了得網工業技術_水文科學創新研究進展

編輯推薦

《水文科學創新研究進展》可供廣大水文水資源、生態與環境、農林牧等方面的科技人員和高校相關專業的師生參考使用.

內容簡介

《水文科學創新研究進展》精選了反映著名水文水資源學家劉昌明院士水文創新學術思想的文章共
80篇,包括劉昌明院士及弟子們新近撰寫的部分文章46篇和2004年以來已發表的
小部分文章34篇.《水文科學創新研究進展》共分7個部分.第一部分為綜合文章,主要探討和商榷水
科學若干理論與實踐問題,綜述水文地理的*進展,以藍綠水概念辨析中國水資
源內涵,探索水資源配置新思路,尋求喀斯特地區的用水新出路,開展水文學思
辨,剖析界面水文的研究意義,探討新形勢下水資源管理的適應性對策.第二部分
為水循環研究,包括產流、蒸散發、河流潛流帶水交換、區域水量變化、水鹽平
衡、作物水分脅迫和農田水分平衡等內容.第三部分為水文計算與模擬,介紹了劉
昌明院士領銜研制的HIMS模型、無測站流域水文預測(PUB)研究方法、大尺《水文科學創新研究進展》精選了反映著名水文水資源學家劉昌明院士水文創新學術思想的文章共

80篇,包括劉昌明院士及弟子們新近撰寫的部分文章46篇和2004年以來已發表的

小部分文章34篇.《水文科學創新研究進展》共分7個部分.第一部分為綜合文章,主要探討和商榷水

科學若干理論與實踐問題,綜述水文地理的*進展,以藍綠水概念辨析中國水資

源內涵,探索水資源配置新思路,尋求喀斯特地區的用水新出路,開展水文學思

辨,剖析界面水文的研究意義,探討新形勢下水資源管理的適應性對策.第二部分

為水循環研究,包括產流、蒸散發、河流潛流帶水交換、區域水量變化、水鹽平

衡、作物水分脅迫和農田水分平衡等內容.第三部分為水文計算與模擬,介紹了劉

昌明院士領銜研制的HIMS模型、無測站流域水文預測(PUB)研究方法、大尺

度地表徑流過程模擬、概率預報建模、參數優選方法和風險分析等.第四部分為水

資源研究,展示了在水資源管理中的市場機制、節水型社會評價、水資源承載力、

需水量預測的研究成果.第五部分聚焦氣候變化與人類活動影響,從河川徑流、蒸

散發、干燥指數等方面研究了年代氣候變異及其對氣候變化和人類活動的響應.第

六部分為水生態與水環境分析,介紹了我國水污染與飲水安全、生態需水、濕地生

態水文等研究成果.第七部分為對水文科學研究的感悟和認識.《水文科學創新研究進展》從基礎水文學

原理、水循環過程、水繫統模擬,到水資源管理利用、水對全球變化的響應和水生

態、水環境分析,荟萃了劉昌明院士廣闊深遠的學術思想,涵蓋內容豐富,具有極

高的珍藏價值.

序
前言
綜合
水科學若干理論與實踐問題的探討與商榷
劉昌明 3
水文地理學的發展與展望
何大明劉昌明羅賢 22
基於藍綠水動態調控的干旱區水資源配置管理新思路
於靜潔劉昌明 29
核電發展與水資源管理
陳慶偉劉昌明 37
國際濕地退化與退化濕地恢復前沿領域研究最新進展
楊永興楊楊韓大勇劉昌明 43
從實驗水文到水文繫統模擬 ——劉昌明先生水文科學思想學習的幾點認識序

前言

綜合

水科學若干理論與實踐問題的探討與商榷

劉昌明 3

水文地理學的發展與展望

何大明劉昌明羅賢 22

基於藍綠水動態調控的干旱區水資源配置管理新思路

於靜潔劉昌明 29

核電發展與水資源管理

陳慶偉劉昌明 37

國際濕地退化與退化濕地恢復前沿領域研究最新進展

楊永興楊楊韓大勇劉昌明 43

從實驗水文到水文繫統模擬 ——劉昌明先生水文科學思想學習的幾點認識

周成虎劉蘇峽於靜潔宋獻方 70

水文學思辨

陳建耀 77

界面水文研究思考

劉蘇峽 81

自然資源屬性與管理體制

瀋大軍餘旭東 89

關於我國城市水安全問題的戰略思考

邵益生 96

喀斯特地區綠水利用研究

楊勝天 100

貫徹落實中央一號文件實行最嚴格水資源管理制度

孫雪濤 107

農業灌排體繫現代化目標與戰略選擇

李宗禮王修貴徐春曉宋博111

澳大利亞水量賬戶繫統對中國水權制度建設的借鋻和啟示

劉卓柳長順 120

水循環

水循環概論

劉昌明 127

華北平原農田生態繫統蒸散耗水研究——以禹城站為例

李發東劉昌明 151

雅魯藏布江流域潛在蒸散量計算方法

付新峰楊勝天劉昌明 158

高埋深地下水情況下水鹽平衡研究

孫宏勇劉昌明劉小京曹建生 165

基於地下水位變化計算干旱區潛水蒸發的回顧與展望

王平於靜潔閔雷雷 170

基於溫度梯度法的河流潛流帶水交換研究

宋進喜劉昌明來文立楊小剛王珍 176

基於 GRACE數據的區域水量變化研究

王會肖王艷陽王國強董晴晴 189

華北山區坡地產流規律試驗研究

楊聰於靜潔劉昌明宋獻方胡堃李發東唐常源 201

基於 Bayesian與 MCMC分析的徑流過程不確定性研究

王紅瑞高雄於忱209

夏玉米水分脅迫效應的試驗研究

賈金生劉昌明王會肖 228

不同灌溉處理下鼕小麥水平衡與灌溉增產效率研究

裴宏偉孫宏勇瀋彥俊劉昌明 234

太行山片麻岩區坡地水文地質特性與滲流集蓄技術研究

曹建生劉昌明張萬軍 242

水文計算與模擬

HIMS水循環綜合模擬繫統研究和應用進展

劉昌明王中根劉小莽桑燕芳歐陽如琳劉麗芳黨素珍張丹梁康白鵬吳濱濱李軍吳夢瑩楊默遠劉文彬李丹穎 253

西藏稀缺資料地區洪峰流量推求

劉昌明白鵬鞏同梁王中根劉小莽 277

無測站流域水文預測 (PUB)的研究方法

劉蘇峽劉昌明趙衛民 288

大尺度地表徑流過程模擬和預報的研究趨勢探討

張永強周新堯李紅霞 298

華北地區半干旱流域的水文模型及參數優選算法研究

江燕劉昌明王中根劉麗芳 312

黃河河源區變化環境下分布式水文模擬

李道峰田英劉昌明 322

現行普適降水入滲產流模型的比較研究 :SCS與 LCM

李軍劉昌明王中根梁康334

水文時間序列概率預報建模框架研究

桑燕芳劉昌明王中根楊默遠 343

缺水型地區水風險研究

張士鋒劉曉菲廖強陳俊旭李九一王紅瑞 353

北京市水資源風險評價的數學模型及應用

王穎馬莉媛王紅瑞劉昌明 363

水資源

中國實現水需求零增長的可能性探討

劉昌明趙彥琦 379

我國農村飲水安全問題探討與對策

戴向前劉昌明李麗娟 389

水資源配置中的市場機制研究

王冠軍 400

關於創新 “集體水資源”管理制度的初步思考

柳長順 404

節水及節水型社會的分析和對比評價研究

陳瑩劉昌明趙勇409

城市雨水利用的成本效益分析研究——以北京市為例

左建兵劉昌明鄭紅星 417

城市供水價格改革探討

周長青 427

區域水資源承載力概念及研究方法的探討

段春青劉昌明陳曉楠柳文華鄭紅星 432

我國糧食供需區域差異及其對水資源的壓力

王西琴呂青青 440

黃河流域大型煤炭基地上下遊產業鏈需水量預測

梁康444

高壩大庫分層取水措施比選研究

張士傑彭文啟劉昌明 456

井灌區節水農業技術集成綜合示範節水效益評價——以河北省三河試區為例

裴鼕王振華張喜英陳素英胡春勝 464

氣候變化與人類活動影響

全球主要河流近百年徑流變化的初步探索

劉昌明歐陽如琳傅國斌 473

中國地表潛在蒸散發敏感性的時空特征分析

劉昌明張丹484

氣候暖化與我國的水循環和水資源——過去的趨勢及未來預估

瀋彥俊 499

東北地區近40年干燥指數變化趨勢及其氣候敏感性分析

鄭紅星劉靜劉昌明 504

1960 ~2000年中國蒸發皿蒸發量的氣候變化特征

曾燕邱新法劉昌明潘敖大高蘋515

黃土高原梯田和林草變化對流域水沙的調控機制

劉曉燕楊勝天劉昌明王富貴金雙彥 526

黃河源區氣候對徑流的影響分析

陳利群劉昌明郝芳華戴東劉九玉 537

青藏高原三江源區氣候變化 :1960 ~2009

梁麗喬李麗娟劉昌明蘭措549

氣候變化和人類活動對白洋澱上遊水源區徑流的影響

胡珊珊鄭紅星劉昌明於靜潔王中根 573

雅魯藏布江水資源演變與空間分布特征

鞏同梁 584

基於非線性混合回歸模型的潮河流域水資源對氣候變化響應分析

江燕劉昌明 593

密雲水庫流域土地利用變化對產流和產沙的影響

龐靖鵬劉昌明徐宗學 603

水生態與水環境

我國水污染狀況及其對人類健康的影響與主要對策

劉昌明曹英傑 621

近20年我國飲用水污染事故分析及防治對策

李麗娟梁麗喬劉昌明張麗姜德娟李九一 630

基於生態保護目標的生態需水閾值確定研究

李雲成 640

生態水力半徑法及其在河道內生態流量計算中的應用

門寶輝劉昌明 648

潮白河源區生態流量譜繫研究

戴向前鄭紅星劉昌明朱芮芮 660

水循環的河流生態需水水量與水質綜合評價方法——以遼河流域為例

王西琴劉昌明張遠672

基於博弈論綜合權重模糊優選模型在地下水環境風險評價中的應用

黃振芳劉昌明 683

水沙變異對孟津黃河濕地生態水文的影響及恢復模式研究

蔣曉輝王洪鑄 691

漳衛南運河流域生態安全時空變化分析

張曉嵐劉昌明趙志平王紅瑞 700

築壩對河流生態繫統的影響及水庫生態調度研究

陳慶偉劉蘭芬劉昌明 708

遙感與 GIS支撐下研究流域氮素景觀格局對河流生態環境的影響

趙長森劉昌明 716

北京市翠湖濕地血紅裸藻水華發生的環境條件

趙欣勝崔麗娟李偉張曼胤商曉靜張岩 724

柴河水庫氮磷污染特征分析與控制措施

付青熊燕娜呂興娜 734

水文科學研究的感悟和認識

老師的言傳身教激勵著我的成長

於靜潔 745

昌明先生 ,我敬重的導師——寫在劉昌明院士八十大壽之際

孫雪濤 751

五分錢承載的知識價值

劉蘇峽 753

魂牽夢繞家鄉水——漫談我的水文地理夢

牟海省 768

遙望博格達

趙衛民 773

水龍吟 (外二則 ) 李宗禮775

科學規劃合理利用讓中華水塔造福人類 ——青藏高原考察有感

吳險峰 776

在線試讀

綜合
水科學若干理論與實踐問題的探討與商榷
劉昌明
(中國科學院地理科學與資源研究所北京100101)
摘要:水問題的研究一直是國家最重要的課題之一,關繫到社會穩定?民生福祉?經濟發展等一繫列國家重大需求.筆者從1952年開始從事水文水資源的學習與研究,至今已60年有餘.本文主要敘述筆者60多年學習和研究生涯中的一些困惑?思考和初步認識,部分內容並不成熟,希望水文工作者繼續努力,將水文學與水資源研究推到新的高度.
關鍵詞:水文學與水資源;水循環;水文模擬;水生態;氣候變化與人類活動
1面向理論與實際應用的水文水資源研究的3個發展方向
水文學與水資源的基礎理論何在?追索過去,早期有人認為水文學是“繫數的科學”;20世紀80年代,國際水文科學協會(IAHS)提出水文學缺乏感知(“nopercep-tion”);嗣後筆者強調水循環和水平衡是水文學與水資源的基礎理論,水循環貫穿並連接了水文學的發展與水資源的開發利用過程.追索歷史,水文學的發展涵蓋了三個研究方向:歷史悠久的地理記述?古代的水利工程和近代的地球物理,這三個方向在水文學發展過程中交叉融合.20世紀後期,水資源問題的研究如火如荼,使得水文水資源的研究與社會經濟問題相結合;20世紀末,我國水文學研究則進一步與環境與生態科學結合.這是水文學與水資源研究發展的歷程與未來趨勢.從學科的基礎研究來看,水文學與水資源研究將沿地球物理和地理科學方向發展,後者橫跨了自然科學與社會科學的屬性.
2關於地球繫統科學中水的研究綜合

水科學若干理論與實踐問題的探討與商榷

劉昌明

(中國科學院地理科學與資源研究所北京100101)

摘要:水問題的研究一直是國家最重要的課題之一,關繫到社會穩定?民生福祉?經濟發展等一繫列國家重大需求.筆者從1952年開始從事水文水資源的學習與研究,至今已60年有餘.本文主要敘述筆者60多年學習和研究生涯中的一些困惑?思考和初步認識,部分內容並不成熟,希望水文工作者繼續努力,將水文學與水資源研究推到新的高度.

關鍵詞:水文學與水資源;水循環;水文模擬;水生態;氣候變化與人類活動

1面向理論與實際應用的水文水資源研究的3個發展方向

水文學與水資源的基礎理論何在?追索過去,早期有人認為水文學是“繫數的科學”;20世紀80年代,國際水文科學協會(IAHS)提出水文學缺乏感知(“nopercep-tion”);嗣後筆者強調水循環和水平衡是水文學與水資源的基礎理論,水循環貫穿並連接了水文學的發展與水資源的開發利用過程.追索歷史,水文學的發展涵蓋了三個研究方向:歷史悠久的地理記述?古代的水利工程和近代的地球物理,這三個方向在水文學發展過程中交叉融合.20世紀後期,水資源問題的研究如火如荼,使得水文水資源的研究與社會經濟問題相結合;20世紀末,我國水文學研究則進一步與環境與生態科學結合.這是水文學與水資源研究發展的歷程與未來趨勢.從學科的基礎研究來看,水文學與水資源研究將沿地球物理和地理科學方向發展,後者橫跨了自然科學與社會科學的屬性.

2關於地球繫統科學中水的研究

20世紀後期,美國科學家提出了地球繫統科學觀點,當時有兩種理解:“①把地球看成一個由相互作用的地核?地幔?岩石圈?水圈?大氣圈?冰雪圈和生物圈等組成的繫統.這是一種廣義的地球繫統概念.②把地球看成一個由相互作用的大氣圈?水圈?岩石圈和生物圈等組成的繫統.這是一種狹義的地球繫統概念,也是人們經常使用的地球繫統概念.地球繫統包含了下部固體地球繫統?上部的物理氣候繫統和全球生態繫統,分別控制著水循環?生物地球化學循環和能量循環.這三個循環相互有機地聯繫成為一個完整的體繫,是地球上所有生物生存的空間和活動的場所”.仔細思考,可以看到水循環是一個紐帶,具有重要作用.如果說水循環融入地球繫統科學,或者說現代水文學要沿地球繫統科學方向發展,我認為重要的是水文學需要跨向生物地球化學循環和能量循環的研究.這一重大思想早已被我國的地理學大師黃秉維院士提出,考慮到水文過程及其相伴的一繫列過程集中發生在地球表層,黃秉維院士提出陸地表層繫統研究.這為我們水文水資源研究的理論發展指明了道路.

3關於水文繫統方法的應用

1989年前,中國科學院地理研究所所長黃秉維院士提出了陸地表層繫統,同時期,前中國水利水電科學研究院院長謝家澤先生提出了天地生人繫統觀.國際IUGG-IAHS的專業委員會也設立了國際水資源繫統委員會(.當時我們受到了啟迪,認為

ICWRS)繫統論思想是水文科學研究的一個重要途徑.作者曾在水文學名詞編寫中提出了“繫統水文學”.基於繫統理論研究水文水資源首先是繫統理念,即不單純地用孤立的觀點研究某種事物.任何有多因素影響的事物都會被人們作為繫統工程來研究,例如筆者在農業節水的研究中構建的農業節水繫統等.繫統論可以幫助我們完整地建立繫統,並將其逐個分解.如下表1提供的繫統論在水文水資源研究三個方面的應用.

由表可見,繫統方法可以為繫統的輸入與輸出識別繫統的作用,如線性還是非線性的繫統作用等等;識別繫統後建立定量關繫,進而由輸入與繫統作用可以做出繫統的預測與預報等等.此外,識別繫統後可以鋻別繫統輸入對輸出的影響,根據輸出目標來調節或控制輸入.應當指出的是,繫統方法實際上在水文水資源研究中早有應用:1957年納希(J.E.Nash)基於線性繫統推導出著名的納希瞬時單位線.1972年,周文德根據水量平衡和蓄洩關繫導出了線性水文繫統模型.這兩個經典的事例說明了筆者歸納表1方法的意義.筆者相信,繫統論思想在當前與未來的水文水資源研究中必將延續,是水文水資源研究不斷創新的驅動力.

4關於水文研究實驗方法的討論

盡管我們在水文觀測數據中不斷的分析與探求水文學的某些規律,但是,大自然是一個包含多種因子的復合體與時空千變萬化的動態繫統,這使得我們在短暫的人生中難以完全探明其產生機制與原因.例如,水文統計中經常采用的水文事件發生頻率,一般基於幾十年的觀測資料去估計百年一遇的水文事件頻率分布.這是一種數學理論方法,同時是一種平均的概念,有較大的不確定性.百年一遇的水文事件不是百年非得出現一次;觀測的事實往往是,百年一遇的水文事件可能百年內不出現或出現兩次,具有一定的隨機性,捕獲這一稀遇頻率事件很不容易.因此,“靠天喫飯”研究稀遇頻率水文事件的降水徑流過程非常困難.我們從20世紀60年代開始,進行了人工模擬降雨的實驗,

能隨時給出不同強度與歷時的降雨.

水文實驗的主要功能大致可分為兩類:一是分離多種影響因子,探明單一因子與過程的相互作用機制,這往往難以在野外觀測中獲取;二是比尺模型(沙盤式)的綜合實驗模擬.這種比尺模型實驗在水工與河工實驗中早就廣泛運用,但是在降雨徑流實驗中

還沒有很好的應用.筆者基於弗魯德數(Fr=v/(h)0.5)與雷諾數(Re=vd/η,式中v?ρ?η分別為流體的流速?密度與黏性繫數,d為一特征長度),推導了降雨徑流實驗比尺模型的相似率計算方法.首先,由動力相似可得

式中,Fr為弗魯德數;λ為相似率,下標H?m分別為原型與模型.相似率計算:

1)推求人工模擬比尺模型的降雨強度(-1):

2)彙流時間

3)推求人工模擬比尺模型的產流量(R):

式中,F為面積.R=a×F

需要指出的是第二種實驗,即流域降雨徑流比尺模型的綜合實驗,雖然在動力相似

計算方面已初步提出了計算方法,但是下墊面的土壤及水分運動比較復雜,目前這種實

驗主要以定床實驗為宜,適用於地表產彙流的動力學機制研究.

實驗研究需要室內與野外相結合.1980年開始,我們在山東禹城與河北欒城設置

了大型稱重式蒸滲儀.2013年在中國科學院陸地水循環及地表過程重點實驗室內建立

了蒸滲儀,研究“五水轉化動力學機制”.在室內外實驗中,筆者初步取得了一些成果.

例如,基於大型蒸滲儀的測定,在欒城站成功的探明了農田水分耗散的結構,提出了土

壤蒸發(E)?農田蒸散發(ET)與土壤表層體積含水量的變化關繫:

式中,θv代表土壤表層體積含水量.這一研究成果在國際雜志發表後已被36個國家多次引用,在國內為農業節水實施模式r提c供u了r基a礎n參考o.seraulg

最近,我們正在構建一個三維復雜地表坡面薄層水流運移與入滲過程高精度測試與分析繫統.該套繫統在室內可控條件下,利用新興的3D打印技術和微地貌3D成像繫統,再現自然界的復雜下墊面;運用高速攝影多物理場軟件,精細觀察和模擬坡面薄層水流的流態?流速和流阻;並使用X射線成像繫統進行地表以下入滲土壤水分運動的細微定量觀測.精確再現產彙流發生?發展的全過程,通過精密測試儀器的使用開展更微觀的水循環過程定量研究,能夠提高研究精度和水平,用來揭示復雜地表條件下產?彙流物理過程的動力學機制.從微觀物理動力學過程出發,精細化再現復雜地表(包括糙率?地形起伏?植物覆蓋?土壤類型等要素的差異)條件,研究降雨形成的地表坡面薄層水流運移和動態入滲機制,實現暴雨洪水過程的高精度與精細化模擬.在學科上促進水循環基礎理論的發展,使相關水文科學問題上升到更加定量認識的高度.

水文觀測和實驗是最基礎的信息來源.雖然當前大數據(bigdata)是繼雲計算(和物聯網(之後的信息技術革命,這會對水文

cloudcomputing)theinternetofthings)水資源的研究產生重大的推進作用,但是不能忽視的是,水文觀測與實驗數據仍然是有真正價值的一種資產和創新的一個源泉.

5由“四水轉化”到“五水轉化”與界面水文學的研究

1966年,澳大利亞科學家菲利普提出的土壤植物大氣連續體(SPAC)的理論對水文學的發展做出了重大貢獻.自然界植物體含有大量的水分,其光合作用下的蒸散在水循環中舉足輕重.我們由大氣?地表?土壤?地下與植物中5種水分的交換,演繹出52種方式的不同組合,可供研究.

自然界不同相態的水賦存在各自的空間,水分的循環運動與相互交換自然存在一繫列的界面.地下水與土壤水通過土層到根繫,到植物株體再到葉部,然後從氣孔以蒸散的形式與大氣交換,其間要通過多個界面.水分通過界面時均有水勢與阻力,研究這種過程的機理與調控就是界面水文學.筆者在90年代初期開始了界面水文的相關研究.2000年初在河北省科技廳重大項目的支持下,以節水為目的?以農田為對像,開展了界面節水調控的應用基礎研究.界面調控主要從3個界面展開,包括土壤根繫?葉面大氣?土壤大氣的水分過程.經過大量的實驗,將蒸散發中的作物生產性蒸散與土壤非生產性蒸發分離,並通過調虧供水的方法控制土壤與根繫界面的水分交換.提出了農藝措施與工程措施相結合的理論方案與模式,取得了比較滿意的效果,實現了節水100mm?小麥玉米超1000kg的效益.

6水分與能量(熱量)的耦合用於水分的調控

我們基於水量平衡方程與熱量平衡方程,提出了輻射干燥指數的水熱轉化計算,得出的基本公式如下:

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