水文学与水资源

一 水文学及水资源 1111 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，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 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 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。 2222 调研背景概述 2.12.12.12.1 调研资料的主要来源 调研资料的主要来源是近年的相关国际期刊和学术会议论文，有关专著，相 关研究机构和著名学者的最新研究成果，以及 2006 年之前的国内外重要文献等。 具体包括： （1）国际著名学术期刊论文（2006~2007 年）：Water Resources Research， Journal of Hydrology，Water International (IWRA 国际水资源学会)，Hydrological Sciences Journal（ IAHS 国际水文科协），Hydrological Processes， Journal of Hydrological Engineering (ASCE 美国土木工程学会)，Journal of Water Resources Planning and Management (ASCE)等。 （2）国际学术会议（2006~2007 年 ）： The 32nd IAHR Congress 2007 in Venice (Italy) ， IAHS Conference in IUGG Assembly 2007 in Perugia (Italy) ， ASCE International Water and Environment Congress 2007 in Tampa (USA), the 3rd Yellow River Forum, International Symposium on Flood Forecasting and Water Resources Assessment for IAHS-PUB 2006 Tsinghua University (China), the 7th International Hydroinformatics Conference 2006 in Nice (France), the 4th World Water Forum 2006 in Mexico (墨西哥第 4 届水论坛)等。 （3）国际著名学术机构、大学与研究院所最新研究成果：美国加州大学 （University of California, Los Angeles）、美国普林斯顿大学（Civil Engineering, Princeton University）、美国地质调查局（USGS）、美国环保局（EPA）；英国生 态水文中心（Centre for Ecology and Hydrology, Natural Environment Research Council）；丹麦水力学研究所（DHI）；澳大利亚水研究中心（Centre for Water Research, University of Western Australia）；日本东京大学（Tokyo University）、 日 本京都大学 ( Kyoto University)。 （4）著名学者：Keith Beven (UK), Murugesu Sivapalan (University of Illinois, Urbana- Champaign, USA), M. Levent Kavvas (University of California, Davis, USA), Eric F. Wood (USA), Malin Falkenmark (Sweden)等。 （5）2006 年之前的国内外有关重要文献。 2.22.22.22.2 调研材料基本情况 2.2.12.2.12.2.12.2.1 近两年国际期刊论文 共调研了国际期刊论文 143 篇（见参考文献），其中按学科方向划分统计， 有关流域水文循环机理与模拟方法 20 篇排第 1 位，水资源管理 19 篇排第 2 位 ， 水文预报与水资源调度 18 篇排第 3 位，城市水文学与地下水保护修复各 12 篇并 列第 4 位，水资源规划 11 篇排第 6 位，全球气候变化与人类活动影响下的水文 水资源演变 10 篇排第 7 位，生态水文学与生态需水 8 篇排第 8 位。可以看出， 水文基础研究和水资源管理研究仍是研究的中心，而生态水文学、城市水文学和 气候变化影响研究也成为重点。 2.2.22.2.22.2.22.2.2 近两年国际会议论文 共调研了与水文水资源学科密切相关的 6 次国际会议的论文集。现将部分会 议情况简介如下，其他参见附件。 （1）2007 年 ASCE 国际水与环境大会 国际水与环境大会（International Water and Environment Congress）是 ASCE （美国土木工程师学会）环境与水资源分会（EWRI）举办的一个专业性的学术 讨论会，每年一次。本年度会议于 2007 年 5 月 15 日－19 日在美国佛罗里达州 坦帕市举行。会议共收录论文 644 篇，我院代表团共提交论文 3 篇，有 5 人参加 会议。 本届大会的主题为“恢复我们的自然栖息地”(Restoring our natural habitat)，面 对当今世界存在的海岸侵蚀、城市蔓延、暴风雨等人类和大自然的极端行为，大 会期间设立了 39 个专题、4 个专业论坛、两个当地事务论题、3 个国家论题以及 1 个国际论题，对美国及世界范围内的环境与水资源问题进行了讨论。另外，还 举行了各分委员会的会议、短训班、ASCE 出版物展出、学生活动和技术参观等 。 会议设立的 39 个专题包括：气候变化与干旱，地下含水层与湖泊恢复，协 同建模，BMP（最佳管理实践）和 LID（低影响开发）技术，计算水力学，生态 水力学，环境中的内分泌紊乱化学品，环境工程与公共健康，演化计算，地下水 文、水质与地下水管理，灌溉与排水，IWRM（水资源综合管理）规划与管理， IWRM 系统分析，景观建筑学，佛罗里达当地问题研究，NEXRAD（下一代气 象雷达）应用与数据分析，NSF（美国国家科学基金会）环境监测网络，概率方 法在流域的应用，河流恢复，冲刷侵蚀与沉积，水资源中的随机水文学与频率分 析，可持续水污染防治工程，城市河流恢复，水的淡化与集中管理，水资源规划 与管理，水的再生利用，水、污水与暴雨，流域管理与恢复，湿地恢复，教育与 研究，交叉融合技术，历史与遗产，国际问题，张贴论文，学生论文竞赛，其他 等。 4 个专业论坛包括：环境与水资源工程科学前沿，环境与水资源问题研究的 回顾与展望，第 9 届水资源配置系统分析年会和第 4 届城市流域管理论坛。两个 当地论题主要围绕佛罗里达州的湿地恢复和水资源恢复策略进行。美国国家层面 的 3 个论题包括：拆坝与河流恢复、生态基础设施和密西西比河三角洲的恢复。 另外，大会设立的 1 个国际论题围绕美索布达米亚湿地问题展开讨论。 （2）2007 年第 24 届 IUGG 大会 IAHS 分会 IUGG（国际大地测量地球物理学联合会）1919 年成立于比利时布鲁塞尔， 设全体大会、理事会、执行局和 7 个专业协会（半独立自主活动的国际组织）， 包括国际大地测量协会（IAG），国际地震学和地球内部物理学协会（IASPEI）， 国际火山学和地球内部化学协会（IAVCEI），国际地磁和高空物理协会（IAGA）， 国际气象和大气科学协会（IAMAS），以及国际水文科学协会（IAHS）等。 IUGG 每 4 年召开一次学术大会，规模 6000-7000 人，通过下属的 7 个专业 协会开展项目合作和学术活动。2007 年 7 月 2 日～13 日在意大利佩鲁贾(Perugia) 召开了第 24 届 IUGG 大会（IUGG XXIV General Assembly），会议主题为：地球 —我们的正在改变的星球（Earth: Our Changing Planet）。我所游进军工程师和牛 存稳博士参加了会议，游进军做了“中国南水北调东线受水区水资源配置与社会 经济影响研究”、牛存稳做了“分布式水文模型与水资源优化配置模型耦合及其在 伊洛河的应用”学术。 IAHS与其他协会联合举办 4个专题(论文摘要 91篇)：冰川泥石流运移(9篇)， 天然冰的结构(12 篇)，雪－植被－大气相互作用(33 篇)以及气候－永久冻结带－ 水文相互作用(37 篇)；独自举办专题 13 个(论文摘要 876 篇)：地下水－海水相互 作用新焦点(39 篇)，地下水/地表水系统集成分析新焦点(91 篇)，山地水文学－观 测、过程和动力学(70 篇)，可持续水资源管理的预测不确定性定量与减少方法(79 篇)，未来的水质与泥沙行为－21 世纪预测(69 篇)，水资源系统变化――维持水 安全和保障综合管理的方法(116 篇)，环境监测和变化预测中的遥感技术(37 篇)， 水平衡、水动力学和水文过程中的同位素追踪(46 篇)，面向流域水文学的新理论 (48 篇)，水文数据系列的变化分析(88 篇)，面向水文模型的改进评估－理解和刻 画模拟过程不确定性的需要(86 篇)，从测量与校正到理解与预测(58 篇)，当代水 资源管理新途径(49 篇)。其中，个别专题拟出版 IAHS 红皮书，如“水资源系统 变化－维持水安全和保障综合管理的方法”专题。 （3）2006 年第 7 届国际水信息大会 2006 年 9 月 4 日至 9 月 7 日第 7 届国际水信息大会在法国尼斯举行。参加 会议的我国代表有来自清华大学、武汉大学、天津大学、华北水利水电学院、中 国科学院、北京工业大学、以及中国水科院等的十余名代表。 国际水信息大会从 1994 年起每两年举行一次（1994 年在戴尔福特，1996 年在哥本哈根，1998 年在苏黎世，2000 年在爱荷华州，2002 年在加的夫，2004 年在新加坡）。会议由国际水利工程研究协会（IAHR）、国际水文科学协会（IAHS） 和国际水协会（IWA）共同协办，“Innovate & Share（创新与分享）”是本次水信 息大会的主题。 本次会议收到了约 620 份稿件，经过严格的评审，大约有来自 60 多个国家 和地区的 400 多篇论文被收录，会议论文集共四册。论文集分为 19 个专题，涵 盖了水资源管理、水文气象预报、数据同化、地理信息系统、水文信息界面、决 策支持系统、决策的不确定性和风险分析、数据收集、建模和管理系统、物理仿 真模型、数学模型、模型结果不确定性处理、统计学、相关转移函数模型、控制 模型、实时控制的高级应用、网络激活信息和建模系统、最优化技术、工程研究 决策关系和实际的研究机构、工程和网络平台经验结合、国际研究生课程、连续 的专业人员培训和长时间学习经验等。 本次会议聚集了来自亚洲、非洲、大洋洲、美洲的许多工程师、研究员、科 学家、管理人员和决策者，他们和欧洲的专家互相交换水文信息学科和与水有关 的突发事件的最新进展。我院有 3 人参会，共有 3 篇文章被大会收录。贾仰文教 授做了“中国南水北调东线受水区水资源配置决策支持系统”的报告，介绍了我国 南水北调工程的概况以及中意环保合作项目；杨开林教授做了“黄河流域内蒙古 自治区河段冰川预报的神经网络专家系统”报告；牛存稳博士做了“基于 WEBGIS 的北京市降雨产流测报和实时水资源评价系统研发”报告，介绍了我院承担的北 京市水务局项目（该项目是为应对北京地区突发暴雨，保证 2008 年奥运会顺利 进行而设立的）。在此次国际水信息大会上，我院代表通过会议报告和交流，宣 传了我院在水信息方面的部分研究成果，也了解到我们国家在水信息方面与欧美 先进国家存在的较大差距，特别体现在基础数据的监测、数据共享、对突发事件 的应急管理机制以及模型的软件化方面等。 2.2.32.2.32.2.32.2.3 近 10101010年国内外有关重要论著 由于本次跟踪调研是初次开展，为保证对本学科发展整体情况的把握，除了 对近两年的有关国际期刊与会议论文进行调研外，还对近 10 年国内外有关重要 论著进行了梳理分析，主要调研文献见参考文献 2。 3333 本学科发展新动向和值得关注点 3.13.13.13.1 本学科发展新动向和值得关注点 3.1.13.1.13.1.13.1.1 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，如国际水文计划（IHP）、世界气候研究计划（WCRP）、国际 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 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） 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，如 HSPF、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 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 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 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，O’Callaghan 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 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 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 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 度水环境的影响研究方面较薄弱。 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。 大气过程－陆地水文过程耦合研究 地球温暖化和下垫面变化改变了全球 大气海洋环流和天气系统，进而对河川径流和流域水循环产生重要影响。预测大 气环境的变化对水资源和生态环境的影响对实现可持续发展具有重要价值。另一 方面，短期降雨等气象预报和分布式水文模型相结合，能够延长洪水预报的预见 期，对防洪减灾事业具有重要价值。 大气过程－陆地水文过程耦合研究, 多通过耦合全球大气环流模型（GCM）、 区域环流模型（RCM）或小尺度大气模型（暴风雨模型）等与陆面过程模型或 分布式水文模型、并结合地面观测与遥测来实现。然而，各类大气模型计算网格 单元大小差别较大，并远大于分布式水文模型的网格单元，因此需采用降尺度 （downscaling）方法，即从低分辨率模拟结果向较高分辨率尺度的转化。降尺度 方法分为镶嵌法、统计法以及两者并用的方法。镶嵌法指在较大尺度模型的网格 单元内镶嵌次尺度模型，将较大尺度模型的计算结果进行网格单元内空间插值， 为次尺度模型提供边界条件、初始条件或输入。例如，在 GCM 内镶嵌大尺度 RCM，然后在大尺度 RCM 内镶嵌中尺度 RCM，依此类推。统计法采用重相关 分析、卡尔曼滤波（KLM）以及神经网络（NRN）等概率论的方法，建立较大 尺度模型输出和次尺度模型输出或气象要素之间的统计关系式，以此实现降尺 度。气象部门在进行短期天气预报时一般将镶嵌法和统计法相结合。 国际上，Anderson 等（2002）曾将美国工程师兵团（USACE）的 HEC-HMS 水文模拟系统与 MM5 大气模型相耦合应用于美国北加州 Calaveras 河流域的洪 水预报，是水文气象耦合模拟的一个代表性研究示例。他们首先从美国国家环境 预测中心（NCEP）下载 Eta 大气模型的降雨等气象预报数据（时间间隔为 6h、 预见期为 48h、空间分辨率为 40km），然后分两个大小不同的计算领域镶嵌式应 用中尺度大气模型 MM5，将 Eta 模型降雨等气象预报数据在空间和时间上降尺 度，输出 4km 空间分辨率和 1h 时间间隔（计算时间步长为 20s）的降雨等气象 时空分布数据给 HEC-HMS，最后应用 HEC-HMS 进行洪水预报。从预报结果看 ， 尽管 HEC-HMS 使用地面雨量站观测降雨预报出的洪水过程和实测洪水过程符 合的很不错，但由于未经调参的MM5大气模型低估前期暴雨而高估后期暴雨（总 雨量及最大降雨强度符合的还可以），水文气象耦合模拟洪水预报（包括洪量、 洪峰和洪峰出现时间）精度还比较低，还需要通过进一步研究来提高。但水文气 象耦合模拟法的洪水预报结果能够延长宝贵的预见期，对危机管理将是十分有益 的。 在国内，王庆斋等（2003）曾在黄河开展暴雨－洪水预报耦合研究，陆桂华 等（2006）采用加拿大区域性中尺度大气模式 MC2 和新安江模型单向耦合模型 系统，对 2005 年 7 月 4－15 日发生在淮河流域的暴雨洪水进行了实时预报，结 果表明 MC2 对该场强降水过程具有很好的预报能力，陆气耦合模型有效地延长 了洪水预报的预见期，具有很好的应用前景。目前，我国应用的气象模式主要有 国家气象局的 T213、MM5 以及 HLAFS 等。T213 是第四代全球中期数值天气预 报系统，于 2002 年 9 月 1 日起投入业务使用。其预报模式的水平分辨率约为 60km 左右，垂直分辨率为 31 层。利用该系统，每天可制作一次 10 天的中期数值天气 预报，侧重于对全球大气环流演变和时间空间尺度较大的天气系统发展变化的预 报。HLAFS 是国家气象中心在全球中期模式对时间空间尺度较大的天气系统做 出预报的基础上，开发建立的一套短期数值天气预报系统，其预报模式的水平分 辨率约为 55km 左右。利用该系统，每天可滚动制作 2 次 2 天的短期数值天气预 报，其预报范围覆盖全国及周边东亚地区，提供包括降水、温度、大风等天气要 素在内的短期天气要素的预报。MM5 能够获取更及时、准确、详细的天气预报， 预报系统能输出时间、空间高分辨率的 36h 数值预报产品，其预报模式的水平分 辨率为 6~54km，垂直分辨率小于 1km。利用该系统可以预测未来 12~36h 每 3h、 水平相距 6~54km 的不同地点的天气变化情况。 缺乏观测资料流域的水文预测（PUBPUBPUBPUB） 国际水文科学协会（IAHS）于 2003 年 7月在日本札幌召开的 IUGG暨第六届 IAHS科学大会期间，通过了 IAHS PUB （Predictions in Ungauged Basins）十 年（ 2003~2012）科学与实施计划（Sivapalan and Schaake，2003）。若按英文直译，PUB 为“在无观测流域的预测”。但根据 IAHS 多次会议讨论，将“ungauged basin”解释为：为在一个流域以适当的时空尺度对 感兴趣的水文变量（包括数量和质量）进行计算，并达到实践应用可接收的精度 ， 若根据数据的数量和质量判断该流域缺乏足够的水文观测数据，则称为 “ungauged basin”；将 PUB 定义为：在无观测或观测差的流域，使用气象输入（包 括观测、预报和其它方法推定）、土壤、植被和地形数据（包括对未来气象与土 地利用变化的预测或预计），但无法使用过去的观测资料（即不可能或不允许进 行模型调试或校正），预测或预报各种水文反应（如径流、水质和泥沙等）。因此 ， PUB 意译成中文应是：缺乏观测资料流域的水文预测。 PUB 是 IAHS 对国际水文科学界及国际社会提出的最新动议, 经过了 IAHS 会员在互联网和一系列 IAHS 会议（如 2001 年 7 月荷兰 Maastricht 第五届 IAHS 科学大会, 2002 年 3 月日本 Kofu PUB 启动会议和 2003 年 11 月 Brasilia 会议等） 上的广泛讨论。可以说，PUB 是一项挑战性水文科学研究计划，也涵盖了分布 式水文模型研究及应用的所有问题。 IAHS PUB 10 年科学与实施计划分为基础研究（enabling research）计划和目 标性研究（targeted research）计划两部分。基础研究计划涉及下述 6 大科学问题 ： （1）限制我们在缺乏观测资料流域进行可靠预测的关键知识缺口是什么？ 对应的基础研究题目：调查不均匀性与预测不确定性之间的关联。 （2）未来减小预测不确定性的信息需求是什么？相应的基础研究题目：为 估计模型输入和参数，调查地形特征和气象输入的不均匀性。 （3）支撑新知识需要哪些实验？相应的基础研究题目：为发展理论和改进 模型而开展过程研究和世界范围性中尺度（meso-scale）现场实验。 （4）在改进预测方法上如何应用新的观测技术？对应的基础研究题目：推 动遥感和其它观测新技术的应用及发展，如开发获取所需数据的新仪器与新模 型，遥控及地面多传感器观测数据的整合等。 （5）如何改进水文过程的表述使其包含能减小不确定性的关键知识？对应 的基础研究题目：通过各种环境下流域的现场实验和模型比较研究促进水文过程 的表述。 （6）如何在改进预测上发挥已有软硬数据的最大科学价值？对应的基础研 究题目：通过土壤-植被-大气模型解释现存数据，采用动力学模型同化观测及遥 感数据。 目标性研究计划的着重点是减小“预测的不确定性”，分为 2 大中心研究目标 和 6 大科学主题： （1）目标 1：根据在缺乏观测资料流域的预测能力和合理评估预测不确定 性，检查和改进现有模型。包括下述 3 个科学主题： • 主题 1：推进学习和分析现存数据的新方法，包括数据挖掘和再分析、 流域间比较和地球水文学等； • 主题 2. 通过深入细致的过程研究，使关于过程不均匀性的现有理论取 得进展并改进其表述； • 主题 3. 通过不确定性分析和模型诊断，促进从现有模型应用中的学习。 （2）目标 2: 为开展在缺乏观测资料流域的水文预测并减少预测的不确定 性，开发能够捕捉水文过程时空变异性的创新性模型。包括下述 3 个科学主题： • 主题 4：在大尺度过程理解、模型开发和预测改进中应用新的数据收集 方法； • 主题 5：根据尺度化、多尺度化及复杂性系统方法、非线性模式动力学 和生态水文关系等，建立新的水文学原理； • 主题 6：开发新的多尺度空间分布式模拟方法，重点研究应用于多种流 域尺度时模型的谬误化（falsification）问题。 在实施组织机构方面，PUB 10 年计划目前已成立 PUB 科学指导委员会 （SSG）、 PUB 战略顾问委员会（SAG）和 PUB 工作委员会（WG）全球网，并 加强与 IAHS 各专业委员会以及与各项国际计划（如 HELP、FRIEND、GEWEX 和 CEOP 等）的合作，以期动员全世界水文界实现上述各项目标。 PUB 中国工作委员会从 2003 年 7 月 IUGG 札幌会议期间开始筹备，经过近 一年的讨论和准备，于 2004 年 6 月初在北京正式成立（杨大文等，2004）。工作 委员会成员有来自水利部、中国科学院和多所高校的专家学者。工作委员会建议 ， 就新技术、新理论和新方法在水文预报中的应用，以及我国目前面临的洪灾、干 旱、水质恶化、生态环境退化等与水有关的紧迫问题进行研究，使水文科学的前 沿研究直接为国民经济服务。 对近 2 年的国际文献调研表明，水文学研究领域在以下几个方面值得关注。 （1）水文气象数据聚合与降解、数据同化与现代水文监测技术 Anderson, Chen 和 Kavvas（2007）应用非静力区域大气模型，将43年系列 的200km粗空间分辩率的6h气象数据（包括降雨、气温、相对湿度、风速和辐射 通量等）降解为3km空间分辩率的1h气象数据，并与研究区域3个站点的6年实测 数据系列进行比对，发现降解模拟结果与实测数据无论在季节、年和年际变化上 均很好符合，这对分布式水文模型应用以及弥补水文气象观测数据不足均具有重 要价值。 Kalin和Hantush（2006）探索了次世代雷达（NEXRAD）作为地面雨量计的 降雨数据替代源的潜力，和应用雨量计数据和SWAT模型对流量模拟结果进行了 比较，并讨论了雷达测雨技术及其应用的新方向。此外，在雷达技术应用方面， Maurer和Mass（2006）研究了水文模型中如何使用雷达数据区分降雨与降雪。 Gimmi等（2007）运用稳定同位素技术研究了侏罗纪黏土岩中的孔隙水的长 时空尺度溶移问题。 （2）流域水文尺度问题与水文模型建模及校正新方法 由于水文变量的空间变异和资料缺乏，流域水文尺度问题与建模方法仍需探 索。 Muleta等（2007）应用SWAT模型，研究了分布式流域模拟模型对空间尺度 的敏感性，发现SWAT模型原始输出结果中水量与泥沙的模拟精度很差，因此需 要仔细的模型校正，同时发现随着空间尺度增大，模拟出的泥沙发生量和流出量 均降低。 Hansen 和Refsgaard 等（2007）研究了基于物理过程的农业流域模型的空间 变异问题，在面积为622 km2的流域考虑土地利用、气象、土壤和根系层的不均 匀性。研究发现，最重要的参数不均匀问题是土壤物理参数在网格内的变化、植 被参数的变化和地下水位。 Lee，Zehe 和Sivapalan（2007）针对Reggiani等人近年提出的代表性基本流 域单元（REW）水文建模方法中的闭合关系确定方法难题，建立了CREW水文模 型，提出了确定闭合关系的理论推导和简化过程分析方法，将CREW模型结果和 分布式水文精细模拟模型CATFLOW的聚尺度结果比较，在Weiherbach小流域的 降雨－径流和土壤动力学过程预测中得到成功应用。 Bingeman，Kouwen 和Soulis（2007）针对分布式水文模型的校核与验证问 题，应用 ATFLOOD模型和详细的观测数据，不但对河川流量进行模拟验证， 而且对土壤水分、蒸发、积雪融雪和地下水流量进行验证。 （3）全球气候变化下的水文水资源响应 Kang和Ramirez（2007）应用CGCM2（加拿大的耦合全球气候模型）和HEC －HMS分布式水文模型分析了科罗拉多洛基山地区全球气候变化背景下的河川 径流响应问题，得出总径流和洪峰流量均比降雨变化大得多的结果。 Paturel等（2007）应用非校正水文模型Yates 模拟分析了气候变化对中西非 水资源的影响，发现与校正的水文模型结果很相近，认为对 IAHS提出的 PUB（prediction in ungauged basin）计划很有参考价值。 Nakaegawa和Kusunoki（2007）基于GCM数值实验（采用日本国家气象局全 球模型）探讨了潜在水资源量的季节动态预测问题。 Scibek 和Allen （2007）应用高分辩率渐变地下水模型和加拿大CGCM1气 候模型，研究了气候变化情景下的加拿大英属哥伦比亚中南部地区的地下水与地 表水相互作用，模拟了1960–1999年、2010–2039年、 2040–2069年3个时期。 Sato 等（ 2007） 应用区域气候模型预测了全球变暖对蒙古地区降雨的影响 ， 采用了两种DDS（动态尺度降解）法－G方法（传统镶嵌法）和R方法（本研究 提出的数据再分析再现区域气候法）。 （4）水文气象耦合模拟与水文预报 Shamir等（2006）评估了美国国家气象局水文模型在美国主要河流实时、短 期和长期水文预报的效果，提出了改进预报效果的一些建议。 Bae和Jeing（2007）采用气象预报情报和神经模糊技术提出了水库月入流预 报方法，表明利用气象预报情报比传统的只利用监测数据效果要好许多。 Lemonsu和Masson（2007）对城市的土壤－植被－大气交换模型的水文过程 部分进行了改进。 （5）水文循环过程－物质循环过程的相互作用与流域水环境 Ocampo 等（2006）在西澳大利亚的Susannah Brook农业流域，实地调查了 水文过程与生物地球化学过程的耦合反应，以硝态氮为着眼点，分析了坡度以及 高地与河岸地区浅层地下水对氮循环的影响，在此基础上建立了耦合水文过程与 生物地球化学过程的“统一智能模型”，并认为具有向本地区其他流域推广的前 景。 Schoonover和Lockaby（2006）采用流域尺度调查取样和回归分析模型，研 究了美国西乔治亚低山地带由于城市化引起的土地利用变化对河流营养物和排 泄物大肠菌的影响。 Karathanasis 等（2006）通过实验研究了不同质地和厚度的土壤对BOD、 N 和 P 的去除效果。采用了直径25cm、厚度30cm、45cm和 60cm 的不同质地的 土柱，结果发现细质地土壤总体上处理效果较好，土壤厚度增加处理效率增大且 效果比较稳定。 （6）生态水文学与湿地修复 Pauwels 等（ 2007）通过应用卡尔漫滤波法同化土壤观测数据和叶面积指数 ， 提出了水文模型（TOPLATS）－作物生长（WOFOST）模型的耦合模型的参数 优化方法。 Kazezyilmaz-Alhan等（2007）建立了湿地水文水质综合模型（WETSAND）， 模型考虑了地表水地下水相互作用，并应用SWMM5（雨水管理模型）进行汇流 和水质运移模拟。 Bertuzzo等（2007）研究了生态走廊和河流水系的关系：探索了有偏反应－ 扩散模型（反应率采用对数方程）的特性，预测了水文控制在流域物种入侵过程 的作用。 Rubarenzy和Staes （2007）应用生态水文学的原理，研究了在湿地修复中模 拟和极值分析研究的意义，模拟了4种情景：恢复入渗、修复上游湿地、修复下 游湿地和修复上游河谷湿地。 Mtahiko 等（2006）针对坦桑尼亚Great Ruaha River 流域的东部Usangu湿地 过渡放牧对 Ruaha 国家公园的破坏和对下游社会经济的严重影响，开展了基于 生态水文学的Usangu湿地修复研究，提出Usangu湿地必须退牧、农业灌溉至少需 要向河流退水25％，以保证Great Ruaha River四季不断流。 （7）城市水文学与河流湖泊恢复 Dougherty等（2007）对4个城市化流域的长期（24年）水文变化进行了定量 分析。Black和Endreny（2007）调查分析了为改善水质而设计的城市合流式下水 道分离工程对暴雨流出量和持续时间的改变，提出了减少工程对水生态系统影响 的城市雨水管理建议。 为遵守美国NPDES（国家污染物减排系统）第2阶段的实施要求，BMP（最 佳管理实践）成为美国各城市的。Schneider和McCuen（2006）评估了BMP 的城市水文响应。 雨水利用是城市水文学的重要内容。Guo和Baetz（2007）研究了绿色建筑设 计与管理中的屋顶雨水存储设施的体积计算问题。 Xiao 等（2007）模拟了城市住宅区的水文过程，分析了土壤物理特性对入 渗和地表径流的影响。 3.1.23.1.23.1.23.1.2 水资源学研究 水资源评价 水资源评价是对流域或区域水资源的数量、质量、时空分布特 征和开发利用条件进行全面分析和评估的过程，是水资源规划、开发、利用、保 护和管理最为重要的基础性工作，其成果是进行水事活动和决策的重要基础依 据。 1968 年和 1978 年，美国进