水文学及水资源--前沿研究(转载) 一 水文学及水资源 1 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分析等；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； 水资源合理配置与规划的理论、 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。

3 本学科发展新动向和值得关注点 3.1 本学科发展新动向和值得关注点 3.1.1 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 了许多研究计划，如国际水文计划（IHP） 、世界气候研究计划（WCRP） 、国际盟（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） 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， HSPF、 如 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