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水文科学基本理论 — 水循环若干问题的研究与探讨 刘昌明 1 ， 2 ，刘小莽 1 , 张 丹 1 1 、中国科学院 , 2 、北京师范大学水科学院

中国水文学术讨论会， 2012 年 12 月 10 日，南京. 水文科学基本理论 — 水循环若干问题的研究与探讨 刘昌明 1 ， 2 ，刘小莽 1 , 张 丹 1 1 、中国科学院 , 2 、北京师范大学水科学院. 提纲. 水循环：水文学的基础理论 水、能（热）平衡与水文学研究：若干问题商榷. 水循环：水文学的基础理论. 问题回眸：国际与国内 水循环的理论与实践意义 全球与中国水循环. 国际与国内. 回顾上世纪 80 年代末： IAHS.

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水文科学基本理论 — 水循环若干问题的研究与探讨 刘昌明 1 ， 2 ，刘小莽 1 , 张 丹 1 1 、中国科学院 , 2 、北京师范大学水科学院

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  1. 中国水文学术讨论会， 2012年12月10日，南京 水文科学基本理论—水循环若干问题的研究与探讨刘昌明1，2，刘小莽1 , 张 丹11、中国科学院, 2、北京师范大学水科学院

  2. 提纲 • 水循环：水文学的基础理论 • 水、能（热）平衡与水文学研究：若干问题商榷

  3. 水循环：水文学的基础理论 • 问题回眸：国际与国内 • 水循环的理论与实践意义 • 全球与中国水循环

  4. 国际与国内 回顾上世纪80年代末：IAHS • “Dilettantism”（V. Klemes，Dilettantism in Hydrology: Transitionor Destiny, WRR,1986，VOL.22，No.9. ）“水文学浅薄涉猎：转变或听天命”。 • 他提出的“appendage”是指水利工程、地理学、地质学等等的“附属物”和“无感知” • 他认为水文学在现代科学编制中是一个“空壁龛” • 他提出水文学是科学还是技术？( Klemes，A Hydrological Perspective, J. of Hydrology ,100（1988）3-28) • “壁龛”何处？国际观： 更向地球科学/地球物理学。

  5. 国际与国内 上世纪90年代21世纪初：BAHC-GWSP • BAHC主要是研究植被在地表和大气水文过程中的作用。它的两个主要目的是：①生物圈对水文循环的控制，②建立生物圈和地球物理系统间相互作用模拟结果的适当数据库。至2002年BAHC 结束，为生态水文研究的先导。 • 2003年全球变化总结前10年凝炼3个问题，即碳循环、水循环、食品纤维。后人类健康，为4问题 • 4大国际组织（IGBP、Diversta、IGBP、WCEP）联合的伙伴计划—ESSP确立了上述的4个核心项目。

  6. 国际与国内 地球系统科学联盟（Earth System Science Partnership, ESSP）成员 ⑴世界气候研究计划(World Climate Research Programme,WCRP）； ⑵国际地圈生物圈计划（International Geosphere-Biosphere Programme,IGBP）； ⑶国际全球变化人文因素计划（International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change,IHDP）； ⑷国际生物多样性计划（An International Programme of Biodiversity Science,DⅣERSITAS）．

  7. ESSP设立的4个全球计划 The Earth System Science Partnership www.essp.org IHDP International Human Dimensions Programme International Programme of Biodiversity Science WCRP DIVERSITAS Health World Climate ResearchProgramme IGBP International Geosphere-Biosphere Programme • 国际与国内 2005年中国成立ESSP-GWSP国际委员会

  8. 国际与国内 GWSP 主席 2007ESSP—GWSP科学指导委员会在北京举行

  9. 水循环意义 水循环的理论与实践意义 • 水文学不甘只是研究“参数”的技术科学。而应是水文科学。 • 水文科学的基本理论是水循环/水文循环。其理论归结于物理学原理性的“三大定律”（如能量与质量守恒定律） • 在实践方面，水文科学服务于国民经济建设的各部门，例如水利科技的“尖兵” ，包括服务于环境保护等等。

  10. 水循环意义 水循环的理论与实践意义 自然地理环境过程与水管理的主要意义 • 水分与能量交换作为自然地带的物理基础 • 水流侵蚀、搬运、沉积塑造地形地貌 • 化学元素溶移（含污染），参与形成地球化学景观与生物地球化学形成 • 蒸发作用下的植（作）物生长发育，以及 • 水资源演化的可再生（更新）性，实行水资源最严格管理的科学原理。

  11. 全球与中国水循环 水循环使全球淡水成为快速再生资源

  12. 水气输送 大气水分 输水 用水 地表地下水量 平衡与蓄变量 地表地下水量 平衡与蓄变量 水质平衡与 调蓄水变量 水质平衡与 调蓄水变量 降水 蒸发 （绿水） 供水 （蓝水） 耗水 径流 地表与地下径流 排水 自然水循环 社会水流通 水循环的量与质的可再生性 • 全球与中国水循环 自然水循环与经济社会的用水过程 人～水关系

  13. 全球与中国水循环 自然宏观全球水循环/水平衡主要过程 The newest estimate of global water cycle(根据中科院农业资源中心沈彦俊研究员)

  14. 全球大陆年降水、径流、蒸发是多少？（综合估计数据）全球大陆年降水、径流、蒸发是多少？（综合估计数据） • 全球与中国水循环

  15. 大气 蒸发 （3500km3） 降水 (6200 km3） 径流(2700 km3） 海洋 地中水（4200 km3） 基流 (700 km3 ） 渗漏 流入海洋的深层地下水 (820 km3） 地下水 • 全球与中国水循环 中国大陆水循环

  16. 全球与中国水循环 中国水循环周期估算 地下水循环周期很长，水资源开发应以积极循环的降水及其派生地表水为主

  17. 全球与中国水循环 全球能量平衡估算 Global Energy Balance Units Wm-2 蒸发 根据：Martin Wild and Norman Loeb 信息：martin.wild@env.ethz.ch

  18. 全球与中国水循环 中国自然地带的能量平衡估计 各自然带中农田、湿地、森林的潜热大于显热，蒸散发主导水循环

  19. 中国海河流域能量平衡图 • 全球与中国水循环 1957~2008年间年均净辐射为44.2 W m-2，年均潜热与感热通量各占净辐射的63.6%和36.4%，说明海河流域水循环以垂直方向为主导、ET管理重要。

  20. 二、水、能（热）平衡与水文学研究：若干问题的商榷二、水、能（热）平衡与水文学研究：若干问题的商榷

  21. 二、水、能（热）平衡与水文学研究： 若干问题的商榷 1、水、能（热）平衡联系方程 2、水、能（热）平衡-辐射干燥度 3、作为水文分区或水文区划指标 4、“绿水与蓝水”：水资源的广义内涵 5、年水量平衡多要素计算方法探讨 6、水热平衡与生态水文研究的商讨 7、土地利用/人类活动对水循环影响/水沙影响 8、气候变化的影响与适应对策 9、界面水文学：水热平衡调控应用 10、面向生态维护跨流域调水的水热平衡分析

  22. 水分能（热）量循环耦合 Rn = H + LE + G + P0 式中：Rn为净辐射通量，LE为潜热通量，H为显热通量，G为土壤热通量，P0是热量交换 按水量单位计算时有： P  R =（Rn  H  G）/ L 因此按热量平衡方程可以得到： L ( P  R）= Rn  H  G 显然上述热量平衡与水量平衡的联系方程是通过蒸发潜热（L）建立的。联系水、热平衡两者的指标是布迪科辐射干燥指数（Rn / L P） 1、水、能（热）平衡联系方程

  23. 水量平衡与能（热）量平衡的联系方程是通过蒸发潜热（L）建立的。联系水、热平衡两者的指标可用布迪科辐射干燥度或指数（Rn/LP）：水量平衡与能（热）量平衡的联系方程是通过蒸发潜热（L）建立的。联系水、热平衡两者的指标可用布迪科辐射干燥度或指数（Rn/LP）： 中国全国的平均水热平衡状况是潜热通量大于显热通量，蒸发耗热占主要比例。 2、水、能（热）平衡-辐射干燥度 辐射干燥指数与水、热循环要素关系结构特征

  24. 干燥度/干燥指数的不同表示 2、水、能（热）平衡-辐射干燥度 A = Rn / L×P 采用辐射平衡计算A = ET / P 采用潜在蒸发计算（Penman- Monteith,Priestly-Taylor等）A = Eo / P 采用水面蒸发皿计算A = 0.16 T / P采用积温推算（张宝昆公式）等等。 以上公式的分子均代表蒸发的能量，有潜在蒸发的含义，虽各不相同，但相互有关。辐射干燥指数表述水热条件的物理意义最为确切。

  25. 不同干燥指数与降水的关系 2、水、能（热）平衡-辐射干燥度

  26. 2、水、能（热）平衡-辐射干燥度 例如：Rn / L×P～ Eo / P的关系（东北地区辐射干燥指数与蒸发皿干燥指数的关系）

  27. 西北－>湿润 过渡带->干旱 东南－>湿润 2、水、能（热）平衡-辐射干燥度 中国干燥指数变化（Penman-Monteith）

  28. 2、水、能（热）平衡-辐射干燥度 中国干燥指数与年干旱频率一致性(1951-2006)

  29. 3、作为水文分区或水文区划指标 中国水文一级分区根据宏观地形格局和气候类型；二级分区主要考虑水热组合特征，以年干燥度为主要指标 中国水文分区图 刘昌明、沈彦俊，2011年

  30. 欧洲的计算 3、作为水文分区或水文区划指标 欧洲辐射干燥指数与径流的关系 根据瑞典： Malin Falkenmark

  31. 3、作为水文分区或水文区划指标 中国辐射干燥指数与径流的关系 中国五大流域 （数据来源于中国水资源评价） 中国150个中小流域 （松花江、黄河、珠江）

  32. 3、作为水文分区或水文区划指标 中国区域水热平衡/水转化结构及生态稳定性划分 E0/P=1 生态稳定 生态脆弱 蒸发互补相关 水量平衡 根据观测资料 水热指标E0/P与水平衡要素 中国区域水循环/水转化结构图

  33. 利用方式 绿水 蓝水 直接利用 经济生物量生长： 雨养农业、牧场以及木材生产、纤维制造、燃料用木材生产等 间接利用 生态系统生物量生长： 湿地、草地、森林及其他陆生生境 生态系统服务： 水生生态系统淡水 其他生境 4、“绿水与蓝水”：水资源的广义内涵 定义商榷：绿水-分子态/土壤水，热力气态转化；蓝水：液/固态赋存，重力水平分力驱动 人类对绿水蓝水的直接与间接利用 人类社会经济用水： 灌溉、工业用水、居民用水、人工生态等

  34. 4、“绿水与蓝水”：水资源的广义内涵 中国绿水与蓝水分布规律 单位：m3/km2

  35. 4、“绿水与蓝水”：水资源的广义内涵 绿水与蓝水划分与应用案例 中国新疆某流域水资源的实测案例 • 资料：过去与现在的实测径流量基本未变 • 耕地面积：河谷盆地由180余万亩增加到730万亩。主要是把灌草地开垦农田。农田面积增加了4倍 • 人口数量：由40万人增加到240万人，人口增加了5倍。 为什么径流不变？似耕地开发增加径流，减少了灌草的蒸散发ET。导致更多的绿水转化为蓝水。

  36. 混合松林 灌木 4、“绿水与蓝水”：水资源的广义内涵 绿水与蓝水划分与应用案例 绿水与蓝水划分与应用案例 美国50年亚利桑那高地“疏林（草）增水”试验借鉴 西黄松林 佐证： 蒸发减少径流增加

  37. 5、年水量平衡多要素计算方法探讨 年水量平衡要素分解项目 P降水 （雨、雪、凝结等各种降水） R 总径流(RS ，Rg ) RS地表径流 Rg 地下径流 ET总蒸发（E+T) E 蒸发 T 蒸腾 Wh 渗蓄水(W1 W2 W3 W4 ),可采用年渗蓄水总通量 选取水量平衡的要素：P，R，Rs，Rg，ET，Wh，

  38. 5、年水量平衡多要素计算方法探讨 年水量平衡方程的六要素与年渗蓄水量 • 采用年降水 (P），年径流（R）并分解为年地表径流（Rs）与年地下径流（Rg），年蒸散发（ET），年渗蓄水或土壤水通量（Wh）: 定义：P - RS = Wh流(区)域渗蓄水/土壤水通量； 定义：Rg + ET = L流(区)域水量支出 • 显然，六要素年水量平衡方程描述的水循环, 可以包括土壤湿度（Wh）与地下水径流（ Rg）的计算。其应用可望扩展基于水循环三要素年水资源评价与开发利用的内涵。建议作为一种评价流(区)域水资源与开发利用的途径。下面是其意义的商榷。 （根据 凌美华、 刘昌明）

  39. 5、年水量平衡多要素计算方法探讨 多要数水量平衡评价水资源的主要意义 • 年平均情况 P-RS= Rg+ ET=Wh • 比值Rg/Wh评价流域地下补给与河道基流 • 比值ET/Wh评价抑制土壤蒸发的潜力 E/Wh ，T/Wh 增加农业产量 • 比值Rs/Wh ， P/Wh评价水土保持的潜力 ，Rs/Wh ， P/Wh 增强水土保持 • 确定比值Rg/Wh的意义在于保持地下水的补给和河流的生态基流。控制和保持Rg/Wh的合理关系，可以避免对地区地下水的盲目超采

  40. 6、水热平衡与生态水文研究的商讨 区域生态平衡的水分适宜性（Cr） 根据辐射干燥指数（A），以A＝Rn/(L·P）= 1，作为理想的流（区）域水热适宜条件，并将符号“Cr”作为适宜性： • 天然状态的Cr的分析： Cr＝１，水分适宜，生态平衡 Cr >１，水分不足，生态脆弱 Cr≤１，水分显余，生态稳定 • 相应的水利措施： Cr ＞１　（补水）→ Cr＝１ Cr≤１　（排水）→ Cr＝１

  41. 6、水热平衡与生态水文研究的商讨 联系流（区）域水量平衡多要数计算 外流区：Cr = Rn / L(P-Rs) ，或者 Cr ≈ PE / Wh， Cr ≈ E0 / Wh 内流区：Cr = Rn / (L× P) Cr ≈ PE / P， Cr ≈E0 / P 理想的流（区）域水热适宜/生态平衡条 件： Cr 1.0

  42. 6、水热平衡与生态水文研究的商讨 联系经济社会用水，Cr’与用水（U）的关系 当 Cr’ ≤1，人类取（用）水与生态用水矛盾较小； 当 Cr’＞１，人类人类取（用）水与生态用水存在矛盾 我国的北方天然Cr’＞１需要考虑人类活动，取用水（U）的影响， Cr´= (E0+ U)/Wh ， 根据W，可使Cr´ 1.0 或 等于1.0。

  43. 7、土地利用/人类活动对水循环影响/水沙影响 卫星监测显示 十年间陕北植被覆盖率显著上升 土地利用/覆盖的卫星判读与统计资料作为参考：是否可以视为水沙变化归因？ • MODIS时序植被指数表明：延安植被覆盖度从2001年的35.3%增加到2009年的55.8%, • 延安市植被覆盖率由45.4%上升至68.2%，绿色度均增加两成以上。 • 榆林植被整体覆盖度由2000年的12.0%，到2009年的33.6% • 榆林沙漠植树造林十余年 植被覆盖率达60%。

  44. 7、土地利用/人类活动对水循环影响/水沙影响 黄河为例：中游北干流天然径流量大幅减少 产水量：与56～2000系列相比，在相近降雨情况下， 2003年以来河口镇～潼关区间天然径流量减少约47％。

  45. 均为10月份的TM影像 植被巨变 影响水沙 林草

  46. 7、土地利用/人类活动对水循环影响/水沙影响 2010~2012年黄河中游 24hr降雨大于100mm 大暴雨 特大暴雨 24hr降雨大于200mm 大暴雨 参加2012年9月黄委刘晓燕调查获得的资料 （国家支撑计划）

  47. 7、土地利用/人类活动对水循环影响/水沙影响 2010～2012年，黄河中游多沙粗沙区水沙的巨大变化 土地利用对水沙的影响——退耕还林与政策的效果 参加2012年9月黄委刘晓燕调查获得的资料 （国家支撑计划）

  48. 8、气候变化对水循环影响与适应研究 全球增温 水循环加速，水循环要素P、R、E等发生变化 P E R 温度上升 P E R P、R、E等水循环要素的响应，呈现出： 非线性，地理分异，极值化与复杂反馈等

  49. 8、气候变化对水循环影响与适应研究 降水（P)、径流（R）与温度（T）/蒸发（E）变化关系 计算模型展示的非线性 求导后的公式可以定量估计降雨和温度的变化对径流的影响。

  50. 三种计算方法在澳大利亚流域的比较 Spokane River Basin (Liu,1996) Spokane River Basin (Leonard,2009) Spokane River Basin (Fu,2007)

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