收稿日期:2000211220
作者简介:刘永宏(19642),男,内蒙古商都人,内蒙古林科院防护林所助理研究员。
2000年内 蒙 古 林 业 科 技
2000 增刊
Inner M ongo lia Fo restry Science &T echno logy
Supp lem ent
文章编号:100724066(2000)S 020067207
森林水文研究综述
刘永宏,梁海荣,张文才
(内蒙古林业科学研究院,内蒙古呼和浩特 010010)
摘 要:本文介绍了国内外森林水文研究简史。通过对森林调节降水、森林涵养水源作用、森林调控洪枯流量、森林防止土壤侵蚀以及森林净化水质等多方面功能的现有研究资料的归纳分析,概述了国内外森林水文研究的现状、水平及部分成果。指出了我国森林水文研究的不足、差距以及解决对策。关键词:森林水文;研究;综述
中图分类号:S 715.1 文献标识码:A
森林和水是生态系统中最活跃、最有影响的两个因素。由于降水基本上是地球上唯一的淡水来源,而对降水量和降水的时空分配,人类还难以从根本上给予主观的、大范围的改变,只能在流域范围内和邻近流域之间加以一定程度的控制和调节。基本措施是生物措施与工程措施,特别是水源涵养林、水土保持林的培育管理和水利工程建设。森林在涵养水源、调节径流方面具有重要功能,是森林生态平衡功能中的重要方面。所谓“山青水秀”、“穷山恶水”是森林植被与其理水功能的最直观的描述。然而要确切了解森林理水的具体过程与作用机理,从而能够定性表达和定量分析,就要求进行系统严密的科学研究。森林水文学就是适应这个需要而问世的。1 森林水文研究简史1.1 国外森林水文研究简史
早期的森林水文学的试验研究主要集中在森林的个别水文现象的测定及森林植被对水影响方面的科学知识。森林水文学作为一门科学进行实际观测和分析研究始于上世纪
末,本世纪初。在19世纪中期至20世纪初,森林与水的关系知识主要包括在“森林的影响”的研究内容中。1864年德国的埃比曼伊
尔(Ebm ayer )在巴伐利亚建立了第一个森林气象站,对降水量、土壤蒸发和枯枝落叶层对地面蒸发的影响进行了测定。1879年,奥地利开展了森林截留降水和蒸发蒸腾的观测研究。此后,在工业发达、人口稠密的国家,随着需水量的增加,对森林调节水分、涵养水源的作用开始引起重视,陆续开始了关于森林覆盖对河流流量影响的研究。从本世纪初至中期,日本、美国、前苏联一些科研工作者在全国不同气候森林带广泛开展对比性流域试验,对有林地和无林地集水区河流流量进行测定、比较。美国的基特里奇(J .k ittredg )于1948年提出把研究森林对水影响的重要方
面如降水、土壤水、河流和洪水,单独称为森林水文学。
1.2 中国森林水文研究的发展史
中国是一个水资源并不丰富,森林资源又比较贫乏的国家,水资源总量虽有26200
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亿m3,但按人口平均占有水量仅为世界平均水平的1 4,中国森林资源的人均占有量不及世界平均水平的1 800,这是导致水土流失严重、生态环境恶化的直接原因,也是促使人们从主观上能动地去增加森林覆被率,并探索森林与水文关系的一个主要因素。中国的森林水文研究,据现有资料可追溯到明朝中期闫绳芳所著《镇河抽记》中,他对现山西省祁县的森林破坏和洪水危害做过生动描述。清朝的梅曾亮(1786～1856),在他所写的《书棚民事》的奏文中,对安徽宣城开荒毁林导致水土流失做过细致的论述。再如《甘州府志》,即今甘肃张掖地区的地方志中载有清朝嘉庆七年(1802年)的一篇《八宝山松林积雪说》,论述了八宝山(即祁连山)森林涵养水源作用对当地人民生计之重要,破坏森林会带来的危害性。
中国近期的森林水文研究于本世纪20年代(1924～1926)由前金陵大学美籍学者罗德民博士和李德毅先生在山东、山西、河南、安徽等地的寺庙林地,观测研究不同森林植被对雨季径流和水土保持效应的影响。从50～60年代开始,在全国各主要林区,一些科研单位、高等林业院校以及有关部门,先后设置了森林水文定位观测点,开展了森林水文方面的研究。70～80年代,在全国进一步开展了有关森林水文方面的研究,并开始了水质的测定。1988年12月,在中国林学会的领导下,正式成立了森林水文及流域治理专业委员会。从而推动了森林水文作用这一研究工作的进一步开展。
2 森林水文研究概况与成果
2.1 国外森林水文研究概况及成果
国外森林水文研究从学派上讲,主要分为欧美和前苏联两派。欧美各国在森林对水量和水质的影响方面有较系统的研究,他们认为森林不具备增加降水的作用,森林采伐后,河水的流量不是减少而是增加。前苏联学者认为:森林可以增加降水,并可以增加河水流量。但总体来讲,国外在森林对水量和水质的影响方面都有较系统的研究,研究成果主要体现在:
2.1.1 树冠截留 澳大利亚的N.J. Schofield(1984年)对桉树的测定表明,截留损失占总降水的9%～16%;R.E.P rebb le 等(1980)测得银叶铁皮树(E. m elanop h loria)的截留损失为11%;印度的R.P.Singh等(1983)发现,35年生雪松(Ce2 d rus d eod a ra)的截留损失为降水的25.2%,在降雨量最大的7月份为18.7%,在雨量最小的2月份为69.1%。这些研究表明旱季的截留损失大于雨季。温带及寒带树木的截留量与热带又有所不同,前者一般大于后者。加拿大的A.P.P lam ondon等人(1984)发现,冷杉林(A bies f abri C raib)的截留量为15. 1%～38.6%,并发现截留损失随着落叶的增加而减少,随着覆被率的增加而增加,为了确定截留与叶面积之间的定量关系,美国的J. M.T rom b le(1983)采用人工降雨方式对拉瑞阿灌木((L a rrea trid en ta ta)进行测定,每c m2可截水1.2g,每c m2叶面积可截水0. 54g;树冠密度达到30%时,截留损失为22%;降雨小于5mm时,雨水可全被截留。与截留关系最密切的是叶面积,其次是枝干数。树干截留量一般只占0.3%～
3.8%,在水量平衡中可以忽略不计。
2.1.2 穿透水 保加利亚的L.T sonkov (1984)发明了一种穿透水取样装置,用一根由惰性化学材料编织而成的长15～20m,粗6mm的绳子,将两端系在同一高度上,中间接上一根管子,管子引向固定在地面上的收集器,使绳子与地面成15°～30°的角,加拿大的M.K.M ahendrappa等(1982)采用标准雨量器和经过改进的漏斗形收集器测量穿透水,结果表明,两种方法基本一致。在测定的基础上,他们确定了计算穿透水(Y)的回归模型:Y=bx-a(其中x为降雨量,b为斜率,a为截距)。美国的J.W.R aich(1983)曾
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对哥斯达黎加的湿地成林和一片一年生演替林做过6个月观测,结果发现,成林穿透水占总降雨的52%,演替林占68%,通过测定得出,穿透水与林分密度成反比,随着树冠截留的增加而减少,随着离树干距离的增大而增加,数量上等于降水减去树冠截留与树干流之和。
2.1.3 蒸发与蒸腾 美国佛罗里达大学林学院的N.R iederk(1985)采用窝式双箱渗透计测定树木的蒸腾,测量精度可达1mm。结果表明,最大蒸腾量可达11mm d。东德的K.H.Si m on等人(1985)采用氚示踪法对67年生挪威云杉做了测定,结果是蒸腾占降水的88%,地下渗水占6%,地表径流占6%。
林分蒸腾量的多少与降水量有密切关系。据美国的N.R iekerk(1985)对湿地松幼林的测定,其蒸腾量1981年为923mm,第二年降雨量增大,蒸腾量也随之增加到1089mm。实验表明,树冠湿润时的蒸发速度要比干燥时树冠的蒸腾速度高3倍以上(J. W.Ho l m es,B.o lszyczka1982)。树种不同,蒸发速度也不同,即使是同一树种,不同的季节里差异也很大。美国亚利桑那大学林学院的L.W.Gay和R.K.H artm an(1982)采用鲍恩比能量平衡法测定盐雪松(Sal tcedar)林分的蒸腾,4月初为2.9mm d,6月末为11mm d,10月末为1.8mm d,6月末最高时曾达到12.7mm d。东德的一份报告(K.N. Si m on,1985)指出,挪威云杉林分的蒸腾占降水(698mm)的88%。澳大利亚的E.A.N. Greenw ood等人(1985)观测发现,上、中、下层林木的总蒸腾量占年降水的81%。Green2 w ood同年还发现,草场的蒸发量占降水的60%,而桉树人工林的蒸发量是降水量的2. 4～4.0倍。蒸发与叶面积的关系也是相当密切的。澳大利亚的F.X.D un in等(1982)发现,针叶林的截留损失大于桉树林,这是由于针叶树叶面积大,生长期长,不受季节变化所致。由于蒸腾与叶面积直接相关,所以一般情
况下上木的蒸腾量大于下木。如英国的J. Roberts等人(1980)发现,欧洲蕨(P terid ium aqu ilinum)占欧洲赤松林分总蒸发量的20%～25%,在极端干旱条件下,也可占到50%以上。
概括地讲,森林流域的蒸发与蒸腾包括树冠截留、枯落层截留、地面蒸发,上层乔木和下层灌木的蒸腾。
2.1.4 径流与水质 澳大利亚的R.A. Stokes(1982)调查发现,森林流域的产流中90%来自浅层地下含水层,在降雨期间,皆伐流域常有地表径流形成,而森林茂密的流域则始终以地下径流为主,只有少量水从岩层露头和低湿地排出。
新西兰的A.T.Pearce等(1982)对4个阔叶混交林集水区观测3年所得结果是:降雨量为1480mm,截留量435mm,地表径流190～250mm,地下径流340～400mm,地下水损失40～195mm,蒸腾量320～360mm。假定截留部分全部蒸发,可以看出,林分的蒸发量达750～800mm,占降雨量的50%～54%;产流量为530～650mm,占降雨量的36%～44%。可见,由于森林蒸发、蒸腾力强,它不但会吸收浅层的土壤水,而且还要耗用4～6m以下的水。因此,森林土壤相对来说吸收能力很强,一般不会形成地表径流,森林流域的径流形式是以地下径流为主。
欧美的研究指出,森林流域的产流量少于草原或其他植被。森林去掉后,产流随之增加,采伐强度和面积越大,产流的增幅度越大;随着伐后植被的恢复,增加趋势逐渐向相反方向转变。这一规律在北纬30°～55°地带已普遍得到证实(J.W.Ho l m es,1982)。流域内的森林全部采伐后,可使流量增加400mm a以上(澳J.W.Ho l m es,1982).采伐面积达到43%时,可使产流量增加20% (美G.O.K lock等,1982)。另据报道,山核桃流域皆伐后,第一年河水流量增加了95%,河水中的K、M g和NO32N含量分别增加了
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18%、8%和27.4%(美R.J.B rozka等, 1982)。采伐还会引起地下水变化。澳大利亚的M.L.Shar m a(1982)报道,采伐后1m以内的土壤蓄水增加明显,深层地下水可增加1300mm a,而森林覆盖流域则每年减少250mm。芬兰在泥炭林集水区所作的实验表明,采用同样强度的采伐措施后,以云杉为主的集水区地下水位上升10～240mm,以松树为主的集水区增加180mm(J.P.Ivancn, 1982)。
前苏联的研究结果与欧美的研究结果不同,总的趋势认为森林可使产流量增加。如V.V.R ahm anov在伏尔加河上游流域内设50个观测站进行观测发现,随着流域内森林面积的增加,年径流量和夏、秋、冬季的径流量均增加,春季径流量减少。R.V.Op ritova 在苏联远东乌苏里江上游66条河流设174个径流站作了10～20年的观测,并对森林覆被率、流域平均高度、气温、流域坡度等因素对径流的影响作了分析,结论认为,随着森林覆被率的增加,各季节的径流量均呈增加趋势,同时在春汛期和夏秋雨季,森林对径流的调节作用明显增加。
森林采伐后,随着排水量和泥沙量的增加,流域中的养分损失加大,对河流水质产生不同程度的影响。据报道,泥沙中的养分总量与泥沙总量成线性关系,是河水中泥沙含量,泥沙养分含量以及暴风雨径流的函数(J.D. Sch reider等,1982)。加拿大的M.C.Feller 等(1984)报道,局部森林流域被采伐或火烧后,各种化学元素均呈增加趋势,增加最明显的是K和NO3。其他养分的损失量分别为N、P、K、M g不足10kg hm2?a;N a、C l不足20kg hm2?a;Ca不足30kg hm2?a。挪威的O.H averaaen(1981)报道,采伐使N的损失量由伐前的1.5kg hm2增至7～8kg hm2 (NO3—N约6kg hm2):K由2kg hm2增至12～13kg hm2;SO42S由18kg hm2增至24kg hm2;C l由16kg hm2增至35kg hm2。美国的R.J.B rozka等(1982)发现,栎—山核桃林分皆伐后第一年,K、M g和NO32N的流失量分别增加18%、8%和27.4%。
2.2 国内森林水文研究现状和主要成果
我国的森林水文研究起步较晚,已取得的主要研究成果有以下几方面的内容。
2.2.1 森林与降水 我国学者在森林与降水的研究结果中大多与前苏联科学家的结论相似,认为森林可以增加降水。南京大学气象学教授付抱璞认为,西北地区绿化后,下垫面的反射率可能比现在减少9%,较湿润的夏季,降雨量可增加110mm。北京林业大学从1956年～1963年在小兴安岭所做的对比研究证明消除了地势与风力的影响后,有林地比无林地年平均增加降水81.2mm(+ 11.8%)。不过,国内也有相反方向的研究结果,认为森林的存在对降水的多少没有决定作用。至于森林地带降水较多的原因,一是因为森林生长的地区一般都在海拔较高、降雨较多的地区;二是由于测量误差所致。可见,在森林增加垂直降水的定论上国内外学者尚存在分歧意见,但在森林能增加水平降水这一点上是没有争论的。
2.2.2 森林与径流 目前国内文献资料中,有两种完全对立的意见:森林减少径流和林林增加径流。
刘昌明等通过径流分析得出,在黄河中游黄土高原森林减少了年径流量,林区径流系数比非林区小34.0%～68.5%。金栋梁(1962)通过对长江流域大面积森林流域的分析,认为森林覆盖率高的流域比森林覆盖率低的流域、有林地比无林地的流域,河川年流量均毫无例外地增加,其中增加幅度在21.8%～32.8%。
关于森林对洪水、枯水流量的影响国内有诸多研究与报道,如对分布在长江上游的岷江上游、金沙江高山原始森林的水源涵养、调节水分作用的研究结果表明:森林能降低洪峰流量,改变地表和地下水的比例,增加枯
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水流量,减少河流泥沙悬移质含量。大面积采伐森林的结果,将导致河流洪峰流量的增加,枯水流量的减少,扩大最大与最小流量的变幅。但森林对洪水的削弱作用也不是无限的。对孤立洪峰效应明显,而对连续洪峰调蓄作用则不明显,朱劲伟等(1982)定量分析了森林对洪水的影响,提出了森林对洪水影响的数学模式。
2.2.3 林冠、枯枝落叶层的截留降水量 据
詹鸿振在小兴安岭原始红松林的研究报道,
原始红松林树冠截留率变化在20%～30%之间。最大截留率出现在少雨月份(44.1%);最小截留率出现在多雨的8月份(16.8%)。但综合多数研究结果,林冠平均截留降水量为15%～30%,枯枝落叶层的吸水量为其自重的3～5倍,截留降水量为1～10mm 。降雨在森林生态系统中的运行要经过两次分配(见图1)。
图1 降雨经过森林系统后的两次分配
2.2.4 森林与水源 国内有关森林与土壤水
分关系研究较多。刘昌明(1980)对林地土壤水分动态及与产流关系的研究,确定了林地产流影响深度达50c m ,相应的降雨最大初损量为250mm 。同时用数学模型对林地土壤水分的动
态、林地土壤水分入渗量与降雨、植被截留量、雨前土壤水分含量的关系进行了模拟,取得了重要资料。付辉恩(1983)对祁连山(北坡)寺大隆林区的观测表明,以苔藓—云杉林为主的森林类型下发育的灰褐土有机质含量高达5.9%～11.0%,草木植物下发育的栗钙土有
机质含量仅2.9%,苔藓—云杉林型林地非毛管孔隙大于10%,其表层土壤含水量大于60%,并随土层的加深而递减。苔藓—云杉林
渗水性能比牧坡草地高10倍以上。冯林等在呼和浩特大青山林业总场的研究试验也有相似的结论:密林小区土壤水分下渗速度最快,疏林小区次之,其后为皆伐迹地。林地与草地相比,土壤上层(10～20c m )水分下渗速度差26倍,下层(30～40c m )差23倍,即使皆伐迹地小区也比草坡小区快6～7倍。对于林地土壤水分动态
变化规律,总的结论是:土壤含水量呈周期性变化,林地土壤含水量周期性变化大于草地、荒坡地;深层土壤含水量变化不大,郁闭度高林分土壤含水量高。
在森林与侵蚀和泥沙方面,许静仪(1981)通过对湖北黄岗地区水土保持试验站实测资料的分析得出:森林可消减年侵蚀深度的94.7%,而且降水量分别为32.2mm 和121.6mm 时,森林拦沙作用只下降了3.2%,说明森林的减沙作用是稳定的。侯喜禄(1985)通过径流小区试验得到:与农地相比,
柠条林减少泥沙99%,刺槐林减少98%～99%,沙打旺减少85%～95%。魏秉玉(1980)通过小流域实验资料认为森林减沙效
应随森林覆被率的增加而增加的情况非常明显,即使在森林覆被率不太大的情况下,减沙效果也是显著的。森林覆盖率达30%的流域较无林地流域减少输沙量60%。刘永宏等
(1997)对呼和浩特大青山不同森林类型的径流和泥沙流失的观测结果是:覆盖率较高的天然白桦次生林与人工油松成林的保水保土
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能力最强,涵养水源效果最好。与荒坡对照相比,白桦林、油松成林分别减少地表径流96. 49%和97.60%,而油松幼林与灌木林均减少64%左右;白桦林、油松成林减少地表冲刷的百分比均在99.9%以上,几乎完全控制了土壤流失。马雪华(1980)研究了森林采伐与河流泥沙悬移质的关系,认为在泯江上游采伐森林,可使河流年平均含沙量增加1～3倍。海南岛尖峰岭热带季雨林地的刀耕火种地的径流含沙量较有林地高了3倍。
在森林与水量平衡方面,我国的研究多属于小尺度的分析,包括小森林流域或小森林区域的水量平衡、水文要素的制图与分析。朱劲伟等(1982)研究了东北红松林的采伐迹地的水量平衡,水量平衡各方面的分配关系是:红松的蒸发散(84.3%)比采伐迹地蒸发散(71.7%)大,而红松林坡地径流(1.7%)远比采伐迹地(12.2%)要小,林冠层的总蒸发散占大气降水的57.2%,林地总蒸发量为林内降水的77.3%。也即水量平衡各分量之间的关系,主要取决于下垫面结构特征。马雪华(1981)通过四川米亚罗地区高山冷杉林水文作用的研究,认为在森林水分循环中,主要通过蒸腾这一主要环节影响径流量。其他学者也从不同角度研究了森林植被的水分循环和水量平衡情况(如霍应强、王战、贺庆棠、王维华等)。
2.2.5 森林与水质 森林不仅调节水的分配和流动过程,而且还影响水的理化特性,而我国研究森林与侵蚀和泥沙的内容较多,研究森林对于水化学性质影响的较少,卢俊培(1984)在海南岛尖峰岭半落叶季雨林区做了这方面的研究,径流水的化学特性是:林外径流的化学流失量比林内的大260～340倍,森林对径流具有一定的物理过滤作用和化学调节作用,所以一般化学物质的浓度是林内低于林外,也就是说森林可以减少地表径流的化学侵蚀。
中国林业科学院林业研究所马雪华(1987)在热带和亚热带的研究表明:该地区降雨对林冠层的淋溶量是较高的,一般林内雨的养分量较林外雨高1.5～4.5倍。每年通过林冠的淋溶作用输入林内的养分总量中,以K、N最多,其次是Ca和M g,P最少。以热带季雨林和亚热带人工杉木林、马尾松林林冠的K、M g、Ca、P养分总量来比较,前者的淋溶量较后者多,尤其是P的淋溶量,前者较后者大10倍左右。
东北林业大学詹鸿振等(1986)在小兴安岭原始红松林区的研究也表明林外雨中营养元素含量很低,最大含量Ca仅为5. 399ppm、K仅为2.671ppm。元素含量的季节变化也不明显。林内雨中营养元素含量明显高于林外雨,含量最大的是Ca、K、M g,且林内穿透雨量每年给林地带来大量的养分元素。同时,林内地表径流中养分的含量高于林内雨,而树干流中的养分含量最高。
此外,魏秉玉(1980)在西北子午岭林区的辽东栎、山杨林及海南岛尖峰岭热带季雨林中,用热量平衡法测定林地蒸散量,卢俊培(1981)、马雪华(1987)在海南岛热带季雨林及江西省分宜县,潘维俦(1985)在湖南省会同县等地的人工杉木林及毛竹林中,对森林与水质及养分循环进行了测定研究,并取得了初步结果。
随着森林水文研究的不断深入,新学科和新技术已日渐进入这一研究领域中,突出的是遥感技术、环境同位素技术、计算机多元统计法和模拟实验研究技术。这无疑将极大地推动我国森林水文研究的进程。
3 差距与建议
3.1 差距
我国森林水文研究虽取得了一定成绩,但与先进发达国家相比,各方面的差距还很大。主要表现在从事研究的人员少,研究经费不足,且研究不够深入和普遍,从取得的研究成果看,也是定性的多,定量的少;典型区域研究多,按流域进行综合研究分析少;水分循
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环方面的研究多,养分循环和水质方面的研究少;森林水文要素的单项研究较多,系统综合性的定位研究少。
3.2 建议
3.2.1 按气候带和主要森林类型区,有计划地布设以森林流域为单元的长期定位观测站网,便于把自然状态下的观测与人工模拟研究相结合,把基础研究同生产实践相结合,以取得应有的生态—经济—社会效益。
3.2.2 制定全国性的森林水文研究观测规范,与统一的长期研究规划,有利于统一研究方法,使研究成果进一步统一规范化。
3.2.3 进一步加强和提高森林水文研究的科研力量,同时在测试手段、仪器设备方面,需尽快改进和革新,以适应研究水准提高的要求。
3.2.4 在研究方向上,需进一步探明森林流域对径流影响的内在机理;预测预报不同林地的水情变化过程,并对各林区的不同森林类型按水文功能进行森林水文研究区划与分类。同时,既要继续深入地开展单项要素研究,又要加强多因素综合性的研究,使小流域的定位研究与较大范围的区域水文观测站资料分析研究相结合。
3.2.5 由于森林水文的研究具有很大的区域性,所以,所研究的流域面积一定要足够大,同时还要与水量平衡场、小集水区以及典型流域的试验研究结合进行,以免导致片面的甚至是错误的结论。
3.2.6 森林水文的观测研究必须长期连续进行,才能掌握可靠准确的研究数据,没有长时间的观测资料,不可能获得科学的数据。3.2.7 森林水文研究直接服务于林业生产和环境保护,是一项有持续生态效应的环境与资源的建设与合理利用的长期生物工程。在如今计划经济向市场经济转制时期,我们决不能忽视林业和以森林为主要载体的环境保护。
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A Su mmary of Research on Forest-hydrology
L I U Yong2hong,L I AN G H ai2rong,ZHAN G W en2cai
(Inner M ongo lia A cadem y of Fo restry Science,H uhehao te010010,Ch ina)
Abstract:In th is paper,the research at hom e and ab road on fo rest2hydro logy has been in tro2 duced.T h rough analysis on such functi on s of fo rest as adju sting atm o sp heric w ater,con2 serving w ater sou rces,regu lating to rren t,p reven ting so il ero si on and pu rifying w ater quali2 ty,the p resen t situati on,level and part ach ievem en t of the research at hom e and ab road on fo rest2hydro logy have been discu ssed.D eficiency and disparity of research on fo rest2hydro lo2 gy in ou r coun try and its coun ter m easu res have been po in ted ou t.
Key W ords:fo rest2hydro logy;research;summ ary
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生态环境 2006, 15(6): 1391-1396 https://www.doczj.com/doc/ce12467010.html, Ecology and Environment E-mail: editor@https://www.doczj.com/doc/ce12467010.html, 基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX-SW-446） 作者简介：赵少华（1980－），男，博士研究生，主要研究方向为农业生态及遥感水文生态。Tel: +86-311-85814806; E-mail: zshyytt@https://www.doczj.com/doc/ce12467010.html, *通讯作者 遥感水文耦合模型的研究进展 赵少华1, 2，邱国玉1，杨永辉2 *，吴 晓1，尹 靖1 1. 北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室//北京师范大学资源学院，北京 100875； 2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心//河北省节水农业重点实验室，河北 石家庄 050021 摘要：遥感水文的耦合模型在目前生态环境领域，特别是在水资源的应用和管理中其作用日益重要，具有大流域尺度上快速应用、实时动态监测等优点。结合国内外近年来取得的研究成果，文章综述了遥感水文耦合模型的研究进展。首先介绍了遥感技术在水文学中的应用，讨论了它的分类发展概况，接着介绍了几种主要的遥感水文耦合模型及其应用实例，包括SCS （Soil Conservation Services ）模型、SiB2（Simple Biosphere Model version 2）简化生物圈模型、SRM （Snowmelt Runoff Model ）融雪径流模型以及SWAT （Soil and Water Assessment Tool ）模型，最后展望了遥感水文耦合模型未来的发展趋势，指出尺度问题上的时空变异性仍是其发展的关键，与GIS （Geographic information system ）及其他空间技术的相结合是其未来发展的重要方向，从而为水文学、水资源的预测评价等研究提供参考。 关键词：遥感；水文；径流；流域 中图分类号：P338.9 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）06-1391-06 水文模型是以水文系统为研究对象，根据降雨和径流在自然界的运动规律建立数学模型，通过电子计算机快速分析、数值模拟、图像显示和实时预测各种水体的存在、循环和分布，以及物理和化学特性[1]。通过对各种参数的计算，水文模型可以对河流、流域、径流以及水体等进行监测预报、水资源调度等。然而随着社会的发展和科学技术的不断进步，对水文模型的功能要求也越来越多，也越来越高，从单纯的流域某控制断面的洪水预报到全流域的洪水、水资源调度，导致模型的框架结构越来越复杂。地理信息技术和遥感技术的发展更是大力促进了水文模型的应用和发展。对于遥感在水文模拟中的应用，Schultz [2]举出了利用多光谱Landsat 卫星数据估算模型参数、利用NOAA 红外卫星数据作为模型的输入量来计算历史的月径流量以及应用雷达测雨数据于分布式模型中来实时预报洪水的三个例子。水文模型需要大量的空间数据，通过遥感技术可以为其提供DEM （数字高程模型）、土地覆盖/利用、降雨、地表温度、土壤特性、LAI （叶面积指数）和蒸散发等资料[3-5]。 遥感水文的耦合模型是流域水文模型发展的一个重要方向，有广阔的发展前景。简单来说，遥感水文耦合模型就是与遥感信息相结合的水文模型，模型中可以直接或间接地应用遥感资料，通过遥感水文耦合模型可以在更大范围内更准确地估算流域的水文概况、水体变化监测、洪水过程监测 预报等。然而目前国内外对遥感水文耦合模型的研究还不多，还没有对该方面的研究做系统深入的报道，本文正是基于此目的，综述了近年来遥感水文耦合的模型在国内外取得的研究成果，分别讨论了它的分类发展概况、几种主要的遥感水文耦合模型及未来的发展趋势，以期为水资源、水文学的预测评价研究等提供参考。 1 遥感技术在水文学中的应用 遥感技术在水文学中的应用大致可分为两个方面：一是直接运用：如降雨量变化的估算[6]、水体（湖泊、湿地等）面积变化的推算[7-10]、冰川和积雪的融化状态监测以及洪水过程的动态监测等（其中监测洪水过程的动态最具有代表性）。如Zhang 等[11]在长江的汉口段流域上，提出利用高分辨率的QuickBird 2 卫星影像资料估算河流流量的方法，该法通过与河流宽度－水位及遥测水位－流量关系曲线耦合来测量河流水面宽度变化，从而准确评估其流量。二是间接运用：利用遥感资料推求有关水文过程中的参数和变量。通常是利用一些统计模型和概念性水文模型、经验公式等，结合遥感资料来获取诸如径流、水质（如全氮TN 、全磷TP 、悬浮物SS 、化学需氧量COD 、生物需氧量BOD 等）、 土壤水分等水文变量[12] ，如对径流的估算，可通过估算降雨、截流、蒸散发和土壤蓄水量等参数来进行[13]。对于全球或区域尺度上的蒸发估算，遥感技术不仅具有对大面积地面特征信息同时快捷获得
森林水文效应 解释 森林水文效应hydrological effect of forest 森林对蒸发、降水、径流等水平衡要素及河流、地下水、泥沙等水文情势的影响。又称流域森林影响。 对蒸发影响 森林地区的降水，为林冠枝叶和林下枯枝落叶层截留。截留作用主要发生在降雨初期，一次降雨最大截留量有一定的数值。林冠枝叶截留的雨量最终消耗于蒸发，它与散发量（通过根、茎、叶向大气逸散的水量）、林内地面蒸发量共同构成林地蒸散发。林地蒸散发中散发量占很大比重，地面蒸发量较小。气候湿润，有充沛水分供给蒸发的地区，森林对流域的蒸散发影响不大；气候干燥，水分供应不足的地区，林区蒸散发比非林区大。 对降水影响 各家看法出入很大，一般认为由于林冠大量蒸腾，林区上空水汽含量增多，湿度大；大气中水平气流经森林阻碍被迫抬升等，都有利于降水；林区内多水平降水。苏联卡明草原58年观测资料表明，森林地区降水量比空旷地区大9％。中国的野外调查及实验资料也有这样的现象。但亦有不少资料表明，森林对降水没有影响或影响甚微。 林下土壤的下渗强度一般比非林地要大得多。这与林地落叶层能减缓地表径流流速、森林土壤中根系发育、土壤中有机质多、团粒结构发育等有关。据中国科学院地理研究所在陕西省黄龙林区的测定，林地的稳渗率比周围的耕地和草地都大。 对径流影响 包括对洪水、枯水、年径流量和径流年内分配等的影响。对于一次孤立的洪水，森林有明显的降低洪峰、减少洪水流量、延缓洪水过程的作用。对于连续洪水，林区洪水流量通常比非林区大。在一般情况下，流域内林区枯季径流量比非林区大，年内分配也较均匀。森林对年径流的影响比较复杂。森林流域年径流量比无林流域小，森林砍伐后会使年径流量增加。大面积森林随气候和下垫面性质不同，其结果也大不相同。苏联在喀尔巴阡山南北坡36个流域内的调查表明，年径流量随林率的增大而增加。中国通过对比流域分析表明，北方干旱地区年径流量随林率增大而减小（石质山区除外），南方湿润地区则相反。从热带到温带，年径流量均因森林砍伐而增加，造林后则使年径流量减少。 对地下水影响 较为复杂，一般认为山区森林下渗的水量对地下水补给有利；平原森林对地下水影响随气候条件不同而异。
流域水文模型研究现状及发展趋势 发表时间：2018-09-11T16:04:44.667Z 来源：《基层建设》2018年第24期作者：王慧锋 [导读] 摘要：地球上的水文事件，是一种诸多因素相互作用的结果，在尚未找到复杂水文现象的科学规律之前，通过建立水文模型来仿真有关水文事件是一种合理、可行的途径。 安徽国祯环保节能科技股份有限公司安徽省 230088 摘要：地球上的水文事件，是一种诸多因素相互作用的结果，在尚未找到复杂水文现象的科学规律之前，通过建立水文模型来仿真有关水文事件是一种合理、可行的途径。随着计算机技术和一些交叉学科的发展，分布式物理模型被广泛提出，并逐渐成为21世纪水文学研究的热点课题之一。基于此，本文主要对流域水文模型研究现状及发展趋势进行分析探讨。 关键词：流域水文模型；研究现状；发展趋势 1、前言 流域水文模型是为模拟流域水文过程所建立的数学结构，在进行水循环机理的研究和解决生产实际问题中起着重要的作用，能有效应用于水文分析、水文预报、水资源开发、利用、保护和管理等方面。目前，国内外开发研制的流域水文模型众多，结构各异，按照不同的分类方法可划分为不同类型的流域水文模型。 2、模型的发展及现状 流域水文模型的研究始于20世纪50年代，早期主要依据传统产汇流理论和数理统计方法建立数学模型，应用于水利工程规划设计和洪水预报等领域。其间系统理论模型和概念性水文模型得到了快速充分的发展，国外曾出现了几个著名的概念性水文模型。比如，最简单的包顿模型和最具代表性的第Ⅳ斯坦福模型。包顿模型是澳大利亚的包顿（W.C.Boughton）先生于1966年研制成功的一个以日为计算时段的流域水文模型，在澳大利亚、新西兰等国有着广泛的应用，比较适用于干旱和半干旱地区。由N.H.克劳福特先生和R.K.林斯雷先生研制的第Ⅳ斯坦福模型（SWM-IV）是世界上最早也是最有名的流域水文模型，此模型物理概念明确，结构层次分明，为以后许多模型的建立提供了基础。此后比较有名的还有萨克拉门托模型和水箱模型。水箱模型是对水文现象的一种间接模拟，模型中并无直接的物理量，参数简单，操作简便，在我国湿润地区的水文计算和水文预报中采用较多。 水箱模型由菅原正已先生在20世纪50年代提出，对我国流域水文模型的发展影响较大。国内的流域水文模型在20世纪70年代至80年代中期也得到蓬勃的发展，其中典型代表为赵人俊教授等于70年代提出的新安江模型。新安江模型在湿润半湿润地区得到广泛应用，模拟精度也比较高，对我国水文模型的发展起了重要的作用。 1969年，当概念性水文模型的研究开展得如火如荼时，Freeze和Harlan提出了分布式水文物理模型的概念和框架，但当时的相关研究并不多。20世纪80年代以后，流域水文模型开始面临着许多新的挑战，包括水文循环的规律和过程如何随时间和空间尺度变化而变化的问题，水文过程的空间变异性问题，还有水文、地球化学、环境生态、气象和气候之间的耦合问题。以前研制的大部分流域水文模型（系统模型和概念性模型），由于其自身存在着许多不足和局限性，无法适应这些挑战。因此，人们开始关注分布式水文物理模型的研究。在20世纪90年代，计算机技术、GIS、遥感技术和雷达测雨技术等迅速发展，为研制和建立分布式水文物理模型提供了强大和及时的技术支撑，使得分布式水文物理模型成为水文学研究的热点课题之一。 第一个具有代表性的分布式水文物理模型由英国、法国和丹麦等国家的科学家联合研制而成，发表于1986年，称之为SHE模型。该模型主要的水文物理过程均用质量、能量和动量守恒的偏微分方程的差分形式来描述，也采用了一些经验关系；模型模拟流域特性、降水和流域响应的空间分布信息在垂直方向用层来表示，水平方向则采用正交的长方形网格来表示，能较好地描述降雨径流形成机理。从SHE模型开始，人们先后研制建立了一些分布式水文模型，例如MIKESHE、SHETRAN等，这些演化模型在许多流域得到检验和应用。我国水文学者在这方面的研究也取得了一些进展：黄平先生[1]等提出了流域三维动态水文数值模型；郭生练先生[2]等提出和建立了一种基于DEM的分布式水文物理模型，模拟整个流域的径流形成过程，分析径流形成机理；夏军先生[3]等开发了分布式时变增益水文模型，该模型既有分布式水文概念性模拟的特征，同时又具有水文系统分析适应能力强的特点，能够在水文资料信息不完全或不确定性的干扰条件下完成分布式水文模拟与分析；研究者提出了一个基于DEM的分布式水文模型，主要用来模拟蓄满产流机制，并通过实例检验模型模拟流量过程以及土壤需水量空间分布的能力；研究者等对分布式水文模型的发展现状进行了详尽概述，并对其发展前景作出展望。 3、模型研究展望 在经历了最初的萌芽与蓬勃发展之后，随着先进的计算机技术及地理信息系统、数字化高程模型等在水文学领域的应用，流域水文模型的发展进入了一个新的历史时期，其研究方法必将产生根本性的变化： （1）具有物理基础的分布式水文模型能为真实地描述和科学地揭示现实世界的降雨径流形成机理提供有力工具，是一种发展前景看好的新一代水文模型。另外，分布式水文模型所需资料主要来自空间水文、气象及下垫面等方面的信息，对实测降雨径流资料的依赖较小，这使得其在无资料及资料精度不高的地区有更好的适应性，也较集总式概念性水文模型有更广阔的发展空间。 （2）加强分布式水文模型的物理基础研究、更加合理地模拟和描述水文过程，是改善模型结构和明确参数意义的关键。对水文学基本理论的研究，尤其是降雨径流形成机理与地形、地貌、土壤、植被、地质、水文地质、土地利用和气候气象之间定量关系的揭示，将在本质上推动模型的发展，使其物理意义更加明确，对水文规律的模拟更加贴近真实情况。 （3）GIS和遥感技术为水文模拟提供了新的研究思路和技术方法。GIS用于水文模拟，可以用来获取、操作及显示与模型有关的空间数据和所得的成果，使模型进一步细化，从而深入认识水文现象的物理本质，为分布式的水文物理模型研制提供了平台。遥感技术可以提供一些确定产汇流特性和模型参数所必需的下垫面信息和降雨信息，是描述流域水文特性的最为可行的方法，尤其是在地面观测手段和资料缺乏的地区。 （4）尺度问题是当代水文学理论研究的中心内容。近些年来物理性水文模型的最新进展反映了目前处理尺度问题的几种研究思路，其中在物理性和计算效率之间取得平衡的准物理性水文模型、基于不规则网格的物理性水文模型以及直接在宏观尺度上建立数学物理方程的尺度协调的物理性水文模型都有了明显的突破，在一定程度上代表着物理性流域水文模型的发展方向。 4、结语 传统的概念性集总式模型由于忽略了参数和下垫面条件的时空变化，将参数和变量都取流域的平均值，这与流域的实际情况并不相
斯坦福流域水文模型SWMM研究综述 摘要：自然界的水文现象,是一种多因素相互作用的复杂过程,由于其形成机理还不完全清楚,水文模型成为一种研究复杂水文现象的重要工具。本文在在查阅文献的基础上,从斯坦福流域水文模型，国内外 SWMM 研究进展，斯坦福模型主要组成，其他流域水文模型的研究进展个方面对斯坦福模型的研究现状及进展进行了整理和分析，并在此基础上探讨了流域水文模型研究的发展趋势。关于流域水文模型的研究成果有目共睹，但仍需要深入研究。总之,流域水文模型与GIS、遥感技术的结合越来越多的受到重视,必将成为今后研究中的一个主要方面。 关键词：斯坦福流域水文模型；综述；研究进展； 1.斯坦福流域水文模型 流域水文模型的起源是从水文预报模型开始的,即降雨-径流模型。1932年Sherman用叠加原理提出了单位线模型，单位线模型统治水文界20多年。随后Nash和Dooge对单位过程线进行了改进,提出了连续变化的暴雨响应模型。 第一个真正的流域水文模型就是1959年Linsley&Crawford开发的斯坦福流域水文模型，并经过改进和扩展,于1966年发展了SWM-IV。属于概念性集总式水文模型,将整个流域看作一个整体,不考虑流域内的空间变化,数据输入、流域特征描述(土壤类型、土地利用和坡度)通常采用平均值。这个时期的水文模型应用计算机模拟水循环系统,而不是简单地利用数学公式计算洪峰和降雨-径流关系。模型已可以模拟降雨、截留、入渗、蒸散发、河道流等水文过程,但模型中的参数大都缺乏明确的物理意义,以经验公式为主,不能反映流域水文过程空间上分散性输入和集中性输出的特点,且模型参数对水文实测资料的依赖性很大,无法模拟产汇流的空间分布规律,以及气候变化、土地利用/覆被等因素对水文过程变化的影响;这个时期的模型还主要表现在以模拟水量为主,无法模拟污染物等的迁移。虽然这些模型考虑的因素较粗,模拟精度不足,但在资料不完善地区仍然应用广泛。 HSPF模型是在斯坦福模型(Stanford-IV)的基础上发展萨克模型是集总参数型的连续运算的确定性流域水文模型,是在第IV斯坦福模型基础上改进和发展的。 2.国内外SWMM研究进展 2.1国外SWMM 研究进展 SWMM 是由美国环保局于 1971 年推出的，在世界各地获得了广泛的关注，为降雨径流方面的研究提供了可靠的技术支持，并且应用在面源污染负荷计算、城市防洪、雨洪调蓄、径流计算、雨水利用等方面。1975 年 Marsalek等人对美国3 个流域内的12 场暴雨事件
森林对水文的影响 唐恩勇 ( 贵州大学林学院水土保持与荒漠化防治091班) 摘要：森林与人类的生活息息相关，他不仅是可供人类开采利用的一种自然资源，更是人类及其他生命赖以生存的环境与物质基础。随着人类的发展进步，无论是生活和生产实践还是科学的研究探索，对于森林的作用都有一个深刻地认识，总的来说，森林的防护效益有这几个方面：森林的水源涵养作用，土壤改良及水土保持作用，气候和环境的改善与维持作用，大气污染、土壤污染、水体污染防治作用，各种生物资源的保护作用，人类健康保健与环境美化作用等等。水不仅是生命存在和延续的先决条件，而且是全球与局部气候状况的重要决定因素，随着人类文明的发展，人们对水的用途的要求越来越高，用量越来越大，然而，随着全球环境的改变，地球上的可以利用的水资源越来越少，征对森林对水资源的作用，森林的存在对于水文效应的影响，无论是从宏观还是微观，无论是从地上还是地下都有着不可替代的作用，研究森林对水文的影响，更有利于合理利用水资源、保护生态环境的对策和措施有效地实施。研究和认识森林对水文影响的规律，对于开发、利用水资源，防治水患，充分发挥森林的生态效益具有重要意义。 关键字：森林水文效应生态效益 为了认识森林对自然界水分运动的影响及所产生的效应。研究森林对水文的影响，它起源于19世纪中叶。1864年德国的 E.埃贝迈尔在巴伐利亚建立了第一个森林气象站，对林区降水量、土壤蒸发和枯枝落叶层对地面蒸发的影响进行了观察。1900年在瑞士的埃曼托尔山地的两个集水区，对森林和牧地、耕地进行了河流流量的对比观察。之后，日本、美国、苏联等国家相继开展了这方面的研究。20世纪中期以来，研究范围进一步扩大，手段日趋现代化。如在不同自然地域内开展各种林分的水量平衡和水质研究，探索不同林种、不同采伐方式对降水和径流的影响，找出最佳森林水文效益的林种和采伐、更新方式，以及在测试仪器和装置方面采用中子散射、无线电遥控、室内模拟等。中国最早是于1924～1926年在山西、山东等地的寺庙林里进行了径流试验。 1森林的地上部分对降雨的再分配过程 大气降水落到森林表面时，首先被森林植物地上部分截留引起降水的第一次分配。然后，当降水量足够大时，一部分降水到达枯枝
近几十年,新安江模型不断改进,已成为有我国特色应用较为广泛的一个流域水文模型。新安江模型是分散型模型,把全流域按泰森多边形法分成若干块,每一块称为单元流域。在每块单元流域内至少有一个雨量站;单元流域大小要适当,使得每块单元流域上的降雨分布相对比较均匀,并尽可能使单元流域与自然流域的地形、地貌和水系相一致,以便于能充分利用小流域的实测水文资料以及对某些问题的分析处理。新安江模型的结构分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流计算4个层次。蒸散发计算采用3层模型;产流计算采用蓄满产流模型;用自由水蓄水库结构将总径流划分为地表径流、壤中流和地下径流3种;流域汇流计算采用线性水库;河道汇流计算采用马斯京根分段连续演算法或滞后演算法。对划分好的每块单元流域分别进行蒸散发计算、产流计算、水源划分计算和汇流计算,得出单元流域的出口流量过程。对单元流域出口的流量过程进行出口以下的河道汇流计算,得到该单元流域在全流域出口的流量过程。将每块单元流域的出流过程线性叠加,即为全流域出口总的流量过程。新安江模型的结构特点可以简单的归纳为:(1)三分特点,即分单元计算产流、分水源坡面汇流和分阶段流域汇流;(2)模型参数少且大多数具有明确的物理意义,容易确定;(3)模型参数与流域自然条件的关系比较清楚,可以寻找到参数的区域规律;(4)模型中未设超渗产流机制,适用于湿润与半湿润地区。王金忠、胡环[4]利用新安江模型对清河水库产流进行了预报。吉林省水文水资源局[5]利用新安江三水源模型对竞赛流域的洪水进行了预报。李致家[6]等利用改进的新安江模型对高理流域和临沂流域的洪水进行了预报。瞿思敏[7]等利用新安江模型与垂向混合产流模型对青峰岭水库和危水水库流域的洪水进行了预报和比较。这些预报结果都说明了新安江模型在湿润地区和半湿润地区具有较好的适应性,而在干旱半干旱地区的模拟效果则不够理想。此外,新安江模型在大中流域的模拟效果比在小流域的模拟效果要好。 ＳＡＣ模型虽然研制完成时间相对较晚,但是其功能较为完善。ＳＡＣ模型在美国的
森林植被变化的水文生态效应研究进展 王礼先 张志强 (北京林业大学水土保持学院,北京100083) 摘要 从森林植被变化对水量、径流泥沙和水质的影响等方面介绍了国内外森 林植被变化水文生态效应研究进展。从世界各国的研究来看,普遍的研究结论认 为森林减少可以增加流域年产水量;森林植被可以较大幅度地减少径流泥沙含 量;森林植被参与生物地球化学循环,可以有效地改善溪流水质状况。由于影响 森林水文生态效益的环境异质性的普遍存在,森林植被变化水文生态效应影响 程度在不同水文生态区差别很大,因此,要想将一个地区森林植被水文生态效应 研究结果可靠地外推到其他地区其他流域,必须重视森林水文生态过程动力学 机制的研究。 关键词 森林植被变化 流域水量 径流泥沙 水质 随着人类对自身生存来自环境的压力与日俱增的认识逐渐加深,森林作为工业社会的主要材料来源之一的生态学后果的突现,人们对森林与林业对人类生存与发展显示的重要作用产生了新的认识,使得林业经营与发展进入更为注重生态与社会效益的经营利用观。森林生态效益的产生与其对生物地球化学循环动力(能量)与介质(水文循环与大气循环)的影响密切相关,揭示森林植被变化(森林采伐、森林火灾、开垦、造林等)的水文生态效应,可以为森林经营、流域管理、景观管理、自然保护、山地防灾、水资源利用和土地利用规划等提供科学依据。本文拟从森林植被变化对水量、径流泥沙和水质的影响等方面介绍国内外森林植被变化的水文生态效应研究进展。 1 森林植被变化对水量的影响 集水区具有特定的系统边界是水文循环和水量平衡研究的天然场所,在森林水文生态效应研究中占有非常重要的位置。另一方面,从森林植被对降水—汇流过程的影响出发,森林植被对水量的影响又可分为林冠截流、枯枝落叶层截持水、林地土壤水分入渗及贮水、林地蒸发散等方面。 1.1 流域试验研究 森林与水的关系的科学研究始于本世纪初,森林水文研究从其早期发展阶段来看,主1998 世 界 林 业 研 究 WO RL D F OR EST RY RESEA RCH N o .6a 收稿日期:1998-10-12
流域水文模型研究进展 姓名：杨柳专业班级：水文学及水资源研1017班学号：1008150845 摘要：流域水文模型是水文研究的重要工具之一。本文较全面、较系统地对其概念、分类和国内外研究进展情况进行了综述，并简要介绍了分布式流域水文模型。探讨了未来的发展方向,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。 关键词：流域，水文模型，分布式流域水文模型，发展 Abstract:Hydrological model is an important tool for hydrological research. This more comprehensive, more systematic way of its concepts, classifications and research progress at home and abroad were reviewed, and briefly describes the distributed hydrological model. And it explored the future direction of development. I believe that it has important reference value and reference in peer-related work. Keywords:river basin; hydrological model; distributed hydrological model; development 1前言 流域水文模型把流域总体看成是一个系统，输入为降雨等，输出为出流流量等。流域内的水文过程则是系统的状态，是根据水文概念推理计算出来的。随着全球性缺水问题日益严重，水污染、水资源分布不均衡等问题的日益突出，就要求人们不断加强水文学的定量化研究，而流域水文模型就是其中发展较为迅速的研究领域。它有助于我们在利用水资源、分配水资源中提供合理的、科学的依据。流域水文模型在进行水文规律的研究和解决生产实际问题中起着重要的作用。因此，掌握常见的流域水文模型是必要的。 20世纪以来流域水资源问题日益突出，为了提高流域整体管理水平和科技水平，“数字流域”的建设正在日益兴起。模型建设尤其是流域水文模型的建设是“数字流域”建设的核心内容和基础工作。数字水文模型就是构建在DTN/DEM基础之上的一种分布式水文模型，先由DEM建立数字高程水系模型，再与数字产流模型和数字汇流模型有机结合形成数字水文模型，其基本框架见图1。数字水文模型是一种有物理基础结构的包含大量信息的现代化模拟技术，流域所有下垫面(诸如流域分水线、子流域集水面积、水系、地形、植被、土壤)都是栅格型数字式的点阵，流域产流单元、汇流路径、水系是根据地形由计算机自动生成[1]。 2流域水文模型的概念及分类 水文现象是一种非常复杂的现象，它不仅受降雨特性的影响，还受流域下垫面、人类活动等因素的影响。因此，多年来水文学者一直在不断地探索和研究，以便揭示水文现象及其发展变化规律。但是，至今仍有许多问题尚未解决。在没
浅谈森林水文效应的研究进展 我省全面启动生态省建设，根据其功能划分，主导生态功能为保持和提高源头径流能力与水源涵养能力，保护生物多样性和保持水土。保护和发展方向主要是：搞好退耕还林、封山育林，建设水源涵养林。森林植被具有涵养水源、调节径流、改善水质、保护土壤和水环境等水文功能，现已成为共识，但森林对河流总径流量的影响却长期存在争论，国内外专家几十年的研究积累了大量正面和反面的例子，取得了积极的成果，但综合性的多因子森林水文效应定量研究较少，按流域进行的综合性研究分析还很薄弱。应该认为，由于各地流域面积、植被类型、气候特征、地质地貌条件、土壤结构等因素的差异，森林对河流年径流量的影响也因地而异，一个地区所获得的结论不能外推，以采伐森林来获得河流径流量增减的措施更不能盲目引用。本文对多年降雨、水文和森林覆盖资料进行分析，评估该流域森林覆盖率对河流径流能力的影响，对指导实践生态省建设有积极意义。森林水文效应是森林环境效应的组成部份，也是森林生态效益计量与评价研究的重要内容之一。 １．水资源的挑战 水是人类生存和发展的基本物质条件之一。从人类出现之日起，就以这种或那种方式影响地球上的水文系统，利用它，又同它斗争。水的消耗量同人口增长，经济发达程度，以及文化进步等有密切关系。我国人均耗水量约为600多立方米/年。据外国专家估算，20世纪初，全世界耗水量大约是4×1011立方米/年，到1950年11×1011立方米/年，1975年为3×1012立方米/年。2000年为6×1012立方米/年，为20世纪初的15倍。虽然增长速度有增快趋势，但世界总耗水量这个数字同地球上水圈的水总贮量15×1017立方米相比较，所占比例很小。 第一，我们通常所称的“水资源”并不是水圈的全部贮水，而是指和人类生活及工农业生产有密切关系的，能直接利用的一部分淡水，包括浅层地下水，湖泊（淡水），河川径流及土壤水等，这部分水的贮量约占地球上总水量的千分之三。 第二，因受大气环流，季风，距海洋远近，以及下垫面特征的影响，水资源的空间分布不均。全世界约有1/3的土地属干旱区，水资源严重不足，水资源空间不均的情况同土地资源，人口分布，工农业分布的不均分布相结合，加剧了区域性水资源不足的矛盾。同农业生产需水的季节性，工业生产和人的生活用水持续不断的需要，也产生很大矛盾。水分不足形成的干旱和水分集中过多所带来的洪水危害，一直是人类生存和发展过程中经常性的自然灾害。 第三，人类对水资源的开发利用受自然条件和社会经济及技术条件的限制，到目前为止，已开发利用的水资源只占可利用水资源的很小比例。虽然，人类一直不断地在扩大水资源的开发利用。有的水资源，如地下水又存在开发利用过度，以致带来一系列新问题。如地下水位显著下降，地下水漏斗状下降等。还有就是水资源严重污染，据统计全世界污水排放量达75×1010立方米/年，加剧了水资源短缺的矛盾。由于污染，全世界约有60%的居民饮水达不到卫生标准，这不仅
国内外遥感驱动的流域水文模拟 遥感技术应用中心路京选、宋文龙、曲伟 水循环过程及其影响要素的观测和数据获取对流域水文模拟具有重要意义。遥感影像的波谱能量特性，与水文循环和水文过程的能量过程具有相关的物理基础，具有服务于水循环过程关键因素反演与流域水文模拟的巨大应用潜力。尤其是遥感技术以其对地物的高光谱、高时相、高分辨率监测和反演优势，在流域水文模拟中的应用历来受到重视。尽管遥感技术无法直接测量河川径流，但是结合遥感提供的地形、土壤、植被、土地利用、冰雪覆盖、土壤水分和流域水系水体等下垫面状况信息，以及由遥感所反演的降水量和蒸散发等关键水文过程要素，在确定产汇流特性以及水文模型参数时十分有用。通过间接转化还可获得一些传统水文方法观测不到的信息，且遥感具有周期短、同步性好、及时准确、分布式等特点，能较好地满足水文模拟实时、空间分布的需求。与描述时空变异性、多变量或参数化的水文模型进行有效结合，可用于水文过程模拟及水循环规律研究。因此，直接或间接地应用遥感资料，能在多种时空尺度上更准确地服务于流域的水文情势分析、水资源评价、洪水过程监测预报等。 针对遥感技术在水利行业特别是流域水文模拟中的应用现状、前景和难点，报告首先对流域水文模拟的科学和管理意义、水文模型发展、遥感在驱动流域水文模拟定量化发展中的重要意义做了概述；其次，综述了遥感在流域水文模拟中的应用现状，包括直接获取相关要素的时空分布信息，为提高遥感信息精度和空间特性而将不同分辨率和精度数据进行的相互融合，以及结合模型算法实现水循环关键环节的空间尺度反演，用于流域水文模拟、参数率定和模拟精度验证等；最后，对近年来遥感在流域水文模拟应用中的发展新动向和关注点做了重点阐述，对推动我院在该领域的研究提出了具体建议。 1 调研背景概述 1.1 流域水文模型是水资源管理的基础 水文模型是对复杂水循环过程的近似描述，随着社会需求、技术发展和人对水循环规律认识的加深而不断发展。水文模型的发展可追溯到19世纪50年代，在一百多年的发展历程中，水文模型经历了萌芽、概念性模型和分布式模型三个主要发展阶段。20世纪50年代以前，水文模型大多
第12卷第5期水土保持研究V o l.12 N o.5 2005年10月R esearch of So il and W ater Conservati on O ct.,2005 ① 森林不同水文层次蓄水功能的研究 李红云1,杨吉华1,鲍玉海1,宗萍萍1,于洪泰2 (1.山东农业大学林学院水土保持系,山东泰安 271018;2.泰安市水土保持科学研究所,山东泰安 271000) 摘 要:在总结过去研究成果的基础上,论述了森林地上层、地表层、地下层三个水文层次的蓄水机理,系统分析了 不同因子对森林不同水文层次蓄水功能的影响,为以后深入研究森林涵养水源的作用及水土保持林的经营提供理 论依据。 关键词:森林;水文层次;蓄水能力 中图分类号:S715.7 文献标识码:A 文章编号:100523409(2005)0520175203 Study on the W a ter Con serva tion Function of D ifferen t Hydrology Arrangem en ts of Forest L I Hong2yun1,YAN G J i2hua1,BAO Yu2hai1,Z ON G P ing2p ing1,YU Hong2tai2 (1.S oil and W ater Conservation D ep art m ent of F orestry Colleg e, S hand ong A g ricu ltu ral U niversity,T aian,S hand ong271018,Ch ina; 2.Institu te of S oil and W ater Conservation S cience of T aian C ity,T aian,S hand ong271000,Ch ina) Abstract:O n the basis of summ arizing past research results,the conservati on sto rage m echanis m of the ground upper strata, the surface layer and the underground layer,w h ich are the th ree2hydro logy arrangem ents of fo rest w as described.T he autho rs system atically analyzed the influence on the th ree2hydro logy arrangem ents conservati on sto rage functi ons of different facto rs. It w ill offer a scientific theo retical foundati on fo r further investigati on on fo rest conservati on functi on and m anagem ent of fo rests fo r so il and w ater conservati on. Key words:fo rest;hydro logy arrangem ent;w ater conservati on capability 森林作为一个综合自然体,是陆地生态系统的主体,是生态平衡的重要调节器,在维护地球生态平衡与稳定方面发挥着主导作用。1998年夏季我国南北方发生的特大水灾和近几年春季干旱,华中、华北、西北、东北各地多次出现的泥雨、扬沙及沙尘暴天气一次次地向人们敲响了环境的警钟。保护和发展森林,发挥其涵养水源、保持水土的功效,这将是功在当代利在千秋的伟业[1]。森林有着巨大的蓄水功能,它通过地上层(乔、灌、草)、地表层(枯枝落叶)和土壤层三个水文层次对降水进行调蓄。森林每个水文层次的蓄水功能受该层次的结构、性质以及外界因子等诸多因素的影响。本文以整个森林生态系统为对象,论述了森林不同水文层次的蓄水机理及其影响因子,为深入研究森林涵养水源的作用和水土保持林的经营及流域综合治理提供理论依据。 1 森林地上层蓄水功能的研究 1.1 森林地上层的蓄水机理 大气降雨进入森林生态系统后首先通过林冠层进行第一次水量分配。当雨水落到枝叶的表面,受枝叶表面吸附力的作用被截留,逐渐在枝叶的表面形成一层水膜,这层水膜又吸附其他的雨水,直到降落在枝叶表面的雨滴重力超过了水膜的表面张力为止[1]。林冠层将大气降水分配为林内降水、树干茎流和林冠截留三部分[2]。对于复层结构林分,降水经过林冠截留后,大部分雨水透过林冠落到林下木本或草本覆盖层上,出现了与林冠层相似的再截留过程。 1.2 不同因子对地上层蓄水功能的影响 1.2.1 林冠特性因子对地上层蓄水功能的影响 林冠特性因子(林分类型、林冠结构、林冠郁闭度、树冠的湿润状况等)不同,林冠的截留率和截留量也不同。首先,林冠枝叶的粗糙度影响林冠的截留能力。刘向东等的研究表明,枝叶表面粗糙的树种比枝叶表面光滑的树种的林冠吸水能力强,截留量大[3]。林冠截留量还受林冠枝叶的分布情况的影响,范世香等研究表明,林冠枝叶空间分布越均匀,林冠枝叶量越多,其饱和截留容量越大[4]。林分结构是影响其截留量的一个重要因子。据观测,单层林分的降水截留量低于复层林分[5]。林冠截留率与林分郁闭度有很大关系,林冠层的郁闭度不同,枝叶量不同,所产生的总的表面张力也不同,从而导致林冠层的截留量不同。马雪华等的研究表明,林冠的郁闭度越大,其截留降水量就越大;箭竹-冷杉林郁闭度为0.7,林冠的截留率为23.40%,郁闭度为0.3,林冠截留率为12.66%[6]。林冠湿润状况是影响林冠截留率的一个不可忽视的因子。在多雨的季节,由于连续降雨,叶、枝、干经常保持潮湿,截留率较低[7]。 ①收稿日期:2004210213 基金项目:国家发展计划委员会山区生态环境建设项目 作者简介:李红云(1979-),女,硕士研究生,主要从事流域综合治理及生态林业工程方面的研究。
微观车辆跟驰模型对比研究 摘要：车辆跟驰模型是微观交通流模型研究的基础。本文对GM模型、线性模型、安全距离模型、AP模型、模糊推理模型和神经网络的车辆跟驰模型进行了详细的评述，从传统模型入手,分析其存在的优缺点,基于此又阐述了在传统模型基础上改进的模型或者是利用新的方法建立的模型,提出了目前还存在的没有解决的问题,并且对每个模型作了中肯的评价。为今后研究微观交通流模型提供一个比较全面的认识。 关键词：交通流;微观交通流;车辆跟驰模型;对比研究 1跟驰模型 跟驰理论是运用动力学方法,研究在无法超车的单一车道上车辆列队行驶时,后车跟随前车的行驶状态,并且用数学模型来表达并加以分析阐明的一种理论。跟驰理论只研究非自由行驶状态下车队的特性。非自由行驶状态的车队有以下三个特性:制约性、延迟性和传递性。自20世纪50年代以来,国外的学者对车辆跟驰模型进行了大量、系统的研究,发表了众多的研究成果,主要可以分为以下几类:刺激—反应模型、安全距离模型、生理—心理模型，模糊推理模型，神经网络的车辆跟驰模型。 2.1刺激—反应模型及评价 刺激—反应模型重在描述驾驶环境中各种刺激对驶员行为的影响,包括GM 模型和线性模型。 (1)GM（General Motor）模型 GM模型是从20世纪50年代后期逐渐发展起来的车辆跟驰模型。其一般表达式为: (1) 式中: ——t + T 时刻第n+1辆车的加速度; ——t时刻第n辆车与第n+1辆车之间的速度差; ——t时刻第n辆车与第n+1辆车之间的距离; c，m, l——常数。 GM模型形式简单,物理意义明确,许多后期的车辆跟驰模型研究都源于刺激—反应基本方程。但是GM模型通用性较差,这是因为在确定m和l的过程中存在大量的矛盾之处。另外,当前后车速相同时允许两车的车头间距无限减少直至为零,这显然是不合理的。 (2)线性模型 Helly提出的线性模型考虑了前面第一辆车是否制动减速对后车加速度的 影响项,有以下关系: (2) (3) ——期望跟驶距离; ,,α,β,γ——参数。 Helly认为应当与车头间距变量及反应时间T有关,这样就产生了m=0,l=1
题目：分布式水文模型的原理及其应用 学院名称水建学院 专业名称水文与水资源 学生姓名朱良哲 学号2009011728 指导老师严宝文
分布式水文模型的原理及其应用 摘要 分布式水文模型是在分析和解决水资源多目标决策和管理中出现的问题的过程中发展起来的，所有的分布式水文模型都有一个共同点：有利于深入探讨自然变化和人类活动影响下的水文循环与水资源演化规律。本文就几种分布式水文模型进行分类总结与比较，探讨其原理与应用。 关键字：分布式；水文模型；DEM；MIKE SHE；TOPMODEL；SWAT Distributed hydrological model is analyzed and deal with the water in multi-objective decision-making and management problems in the process of the development of up, all of the distributed hydrological model have one thing in common: to further discussed natural change and human activities under the influence of the hydrologic cycle and water resource evolution rule. This paper distributed hydrological model several classification summary and comparison, this paper discusses the principle and application. Key word: distributed; Hydrological model; DEM; MIKE SHE; TOPMODEL; SWAT 一、分布式水文模型-特点 与传统模型相比，基于物理过程的分布式水文模型分布式可以更加准确详细地描述流域内的水文物理过程，获取流域的信息更贴近实际。二者具体的区别在于处理研究区域内时间、空间异质性的方法不一样：分布式水文模型的参数具有明确的物理意义，它充分考虑了流域内空间的异质性。采用数学物理偏微分方程较全面地描述水文过程，通过连续方程和动力方程求解，计算得出其水量和能量流动。 二、分布式水文模型-尺度问题、时空异质性及其整合 尺度问题指在进行不同尺度之间信息传递（尺度转换）时所遇到的问题。水文学研究的尺度包括过程尺度、水文观测尺度、水文模拟尺度。当三种尺度一致时，水文过程在测量和模型模拟中都可以得到比较理想的反应，但要想三种尺度一致是非常困难的。尺度转换就是把不同的时空尺度联系起来，实现水文过程在不同尺度上的衔接与综合，以期水文过程和水文参数的耦合。所谓转换，包括尺度的放大和尺度的缩小两个方面，尺度放大就是在考虑水文参数异质性的前提
第25卷 第4期自 然 资 源 学 报V o l.25N o.4 2010年4月J O U R N A L O F N A T U R A L R E S O U R C E S A p r.,2010 森林生态系统水源涵养服务流量过程研究 李士美1,2,谢高地1,张彩霞1,2,盖力强1,2 (1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;2.中国科学院研究生院,北京100049) 摘要:基于多年的定位监测数据,研究了亚热带5种森林生态系统水源涵养服务的流量过程。 结果表明,里骆杉木林、西江坪常绿阔叶林的年内林冠截留量曲线呈现单峰型,而宜山龙桥的3 种森林生态系统的林冠截留量曲线则呈双峰型。5种森林生态系统累积林冠截留价值的过程 曲线基本一致。里骆杉木林和西江坪常绿阔叶林的水文调节量变幅较大,而龙桥3种类型的年 内水文调节量变幅较小。5种森林生态系统的月平均水文调节量依次为西江坪常绿阔叶林> 里骆杉木林>龙桥柠檬桉马尾松混交林>龙桥马尾松林>龙桥杉木林。5种森林生态系统水 资源供给功能过程曲线呈现与水文调节功能曲线相似的规律,对应的月平均水资源供给量分别 是751.92、486.92、332.08、210.50、65.92m3/(h m2·月)。运用影子价格法计算了累积林冠截 留价值、累积水文调节价值和累积水资源供给价值。根据计算结果,建立了月水文调节量和月 水资源供给量与月降水量的回归方程。 关 键 词:生态系统服务;流量;水量平衡法;亚热带森林;水源涵养 中图分类号:S718.56;Q149 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2010)04-0585-09 森林的水源涵养服务功能是指森林生态系统通过林冠层、枯落物层和土壤层对降水再分配,从而有效涵蓄水分、调节径流的功能。水源涵养服务是森林生态系统的重要服务功能之一[1-3]。在全球森林的14项生态系统服务功能中,森林的水源涵养服务占两项,即水文调节和水资源供给[1]。一些研究者针对不同区域,对森林的水源涵养功能和价值进行了专题研究[4-8]。然而,目前对森林生态系统水源涵养服务的评价中大多是基于年降水、蒸散、径流等特征的研究成果对森林生态系统水源涵养功能和价值进行分析,缺乏对森林水源涵养服务流量过程和其价值累积过程的分析研究。所谓流量是指单位时间内水源涵养服务产生的大小。 20世纪70年代以来,国内陆续建立了各自然地带的森林水文站和生态站,如海南岛尖峰岭水文生态站,广西农大龙胜、宜山、田林、岑溪人工林和天然林水文综合观测场等[9]。这些台站对森林生态系统的水文功能进行了长期定位观测研究,为森林生态系统水源涵养服务的流量过程研究奠定了坚实的基础。 本文选取中亚热带和南亚热带森林为研究对象,以广西龙胜县、宜山县两地5种森林生态系统的多年定位监测数据为基础,研究水源涵养服务流量年内演变特征,比较分析不同森林生态系统和不同地理区的水源涵养服务功能差异性,以增进对森林水源涵养服务形成机理的认识,以期进一步增强生态系统服务功能价值评估的科学性。 收稿日期:2009-03-13;修订日期:2010-02-04。 基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2009C B421106);国家自然科学基金项目(30770410)。 第一作者简介:李士美(1981-),男,山东郓城人,博士研究生,主要从事生态系统服务功能研究。E-m a i l:l i s h i m e i @163.c o m