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气候变化对水文循环的影响范文1
关键词：淮北平原；水文循环要素；降水重心；蒸发悖论；小波分析；云模型
通过以淮北平原的水文循环要素变化特征为主线，分析了淮北平原典型实验站—五道沟实验站的气象要素变化特征，对淮北平原降水量、蒸发量和径流量进行变化特征分析，并运用Hurst指数、Kendall秩次相关检验和Mann-Kendall检验法、T方法和Yamamoto法分别定量地检验水文循环要素时间序列的随机性、趋势性和突变性，采用小波分析方法对降水量、径流量多时间尺度变化进行形象显示，提出降水重心概念以分析降水量的时间分布趋势，结合气候变化特性初步形成解释淮北平原“蒸发悖论”的原因，利用云模型分析淮北平原径流量时间、空间分布特征，通过数学特征定性、定量地表示出径流量分布的不均匀性和不确定性，以杨楼实验流域简单分析影响淮北平原径流量变化的因素。得出研究成果如下：
（1）五道沟实验站气温整体呈先减少后增加趋势，1981年之后增长率为0.3℃/10a；日照时数呈下降趋势，全年日照时数倾向率为-184/10a；风速也呈减少趋势，风速平均每10a下降0.32m/s；相对湿度多年平均为77%；24年均水汽压力差值为6.3mb。对各要素序列进行随机性、趋势性和突变性检验，得出各气象要素均呈正相关，气温和相对湿度呈上升趋势，水汽压力差无趋势性，气温和水汽压力差系列无突变。
（2）淮北平原1956~2008年年均降水量系列之间呈正相关，趋势性不显著且无突变；采用Matlab绘图功能绘制降水量系列小波分析两种母函数研究结果，显示总体呈现先减少后增加的趋势；研究发现五个不同年代降水重心的变化并不是特别强烈。
（3）淮北平原多年蒸发量之间呈正相关、有下降趋势、无突变，等值线图显示蒸发量集中在淮北市最大，以此为中心逐渐向西北方向和东南方向减小。文中着重对五道沟实验站蒸发量与气象因素之间的关系作了深入分析，得出五道沟实验站1986~2009年逐日水面蒸发量主要与气温、水汽压力差和地面温度相关性很好，与日照时数和相对湿度关系较好，与风速和降水相关关系不太明显，解释了淮北平原出现“蒸发悖论”理论的原因。
（4）通过对淮北平原1956~2008年年径流量资料进行年际分析，检验出年径流量系列具有强持续性、趋势性不明显且无突变。运用小波分析法分析年径流量的多时间尺度变化，呈先减少后增加趋势。运用云模型研究发现：时间分布上非汛期径流最为稳定，全年次之，汛期的径流量的不稳定性最高，在汛期和全年的时间尺度上，径流量的不确定性高于非汛期；在空间分布上离散度呈现先增后减的趋势（熵值先大后小）、稳定性逐渐减小（超熵增加），在Ⅱ时间段内超熵值较大，径流量在空间上分布的不均匀性的稳定程度较小。
目前，对于淮北平原水文循环要素时空演变规律研究的内容尚不够丰富，本文利用有限的资料做了这一研究，主要有如下结论：
（1）通过总结国内外水文循环要素的研究现状，明确研究淮北平原水文循环要素时空演变规律、水文循环的研究是复杂且系统的，必须用全面的、联系的、发展的观点看待问题；
（2）通过五道沟实验站的气象资料作为区域代表来分析气象要素特性，得出五道沟实验站气温整体呈先减少后增加趋势，1981年之后增长率为0.3℃/10a；日照时数呈下降趋势，全年日照时数倾向率为-184/10a；风速也呈减少趋势，风速平均每10a下降0.32m/s；相对湿度多年平均为77%；24年均水汽压力差值为6.3mb。对各要素序列进行随机性、趋势性和突变性检验，得出五道沟实验站各气象要素均呈正相关，气温和相对湿度呈上升趋势，水汽压力差无趋势性，气温和水汽压力差系列无突变。
（3）基于淮北平原27个雨量站点1956~2008年的降水量资料，对其进行年内年际变化分析，并对降水序列进行随机性、趋势性和突变性检验，得出淮北平原1956~2008年年均降水量系列之间呈正相关，趋势性不显著且无突变；采用Matlab绘图功能绘制降水量系列小波分析两种母函数研究结果，显示总体呈现先减少后增加的趋势；为研究降水量空间变化特征，引入降水重心概念，研究发现五个不同年代降水重心的变化并不是特别强烈。对影响降水量变化的气候因素和人类活动因素作了简要分析。
（4）基于淮北平原12个蒸发站点1980~2008年蒸发量资料，进行了年际年内变化特征分析，并进行随机性、趋势性和突变性检验，得出多年蒸发量之间呈正相关，有下降趋势，无突变。运用等值线图表示淮北平原蒸发量空间分布，为分析影响淮北平原蒸发量的因素，采取以点代面的方法重点研究，通过对五道沟实验站蒸发量与气象因素之间的关系作了深入分析，得出五道沟实验站1986~2009年逐日水面蒸发量主要与气温、水汽压力差和地面温度相关性很好，与日照时数和相对湿度关系较好，与风速和降水相关关系不太明显，解释了淮北平原出现“蒸发悖论”理论的原因，为其他类似区域这一问题提供参考依据。
（5）基于选用的淮北平原13个1956~2008年年径流量资料进行年际分析，检验出年径流量系列具有强持续性、趋势性不明显且无突变。运用小波分析方法分析年径流量的多时间尺度变化，发现年径流量系列与降水量系列具有类似特性，呈先减少后增加趋势。将云模型引入到年径流量的时间和空间分析中，将不均匀性不仅定性同时定量化表示出来，研究发现：时间分布上非汛期径流最为稳定，全年次之，汛期的径流量的不稳定性最高，在汛期和全年的时间尺度上，径流量的不确定性高于非汛期；在空间分布上离散度呈现先增后减的趋势（熵值先大后小）、稳定性逐渐减小（超熵增加），在Ⅱ时间段内超熵值较大，径流量在空间上分布的不均匀性的稳定程度较小。为分析气候变化和人类活动是如何影响径流量变化的，则选取典型的闭合流域杨楼实验流域进行了简要分析。
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气候变化对水文循环的影响范文2
关键词：乌云河；变差系数；峰型度；丰枯率
中图分类号：P467文献标识码：A文章编号：1672-1683（2013）04-0035-06
1研究背景
径流的形成过程是水文、气象、地形、地貌、土壤、植被等多种因素相互作用的复杂过程，随着气候变化和人类活动的加剧，径流的年际变化更加复杂。河川径流作为地表水资源的主要组成部分，其量的变化直接关系到自然生态系统以及国民经济各部门的需水要求，因此研究径流的年际变化趋势一直是水文水资源与流域研究的热点和难点问题。其中，从影响径流形成的各个要素中分析其主要影响因素，是研究径流年际变化规律的基础。
乌云河是黑龙江右岸的一级支流，处于嘉荫县境内，干流长度大约141 km，河流的下游设有东风水文站，见图1。目前对于该流域的水文水资源方面的研究较少。本文拟探究该河流的径流、降水、蒸发等水文序列的变化规律及其影响因素，以便为将来进行水库、塘堰等水利工程的修建提供技术和数据支撑。
2数据来源
东风水文站是乌云河上唯一的水文站，于1959年开始
6结论
根据乌云河东风站50年的月流量资料、24年的月降水量资料和15年的月蒸发量资料，对该流域径流的补给来源及径流主要受哪些气象因子的影响等进行了分析，初步得出了如下结论。
（1）乌云河的径流主要以融雪和夏季的降水来补给，年流量以每1.42 m3/（s·10 a）的速率逐渐递减，50年累计径流量减少了2.24×108 m3。春、夏、秋、冬四季、汛期及非汛期流量分别以每-1.86、-9.27、-4.99、-0.12、-15.35、-0.88 m3/（s·10 a）的速率减少，其中汛期的流量减少的最为明显。
（2）乌云河流域气候变化表现出降水量减少、蒸发减少的趋势。其中年降水量呈逐年递减的趋势，其降幅为-14.6 mm/10 a，而春、夏、秋、冬四季及汛期、非汛期降水量则分别以+2.44、-35.87、+16.08、+3.39及-29.7、+15.75 mm/10 a的速率增加或减少。可见，夏季和汛期的降水量非常明显，其中夏季降水量减少的幅度最大，这也是乌云河流量呈减少趋势的主要原因之一。蒸发量以175.0 mm/10 a的速率降低。蒸发量年际变化率可能与资料系列的长度有一定的关系，因此还需要收集更长系列的资料来准确分析蒸发量的年际变化规律。
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气候变化对水文循环的影响范文3
关键词：年径流；径流变化；预测模型
中图分类号：TV124 文献标识码：A
引言
水资源是维持自然界一切生命不可缺少的自然资源，是社会经济发展所必需的不可替代的资源。我国多年平均水资源量28000×108m3，相当于世界水资源总量的6%，人均水资源占有量仅2200m3，约占世界人均水平的25%。我国水资源时空分布极不均衡，南方地区水资源量占全国水资源总量的81%，而北方地区水资源量仅占全国水资源总量的19%（中国数字科技馆2006）。由于我国河川径流年际变化大，导致旱涝灾害频繁发生。年径流是水资源系统中流域水文循环的重要组成因素。
1 年径流的影响因素
1.1 气候因素
气候因素是影响流域年径流量的主要因素，其中以降水量、蒸发量和温度3个因子对年径流影响最显著。在年降水量较多湿润地区，自然降水在形成径流的过程中土壤湿度高，渗漏量少，蒸发量损耗小，湿润地区年降水量是其年径流量的决定性因素。在年降水量少的干旱地区，自然降水在形成径流的过程中土壤湿度低，渗漏量多，蒸发量损耗大，干旱地区年径流量是由降水量、温度和蒸发量等3个因子共同决定的。温度是以融雪为补给的流域中的主要影响因素，温度高的年份其年径流量大。
1.2 下垫面因素
下垫面因素中的地形地貌和植被对年径流地区分布有较大的影响，直接影响着流域的蓄水能力，对流域的年径流量影响较大。下垫面因素通过该区域内影响气候的变化，间接影响年径流量。
1.2.1 地形
地形直接影响降雨量，而间接影响年径流量的大小。山的迎风坡一般降水量会远远大于背风坡，则会影响该区域内年径流的。坡度的大小也会影响降水汇流形成过程损耗大小和径流的速度。
1.2.2 土质土壤
不同土质的土壤对降水的调蓄能力不同，从而影响流域内的径流的年内分配。
1.2.3 地表植被
植被能够对降水起到截流的作用，在植被覆盖率较高的地区，地表的水分渗透能力也较强。植被能够减少水土的流失。
1.2.4 流域的大小以及该流域内湖泊和沼泽对年径流的影响
流域越大，汇流就越多，蒸发面也越大，从而会对流域内的径流起到调蓄的作用。
1.2.5 人类活动对年径流的影响
人类活动是影响年径流量的重要因素，于海霖[1]等利用双洎河新郑水文站的资料，分析了人类活动对年径流量变化影响，得出人类活动年对径流量变化平均综合影响参数为263.4%。人类活动影响年径流量主要表现直接和间接影响在2个方面，直接影响就是人类为解决水资源在地域间的分配差异，南水北调，水利工程，直接影响年径流量。间接影响就是耕地的扩展、改建梯田等措施增加水资源的利用量和蒸发量，对植被的破坏或植树造林等影响水土保持状况，城市化的进程影响降雨量和地表汇流等间接地影响年径流量。
2 年径流的年际变化
2.1 年径流的年内分配变化
我国大多数河流水资源是以降雨的补给为主要来源，少数流域主要来源于冰川融化，这2种不同来源形式的资源补给成了各自不同的河流径流的年内分配的变化状态。在以降雨为主的区域，除冬季的降雪季节以外，径流年内的分配会随着雨季的来临的时间以及降雨的强度而发生一定的变化。张钰、胡彩虹[2-3]等分别对洮河流域和汾河水库上游流域径流年内分配变化规律进行了研究，研究结果表明，在年内分配方面，流域径流绝大部分集中在夏季。我国西北的内陆河流域，冰雪融水占河流补给水源超过30%，流域内气温的高低影响径流年内分配变化。
2.2 年径流的区域性变化
我国的年径流的地区性变化主要表现为南多北少，但年径流的年际变化则是北方大于南方[4]。根据年径流深等值线，将我国划分为丰水带、多水带、过渡带、少水带及干涸带5带来表示不同区域的水资源总量。大于800mm为丰水带，主要集中在我国东南沿海地区，及安徽、广西以及云南的西南部等地区；200mm以上为多水带，主要包括东北的东部山地以及黄河流域、长江流域大部和西江流域的上游地区等；50mm以上为过渡带，包括松嫩平原部分地区、华北平原大部分地区等；10mm以上为少水带，包括松辽平原中部以及黄土高原大部分地区等；小于10mm为干涸带，干涸带地区属于我国的干旱带，基本没有径流产生，包括河西走廊、内蒙古高原等地区。
3 年径流量的预测
年径流预测属于中长期预测，目前主要采用3大类方法[5]：统计预测方法、天气学预测方法和天气数值预测方法。后2种都属于物理成因分析方法。
国外对径流的预测的研究开展较早。Pike[6]使用热带地区的气象资料，采用Turc’s蒸散公式的修改形式预测马拉维大流域的年径流，得到较好的预测结果。Gorantiwar[7]等用自回归模型分析和模拟西部孟加拉流域的年径流，模拟的精度较高。Ni[8]等探究用GP模拟马莲河西域的径流和中国东北的气候变化影响的关系，并以此预测马莲河西域的年径流。
由于历史资料条件的匮乏和辅助计算工具的限制，我国的径流预测一直处于水平较低的位置。自建国以来，我国科研工作者从无到有，开始了快速的发展。20世纪50～60年代，我国过学习吸收了原苏联和美国的洪水预测方法，为我国水文预测工作奠定了基础。20世纪70～80年代，开始研究不同区域的降雨径流关系，同时也成功地开展了流域水文模型的研究和应用。20世纪年代～21世纪以来，随着计算机在年径流预测的应用，水文观测资料的逐渐积累，我国无论是年径流预测方法，还是预测系统建设以及新技术应用等方面有了长足的发展。
目前，在年径流的预测模型方面，应用统计的方法预测年径流的比较多，主要有回归模型、灰色动态模型、最近邻抽样回归模型、小波分析网络、模型均生函数模型和BP人工神经网络模型等。如：刘恩宝[9]等（1985）利用逐步回归周期分析，建立了隐含周期的最优回归方程应用到长江宜昌站的年径流，其回代拟合及未来的趋势预测结果都较好。陈福增[10]（2006）通过分析时间序列，对河流过程建立了年径流预报模型，证实预测的效果较好并具有实用性。李燕萍等[11]（2010）用谐波分析方法模拟和预测年径流量，可以2～3a的预测期能提供较满意的预测结果。王亚雄等[12]（2011）建立变化环境下的加权马尔可夫链预测模型，预测年径流量效果也比较好。郑世武[13]等（2010）用灰色系统预测方法预测年径流的变化趋势取得良好效果。解苗苗[14]（2007）用灰色系统预测方法预测年径流的变化趋势取得良好效果。崔东文[15]等（2013）利用人工神经网络方法建立年径流预测的模型，对年径流预测具有实用价值。由此可知，一些新技术的应用对提高年径流预测有一定帮助，如：人工神经网络方法。
近年来多理论和方法的融合以及多学科综合和跨学科交叉方面有了长足发展，不但提高了预报方法的适用性及预报结果的可靠性、稳定性，也提高了年径流预测的精度。如：景亚平等[16]（2012）基于修正组合预测的思想，借助马尔科夫链对灰色GM（1，1）、BP 神经网络及组合灰色神经网络模型预测的误差序列进行了修正处理，指出基于马尔科夫链修正的组合灰色神经网络模型具有更好的拟合与预报精度，是一种更有效的径流预测方法。周秀平[17]（2013）基于最小二乘支持向量机（LLSVM）与马尔可夫链（MC）提出了一种新的年径流预测模型―最小二乘支持向量机-马尔可夫链组合模型（LLSVM-MC），有效地提高了预测精度。天气数值预测方法预测年径流被应用于预测大范围、跨流域年径流量的预测。彭勇等[18]（2011）将模糊聚类、统计相关及小波分析理论有机的结合在一起，构建了径流预报模型，模型预测精度高。晏欣等[19]（2013）将人工神经网络与灰色系统相结合建立的预报模式，其预测结果精度较高。如：董雯等[20]（2012）研究人类活动及其气候变化对流域水文径流系统的影响，依据区域气候模式的数值气象预报，采用水文频率分析方法，预测未来设计情景下流域年径流量的情势变化，为跨流域调水提供科学依据，也为跨流域预测年径流量提供技术支持。
4 问题讨论
虽然关于年径流的预测方法和模型很多，但没有一种模型能够适用于所有的径流序列，预测模型的适用性有待于进一步深入的研究。现有的预测方法，预测精度、可靠性和稳定性不高，很难在实践中推广应用。用多理论和方法的融合，多科综合和跨学科交叉，无疑是中长期径流预报研究未来发展的主要方向。由于缺乏年径流的变化数据，对于径流数据中非线性现象产生原因及其解释分析不够，如何针对较短序列进行年径流预测是将来着重研究的内容。应加强问题数据中噪声研究，以便减少对判定、模拟、预测的影响。
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气候变化对水文循环的影响范文4
关键词：水文模拟 模型 水资源管理 流域
1 引言
20世纪以来流域水资源问题日益突出，为了提高流域整体管理水平和科技水平，“数字流域”建设正在日益兴起。国际上发达的国家在“数字流域”方面的研究和应用起步较早，并已实际工程和管理中发挥了重要的作用，收到了巨大的效益。国内也相继开展了“数字黄河”、“数字长江”、“数字海河”等工程的建设。模型建设尤其是流域水文模型的建设是“数字流域”建设的核心内容和基础工作。
随着流域水文模拟建模的不断发展，基于计算机的模拟模型已经可以描述水循环的各个阶段，如气候和天气、暴雨系统、降水、地面漫流、蒸散、暴雨地面漫流、地下水、河网汇流以及海湾与河口的潮汐等。早在20世纪50年代中期，伴随系统理论的发展，科学家就开始把流域水文循环的各个环节作为一个整体来研究，并提出了“流域水文模型”的概念，随即便涌现了SSARR模型（1958）和Stanford模型（1959）等模型，20世纪70年代至80年代中期又出现了新安江、Sacramento、Tank、HEC－1、SCS、API等模型。从对流域水文过程描述的离散程度看，流域水文模型可分为集总模型（Lumped model）和分布式模型（Distributed model）两种。集总模型不考虑各部分流域特征参数在空间上的变化，把全流域作为一个整体；分布式模型则按流域各处地形、土壤、植被、土地利用和降水等的不同，将流域划分为若干个水文模拟单元，在每一个单元上用一组参数反映该部分的流域特性。为了适应气候变化和人类活动影响下的流域水资源管理需求，分布式水文模型已成为流域水文模拟的重要发展趋势，也已成为“数字流域”建设的基础。
流域水文模拟从模拟的侧重点上可以划分为降雨径流模拟、地下水模拟、流域水循环综合模拟。目前具有代表性的可用于流域水资源管理的分布式水文模拟模型有TOPMODEL、SWAT、ModFlow、FeFlow、Mike-SHE等，本文从流域水资源管理的角度出发，分别介绍上述模型的总体结构、特点及适用领域等。
2 分布式降雨径流模拟模型
国外分布式水文模型的研究可以认为起始于1969年Freeze和Harlan发表的“一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图”的文章。随后，Hewlett和Troenale在1975年提出了森林流域的变源面积模拟模型（简称VSAS）。在该模型中，地下径流被分层模拟，在坡面上的地表径流被分块模拟。1979年Beven和Kirbby提出了以变源产流为基础的TopModel模型。1980年，英国的Morris进行了IHDM（Institute of Hydrology Dirstributed Model）的研究，根据流域坡面的地形特征，流域被划分成若干部分，每一部分包含有坡面流单元，一维明渠段以及二维（在垂面上）表层流及壤中流区域。Beven等（1987年）和Calver等（1988年，1995年）对IHDM模型进行了改进。1994年，Jeff nold为美国农业部（USDA）农业研究中心（ARS）开发了SWAT模型。1995年，Grayson等提出了THALES模型，它是一个基于矢量高程数据的分布式参数模型。HuaXia Yao等（1998年，1999年，2001年），提出了基于网格的集降雨空间输入估计，降雨—蒸发—径流过程模拟，河流演算和空间参数校准为一体的分布式水文模型。Dawen Yang等（2000年，2002年）提出了基于山坡的和基于10 km网格的大尺度分布式水文模型。此外，USGS模型（Dawdy等，1970年，1978）、WATFLOOD模型（Kouwen等，1993年，2000年）、SLURP模型（Kite 1995年）和PRM模型（Leavesley ＆ Stannard 1990年）等等都属于分布式水文模型的范畴。最具有代表性的地表分布式水文模拟模型包括TopModel模型以及SWAT模型。
2.1 TOPMODEL模型
1979年Beven和Kirbby提出了以变源产流为基础的TopModel（TOPgraphy based hydrological MODEL）模型。TOPMODEL以地形空间变化为主要结构，基于DEM推求地形指数（Lnα/tanβ），用地形指数ln(α/tanβ)或土壤－地形指数ln(α/T0tanβ)）来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响，描述水流趋势。模型基于重力排水作用径流沿坡向运动原理，模拟径流产生的变动产流面积概念，尤其是模拟地表或地下饱和水源面积的变动。模型基本结构如图1所示。
TOPMODEL模型结构和概念比简单，优选参数少，充分利用了容易获取的地形资料，而且与观测的物理水文过程有密切联系。模型已被应用到各个研究方面，并不断发展、改进，反映了降雨径流模拟的最新思想。但TopModel并未考虑降水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响。
此外，该模型在干旱半干旱地区水文模拟效率较低，需要用户根据具体情况进行必要的修改。
2.2 SWAT模型
1994年，Jeff Arnold为美国农业部（USDA）农业研究中心（ARS）开发了SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型。SWAT是一个具有很强物理机制的、长时段的流域水文模型，在加拿大和北美寒区具有广泛的应用。它能够利用GIS和RS提供的空间信息，模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程，包括水、沙和化学物质的输移与转化过程。模型可采用多种方法将流域离散化（一般基于栅格DEM），能够响应降水、蒸发等气候因素和下垫面因素的空间变化以及人类活动对流域水文循环的影响。
SWAT可以模拟流域内多种不同的物理过程。由于流域下垫面和气候因素具有时空变异性，为了便于模拟，SWAT模型将流域细分为若干个子流域。目前有三种划分的方法：自然子流域（Subbasin）、山坡（Hillslop）和网格（Grid）等。SWAT将每个子流域的输入信息归为5类：气候、水文响应单元HRU、池塘（或湿地）、地下水和主河道（或河段）等。在结构上，每个子流域至少包括：1个水文响应单元HRU、1个支流河道（用于计算子流域汇流时间）、1个主河道（或河段）。而池塘（或湿地）为可选项。水文响应单元则是包括子流域内具有相同植被覆盖、土壤类型和管理条件的陆面面积的集总。HRU之间不考虑交互作用。SWAT模型的结构如图2所示。
SWAT模拟的流域水文过程被分为两大部分：
（1）陆面部分（即产流和坡面汇流部分）。它控制着每个流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量；
（2）水循环的水面部分（即河道汇流部分）。它决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。
SWAT 采用现代Windows 界面，是一个模型和GIS 的综合型系统，它模拟了水和化学物质从地表到地下含水层再到河网的运动过程，可以用于几千平方英里的流域盆地的水质水量模拟。它适用于具有不同的土壤类型、不同的土地利用方式和管理条件下的复杂大流域。主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响。不适用于模拟具体的单一洪水过程。由于SWAT模型具有较强的物理基础，能够在缺乏资料的地区建模；具有输入数据容易获取、计算效率高等特点。
3 分布式地下水模拟模型
常用的地下水文模拟模型包括解析模型、数值模型、水均衡模型及物理模型等。数值模拟模型以其精度高、物理意义明确，而逐渐成为地下水文模拟的重要发展趋势。而数值模拟方法又分为有限差分法和有限单元法，其各有优缺点。目前国际上较为流行的地下水数值模拟模型主要包括ModFlow和FeFlow，下面对其分别进行介绍和比较。
3.1 ModFlow模型
美国地质调查局(USGS)的McDonald和Harbaugh于80年代开发出来的ModFlow(Modular Three－dimensional Finite Difference Groundwater Flow Model)是一套专门用于孔隙介质中三维地下水流数值模拟的模型。自ModFlow问世以来，它已经在全美甚至在全世界范围内，在科研、生产、环境保护、城乡发展规划、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用，成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算软件。
ModFlow主要采用三维有限差分方法进行模拟。其基本原理是：在不考虑水的密度变化的条件下，孔隙介质中地下水在三维空间的流动可以用下面的偏微分方程来表示：
其中：
Kxx，Kyy 和Kzz为渗透系数在x，y和z方向上的分量。在这里，我们假定渗透系数的主轴方向与坐标轴的方向一致，量纲为(LT－1);
h:水头(L)；
W：单位体积流量(T－1)，用以代表流进汇或来自源的水量；
Sx:孔隙介质的贮水率(L－1);
t:时间(T)。
三维有限差分模拟地下水流示意图如图3所示。
ModFlow不仅可以用于模拟孔隙介质地下水的运动，而且可以用来解决裂隙介质中的地下水流动问题。经过合理的概化，ModFlow还可以用来解决空气在土壤中的流动(Guo，1995)。将ModFlow与溶质运移模拟的软件结合起来，还可以用来模拟诸如海水入侵等地下水密度为变量的问题(Guo和Benett，1997)。
ModFlow程序结构合理，易于理解，便于操作，是一种较为权威的地下水流数值模拟软件，具有广泛的使用价值。ModFlow之所以得到如此广泛的推广应用，是因为它代表了未来地下水流数值模型发展的大趋势，有很强的实用性，具体包括程序设计结构的模块化，离散方法的简单化和求解方法的多样化等等。
但ModFlow由于采用矩形网格进行剖分，因而对于处理复杂地质体中的地下水三维渗流场模拟方面存在着不足，没有有限元三角剖分灵活多变。
3.2 Feflow模型
Feflow是由德国Wasy水资源规划系统研究所研制开发的地下水模型软件包。它采用有限元法进行复杂二维和三维稳定/非稳定水流和污染物运移模拟。Feflow的有限元方法允许用户快速构建模型来精确地进行复杂三维地质体的地下水流及运移分析，在这方面其功能要强于ModFlow。
Feflow可以实现饱和或非饱和条件下（2D ＆ 3D）完全非稳定、半稳定和稳定状态下地下水流和溶质运移；颗粒跟踪和流线模拟；化学物质运移（如线性/非线性吸附，扩散等）；流体和固体中的热量运移；密度流动模拟（如海水入侵等）。
4 流域水循环综合模拟模型
随着计算机技术、系统科学和大量水文模型方法研究的进展，使得进行整个流域整体水循环模拟成为可能。流域内水循环过程从大气降水开始、到坡面流，随后在不饱和土壤带内运动，继续汇流进入下游河网，同时部分下渗进入地下饱和带参与地下水渗流运动。其中土壤水非饱和带运动和地表地下水转化量的模拟预测一直是流域整体水循环模拟中的棘手问题，其处理方式的好坏直接影响整个水循环模型的合理性和精度。下面以欧洲的SHE模型为例介绍整体水循环模拟模型在流域水资源管理中的应用。
丹麦、法国及英国的水文学者（Beven等，1980年；Abbott等，1986年；Bathurst等，1995年；Refsgarrd and Storm，1995年；Chapters等等）联合研制及改进的SHE模型（System Hydrologic European）是一个典型的整体分布式水循环模拟模型。在SHE模型中，流域在平面上被划分成许多矩形网格，这样便于处理模型参数、降雨输入以及水文响应的空间分布性；在垂直面上，则划分成几个水平层，以便处理不同层次的土壤水运动问题。SHE模型为研究人类活动对于流域的产流、产沙及水质等影响问题提供了理想化的工具。
MikeSHE (An integrated hydrological modelling system)系统则是由丹麦水工试验所(Danish Hydraulic Institute)开发的流域整体水循环模拟软件系统，其模型总体结构如图4所示：
MikeSHE模型主要由以下核心模块构成：
（1）蒸发散模拟(ET)模块
目前采用Rutter模型 /PenmanMonteith 方程、KristensenJensen模型两种方法求解截留量及蒸发散量。
（2）非饱和带水分模拟(UZ)模块
系统提供Richard方程和重力流模拟两种方法进行非饱和带水分的模拟。
（3）饱和地下水流动模拟(SZ)模块
系统提供改进GuassSeidel法和Preconditioned conjugated gradients(PCG)法两种思路进行地下水流动的模拟。
（4）坡面流与河道流模拟(OC)模块
坡面流与河道流采用SaintVenant方程进行求解
MikeSHE模型的缺点是对资料完备性和详细度要求较高，不适用于资料基础较差的流域整体水循环模拟分析。
此外，辅助进行整体水循环模拟的软件系统还有美国地质调查局开发的模块建模系统（MMS）。MMS通过子程序级别的集成实现了流域过程紧密耦合的需求。从根本上而言，MMS是一套相互匹配的子程序，它们可以被一起编译，以表征一个特定流域。这些子程序被称为模块，分别描述降雨、蒸腾、地表漫流、地下水、日射、蒸发、融雪、河川径流和森林生长。为了轻松地把模块组装起来描述感兴趣的流域，MMS提供图形用户界面允许非程序员确认重要过程以及它们相互之间的交互方式，例如，天气模块产生降雨，降雨又与地表漫流模块有关，后者模拟出的水流进入河川，再流向水库和其它河流等等。其各模块间的集成是通过对数据定义和数据交换格式的严格控制来实现的。MMS建模系统在美国流域水文模拟中应用较为广泛。
5 结束语
综上可见，供流域水资源管理使用的水文模型非常之多。如何选择真正适合自己流域特点的流域水文模型，应重点考虑以下一些关键问题：
（1）使用模型的目的是辅助决策。大多数水文模型都有研究问题的侧重点，需要考虑模型输出的信息是否满足决策要求。
（2）模型的适用区。任何模型都有一定的假设和概化，因而有各自的适用范围，应充分了解模型的结构特点，确定其适应性。
（3）模型的当前状态。需要确认模型是试验性的、公共软件、还是完全商业化的？哪些区域已经成功地使用了它？模型最新的版本于什么时候？修改漏洞和扩展模型功能时需要作些什么？通常，更有用的模型都处于不断的完善之中并且有一个用户群，而且也能提供用户支持。
（4）模型的数据需求。流域水文模型各种各样，各模型都有其不同的原始数据需求。我们不可能奢求任何一种信息采集方案可以完全满足流域水文模型的数据需求，而不顾现有数据基础和落后的信息采集设施就盲目进行流域水文模型的开发同样是不理智的。流域数据的收集与流域水文模拟模型的研究和开发应该相互协作，同步进行。
（5）模型对不同数据源获取信息的能力。大多数流域水文模型软件具有数据输入能力，以尽量减少数据输入的工作量。对于空间数据输入，确定该系统具有格式转换、投影转换、插值和预测功能。有无电子表格数据格式输入功能等等？
（6）模型对用户的要求。用户必须有什么样的专业知识和技能才能成功运用模型？用户群有这些技能吗？用户需要运行一段系统才能掌握运转它的必要技能吗？通过检视模型的用户界面通常能够得到这些问题的答案，用户界面越完善，学习曲线越短；在线帮助越好，所需专门技能就越少。
（7）采用该模型软件的开销及可获得的技术支持状况。应该确定最初的开销，以及维护、培训、和支持的开销。安装系统、准备输入、学习系统和运行系统将花多长时间？在线材料、文本、文章、和源代码文档可供使用吗？是否有技术支持和培训？开支多大？
科学合理地选择流域水文模型是“数字流域”建设的重要内容，对于提高辅助决策能力和科技水平至关重要。只有流域管理者统筹兼顾、全面考虑、综合比较，才能选择出真正适合于自己流域的水文模型，才能使水文模型为提高流域管理现代化水平发挥作用。
转贴于 参考文献
[1]McDonald G.Michael and Arlen W.Harbaugh. A modular three－dimensional finitedifference groundwater flowmodel，United States Government Printing Office，Washington，1988.
[2]Beven KJ，Kirkby MJ.A physically based，variable contributing area model of basin hydrology[J]Hydrological Bulletin，1979，24:43－69
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[4]water.usgs.gov/software
[5]ocecer.army.mil/ll/landsimsurvey/homepage.html
[6]hydromodel.com/duan/hydrology
[7]夏军.水文非线性系统理论与方法[M].武汉：武汉大学出版社，2002.11
The Application of Distributional Hydrological Model of Water Resources Management to River Basins
WANG Xudong1， JIANG Yunzhong2， ZHAO Hongli2，LIANG Yuqiang1
(1Collge of Resource and safety Engineering， Chinese University of Mining technology， Beijing 100083;
2.Departmnet of Water Resources， China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100044，China)
气候变化对水文循环的影响范文5
地理水文学（GeographicalHydrology）与水文地理学（Hydro-geography）均属水文研究的地理学方向，与直接服务于水利工程的工程水文学有所不同。但研究的对象是一致的。50年代受原苏联学术界的影响，促进了我国区域水文的研究，并且形成了水文地理学的主题。俄语中的水文地理（гидротафия）与英语中的Hydrography涵义相同。后者于16世纪在欧洲用于水道（河、海）测量制图的描述［1，2］，在中译书刊中有人译为“水象学”。水利工程专业人员把水文地理作为水利的自然条件来看待，例如，地质、地貌、气候、植被、土壤等等背景，实际上是自然地理因素的特征描述。这里看不出对于水文与水资源本身规律的研究，不能有效地利用地理学原理深入研究水文现象。为此，我们强调水文学的地理方向或地理方向的水文研究。近年来的实践表明，水的问题直接关系到工农业生产与人民的生活，广泛涉及生态与环境等的方方面面［3］。水文地理学已突破了单纯的水背景研究。实际上，从1978年以后，中国地理学会水文专业委员会的历届全国水文学术大会上都强调人与水关系的研究［4-6］。
适应水问题研究发展的需要，并与工程水文学相配合，深化水文研究的理论与实践，地理水文学更可拓宽水文地理学的研究方向，发展内涵，有利于学科研究发挥自己的特色；促进水文研究与地理科学其它分支科学的横向结合，如气候学、地貌学、土壤地理学等，尤其是与人文经济地理学的结合，形成新的边缘学科领域和产生新的学科生长点；通过水与资源、社会、经济、生态与环境的广泛联系，有利于综合性研究优势的发挥，改变水文地理研究的传统方法与手段，增加计算技术、遥感遥测与信息系统方法的应用，提高研究工作的水平。
地理水文学的提出是一种发展，而不是对水文地理学的否定。两者既属于地理科学也属于水文科学。为了简化叙述，它们的关系可以用图1来表示：
图1地理水文学与水文地理学示意
Fig.Relationshipbetweengeographicalhydrologyandhydrogeography
显然，地理水文学与水文地理学均是地理科学（G）与水文科学（H）的公共部分，即集合G与H的交，有共同的元素为X，则：
G∩B＝｛X／X∈G，X∈H｝
只是水文地理学靠近地理学，而地理水文学靠近水文学。从我国地理部门的水文研究来看，针对区域和流域的单纯水文地理研究已相对减少，而水文水资源本身的研究相对发展。地理水文学在研究领域、深度层次、实际应用等方面均领先于水文地理学。
2回顾与研究现状
从30年代后期到80年代中期的研究回顾，见参考文献［1－3。结合当前，简要概括如下：我国地理学中现代水文学研究始于30年代末，从吴尚时先生的译著“江河之水文”为起始。50年代初，谢家泽、郭敬辉、施成熙、罗开富等为推动我国水文研究作出巨大贡献，50年代中期以后，以河流水文为主的水文研究迅速发展，包括边远地区河流水文调查与全国水文区划的研究。60年以后，从河流水文（包括河口水文）逐渐扩大到其它陆地水体，包括冰川、湖泊与沼泽水文及水文过程（如泥石流、洪水与森林水文影响等）的研究。同时，水文实验，包括定位半定位试验相继发展。70年代，特别是80年代以来，水资源问题与环境水文研究得以迅速发展。80年代中期以后，“人与水”和涉及全球变化的水文研究开始兴起，方兴未艾。
至于研究现状的归纳，择其主要方面分述如下：
2.1水循环与水平衡
作为水文基本理论的水循环与水平衡研究，正在宏观与微观尺度上不断扩展与深化。在宏观上面向全球。国际地圈生物圈计划（IGBP）强调的界面过程研究，正力图把描述全球物理气候系统的总循环模型（GCMS）与全球水循环模型相耦合。这一研究将提供量化与描述全球水文过程与未来变化的可能，其中包含自然变化与人类活动的影响。IGBP计划特别注重植被变化的作用，以便把人与生物圈（MAB）计划的研究紧密联系起来，这是目前国际上正在开展的一项巨系统研究。在我国结合IHP－IV计划（大气、陆地和水系统间的界面过程，气候变化和水文系统的关系，湿润热带、干旱半干旱区水文研究与水资源管理战略等）已有初步研究，目前正加强我国地理水文学与地学及生物学各分支学科的跨学科研究。
水循环研究除在国内已发展的各类流域水文模型外，正深入到单元尺度的细微观测与计算模拟，尤其是田间水分运动与交换过程的实验与计算研究。相对于宏观尺度的研究，我国在这方面已有一定的工作基础，如土壤－植物－大气连续系统的研究，发展了多种水体之间多种形式耦合系统的探讨；结合中国科学院生态台站网络的建立，开展不同地理带的水循环过程的实验，致力于揭示界面过程中水分、热量交换规律，例如，地下／土壤水、植物根系吸收、植物冠层辐射平衡、温度、总气孔阻力、边界层阻力、土面蒸发、土壤热通量等等。水循环或水量平衡研究，既是发展水资源确切评价方法的基础，也是农田节水调控、农业合理用水的依据，具有重要的意义和广阔的应用前景［7］。水循环的微观与宏观的结合表征水文科学理论的逐步完善化和系统化。
2.2区域水文与水资源
2.2.1区域水文近年来的主要进展表现在：
①定量分析技术手段有所加强，如应用模糊数学进行区域水文类型的研究，已有黄河流域的水文区划工作；应用有序量最优分割法，进行河川径流变化的研究；利用遥感技术进行地区水文条件的判读，包括对多时相卫星遥感图像分析区域水文动态等。
②区域水平衡研究进一步深入，如：中国科学院地理研究所进行的全国水量平衡与华北水量平衡的研究；长江流域办公室与黄河水利委员会提出的长江流域水平衡三要素分布和黄河流域水文要素时空分布及水平衡分析；各省区的水平衡研究，全国已有一半的省市提出研究报告［5］。在这些研究水平衡的工作中，多采用六要素的平衡计算方法。
③全国水文区划已完成初稿，这项工作开始于1984年，成果即将发表。
④特殊区域的水文研究也取得许多成果。如喀斯特地区、干旱区与半干旱地区、山区、平原地区、高寒地区与小岛的水文研究均有相当的研究成果发表。
2.2.2水资源从70年代后期开始，我国的水资源问题一直对水文研究起着导向的作用，而且经久不衰。有人甚至认为一门新的学科——水资源水文学正在兴起。这说明水文与水资源不可分割的关系。作者认为水资源的研究可以作为水文学延伸与拓广。但水资源学并不与水文学等同。水资源学与社会、经济有更直接的密切关系。1986年在南宁召开的第4次全国水文学术会议以来，水资源的研讨非常热烈：
①针对水资源的涵义，杨戊与刘昌明等分别提出了水资源的定义［8，9］。
②在区域水资源的研究方面，提出了对农业生产至关重要的土壤水的资源评价与利用［10-12］及农业节水的途径。这方面的研究与原苏联学者李沃维奇曾经展望的“水文学的土壤趋势”相呼应。
③在区域水资源研究方面发表了大量的论著，特别是对边远地区（如新疆、等地区）的水资源提出了比较系统的研究成果［13］。
④结合城市水文研究的开展，南京大学与华东师范大学对城市水资源做了一系列的工作，水资源规划与管理的研究比较突出。
⑤南水北调工程是我国水资源重大战略性工程，对缓解我国地方水危机有重大作用。由于引水线横跨江、淮、河、海4大流域，水资源的配置与联合利用是亟待研究的问题。针对这一问题，应用水文地理的系统分析取得了进展［14］。
2.3冰川、湖沼水文
全国第一次水资源评价中的冰川与湖泊水量均由地理部门完成［15］。中科院冰川冻土研究所计算分析得出全国冰川间积为58651km2，冰川储量为51322×108m3，冰川融水年径流量为563×108m3。这部分水量构成了我国西部地区水源的重要成分；中科院地理与湖泊研究所估算了全国湖泊总面积为71787km2，年贮水量为7088×108m3。中国科学院长春地理研究所估算出我国沼泽的面积约为10×104km2。
冰川与湖沼水文的研究，在我国主要集中在地理研究单位。在学术上有举足轻重的地位。在施雅风先生的倡导下，我国冰川的研究，取得迅速的发展。除水文调查外，冰川水的研究已深入到冰川的水量平衡与融水径流形成过程的机制方面，并提出了我国冰川水文学的研究专著［16］。
我国湖泊水文研究，在西北与东南地区都取得了重大进展。中国科学院新疆地理研究所，提出了亚洲中部湖泊的近期变化［17］的研究成果，为中亚湖泊水资源利用提供了科学依据。中国科学院南京地理与湖泊研究所毛锐，在太湖蒸发的长期研究基础上，针对1991年太湖水灾时期湖水位日变化分析得出排浅阻碍论据，对于世界银行为治灾投入资金的决策起了很大作用，显示了研究论文的价值。此外，1992年中国科学院地理研究所在南四湖蒸发的系统研究成果也通过了科学鉴定，发展了水面蒸发的计算模型［18］。
沼泽水的研究以东北三江平原的沼泽水文研究为代表，已获得了多年的科学积累［19］。
2.4水文过程与环境水文
水文过程在自然地理过程与环境变化的研究中具有极其重要的意义与应用价值。在水文过程的驱动下，导致地貌演化，流水造成侵蚀、搬运与沉积，起着地形的塑造作用；携带地表层化学元素的迁移、沉淀，对化学地理景观起着重要作用；对于地球表面的主要热量（太阳能）进行调节与传输，影响到气候的形成与变化；蒸发过程包含着生物界的一个基本生理过程——蒸腾作用，涉及到植物生长发育。在这个过程中，水与二氧化碳一起是构成植物碳水化合物的主要物质；另一方面，水文地理或环境条件又对水文过程发生影响，成为环境变化研究的命题。水文过程的研究近年来非常活跃。
2.4.1水文过程模型结合各地水文计算的需要，对产流与汇流发展了不同的模型。中山大学、南京大学、贵阳师大与成都科技大学等单位分别研制了岩溶地区水文模型［20，21］。结合流域地貌水系结构，中科院地理研究所等单位发展了地貌单位线方法，用于径流过程的计算。考虑土地利用对水文过程的影响，刘昌明、于静洁提出了森林拦蓄降雨极限量模型①，用于森林拦蓄降雨的计算问题。
①北京林业大学，国际森林水文模型班讲义，81－87，1990。
2.4.2水量转化近期，在我国平原地区，开展了“三水”（降雨、地表水与地下水）转化的研究，考虑到土壤水，称为“四水转化”，再进一步联系到植物水分，称为“五水转化”，这是研究工作的一种循回渐进，从简单到复杂的过程。这方面的研究由于采用了系统的观点和演绎方法［22］，使水量转化过程的理论得到了进一步的发展。这些进展表现出对水文过程研究的全面概括和预见性，揭示出界面水文研究的前景，同时，也丰富了自然地理过程的理论。
2.4.3环境水文主要探讨环境变化（包括自然与人为变化）造成水量与水质过程的变化，这一研究是以水文过程的理论为基础，计算分析各种水文要素对环境条件改变的响应。在研究方法上，目前主要采用鉴定评价法、模拟法以及外推法等［23］。近几年，国内环境水文的研究大多结合各地的环境保护规划与实施进行，如华北地区的水环境与上海市的水环境［24］。在一些薄弱的领域，如：地下水的污染，也开展了研究［25］。1990年国际地理联合会（IGU）在北京举行区域大会后，IGU执委会批准在中国建立了区域水文对气候变化和全球变暖响应的二级学术研究组织并推选刘昌明为主席，使环境水文的研究由较小尺度的研究转向更加宏观的大尺度环境水文研究。1992与1993年分别在美国华盛顿与中国拉萨举行了国际会议，研讨了全球变暖对水文与水资源的影响和高寒地区水文水资源对气候与全球变暖的响应［26］。这些学术活动推动了我国大环境水文的研究。
2.5实验水文
水文学理论的深入发展必须借助于实验研究。目前，水文的定位观测遍及我国的主要陆地水体，包括冰川、湖泊、沼泽与小河流的降雨径流、土壤水与地下水。比较著名的台站可以山东禹城水循环与水平衡试验站、太湖试验站、东北三江平原沼泽试验站与西北天山冰川试验站为代表，这些实验站纳入了中国科学院生态系统网络，覆盖了我国主要的生态类型区，为我国地理水文的理论与应用研究提供了最有力的支撑。实验的内容不仅包含了所有的水文要素的试验观测，而且结合了能量与溶质等不同地理地带的生态与环境条件的研究。在实验技术与手段方面，除了引进国外的先进仪器（如普遍配置土壤水分中子仪，太阳辐射仪等）外，根据实验与模拟的需要还自行研制了室内与野外实验装置［27］。配合对土壤－植物－大气系统（SPAC）的观测，设计了多种仪器的综合装置，发展了新的研究课题。
2.6应用性研究
结合国家与地方的任务，适应市场经济与生产需要，在国土整治、区域发展、城乡规划、工矿交通建设、大型水利工程生态与环境保护等许多方面，进行了大量的研究工作。在缺水的华北与西北地区的工作如节水农业［29］等。有些研究突出地理学的特色，如在华北平原进行的古河道调查［30］，为区域的水量调蓄工作，提供了重要参考。
3、21世纪地理水文研究若干问题
展望未来，地理水文的研究，将有广阔的发展前景。密切结合社会各方面对水日益增长的需求，适应市场经济的发展，考虑国际学术的发展趋势，面临着严竣的挑战和众多的机遇，研究工作任重而道远。下面提出的若干方面仅供商榷。
3.1水资源仍为研究主题
随着社会经济的发展和人口的增长，今后应以地理水文与工程水文相结合，为水资源评价、开发、利用、管理和保护提供水资源水文的科学依据，深入水文规律的研究，创造新的水文分析方法。由于供水量的不断增长引起废弃水的增加，水质的研究和地下水及一些新水源利用，将会更加迅速地发展，不断扩大规模或尺度的人类活动对水资源的影响，包括三峡大坝与南水北调等超大型水资源工程的影响，将为地理水文研究提出新课题。
3.2全球变化与地理水文
埃里克·巴伦提出的通用循环模式（GENESIS）进一步发展了全球增暖的认识。对全球变暖引起的水文水资源变化的研究，是我们责无旁贷的任务。中国是世界大国，幅员辽阔，大约跨4°－53°N之间，水资源对气候变化的响应是非常复杂的。主要特点是：
①因纬度带而异；
②水文水资源量的响应属非线性（见图2）；
③水文的变异，包括极值，有随温度升高而俱增的特点。这些特点会影响到水资源开发利用的规划与管理。因此，必须开展全国不同地理区或纬度带的水文水资源对全球气候变化响应的研究，并为水资源未来情景作出预测。
图2年径流（R）对气温（T）与降水（P）的响应
Fig2AnnualRunoffResponsetoAnnualTemperatureandPrecipitation
3.3全球能量与水循环实验（GEWEX）
GEWEX是一个跨世纪的国际研究计划，它属于世界气象计划（WCP）的内容，横向与水文学的研究相结合。研究计划在1990年制定，1995年以前属准备阶段。我国早在50－60年代已由黄秉维先生提出了与其基本相同的课题，即“热水平衡”的研究。因此，在我国开展这一工作已具备了一定的基础。特别是目前正在建立的中国科学院生态台站网络，将为开展GEWEX的研究和国际间的合作提供良好的条件。由于GEWEX的研究需要解决大小尺度空间系统的耦合问题，今后的研究从我国的实验观测台站来看，存在着小尺度能量与水分运动的计算，如何在尺度上延伸或升级（Upscale），当然，全球大尺度的模型，也需要考虑尺度的降级（Downscale）。随着GEWEX研究向21世纪的迈进，水文与气候学在大尺度上的结合，将会产生出崭新的成果，发展新的前沿。
3.4水文循环的生物圈方面（BAHC）
在国际地圈、生物圈计划（IGBP）中，BAHC是核心计划之一。这与1966年澳大利亚著名土壤－水文学家菲利浦提出了土壤－植物－大气连续系统的研究一脉相承。1992年已在法国召开了国际学术讨论会，欧洲与北美及澳洲均在开展研究，加拿大国家气候中心立项作为专题项目。
BAHC作为IGBP的核心研究项目，将密切配合国际地圈、生物圈计划的研究，旨在通过植被对水循环实现调控。在我国地球与生命科学的一些研究单位也正从实验的途径开始工作。由于水循环控制关系到水资源调蓄利用，这项研究不仅具有重要的应用前景，而且结合IGBP计划将促进一门新的水文学科——宏观生态水文学的发展。
3.5过度或交错带（Ecotones）的水文问题
Ecotones原意为群落交错带。随着环境变化的深入研究，提出了生物多样性的问题，Ecotones是环境水文问题研究的延伸。根据人与生物圈（MAB）的活动计划，1993年7月，在法国里昂召开国际地下水与地表水交错带的国际学术研讨会，主要有以下三方面的议题：
①地下水与地表水界面的作用。
②地下水与地表水界面的障碍：原因与评价方法。
③地下水与地表水界面的管理与恢复。在我国Ecotones尚属一个新的研究领域，目前国内水文地理与化学地理工作者正在着手开展Ecotones的研究，除了地表水与地下水交错带外，河湖与陆地过渡带Ecotones也开始研究，预计未来其它交错带的研究也会逐渐发展，这一研究作为水文学与环境学的交叉研究课题需于重视。
3.6雨水资源化
雨水资源化顾名思义是雨水利用的问题，80年代以来热衷于这一研究的各国学者已举行了六届大会和多次区域性会议，1992年10月在日本东京都召开了国际雨水资源化区域会议。1993年8月初在肯尼亚内罗毕召开了第六届会议，说明雨水利用问题深受各国学术界的重视。
1989年8月初在菲律宾召开的第四届国际大会上，酝酿成立了“国际雨水收集系统协会”（IRCSA）并推选了美国夏威夷大学水文学家，美籍华人霍雨时为该协会的第一任主席，该协会的成立进一步推动着雨水利用的研究。
雨水利用的研究应用前景广阔，其内容也甚为广泛，特别是对我国广大农村农户的供水、对缺乏河川的渔岛、远离地表水源的山村等有很重要的意义，拓宽的雨水利用还包括雨云的研究（和人工增雨），屋顶雨水的收集技术以及水质保存的方法、雨洪的调蓄等等。对于我国缺水的北方与南方石灰岩山区。地表水缺乏的地区，雨水利用的研究可望缓解局部地区的缺水问题。在我国降雨分配不均的情况下，这一研究的意义不言而喻。1985年6月将由中国地理学会水文专业委员会与组织在我国召开第七届IRCSA大会，可望推动我国的雨水资源化研究。
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气候变化对水文循环的影响范文6
关键词：低碳；生态效益；热岛效应；碳汇
Abstract: This paper take the greening of residential area as the main research object, from the green has to guide residents to form a low carbon lifestyle, improve residential local spatial light, thermal environment, enhance carbon sequestration abilities to analyze Ji'nan city residential district green space system design problems. In the " low carbon " concept under the guidance in the light of the current situation, problems of continuous green space system, high carbon composite, stereo virescence design, low impact development pattern of green space design strategy, exploration develops residential green biggest ecological benefit plan pattern, alleviate human activities on natural environment impact, hope for our country future residential district green space system design and construction to provide the certain reference significance.
Key words: low carbon; ecological benefit; heat island effect; carbon sequestration
中图分类号：TF761+.2文献标识码：文章编号：
1.引言
近年来气候变化、环境危机成为人们关注的焦点，普遍认为碳排放是影响全球气候的主要因素。从排放源头看，城市是人口、建筑、交通、工业的集中地，自然也是高碳排的综合体。根据美国研究资料表明，建筑碳排放约占总排放量的39%，交通占33%，工业占28%[1]。就城市下垫面而言，只有绿地（包括景观水系）是抵消碳排放的。根据《城市建设用地分类标准》，绿地占城市建设用地的8%-15%，居住用地占25%-40%，而《城市居住区规划设计规范》规定新建居住小区绿地率不得低于30%，可见分布广泛的住区绿地是提高城市碳汇强有力的补充。同时绿地是有效缓解城市热岛效应的方式之一，也是构成城市慢行系统的物质空间载体。住区绿地系统设计是提高城市人居环境品质的有力实施途径。
2.住区绿地系统设计存在的现状问题
2.1斑块化设计不利于引导低碳生活方式
快速城镇化带来了大量的住房建设，由于对稀缺土地资源的激烈竞争导致城市空间杂乱无章。在缺乏公共管治的情形下，私有管治应运而生。代表私有管治的“门禁小区”是开发公司能够在质量参差不齐的城市环境中为中、高产阶级提供优美居住环境的唯一选择[2]。以济南名士豪庭居住小区为例，良好的入口景观设计提升了小区形象。但是，门禁小区建设的直接结果就是将宜人的绿化景观变为少数人的私家花园，无形中造成了城市景观资源的浪费，切断了原本可以连续的步行系统。这种斑块化的绿地现状，降低了人们最健康最低碳出行方式的概率，增加了高碳出行的分担率。
住区绿地斑块化设计，使每一块绿地因缺乏归属感而丧失了为居民提供公共活动空间的初衷，形成无人问津的“绿块”，丰富多彩的室外活动也因此受到限制。人们在室内活动时间越长，使用能源增加建筑碳排放量愈大。
2.2绿地率与碳汇功能缺乏相关性
从本质上看，土地利用变化是引起碳汇与碳源之间相互转化的根本因素。绿地率是反映住区绿化环境的指标，但是不能体现碳汇能力[3]。比如，绿地率均为35%的小区，一个全为绿化草坪，另一个由乔木、灌木、草坪有机搭配而成，那他们的绿地碳汇功能将相差甚远。现在多数住区建设往往更注重面子工程，采用“杀头、截肢、去叶”等技术栽植乔木，配合以大面积的草坪来实现绿化要求，并没有本着改善住区小气候、提升住区居住品质和提高植被碳汇的目的进行设计施工。
住区碳排放主要来自于建筑和交通，建筑碳排放以人们对能源的使用为主。随着人类改造活动的加剧，城市的建筑、广场、道路不断增加，绿地、水体等自然要素相应减少，加之太阳辐射、通风不畅、空调排气、人类密集活动带来的能耗所产生的热量使得城市热岛效应愈演愈烈。热岛效应致使城市年平均气温比郊区高出约3℃，夏季，局部地区甚至比郊区高出6℃以上[4]。为了降低室内气温和促进室内空气流通，人们不得不使用空调等大功率用电器。济南市住区规划现状缺乏对立体绿化（屋顶绿化和墙体绿化）的设计，立体绿化本身的碳汇能力可能不强，但可以有效改善居住建筑室内光、热环境，降低对人造能源的依赖而实现“汇碳”功能。所以，笔者认为低碳住区的绿地率，应结合其实际碳汇功能确定指标体系。
2.3绿地生态效益得不到充分利用
绿地不仅能净化空气、降低噪音，还能净化水质、涵蓄水源。传统的雨水排水规划设计以快速排除雨水为出发点，一般采用抬高住区绿地景观标高，加快雨水地表径流，将建筑、场地、绿地中的雨水快速汇集到小区道路，然后一并汇入排水管网。这种排水方式忽视了绿地对雨水的净化和滞留作用，反而更容易出现城市内涝的局面。由于缺乏对绿地生态效益的有效利用，才造成了近两年大城市相继出现雨季“看海”的无奈风景。大量的雨水流失，既加大了排水过程能耗（加压泵站），污水处理厂的处理能耗，更造成了城市面源污染、内涝的危险及水资源的浪费。
3．低碳住区绿地系统的优化设计
3.1引导低碳生活方式的连续绿地系统
随着科技的进步，各种电子产品进入人们的生活，根据调查，六成以上的家庭主要活动为看电视、上网。但是，闲暇时间城市广场、公园内活动人群几近饱和，说明人们还是有强烈的室外活动欲望，只是缺乏相应的场所设施。居住区级公园、小区中心、组团中心等公共空间因“门禁小区”的存在不成系统，无形中浪费了良好的空间序列。人们需要开放、连续且有一定归属感的活动场地。连续既有物质空间上的形态连续，也有生活轨迹上的时间连续。将人各时段的生活习惯与物质空间相结合，才能构成富有城市活力的公共生活空间。绿地是公共空间重要的载体，绿地的设计不应孤立对待，应与人们生活息息相关的商业设施、教育设施、广场等构成一个有机的整体，既满足人们休闲需求的同时，还能达到购物、接送孩子的目的。研究表明，街坊尺度控制在150-200米最适宜慢行，住区可采取“小封闭大开敞”的管理模式，既满足私密性的要求又将组团间的绿地资源共享，利于营造连续的步行景观系统。
基于这样的设计之上，笔者提出“每天一小时”理念，即通过连续公共空间的设计，培养人们形成每天在户外活动至少一小时的生活习惯。户外活动意味着人们可以脱离建筑环境，不再使用任何室内能源。按每户平均用电器功率为200W，则每户每天节省0.2度电，统计资料显示，济南市2010年末共有112.91万户，不难得出户外一小时的低碳生活方式每天可节约用电22万度，按生产1度电排放960g碳，则每天可减少碳排放约200多吨。人是城市的主体，也是碳排放的控制源头，即使再先进的低碳技术离开了人的支持将不能发挥原有功能，因此，住区实现低碳的根源离不开人的配合，低碳的生活方式起着举足轻重的作用，而引领这种生活方式的物质空间形成需要规划设计师用心思考和推敲。
3.2高碳汇的复层、立体绿化设计
城市热岛效应加剧，增加和优化绿地系统是缓解热岛效应的重要措施之一。设计合理的小型绿地、屋顶绿化、立体绿化一起成为改善局地气候的主力军。就绿地规划设计和建设而言，首先应形成乔木、灌木、草坪复层的绿化形式，充分提高植被的碳汇能力。在植被选择上，尽量选取当地地带性物种，他们具有较强的水热适应性，并且能够增加城市绿化的生态服务功能。其次是屋顶绿化和墙体绿化，这种建筑维护结构的碳汇能力有限，但是可以从环境中吸收热量，降低夏季建筑物室内温度，进而降低空调使用率。
科学证明，每公顷绿化从周围环境中吸收的热量，相当于189台空调的制冷作用[5]。可见它们的吸热能力间接实现了“汇碳”功能。屋顶绿化的施工，可以通过在平屋顶屋面荷载允许的范围内覆土种植植物，对不能覆土的现有建筑可在屋顶设计种植地，种植攀爬植物，任其生长覆盖整个屋面。墙体绿化是绿化中占地面积最少绿化面积最大的一种形式。这种立体绿化不仅增加了城市的美感改善建筑光热环境，同时也为居民提供了一份宁静与悠闲。对于绿地率我们应进一步探索研究能够反应其碳汇能力的指标体系，以此来出具住区规划设计条件，真正达到绿地作为城市之肺的功能。
3.3低冲击开发模式理念下的绿地设计
低冲击开发模式是解决城市与生态基质共存之道，指的是城市规划建设尽可能不改变原有地表水的径流分布，尽可能使地表透水，也就是说以尽可能少的干扰地表和地下水系的模式规划建设城市[2]。绿地作为城市软质下垫面的代表，它的设计应遵循了低冲击开发模式理念，维护了城市原有自然水循环体系。
低冲击开发模式住区绿地水循环设计与传统住区雨水排放规划不同，前者强调对雨水源头的控制。城市降雨后，先由屋顶储水（屋顶绿化），多余雨水由雨落管接入建筑周围的雨水花园②进行渗透，道路及硬化场地的雨水先排入周边低凹的植被中，满溢出来的再进入住区雨水储存系统，然后再溢到城市排水系统。我们应打破传统的竖向设计模式，采取“建筑标高＞道路标高＞场地标高＞绿地标高”的竖向设计，将所有雨水的首先汇集到绿地中，经过充分吸收、滞留、净化、储存，再流入设计在绿地中的排水口。这样既节约了城市水资源又缓解了因径流过大而产生的城市内涝。根据有关研究结果，当绿地下凹5-10cm时，能够消纳和自身相同面积不透水地面的雨水[7]。低冲击开发模式理念下的绿地设计有利于自然水文循环，缓解城市供水压力、节约用水，还可以通过绿地的驻留渗透作用有效控制城市的面源污染，使用地开发后尽量接近开发前的水文状态，实现人、城市、水的和谐相处。
4结语
作为城市基本构成单元的住区是低碳城市最重要和具有操作性的平台，影响住区碳排放的因子很多，包括建筑排放的硬因子以及与人们生活方式相关的软因子。绿地恰恰具有缓解城市热岛效应改善局部小气候的功能，能够有效调节建筑光、热等物理环境，从而降低人们对人造能源的依赖度；连续的绿地系统设计可以引导人们养成低碳生活习惯；同时绿地也是城市中受人为干预最少的地块，通过对绿地形态的设计和植物种类的选取，增加碳汇能力，使其成为城市能源、资源循环的媒介。人们对低碳住区的概念始终停留在“高科技、高成本”的认识上，缺乏对大自然自身功能的深入挖掘。俗话说“不积跬步无以至千里，不积小流无以成江河”，我们应更加注重从减少住区碳排放的每个细节着手设计，自下而上完成低碳城市的建设。
注释:
①住区：相当于居住区级别，泛指城市中心区或边缘区以居住功能为主，由城市干道围合面积在50-100公顷左右，且含有相应公共设施和基础设施的城市居住区域。
②雨水花园：是自然形成的或人工挖掘的浅凹绿地，被用于汇聚并吸收来自屋顶或地面的雨水，通过植物、沙土的综合作用使雨水得到净化，并使之逐渐渗入土壤，涵养地下水，或使之补给景观用水、厕所用水等城市用水。
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