Research advances in eco-hydrological process and function

Present studies on the coupling relationship and hydrology mechanism between basin ecosystem and hydrological process has become an international research frontier in hydrology. This paper investigates this coupling relationship, and also summarizes research and presents a method of combining isotopic technology with hydro-chemical methods, for the study of eco-hydrological process and function in different landscape zones. We then examine research trends for future direction and development of this field.     

流域生态水文过程与功能研究进展

 探讨流域生态系统与水文过程耦合关系及水文机理是当今水科学的前沿问题。通过阐述流域生态水文过程与生态水文功能的国内外研究进展,同位素技术在生态水文研究方面的应用进展。提出了应用同位素技术、水化学方法与景观格局分析法相结合来研究流域不同景观带水文过程及生态水文功能,来探讨不同生态系统与水文过程的耦合关系及水文机理,开展流域地下水-土壤-植被作用层水文过程研究。最后展望了今后的研究趋势和重点研究工作,指出了未来的发展方向。     

湿地水文过程与植被响应研究进展与案例分析

生态水文学是20世纪90年代兴起的一门研究生态过程和生态格局水文机制的新学科。湖泊湿地作为中国5大类天然湿地类型之一,湖泊湿地生态水文学的研究业已成为生态水文学的研究的一个重要对象和分支,其核心在于研究湖泊湿地生态系统中多时空尺度的水文与生物格局、过程的耦合特征及其相互作用。论文首先概述了湖泊湿地生态水文学的研究进展,包括其基本理论,内涵、外延及其主要研究内容;凝练了湖泊湿地生态水文学研究的方法体系、思路及框架;针对目前湖泊湿地生态水文学研究中存在的问题及薄弱环节,提出了湖泊湿地生态水文学未来研究的发展趋势和亟需加强研究的重点方向。在此基础上,以长江中游的典型通江湖泊湿地——鄱阳湖湿地为例,通过开展的湖泊湿地生态水文过程与模拟研究的典型案例,阐述了鄱阳湖湖泊湿地生态水文过程的变化及其植被响应研究的最新进展和研究成果。论文对于构建涵盖湖泊湿地水资源、湖泊湿地生态景观格局与流域管理、湖泊湿地生物多样性保育以及湿地资源可持续利用与生态管理等方向在内的战略研究体系,完善湿地生态水文研究与流域生态与管理的技术支撑体系具有重要的指导意义和实践价值。     

流域生物地球化学循环与水文耦合过程及其调控机制

流域生态系统的水文和生物地球化学循环通过水文通量的物理作用紧密耦合,其时空尺度的物质和能量耦合为流域生物地球化学过程的物质平衡和能量流动提供重要基础。通过研究流域尺度生物地球化学循环—水文耦合过程,将更加深刻揭示水循环驱动下陆地—水生生态系统碳氮循环与人类活动及气候系统的生物学、物理学和化学过程的耦合机制。本文综合阐述了流域生态系统的时间、空间以及时间—空间尺度的生物地球化学循环与水文耦合特征,揭示营养元素循环在时间—空间尺度上的耦合特征,通过大气、陆地、河流、河口和海洋系统形成了一个连续体并由水、气体和气溶胶通量进行物理连接;分析流域营养物质的生物地球化学循环与水文耦合过程随着时空尺度在大气—陆地界面、陆地—河流界面以及河口—海洋界面的耦合变异性;最后通过流域生态化学计量特征及水陆交错带对营养物质输出的调控分析耦合过程的生物学调控机制,以提高对流域景观水平的生态水文、生物地球化学和生态动力学的理解。     

扎龙河滨湿地水系统脆弱性特征及影响因素分析

在总结分析国内外水资源脆弱性研究成果的基础上，提出了湿地水系统脆弱性概念，湿地水系统脆弱性表征了在湿地水文-生态系统耦合演化背景下水系统的生态水文功能满足程度，并以著名湿地-扎龙湿地为靶区，分析了湿地水系统脆弱性内涵和特征，详细讨论了降水量、气温、土地开发、水利工程建设及工农业污染对扎龙河滨湿地水系统脆弱性的影响，相应提出了减轻脆弱性程度的扎龙湿地水系统恢复措施和管理建议。     

湿地生态水文过程及其模拟研究进展

在明确生态水文学相关概念的基础上,概述了湿地生态水文的研究历程和目前的研究热点。总结和分析相关文献发现,湿地关键水文过程在不同时空尺度的变化规律、湿地生态过程和水文过程的耦合作用机制、多尺度湿地生态水文过程的模拟与调控是目前湿地生态水文学的热点研究内容。总体而言,湿地生态水文研究已经由关注单一类型湿地水文过程向研究多类型湿地之间的水文连通维持机制转变,重点在于揭示不同时空尺度湿地水文与湿地生态系统之间的相互作用规律,阐明水文情势与生物群落、生态系统之间的作用与动态反馈原理;发展多维时空尺度的水文情势与湿地生态系统格局与过程交互作用的生态水文模型,旨在为湿地生态系统结构与功能修复提供理论与技术支撑。     

流域城市化对湿地生态系统的影响研究进展

城市化是人类社会发展的必然趋势和现代化的必经阶段,同时城市化也对区域湿地生态系统产生重要影响。从城市化的水文效应、城市化对水环境的影响和城市化产生的气候变化对湿地生态系统影响3方面综述了城市化对湿地生态系统结构和功能影响的研究进展。城市化引起流域内人口增加,通常伴随商业和工业活动的增加,这些活动需要更多的城市土地,从而导致流域内不透性增加,这给流域内湿地生态系统造成了重要的影响,表现为:①城市化所及地区的产汇流过程发生显著变化,导致湿地径流的调节作用和维持生态系统生产力的作用发生退化;②城市地表径流中含有大量的污染物质,致使对湿地水环境、水生生物、野生动物栖息地都产生了重要的影响,并污染城市饮用水水源,危及人类健康;③城市化导致流域气候变化,影响湿地水文、生物地球化学过程、植物群落及湿地生态功能等。最后,指出了国内外城市化对湿地生态系统影响研究的不足之处,对国内外的研究趋势进行展望,并对国内的研究提出了几点建议。     

Important progress on the use of isotope techniques and methods in catchment hydrology

The use of isotope techniques and methods in catchment hydrology in the last 50 years has generated two major types of progress: (1) Assessment of the temporal variations of the major stocks and flows of water in catchments, from which the estimation of wa-ter residence times is introduced in this paper. (2) Assessment of catchment hydrologic processes, in which the interactions be-tween different waters, hydrographical separation, and bio-geochemical process are described by using isotopes tracers. Future progress on isotope techniques and methods in hydrology is toward the understanding of the hydrological process in large river basins. Much potential also waits realization in terms of how isotope information may be used to calibrate and test distributed rainfall-runoff models and regarding aid in the quantification of sustainable water resources management.     

陆面水文—气候耦合模拟研究进展

陆面水文过程是全球/区域气候模式十分重要而又十分薄弱的环节。本文通过科学文献计量法,分析了陆面水文—气候耦合研究的发展状况及研究热点和趋势,并进一步对研究中存在的问题和挑战进行综述和探讨。现有多数气候模式中的陆面模式主要基于一维垂向结构设计,缺乏对流域尺度水文过程的精细描述,尤其缺乏下垫面人类活动影响的描述。因此,为了科学认识水文过程与气候变化的相互反馈作用机制,大量研究主要通过耦合流域水文模型与气候模式,研究不同时空尺度下水文过程变化的气候反馈效应。陆面过程模式中水文过程的改进和大尺度水文模型发展为陆面水文—气候耦合模拟奠定基础,在此基础上,陆面水文—气候耦合研究正从传统的单向耦合研究逐步发展为考虑气候—水文反馈的双向耦合研究。然而,双向耦合研究远未成熟,其问题集中表现为陆面水文—气候模型耦合过程如何匹配并提高系统稳定性、研制有效的尺度转换方案、完善参数化方案并评估参数不确定性、研制有效参数移植方法并提高模型适用性以及高分辨率甚至超分辨率模拟等方面,逐步解决上述问题并提高模拟精度是未来水文—气候耦合模拟研究的重要发展方向。     

Isotope hydrograph separation in alpine catchments: a review

Isotope hydrograph separation (IHS) is a basic tool in applied hydrology. Its application has expanded to surface water and groundwater interaction, and eco-hydrological processes from runoff generation processes. This paper reviews the progress made in IHS for alpine catchments, with emphasis on its significance in reflecting the impact of global change on water resources. Also, the principle of IHS and its uncertainties are explained in detail. The mechanism of variation of stable isotopes in snow-melt water is discussed, and then methods are presented to improve the separation during snow-melt such as volume weighted average method (VWA), current melt-water method (CMW) and runoff-corrected event water approach (RunCE), with their advantages and disadvantages explained. New approaches may extend the applications of IHS, for example, large basin studies combined with GIS, and develop new theories of runoff generation combined with other parameters such as deuterium excess and DOC     

社会水文学和城市水文学研究进展

进入人类纪尤其是近数十年来,人类活动对水文过程的影响愈来愈突出,愈来愈强烈,许多新的问题用传统水文学理论难以给出合理的分析和解释,因此,作为两个关注人类活动影响的水文学分支学科,社会水文学和城市水文学受到越来越多的关注。随着人水互动关系的增强,水文系统和人类系统逐渐演变为一个耦合系统,为研究其互馈关系和协同演化过程,社会水文学应运而生。城市是人类活动与自然系统相互影响最剧烈的部分之一,城市区域水循环问题日趋复杂,由此诞生了城市水文学。这两个学科的研究,对水资源和与其相关的经济社会发展的中长期规划和管理,指导城市规划建设、增强城市水安全和改善城市水环境具有重要意义。本文梳理了两个学科的发展规律,总结了研究特点。分析了两个学科的研究现状和发展趋势,包括社会水文学对社会因子的研究、典型流域的案例研究、不同案例的对比研究、模型模拟研究;以及城市水文学中城市化对降水和洪涝灾害的影响研究,城市化与生态环境响应关系的研究。本文探讨了两个学科的重点研究领域,如社会水文学中的本构关系研究、比较社会水文学研究、交叉学科研究等;城市水文学中的城市化对水文过程影响机理及模拟研究、城市暴雨洪水监测与预测预警技术研究、城市雨洪管理和资源化利用技术研究等。     

延河流域景观格局与生态水文过程分析

延河流域作为典型的黄土高原丘陵沟壑区,水土流失是最主要的生态环境问题,其生态环境治理能为整个黄土高原生态恢复重建提供典型范例,因此评价延河流域景观格局变化对水文过程的影响,对流域景观格局与水文过程的研究具有重要的科学价值和现实意义。本文通过利用SWAT模型模拟的延河流域的41个子流域的水文响应单元,建立延河流域的“源—汇”水文响应单元景观格局指数,通过计算不同地形条件下水文响应单元随着坡度变化的面积累积百分比,构建了新的“地形—水文响应单元 (Slope-HRU) 综合景观指数”。并与SWAT水文模型所模拟获得的子流域径流量、产沙量进行相关性分析,评价“地形—水文响应单元 (Slope-HRU) 景观指数”对水文过程的表征能力和适用性。结果表明：在子流域尺度上Slope-HRU景观指数和产沙状况存在明显的区域分异规律,而且R值空间变异情况基本上与产沙量的空间变化规律相反,即R值呈现由南向北,由东向西递增,而产沙量由南向北,由东向西递减。R值与年产沙量在数值上呈显著相关关系,相关系数为-0.60;再将Slope-HRU景观指数与所选取的7个常用景观格局指数相结合,构成新的综合景观指数,发现它们与子流域的产沙量耦合关系明确,均显著负相关,相关系数绝对值范围为0.43~0.63。     

湿地水文学研究进展及科学前沿问题

湿地水文过程控制湿地的形成与演化,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、湿地结构与功能,湿地水文研究是认识湿地生态系统的结构、过程与功能的主要内容。湿地水文情势分析涉及湿地的降雨-径流、湿地蒸散发、湿地地下水运移等主要过程。湿地水循环及水量平衡是湿地水文情势和过程研究的综合,关系到湿地水文循环过程的各个方面。湿地水文过程、边际效应和参数特征及对不同尺度水周期的响应与功能差异等是现代湿地水文研究的重要科学问题。     

城镇化对湿地的影响研究进展

湿地是人类生存和发展的主要环境之一,城镇化进程严重影响了湿地生态系统。从城镇化对湿地的景观格局、水文、生物多样性影响方面综述了城镇化对湿地生态系统影响的研究进展。研究发现城镇化改变了湿地的景观格局,使湿地面积不断减少,景观破碎化,湿地异质性增大,连通性降低。城镇化改变了湿地的水文条件,使天然调蓄能力减弱,径流系数增强,洪峰流量增大,水土流失加重,河网和水系结构特征改变,水质受到严重影响。城镇化降低了湿地生物多样性,使物种丰富度和分布降低,珍稀物种因丧失生境而灭绝,生物入侵增强,进而导致种群组成和生态系统的功能发生变化。最后提出了在全球变化背景下城镇化对湿地影响研究的新方向及其保护措施建议。     

水文水资源系统对气候变化的响应

分别从水文系统的降水、蒸发、径流和土壤水分及水资源系统供水、需水和水资源管理等方面综述了区域水文水资源对气候变化的响应,提出了作者的看法。自从工业革命以来,由于人类改造自然界的能力日益增强,使大气中CO₂及其它温室气体的浓度大幅度上升,导致温室效应,使全球气候变暖,对天气系统、生态系统及水文水资源系统等带来重大的影响。     

景观连通性理论在城市土地适宜性评价与优化方法中的应用

针对传统的土地适宜性分析方法忽略景观水平生态过程的问题,本文将景观连通性理论应用于土地适宜性评价方法的不同阶段,以达到优化城市生态系统的目标。首先选择影响生物水平流动的主要要素作为评价因子,应用于长沙市望城区滨江片区,确定案例区的土地适宜性评价结果,建构城市土地景观过程阻力评价体系。通过水文连通性分析方法及分布式水文模型确定案例区的潜在雨水生态廊道,将之与土地适宜性评价结果进行加权叠加,根据评估结果,提出案例城市土地适宜性评价的优化方案。结果表明:景观连通性方法适用于传统城市土地适宜性评价方法的改进以及评价结果的优化。     

泾河流域上游景观尺度植被类型对水文过程的影响

选择具有土石山区的泾河流域上游为研究对象,应用生态水文模型SWIM对上游景观尺度下各植被类型水文效应进行了模拟,并针对上游土石山区和黄土区分海拔段进行了植被分布的水文格局影响分析。结果表明：泾河流域上游的森林、农田、草地各植被类型的蒸散及组分、径流深和土壤深层渗漏各水文过程具有显著差异,不同区域（土石山区和黄土区）的同一植被类型的各水文过程明显不同;同时,植被景观格局存在区域和海拔差异,这使得不同区域和海拔段的各水文过程有所不同。如在土石山区,以森林为主的海拔段2 250-2 922 m降水量和蒸散量均最大（分别为641 mm和484 mm）,以农田、草地和森林均有分布的海拔段1 750-2 250 m降水量较大（590 mm）,但蒸散量最低（仅为434 mm）;而在较为干旱的黄土区（降水量为514 mm）以农田和草地为主两个海拔段（1 026-1 350 m和1 350-1 750 m）的蒸散量较高（分别为458 mm和440 mm）。另外,从各水文过程要素与降水的比值看,两个区域之间差异比较明显,但同一区域不同海拔段间差异不明显。     

基于生态水文学的黄河口湿地生态需水评价

根据生态系统保护的要求,以提高生态系统承载力、保护河口生态系统完整性和稳定性为原则,以促进区域生态系统的良性维持为目标,从生物多样性保护的角度,研究确定了23600hm^2的黄河三角洲应补水的湿地恢复和保护规模。在此基础上,采用景观生态学的原理和方法,在湿地植物生理学、生态学、水文学研究基础上及遥感和GIS技术的支持下,研究水分—生态耦合作用机理,建立基于生态水文学的黄河口湿地生态需水及评价模型,并运用预案研究方法和景观生态决策支持系统的规划评价思想,预测和评价了黄河口湿地不同补水方案产生的生态效果,重点研究了丹顶鹤、东方白鹳、黑嘴鸥等指示性物种适宜生境条件与湿地补水后的生态格局变化。评价结果表明,黄河三角洲湿地具备东方白鹳及丹顶鹤等保护性鸟类的繁殖和越冬的潜在生境条件,但其生境质量并不十分理想,通过湿地补水,作为珍稀鸟类重要栖息地芦苇湿地面积从现状的10000hm^2增加至22000hm^2,生态承载力大幅提高;研究在统筹黄河水资源条件、水资源配置工程措施和湿地生态系统综合保护需求后,推荐提出了黄河三角洲湿地恢复和保护的3.5亿m^3黄河补水量及补水时期。     

森林水文学研究综述

本文从近年森林作用讨论入手,回顾了20年代以来森林水文各领域所取得的成果。