需水类型 的三大准则（陈敏建，2007） 。 流域水文循环演变同样改变了污染物迁移转化的载体条件和动力机制， 从而 对伴生的水环境过程产生显著影响。 当前国内外相关研究主要从环境学的角度着 手，如进行面源污染物预测和水体水质演化模拟，而在水文循环的演变对流域尺度。生态需水的研究，与水文学、水资源学、生态学、管理学和社会学等均密切 相关，具有典型的学科交叉特点。生态需水研究国外始于 20 世纪 70 年代，而我 国则是 90 年代以后才受到广泛的关注，并且研究领域比国外宽泛得多，不但重 视河道内生态需水的研究，还重视河道外生态需水的研究。目前国内对生态需水 计算方法开展了大量研究（如贾宝全等 2000，李丽娟等 2002，王西琴等 2002， 杨志峰等 2003， 陈敏建、 王浩等 2000、 2004、 2005， 王芳等 2004、 丰华丽等 2001、 徐志侠等 2004） ，大多属于引进和消化国外相关经验与成果。需要指出的是，国 外现有的经验与成果主要关注生态系统维持正常状态的临界条件下的生态需水， 以避免危机状态出现，而在中国需要研究生态危机管理的问题，需要研究生态退 化的机理 （陈敏建 2004） 国家“十五”科技攻关重大课题“中国分区域生态用水标 。 准研究”（陈敏建、王浩、丰华丽等，2005） ，从基础理论、应用技术、管理决策 3 个层面, 研究提出一系列符合我国实际的生态需水理论与计算关键技术。建立 了多参数河流生态需水理论及其河道生态需水计算方法、 湿地生态水文结构理论 及算方法，建立了不同类型区域生态需水计算模型。陈敏建（2006、2007）还研 究了生态需水配置与生态调度问题，从生态用水分析评价机制、水资源配置生态 用水分析、河流生态安全调度管理和湿地安全管理与生态补水四个方面, 提供了 生态需水分析及生态调度规则。3.3 对本学科发展的若干建议（1）加强水文学和地下水科学研究 水文学不但是水资源学和水利学科的基础， 而且与广泛的资源、 灾害、 环境、 生态、经济和社会问题密切相关，是目前水利学科中最具生命力和发展潜力的学 科领域之一。（2）加强水文水资源科学实验和遥测技术应用研究 近年来， 水文水资源科学实验方面十分薄弱， 过去的野外实验基地逐渐荒废， 而新的实验基地一直没有建立，与 20 世纪 90 年代以前相比形成较大反差。科学 实验是科学认知的重要手段，面对日益受到关注的资源、环境和生态问题，亟待 加强水文水资源科学实验工作。 遥感和雷达等遥测技术应用是水文水资源研究的重要数据来源， 目前虽然有一些研究，但与兄弟单位相比还相差深远，今后也需要加强。 （3）开展与大气科学的交叉合作，发展水文预报科学技术 水文科学与大气科学交叉合作研究（陆气耦合研究） ，不但对研究气候变化 的水文水资源和生态环境的长期效应具有重要意义，同时对提高水文预报的精度、延长水文预报的预见期，对防洪减灾工作也是十分重要的。随着我国国力的 增强和遥测技术的发展，陆气耦合研究方面孕育着取得重大突破的机遇。目前国 际上以及国内一些院校和科研机构已着手这方面研究，我们应当及早追赶。 （4）开展生态水文学研究，为流域生态系统修复服务 生态水文学是近十几年来新兴起的交叉学科， 不但水文水资源领域的人员在 研究，生态学、地理学、林学、农学等学科的人员也在研究。其研究核心内容是 生态系统与水文循环系统之间的相互作用机制， 研究对象包括湿地、 河湖、 河口、 森林、草地、农作物等水生及陆生生态系统和流域水文循环系统。因此，生态水 文学的研究目的不只是为流域生态需水分析服务， 而更重要的是通过研究