【正文】 , s oi l )AAgAsAP E sRsRs???S0 – the equilibrium soil moisture. 水熱耦合平衡 ?特定物種生長季節(jié)的平均長度 mt，該季節(jié)內(nèi)氣候時均的日射率 I0、降雨 Pt 和白天的氣溫 T0。 ?植物基本的生產(chǎn)需要為： ?陽光，保持氣孔張開以吸收 CO2 ，并供給 CO2同化所需能量； ?氮，用來形成植物組織； ?水，通過使植物細胞膨脹來保持氣孔張開，從土壤中為植物運輸?shù)?，通過蒸發(fā)的降溫作用來調(diào)節(jié)植物溫度； ?植冠的湍流通量能力，以一定速率排出水汽以滿足植物依靠水分運移輸送氮的需要，同時以一定速率傳輸 CO2滿足最低處葉片的需要。 ?生態(tài)水文學原理試圖為上述每一個變量的最優(yōu)化找到生物物理基礎(chǔ)。 生態(tài)水文學原理 ?光學最優(yōu)性 原理 ： 植冠排列和氣候日照導致碳素同化量達到最大 ?力學最優(yōu)性原理： 葉傾角使二氧化碳和水汽的冠層導度達到最大 ?熱力學最優(yōu)性原理： 葉片溫度等于光合作用的最適宜溫度 ?水文最優(yōu)性原理： 在氣孔張開時，土壤水分狀態(tài)使植物處于初始脅迫且平均日照為最大 ?生態(tài)最優(yōu)性 原理： 進化壓力驅(qū)使森林達到生物氣候的最優(yōu)狀態(tài)。 基于水文平衡的生態(tài)最優(yōu)性原理 ?建立區(qū)域水循環(huán)與生態(tài)過程之間的聯(lián)系，用于指導區(qū)域水資源規(guī)劃與管理 ?理解植物蒸騰的機理，正確估算植被生態(tài)需水量 ?建立水循環(huán)、物質(zhì)循環(huán)與生態(tài)和環(huán)境之間的耦合關(guān)系，預測水資源管理中可能發(fā)生的生態(tài)與環(huán)境問題 ?指導水土保持中的生態(tài)措施建設(shè) ?預測氣候變化對植被以及作物的影響 生態(tài)水文學原理的應用 4. 水文學研究方法 再實踐 認識 實踐 再認識 實踐論的方法 ? 《 水文學 》 是從生產(chǎn)實踐中發(fā)展起來的一門應用科學。我們對流域水文規(guī)律的認識首先來自于的生產(chǎn)實踐。 ? 現(xiàn)代數(shù)字仿真技術(shù)讓人有身臨其境的感受，因而在水文學中得到廣泛應用。 認識 實踐 再認識 認識再實踐 普遍成立的規(guī)律 科學發(fā)展 ?還原論（ reductionism）：強調(diào)認識整體必須認識部分，認識了局部特征可以據(jù)之把握整體特性。還原論方法最大的成功之處在于，用這種方法建立起來的科學理論，不僅具有精確嚴密的邏輯，還具有強大的預測能力，這種預測經(jīng)得起實驗的檢驗。還原論的另一個優(yōu)點是，每當預測失敗時，或者理論計算與實驗結(jié)果發(fā)生重大偏差時，人們能夠根據(jù)邏輯和理論推導上溯到起點，調(diào)整理論假定，從而建立起新的理論，做出新的預測，實現(xiàn)理論創(chuàng)新。 還原論與整體論 ? 整體論（ holism）： 還原論的科學所能夠認識的世界，只是世界的一部分，而且是一小部分。于是，科學開始補充整體的觀念。首先，系統(tǒng)科學提供了一種從整體出發(fā)思考和解決問題的觀點，引導人們將事物視為一個有機的整體，充分考慮它所有的因素之間那種相互關(guān)聯(lián)、不斷變化的復雜關(guān)系。其后，研究復雜性現(xiàn)象的混沌學更是通過 “ 蝴蝶效應 ” 這樣生動的比喻，強調(diào)混沌系統(tǒng)中充滿活力的相互作用，強調(diào)系統(tǒng)與環(huán)境的復雜關(guān)系。 ? 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）：直接針對一個單元流域來構(gòu)建水文響應的數(shù)學物理方程，而不需要描述其中水文過程的細節(jié)。 思維方法 ? 在對大量水文現(xiàn)象（數(shù)據(jù)）的分析中，歸納推理方法對提煉一般性規(guī)律具有重要作用。 ? 數(shù)據(jù)分析方法，如線性回歸、相關(guān)分析、趨勢分析等在歸納推理中起到重要作用。 ? 歸納推理可以幫助我們從宏觀規(guī)律（如水量平衡、能量平衡、水熱耦合平衡等）來認識流域水文循環(huán)的機理，這是目前國際上稱為“ Topdown”的研究方法。 歸納推理方法 演繹推理方法 ? 我們所熟悉的經(jīng)典數(shù)學、力學等理論體系都是在演繹推理邏輯框架下建立起來的。 ? 演繹推理方法在水文學研究中不如歸納推理那樣普遍，然而近年來由演繹推理提出了不少新的水文學假設(shè)，如Budyko水熱耦合平衡假設(shè)、 Eagleson的生態(tài)水文最優(yōu)性假設(shè)等。 ? 演繹推理和歸納推理相結(jié)合將為水文學基礎(chǔ)理論研究開辟更廣闊的前景。 創(chuàng)造性思維方法 ? 麻省理工學院 Eagleson教授在 《 生態(tài)水文學 》 前言中說：生物就是自然最優(yōu)化的表現(xiàn)， 這 已在達爾文之后成為共識，自然選擇形成了植被的形態(tài)和功能，由此去尋找解析表達式。然而，從如此復雜性中探求自然選擇的表達模式，必然需要大量具有真知灼見的推測，正像 “空中樓閣的建筑是無規(guī)則可言的”。 ? 普林斯頓大學 Ignacio RodriguezIturbe教授在給 《 生態(tài)水文學 》 著作的序中說：“ 該書告訴我們杰出的科學是如何創(chuàng)立的：這就是知識和想象力的完美 結(jié)合 。 ” 實驗與觀測手段 現(xiàn)代水文觀測與實驗技術(shù) ? 水熱通量觀測技術(shù)：對水文過程的直接觀測； ? 示蹤劑、同位素觀測技術(shù)：對水文過程的間接觀測，多用于驗證關(guān)于水循環(huán)的假說； ? 衛(wèi)星遙測技術(shù)：對水文過程及狀態(tài)的間接觀測，通過輻射傳播模型建立與水文變量之間的關(guān)系來反演出水文過程。 1950 1960 1970 1990 1980 2022 2022 計算機技術(shù) 觀測技術(shù) 技術(shù)能力 數(shù)據(jù)分析 水文理論和模型 水文觀測 總結(jié)和解釋 水文科學認識形成 ? 隨著科學技術(shù)的發(fā)展水文科學中的灰色地帶不斷增多，水文觀測能夠減少科學中的灰色地帶。 計算機數(shù)值模擬手段 ? 計算機、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研究中占有愈來愈重要的地位。 ? 水文數(shù)值模擬的一個發(fā)展趨勢：試圖通過最大程度（采用最小的時間和空間尺度）模擬流域（甚至全球）水循環(huán)的各個過程，以期得到對流域（或全球）水文響應規(guī)律、水資源時空分布規(guī)律的正確認識。 ? 但是，目前對水文科學的認識還不能讓我們有足夠的信心：這樣做能夠達到我們的目標。 ? 社會需求驅(qū)動的應用研究 發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中存在的關(guān)鍵科學問題 結(jié)合水文科學發(fā)展的最新理論 提出解決問題的可行方案 工程科學與自然科學的融合 ?發(fā)現(xiàn)科學問題本身就是科學研究的組成部分，工程科學與自然科學的融合將是今后的一個發(fā)展趨勢之一。 ? 基礎(chǔ)研究可以增進社會的創(chuàng)新能力 新的水文預報理論：提高洪水預報的精度和預見期 氣候變化的水文循環(huán)響應：未來水文預測及水資源管理 小 結(jié) ? 從流域系統(tǒng)的復雜性中探求水循環(huán)的規(guī)律性 ? 從水文現(xiàn)象的隨機性中探討描述水文過程的確定性方法 ? 建立水循環(huán)微觀機理與水資源宏觀規(guī)律之間的關(guān)系 ? 水文科學的創(chuàng)新需要：邏輯性和創(chuàng)造性結(jié)合 ? 科學來自于生產(chǎn)實踐，創(chuàng)新型科學理論的建立需要興趣、智慧、靈感、 …… ，更需要默默無聞的耕耘。 ? 21世紀的中國有最棘手的 水 問題， 解決“水問題”的科學基礎(chǔ)之一是水文學理論與方法。 一本土壤水動力學的經(jīng)典著作 一本陸生生態(tài)水文學經(jīng)典著作 一本基于土壤水動力學的生態(tài)水文學經(jīng)典著作 一本流域生態(tài)水文學的水資源管理著作 謝謝