從土壤水動(dòng)力學(xué)到流域生態(tài)水文學(xué)-文庫(kù)吧在線(xiàn)文庫(kù)
【正文】 0 0. 4 0. 2 0 0. 4 0. 6 溫 度 距 平（℃） 全 球 全球氣候變暖 生態(tài)水文學(xué)在水文科學(xué)發(fā)展中的地位 ? 流域生態(tài)與水文過(guò)程之間存在著復(fù)雜的相互作用，氣候是二者的主要驅(qū)動(dòng)力之一； ? 氣候變化下的流域生態(tài)水文響應(yīng)研究，必將促進(jìn)流域水文學(xué)、植被生態(tài)學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科的交叉與融合，從而推動(dòng)水文學(xué)研究的不斷深入。從土壤水動(dòng)力學(xué)到流域生態(tài)水文學(xué) From soil hydrodynamics to ecohydrology 楊大文 清華大學(xué)水利系 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 本講內(nèi)容 前言 土壤水動(dòng)力學(xué)的發(fā)展 流域生態(tài)水文學(xué)的發(fā)展 水文學(xué)研究方法 小結(jié) 1. 前 言 黃河源， 我們的母親河－－黃河 …… 黃河源， 黃河第一彎 黃河龍羊峽水庫(kù)， 西寧市， 西寧市， 鄭州黃河大橋， 1990s 人類(lèi)文明的發(fā)展史，是與自然界斗爭(zhēng)的歷史。 氣候變化： 加劇了水資源的短缺 ，危及供水安全、糧食安全和生態(tài)安全。 地表徑流、地下徑流 生產(chǎn)性綠水 : 植物蒸騰 非生產(chǎn)性綠水 : 土壤蒸發(fā) 不能再利用 可以再利用 綠水 藍(lán)水 水的社會(huì)和生態(tài)服務(wù)功能 可見(jiàn) 不可見(jiàn) 直接 提供水資源 生產(chǎn)糧食 間接 維持水生生態(tài) 維持陸地生態(tài) ? 人們往往被忽視了水對(duì)維持陸地生態(tài)系統(tǒng)的作用； ? 水土保持與地下水開(kāi)采都將改變水循環(huán)，從而改變陸地生態(tài)系統(tǒng)（植被的種類(lèi)和分布）； ? 將流域陸地和水生態(tài)與水循環(huán)結(jié)合，流域生態(tài)水文學(xué)將成為未來(lái)流域水資源管理的理論基礎(chǔ)之一。 River Morphology River Ecosystem ? Context of river ecological requirements Terminology ?水文學(xué)家在研究土壤－植物－大氣相互作用時(shí)，考慮了作物在光合作用下的水分傳輸以及對(duì)大氣的反饋?zhàn)饔?，?Big Leaf Model, Simple Biosphere Model (SiB)等。 ?濕地水文過(guò)程研究成為認(rèn)識(shí)濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過(guò)程和功能的主要內(nèi)容。雖然模型綜合考慮了氣候、地貌和植被，但并不代表模擬的響應(yīng)遵守生態(tài)水文學(xué)法則。 ? 現(xiàn)代數(shù)字仿真技術(shù)讓人有身臨其境的感受，因而在水文學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。 ? 整體論方法發(fā)展形成的新概念： 系統(tǒng)的自組織性：如河網(wǎng)的自組織性 代表性單元流域（ REW）：直接針對(duì)一個(gè)單元流域來(lái)構(gòu)建水文響應(yīng)的數(shù)學(xué)物理方程，而不需要描述其中水文過(guò)程的細(xì)節(jié)。然而，從如此復(fù)雜性中探求自然選擇的表達(dá)模式，必然需要大量具有真知灼見(jiàn)的推測(cè)，正像 “空中樓閣的建筑是無(wú)規(guī)則可言的”。 ? 基礎(chǔ)研究可以增進(jìn)社會(huì)的創(chuàng)新能力 新的水文預(yù)報(bào)理論：提高洪水預(yù)報(bào)的精度和預(yù)見(jiàn)期 氣候變化的水文循環(huán)響應(yīng)：未來(lái)水文預(yù)測(cè)及水資源管理 小 結(jié) ? 從流域系統(tǒng)的復(fù)雜性中探求水循環(huán)的規(guī)律性 ? 從水文現(xiàn)象的隨機(jī)性中探討描述水文過(guò)程的確定性方法 ? 建立水循環(huán)微觀機(jī)理與水資源宏觀規(guī)律之間的關(guān)系 ? 水文科學(xué)的創(chuàng)新需要：邏輯性和創(chuàng)造性結(jié)合 ? 科學(xué)來(lái)自于生產(chǎn)實(shí)踐，創(chuàng)新型科學(xué)理論的建立需要興趣、智慧、靈感、 …… ，更需要默默無(wú)聞的耕耘。 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬手段 ? 計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星遙感、 地理信息系統(tǒng) 技術(shù)的發(fā)展，使數(shù)值模擬方法在水文學(xué)研究中占有愈來(lái)愈重要的地位。 歸納推理方法 演繹推理方法 ? 我們所熟悉的經(jīng)典數(shù)學(xué)、力學(xué)等理論體系都是在演繹推理邏輯框架下建立起來(lái)的。 還原論與整體論 ? 整體論（ holism）： 還原論的科學(xué)所能夠認(rèn)識(shí)的世界，只是世界的一部分，而且是一小部分。 ?生態(tài)水文學(xué)原理試圖為上述每一個(gè)變量的最優(yōu)化找到生物物理基礎(chǔ)。這是水文學(xué)和生態(tài)學(xué)的核心問(wèn)題，是充滿(mǎn)挑戰(zhàn)性的前沿和未知領(lǐng)域，包含與生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)機(jī)能息息相關(guān)的各種問(wèn)題。 ?研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)的演替似乎是水文過(guò)程和生態(tài)過(guò)程緊密聯(lián)系的產(chǎn)物。 ?其工程應(yīng)用背景是河流生態(tài)修復(fù)（ river restoration ）。 z (Mgz： gz、 ρwg z、 z） ? 壓力勢(shì) Ψp Ψp = h ? 基質(zhì)勢(shì) Ψm Ψm ～ θ （土壤水分特征曲線(xiàn)） ? 溶質(zhì)勢(shì) ΨS ΨS ～ c 、 T ? 溫度勢(shì) ΨT 總水勢(shì) Ψ＝ Ψg ＋ Ψp ＋ Ψm＋ Ψs ＋ ΨT 1 0 0 %M MM1 0 0 %MMWsssw ?????%VV w 100??? 土壤水勢(shì)與土壤水分運(yùn)動(dòng) 土壤水分特征曲線(xiàn) －－土壤水能量與數(shù)量的關(guān)系－－ ψm θ 達(dá)西定律： ψ??? kq 非飽和土壤水流動(dòng)基本方程 ? ?qt ??????連續(xù)方程： 基本方程 ? ?? ?ψkt???????? ? ? ? ? ? ?? ?zkzDzyDyxDxt ?????????????????????????????????????? ???????? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?zkzkzykyxkxtcmmmmmmmmm?????????????????????????????????????? ????????? ? ? ? ?? ?? ???????ckDddcm?? Rechards， 1931 土壤中水熱耦合遷移 ? 常溫條件下土壤水熱遷移 常溫 ——土壤非凍結(jié) 簡(jiǎn)化 ——忽略水汽 、一維 水分 ? ? ? ?zkzDzt ????????? ??????? ???? 溫度 ?????? ??????? zTztTc ?土壤組成 固相 液相 氣相 組成比例 x s x w x a 比熱容 cs cw ca 熱導(dǎo)率 λs λw λa ? 土壤中的多相（水）流 液態(tài)水 氣態(tài)水－水汽
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