从土壤水动力学到流域生态水文学.ppt

从土壤水动力学到流域生态水文学从土壤水动力学到流域生态水文学，杨威，清华大学水资源部水利水电工程国家重点实验室，杨黎明，本讲座包括1、前言2、土壤水动力学的发展3、流域生态水文学的发展4、水文学研究方法5、综述1。前言，黄河源头，2005年8月。我们的母亲河，黄河，黄河之源，2005.8，黄河第一弯，黄河龙羊峡水库，2005.8，西宁市，2005.8，西宁市，2005.8，郑州黄河大桥，90年代，人类文明史，是与自然斗争的历史。防洪、发展灌溉、航运、水力发电、城市供水等。极大地发展了人类社会。在科技高度发达的现代文明时代，人类面临着前所未有的水资源危机。黄河，中国文明的发源地，几乎已经成为一条干涸的内陆河。供水安全：中国人均水资源不到世界平均水平的1/3，尤其是在北部地区。粮食安全：农业用水量占中国总用水量的65%。水资源安全直接影响粮食安全。生态安全：人类过度开发水资源威胁自然生态安全。气候变化：加剧水资源短缺，危及供水安全、粮食安全和生态安全。生态水文问题和国家需求、全球和全球气候变暖、生态水文在水文科学发展中的地位、流域生态和水文过程之间的复杂相互作用、气候是两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、植被生态学等相关学科的交叉和融合，从而推动水文研究的不断深入。水循环是所有水问题的科学基础。生态与水文过程的相互作用是流域水循环的关键环节。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护是水的主要社会和生态服务功能，是“绿水”的主要消费方式。人类活动(如灌溉和水土保持)直接影响生态、水文和水资源。流域生态水文对气候变化的响应研究是水文学的前沿和热点。2.土壤流体力学的发展。2.1概述。2.2土壤水势和土壤水分运动。2.3水和热传递。2.5土壤中溶质运移和转化的应用研究。2.1概述。达西定律，1856年，理查兹方程，1931年。2.2.1土壤水的数量、形式和能量，土壤水的形式吸湿水-膜水-毛细水-重力水，土壤水的量33，354重量、体积，2.2土壤水势和土壤水运动，土壤水特征曲线-土壤水能量和量之间的关系-达西定律，2.2.2非饱和土壤水流的基本方程，连续方程，2.3.1土壤中水热耦合传递，常温下土壤水热迁移，土壤未冻结简化忽略水蒸气液态水的相变、水蒸气的相变、潜热、温度、相变水蒸气的扩散和迁移、2.3SPAC水热迁移、2.3.1土壤水热耦合迁移、冻结条件下的土壤水热耦合迁移、水热耦合方程、土壤中水和冰的混合以及伴随的相变。，2 . 3 . 2 PAC水热传输，SPAC系统概念SPAC 土壤植物大气，1965，Philip，连续驱动力水势Q=-1/R1=-2/R2=-3/R3=-4/R4阻抗容抗，2 . 3 . 2 PAC水热传输，SPAC水热传输模拟，大叶模型，三种介质，土壤植物(叶子)，大气，两个界面，土壤植物-大气，2.3 2.4.1土壤溶质迁移转化的基本方程，土壤溶质迁移转化的研究背景，环境问题非点源污染(化肥、农药等) )，土壤盐渍化，2.4土壤中溶质迁移转化，2.4.2土壤中溶质迁移转化行为，区域水循环与CO2、N、P物质循环耦合，与非点源污染密切相关的氮(磷)循环，碳循环成为与作物生长密切相关的主要污染源，对温室气体减排重要，2.5.1水文水资源-四水转化概念，四水转化概念，转化观点，机理认识，2.5土壤水分问题应用研究， 2.5.1水文水资源-地下水资源评价，地下水平衡，P-降雨I-渠道灌溉G-井灌溉地下水平衡H=P I-(1-)G-Ce0Q降雨入渗补给系数=PG/P灌溉入渗补给系数=IG/I井入渗补给系数=GG/G潜水蒸发系数c=Eg/E0比产量，地下水平衡参数的机理是土壤水的饱和-非饱和流动，2.5.2粮食和作物-作物耗水量和产量，作物水分生产函数，詹森模型，作物产量与其成正比，冬小麦生长模拟模型，生长阶段，干物质生产，干物质分配，2.5.2粮食和作物-作物耗水和产量，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，非点源污染和地下水脆弱性评估降雨径流，污染物迁移和转化，生态植被耗水自然，人为，土壤水环境，自然生态植被，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，降水，截留，蒸发，入渗， 地表流动、蒸发、蒸散、渗透、渗透、地下水运动、地下水运动、流域水循环系统的概念和水文模型的演变、分布式模型、代表单元模型(REW)、水文模型突破的可能性、3 .生态水文学的研究进展、3.1“绿水”和“蓝水”，水循环决定了流域的水资源状况(“绿水”和“蓝水”的分布)，也决定了其土地和水生态的结构和功能。 灌溉是改变流域“绿水”和“蓝水”分布的主要因素，水土保持工程的建设也将改变流域水循环和水资源。城市生活和工业用水主要通过改变“蓝水”(地表水和地下水)的质量来影响生态和环境。水的社会和生态服务功能往往被忽视。水土保持和地下水开发都会改变水循环，从而改变陆地生态系统(植被的类型和分布)；水土生态与水循环相结合，流域生态水文学将成为未来流域水资源管理的理论基础之一。，3.2流域生态系统，沉淀是一个新的资源，由同系同系系统共享，DifferentScaleofwater-PlantInteractions，Basicwater-PlantInteractions，Plantscanavenashighlyosphiticedandstrongunctutionpumps，其中therotsdoaltheycontenthelargepressuredfferencebetwethenthot(低压保留)和edlyraf(高压保留)遵循thethermodynamiclawononconservationfenergy .theresultisawaterflowdrivenbydifferencessinwaterpotentiallorpressurethesoil and vaporatingsurface .空中接口，它决定了在根和eaf之间的pressureagradienthes，是由空气的干透度来调节的。这种干燥度是由空气的潜在蒸发决定的。植物物种进化适应于环境，热带草原和热带草原即干燥、半干燥和干湿生态系统是水文气候梯度的综合趋势。它们通常被定义为热带气候下的植被-植被-气候系统，植被-土壤-植被-大气系统，植被-植被系统，植被-植被系统，植被-植被系统，植被-植被系统，植被-植被系统，植被系统，植被系统，植被系统，植被系统，植被系统，植被系统，savannisarloling grasslandskateredwithschulbsandisontendtrees，其中可以在热带雨林和esertbiome之间找到thebasicfeatureusedinecologytodefinenewetlandthatthelandsweetertoniptosupporttycalwetlandvegetation，它明显不同于肥沃的土地的混合动力.植被定义湿地，而不是水文学wetlandsarestorehousesforversity .wetlandsareneseespected water users sincatchement management。securingthresholdecologiallowsisthereforometimesrecommendedtossistanamiumhabitatandkeeptargetspeciative .wetlandsarewaward消费组件软件heland capeands，而非产品水。影响植物分布的重要因素。alakecosystemisclosellyinkdtothewandchemicalinlofflowsfromchatchment .habitatchecharacteristsoflakedifferracotherrelateverolofhorizontalandverticalwaterexchange，Water/plant/biota(生物群落)在量子系统中，3.3流域生态水文学的起源，最初，水文学家将河道中的植物仅当作特殊粗糙度系数来考虑；1980年代开始，愈来愈多水文学家开始关注流速如何影响河道内植物生长、鱼类以及滨岸生境等。由此诞生了水文生态学（水文生态学)，实质上是生态水力学。期间有许多模拟河流生境的模型，如physicalhabitatssimulationmodelophesim(1982)。其工程应用背景是河流生态修复（河流恢复)。参考： river channel restoration :constanableprojectsbyandrewbrookesriveropology，riverecological，Contextofriverecological requirements，terms，水文学家在研究土壤-植物-大气相互作用时，考虑了作物在光合作用下的水分传输以及对大气的反馈作用，如BigLeafModel，SimpleBiosphereModel(SiB)等3.4。森林水文学、植被在陆面过程的作用等都与植物的生态过程有关，森林中植被与动物的名录仅仅是生态学的第一步，生态学主要研究内容是动植物群落的演替过程和规律。生态学发源于自然历史，直到20世纪中叶，生态学通过演替过程着重于描述群落和群落的演化克莱门茨。认为生态演替的含义在于群落向最后稳定状态的有序变化，所谓最后稳定状态，即演替顶级（高潮)。研究发现，生态系统的演替似乎是水文过程和生态过程紧密联系的产物3.5。生态演替与水文过程密切相关，按照湿地公约 定义，沼泽、泥炭地、湿草甸、湖泊、河流、滞蓄洪区、河口三角洲、滩涂、水库、池塘、水稻田以及低潮时水深浅于6米的海域地带等均属于湿地范畴。湿地被称为“地球之肾”，具有巨大的生态、环境和生产功能，如洪水调节、气候调节、污染控制、减少土壤侵蚀、环境美化、生物多样性维护和生物生产力。湿地水文过程控制着湿地生态的形成和演化。湿地水文状况制约着湿地环境的生物、物理和化学特征，进而影响湿地类型的分化、湿地结构和功能。湿地水文过程的研究已经成为了解湿地生态系统结构、过程和功能的主要内容。3.6湿地水文过程对湿地生态非常重要，3.7什么是生态水文？哈顿等对生态水文学的广义定义是研究生态圈与水文圈的关系及其相关问题的一门新学科。生态水文学侧重于水文学，研究水文