從土壤水動力學到流域生態(tài)水文學

1、從土壤水動力學到流域生態(tài)水文學From soil hydrodynamics to eco-hydrology,楊大文清華大學水利系水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室yangdw@tsinghua.edu.cn,本講內容,1、前言2、土壤水動力學的發(fā)展3、流域生態(tài)水文學的發(fā)展4、水文學研究方法5、小結,1. 前 言,黃河源，2005.8,我們的母親河－－黃河……,黃河源，2005.8,黃河第一彎,黃河龍羊峽水庫，20

2、05.8,西寧市，2005.8,西寧市，2005.8,鄭州黃河大橋，1990s,人類文明的發(fā)展史，是與自然界斗爭的歷史。防治洪水、開發(fā)灌溉、航運、水力發(fā)電、城市供水等，人類社會得到了巨大發(fā)展。在科技高度發(fā)展的現(xiàn)代文明時代，人類卻面臨著前所未有的水資源危機。 華夏文明的發(fā)祥地－－黃河幾乎變成了一條干涸的內陸河。,供水安全：我國人均水資源量不足世界平均水平的1/3，北方地區(qū)水資源短缺尤其嚴重。糧食安全：農(nóng)業(yè)用水量約占我國總用水量的

3、65%，水資源安全直接影響到糧食安全。生態(tài)安全：人類對水資源的過度開發(fā)威脅自然生態(tài)安全。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。,生態(tài)水文問題與國家需求,全 球,全球氣候變暖,生態(tài)水文學在水文科學發(fā)展中的地位,流域生態(tài)與水文過程之間存在著復雜的相互作用，氣候是二者的主要驅動力之一；氣候變化下的流域生態(tài)水文響應研究，必將促進流域水文學、植被生態(tài)學及其他相關學科的交叉與融合，從而推動水文學研究的不斷深入。,水

4、循環(huán)是一切水問題的科學基礎，生態(tài)與水文過程相互作用是流域水循環(huán)的關鍵環(huán)節(jié),流域水循環(huán)決定水資源，影響生態(tài)系統(tǒng)；糧食生產(chǎn)和植被生態(tài)維持是水的主要社會與生態(tài)服務功能，也是“綠水”的主要消耗方式；人類活動（如灌溉和水土保持等）直接影響生態(tài)、水文及水資源。,氣候變化的流域生態(tài)水文響應研究是水文學前沿和熱點,2. 土壤水動力學的發(fā)展,2.1 概述2.2 土壤水勢與土壤水分運動2.3 SPAC 水熱傳輸2.4 土壤中溶質的遷移與轉化2.

5、5 土壤水問題應用研究,2.1 概 述,Darcy’s Law,1856,Richards equation1931,2.2.1 土 壤 水的數(shù)量、形態(tài)和能量,土壤水的形態(tài) 吸濕水－薄膜水－毛管水－重力水,土壤水的數(shù)量 土壤含水量（率）——重量、體積,2.2 土壤水勢與土壤水分運動,土壤水分特征曲線－－土壤水能量與數(shù)量的關系－－,達西定律：,2.2.2 非飽和土壤水流動基本方程,連續(xù)方程

6、：,2.3.1 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 簡化——忽略水汽 、一維,土壤中的多相（水）流 液態(tài)水 氣態(tài)水－水汽 水的相變－潛熱－溫度－相變 水汽的擴散與遷移,2.3 SPAC 水熱傳輸,2.3.1 土壤中水熱耦合遷移,凍結條件下土壤水熱耦合遷移,水熱耦合方程,土壤中水和冰混合，并伴隨有相變。,2.3.2 SPAC

7、水熱傳輸,SPAC系統(tǒng)概念 SPAC——Soil Plant Atmosphere Continuum, 1965, Philip,連續(xù)體 驅動力——水勢 q = - △ψ1 ／R1 = - △ψ2 ／R2 = - △ψ3 ／R3 = - △ψ4 ／R4 阻抗 容抗,2.3.2 SPAC水熱傳輸,SPAC水熱傳輸模擬,大葉模型三個介質 土壤

8、 植物（葉） 大氣兩個介面 土壤－植物 植物－大氣,2.3.2 SPAC水熱傳輸,SPAC水熱傳輸模擬模型,能量平衡,水熱擴散,土壤水熱遷移,,,,2.4.1 土壤溶質遷移轉化基本方程,土壤溶質遷移轉化的研究背景 環(huán)境問題 —— 面源污染 （化肥、農(nóng)藥等） 土壤鹽堿化,2.4 土壤中溶質的遷移與轉化,2.4.2 土壤溶質

9、遷移轉化行為,區(qū)域水循環(huán)與CO2、N和P等物質循環(huán)的耦合,氮（磷）循環(huán)與非點源污染密切相關，逐漸成為主要污染源碳循環(huán)與作物生長密切相關，對溫室氣體減排有重要意義,2.5.1 水文水資源－－ 四水轉化概念,四水轉化概念,轉化的觀點，機理的認識,2.5 土壤水問題應用研究,2.5.1 水文水資源－－ 地下水資源評價,地下水均 衡,P—降雨 I—渠灌 G—井灌 地下水均衡μΔH = ?

10、P + ? I – (1-?) G – cE0 ± Q 降雨入滲補給系數(shù) ? = Pg / P 灌溉入滲補給系數(shù) ? = Ig / I 井灌入滲補給系數(shù) ? = Gg / G 潛水蒸發(fā)系數(shù) c = Eg/E0 給水度 μ,地下水均 衡參數(shù)

11、 機理上是土壤水的飽和－非飽和流,2.5.2 糧食與作物－－作物耗水與產(chǎn)量,,作物水分生產(chǎn)函數(shù),Jensen模型,作物生產(chǎn)量與其生長期內的蒸騰量成正比。,冬小麥生長模擬模型,生育階段,干物質生產(chǎn),干物質分配,2.5.2 糧食與作物－－作物耗水與產(chǎn)量,2.5.3 生態(tài)環(huán)境——自然生態(tài)耗水、水土環(huán)境污染,水土環(huán)境污染,面源污染與地下水脆弱性評價降雨徑流，污染物遷移轉化,生態(tài)植被耗水 自然、人為→土壤水環(huán)

12、境→自然生態(tài)植被,2.6 土壤水動力學在流域水文模型中的應用,流域水循環(huán)過程,降水 (precipitation),截留、蒸發(fā) (interception, evaporation),入滲、地表徑流、蒸發(fā)(infiltration, surface flow, evaporation),蒸散、下滲、壤中流(transpiration, soil moisture movement),,地下徑流 (groundwater moveme

13、nt),流域水文循環(huán)系統(tǒng)概念與水文模型的演變,分布式模型,代表性單元模型（REW）,水文模型取得突破的可能性,3. 生態(tài)水文學的研究進展,3.1 “綠水”與“藍水”,水循環(huán)決定了一個流域的水資源狀況（“綠水”與“藍水”的分配），同時也決定了其陸地和水生態(tài)的結構和功能；灌溉是改變流域“綠水”和“藍水”分配的主要因素，水土保持工程建設也將改變流域水循環(huán)及水資源；城市生活和工業(yè)用水主要通過改變“藍水”（地表和地下水）的水質來影響生態(tài)與環(huán)

14、境。,水的社會和生態(tài)服務功能,人們往往被忽視了水對維持陸地生態(tài)系統(tǒng)的作用；水土保持與地下水開采都將改變水循環(huán)，從而改變陸地生態(tài)系統(tǒng)（植被的種類和分布）；將流域陸地和水生態(tài)與水循環(huán)結合，流域生態(tài)水文學將成為未來流域水資源管理的理論基礎之一。,3.2 流域生態(tài)系統(tǒng),Precipitation is the only one water source shared by society and ecosystem.,Different S

15、cale of Water-Plant Interactions,Basic water-plant interaction,Plants can be seen as highly sophisticated and strong suction pumps, where the roots do all they can to even out the large pressure difference between the we

16、t root (low pressure or tension) and the dry leaf (high pressure or tension) following the thermodynamic law on conservation of energy. The result is a water flow driven by differences in water potential or pressure betw

17、een the soil and evaporating surfaces in leaves.The dryness at the leaf-air interface, which determines the pressure gradient between root and leaf, is regulated by the dryness of the air close to the leaf surface. This

18、 dryness is, in turn, determined by the potential evaporation of the air. Plant species have evolved in adaptation to their environment.,Savanna and steppes – namely arid, semi-arid and dry-humid ecosystems – are at the

19、 drier end of the hydroclimatic gradient. They are generally defined as steppes in cold temperate climates and savannas in hot tropical climates.Forest and woodlands are another dominant type of terrestrial ecosystem.T

20、he low vegetation cover makes the soil-vegetation-atmosphere transfers complex, and land surface degradation has atmospheric feedbacks.Trees are important for the routing of incoming rainfall. They determine whether rai

21、n infiltrates or forms rapid runoff.,Plants and water in terrestrial ecosystems,Steppe biome is a dry and cold grassland.,savanna is a rolling grassland scattered with shrubs and isolated trees, which can be found betwee

22、n a tropical rainforest and desert biome.,The basic characteristic used in ecology to define wetlands is that the land is wet enough to support typical wetland vegetation, which differs clearly from the vegetation of wel

23、l-drained land. Vegetation defines a wetland, not its hydrology. Wetlands are storehouses for biodiversity.Wetlands are seen as respected water users in catchment management. Securing a threshold ecological flow is the

24、refore sometimes recommended to sustain a minimum habitat and keep target species alive.Wetlands are water-consuming components of the landscape and do not produce water.,Plants and water in wetlands,In streams, water m

25、ovement is considered to be the most important factor affecting plant distribution.A lake ecosystem is closely linked to the water and chemical inflows from the catchment. Habitat characteristics of lakes differ accord

26、ing to the relative roles of horizontal and vertical water exchange.,Water/plant/biota（生物群落） in aquatic ecosystems,3.3 流域生態(tài)水文學的起源,最初，水文學家將河道中的植物僅當作特殊粗糙度系數(shù)來考慮；1980年代開始，愈來愈多水文學家開始關注流速如何影響河道內植物生長、魚類以及濱岸生境等。由此誕生了水文生態(tài)學（hydro

27、-ecology），實質上是生態(tài)水力學。期間有許多模擬河流生境的模型，如Physical Habitat Simulation model or PHABSIM (1982)。其工程應用背景是河流生態(tài)修復（ river restoration ）。,Reference: River channel restoration : guiding principles for sustainable projects by Andre

28、w Brookes & F. Douglas Shields, Jr. Chichester New York : John Wiley, 1996,河流生態(tài)修復,River Channel Restoration,Hydraulic& HydrologicConditions,Sediment;RiverMorphology,River Ecosystem,Context of river ecologica

29、l requirements,Terminology,水文學家在研究土壤－植物－大氣相互作用時，考慮了作物在光合作用下的水分傳輸以及對大氣的反饋作用，如Big Leaf Model, Simple Biosphere Model (SiB)等。,3.4 森林水文學、植被在陸面過程的作用等都與植物的生態(tài)過程有關,森林中植被與動物的名錄僅僅是生態(tài)學的第一步，生態(tài)學主要研究內容是動植物群落的演替過程和規(guī)律。生態(tài)學發(fā)源于自然歷史，直到20世紀

30、中葉，生態(tài)學通過演替過程著重于描述群落和群落的演化。Clements認為生態(tài)演替的含義在于群落向最后穩(wěn)定狀態(tài)的有序變化，所謂最后穩(wěn)定狀態(tài)，即演替頂級（climax）。研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)的演替似乎是水文過程和生態(tài)過程緊密聯(lián)系的產(chǎn)物。,3.5 生態(tài)演替與水文過程密切相關,按照《濕地公約》定義，沼澤、泥炭地、濕草甸、湖泊、河流、滯蓄洪區(qū)、河口三角洲、灘涂、水庫、池塘、水稻田以及低潮時水深淺于6米的海域地帶等均屬于濕地范疇。濕地被譽為“地球之

31、腎”，具有巨大的調蓄洪水、調節(jié)氣候、控制污染、減少土壤侵蝕、美化環(huán)境、維護生物多樣性、生物生產(chǎn)力等生態(tài)、環(huán)境和生產(chǎn)功能。濕地水文過程控制濕地生態(tài)的形成和演化，濕地水文情勢制約著濕地環(huán)境的生物、物理和化學特征，從而影響到濕地類型分異、濕地結構和功能。濕地水文過程研究成為認識濕地生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程和功能的主要內容。,3.6 濕地水文過程對濕地生態(tài)至關重要,3.7 什么是生態(tài)水文學？,Hatton 等廣義的生態(tài)水文學定義是，研究有關生態(tài)

32、圈與水文圈之間的相互關系以及由此產(chǎn)生的相關問題的一門新興學科?！渡鷳B(tài)水文學》的重點在于水文學，研究水文過程與生態(tài)之間的相互作用，如水循環(huán)與植被之間的相互作用。水文與生態(tài)機理是構成氣候－土壤－植被之間動態(tài)作用的基礎，同時也控制著最基本的生態(tài)型態(tài)和生態(tài)過程。這是水文學和生態(tài)學的核心問題，是充滿挑戰(zhàn)性的前沿和未知領域，包含與生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)機能息息相關的各種問題。生態(tài)水文學研究對理解人類以及子孫后代的生存環(huán)境至關重要。,Eagleso

33、n教授的《生態(tài)水文學》理論,近二三十年來文獻表明，確定性、復雜動力學方法是現(xiàn)代水文學的主流；但其愈來愈受到這樣的置疑，即沒有足夠的觀測資料給模型提供參數(shù)或驗證模型，以及在時間和空間上進行數(shù)值積分的不確定性。大多生態(tài)水文學模型試圖將能量、水分、碳及生物化學過程耦合，其中僅有的約束是守恒方程和連續(xù)方程。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遵守生態(tài)水文學法則。什么是生態(tài)水文學法則？許多研究者認為，Eagleson教授

34、提出的基于水文平衡的生態(tài)最優(yōu)性理論是生態(tài)水文學的基礎。,土壤－植被－大氣系統(tǒng)中的能量和水分平衡關系,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

35、運輸?shù)?，通過蒸發(fā)的降溫作用來調節(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。,3.8 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：

36、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)、物質循環(huán)與生態(tài)和環(huán)境之間的耦合關系，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)措施建設預測氣候變化對植被以及作物的影響,3.9 生態(tài)水文學原理的應

37、用,4. 水文學研究方法,4.1 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)字仿真技術讓人有身臨其境的感受，因而在水文學中得到廣泛應用。,實踐,,,,,,,,,還原論（reductionism）：強調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

38、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。,4.2 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

39、慮它所有的因素之間那種相互關聯(lián)、不斷變化的復雜關系。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，強調混沌系統(tǒng)中充滿活力的相互作用，強調系統(tǒng)與環(huán)境的復雜關系。,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)。,4.3 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

40、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“Top-down”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

41、文學假設，如Budyko水熱耦合平衡假設、Eagleson的生態(tài)水文最優(yōu)性假設等。演繹推理和歸納推理相結合將為水文學基礎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

42、的”。普林斯頓大學Ignacio Rodriguez-Iturbe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合?！?4.4 實驗與觀測手段,現(xiàn)代水文觀測與實驗技術,水熱通量觀測技術：對水文過程的直接觀測；示蹤劑、同位素觀測技術：對水文過程的間接觀測，多用于驗證關于水循環(huán)的假說；衛(wèi)星遙測技術：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系來反演出水文過程

43、。,隨著科學技術的發(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。,4.5 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

44、：這樣做能夠達到我們的目標。,社會需求驅動的應用研究 - 發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中存在的關鍵科學問題 - 結合水文科學發(fā)展的最新理論 - 提出解決問題的可行方案,4.6 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

45、水資源管理,小 結,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)律之間的關系,水文科學的創(chuàng)新需要：邏輯性和創(chuàng)造性結合,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