現(xiàn)代水文學(xué)2-第二章水文循環(huán)理論與進(jìn)展

1、第二章 水文循環(huán)理論與進(jìn)展水循環(huán)理論是水文學(xué)的重要基礎(chǔ)內(nèi)容之一。水循環(huán)是聯(lián)系氣圈和生物圈相互作用的紐帶，是水資源可持續(xù)利用的物理基礎(chǔ)。在水循環(huán)的一系列過(guò)程中，通過(guò)大氣降水、植被截留、地表徑流、入滲、地下徑流、蒸發(fā)和植物蒸騰等各個(gè)環(huán)節(jié)，使大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈相互聯(lián)系起來(lái)，并在它們之間進(jìn)行水量和能量交換。由于水循環(huán)運(yùn)動(dòng)，使大氣降水、地表水、土壤水、地下水之間相互轉(zhuǎn)化，使水資源形成不斷更新的統(tǒng)一系統(tǒng)。也正是由于水文循環(huán)作用，使水資源成為可再生資源，才能談?wù)撍Y源的可持續(xù)利用問(wèn)題。本章將介紹水文循環(huán)的概念、原理及研究進(jìn)展。這是本書后面章節(jié)研究分布式水文模型、水文生態(tài)耦合系統(tǒng)模型以及水資源可再生

2、性理論、可持續(xù)水資源管理等內(nèi)容的基礎(chǔ)。2.1 水循環(huán)與水量平衡2.1.1 自然界的水循環(huán)水循環(huán)是指地球上的水在太陽(yáng)輻射和重力的作用下，以蒸發(fā)、降水和徑流等方式進(jìn)行周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。自然界的水循環(huán)是連接大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的紐帶，是自然環(huán)境中發(fā)展演變最活躍的因素，并使地球獲得淡水資源。全球水循環(huán)時(shí)刻都在進(jìn)行著，它發(fā)生的領(lǐng)域有：海洋與陸地之間，陸地與陸地上空之間，海洋與海洋上空之間。水循環(huán)示意如圖。2.1.1.1 海陸間水循環(huán)海陸間水循環(huán)，是指海洋水與陸地水之間通過(guò)一系列的過(guò)程所進(jìn)行的相互轉(zhuǎn)化。具體過(guò)程是：廣闊海洋表面的水經(jīng)過(guò)蒸發(fā)變成水汽，水汽上升到空中隨著氣流運(yùn)動(dòng)，被輸送到大陸上空，其

3、中一部分水汽在適當(dāng)?shù)臈l件下凝結(jié)，形成降水。降落到地面的水，一部分沿地面流動(dòng)形成地表徑流；一部分滲入地下，形成地下徑流。二者經(jīng)過(guò)江河匯集，最后又回到海洋。這種海陸間的水循環(huán)又稱大循環(huán)。通過(guò)這種循環(huán)運(yùn)動(dòng)，陸地上的水就不斷地得到補(bǔ)充，水資源得以再生。2.1.1.2 內(nèi)陸水循環(huán)降落到大陸上的水，其中一部分或全部（指內(nèi)流區(qū)域）通過(guò)陸面、水面蒸發(fā)和植物蒸騰形成水汽，被氣流帶到上空。冷卻凝結(jié)形成降水，仍降落到大陸上，這就是內(nèi)陸水循環(huán)。由內(nèi)陸水循環(huán)運(yùn)動(dòng)而補(bǔ)給陸面上水體的水量為數(shù)很少。2.1.1.3 海上內(nèi)循環(huán)海上內(nèi)循環(huán)，就是海洋面上的水蒸發(fā)成水汽，進(jìn)入大氣后在海洋上空凝結(jié)，形成降水，又降到海面。圖 水循環(huán)示意

4、圖2.1.1.4 水循環(huán)周期據(jù)計(jì)算，大氣中總含水量約1.29105億立方米，而全球年降水總量約5.77106億立方米，大氣中的水汽平均每年轉(zhuǎn)化成降水44次（5.77106 / 1.29105），也就是大氣中的水汽，平均每8天多循環(huán)更新一次（365/44）。全球河流總儲(chǔ)水量約2.12104億立方米，而河流年徑流量為4.7105105 / 2.12104 ），亦即河水平均每 16 天多更新一次（365/22）。水是一種世界性的不斷更新的資源，具有取之不竭的特點(diǎn)。但是在一定的空間和時(shí)間范圍內(nèi)，水資源又是有限的。如果人類取用水量超過(guò)更新的數(shù)量，就要造成水資源的枯竭。2.1.2 全球的水量平衡2.1.2

5、.1 全球儲(chǔ)水量1010億立方米，其中海水約1010億立方米，占全球總水量的96.5%。余下的水量中地表水占1.78%，地下水占1.69%。108億立方米，主要通過(guò)海洋蒸發(fā)和水循環(huán)而產(chǎn)生，在全球總儲(chǔ)水量中只占2.53%。淡水中只有少部分分布在湖泊、河流、土壤和淺層地下水中，大部分則以冰川、永久積雪和多年凍土的形式存儲(chǔ)。108億立方米，約占世界淡水總量的69%，大部分都存儲(chǔ)在南極和格陵蘭地區(qū)。2.1.2.2 水量變化規(guī)律地球上的水時(shí)時(shí)刻刻都在循環(huán)運(yùn)動(dòng)，在相當(dāng)長(zhǎng)的水循環(huán)中，地球表面的蒸發(fā)量同返回地球表面的降水量相等，處于相對(duì)平衡狀態(tài)，總水量沒(méi)有什么變化。但是，對(duì)某地區(qū)來(lái)說(shuō)，水量的年際變化往往很明顯

6、，河川的豐水、枯水年常常交替出現(xiàn)。降水量的時(shí)空差異性導(dǎo)致了區(qū)域水量分布極其不均。在水文循環(huán)和水資源演變中，水量平衡是一個(gè)至關(guān)重要的基本規(guī)律。根據(jù)水平衡原理，某個(gè)地區(qū)在某一段時(shí)期內(nèi)，水量收入和支出差額，等于該地區(qū)的儲(chǔ)水變化量。一般的流域水平衡方程式可表達(dá)為：P - E - R = S （2.1.1）式中，P為流域降水量，E為流域蒸發(fā)量，R為流域徑流量，S為流域儲(chǔ)水變量。從多年平均來(lái)說(shuō)，流域儲(chǔ)水變量S的值趨于零。流域多年水平衡方程式為：P0 = E0 + R0 （2.1.2）式中P0、E0、R0分別代表多年的平均降水量、蒸發(fā)量、徑流量。海洋的蒸發(fā)量大于降水量，多年平均降水量平衡方程式可寫為：P0

7、= E0 - R0 （2.1.3）全球多年平均水平衡公式為：P0 = E0據(jù)估算，全球平均每年海洋上約有5050000億m3的水蒸發(fā)到空中，而總降水量約為4580000億m3，總降水量比總蒸發(fā)量少470000億m3，這同陸地注入海洋的總徑流量相等。如表。表2.1.1 全球水平衡表（單位：億m3）區(qū)域多年平均蒸發(fā)量多年平均降水量多年平均徑流量海洋50500004580000-470000陸地外流區(qū)域6300001100000470000陸地內(nèi)流區(qū)域9000090000全球5770000570000掌握水循環(huán)和水平衡的規(guī)律，便可以改變水的時(shí)間和空間分布，化“水害”為“水利”。目前，人類活動(dòng)對(duì)水循環(huán)

8、的影響主要表現(xiàn)在調(diào)節(jié)徑流和增加降水等方面上。通過(guò)修建水庫(kù)等攔蓄洪水，可以增加枯水徑流。通過(guò)跨流域調(diào)水等可以平衡地區(qū)水量的分布。通過(guò)植樹(shù)造林等能增加入滲，調(diào)節(jié)徑流，加大蒸發(fā)，在一定程度上可調(diào)節(jié)氣候，增加降水。而人工降雨、人工消雹和人工消霧等活動(dòng)則直接影響水汽的運(yùn)移途徑和降水過(guò)程，通過(guò)改變局部水循環(huán)來(lái)達(dá)到防災(zāi)抗災(zāi)的目的。當(dāng)然，如果忽視了水循環(huán)規(guī)律，不恰當(dāng)?shù)馗淖兯臅r(shí)間和空間分布，如大面積地排干湖泊、過(guò)度引用河水和抽取地下水等，就會(huì)造成湖泊干枯、河道斷流、地下水位下降等，導(dǎo)致水資源枯竭，給生產(chǎn)和生活帶來(lái)不利的后果。因此，了解水循環(huán)的基本規(guī)律，對(duì)合理利用自然界的水資源，是十分重要的。2.2 產(chǎn)匯流原理

9、徑流過(guò)程是水循環(huán)中最關(guān)鍵和最復(fù)雜的物理過(guò)程。我們知道，降落到陸地上的水，一部分蒸發(fā)，返回大氣；一部分經(jīng)植物截留、下滲、填洼及地面滯留后，通過(guò)不同途徑形成地面徑流、壤中流和地下徑流，匯入江河，流入湖海。產(chǎn)匯流理論便是揭示徑流形成和演變的機(jī)制與原理，為水循環(huán)過(guò)程的模擬與研究提供重要的理論依據(jù)。2.2.1 產(chǎn)流理論2.2.1.1 產(chǎn)流機(jī)制產(chǎn)流機(jī)制是指降雨產(chǎn)生徑流的基本物理?xiàng)l件，它取決于下墊面結(jié)構(gòu)及降雨特性。目前研究表明，“超滲”產(chǎn)流和“蓄滿”產(chǎn)流是自然界中基本的兩種產(chǎn)流模式，它們是現(xiàn)行流域產(chǎn)流量計(jì)算方法的基礎(chǔ)。(1) 超滲產(chǎn)流早在1935年Horton在地表徑流現(xiàn)象論文中明確指出，降雨強(qiáng)度（i）超過(guò)

10、地面下滲能力（fp）和包氣帶缺水量（D）得到滿足，即下滲到包氣帶中的水量（I）與其蒸發(fā)量（E）之差超過(guò)其缺水量（D），是產(chǎn)流的基本物理?xiàng)l件。Horton斷言：當(dāng)i fp，IE D時(shí)，無(wú)徑流產(chǎn)生，河流處于原先的退水狀態(tài)；當(dāng)i fp，IE D時(shí)，河流中將出現(xiàn)尖瘦且漲落洪段大致對(duì)稱的洪水過(guò)程線，它是由單一地面徑流所形成；當(dāng)i fp，IE D時(shí)，河流中將出現(xiàn)矮胖且漲落洪段大致對(duì)稱的洪水過(guò)程線，它是由單一地下水徑流所形成；當(dāng)i fp ，IE D時(shí)，河流中將出現(xiàn)漲洪快速、落洪緩慢、具有明顯不對(duì)稱的洪水過(guò)程線，它顯然由地面和地下兩種徑流成分混合所形成。Horton產(chǎn)流理論正確地闡明了均質(zhì)包氣帶情況下超滲地面

11、徑流和地下水徑流產(chǎn)生的物理?xiàng)l件。在某種程度上講，他指出了徑流產(chǎn)生的最基本規(guī)律。(2) 蓄滿產(chǎn)流在自然界中，許多情況下包氣帶的巖土結(jié)構(gòu)并非均質(zhì)，而是具有一定的層次結(jié)構(gòu)。人們從一些流域的退水曲線分析中發(fā)現(xiàn)有多于兩種的徑流成分存在；在一些表層土壤十分疏松、下滲能力很大的地區(qū)，既使降雨強(qiáng)度不夠大，也可以觀測(cè)到地面徑流現(xiàn)象。這些現(xiàn)象為經(jīng)典的Horton產(chǎn)流理論所不能解釋。從20世紀(jì)60年代起Hewlett就開(kāi)始注意到這個(gè)問(wèn)題。直到70年代初，Kirkby等在大量水文實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上提出了一種新的產(chǎn)流理論，稱為山坡水文學(xué)產(chǎn)流理論。山坡水文學(xué)產(chǎn)流理論揭示了蓄滿產(chǎn)流的機(jī)制。在兩種透水性有差別的土層，形成的相對(duì)不

12、透水界面上，可形成臨時(shí)飽和帶，其側(cè)向流動(dòng)即成為壤中徑流；如果該界面上土層的透水性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其下面土層的透水性，則隨著降雨的繼續(xù)，這種臨時(shí)飽和帶容易向上發(fā)展，直至上層土壤全部達(dá)到飽和含水量，這時(shí)如仍有降雨補(bǔ)給，則將出現(xiàn)地面徑流現(xiàn)象。這樣產(chǎn)生的地面徑流有別于超滲地面徑流，故稱為飽和地面徑流。山坡水文學(xué)產(chǎn)流理論使得人們對(duì)自然界復(fù)雜的產(chǎn)流現(xiàn)象有了更深入的認(rèn)識(shí)，是對(duì)Horton產(chǎn)流理論的重要補(bǔ)充。（3）界面產(chǎn)流剖析超滲地面徑流、地下水徑流、壤中水徑流和飽和地面徑流等4種基本徑流成分的產(chǎn)生機(jī)制，可以發(fā)現(xiàn)任何一種徑流成分都是在兩種不同透水性介質(zhì)的界面上形成的。這就是所謂界面產(chǎn)流規(guī)律。此時(shí)，如果將界面作為下滲面

13、，則任何徑流量都是這樣界面的“超滲量”；但如果著眼于界面以上土層的水量平衡，則又可以得知任何徑流量都是該水量平衡方程式中的“余額”?，F(xiàn)有產(chǎn)流機(jī)制的主要不足是，忽略了地形坡度和土層各向異性對(duì)產(chǎn)流的影響，對(duì)非飽和側(cè)向流在壤中流和地下水流形成中的作用也注意不夠。關(guān)于地形坡度對(duì)產(chǎn)流的影響，1981年，Zaslausky曾引用過(guò)這樣一個(gè)例子：若用下滲能力作為指標(biāo)來(lái)決定茅草是否可作為蓋屋頂?shù)牟牧?，則必定會(huì)作出由于其下滲能力太大而不宜作蓋屋頂材料的結(jié)論。但事實(shí)上，人們并未發(fā)現(xiàn)雨水透過(guò)茅屋頂漏入室內(nèi)。究其原因，是由于茅屋頂不僅具有陡峻的坡度，而且具有各向異性，即垂直于茅屋頂方向的滲透性遠(yuǎn)小于平行于茅屋頂方向的

14、滲透性?？梢哉J(rèn)為，對(duì)地形坡度、土層各向異性及非飽和側(cè)向流的作用進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)和分析，將會(huì)有力地推動(dòng)對(duì)產(chǎn)流機(jī)制的進(jìn)一步研究。2.2.1.2 流域產(chǎn)流分析降落在流域上的雨水，經(jīng)產(chǎn)流機(jī)制的作用，有一部分將通過(guò)流域出口斷面流出，這便是流域產(chǎn)流量。在降雨過(guò)程中，流域上產(chǎn)生徑流的區(qū)域稱為產(chǎn)流區(qū)，其面積稱為產(chǎn)流面積。流域產(chǎn)流面積的大小及位置在降雨過(guò)程中是變化的，這是流域產(chǎn)流的一個(gè)重要特點(diǎn)，對(duì)其變化規(guī)律的揭示和定量描述，是流域產(chǎn)流量定量計(jì)算的關(guān)鍵。據(jù)觀察，流域產(chǎn)流面積的變化過(guò)程一般可描述如下（圖2）：降雨開(kāi)始前，河流中的水量主要來(lái)自流域中包氣帶相對(duì)較厚的中、下游地區(qū)的地下水補(bǔ)給，在流域上游地區(qū)，由于土層淺薄，

15、一般是沒(méi)有地下水補(bǔ)給枯季徑流的。降雨開(kāi)始后，流域中易產(chǎn)流的地區(qū)先產(chǎn)流，這時(shí)河溝開(kāi)始向上游延伸，河網(wǎng)密度開(kāi)始增加。隨著降雨的繼續(xù)，河網(wǎng)密度不斷增加，產(chǎn)流面積不斷擴(kuò)大，組成了流域出口斷面漲洪段不同時(shí)刻的流量。降雨停止后，流域中河網(wǎng)密度逐步減小，河中流量處于消退階段。圖2.2.1 流域產(chǎn)流面積變化（）降雨開(kāi)始前；（）降雨初期；（）、（）繼續(xù)降雨流域產(chǎn)流面積的變化顯然取決于降雨特性和下墊面特性空間分布的不均勻性及其配合關(guān)系。這里涉及的降雨特性主要是降雨量和降雨強(qiáng)度，涉及的下墊面特性主要是包氣帶厚度、土質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)和初始土壤含水量等?？梢?jiàn)，產(chǎn)流面積的變化是十分復(fù)雜的。但如果降雨特性的空間分布均勻，則易知

16、產(chǎn)流面積的變化僅與下墊面特性空間分布的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)有關(guān)。此時(shí)，人們?cè)鴮?duì)蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流兩種基本產(chǎn)流模式的產(chǎn)流面積變化的基本特點(diǎn)和描述方法進(jìn)行了討論。為分析蓄滿產(chǎn)流的產(chǎn)流面積變化問(wèn)題，可引進(jìn)流域蓄水容量分配曲線，該曲線是一條單增曲線，對(duì)一個(gè)流域它是唯一的。根據(jù)蓄滿產(chǎn)流條件，就可以在流域蓄水容量分配曲線上求得其產(chǎn)流面積變化過(guò)程。降雨特性空間分布均勻情況下蓄滿產(chǎn)流的產(chǎn)流面積變化與降雨強(qiáng)度無(wú)關(guān)，僅隨著降雨量的增加而增加。為分析超滲產(chǎn)流的產(chǎn)流面積變化問(wèn)題，可引進(jìn)流域下滲容量分配曲線，該曲線對(duì)一個(gè)流域不是唯一的，而是以流域蓄水容量為參變量的一組曲線。根據(jù)超滲產(chǎn)流條件，就可以在流域下滲容量分配曲線上求得其產(chǎn)流

17、面積變化過(guò)程。降雨特性空間分布均勻情況下超滲產(chǎn)流的產(chǎn)流面積變化不僅與降雨強(qiáng)度有關(guān)，而且還與降雨過(guò)程中流域蓄水容量變化有關(guān)。有關(guān)流域產(chǎn)流的詳細(xì)分析，可查閱有關(guān)文獻(xiàn)。由于產(chǎn)流問(wèn)題的復(fù)雜性以及許多過(guò)程還未被揭示或認(rèn)識(shí)，使得產(chǎn)流機(jī)制研究仍要付出巨大努力。2.2.2 匯流理論2.2.2.1 匯流過(guò)程降落在流域上的雨水，從流域各處向流域出口斷面匯集的過(guò)程稱為流域匯流。流域匯流包含坡面流、壤中流、地下水流以及河道匯流等多種水流的匯集，可為坡面匯流和河網(wǎng)匯流兩個(gè)階段。在坡面匯流階段，雨水經(jīng)過(guò)產(chǎn)流階段扣除損失后形成凈雨，凈雨在坡面匯流過(guò)程中，有的沿坡面注入河網(wǎng)成為地面徑流；有的下滲形成表層流（壤中流）和地下徑流

18、再流入河網(wǎng)。地面徑流流速較大且流程短，因而匯流時(shí)間較短；地下徑流要通過(guò)土層中各種孔隙再匯入河網(wǎng)，流速小，匯流時(shí)間較長(zhǎng)；表層流介于二者之間。地面徑流在坡面流動(dòng)過(guò)程中，有一部分會(huì)滲入土層中成為表層流；而表層流在流動(dòng)中，部分水流又會(huì)回歸地面成為地面徑流。各種水源的徑流進(jìn)入河網(wǎng)后，即開(kāi)始河網(wǎng)匯流階段。在該階段，各種水源的水流匯集在一起，從低一級(jí)河流匯入高一級(jí)河流，從上游到下游，最后匯集到流域出口斷面。因此，該階段不同水源的徑流在匯流時(shí)間上就存在著差異。河網(wǎng)中水流的匯流速度比坡面大得多，但因匯流路徑長(zhǎng)，匯流時(shí)間也較長(zhǎng)。上述兩個(gè)匯流階段，在實(shí)際降雨過(guò)程中并無(wú)截然的分界，而是交錯(cuò)進(jìn)行的。2.2.2.2 匯流

19、的概化由于流域匯流的復(fù)雜性，目前還不能用純粹水力學(xué)的方法求解水流的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，需要對(duì)匯流過(guò)程進(jìn)行概化。實(shí)際上，人們也不需要掌握水流在流域空間上和時(shí)間上變化的全部發(fā)展過(guò)程，只需了解由降水所形成的流域出口斷面的流量過(guò)程。一般對(duì)流域的概化主要有兩種途徑，一是單位線，二是等流時(shí)線。單位線途徑是將流域設(shè)想成一種自然積分器，凈雨進(jìn)入其中，形成一條光滑的出流過(guò)程，單位凈雨得到單位線。當(dāng)假定積分器是線性時(shí)，則可以利用迭加原理，通過(guò)單位線將凈雨過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榱髁窟^(guò)程。等流時(shí)線則把流域設(shè)想成按照相同匯流時(shí)間勾繪出的若干等流時(shí)面積，每塊面積上的凈雨，按各自的匯流時(shí)間平移到流域出口；同時(shí)利用迭加原理，將各等流時(shí)塊的凈雨轉(zhuǎn)變

20、成流量過(guò)程線。兩種途徑的共同點(diǎn)都是采用卷積，不同點(diǎn)在于單位線按凈雨時(shí)序?qū)崿F(xiàn)卷積，等流時(shí)線則按照匯流時(shí)間實(shí)現(xiàn)卷積。20世紀(jì)50年代，水文學(xué)家J.E.Nash等將系統(tǒng)概念引入流域匯流，將流域概化成一種水文動(dòng)力系統(tǒng)，用線性水庫(kù)（代表坦化）與線性渠道（代表平移）作為流域系統(tǒng)的概念性組成元件。然后設(shè)想凈雨進(jìn)入流域后經(jīng)過(guò)不同組合的水庫(kù)和渠道，最后在流域出口形成出流過(guò)程。60年代以后，非線性匯流逐漸為水文學(xué)者所關(guān)注。80年代中期又開(kāi)始了地貌瞬時(shí)單位線的研究。不同的概化，得出不同的匯流計(jì)算模型。非線性單位線與變動(dòng)等流時(shí)線仍然是概化的主流。自然界產(chǎn)匯流機(jī)制十分復(fù)雜，人類活動(dòng)的影響又增加了其復(fù)雜性。在 2 1世紀(jì)

21、，進(jìn)一步揭示不同氣候和下墊面條件下的產(chǎn)匯流規(guī)律，尤其是探討人類活動(dòng)對(duì)產(chǎn)匯流的影響，仍然是十分重要的研究課題。發(fā)揮多學(xué)科交叉與相互滲透的作用，采用新的科學(xué)理論和技術(shù)，仍然是探求新的產(chǎn)匯流理論和計(jì)算方法的重要手段。在流域產(chǎn)流理論和計(jì)算方法方面，重點(diǎn)要研究下墊面結(jié)構(gòu)各向異性、地形坡度等在產(chǎn)流中的作用，人類不同的土地利用方式對(duì)產(chǎn)流的影響， 以及能分別計(jì)算出各種徑流成分的流域產(chǎn)流量計(jì)算方法。在流域匯流理論和計(jì)算方法方面，重點(diǎn)要研究水系發(fā)展與流域匯流的關(guān)系，流域地形地貌與流域匯流的關(guān)系，以及在流域匯流計(jì)算中尺度對(duì)這些關(guān)系的影響。2.3 水循環(huán)研究進(jìn)展水循環(huán)深刻地影響著全球水資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演

22、變，影響自然界中一系列的物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程和生物過(guò)程，影響人類社會(huì)的發(fā)展和生產(chǎn)活動(dòng)。自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境的變化反過(guò)來(lái)又影響水循環(huán)。水循環(huán)研究旨在提出精確評(píng)估水循環(huán)、水資源、水環(huán)境對(duì)全球變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)模式，為國(guó)家的水資源管理、環(huán)境戰(zhàn)略和區(qū)域開(kāi)發(fā)提供理論決策依據(jù)。2.3.1 水循環(huán)國(guó)際研究計(jì)劃近些年來(lái)，涉及水循環(huán)的一系列全球性研究計(jì)劃相繼提出，如世界氣候計(jì)劃、環(huán)球大氣計(jì)劃、國(guó)際地球物理年、國(guó)際水文計(jì)劃、國(guó)際生態(tài)計(jì)劃、國(guó)際巖石圈計(jì)劃、人與生物圈計(jì)劃、全球環(huán)境變化的人文科學(xué)研究計(jì)劃（HDP）、國(guó)際地圈與生物圈計(jì)劃、國(guó)際減災(zāi)十年等。各種計(jì)劃的交叉與聯(lián)系，更加豐富了“人與水”關(guān)系的研究?jī)?nèi)容，將促進(jìn)人們

23、對(duì)人地關(guān)系、人水關(guān)系的理解。下面僅介紹與水循環(huán)研究關(guān)系密切的兩個(gè)大型國(guó)際計(jì)劃。2.3.1.1 IGBP的“水文循環(huán)的生物圈方面”核心計(jì)劃（BAHC）全球變化是當(dāng)今地球科學(xué)研究的熱點(diǎn)和難題，而水文循環(huán)在地圈生物圈大氣圈的相互作用中占有顯著地位。1994年后，國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）開(kāi)始了它的核心項(xiàng)目水文循環(huán)的生物圈方面 ，即Biospheric Aspects of the Hydrological Cycle（BAHC）工作，這是一項(xiàng)專門側(cè)重水文學(xué)與地圈生物圈和全球變化的交互作用研究。不僅有重大的科學(xué)意義，而且對(duì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，資源可持續(xù)利用和環(huán)境保護(hù)方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。BAHC探索的

24、主要問(wèn)題是：植被如何作用于水文循環(huán)的物理過(guò)程? 具體而言它研究水文循環(huán)的生物控制和它們?cè)跉夂?、水文和環(huán)境的重要性；改進(jìn)人們對(duì)水、碳和能量在土壤植被大氣界面交換的認(rèn)識(shí)；評(píng)價(jià)那些由于氣候和其他變化而導(dǎo)致的陸面性質(zhì)的改變，這些變化又影響不同尺度生物圈、大氣圈、水圈和地圈交互作用；估計(jì)植物群落與淡水生態(tài)系統(tǒng)在陸面和大氣之間碳、水、能量和其它物質(zhì)中的作用；改進(jìn)模擬不同尺度（從微觀到150km）各種尺度過(guò)程的能力；研制易理解和簡(jiǎn)化的生態(tài)水文模型；提供改進(jìn)的參數(shù)估計(jì)技術(shù)，它能在世界范圍應(yīng)用和利用生態(tài)系統(tǒng)土壤和遙感的各種數(shù)據(jù)庫(kù)信息；模擬氣候變化及影響等。進(jìn)入21世紀(jì)，水資源短缺已成為影響國(guó)家食物安全、社會(huì)穩(wěn)定

25、的重要因素。全球碳循環(huán)、水循環(huán)、食物纖維成為國(guó)際IGBP即將啟動(dòng)的三個(gè)關(guān)鍵聯(lián)合項(xiàng)目。水成為聯(lián)系上（全球變化）下（生物圈）的核心紐帶，而這恰是BAHC 的主要研究任務(wù)。根據(jù)21世紀(jì)IGBP發(fā)展方向，BAHC也相應(yīng)地進(jìn)行了調(diào)整，主要有以下10個(gè)具體任務(wù)：小尺度水、熱、CO2通量研究；地下水過(guò)程作用的評(píng)價(jià)；地-氣相互作用的參數(shù)化；區(qū)域尺度上的土地利用與氣候的相互作用；全球尺度植被與氣候的相互作用；氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)流域系統(tǒng)穩(wěn)定與傳輸?shù)挠绊?；山區(qū)水文與生態(tài)；開(kāi)發(fā)全球數(shù)據(jù)集；設(shè)計(jì)、優(yōu)選和實(shí)施綜合的陸地系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；發(fā)展與風(fēng)險(xiǎn)/脆弱性的情景分析。2.3.1.2 WCRP的“全球能量與水循環(huán)實(shí)驗(yàn)”計(jì)劃（GEW

26、EX）1990年以后，世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）開(kāi)展“全球能量與水循環(huán)實(shí)驗(yàn)”計(jì)劃（GEWEX）。這是與BAHC計(jì)劃相對(duì)應(yīng)的國(guó)際研究計(jì)劃，WCRP與IGBP都是在90年代興起具有前沿性水文循環(huán)研究。 與BAHC不同，GEWEX是大尺度的，從全球氣候的角度出發(fā)研究水文循環(huán)。BAHC更多地從生態(tài)學(xué)的角度研究水文循環(huán)。兩個(gè)計(jì)劃并不相悖，可以形成互補(bǔ)。目前的GEWEX研究經(jīng)歷了從19911993年的準(zhǔn)備階段，于1994年開(kāi)始實(shí)施研究活動(dòng)，其主要內(nèi)容是GEWEX的大尺度水文研究，總的項(xiàng)目名稱為：“GCIP”即GEWEX大陸尺度國(guó)際研究。GEWEX研究計(jì)劃中的陸地水循環(huán)觀測(cè)是核心問(wèn)題。主要致力于以下活動(dòng)：

27、改進(jìn)物理過(guò)程的參數(shù)化方案，進(jìn)行陸面過(guò)程、云、邊界層的研究。水循環(huán)研究的基本內(nèi)容是陸地水資源的收支問(wèn)題，研究動(dòng)向包括兩個(gè)方面：一是研究和定量描述各種物理、化學(xué)和生物成分與過(guò)程在廣泛的時(shí)間和空間尺度上的相互作用。二是研究人類對(duì)陸地水循環(huán)的影響作用。分為：對(duì)水循環(huán)系統(tǒng)的改變，包括水系的改變和干擾，如，大壩的建造、重大水利工程和土地利用。人類活動(dòng)對(duì)土地覆蓋的改變，并由此所引起的氣候變化和下墊面因素的改變。土地利用及其管理通過(guò)增強(qiáng)或減弱滲透而對(duì)水循環(huán)產(chǎn)生顯著的影響。洪流產(chǎn)生的強(qiáng)弱，又影響到沉積物和營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)入河道。2.3.2 水循環(huán)國(guó)際研究進(jìn)展近年來(lái)，通過(guò)一系列國(guó)際研究計(jì)劃的實(shí)施，如IGBP的“水文循環(huán)

28、的生物圈方面”核心計(jì)劃（BAHC），WCRP的“全球能量與水循環(huán)實(shí)驗(yàn)”計(jì)劃（GEWEX）等，使水循環(huán)研究取得了很大進(jìn)展。2.3.2.1 中小尺度水循環(huán)研究研究范圍一般小于200平方公里，主要研究水、熱通量從大氣進(jìn)入不同植物、積雪場(chǎng)、土壤和水體后的遷移機(jī)理；研究不同植物、積雪場(chǎng)、土壤和水體的蒸發(fā)、蒸騰機(jī)理。在全球范圍內(nèi)了解各種土壤、植被和積雪冰川對(duì)水的傳輸機(jī)理。發(fā)展從植被的小塊到大氣環(huán)流模式網(wǎng)格單元時(shí)空尺度上的土壤植被大氣系統(tǒng)中能量和水的通用模式（SVAT）。目前，具有代表性的研究成果是農(nóng)業(yè)水循環(huán)模擬模型（ACRU, Agricultural Catchments Research Unit,

29、Schulze, R.E. 1995），它是一個(gè)多用途的具有物理概念的確定性模型。ACRU計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為天，空間上把土壤分為多層，進(jìn)行水量平衡計(jì)算。模型模擬的單個(gè)內(nèi)部狀態(tài)變量（如土壤濕度）及最終結(jié)果輸出（如徑流量或沉積物產(chǎn)量）已經(jīng)在非洲、歐洲和美洲的不同土地利用狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所和流域條件中得到廣泛證實(shí)（Schulze,R.E. 1995）。在南非具有混合土地利用性質(zhì)的Lions河流域（面積為362km2），用ACRU模型模擬的19791993年的水流量與觀測(cè)值相比，不僅看上去時(shí)間趨勢(shì)明顯吻合，而且在十年中最濕潤(rùn)的年份和最干旱的年份積累徑流量和每月徑流量也模擬得很好（Schulze,R.E. 1

30、997）。2.3.2.2 中尺度水循環(huán)研究研究范圍為2002000平方公里，主要利用遙感技術(shù)研究植被水的可利用性蒸散發(fā)氣候之間的關(guān)系，觀測(cè)氣象和氣候的變化，比較研究區(qū)域氣候差異。利用大氣環(huán)流模式研究水循環(huán)對(duì)下墊面變化的響應(yīng)，修正大氣環(huán)流模式，預(yù)測(cè)區(qū)域環(huán)境變化、區(qū)域開(kāi)發(fā)對(duì)水循環(huán)的影響。目前觀測(cè)研究表明，在2002000公里尺度上地表的非均一性，能形成強(qiáng)烈的大氣對(duì)流。Vidale等（1997）、Eastman等（1998）和Smith等（1992）通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)了這一點(diǎn)。氣候模型的模擬也表明，在2002000公里區(qū)域尺度上，地表擾動(dòng)對(duì)溫度、降水和其他氣候要素有重要的作用。Bonan等（1992）

31、、Polcher & Laval（1994）、Lean & Rowntree（1997）、Henderson-Sellers等（1993）模擬研究了森林砍伐的影響，Xue（1997）、Nicholson（1998）模擬研究了沙漠化的影響，Chase等（1996,1999）、Zhao等（1999）模擬了土地利用變化的影響。東南亞是全球尺度的敏感地區(qū)，這里地表覆蓋的變化對(duì)全球尺度的影響比南美地區(qū)要大。區(qū)域尺度上植被葉面的季節(jié)性變化對(duì)全球尺度的溫度和降水特別是高緯度地區(qū)影響很大。Chase等（1996，1997）的研究認(rèn)為其他地區(qū)大尺度的土地利用變化（例如砍伐森林）對(duì)全球變化沒(méi)有明顯的影響，高緯度地

32、區(qū)的溫度與赤道的降水存在遙相關(guān)，這個(gè)結(jié)果令人驚訝。Zhao等（1999）使用不同的土地利用格局和不同的氣候模型重復(fù)了這組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果支持了上述結(jié)論。Beljaars等（1996）使用ECMWF預(yù)報(bào)模式研究了地表的敏感性。地面蒸發(fā)的改變，將引起降水的改變。Xue等（1999）的研究發(fā)現(xiàn)，陸地表面參數(shù)的變化對(duì)亞洲季風(fēng)的形成、演化和強(qiáng)度有重要影響。Eastman等（1999）、Lu等（1999）研究了大氣圈和陸面過(guò)程之間（年以上）長(zhǎng)時(shí)間尺度的反饋。在這個(gè)尺度上，美國(guó)中心草原的暴雨明顯受植被變化的影響，反過(guò)來(lái)，降水又影響了植被的生長(zhǎng)。模擬表明，如果這一地區(qū)CO2加倍，氣候?qū)⒂酗@著改變。Pielke等（1

33、998）研究了美國(guó)南Florida七、八月份降水和溫度的變化明顯受土地利用變化的影響。19001973年南Florida土地利用發(fā)生了明顯的變化。模擬研究表明，在這種變化格局下，溫度和降水確實(shí)受到影響，極端最高溫度上升。實(shí)際上，這一地區(qū)的土地利用變化不是溫度和降水變化的唯一動(dòng)力，但是它是最主要的動(dòng)力，并且在這個(gè)尺度上足以驅(qū)動(dòng)天氣變化。因此，可以下結(jié)論說(shuō)，區(qū)域尺度的擾動(dòng)能導(dǎo)致大陸尺度氣候的變化，敏感地區(qū)區(qū)域尺度的土地利用變化，能導(dǎo)致地緣上不相鄰的大氣圈遙相關(guān)地區(qū)的氣候變化。2.3.2.3 大尺度水循環(huán)研究主要關(guān)注大氣圈水圈生物圈冰雪圈巖石圈社會(huì)圈的水循環(huán)的綜合影響問(wèn)題。重點(diǎn)是陸面與氣候相互作用、

34、水文學(xué)過(guò)程與生物圈過(guò)程的氣候強(qiáng)迫、陸面反饋機(jī)理的研究以及水文尺度問(wèn)題。大尺度水循環(huán)研究利用GCMs、遙感技術(shù)、世界氣象觀測(cè)網(wǎng)來(lái)研究水循環(huán)狀況，預(yù)測(cè)水循環(huán)變化。模擬全球水文循環(huán)及其對(duì)大氣、海洋和陸面的影響。利用可觀測(cè)到的大氣與陸面特征的全球觀測(cè)值確定水循環(huán)和能量循環(huán)。為了扭轉(zhuǎn)由于流域絕對(duì)大小而導(dǎo)致細(xì)節(jié)泛濫的趨勢(shì)，應(yīng)采取從宏觀出發(fā)，根據(jù)需要向微觀方向發(fā)展的方法。這種方法與傳統(tǒng)的由微觀向宏觀的途徑相反，使問(wèn)題大大簡(jiǎn)化。把大流域分成亞流域，把復(fù)雜的亞流域再細(xì)分成次一級(jí)的亞流域。亞流域描述可以通過(guò)把以絕對(duì)統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的物理過(guò)程簡(jiǎn)單概念化后建立起來(lái)，不必力求模仿大自然的詳細(xì)公式準(zhǔn)確地再現(xiàn)自然過(guò)程，只需要把亞

35、流域范圍的自然過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述。因此，如果統(tǒng)計(jì)描述合理，概念模型就可以比物理模型應(yīng)用于更廣闊的尺度范圍。大尺度水循環(huán)研究進(jìn)展：Otterman等（1984）、Harvey等（1988,1989）研究了在植被和大氣反饋下地球軌道驅(qū)動(dòng)力對(duì)氣候的作用。Foley等（1994）研究表明，氣候?qū)ν恋馗采w變化的響應(yīng)，與雪蓋-森林植被的反照率的反饋有關(guān)。生物地理的反饋有助于全新世中期高溫氣候的形成，但相反的例子是115kaBP前Eemian暖期的結(jié)束。Harvey（1989）、Berger等（1992,1993）、deNoblet等（1996）的研究表明，植被-雪-反照率反饋機(jī)制對(duì)北半球變冷作用明顯。Jol

36、ly等（1998）、Hoelzmann等（1998）研究表明，全新世中期北非比現(xiàn)在更綠。Texier等（1997）、Kutzbach等（1996）、Brostrom等（1998）發(fā)現(xiàn)了北非地區(qū)植被與降水之間存在弱的正反饋。Claussen & Gayler（1997）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)的正反饋使西Sahara和部分東Sahara地區(qū)幾乎全部變綠。Claussen & Gayler（1997） 和 Claussen等（1998）解釋說(shuō)這個(gè)正反饋是由于Sahara沙漠的高反照率與大氣環(huán)流的相互作用。他們?cè)谥T如水汽輻合、對(duì)流降水等大氣水文學(xué)方面擴(kuò)充了Charney理論。Clussen等（1999）使用大氣海洋植被耦合模型（Canopolski等1998）研究了北非的沙漠化問(wèn)題。模擬表明，地球軌道驅(qū)動(dòng)力觸發(fā)了Sahara氣候的快速變化。Claussen等（1999）的研究表明，非洲濕期的結(jié)束不僅是由于這個(gè)地區(qū)的大