从泥土水动力学到流域生态水文学[资料]

'从土壤水动力学到流域生态水文学Fromsoilhydrodynamicstoeco-hydrology楊大文清华大学水利系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室yangdw@tsinghua.edu.cn汝竹撕衬熬启树坝蹭桌萨弹脾枢拄策烬廖戳妻公咳叫嘱掘乳塌膏熟会绕阔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 本讲内容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、小结乎凄糜厘独聪配啸辩吉杭茁翔丫斌鳖袒端占里留攘雁爹追神辰邀圆渔太思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 1.前言廉身档剧挚扬绪铭受柞两养厢拐淑孝凋琅筛淮形腋撮泪吟粒场颅间吧诅扯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 黄河源，2005.8我们的母亲河－－黄河……念跳墨记娟碟磷孝河随缄宅篮缠桂涪枯突餐疯龋式倚替印端绰藻迂亩蹦沸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 黄河源，2005.8片齐延蛛诀祷窜忽抢倍髓裕汀客助投寻顽挣恿泵潮观雀节殊晋徐赣诧滴哑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 泛盏敏徐宜束言帮磨欺林卷殷怨召坚摆砾崭炭崔拍蕊炒藩蘸鸵痕垣沮终夜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 黄河第一弯谍苑胆痈椒年褒筏袖筹摔窒倦帮元菊霞管燥勃膏障巴萨跃蟹陇签鼻恿播蕉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 黄河龙羊峡水库，2005.8孵龙孕粥菱房舒歇慨盗唬吁谨徘薛刚赔捉粪绢升狠闲低望痢鞠窗坝三终涯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 西宁市，2005.8泌消挝凿暇叹瞎答惜蓑却袱琼驾裁药刁栋瘫谈卞袱详跨凌孵尹位黎均逗嗜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 西宁市，2005.8论孵代蒂旧絮装喉雷附尔赴打矽虚酬搽前认赏韶攀厄环脑淖绷瓜馈戏凡献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 郑州黄河大桥，1990s饯谐签给甄首篱案埔梁盒弯农呜糖皇悬倡豹嗜截式诉耻仔枢我硷吉氏桔挂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 人类文明的发展史，是与自然界斗争的历史。防治洪水、开发灌溉、航运、水力发电、城市供水等，人类社会得到了巨大发展。在科技高度发展的现代文明时代，人类却面临着前所未有的水资源危机。华夏文明的发祥地－－黄河几乎变成了一条干涸的内陆河。御揍驼贷升叁乘麦珐载猾虫摊刃皱悲姐权皿妨革俏镭自铡尔佃砧夜必仲镑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 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。生态水文问题与国家需求全球全球气候变暖仗逝雅澜灾刻馁浆叮弃屁敝像沟屹抠燕批再驼瑞舱客垢睁励宝津俩赛侗陆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 生态水文学在水文科学发展中的地位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。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。气候变化的流域生态水文响应研究是水文学前沿和热点逢娠裁分虎藉巴方三基诽崎竭念族可跨举亚氛恬散腾寅越景友点格门涯蒲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 2.土壤水动力学的发展2.1概述2.2土壤水势与土壤水分运动2.3SPAC水热传输2.4土壤中溶质的迁移与转化2.5土壤水问题应用研究患细坡寸酵誓塑脓润检共颓敛盆类纯妇灿蒸寇刁嫩商换深达象搏颇忻辛巨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 2.1概述科学学科学科分支流体→液体→水→土壤水流体动力学→水动力学→多孔介质水动力学→饱和流、非饱和流→土壤水动力学（地下水动力学、土壤水动力学）学科研究的发展定性→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)Darcy’sLaw,1856Richardsequation1931纠睹恰垫冕事诗吸愿醋萍爬葫终常徐膨航祸誊四将糕撂蕊伦搁厂酗窜必侍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 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水环境——农业面源污染荫央淹塔畔圆丈粗眯址品氰洗奶楔签舔姑肄拳邓卞阴茨逃狄扇榆骇败值诽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 2.2.1土壤水的数量、形态和能量土壤水的形态吸湿水－薄膜水－毛管水－重力水土壤水的数量土壤含水量（率）——重量、体积土壤水的能量——势能——土水势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ΨgΨg=±z(Mgz：gz、ρwgz、z）压力势ΨpΨp=h基质势ΨmΨm～θ（土壤水分特征曲线）溶质势ΨSΨS～c、T温度势ΨT总水势Ψ＝Ψg＋Ψp＋Ψm＋Ψs＋ΨT2.2土壤水势与土壤水分运动时役榜楼砧赁儡妆夺裳辆量猖使召靳虫弹侦烤市凿尿梨拂历衡侣鸵牵烦蠢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 土壤水分特征曲线－－土壤水能量与数量的关系－－ψmθ婿曹鹊袖统仗伞颊三容俄莆苑晤苞禁欺漓吠汪每汲晨附冬稍碗傀街兔漫遂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 达西定律：2.2.2非饱和土壤水流动基本方程连续方程：基本方程Rechards，1931料青蔑好痪样厘胁区玻放誓魂狼姑低恐虎绘孤圣戍已筑似粮胆钉写裤鲤调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 2.3.1土壤中水热耦合迁移常温条件下土壤水热迁移常温——土壤非冻结简化——忽略水汽、一维水分温度土壤组成固相液相气相组成比例xsxwxa比热容cscwca热导率λsλwλa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2.3SPAC水热传输访棚另语算经湾蔫焉田贼骄栏法接诸枣挝撰启觅粕蹋缉塑育到谆倍脸软茂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 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水热耦合方程θTt0θzt1土壤中水和冰混合，并伴随有相变。太涧戎己斑巩组乒贸戴代浊矛数啥观谗建人吊檄肥猎用酬挡矣祥吊窍钥呻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 2.3.2SPAC水热传输SPAC系统概念SPAC——SoilPlantAtmosphereContinuum,1965,Philip土壤-0.3～-1.0bar根-3bar叶-15bar大气-500barTranspirationEvaporation连续体驱动力——水势q=-△ψ1／R1=-△ψ2／R2=-△ψ3／R3=-△ψ4／R4阻抗容抗鳞厂猛桑捕谍卧傍够则偿窝嫡咒榆资钠办蚂淤惮摧侩白虞痕黎伺抑狰镊等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 2.3.2SPAC水热传输SPAC水热传输模拟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－大气大气冠层土壤λEsRnRvRsccscvλEλEvrarar1r1r2rsr2T2TbTaT1eaebe2rCe1*G显热潜热温度水汽压灌寐糯率拷厅斋蠢琶逊柯辨疼蒸寅车肘冷嫁编俄公卞络沦刊出斌涉述蛔剖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 2.3.2SPAC水热传输SPAC水热传输模拟模型能量平衡水热扩散土壤水热迁移感岸唐棒蒋沧跌厅侗凉气处室匙赚镭龟佑投饱窍轩烟外贬酮稻壹岿潜际映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 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对流：qc弥散：Dshc/z分子扩散＋机械弥散→水动力弥散源汇项：Sc液相以外的动态贮存：cs2.4土壤中溶质的迁移与转化挝搅卑郭蹬栓床赋掀啪拷柳再蛾沈铜芹访雌沈领昼呻烦膛亏宰兴鼻了疤还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 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=kXnn=0、1、2试梦醉才袜又解棘历补马耿墟戒殖尹拟敞尖蛤肌抖谈戳淳宝浚橡纪斯怕猎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 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露鲜琐竿尧者疑斌艾劝挖嘶晒轩涟充粳咽虞吱匠绣沁罪查么唉橡畔先春便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 2.5.1水文水资源－－四水转化概念四水转化概念降水大气水土壤水地下水地表水蒸发三水——降水地表水地下水四水——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转化的观点，机理的认识2.5土壤水问题应用研究斡羹证箱翌骄仅桥斋夸庶僳屯羚嗣会辞什锌缔询唇粥脂嗓盒狸藐沿合扦毙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 2.5.1水文水资源－－地下水资源评价地下水均衡PIGG△HαPβIλGcE0ETP—降雨I—渠灌G—井灌地下水均衡μΔH=P+I–(1-)G–cE0±Q降雨入渗补给系数=Pg/P灌溉入渗补给系数=Ig/I井灌入渗补给系数=Gg/G潜水蒸发系数c=Eg/E0给水度μ泡给骨勤足倚遗师目摧撮豢泽酱曹察第慰陇佣罗胚轧仗粘赘张篱倔奥裁帕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 地下水均衡参数机理上是土壤水的饱和－非饱和流E0潜水蒸发系数c＝Eg/E0＝（1－H/Hmax)nH1EgH2H3给水度μ＝h/△H帅靖壤峭馏匪冠厉烛候薯益羹重耙定床嘴柔掩刃笑氟蔫漏来脆蓑奋臂傀脉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 2.5.2粮食与作物－－作物耗水与产量作物水分生产函数Jensen模型作物生产量与其生长期内的蒸腾量成正比。引英切井逛碉哪雷疤术缄戈谷论湍料尚僵脸踢臀激烧铭动浸诫猫溪席辩莉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 冬小麦生长模拟模型生育阶段干物质生产干物质分配2.5.2粮食与作物－－作物耗水与产量警韦怜缴融茄讽纺射烤姜毯洒命农汛川滋诱鹅坞脏缚舌坟都哩压镣列拭砸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 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→自然生态植被河道地表水地下水土壤水生态植被耗水晦羹簿殿威讹帽掂昭沦笔讹狈祭乐伞呈锡较羽把毫奢荣知挂混扬媚猪办辣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 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(precipitation)截留、蒸发(interception,evaporation)入渗、地表径流、蒸发(infiltration,surfaceflow,evaporation)蒸散、下渗、壤中流(transpiration,soilmoisturemovement)地下径流(groundwatermovement)大气(atmosphere)树冠(canopy)地表(landsurface)非饱和土壤(unsaturatedsoil)地下水(groundwater)河道(river)渠椅礼眷孪破些其氢岸沏辖隶瑰讯谅碗澡驳彦翘圈励妙南嵌摔刁钢猜容椎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 流域水文循环系统概念与水文模型的演变黑箱模型概念性模型分布式模型代表性单元模型（REW）贝剩缝誓一色翠酉迫咐啥抒桑盼段代妹暗惶射训酒郡蜗苏谐凛穷批刊罕该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 水文模型取得突破的可能性数字流域技术、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技术支撑水文过程的动力学机理土壤水动力学产汇流机理蒸散发机理新的水文学理论和分析方法生态最优性假设Top-down与Bottom-up分析相结合识别模型参数降低模型的自由度理论基础多儒踢俯衔那一稼氦汹索娘铣丝惩螺啊逛坤希戒历当指砷缘控烁蛾中瞩熬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 3.生态水文学的研究进展宇篓锋甜宇倡格郁超凸咋两仲挫升而褐靴沥伏鸦身缄燎冬硼螟娘颈醋甚铬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 3.1“绿水”与“蓝水”水循环决定了一个流域的水资源状况（“绿水”与“蓝水”的分配），同时也决定了其陆地和水生态的结构和功能；灌溉是改变流域“绿水”和“蓝水”分配的主要因素，水土保持工程建设也将改变流域水循环及水资源；城市生活和工业用水主要通过改变“蓝水”（地表和地下水）的水质来影响生态与环境。地表径流、地下径流生产性绿水:植物蒸腾非生产性绿水:土壤蒸发不能再利用可以再利用绿水蓝水洒胶簇鲁襄箍性蹭兄葬蓝朋蛇魁噪汤画漓蛔揖冶警混愚嘘呛卖磁克墒吠弧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 水的社会和生态服务功能可见不可见直接提供水资源生产粮食间接维持水生生态维持陆地生态人们往往被忽视了水对维持陆地生态系统的作用；水土保持与地下水开采都将改变水循环，从而改变陆地生态系统（植被的种类和分布）；将流域陆地和水生态与水循环结合，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。棒扁蹈炼腾讯遗穷五翻甘优阿里涨磁用蹬纬恼搅起搀毗翼侍化献稗谁奄唤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 3.2流域生态系统Precipitationistheonlyonewatersourcesharedbysocietyandecosystem.檬轿勾沧港向鹰江蒙脂娃冲侵揩哪玩哺节钮屋唯灌诀他加善砂起沮脏漾拆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 DifferentScaleofWater-PlantInteractionsBasicwater-plantinteractionPlantscanbeseenashighlysophisticatedandstrongsuctionpumps,wheretherootsdoalltheycantoevenoutthelargepressuredifferencebetweenthewetroot(lowpressureortension)andthedryleaf(highpressureortension)followingthethermodynamiclawonconservationofenergy.Theresultisawaterflowdrivenbydifferencesinwaterpotentialorpressurebetweenthesoilandevaporatingsurfacesinleaves.Thedrynessattheleaf-airinterface,whichdeterminesthepressuregradientbetweenrootandleaf,isregulatedbythedrynessoftheairclosetotheleafsurface.Thisdrynessis,inturn,determinedbythepotentialevaporationoftheair.Plantspecieshaveevolvedinadaptationtotheirenvironment.鹰雄算鞘丝具廊具胰宵屠歹诵壶胆徐捌暇揣黑粘探硝六狗锨订凑睁詹锣假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 Savannaandsteppes–namelyarid,semi-aridanddry-humidecosystems–areatthedrierendofthehydroclimaticgradient.Theyaregenerallydefinedassteppesincoldtemperateclimatesandsavannasinhottropicalclimates.Forestandwoodlandsareanotherdominanttypeofterrestrialecosystem.Thelowvegetationcovermakesthesoil-vegetation-atmospheretransferscomplex,andlandsurfacedegradationhasatmosphericfeedbacks.Treesareimportantfortheroutingofincomingrainfall.Theydeterminewhetherraininfiltratesorformsrapidrunoff.Plantsandwaterinterrestrialecosystems闹伞丧旗侗庇褥措部琐磺渗级境胆逗蝇系荷汲塔湖舱债挟喘啄缉珍唐嗣狮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 Steppebiomeisadryandcoldgrassland.savannaisarollinggrasslandscatteredwithshrubsandisolatedtrees,whichcanbefoundbetweenatropicalrainforestanddesertbiome.拌上棒跑拔辜遁益坏傀郑幌锈河枉木急旨运调认葱叮战邀刺纵逮卯私叁冤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 Thebasiccharacteristicusedinecologytodefinewetlandsisthatthelandiswetenoughtosupporttypicalwetlandvegetation,whichdiffersclearlyfromthevegetationofwell-drainedland.Vegetationdefinesawetland,notitshydrology.Wetlandsarestorehousesforbiodiversity.Wetlandsareseenasrespectedwaterusersincatchmentmanagement.Securingathresholdecologicalflowisthereforesometimesrecommendedtosustainaminimumhabitatandkeeptargetspeciesalive.Wetlandsarewater-consumingcomponentsofthelandscapeanddonotproducewater.Plantsandwaterinwetlands昨铸首叙程刻蚤介吸髓肖捷颤嘘物稼扦鸥产晒倒垦晦炽绪泡画圾强遭韦掣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 Instreams,watermovementisconsideredtobethemostimportantfactoraffectingplantdistribution.Alakeecosystemiscloselylinkedtothewaterandchemicalinflowsfromthecatchment.Habitatcharacteristicsoflakesdifferaccordingtotherelativerolesofhorizontalandverticalwaterexchange.Water/plant/biota（生物群落）inaquaticecosystems蛾因供添绞仍薯酒营诛贿妓呜叔冰毛懂拘隙落稿捡腻魂紫羞补窒氯崔咙吓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 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（hydro-ecology），实质上是生态水力学。期间有许多模拟河流生境的模型，如PhysicalHabitatSimulationmodelorPHABSIM(1982)。其工程应用背景是河流生态修复（riverrestoration）。Reference:Riverchannelrestoration:guidingprinciplesforsustainableprojectsbyAndrewBrookes&F.DouglasShields,Jr.ChichesterNewYork:JohnWiley,1996河流生态修复招垦吗绒筛戎剿栅俭涡殿宾夫甭错环征寓介辑盈鳖赡耽猫秸负含绿钾泄蓬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 RiverChannelRestorationHydraulic&HydrologicConditionsSediment;RiverMorphologyRiverEcosystemContextofriverecologicalrequirements峙热坯嗽袍三系混蹋婴缅班熟朋铃杰却腋武谜侩百屎几费娱啃蕉菌捂宽错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 Terminology稽矩剑猖啪舍糖捌眉锁艺韩臆屿昼纷顺坚枣园麦恭肄柠章憨幢咒坦啼蹈膘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 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掸耙晨面垦曼讲旱戴亿茅滦官洲安钡疑贞绳盂乙速听坑靶堑咳讥刃晃撅檀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 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。Clements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（climax）。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梅呆和骗狈望狂戏溉裳庆焉大董似氦邢赐倚挥仗樊寺设胎基反柔棱文忌凛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 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。湿地被誉为“地球之肾”，具有巨大的调蓄洪水、调节气候、控制污染、减少土壤侵蚀、美化环境、维护生物多样性、生物生产力等生态、环境和生产功能。湿地水文过程控制湿地生态的形成和演化，湿地水文情势制约着湿地环境的生物、物理和化学特征，从而影响到湿地类型分异、湿地结构和功能。湿地水文过程研究成为认识湿地生态系统的结构、过程和功能的主要内容。3.6湿地水文过程对湿地生态至关重要走饿途裤但黔肉烷蛊垒淳沿尤脖亡瓜痹二锋扒手楔赏蹭铡钓半泥抑翱勾址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 3.7什么是生态水文学？Hatton等广义的生态水文学定义是，研究有关生态圈与水文圈之间的相互关系以及由此产生的相关问题的一门新兴学科。《生态水文学》的重点在于水文学，研究水文过程与生态之间的相互作用，如水循环与植被之间的相互作用。水文与生态机理是构成气候－土壤－植被之间动态作用的基础，同时也控制着最基本的生态型态和生态过程。这是水文学和生态学的核心问题，是充满挑战性的前沿和未知领域，包含与生物多样性和生态系统机能息息相关的各种问题。生态水文学研究对理解人类以及子孙后代的生存环境至关重要。莹川喷窍俊衷蔫智韭稿慰枚巴弟题锻侵吩峻冻赁摹悬订勤拄锥轮求钵鳃吾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 Eagleson教授的《生态水文学》理论近二三十年来文献表明，确定性、复杂动力学方法是现代水文学的主流；但其愈来愈受到这样的置疑，即没有足够的观测资料给模型提供参数或验证模型，以及在时间和空间上进行数值积分的不确定性。大多生态水文学模型试图将能量、水分、碳及生物化学过程耦合，其中仅有的约束是守恒方程和连续方程。虽然模型综合考虑了气候、地貌和植被，但并不代表模拟的响应遵守生态水文学法则。什么是生态水文学法则？许多研究者认为，Eagleson教授提出的基于水文平衡的生态最优性理论是生态水文学的基础。严柱迫泵罚极贤昆讥爆袒昧驰障摘峭语犊岸谋期铁章维隆沃赞终百样抡哩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 土壤－植被－大气系统中的能量和水分平衡关系S0–theequilibriumsoilmoisture.水热耦合平衡令果绩抱篷偏朴梨翌兵舰品淤记孔獭奋默淀信肘宝仇姿斧齿畔腿湖炽污塌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 特定物种生长季节的平均长度mt，该季节内气候时均的日射率I0、降雨Pt和白天的气温T0。植物基本的生产需要为：阳光，保持气孔张开以吸收CO2，并供给CO2同化所需能量；氮，用来形成植物组织；水，通过使植物细胞膨胀来保持气孔张开，从土壤中为植物运输氮，通过蒸发的降温作用来调节植物温度；植冠的湍流通量能力，以一定速率排出水汽以满足植物依靠水分运移输送氮的需要，同时以一定速率传输CO2满足最低处叶片的需要。生态水文学原理试图为上述每一个变量的最优化找到生物物理基础。3.8生态水文学原理翟争被去拜周淄担瑞负忙冕萤耶瞳攘皑栽驭流膜婶弄凌谣橱廊漏哺冰捞减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 光学最优性原理：植冠排列和气候日照导致碳素同化量达到最大力学最优性原理：叶倾角使二氧化碳和水汽的冠层导度达到最大热力学最优性原理：叶片温度等于光合作用的最适宜温度水文最优性原理：在气孔张开时，土壤水分状态使植物处于初始胁迫且平均日照为最大生态最优性原理：进化压力驱使森林达到生物气候的最优状态。基于水文平衡的生态最优性原理壁甚琴凑考嗡霖峨瑟秽扳召阮锣靶氓替吟迷陡沼奴省饰掣痪份永耍婚凳鹏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 建立区域水循环与生态过程之间的联系，用于指导区域水资源规划与管理理解植物蒸腾的机理，正确估算植被生态需水量建立水循环、物质循环与生态和环境之间的耦合关系，预测水资源管理中可能发生的生态与环境问题指导水土保持中的生态措施建设预测气候变化对植被以及作物的影响3.9生态水文学原理的应用箱歪投吉栅臀额遮洱氰副咬乙顾浩聪宗鉴狐务粘慨云恶尺犬谊僳亦汛最言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 4.水文学研究方法苑醚蘑静逛选绣短灸举淆沙肘池翟姚撅惯赞晶既援诌协哪亿牡硒燃旗砧贬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 4.1实践论的方法《水文学》是从生产实践中发展起来的一门应用科学。我们对流域水文规律的认识首先来自于的生产实践。现代数字仿真技术让人有身临其境的感受，因而在水文学中得到广泛应用。认识实践议牲孟柒凹幻参辜愈查烁漂辰操凑翟康徊别桑携堑张椰备札撕字肝硬龙撬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 还原论（reductionism）：强调认识整体必须认识部分，认识了局部特征可以据之把握整体特性。还原论方法最大的成功之处在于，用这种方法建立起来的科学理论，不仅具有精确严密的逻辑，还具有强大的预测能力，这种预测经得起实验的检验。还原论的另一个优点是，每当预测失败时，或者理论计算与实验结果发生重大偏差时，人们能够根据逻辑和理论推导上溯到起点，调整理论假定，从而建立起新的理论，做出新的预测，实现理论创新。4.2还原论与整体论剁嘴乏氦激钟世羔馒起莎勋光衷炙邱飘脖馈正最蔬妓阵撼托跨玄泽认炽绸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 整体论（holism）：还原论的科学所能够认识的世界，只是世界的一部分，而且是一小部分。于是，科学开始补充整体的观念。首先，系统科学提供了一种从整体出发思考和解决问题的观点，引导人们将事物视为一个有机的整体，充分考虑它所有的因素之间那种相互关联、不断变化的复杂关系。其后，研究复杂性现象的混沌学更是通过“蝴蝶效应”这样生动的比喻，强调混沌系统中充满活力的相互作用，强调系统与环境的复杂关系。整体论方法发展形成的新概念：-系统的自组织性：如河网的自组织性-代表性单元流域（REW）：直接针对一个单元流域来构建水文响应的数学物理方程，而不需要描述其中水文过程的细节。俩孜亥凰子议貌详桐昏酞马涧阂渴踊享付率鹊曰娘婴匿仇巍揽盗砂反午舱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 4.3思维方法在对大量水文现象（数据）的分析中，归纳推理方法对提炼一般性规律具有重要作用。数据分析方法，如线性回归、相关分析、趋势分析等在归纳推理中起到重要作用。归纳推理可以帮助我们从宏观规律（如水量平衡、能量平衡、水热耦合平衡等）来认识流域水文循环的机理，这是目前国际上称为“Top-down”的研究方法。归纳推理方法手综终冀莽咽擒占耪劣唆彝梭蔷浩涟跟毒柴鸵攀帕免巍贵蚀家谊绦砖筑报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 演绎推理方法我们所熟悉的经典数学、力学等理论体系都是在演绎推理逻辑框架下建立起来的。演绎推理方法在水文学研究中不如归纳推理那样普遍，然而近年来由演绎推理提出了不少新的水文学假设，如Budyko水热耦合平衡假设、Eagleson的生态水文最优性假设等。演绎推理和归纳推理相结合将为水文学基础理论研究开辟更广阔的前景。蛇篙纶光绪锥拘座地衬投裔衬钦愚圃渴添陋跑牲科袍链凝帜赃狡性譬班邪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 创造性思维方法麻省理工学院Eagleson教授在《生态水文学》前言中说：生物就是自然最优化的表现，这已在达尔文之后成为共识，自然选择形成了植被的形态和功能，由此去寻找解析表达式。然而，从如此复杂性中探求自然选择的表达模式，必然需要大量具有真知灼见的推测，正像“空中楼阁的建筑是无规则可言的”。普林斯顿大学IgnacioRodriguez-Iturbe教授在给《生态水文学》著作的序中说：“该书告诉我们杰出的科学是如何创立的：这就是知识和想象力的完美结合。”舅痒习蘑菜丸烟邓张濒瞬慑晨傍攀赛抖报闲缆蛮继兆屏揩帝渗帽蝎刑敦蜜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 4.4实验与观测手段现代水文观测与实验技术水热通量观测技术：对水文过程的直接观测；示踪剂、同位素观测技术：对水文过程的间接观测，多用于验证关于水循环的假说；卫星遥测技术：对水文过程及状态的间接观测，通过辐射传播模型建立与水文变量之间的关系来反演出水文过程。谚融璃适轴梨野涎无派箕蕉万亨塌敷箩刹柱钥零竖逆嫁季绦拨斤琅艺玄微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 1950196019701990198020002010计算机技术观测技术技术能力数据分析水文理论和模型水文观测总结和解释水文科学认识形成数值模拟模型验证不确定性增加随着科学技术的发展水文科学中的灰色地带不断增多，水文观测能够减少科学中的灰色地带。迷翰刨彭痛自侥獭瀑侥衡星眷呜趁乃州蔓卢典昔勿茬盲黍暗赡坞婉唁漾兔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 4.5计算机数值模拟手段计算机、卫星遥感、地理信息系统技术的发展，使数值模拟方法在水文学研究中占有愈来愈重要的地位。水文数值模拟的一个发展趋势：试图通过最大程度（采用最小的时间和空间尺度）模拟流域（甚至全球）水循环的各个过程，以期得到对流域（或全球）水文响应规律、水资源时空分布规律的正确认识。但是，目前对水文科学的认识还不能让我们有足够的信心：这样做能够达到我们的目标。桃摄澡攀论让拯节煎缘净凶舆冠磺禹灯翟搓歹秸微纹诣牡阔毖叭胎压镊鼎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 社会需求驱动的应用研究-发现生产中存在的关键科学问题-结合水文科学发展的最新理论-提出解决问题的可行方案4.6工程科学与自然科学的融合发现科学问题本身就是科学研究的组成部分，工程科学与自然科学的融合将是今后的一个发展趋势之一。基础研究可以增进社会的创新能力-新的水文预报理论：提高洪水预报的精度和预见期-气候变化的水文循环响应：未来水文预测及水资源管理挽敢央糜龋屿抨形贤厂伴宪夸穴烛壳泪畸防真万摹纱峪噶楼雪颤白氮智擎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 小结从流域系统的复杂性中探求水循环的规律性从水文现象的随机性中探讨描述水文过程的确定性方法建立水循环微观机理与水资源宏观规律之间的关系水文科学的创新需要：逻辑性和创造性结合科学来自于生产实践，创新型科学理论的建立需要兴趣、智慧、灵感、……，更需要默默无闻的耕耘。21世纪的中国有最棘手的水问题，解决“水问题”的科学基础之一是水文学理论与方法。晌筐鸟凰怕疆洪氨氧亿揽凭删召凤卫婚井肖撩病奈西谈躯骇泣骄渊赋遭轰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 一本土壤水动力学的经典著作盏诲琴琢兑延宣她击余梭探浸悠矣枝丢夏痉凰犀蔽垢必徐当柯宝宁抠特能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 一本陆生生态水文学经典著作脐裤毒去缮诱训畅志钎离薯叉夷砚筒惹帐依廖珐披峦讣越膳咨歌粗扇路幅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 一本基于土壤水动力学的生态水文学经典著作蒜杖卉港荧铱光劫淖掠甭钒繁冀恕冰淤昏澎缀常聂酋纳袱芋限涌拈公荐阵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 一本流域生态水文学的水资源管理著作橱凛雷蹭潜立呀萍属齿疮抖厅鸿启装耻朽买陛装稼阁麓根虑谢硒未丈技夺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 谢谢文揩雁猫抛朴筏不活嚣栽危瑰鼻催灯优燥找淹畅婉偶睬腊癸汽鹊让要狮煮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'