1、从土壤水动力学到流域生态水文学 From soil hydrodynamics to eco-hydrology,楊大文 清华大学水利系 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 ,本讲内容,1、前言 2、土壤水动力学的发展 3、流域生态水文学的发展 4、水文学研究方法 5、小结,1. 前 言,黄河源，2005.8,我们的母亲河黄河,黄河源，2005.8,黄河第一弯,黄河龙羊峡水库，2005.8,西宁市，2005.8,西宁市，2005.8,郑州黄河大桥，1990s,人类文明的发展史，是与自然界斗争的历史。防治洪水、开发灌溉、航运、水力发电、城市供水等，人类社会得到了巨大发展。在科技高度发展的现代文
2、明时代，人类却面临着前所未有的水资源危机。华夏文明的发祥地黄河几乎变成了一条干涸的内陆河。,供水安全：我国人均水资源量不足世界平均水平的1/3，北方地区水资源短缺尤其严重。 粮食安全：农业用水量约占我国总用水量的65%，水资源安全直接影响到粮食安全。 生态安全：人类对水资源的过度开发威胁自然生态安全。 气候变化：加剧了水资源的短缺，危及供水安全、粮食安全和生态安全。,生态水文问题与国家需求,全 球,全球气候变暖,生态水文学在水文科学发展中的地位,流域生态与水文过程之间存在着复杂的相互作用，气候是二者的主要驱动力之一； 气候变化下的流域生态水文响应研究，必将促进流域水文学、植被生态学及其他相关学
3、科的交叉与融合，从而推动水文学研究的不断深入。,水循环是一切水问题的科学基础，生态与水文过程相互作用是流域水循环的关键环节,流域水循环决定水资源，影响生态系统； 粮食生产和植被生态维持是水的主要社会与生态服务功能，也是“绿水”的主要消耗方式； 人类活动（如灌溉和水土保持等）直接影响生态、水文及水资源。,气候变化的流域生态水文响应研究是水文学前沿和热点,2. 土壤水动力学的发展,2.1 概述 2.2 土壤水势与土壤水分运动 2.3 SPAC 水热传输 2.4 土壤中溶质的迁移与转化 2.5 土壤水问题应用研究,2.1 概 述,Darcys Law, 1856,Richards equation
4、1931,2.2.1 土 壤 水的数量、形态和能量,土壤水的形态吸湿水薄膜水毛管水重力水,土壤水的数量土壤含水量（率）重量、体积,2.2 土壤水势与土壤水分运动,土壤水分特征曲线 土壤水能量与数量的关系,达西定律：,2.2.2 非饱和土壤水流动基本方程,连续方程：,2.3.1 土壤中水热耦合迁移,常温条件下土壤水热迁移常温土壤非冻结 简化忽略水汽 、一维,土壤中的多相（水）流液态水 气态水水汽 水的相变潜热温度相变水汽的扩散与迁移,2.3 SPAC 水热传输,2.3.1 土壤中水热耦合迁移,冻结条件下土壤水热耦合迁移,水热耦合方程,土壤中水和冰混合，并伴随有相变。,2.3.2 SPAC水热传输
5、,SPAC系统概念SPACSoil Plant Atmosphere Continuum, 1965, Philip,连续体驱动力水势q = - 1 R1= - 2 R2= - 3 R3= - 4 R4阻抗容抗,2.3.2 SPAC水热传输,SPAC水热传输模拟,大叶模型 三个介质土壤植物（叶）大气 两个介面土壤植物植物大气,2.3.2 SPAC水热传输,SPAC水热传输模拟模型,能量平衡,水热扩散,土壤 水热迁移,2.4.1 土壤溶质迁移转化基本方程,土壤溶质迁移转化的研究背景 环境问题 面源污染 （化肥、农药等）土壤盐碱化,2.4 土壤中溶质的迁移与转化,2.4.2 土壤溶质迁移转化行为,
6、区域水循环与CO2、N和P等物质循环的耦合,氮（磷）循环与非点源污染密切相关，逐渐成为主要污染源 碳循环与作物生长密切相关，对温室气体减排有重要意义,2.5.1 水文水资源 四水转化概念,四水转化概念,转化的观点，机理的认识,2.5 土壤水问题应用研究,2.5.1 水文水资源 地下水资源评价,地下水均 衡,P降雨 I渠灌 G井灌地下水均衡 H = P + I (1-) G cE0 Q降雨入渗补给系数 = Pg / P灌溉入渗补给系数 = Ig / I井灌入渗补给系数 = Gg / G潜水蒸发系数 c = Eg/E0 给水度 ,地下水均 衡参数 机理上是土壤水的饱和非饱和流,2.5.2 粮食与作
7、物作物耗水与产量,作物水分生产函数,Jensen模型,作物生产量与其生长期内的蒸腾量成正比。,冬小麦生长模拟模型,生育阶段,干物质生产,干物质分配,2.5.2 粮食与作物作物耗水与产量,2.5.3 生态环境自然生态耗水、水土环境污染,水土环境污染,面源污染与地下水脆弱性评价 降雨径流，污染物迁移转化,生态植被耗水自然、人为土壤水环境自然生态植被,2.6 土壤水动力学在流域水文模型中的应用,流域水循环过程,降水 (precipitation),截留、蒸发 (interception, evaporation),入渗、地表径流、蒸发 (infiltration, surface flow, eva
8、poration),蒸散、下渗、壤中流 (transpiration, soil moisture movement),地下径流 (groundwater movement),流域水文循环系统概念与水文模型的演变,分布式模型,代表性单元模型 （REW）,水文模型取得突破的可能性,3. 生态水文学的研究进展,3.1 “绿水”与“蓝水”,水循环决定了一个流域的水资源状况（“绿水”与“蓝水”的分配），同时也决定了其陆地和水生态的结构和功能； 灌溉是改变流域“绿水”和“蓝水”分配的主要因素，水土保持工程建设也将改变流域水循环及水资源； 城市生活和工业用水主要通过改变“蓝水”（地表和地下水）的水质来影响
9、生态与环境。,水的社会和生态服务功能,人们往往被忽视了水对维持陆地生态系统的作用； 水土保持与地下水开采都将改变水循环，从而改变陆地生态系统（植被的种类和分布）； 将流域陆地和水生态与水循环结合，流域生态水文学将成为未来流域水资源管理的理论基础之一。,3.2 流域生态系统,Precipitation is the only one water source shared by society and ecosystem.,Different Scale of Water-Plant Interactions,Basic water-plant interaction,Plants can be
10、 seen as highly sophisticated and strong suction pumps, where the roots do all they can to even out the large pressure difference between the wet root (low pressure or tension) and the dry leaf (high pressure or tension) following the thermodynamic law on conservation of energy. The result is a wate
11、r flow driven by differences in water potential or pressure between the soil and evaporating surfaces in leaves. The dryness at the leaf-air interface, which determines the pressure gradient between root and leaf, is regulated by the dryness of the air close to the leaf surface. This dryness is, in
12、turn, determined by the potential evaporation of the air. Plant species have evolved in adaptation to their environment.,Savanna and steppes namely arid, semi-arid and dry-humid ecosystems are at the drier end of the hydroclimatic gradient. They are generally defined as steppes in cold temperate cli
13、mates and savannas in hot tropical climates. Forest and woodlands are another dominant type of terrestrial ecosystem. The low vegetation cover makes the soil-vegetation-atmosphere transfers complex, and land surface degradation has atmospheric feedbacks. Trees are important for the routing of incomi
14、ng rainfall. They determine whether rain infiltrates or forms rapid runoff.,Plants and water in terrestrial ecosystems,Steppe biome is a dry and cold grassland.,savanna is a rolling grassland scattered with shrubs and isolated trees, which can be found between a tropical rainforest and desert biome.
15、,The basic characteristic used in ecology to define wetlands is that the land is wet enough to support typical wetland vegetation, which differs clearly from the vegetation of well-drained land. Vegetation defines a wetland, not its hydrology. Wetlands are storehouses for biodiversity. Wetlands are
16、seen as respected water users in catchment management. Securing a threshold ecological flow is therefore sometimes recommended to sustain a minimum habitat and keep target species alive. Wetlands are water-consuming components of the landscape and do not produce water.,Plants and water in wetlands,I
17、n streams, water movement is considered to be the most important factor affecting plant distribution. A lake ecosystem is closely linked to the water and chemical inflows from the catchment. Habitat characteristics of lakes differ according to the relative roles of horizontal and vertical water exch
18、ange.,Water/plant/biota（生物群落） in aquatic ecosystems,3.3 流域生态水文学的起源,最初，水文学家将河道中的植物仅当作特殊粗糙度系数来考虑；1980年代开始，愈来愈多水文学家开始关注流速如何影响河道内植物生长、鱼类以及滨岸生境等。 由此诞生了水文生态学（hydro-ecology），实质上是生态水力学。期间有许多模拟河流生境的模型，如Physical Habitat Simulation model or PHABSIM (1982)。 其工程应用背景是河流生态修复（ river restoration ）。,Reference: River
19、channel restoration : guiding principles for sustainable projectsby Andrew Brookes & F. Douglas Shields, Jr. ChichesterNew York : John Wiley, 1996,河流生态修复,River Channel Restoration,Hydraulic & Hydrologic Conditions,Sediment; River Morphology,River Ecosystem,Context of river ecological requirements,Te
20、rminology,水文学家在研究土壤植物大气相互作用时，考虑了作物在光合作用下的水分传输以及对大气的反馈作用，如Big Leaf Model, Simple Biosphere Model (SiB)等。,3.4 森林水文学、植被在陆面过程的作用等都与植物的生态过程有关,森林中植被与动物的名录仅仅是生态学的第一步，生态学主要研究内容是动植物群落的演替过程和规律。 生态学发源于自然历史，直到20世纪中叶，生态学通过演替过程着重于描述群落和群落的演化。Clements认为生态演替的含义在于群落向最后稳定状态的有序变化，所谓最后稳定状态，即演替顶级（climax）。 研究发现，生态系统的演替似乎是
21、水文过程和生态过程紧密联系的产物。,3.5 生态演替与水文过程密切相关,按照湿地公约定义，沼泽、泥炭地、湿草甸、湖泊、河流、滞蓄洪区、河口三角洲、滩涂、水库、池塘、水稻田以及低潮时水深浅于6米的海域地带等均属于湿地范畴。湿地被誉为“地球之肾”，具有巨大的调蓄洪水、调节气候、控制污染、减少土壤侵蚀、美化环境、维护生物多样性、生物生产力等生态、环境和生产功能。 湿地水文过程控制湿地生态的形成和演化，湿地水文情势制约着湿地环境的生物、物理和化学特征，从而影响到湿地类型分异、湿地结构和功能。 湿地水文过程研究成为认识湿地生态系统的结构、过程和功能的主要内容。,3.6 湿地水文过程对湿地生态至关重要,3
22、.7 什么是生态水文学？,Hatton 等广义的生态水文学定义是，研究有关生态圈与水文圈之间的相互关系以及由此产生的相关问题的一门新兴学科。 生态水文学的重点在于水文学，研究水文过程与生态之间的相互作用，如水循环与植被之间的相互作用。 水文与生态机理是构成气候土壤植被之间动态作用的基础，同时也控制着最基本的生态型态和生态过程。这是水文学和生态学的核心问题，是充满挑战性的前沿和未知领域，包含与生物多样性和生态系统机能息息相关的各种问题。生态水文学研究对理解人类以及子孙后代的生存环境至关重要。,Eagleson教授的生态水文学理论,近二三十年来文献表明，确定性、复杂动力学方法是现代水文学的主流；但
23、其愈来愈受到这样的置疑，即没有足够的观测资料给模型提供参数或验证模型，以及在时间和空间上进行数值积分的不确定性。 大多生态水文学模型试图将能量、水分、碳及生物化学过程耦合，其中仅有的约束是守恒方程和连续方程。虽然模型综合考虑了气候、地貌和植被，但并不代表模拟的响应遵守生态水文学法则。 什么是生态水文学法则？ 许多研究者认为，Eagleson教授提出的基于水文平衡的生态最优性理论是生态水文学的基础。,土壤植被大气系统中的能量和水分平衡关系,S0 the equilibrium soil moisture.,水热耦合平衡,特定物种生长季节的平均长度mt，该季节内气候时均的日射率I0、降雨Pt 和白
24、天的气温T0。 植物基本的生产需要为： 阳光，保持气孔张开以吸收CO2 ，并供给CO2同化所需能量； 氮，用来形成植物组织； 水，通过使植物细胞膨胀来保持气孔张开，从土壤中为植物运输氮，通过蒸发的降温作用来调节植物温度； 植冠的湍流通量能力，以一定速率排出水汽以满足植物依靠水分运移输送氮的需要，同时以一定速率传输CO2满足最低处叶片的需要。 生态水文学原理试图为上述每一个变量的最优化找到生物物理基础。,3.8 生态水文学原理,光学最优性原理：植冠排列和气候日照导致碳素同化量达到最大 力学最优性原理：叶倾角使二氧化碳和水汽的冠层导度达到最大 热力学最优性原理：叶片温度等于光合作用的最适宜温度 水
25、文最优性原理：在气孔张开时，土壤水分状态使植物处于初始胁迫且平均日照为最大 生态最优性原理：进化压力驱使森林达到生物气候的最优状态。,基于水文平衡的生态最优性原理,建立区域水循环与生态过程之间的联系，用于指导区域水资源规划与管理 理解植物蒸腾的机理，正确估算植被生态需水量 建立水循环、物质循环与生态和环境之间的耦合关系，预测水资源管理中可能发生的生态与环境问题 指导水土保持中的生态措施建设 预测气候变化对植被以及作物的影响,3.9 生态水文学原理的应用,4. 水文学研究方法,4.1 实践论的方法,水文学是从生产实践中发展起来的一门应用科学。我们对流域水文规律的认识首先来自于的生产实践。 现代数
26、字仿真技术让人有身临其境的感受，因而在水文学中得到广泛应用。,实践,还原论（reductionism）：强调认识整体必须认识部分，认识了局部特征可以据之把握整体特性。还原论方法最大的成功之处在于，用这种方法建立起来的科学理论，不仅具有精确严密的逻辑，还具有强大的预测能力，这种预测经得起实验的检验。还原论的另一个优点是，每当预测失败时，或者理论计算与实验结果发生重大偏差时，人们能够根据逻辑和理论推导上溯到起点，调整理论假定，从而建立起新的理论，做出新的预测，实现理论创新。,4.2 还原论与整体论,整体论（holism）：还原论的科学所能够认识的世界，只是世界的一部分，而且是一小部分。于是，科学开
27、始补充整体的观念。首先，系统科学提供了一种从整体出发思考和解决问题的观点，引导人们将事物视为一个有机的整体，充分考虑它所有的因素之间那种相互关联、不断变化的复杂关系。其后，研究复杂性现象的混沌学更是通过“蝴蝶效应”这样生动的比喻，强调混沌系统中充满活力的相互作用，强调系统与环境的复杂关系。,整体论方法发展形成的新概念：- 系统的自组织性：如河网的自组织性- 代表性单元流域（REW）：直接针对一个单元流域来构建水文响应的数学物理方程，而不需要描述其中水文过程的细节。,4.3 思维方法,在对大量水文现象（数据）的分析中，归纳推理方法对提炼一般性规律具有重要作用。 数据分析方法，如线性回归、相关分析
28、、趋势分析等在归纳推理中起到重要作用。 归纳推理可以帮助我们从宏观规律（如水量平衡、能量平衡、水热耦合平衡等）来认识流域水文循环的机理，这是目前国际上称为“Top-down”的研究方法。,归纳推理方法,演绎推理方法,我们所熟悉的经典数学、力学等理论体系都是在演绎推理逻辑框架下建立起来的。 演绎推理方法在水文学研究中不如归纳推理那样普遍，然而近年来由演绎推理提出了不少新的水文学假设，如Budyko水热耦合平衡假设、Eagleson的生态水文最优性假设等。 演绎推理和归纳推理相结合将为水文学基础理论研究开辟更广阔的前景。,创造性思维方法,麻省理工学院Eagleson教授在生态水文学前言中说：生物就
29、是自然最优化的表现，这已在达尔文之后成为共识，自然选择形成了植被的形态和功能，由此去寻找解析表达式。然而，从如此复杂性中探求自然选择的表达模式，必然需要大量具有真知灼见的推测，正像 “空中楼阁的建筑是无规则可言的”。 普林斯顿大学Ignacio Rodriguez-Iturbe教授在给生态水文学著作的序中说：“该书告诉我们杰出的科学是如何创立的：这就是知识和想象力的完美结合。”,4.4 实验与观测手段,现代水文观测与实验技术,水热通量观测技术：对水文过程的直接观测； 示踪剂、同位素观测技术：对水文过程的间接观测，多用于验证关于水循环的假说； 卫星遥测技术：对水文过程及状态的间接观测，通过辐射传
30、播模型建立与水文变量之间的关系来反演出水文过程。,随着科学技术的发展水文科学中的灰色地带不断增多，水文观测能够减少科学中的灰色地带。,4.5 计算机数值模拟手段,计算机、卫星遥感、地理信息系统技术的发展，使数值模拟方法在水文学研究中占有愈来愈重要的地位。 水文数值模拟的一个发展趋势：试图通过最大程度（采用最小的时间和空间尺度）模拟流域（甚至全球）水循环的各个过程，以期得到对流域（或全球）水文响应规律、水资源时空分布规律的正确认识。 但是，目前对水文科学的认识还不能让我们有足够的信心：这样做能够达到我们的目标。,社会需求驱动的应用研究- 发现生产中存在的关键科学问题- 结合水文科学发展的最新理论
31、- 提出解决问题的可行方案,4.6 工程科学与自然科学的融合,发现科学问题本身就是科学研究的组成部分，工程科学与自然科学的融合将是今后的一个发展趋势之一。,基础研究可以增进社会的创新能力- 新的水文预报理论：提高洪水预报的精度和预见期- 气候变化的水文循环响应：未来水文预测及水资源管理,小 结,从流域系统的复杂性中探求水循环的规律性 从水文现象的随机性中探讨描述水文过程的确定性方法 建立水循环微观机理与水资源宏观规律之间的关系,水文科学的创新需要：逻辑性和创造性结合,科学来自于生产实践，创新型科学理论的建立需要兴趣、智慧、灵感、，更需要默默无闻的耕耘。,21世纪的中国有最棘手的水问题，解决“水问题”的科学基础之一是水文学理论与方法。,一本土壤水动力学的经典著作,一本陆生生态水文学经典著作,一本基于土壤水动力学的生态水文学经典著作,一本流域生态水文学的水资源管理著作,谢谢,
