流域生态水文过程观测与模拟(杨大文课件,研究生专题讲)

流域生态水文模型研究进展摘要：流域生态水文模型是全球变化下流域生态水文响应研究的重要工具，通过定量刻画植被与水文过程的相互作用及全球变化对流域生态水文过程演变的影响机制，为流域水资源管理和生态恢复提供科学支撑，是生态水文研究的前沿和热点。

基于植被与水文过程相互作用规律，流域生态水文模型一方面要充分描述植被与水文过程相互作用和互为反馈机制，另一方面要精确刻画流域的空间异质性。

本文在分析流域尺度陆地植被与水文过程相互作用特点的基础上，将现有流域生态水文模型进行归纳和分类，剖析不同类型模型的优缺点，并总结现有模型应用的代表性研究成果，最后，对流域生态水文模型存在的关键问题(如植被与水文相互作用机制的描述、模型参数的估计、模拟结果的不确定性分析等)进行讨论。

在全球变化加剧水资源危机的背景下，传统的水文学研究难以解决流域出现的新问题，生态水文过程的耦合研究日益引起学者们的关注[1-6]。

国际地圈生物圈计划及联合国教科文组织(UNESCO)国际水文计划(IHP)等都将陆地植被生态过程与水文过程的耦合研究作为核心内容1992年召开的国际水和环境会议首次将生态水文学作为一个独立的学科提出，其核心是在不同的时空尺度上揭示不同环境条件下植物与水的相互作用关系，为解决流域水资源危机和生态环境问题提供理论支持。

指出生态水文耦合研究将是21世纪水文学研究最前沿和最激动人心的创新领域。

流域生态水文模型是定量评估环境变化流域生态水文响应的重要工具，通过定量刻画植被与水文过程的相互作用及全球变化对流域生态水文过程演变的影响机制，为流域水资源管理和生态恢复提供科学支撑。

目前，国内外对流域生态水文模型已开展了一定深度的研究，并取得了一些阶段性成果。

本文主要针对陆地生态系统的流域生态水文模型，在分析陆生植被与水文过程相互作用特点的基础上，将现有的生态水文模型进行了归纳和分类，剖析不同类型模型的优缺点，并总结现有模型应用的代表性成果，最后，对流域生态水文模型存在的关键问题进行讨论。

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+ 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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 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文章编号:1000-694X (2011)05-1242-05流域生态水文过程与功能研究进展收稿日期:2010-10-04;改回日期:2010-11-19基金项目:国家自然科学基金(91025016,2008ZX07526-002-05);中国科学院西部行动计划项目(KZCX2-XB2-04-03);中国科学院 西部之光 项目(200801244,20070420135)联合资助作者简介:杨永刚(1982 ),男,山西运城人,博士,主要从事同位素生态水文研究。

Email:gangyongyang@杨永刚1,2,肖洪浪1,赵良菊1,侯兰功1,杨秋1,邹松兵1(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所生态水文与流域科学重点实验室,甘肃兰州730000; 2.山西大学黄土高原研究所,山西太原030006)摘 要:探讨流域生态系统与水文过程耦合关系及水文机理是当今水科学的前沿问题。

通过阐述流域生态水文过程与生态水文功能的国内外研究进展,同位素技术在生态水文研究方面的应用进展。

提出了应用同位素技术、水化学方法与景观格局分析法相结合来研究流域不同景观带水文过程及生态水文功能,来探讨不同生态系统与水文过程的耦合关系及水文机理,开展流域地下水-土壤-植被作用层水文过程研究。

最后展望了今后的研究趋势和重点研究工作,指出了未来的发展方向。

关键词:生态水文过程;生态水文功能;景观带;同位素中图分类号:X143文献标识码:A生态水文学是一门20世纪80年代以后逐步发展起来的新兴交叉学科,是研究植物如何影响水文过程及水文过程如何影响植物分布生长,描述生态格局和生态过程水文学机制的一门交叉科学[1]。

生态水文学作为水文过程与生态过程耦合研究的一门学科,已成为水文学科最为活跃的前沿领域。

生态水文研究的目的是增加对生态过程与水文过程的理解,为恢复和建立健康生态水文环境提供理论依据。

生态系统格局和生态过程的变化都与水文过程有着密切关系。

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。

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。