基于模块的分布式水文模拟系统及其应用

由于水文循环过程的复杂性和空间变异性,集成不同的水循环模型,基于模块化结构、构建面向多目标的水文模拟系统已经成为当今水文模拟技术发展的一个重要方向。本文从科学研究和水资源管理的实际需要,首次研发国内基于模块化的分布式水文模拟系统,并提出了“信息化水文模拟系统(HydroInformatic Modeling System, 简称HIMS)”。HIMS是一个以水循环信息平台为基础,基于组件式结构设计的开放式综合水循环模拟系统,侧重于分布式水文过程的模拟与应用。文中对HIMS的设计思路,主要功能与结构进行了详细介绍,包括基于国产GIS软件SuperMap的水循环信息系统、模型数据前/后处理系统和水文模型方法库系统。其中,HIMS的水文模型方法库系统集成了水文过程方法库和多种水文模型,并提供定制水文模型的功能。HIMS的提出发展了水文模型理论和建模技术,拓宽了国内分布式水文模型的研究思路。     

贡嘎山山地暗针叶林森林生态系统水循环及其空间分异规律

在全球气候变化下背景下,山区水循环加剧、水文过程和水资源变化更加复杂,客观认识变化环境下山区流域的水循环规律及其与气候、植被、土壤的相互作用机理,是全球变化及人类社会可持续发展共同面临的核心问题。本文从森林空间异质性结构对生态系统蒸散发、土壤水分、水量平衡和水碳关系的影响研究,结合国内外研究进展,系统阐述了贡嘎山高山生态系统观测试验站目前的研究工作和取得的研究结果。此外,针对复杂山地条件下生态系统水循环研究,提出了未来山地水文学重要的研究方向:系统开展土壤-植被-大气连续体(SPAC)系统下各连续体介质相关研究工作;开展生态水文过程多尺度综合研究;开展能够准确模拟山地水文过程的模型模拟工作。     

湿地水文研究的若干热点问题

湿地水文研究是认识湿地生态系统的结构、过程与功能,进行湿地生态保护和恢复重建以及水资源合理配置的前提与基础。重点对湿地水文研究的几个热点问题进行了评述。这些问题包括,全球气候变化与人类活动影响下的湿地水文响应;湿地水文过程对湿地生态系统的影响机制;湿地水循环过程与水文模型。在此基础上,提出了基于水循环模拟的流域湿地水资源合理配置的基本思路,并对目前中国湿地水文亟待研究的重要议题进行了阐述。     

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。     

黄河流域水循环研究的进展和展望

总结了黄河流域水循环研究的进展,指出缺乏立足于水循环整体的机理过程的探讨及缺乏较成熟的流域水文模型是已有研究的不足。为能更好地模拟水文过程对各种作用力的响应,今后研究的方向将是建立既考虑垂向水分和能量传输(如降水,蒸发,感热),又考虑水平向的地表水分运动(汇流)和地下水基流过程的黄河流域的分布式水文模型。模型将结合遥感信息与地面资料,建立与区域大气环流模式(GCM)的接口,辅之以野外生态试验小区、径流试验场和室内试验的资料,以深入探索黄河流域水循环动力学机制     

气候变化对水循环与水资源的影响研究综述

以全球变暖为主的气候变化已成为当前世界最重要的环境问题之一。气候变化对水循环与水资源影响的研究越来越引起国内外学者的的高度关注和重视。简要回顾了国内外气候变化对水文水资源影响研究的发展历程,着重论述了目前气候变化对水文水资源影响的重点研究领域:水循环要素变化的检测与归因分析、气候变化与人类活动对水循环与水资源影响的定量评估、未来气候变化情景下水循环与水资源的演变趋势预估、气候变化对极端水文事件的影响研究和应对气候变化的水资源适应性管理策略;并介绍了气候变化对水文水资源影响研究中的气候变化情景、水文模拟及陆-气模型耦合等重要技术手段。最后,针对目前研究中存在的问题及薄弱环节,提出未来研究的发展趋势和亟需解决的关键问题。     

遥感水文模型研究综述

遥感水文模型是水文学与遥感学的交叉领域，既包括水循环要素遥感反演模型，也包括以水文过程模拟分析为对象的遥感水文模型。本文汇总分析20世纪70年代以来遥感在水文方面应用成果，综述遥感水文模型研究历史、现状及发展趋势。研究表明，20世纪70年代以来遥感水文模型就一直是遥感水文的热点；中国在遥感水文研究兴起之时就与国际上同步，在遥感水文的概念认知、遥感与水文相结合的科学认识，以及遥感水文模型的研发应用等诸多方面做出了探索性的成果。随着信息技术发展，结合多重信息采集手段，围绕遥感径流监测、多传感器智能物联网、缺资料区水文分析和流域水量—水质—水生态精细化模拟等重大实际问题是遥感水文模型发展的趋势。     

流域生态水文模型研究进展

流域生态水文模型是全球变化下流域生态水文响应研究的重要工具,通过定量刻画植被与水文过程的相互作用及全球变化对流域生态水文过程演变的影响机制,为流域水资源管理和生态恢复提供科学支撑,是生态水文研究的前沿和热点.基于植被与水文过程相互作用规律,流域生态水文模型一方面要充分描述植被与水文过程相互作用和互为反馈机制,另一方面要...     

论水文尺度问题

对国内外研究的水文尺度问题进行了回顾，阐述了水文尺度问题研究的现状并进行了分析。提出了水文尺度研究涉及的关键问题，包括水文过程尺度、水文观测尺度以及尺度连结“桥”和遥感水文等。最后对水文尺度研究的发展趋势与前景进行了探讨，指出充分利用现代科学技术，开展国内和国际间的水文科学实验以及变化环境下不同尺度水循环物理过程的研究，对解决水文尺度问题和推动水文科学的发展具有重要意义和广阔前景。     

塔里木河源流山区径流模拟及不确定性研究

自然环境恶劣、站点稀少、观测困难是干旱区水文系统研究面临的基本问题。特殊的自然地理条件给水文过程带来了极大的复杂性和不确定性,也阻碍了干旱区水文过程和机理研究的发展。选取塔里木河源区开都河流域为研究区,采用分布式水文模型MIKE SHE模拟大尺度资料稀缺地区水文过程,将流域内气象、水文站点数据与遥感数据相结合,利用气象、土壤类型、土地利用和地表覆盖、数字高程(DEM)和降雨等资料,模拟流域水文过程;在出山口径流数据的基础上对模型进行率定和验证;分析了模型中的不确定性的来源,探讨模型优化方法。结果表明,MIKE SHE模型能在水文、气象站点稀少,土壤及水文地质数据缺乏的条件下,模拟开都河流域的日径流过程,但精度仍有待提高;通过分析识别出了隐含于模型结构、输入及参数等3个方面的8种不确定性来源。     

岩溶地区人类活动的水文效应研究现状及展望

在全球气候变化背景下,加之岩溶生态系统的脆弱性及敏感性,地表水与地下水交换迅速,岩溶水动力系统对人类活动及其造成的生态环境变化反馈敏感。岩溶地区人类活动导致的植被退化、石漠化等环境问题已对岩溶地区的水文水循环过程造成了严重影响,水资源问题已成为岩溶地区发展的重要限制因素。本文在对岩溶生态系统及水文环境特性分析的基础上,从土地利用变化的水文效应,人类活动对降水—径流的影响、岩溶水资源的开发利用、岩溶地下水污染及水文模型在岩溶地区的应用等方面,概述了岩溶地区人类活动水文效应的相关研究现状与不足,总结了未来岩溶地区人类活动水文效应的5个研究趋势,并探讨了研究中的重点及难点问题。     

基于遥感数据的叶尔羌河流域水文过程模拟与分析

在西北荒漠-绿洲生态系统中,山区水循环对下游水资源管理具有重要作用。为了准确地理解高寒山区水文过程,以降水、温度和潜在蒸散发的遥感数据为模型输入,建立叶尔羌河流域的MIKE SHE模型。根据模型输出,从径流、积雪和蒸散发三方面探讨了流域的水文过程。结果表明：经校正后的遥感产品在叶尔羌河流域的水文模拟中取得了良好的应用效果,出山口卡群站日径流的效率系数达0.71,相关系数达0.85。河道的年平均径流深为146.66 mm,其中稳定的基流补给占21.3%。流域的年平均降雪231 mm,占总降水的74%左右;73.9%的融雪发生在7-9月,积雪主要分布于5000 m以上区域。蒸散发以7-9月中低山区植被覆盖良好的针叶林和草地为主。选用合适的方法对遥感数据进行验证和率定,有助于提高对资料缺失的高寒山区流域水文过程的认识。对不同水文要素进行分析验证,可更准确地理解水资源的转化、储存方式及其时空分布,以便为下游水资源管理提供依据。     

Hydrological monitoring and seasonal forecasting: Progress and perspectives

Hydrological monitoring and seasonal forecasting is an active research field because of its potential applications in hydrological risk assessment, preparedness and mitigation. In recent decades, developments in ground and satellite measurements have made the hydrometeorological information readily available, and advances in information technology have facilitated the data analysis in a real-time manner. New progress in climate research and modeling has enabled the prediction of seasonal climate with reasonable accuracy and increased resolution. These emerging techniques and advances have enabled more timely acquisition of accurate hydrological fluxes and status, and earlier warning of extreme hydrological events such as droughts and floods. This paper gives current state-of-the-art understanding of the uncertainties in hydrological monitoring and forecasting, reviews the efforts and progress in operational hydrological monitoring system assisted by observations from various sources and experimental seasonal hydrological forecasting, and briefly introduces the current monitoring and forecasting practices in China. The grand challenges and perspectives for the near future are also discussed, including acquiring and extracting reliable information for monitoring and forecasting, predicting realistic hydrological fluxes and states in the river basin being significantly altered by human activity, and filling the gap between numerical models and the end user. We highlight the importance of understanding the needs of the operational water management and the priority to transfer research knowledge to decision-makers.     

Chinese progress in geomorphometry

Geomorphometry, the science of digital terrain analysis (DTA), is an important focus of research in both geomorphology and geographical information science (GIS). Given that 70% of China is mountainous, geomorphological research is popular among Chinese scholars, and the development of GIS over the last 30 years has led to significant advances in geomorphometric research. In this paper, we review Chinese progress in geomorphometry based on the published literature. There are three major areas of progress: digital terrain modelling methods, DTA methods, and applications of digital terrain models (DTMs). First, traditional vector- and raster-based terrain modelling methods, including the assessment of uncertainty, have received widespread attention. New terrain modelling methods such as unified raster and vector, high-fidelity, and real-time dynamic geographical scene modelling have also attracted research attention and are now a major focus of digital terrain modelling research. Second, in addition to the popular DTA methods based on topographical derivatives, geomorphological features, and hydrological factors extracted from DTMs, DTA methods have been extended to include analyses of the structure of underlying strata, ocean surface features and even socioeconomic spatial structures. Third, DTMs have been applied to fields including global climate change, analysis of various typical regions, lunar surface and other related fields. Clearly, Chinese scholars have made significant progress in geomorphometry. Chinese scholars have had the greatest international impact in areas including high-fidelity digital terrain modelling and DTM-based regional geomorphological analysis, particularly in the Loess Plateau and the Tibetan Plateau regions.     

中国数字地形学研究进展（英文）

Geomorphometry,the science of digital terrain analysis(DTA),is an important focus of research in both geomorphology and geographical information science(GIS).Given that 70% of China is mountainous,geomorphological research is popular among Chinese scholars,and the development of GIS over the last 30 years has led to significant advances in geomorphometric research.In this paper,we review Chinese progress in geomorphometry based on the published literature.There are three major areas of progress:digital terrain modelling methods,DTA methods,and applications of digital terrain models(DTMs).First,traditional vector-and raster-based terrain modelling methods,including the assessment of uncertainty,have received widespread attention.New terrain modelling methods such as unified raster and vector,high-fidelity,and real-time dynamic geographical scene modelling have also attracted research attention and are now a major focus of digital terrain modelling research.Second,in addition to the popular DTA methods based on topographical derivatives,geomorphological features,and hydrological factors extracted from DTMs,DTA methods have been extended to include analyses of the structure of underlying strata,ocean surface features and even socioeconomic spatial structures.Third,DTMs have been applied to fields including global climate change,analysis of various typical regions,lunar surface and other related fields.Clearly,Chinese scholars have made significant progress in geomorphometry.Chinese scholars have had the greatest international impact in areas including high-fidelity digital terrain modelling and DTM-based regional geomorphological analysis,particularly in the Loess Plateau and the Tibetan Plateau regions.     

基于氢氧稳定同位素和水化学的青藏高原高寒内陆流域水文过程示踪研究

氢氧稳定同位素和水化学已成为研究水文循环过程的良好示踪剂,两者的结合能很好地揭示流域或者区域（特别是缺少水文观测数据的高寒内陆地区）的水文循环过程。青藏高原地表环境较恶劣,缺乏流域尺度的水文观测资料,不利于对流域尺度水文循环过程的综合理解和认识,成为水资源高效综合利用的瓶颈。为此,本文以青海湖沙柳河流域为研究对象,通过对降水、河水和地下水的定期定点高密度采样和对其氢氧稳定同位素组成（δD、δ¹⁸O）和水化学氯离子（Cl^-）浓度的分析测定,其目的旨在识别和示踪流域不同水体间的补给关系,探究D-¹⁸O同位素和Cl^-离子能否指示流域水文过程。结果显示,青海湖沙柳河流域干、支流河水和地下水均受降水补给,自上游至下游,干流河水受降水补给作用较强,支流河水受补给作用依次减弱,地下水受降水补给作用较弱。下游干流河水主要受下游地下水和全域支流河水补给,比例分别为15.45%和84.55%;下游地下水主要由中上游的河水和地下水补给,比例分别为42.40%和57.60%。上述结果表明结合氢氧稳定同位素和水化学手段可定量揭示高寒内陆河流域的水文过程,可为青藏高原其他类似流域水文过程示踪研究提供范例。     

分布式时变增益流域水循环模拟

针对分布式水文模拟的问题,结合河西走廊黑河流域实际资料条件,提出将水文循环空间数字化信息与水文系统理论相结合的分布式时变增益水循环模型 (DTVGM)。DTVGM将单元时变增益水文非线性模型(TVGM)拓广到由DEM划分的流域单元网格上建立非线性地表水产流模型,基于水量平衡方程和蓄泄方程建立土壤水产流模型,并应用运动波方法建立分级网格汇流模型。最后,以黑河干流山区流域为例应用DTVGM开展了实例研究,设计开发了模型系统。研究区域被划分为38 277个网格单元 (网格大小为500 m×500 m),在此基础上将流域划分为456级带状汇流区域。考虑到黑河干流山区的寒区特点,模型耦合了融雪径流模型。模拟结果表明,DTVGM既有分布式水文概念性模拟的特征,同时具有水文系统分析适应能力强的优点,能够在水文资料信息不完全或者有不确定性干扰条件获得比较好的分布式水文模拟效率,在黑河干流山区的应用能够较好地满足水资源管理的要求。     

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。     

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。