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氣候變化對水文循環的影響范文1
關鍵詞：淮北平原；水文循環要素；降水重心；蒸發悖論；小波分析；云模型
通過以淮北平原的水文循環要素變化特征為主線，分析了淮北平原典型實驗站—五道溝實驗站的氣象要素變化特征，對淮北平原降水量、蒸發量和徑流量進行變化特征分析，并運用Hurst指數、Kendall秩次相關檢驗和Mann-Kendall檢驗法、T方法和Yamamoto法分別定量地檢驗水文循環要素時間序列的隨機性、趨勢性和突變性，采用小波分析方法對降水量、徑流量多時間尺度變化進行形象顯示，提出降水重心概念以分析降水量的時間分布趨勢，結合氣候變化特性初步形成解釋淮北平原“蒸發悖論”的原因，利用云模型分析淮北平原徑流量時間、空間分布特征，通過數學特征定性、定量地表示出徑流量分布的不均勻性和不確定性，以楊樓實驗流域簡單分析影響淮北平原徑流量變化的因素。得出研究成果如下：
（1）五道溝實驗站氣溫整體呈先減少后增加趨勢，1981年之后增長率為0.3℃/10a；日照時數呈下降趨勢，全年日照時數傾向率為-184/10a；風速也呈減少趨勢，風速平均每10a下降0.32m/s；相對濕度多年平均為77%；24年均水汽壓力差值為6.3mb。對各要素序列進行隨機性、趨勢性和突變性檢驗，得出各氣象要素均呈正相關，氣溫和相對濕度呈上升趨勢，水汽壓力差無趨勢性，氣溫和水汽壓力差系列無突變。
（2）淮北平原1956~2008年年均降水量系列之間呈正相關，趨勢性不顯著且無突變；采用Matlab繪圖功能繪制降水量系列小波分析兩種母函數研究結果，顯示總體呈現先減少后增加的趨勢；研究發現五個不同年代降水重心的變化并不是特別強烈。
（3）淮北平原多年蒸發量之間呈正相關、有下降趨勢、無突變，等值線圖顯示蒸發量集中在淮北市最大，以此為中心逐漸向西北方向和東南方向減小。文中著重對五道溝實驗站蒸發量與氣象因素之間的關系作了深入分析，得出五道溝實驗站1986~2009年逐日水面蒸發量主要與氣溫、水汽壓力差和地面溫度相關性很好，與日照時數和相對濕度關系較好，與風速和降水相關關系不太明顯，解釋了淮北平原出現“蒸發悖論”理論的原因。
（4）通過對淮北平原1956~2008年年徑流量資料進行年際分析，檢驗出年徑流量系列具有強持續性、趨勢性不明顯且無突變。運用小波分析法分析年徑流量的多時間尺度變化，呈先減少后增加趨勢。運用云模型研究發現：時間分布上非汛期徑流最為穩定，全年次之，汛期的徑流量的不穩定性最高，在汛期和全年的時間尺度上，徑流量的不確定性高于非汛期；在空間分布上離散度呈現先增后減的趨勢（熵值先大后小）、穩定性逐漸減小（超熵增加），在Ⅱ時間段內超熵值較大，徑流量在空間上分布的不均勻性的穩定程度較小。
目前，對于淮北平原水文循環要素時空演變規律研究的內容尚不夠豐富，本文利用有限的資料做了這一研究，主要有如下結論：
（1）通過總結國內外水文循環要素的研究現狀，明確研究淮北平原水文循環要素時空演變規律、水文循環的研究是復雜且系統的，必須用全面的、聯系的、發展的觀點看待問題；
（2）通過五道溝實驗站的氣象資料作為區域代表來分析氣象要素特性，得出五道溝實驗站氣溫整體呈先減少后增加趨勢，1981年之后增長率為0.3℃/10a；日照時數呈下降趨勢，全年日照時數傾向率為-184/10a；風速也呈減少趨勢，風速平均每10a下降0.32m/s；相對濕度多年平均為77%；24年均水汽壓力差值為6.3mb。對各要素序列進行隨機性、趨勢性和突變性檢驗，得出五道溝實驗站各氣象要素均呈正相關，氣溫和相對濕度呈上升趨勢，水汽壓力差無趨勢性，氣溫和水汽壓力差系列無突變。
（3）基于淮北平原27個雨量站點1956~2008年的降水量資料，對其進行年內年際變化分析，并對降水序列進行隨機性、趨勢性和突變性檢驗，得出淮北平原1956~2008年年均降水量系列之間呈正相關，趨勢性不顯著且無突變；采用Matlab繪圖功能繪制降水量系列小波分析兩種母函數研究結果，顯示總體呈現先減少后增加的趨勢；為研究降水量空間變化特征，引入降水重心概念，研究發現五個不同年代降水重心的變化并不是特別強烈。對影響降水量變化的氣候因素和人類活動因素作了簡要分析。
（4）基于淮北平原12個蒸發站點1980~2008年蒸發量資料，進行了年際年內變化特征分析，并進行隨機性、趨勢性和突變性檢驗，得出多年蒸發量之間呈正相關，有下降趨勢，無突變。運用等值線圖表示淮北平原蒸發量空間分布，為分析影響淮北平原蒸發量的因素，采取以點代面的方法重點研究，通過對五道溝實驗站蒸發量與氣象因素之間的關系作了深入分析，得出五道溝實驗站1986~2009年逐日水面蒸發量主要與氣溫、水汽壓力差和地面溫度相關性很好，與日照時數和相對濕度關系較好，與風速和降水相關關系不太明顯，解釋了淮北平原出現“蒸發悖論”理論的原因，為其他類似區域這一問題提供參考依據。
（5）基于選用的淮北平原13個1956~2008年年徑流量資料進行年際分析，檢驗出年徑流量系列具有強持續性、趨勢性不明顯且無突變。運用小波分析方法分析年徑流量的多時間尺度變化，發現年徑流量系列與降水量系列具有類似特性，呈先減少后增加趨勢。將云模型引入到年徑流量的時間和空間分析中，將不均勻性不僅定性同時定量化表示出來，研究發現：時間分布上非汛期徑流最為穩定，全年次之，汛期的徑流量的不穩定性最高，在汛期和全年的時間尺度上，徑流量的不確定性高于非汛期；在空間分布上離散度呈現先增后減的趨勢（熵值先大后?。?、穩定性逐漸減小（超熵增加），在Ⅱ時間段內超熵值較大，徑流量在空間上分布的不均勻性的穩定程度較小。為分析氣候變化和人類活動是如何影響徑流量變化的，則選取典型的閉合流域楊樓實驗流域進行了簡要分析。
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氣候變化對水文循環的影響范文2
關鍵詞：烏云河；變差系數；峰型度；豐枯率
中圖分類號：P467文獻標識碼：A文章編號：1672-1683（2013）04-0035-06
1研究背景
徑流的形成過程是水文、氣象、地形、地貌、土壤、植被等多種因素相互作用的復雜過程，隨著氣候變化和人類活動的加劇，徑流的年際變化更加復雜。河川徑流作為地表水資源的主要組成部分，其量的變化直接關系到自然生態系統以及國民經濟各部門的需水要求，因此研究徑流的年際變化趨勢一直是水文水資源與流域研究的熱點和難點問題。其中，從影響徑流形成的各個要素中分析其主要影響因素，是研究徑流年際變化規律的基礎。
烏云河是黑龍江右岸的一級支流，處于嘉蔭縣境內，干流長度大約141 km，河流的下游設有東風水文站，見圖1。目前對于該流域的水文水資源方面的研究較少。本文擬探究該河流的徑流、降水、蒸發等水文序列的變化規律及其影響因素，以便為將來進行水庫、塘堰等水利工程的修建提供技術和數據支撐。
2數據來源
東風水文站是烏云河上唯一的水文站，于1959年開始
6結論
根據烏云河東風站50年的月流量資料、24年的月降水量資料和15年的月蒸發量資料，對該流域徑流的補給來源及徑流主要受哪些氣象因子的影響等進行了分析，初步得出了如下結論。
（1）烏云河的徑流主要以融雪和夏季的降水來補給，年流量以每1.42 m3/（s·10 a）的速率逐漸遞減，50年累計徑流量減少了2.24×108 m3。春、夏、秋、冬四季、汛期及非汛期流量分別以每-1.86、-9.27、-4.99、-0.12、-15.35、-0.88 m3/（s·10 a）的速率減少，其中汛期的流量減少的最為明顯。
（2）烏云河流域氣候變化表現出降水量減少、蒸發減少的趨勢。其中年降水量呈逐年遞減的趨勢，其降幅為-14.6 mm/10 a，而春、夏、秋、冬四季及汛期、非汛期降水量則分別以+2.44、-35.87、+16.08、+3.39及-29.7、+15.75 mm/10 a的速率增加或減少。可見，夏季和汛期的降水量非常明顯，其中夏季降水量減少的幅度最大，這也是烏云河流量呈減少趨勢的主要原因之一。蒸發量以175.0 mm/10 a的速率降低。蒸發量年際變化率可能與資料系列的長度有一定的關系，因此還需要收集更長系列的資料來準確分析蒸發量的年際變化規律。
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氣候變化對水文循環的影響范文3
關鍵詞：年徑流；徑流變化；預測模型
中圖分類號：TV124 文獻標識碼：A
引言
水資源是維持自然界一切生命不可缺少的自然資源，是社會經濟發展所必需的不可替代的資源。我國多年平均水資源量28000×108m3，相當于世界水資源總量的6%，人均水資源占有量僅2200m3，約占世界人均水平的25%。我國水資源時空分布極不均衡，南方地區水資源量占全國水資源總量的81%，而北方地區水資源量僅占全國水資源總量的19%（中國數字科技館2006）。由于我國河川徑流年際變化大，導致旱澇災害頻繁發生。年徑流是水資源系統中流域水文循環的重要組成因素。
1 年徑流的影響因素
1.1 氣候因素
氣候因素是影響流域年徑流量的主要因素，其中以降水量、蒸發量和溫度3個因子對年徑流影響最顯著。在年降水量較多濕潤地區，自然降水在形成徑流的過程中土壤濕度高，滲漏量少，蒸發量損耗小，濕潤地區年降水量是其年徑流量的決定性因素。在年降水量少的干旱地區，自然降水在形成徑流的過程中土壤濕度低，滲漏量多，蒸發量損耗大，干旱地區年徑流量是由降水量、溫度和蒸發量等3個因子共同決定的。溫度是以融雪為補給的流域中的主要影響因素，溫度高的年份其年徑流量大。
1.2 下墊面因素
下墊面因素中的地形地貌和植被對年徑流地區分布有較大的影響，直接影響著流域的蓄水能力，對流域的年徑流量影響較大。下墊面因素通過該區域內影響氣候的變化，間接影響年徑流量。
1.2.1 地形
地形直接影響降雨量，而間接影響年徑流量的大小。山的迎風坡一般降水量會遠遠大于背風坡，則會影響該區域內年徑流的。坡度的大小也會影響降水匯流形成過程損耗大小和徑流的速度。
1.2.2 土質土壤
不同土質的土壤對降水的調蓄能力不同，從而影響流域內的徑流的年內分配。
1.2.3 地表植被
植被能夠對降水起到截流的作用，在植被覆蓋率較高的地區，地表的水分滲透能力也較強。植被能夠減少水土的流失。
1.2.4 流域的大小以及該流域內湖泊和沼澤對年徑流的影響
流域越大，匯流就越多，蒸發面也越大，從而會對流域內的徑流起到調蓄的作用。
1.2.5 人類活動對年徑流的影響
人類活動是影響年徑流量的重要因素，于海霖[1]等利用雙洎河新鄭水文站的資料，分析了人類活動對年徑流量變化影響，得出人類活動年對徑流量變化平均綜合影響參數為263.4%。人類活動影響年徑流量主要表現直接和間接影響在2個方面，直接影響就是人類為解決水資源在地域間的分配差異，南水北調，水利工程，直接影響年徑流量。間接影響就是耕地的擴展、改建梯田等措施增加水資源的利用量和蒸發量，對植被的破壞或植樹造林等影響水土保持狀況，城市化的進程影響降雨量和地表匯流等間接地影響年徑流量。
2 年徑流的年際變化
2.1 年徑流的年內分配變化
我國大多數河流水資源是以降雨的補給為主要來源，少數流域主要來源于冰川融化，這2種不同來源形式的資源補給成了各自不同的河流徑流的年內分配的變化狀態。在以降雨為主的區域，除冬季的降雪季節以外，徑流年內的分配會隨著雨季的來臨的時間以及降雨的強度而發生一定的變化。張鈺、胡彩虹[2-3]等分別對洮河流域和汾河水庫上游流域徑流年內分配變化規律進行了研究，研究結果表明，在年內分配方面，流域徑流絕大部分集中在夏季。我國西北的內陸河流域，冰雪融水占河流補給水源超過30%，流域內氣溫的高低影響徑流年內分配變化。
2.2 年徑流的區域性變化
我國的年徑流的地區性變化主要表現為南多北少，但年徑流的年際變化則是北方大于南方[4]。根據年徑流深等值線，將我國劃分為豐水帶、多水帶、過渡帶、少水帶及干涸帶5帶來表示不同區域的水資源總量。大于800mm為豐水帶，主要集中在我國東南沿海地區，及安徽、廣西以及云南的西南部等地區；200mm以上為多水帶，主要包括東北的東部山地以及黃河流域、長江流域大部和西江流域的上游地區等；50mm以上為過渡帶，包括松嫩平原部分地區、華北平原大部分地區等；10mm以上為少水帶，包括松遼平原中部以及黃土高原大部分地區等；小于10mm為干涸帶，干涸帶地區屬于我國的干旱帶，基本沒有徑流產生，包括河西走廊、內蒙古高原等地區。
3 年徑流量的預測
年徑流預測屬于中長期預測，目前主要采用3大類方法[5]：統計預測方法、天氣學預測方法和天氣數值預測方法。后2種都屬于物理成因分析方法。
國外對徑流的預測的研究開展較早。Pike[6]使用熱帶地區的氣象資料，采用Turc’s蒸散公式的修改形式預測馬拉維大流域的年徑流，得到較好的預測結果。Gorantiwar[7]等用自回歸模型分析和模擬西部孟加拉流域的年徑流，模擬的精度較高。Ni[8]等探究用GP模擬馬蓮河西域的徑流和中國東北的氣候變化影響的關系，并以此預測馬蓮河西域的年徑流。
由于歷史資料條件的匱乏和輔助計算工具的限制，我國的徑流預測一直處于水平較低的位置。自建國以來，我國科研工作者從無到有，開始了快速的發展。20世紀50～60年代，我國過學習吸收了原蘇聯和美國的洪水預測方法，為我國水文預測工作奠定了基礎。20世紀70～80年代，開始研究不同區域的降雨徑流關系，同時也成功地開展了流域水文模型的研究和應用。20世紀年代～21世紀以來，隨著計算機在年徑流預測的應用，水文觀測資料的逐漸積累，我國無論是年徑流預測方法，還是預測系統建設以及新技術應用等方面有了長足的發展。
目前，在年徑流的預測模型方面，應用統計的方法預測年徑流的比較多，主要有回歸模型、灰色動態模型、最近鄰抽樣回歸模型、小波分析網絡、模型均生函數模型和BP人工神經網絡模型等。如：劉恩寶[9]等（1985）利用逐步回歸周期分析，建立了隱含周期的最優回歸方程應用到長江宜昌站的年徑流，其回代擬合及未來的趨勢預測結果都較好。陳福增[10]（2006）通過分析時間序列，對河流過程建立了年徑流預報模型，證實預測的效果較好并具有實用性。李燕萍等[11]（2010）用諧波分析方法模擬和預測年徑流量，可以2～3a的預測期能提供較滿意的預測結果。王亞雄等[12]（2011）建立變化環境下的加權馬爾可夫鏈預測模型，預測年徑流量效果也比較好。鄭世武[13]等（2010）用灰色系統預測方法預測年徑流的變化趨勢取得良好效果。解苗苗[14]（2007）用灰色系統預測方法預測年徑流的變化趨勢取得良好效果。崔東文[15]等（2013）利用人工神經網絡方法建立年徑流預測的模型，對年徑流預測具有實用價值。由此可知，一些新技術的應用對提高年徑流預測有一定幫助，如：人工神經網絡方法。
近年來多理論和方法的融合以及多學科綜合和跨學科交叉方面有了長足發展，不但提高了預報方法的適用性及預報結果的可靠性、穩定性，也提高了年徑流預測的精度。如：景亞平等[16]（2012）基于修正組合預測的思想，借助馬爾科夫鏈對灰色GM（1，1）、BP 神經網絡及組合灰色神經網絡模型預測的誤差序列進行了修正處理，指出基于馬爾科夫鏈修正的組合灰色神經網絡模型具有更好的擬合與預報精度，是一種更有效的徑流預測方法。周秀平[17]（2013）基于最小二乘支持向量機（LLSVM）與馬爾可夫鏈（MC）提出了一種新的年徑流預測模型―最小二乘支持向量機-馬爾可夫鏈組合模型（LLSVM-MC），有效地提高了預測精度。天氣數值預測方法預測年徑流被應用于預測大范圍、跨流域年徑流量的預測。彭勇等[18]（2011）將模糊聚類、統計相關及小波分析理論有機的結合在一起，構建了徑流預報模型，模型預測精度高。晏欣等[19]（2013）將人工神經網絡與灰色系統相結合建立的預報模式，其預測結果精度較高。如：董雯等[20]（2012）研究人類活動及其氣候變化對流域水文徑流系統的影響，依據區域氣候模式的數值氣象預報，采用水文頻率分析方法，預測未來設計情景下流域年徑流量的情勢變化，為跨流域調水提供科學依據，也為跨流域預測年徑流量提供技術支持。
4 問題討論
雖然關于年徑流的預測方法和模型很多，但沒有一種模型能夠適用于所有的徑流序列，預測模型的適用性有待于進一步深入的研究。現有的預測方法，預測精度、可靠性和穩定性不高，很難在實踐中推廣應用。用多理論和方法的融合，多科綜合和跨學科交叉，無疑是中長期徑流預報研究未來發展的主要方向。由于缺乏年徑流的變化數據，對于徑流數據中非線性現象產生原因及其解釋分析不夠，如何針對較短序列進行年徑流預測是將來著重研究的內容。應加強問題數據中噪聲研究，以便減少對判定、模擬、預測的影響。
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氣候變化對水文循環的影響范文4
關鍵詞：水文模擬 模型 水資源管理 流域
1 引言
20世紀以來流域水資源問題日益突出，為了提高流域整體管理水平和科技水平，“數字流域”建設正在日益興起。國際上發達的國家在“數字流域”方面的研究和應用起步較早，并已實際工程和管理中發揮了重要的作用，收到了巨大的效益。國內也相繼開展了“數字黃河”、“數字長江”、“數字海河”等工程的建設。模型建設尤其是流域水文模型的建設是“數字流域”建設的核心內容和基礎工作。
隨著流域水文模擬建模的不斷發展，基于計算機的模擬模型已經可以描述水循環的各個階段，如氣候和天氣、暴雨系統、降水、地面漫流、蒸散、暴雨地面漫流、地下水、河網匯流以及海灣與河口的潮汐等。早在20世紀50年代中期，伴隨系統理論的發展，科學家就開始把流域水文循環的各個環節作為一個整體來研究，并提出了“流域水文模型”的概念，隨即便涌現了SSARR模型（1958）和Stanford模型（1959）等模型，20世紀70年代至80年代中期又出現了新安江、Sacramento、Tank、HEC－1、SCS、API等模型。從對流域水文過程描述的離散程度看，流域水文模型可分為集總模型（Lumped model）和分布式模型（Distributed model）兩種。集總模型不考慮各部分流域特征參數在空間上的變化，把全流域作為一個整體；分布式模型則按流域各處地形、土壤、植被、土地利用和降水等的不同，將流域劃分為若干個水文模擬單元，在每一個單元上用一組參數反映該部分的流域特性。為了適應氣候變化和人類活動影響下的流域水資源管理需求，分布式水文模型已成為流域水文模擬的重要發展趨勢，也已成為“數字流域”建設的基礎。
流域水文模擬從模擬的側重點上可以劃分為降雨徑流模擬、地下水模擬、流域水循環綜合模擬。目前具有代表性的可用于流域水資源管理的分布式水文模擬模型有TOPMODEL、SWAT、ModFlow、FeFlow、Mike-SHE等，本文從流域水資源管理的角度出發，分別介紹上述模型的總體結構、特點及適用領域等。
2 分布式降雨徑流模擬模型
國外分布式水文模型的研究可以認為起始于1969年Freeze和Harlan發表的“一個具有物理基礎數值模擬的水文響應模型的藍圖”的文章。隨后，Hewlett和Troenale在1975年提出了森林流域的變源面積模擬模型（簡稱VSAS）。在該模型中，地下徑流被分層模擬，在坡面上的地表徑流被分塊模擬。1979年Beven和Kirbby提出了以變源產流為基礎的TopModel模型。1980年，英國的Morris進行了IHDM（Institute of Hydrology Dirstributed Model）的研究，根據流域坡面的地形特征，流域被劃分成若干部分，每一部分包含有坡面流單元，一維明渠段以及二維（在垂面上）表層流及壤中流區域。Beven等（1987年）和Calver等（1988年，1995年）對IHDM模型進行了改進。1994年，Jeff nold為美國農業部（USDA）農業研究中心（ARS）開發了SWAT模型。1995年，Grayson等提出了THALES模型，它是一個基于矢量高程數據的分布式參數模型。HuaXia Yao等（1998年，1999年，2001年），提出了基于網格的集降雨空間輸入估計，降雨—蒸發—徑流過程模擬，河流演算和空間參數校準為一體的分布式水文模型。Dawen Yang等（2000年，2002年）提出了基于山坡的和基于10 km網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）等等都屬于分布式水文模型的范疇。最具有代表性的地表分布式水文模擬模型包括TopModel模型以及SWAT模型。
2.1 TOPMODEL模型
1979年Beven和Kirbby提出了以變源產流為基礎的TopModel（TOPgraphy based hydrological MODEL）模型。TOPMODEL以地形空間變化為主要結構，基于DEM推求地形指數（Lnα/tanβ），用地形指數ln(α/tanβ)或土壤－地形指數ln(α/T0tanβ)）來反映下墊面的空間變化對流域水文循環過程的影響，描述水流趨勢。模型基于重力排水作用徑流沿坡向運動原理，模擬徑流產生的變動產流面積概念，尤其是模擬地表或地下飽和水源面積的變動。模型基本結構如圖1所示。
TOPMODEL模型結構和概念比簡單，優選參數少，充分利用了容易獲取的地形資料，而且與觀測的物理水文過程有密切聯系。模型已被應用到各個研究方面，并不斷發展、改進，反映了降雨徑流模擬的最新思想。但TopModel并未考慮降水、蒸發等因素的空間分布對流域產匯流的影響。
此外，該模型在干旱半干旱地區水文模擬效率較低，需要用戶根據具體情況進行必要的修改。
2.2 SWAT模型
1994年，Jeff Arnold為美國農業部（USDA）農業研究中心（ARS）開發了SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型。SWAT是一個具有很強物理機制的、長時段的流域水文模型，在加拿大和北美寒區具有廣泛的應用。它能夠利用GIS和RS提供的空間信息，模擬復雜大流域中多種不同的水文物理過程，包括水、沙和化學物質的輸移與轉化過程。模型可采用多種方法將流域離散化（一般基于柵格DEM），能夠響應降水、蒸發等氣候因素和下墊面因素的空間變化以及人類活動對流域水文循環的影響。
SWAT可以模擬流域內多種不同的物理過程。由于流域下墊面和氣候因素具有時空變異性，為了便于模擬，SWAT模型將流域細分為若干個子流域。目前有三種劃分的方法：自然子流域（Subbasin）、山坡（Hillslop）和網格（Grid）等。SWAT將每個子流域的輸入信息歸為5類：氣候、水文響應單元HRU、池塘（或濕地）、地下水和主河道（或河段）等。在結構上，每個子流域至少包括：1個水文響應單元HRU、1個支流河道（用于計算子流域匯流時間）、1個主河道（或河段）。而池塘（或濕地）為可選項。水文響應單元則是包括子流域內具有相同植被覆蓋、土壤類型和管理條件的陸面面積的集總。HRU之間不考慮交互作用。SWAT模型的結構如圖2所示。
SWAT模擬的流域水文過程被分為兩大部分：
（1）陸面部分（即產流和坡面匯流部分）。它控制著每個流域內主河道的水、沙、營養物質和化學物質等的輸入量；
（2）水循環的水面部分（即河道匯流部分）。它決定水、沙等物質從河網向流域出口的輸移運動。
SWAT 采用現代Windows 界面，是一個模型和GIS 的綜合型系統，它模擬了水和化學物質從地表到地下含水層再到河網的運動過程，可以用于幾千平方英里的流域盆地的水質水量模擬。它適用于具有不同的土壤類型、不同的土地利用方式和管理條件下的復雜大流域。主要用來預測人類活動對水、沙、農業、化學物質的長期影響。不適用于模擬具體的單一洪水過程。由于SWAT模型具有較強的物理基礎，能夠在缺乏資料的地區建模；具有輸入數據容易獲取、計算效率高等特點。
3 分布式地下水模擬模型
常用的地下水文模擬模型包括解析模型、數值模型、水均衡模型及物理模型等。數值模擬模型以其精度高、物理意義明確，而逐漸成為地下水文模擬的重要發展趨勢。而數值模擬方法又分為有限差分法和有限單元法，其各有優缺點。目前國際上較為流行的地下水數值模擬模型主要包括ModFlow和FeFlow，下面對其分別進行介紹和比較。
3.1 ModFlow模型
美國地質調查局(USGS)的McDonald和Harbaugh于80年代開發出來的ModFlow(Modular Three－dimensional Finite Difference Groundwater Flow Model)是一套專門用于孔隙介質中三維地下水流數值模擬的模型。自ModFlow問世以來，它已經在全美甚至在全世界范圍內，在科研、生產、環境保護、城鄉發展規劃、水資源利用等許多行業和部門得到了廣泛的應用，成為最為普及的地下水運動數值模擬的計算軟件。
ModFlow主要采用三維有限差分方法進行模擬。其基本原理是：在不考慮水的密度變化的條件下，孔隙介質中地下水在三維空間的流動可以用下面的偏微分方程來表示：
其中：
Kxx，Kyy 和Kzz為滲透系數在x，y和z方向上的分量。在這里，我們假定滲透系數的主軸方向與坐標軸的方向一致，量綱為(LT－1);
h:水頭(L)；
W：單位體積流量(T－1)，用以代表流進匯或來自源的水量；
Sx:孔隙介質的貯水率(L－1);
t:時間(T)。
三維有限差分模擬地下水流示意圖如圖3所示。
ModFlow不僅可以用于模擬孔隙介質地下水的運動，而且可以用來解決裂隙介質中的地下水流動問題。經過合理的概化，ModFlow還可以用來解決空氣在土壤中的流動(Guo，1995)。將ModFlow與溶質運移模擬的軟件結合起來，還可以用來模擬諸如海水入侵等地下水密度為變量的問題(Guo和Benett，1997)。
ModFlow程序結構合理，易于理解，便于操作，是一種較為權威的地下水流數值模擬軟件，具有廣泛的使用價值。ModFlow之所以得到如此廣泛的推廣應用，是因為它代表了未來地下水流數值模型發展的大趨勢，有很強的實用性，具體包括程序設計結構的模塊化，離散方法的簡單化和求解方法的多樣化等等。
但ModFlow由于采用矩形網格進行剖分，因而對于處理復雜地質體中的地下水三維滲流場模擬方面存在著不足，沒有有限元三角剖分靈活多變。
3.2 Feflow模型
Feflow是由德國Wasy水資源規劃系統研究所研制開發的地下水模型軟件包。它采用有限元法進行復雜二維和三維穩定/非穩定水流和污染物運移模擬。Feflow的有限元方法允許用戶快速構建模型來精確地進行復雜三維地質體的地下水流及運移分析，在這方面其功能要強于ModFlow。
Feflow可以實現飽和或非飽和條件下（2D ＆ 3D）完全非穩定、半穩定和穩定狀態下地下水流和溶質運移；顆粒跟蹤和流線模擬；化學物質運移（如線性/非線性吸附，擴散等）；流體和固體中的熱量運移；密度流動模擬（如海水入侵等）。
4 流域水循環綜合模擬模型
隨著計算機技術、系統科學和大量水文模型方法研究的進展，使得進行整個流域整體水循環模擬成為可能。流域內水循環過程從大氣降水開始、到坡面流，隨后在不飽和土壤帶內運動，繼續匯流進入下游河網，同時部分下滲進入地下飽和帶參與地下水滲流運動。其中土壤水非飽和帶運動和地表地下水轉化量的模擬預測一直是流域整體水循環模擬中的棘手問題，其處理方式的好壞直接影響整個水循環模型的合理性和精度。下面以歐洲的SHE模型為例介紹整體水循環模擬模型在流域水資源管理中的應用。
丹麥、法國及英國的水文學者（Beven等，1980年；Abbott等，1986年；Bathurst等，1995年；Refsgarrd and Storm，1995年；Chapters等等）聯合研制及改進的SHE模型（System Hydrologic European）是一個典型的整體分布式水循環模擬模型。在SHE模型中，流域在平面上被劃分成許多矩形網格，這樣便于處理模型參數、降雨輸入以及水文響應的空間分布性；在垂直面上，則劃分成幾個水平層，以便處理不同層次的土壤水運動問題。SHE模型為研究人類活動對于流域的產流、產沙及水質等影響問題提供了理想化的工具。
MikeSHE (An integrated hydrological modelling system)系統則是由丹麥水工試驗所(Danish Hydraulic Institute)開發的流域整體水循環模擬軟件系統，其模型總體結構如圖4所示：
MikeSHE模型主要由以下核心模塊構成：
（1）蒸發散模擬(ET)模塊
目前采用Rutter模型 /PenmanMonteith 方程、KristensenJensen模型兩種方法求解截留量及蒸發散量。
（2）非飽和帶水分模擬(UZ)模塊
系統提供Richard方程和重力流模擬兩種方法進行非飽和帶水分的模擬。
（3）飽和地下水流動模擬(SZ)模塊
系統提供改進GuassSeidel法和Preconditioned conjugated gradients(PCG)法兩種思路進行地下水流動的模擬。
（4）坡面流與河道流模擬(OC)模塊
坡面流與河道流采用SaintVenant方程進行求解
MikeSHE模型的缺點是對資料完備性和詳細度要求較高，不適用于資料基礎較差的流域整體水循環模擬分析。
此外，輔助進行整體水循環模擬的軟件系統還有美國地質調查局開發的模塊建模系統（MMS）。MMS通過子程序級別的集成實現了流域過程緊密耦合的需求。從根本上而言，MMS是一套相互匹配的子程序，它們可以被一起編譯，以表征一個特定流域。這些子程序被稱為模塊，分別描述降雨、蒸騰、地表漫流、地下水、日射、蒸發、融雪、河川徑流和森林生長。為了輕松地把模塊組裝起來描述感興趣的流域，MMS提供圖形用戶界面允許非程序員確認重要過程以及它們相互之間的交互方式，例如，天氣模塊產生降雨，降雨又與地表漫流模塊有關，后者模擬出的水流進入河川，再流向水庫和其它河流等等。其各模塊間的集成是通過對數據定義和數據交換格式的嚴格控制來實現的。MMS建模系統在美國流域水文模擬中應用較為廣泛。
5 結束語
綜上可見，供流域水資源管理使用的水文模型非常之多。如何選擇真正適合自己流域特點的流域水文模型，應重點考慮以下一些關鍵問題：
（1）使用模型的目的是輔助決策。大多數水文模型都有研究問題的側重點，需要考慮模型輸出的信息是否滿足決策要求。
（2）模型的適用區。任何模型都有一定的假設和概化，因而有各自的適用范圍，應充分了解模型的結構特點，確定其適應性。
（3）模型的當前狀態。需要確認模型是試驗性的、公共軟件、還是完全商業化的？哪些區域已經成功地使用了它？模型最新的版本于什么時候？修改漏洞和擴展模型功能時需要作些什么？通常，更有用的模型都處于不斷的完善之中并且有一個用戶群，而且也能提供用戶支持。
（4）模型的數據需求。流域水文模型各種各樣，各模型都有其不同的原始數據需求。我們不可能奢求任何一種信息采集方案可以完全滿足流域水文模型的數據需求，而不顧現有數據基礎和落后的信息采集設施就盲目進行流域水文模型的開發同樣是不理智的。流域數據的收集與流域水文模擬模型的研究和開發應該相互協作，同步進行。
（5）模型對不同數據源獲取信息的能力。大多數流域水文模型軟件具有數據輸入能力，以盡量減少數據輸入的工作量。對于空間數據輸入，確定該系統具有格式轉換、投影轉換、插值和預測功能。有無電子表格數據格式輸入功能等等？
（6）模型對用戶的要求。用戶必須有什么樣的專業知識和技能才能成功運用模型？用戶群有這些技能嗎？用戶需要運行一段系統才能掌握運轉它的必要技能嗎？通過檢視模型的用戶界面通常能夠得到這些問題的答案，用戶界面越完善，學習曲線越短；在線幫助越好，所需專門技能就越少。
（7）采用該模型軟件的開銷及可獲得的技術支持狀況。應該確定最初的開銷，以及維護、培訓、和支持的開銷。安裝系統、準備輸入、學習系統和運行系統將花多長時間？在線材料、文本、文章、和源代碼文檔可供使用嗎？是否有技術支持和培訓？開支多大？
科學合理地選擇流域水文模型是“數字流域”建設的重要內容，對于提高輔助決策能力和科技水平至關重要。只有流域管理者統籌兼顧、全面考慮、綜合比較，才能選擇出真正適合于自己流域的水文模型，才能使水文模型為提高流域管理現代化水平發揮作用。
轉貼于 參考文獻
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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)
氣候變化對水文循環的影響范文5
地理水文學（GeographicalHydrology）與水文地理學（Hydro-geography）均屬水文研究的地理學方向，與直接服務于水利工程的工程水文學有所不同。但研究的對象是一致的。50年代受原蘇聯學術界的影響，促進了我國區域水文的研究，并且形成了水文地理學的主題。俄語中的水文地理（гидротафия）與英語中的Hydrography涵義相同。后者于16世紀在歐洲用于水道（河、海）測量制圖的描述［1，2］，在中譯書刊中有人譯為“水象學”。水利工程專業人員把水文地理作為水利的自然條件來看待，例如，地質、地貌、氣候、植被、土壤等等背景，實際上是自然地理因素的特征描述。這里看不出對于水文與水資源本身規律的研究，不能有效地利用地理學原理深入研究水文現象。為此，我們強調水文學的地理方向或地理方向的水文研究。近年來的實踐表明，水的問題直接關系到工農業生產與人民的生活，廣泛涉及生態與環境等的方方面面［3］。水文地理學已突破了單純的水背景研究。實際上，從1978年以后，中國地理學會水文專業委員會的歷屆全國水文學術大會上都強調人與水關系的研究［4-6］。
適應水問題研究發展的需要，并與工程水文學相配合，深化水文研究的理論與實踐，地理水文學更可拓寬水文地理學的研究方向，發展內涵，有利于學科研究發揮自己的特色；促進水文研究與地理科學其它分支科學的橫向結合，如氣候學、地貌學、土壤地理學等，尤其是與人文經濟地理學的結合，形成新的邊緣學科領域和產生新的學科生長點；通過水與資源、社會、經濟、生態與環境的廣泛聯系，有利于綜合性研究優勢的發揮，改變水文地理研究的傳統方法與手段，增加計算技術、遙感遙測與信息系統方法的應用，提高研究工作的水平。
地理水文學的提出是一種發展，而不是對水文地理學的否定。兩者既屬于地理科學也屬于水文科學。為了簡化敘述，它們的關系可以用圖1來表示：
圖1地理水文學與水文地理學示意
Fig.Relationshipbetweengeographicalhydrologyandhydrogeography
顯然，地理水文學與水文地理學均是地理科學（G）與水文科學（H）的公共部分，即集合G與H的交，有共同的元素為X，則：
G∩B＝｛X／X∈G，X∈H｝
只是水文地理學靠近地理學，而地理水文學靠近水文學。從我國地理部門的水文研究來看，針對區域和流域的單純水文地理研究已相對減少，而水文水資源本身的研究相對發展。地理水文學在研究領域、深度層次、實際應用等方面均領先于水文地理學。
2回顧與研究現狀
從30年代后期到80年代中期的研究回顧，見參考文獻［1－3。結合當前，簡要概括如下：我國地理學中現代水文學研究始于30年代末，從吳尚時先生的譯著“江河之水文”為起始。50年代初，謝家澤、郭敬輝、施成熙、羅開富等為推動我國水文研究作出巨大貢獻，50年代中期以后，以河流水文為主的水文研究迅速發展，包括邊遠地區河流水文調查與全國水文區劃的研究。60年以后，從河流水文（包括河口水文）逐漸擴大到其它陸地水體，包括冰川、湖泊與沼澤水文及水文過程（如泥石流、洪水與森林水文影響等）的研究。同時，水文實驗，包括定位半定位試驗相繼發展。70年代，特別是80年代以來，水資源問題與環境水文研究得以迅速發展。80年代中期以后，“人與水”和涉及全球變化的水文研究開始興起，方興未艾。
至于研究現狀的歸納，擇其主要方面分述如下：
2.1水循環與水平衡
作為水文基本理論的水循環與水平衡研究，正在宏觀與微觀尺度上不斷擴展與深化。在宏觀上面向全球。國際地圈生物圈計劃（IGBP）強調的界面過程研究，正力圖把描述全球物理氣候系統的總循環模型（GCMS）與全球水循環模型相耦合。這一研究將提供量化與描述全球水文過程與未來變化的可能，其中包含自然變化與人類活動的影響。IGBP計劃特別注重植被變化的作用，以便把人與生物圈（MAB）計劃的研究緊密聯系起來，這是目前國際上正在開展的一項巨系統研究。在我國結合IHP－IV計劃（大氣、陸地和水系統間的界面過程，氣候變化和水文系統的關系，濕潤熱帶、干旱半干旱區水文研究與水資源管理戰略等）已有初步研究，目前正加強我國地理水文學與地學及生物學各分支學科的跨學科研究。
水循環研究除在國內已發展的各類流域水文模型外，正深入到單元尺度的細微觀測與計算模擬，尤其是田間水分運動與交換過程的實驗與計算研究。相對于宏觀尺度的研究，我國在這方面已有一定的工作基礎，如土壤－植物－大氣連續系統的研究，發展了多種水體之間多種形式耦合系統的探討；結合中國科學院生態臺站網絡的建立，開展不同地理帶的水循環過程的實驗，致力于揭示界面過程中水分、熱量交換規律，例如，地下／土壤水、植物根系吸收、植物冠層輻射平衡、溫度、總氣孔阻力、邊界層阻力、土面蒸發、土壤熱通量等等。水循環或水量平衡研究，既是發展水資源確切評價方法的基礎，也是農田節水調控、農業合理用水的依據，具有重要的意義和廣闊的應用前景［7］。水循環的微觀與宏觀的結合表征水文科學理論的逐步完善化和系統化。
2.2區域水文與水資源
2.2.1區域水文近年來的主要進展表現在：
①定量分析技術手段有所加強，如應用模糊數學進行區域水文類型的研究，已有黃河流域的水文區劃工作；應用有序量最優分割法，進行河川徑流變化的研究；利用遙感技術進行地區水文條件的判讀，包括對多時相衛星遙感圖像分析區域水文動態等。
②區域水平衡研究進一步深入，如：中國科學院地理研究所進行的全國水量平衡與華北水量平衡的研究；長江流域辦公室與黃河水利委員會提出的長江流域水平衡三要素分布和黃河流域水文要素時空分布及水平衡分析；各省區的水平衡研究，全國已有一半的省市提出研究報告［5］。在這些研究水平衡的工作中，多采用六要素的平衡計算方法。
③全國水文區劃已完成初稿，這項工作開始于1984年，成果即將發表。
④特殊區域的水文研究也取得許多成果。如喀斯特地區、干旱區與半干旱地區、山區、平原地區、高寒地區與小島的水文研究均有相當的研究成果發表。
2.2.2水資源從70年代后期開始，我國的水資源問題一直對水文研究起著導向的作用，而且經久不衰。有人甚至認為一門新的學科——水資源水文學正在興起。這說明水文與水資源不可分割的關系。作者認為水資源的研究可以作為水文學延伸與拓廣。但水資源學并不與水文學等同。水資源學與社會、經濟有更直接的密切關系。1986年在南寧召開的第4次全國水文學術會議以來，水資源的研討非常熱烈：
①針對水資源的涵義，楊戊與劉昌明等分別提出了水資源的定義［8，9］。
②在區域水資源的研究方面，提出了對農業生產至關重要的土壤水的資源評價與利用［10-12］及農業節水的途徑。這方面的研究與原蘇聯學者李沃維奇曾經展望的“水文學的土壤趨勢”相呼應。
③在區域水資源研究方面發表了大量的論著，特別是對邊遠地區（如新疆、等地區）的水資源提出了比較系統的研究成果［13］。
④結合城市水文研究的開展，南京大學與華東師范大學對城市水資源做了一系列的工作，水資源規劃與管理的研究比較突出。
⑤南水北調工程是我國水資源重大戰略性工程，對緩解我國地方水危機有重大作用。由于引水線橫跨江、淮、河、海4大流域，水資源的配置與聯合利用是亟待研究的問題。針對這一問題，應用水文地理的系統分析取得了進展［14］。
2.3冰川、湖沼水文
全國第一次水資源評價中的冰川與湖泊水量均由地理部門完成［15］。中科院冰川凍土研究所計算分析得出全國冰川間積為58651km2，冰川儲量為51322×108m3，冰川融水年徑流量為563×108m3。這部分水量構成了我國西部地區水源的重要成分；中科院地理與湖泊研究所估算了全國湖泊總面積為71787km2，年貯水量為7088×108m3。中國科學院長春地理研究所估算出我國沼澤的面積約為10×104km2。
冰川與湖沼水文的研究，在我國主要集中在地理研究單位。在學術上有舉足輕重的地位。在施雅風先生的倡導下，我國冰川的研究，取得迅速的發展。除水文調查外，冰川水的研究已深入到冰川的水量平衡與融水徑流形成過程的機制方面，并提出了我國冰川水文學的研究專著［16］。
我國湖泊水文研究，在西北與東南地區都取得了重大進展。中國科學院新疆地理研究所，提出了亞洲中部湖泊的近期變化［17］的研究成果，為中亞湖泊水資源利用提供了科學依據。中國科學院南京地理與湖泊研究所毛銳，在太湖蒸發的長期研究基礎上，針對1991年太湖水災時期湖水位日變化分析得出排淺阻礙論據，對于世界銀行為治災投入資金的決策起了很大作用，顯示了研究論文的價值。此外，1992年中國科學院地理研究所在南四湖蒸發的系統研究成果也通過了科學鑒定，發展了水面蒸發的計算模型［18］。
沼澤水的研究以東北三江平原的沼澤水文研究為代表，已獲得了多年的科學積累［19］。
2.4水文過程與環境水文
水文過程在自然地理過程與環境變化的研究中具有極其重要的意義與應用價值。在水文過程的驅動下，導致地貌演化，流水造成侵蝕、搬運與沉積，起著地形的塑造作用；攜帶地表層化學元素的遷移、沉淀，對化學地理景觀起著重要作用；對于地球表面的主要熱量（太陽能）進行調節與傳輸，影響到氣候的形成與變化；蒸發過程包含著生物界的一個基本生理過程——蒸騰作用，涉及到植物生長發育。在這個過程中，水與二氧化碳一起是構成植物碳水化合物的主要物質；另一方面，水文地理或環境條件又對水文過程發生影響，成為環境變化研究的命題。水文過程的研究近年來非常活躍。
2.4.1水文過程模型結合各地水文計算的需要，對產流與匯流發展了不同的模型。中山大學、南京大學、貴陽師大與成都科技大學等單位分別研制了巖溶地區水文模型［20，21］。結合流域地貌水系結構，中科院地理研究所等單位發展了地貌單位線方法，用于徑流過程的計算?？紤]土地利用對水文過程的影響，劉昌明、于靜潔提出了森林攔蓄降雨極限量模型①，用于森林攔蓄降雨的計算問題。
①北京林業大學，國際森林水文模型班講義，81－87，1990。
2.4.2水量轉化近期，在我國平原地區，開展了“三水”（降雨、地表水與地下水）轉化的研究，考慮到土壤水，稱為“四水轉化”，再進一步聯系到植物水分，稱為“五水轉化”，這是研究工作的一種循回漸進，從簡單到復雜的過程。這方面的研究由于采用了系統的觀點和演繹方法［22］，使水量轉化過程的理論得到了進一步的發展。這些進展表現出對水文過程研究的全面概括和預見性，揭示出界面水文研究的前景，同時，也豐富了自然地理過程的理論。
2.4.3環境水文主要探討環境變化（包括自然與人為變化）造成水量與水質過程的變化，這一研究是以水文過程的理論為基礎，計算分析各種水文要素對環境條件改變的響應。在研究方法上，目前主要采用鑒定評價法、模擬法以及外推法等［23］。近幾年，國內環境水文的研究大多結合各地的環境保護規劃與實施進行，如華北地區的水環境與上海市的水環境［24］。在一些薄弱的領域，如：地下水的污染，也開展了研究［25］。1990年國際地理聯合會（IGU）在北京舉行區域大會后，IGU執委會批準在中國建立了區域水文對氣候變化和全球變暖響應的二級學術研究組織并推選劉昌明為主席，使環境水文的研究由較小尺度的研究轉向更加宏觀的大尺度環境水文研究。1992與1993年分別在美國華盛頓與中國拉薩舉行了國際會議，研討了全球變暖對水文與水資源的影響和高寒地區水文水資源對氣候與全球變暖的響應［26］。這些學術活動推動了我國大環境水文的研究。
2.5實驗水文
水文學理論的深入發展必須借助于實驗研究。目前，水文的定位觀測遍及我國的主要陸地水體，包括冰川、湖泊、沼澤與小河流的降雨徑流、土壤水與地下水。比較著名的臺站可以山東禹城水循環與水平衡試驗站、太湖試驗站、東北三江平原沼澤試驗站與西北天山冰川試驗站為代表，這些實驗站納入了中國科學院生態系統網絡，覆蓋了我國主要的生態類型區，為我國地理水文的理論與應用研究提供了最有力的支撐。實驗的內容不僅包含了所有的水文要素的試驗觀測，而且結合了能量與溶質等不同地理地帶的生態與環境條件的研究。在實驗技術與手段方面，除了引進國外的先進儀器（如普遍配置土壤水分中子儀，太陽輻射儀等）外，根據實驗與模擬的需要還自行研制了室內與野外實驗裝置［27］。配合對土壤－植物－大氣系統（SPAC）的觀測，設計了多種儀器的綜合裝置，發展了新的研究課題。
2.6應用性研究
結合國家與地方的任務，適應市場經濟與生產需要，在國土整治、區域發展、城鄉規劃、工礦交通建設、大型水利工程生態與環境保護等許多方面，進行了大量的研究工作。在缺水的華北與西北地區的工作如節水農業［29］等。有些研究突出地理學的特色，如在華北平原進行的古河道調查［30］，為區域的水量調蓄工作，提供了重要參考。
3、21世紀地理水文研究若干問題
展望未來，地理水文的研究，將有廣闊的發展前景。密切結合社會各方面對水日益增長的需求，適應市場經濟的發展，考慮國際學術的發展趨勢，面臨著嚴竣的挑戰和眾多的機遇，研究工作任重而道遠。下面提出的若干方面僅供商榷。
3.1水資源仍為研究主題
隨著社會經濟的發展和人口的增長，今后應以地理水文與工程水文相結合，為水資源評價、開發、利用、管理和保護提供水資源水文的科學依據，深入水文規律的研究，創造新的水文分析方法。由于供水量的不斷增長引起廢棄水的增加，水質的研究和地下水及一些新水源利用，將會更加迅速地發展，不斷擴大規?；虺叨鹊娜祟惢顒訉λY源的影響，包括三峽大壩與南水北調等超大型水資源工程的影響，將為地理水文研究提出新課題。
3.2全球變化與地理水文
埃里克·巴倫提出的通用循環模式（GENESIS）進一步發展了全球增暖的認識。對全球變暖引起的水文水資源變化的研究，是我們責無旁貸的任務。中國是世界大國，幅員遼闊，大約跨4°－53°N之間，水資源對氣候變化的響應是非常復雜的。主要特點是：
①因緯度帶而異；
②水文水資源量的響應屬非線性（見圖2）；
③水文的變異，包括極值，有隨溫度升高而俱增的特點。這些特點會影響到水資源開發利用的規劃與管理。因此，必須開展全國不同地理區或緯度帶的水文水資源對全球氣候變化響應的研究，并為水資源未來情景作出預測。
圖2年徑流（R）對氣溫（T）與降水（P）的響應
Fig2AnnualRunoffResponsetoAnnualTemperatureandPrecipitation
3.3全球能量與水循環實驗（GEWEX）
GEWEX是一個跨世紀的國際研究計劃，它屬于世界氣象計劃（WCP）的內容，橫向與水文學的研究相結合。研究計劃在1990年制定，1995年以前屬準備階段。我國早在50－60年代已由黃秉維先生提出了與其基本相同的課題，即“熱水平衡”的研究。因此，在我國開展這一工作已具備了一定的基礎。特別是目前正在建立的中國科學院生態臺站網絡，將為開展GEWEX的研究和國際間的合作提供良好的條件。由于GEWEX的研究需要解決大小尺度空間系統的耦合問題，今后的研究從我國的實驗觀測臺站來看，存在著小尺度能量與水分運動的計算，如何在尺度上延伸或升級（Upscale），當然，全球大尺度的模型，也需要考慮尺度的降級（Downscale）。隨著GEWEX研究向21世紀的邁進，水文與氣候學在大尺度上的結合，將會產生出嶄新的成果，發展新的前沿。
3.4水文循環的生物圈方面（BAHC）
在國際地圈、生物圈計劃（IGBP）中，BAHC是核心計劃之一。這與1966年澳大利亞著名土壤－水文學家菲利浦提出了土壤－植物－大氣連續系統的研究一脈相承。1992年已在法國召開了國際學術討論會，歐洲與北美及澳洲均在開展研究，加拿大國家氣候中心立項作為專題項目。
BAHC作為IGBP的核心研究項目，將密切配合國際地圈、生物圈計劃的研究，旨在通過植被對水循環實現調控。在我國地球與生命科學的一些研究單位也正從實驗的途徑開始工作。由于水循環控制關系到水資源調蓄利用，這項研究不僅具有重要的應用前景，而且結合IGBP計劃將促進一門新的水文學科——宏觀生態水文學的發展。
3.5過度或交錯帶（Ecotones）的水文問題
Ecotones原意為群落交錯帶。隨著環境變化的深入研究，提出了生物多樣性的問題，Ecotones是環境水文問題研究的延伸。根據人與生物圈（MAB）的活動計劃，1993年7月，在法國里昂召開國際地下水與地表水交錯帶的國際學術研討會，主要有以下三方面的議題：
①地下水與地表水界面的作用。
②地下水與地表水界面的障礙：原因與評價方法。
③地下水與地表水界面的管理與恢復。在我國Ecotones尚屬一個新的研究領域，目前國內水文地理與化學地理工作者正在著手開展Ecotones的研究，除了地表水與地下水交錯帶外，河湖與陸地過渡帶Ecotones也開始研究，預計未來其它交錯帶的研究也會逐漸發展，這一研究作為水文學與環境學的交叉研究課題需于重視。
3.6雨水資源化
雨水資源化顧名思義是雨水利用的問題，80年代以來熱衷于這一研究的各國學者已舉行了六屆大會和多次區域性會議，1992年10月在日本東京都召開了國際雨水資源化區域會議。1993年8月初在肯尼亞內羅畢召開了第六屆會議，說明雨水利用問題深受各國學術界的重視。
1989年8月初在菲律賓召開的第四屆國際大會上，醞釀成立了“國際雨水收集系統協會”（IRCSA）并推選了美國夏威夷大學水文學家，美籍華人霍雨時為該協會的第一任主席，該協會的成立進一步推動著雨水利用的研究。
雨水利用的研究應用前景廣闊，其內容也甚為廣泛，特別是對我國廣大農村農戶的供水、對缺乏河川的漁島、遠離地表水源的山村等有很重要的意義，拓寬的雨水利用還包括雨云的研究（和人工增雨），屋頂雨水的收集技術以及水質保存的方法、雨洪的調蓄等等。對于我國缺水的北方與南方石灰巖山區。地表水缺乏的地區，雨水利用的研究可望緩解局部地區的缺水問題。在我國降雨分配不均的情況下，這一研究的意義不言而喻。1985年6月將由中國地理學會水文專業委員會與組織在我國召開第七屆IRCSA大會，可望推動我國的雨水資源化研究。
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氣候變化對水文循環的影響范文6
關鍵詞：低碳；生態效益；熱島效應；碳匯
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
中圖分類號：TF761+.2文獻標識碼：文章編號：
1.引言
近年來氣候變化、環境危機成為人們關注的焦點，普遍認為碳排放是影響全球氣候的主要因素。從排放源頭看，城市是人口、建筑、交通、工業的集中地，自然也是高碳排的綜合體。根據美國研究資料表明，建筑碳排放約占總排放量的39%，交通占33%，工業占28%[1]。就城市下墊面而言，只有綠地（包括景觀水系）是抵消碳排放的。根據《城市建設用地分類標準》，綠地占城市建設用地的8%-15%，居住用地占25%-40%，而《城市居住區規劃設計規范》規定新建居住小區綠地率不得低于30%，可見分布廣泛的住區綠地是提高城市碳匯強有力的補充。同時綠地是有效緩解城市熱島效應的方式之一，也是構成城市慢行系統的物質空間載體。住區綠地系統設計是提高城市人居環境品質的有力實施途徑。
2.住區綠地系統設計存在的現狀問題
2.1斑塊化設計不利于引導低碳生活方式
快速城鎮化帶來了大量的住房建設，由于對稀缺土地資源的激烈競爭導致城市空間雜亂無章。在缺乏公共管治的情形下，私有管治應運而生。代表私有管治的“門禁小區”是開發公司能夠在質量參差不齊的城市環境中為中、高產階級提供優美居住環境的唯一選擇[2]。以濟南名士豪庭居住小區為例，良好的入口景觀設計提升了小區形象。但是，門禁小區建設的直接結果就是將宜人的綠化景觀變為少數人的私家花園，無形中造成了城市景觀資源的浪費，切斷了原本可以連續的步行系統。這種斑塊化的綠地現狀，降低了人們最健康最低碳出行方式的概率，增加了高碳出行的分擔率。
住區綠地斑塊化設計，使每一塊綠地因缺乏歸屬感而喪失了為居民提供公共活動空間的初衷，形成無人問津的“綠塊”，豐富多彩的室外活動也因此受到限制。人們在室內活動時間越長，使用能源增加建筑碳排放量愈大。
2.2綠地率與碳匯功能缺乏相關性
從本質上看，土地利用變化是引起碳匯與碳源之間相互轉化的根本因素。綠地率是反映住區綠化環境的指標，但是不能體現碳匯能力[3]。比如，綠地率均為35%的小區，一個全為綠化草坪，另一個由喬木、灌木、草坪有機搭配而成，那他們的綠地碳匯功能將相差甚遠?，F在多數住區建設往往更注重面子工程，采用“殺頭、截肢、去葉”等技術栽植喬木，配合以大面積的草坪來實現綠化要求，并沒有本著改善住區小氣候、提升住區居住品質和提高植被碳匯的目的進行設計施工。
住區碳排放主要來自于建筑和交通，建筑碳排放以人們對能源的使用為主。隨著人類改造活動的加劇，城市的建筑、廣場、道路不斷增加，綠地、水體等自然要素相應減少，加之太陽輻射、通風不暢、空調排氣、人類密集活動帶來的能耗所產生的熱量使得城市熱島效應愈演愈烈。熱島效應致使城市年平均氣溫比郊區高出約3℃，夏季，局部地區甚至比郊區高出6℃以上[4]。為了降低室內氣溫和促進室內空氣流通，人們不得不使用空調等大功率用電器。濟南市住區規劃現狀缺乏對立體綠化（屋頂綠化和墻體綠化）的設計，立體綠化本身的碳匯能力可能不強，但可以有效改善居住建筑室內光、熱環境，降低對人造能源的依賴而實現“匯碳”功能。所以，筆者認為低碳住區的綠地率，應結合其實際碳匯功能確定指標體系。
2.3綠地生態效益得不到充分利用
綠地不僅能凈化空氣、降低噪音，還能凈化水質、涵蓄水源。傳統的雨水排水規劃設計以快速排除雨水為出發點，一般采用抬高住區綠地景觀標高，加快雨水地表徑流，將建筑、場地、綠地中的雨水快速匯集到小區道路，然后一并匯入排水管網。這種排水方式忽視了綠地對雨水的凈化和滯留作用，反而更容易出現城市內澇的局面。由于缺乏對綠地生態效益的有效利用，才造成了近兩年大城市相繼出現雨季“看海”的無奈風景。大量的雨水流失，既加大了排水過程能耗（加壓泵站），污水處理廠的處理能耗，更造成了城市面源污染、內澇的危險及水資源的浪費。
3．低碳住區綠地系統的優化設計
3.1引導低碳生活方式的連續綠地系統
隨著科技的進步，各種電子產品進入人們的生活，根據調查，六成以上的家庭主要活動為看電視、上網。但是，閑暇時間城市廣場、公園內活動人群幾近飽和，說明人們還是有強烈的室外活動欲望，只是缺乏相應的場所設施。居住區級公園、小區中心、組團中心等公共空間因“門禁小區”的存在不成系統，無形中浪費了良好的空間序列。人們需要開放、連續且有一定歸屬感的活動場地。連續既有物質空間上的形態連續，也有生活軌跡上的時間連續。將人各時段的生活習慣與物質空間相結合，才能構成富有城市活力的公共生活空間。綠地是公共空間重要的載體，綠地的設計不應孤立對待，應與人們生活息息相關的商業設施、教育設施、廣場等構成一個有機的整體，既滿足人們休閑需求的同時，還能達到購物、接送孩子的目的。研究表明，街坊尺度控制在150-200米最適宜慢行，住區可采取“小封閉大開敞”的管理模式，既滿足私密性的要求又將組團間的綠地資源共享，利于營造連續的步行景觀系統。
基于這樣的設計之上，筆者提出“每天一小時”理念，即通過連續公共空間的設計，培養人們形成每天在戶外活動至少一小時的生活習慣。戶外活動意味著人們可以脫離建筑環境，不再使用任何室內能源。按每戶平均用電器功率為200W，則每戶每天節省0.2度電，統計資料顯示，濟南市2010年末共有112.91萬戶，不難得出戶外一小時的低碳生活方式每天可節約用電22萬度，按生產1度電排放960g碳，則每天可減少碳排放約200多噸。人是城市的主體，也是碳排放的控制源頭，即使再先進的低碳技術離開了人的支持將不能發揮原有功能，因此，住區實現低碳的根源離不開人的配合，低碳的生活方式起著舉足輕重的作用，而引領這種生活方式的物質空間形成需要規劃設計師用心思考和推敲。
3.2高碳匯的復層、立體綠化設計
城市熱島效應加劇，增加和優化綠地系統是緩解熱島效應的重要措施之一。設計合理的小型綠地、屋頂綠化、立體綠化一起成為改善局地氣候的主力軍。就綠地規劃設計和建設而言，首先應形成喬木、灌木、草坪復層的綠化形式，充分提高植被的碳匯能力。在植被選擇上，盡量選取當地地帶性物種，他們具有較強的水熱適應性，并且能夠增加城市綠化的生態服務功能。其次是屋頂綠化和墻體綠化，這種建筑維護結構的碳匯能力有限，但是可以從環境中吸收熱量，降低夏季建筑物室內溫度，進而降低空調使用率。
科學證明，每公頃綠化從周圍環境中吸收的熱量，相當于189臺空調的制冷作用[5]?？梢娝鼈兊奈鼰崮芰﹂g接實現了“匯碳”功能。屋頂綠化的施工，可以通過在平屋頂屋面荷載允許的范圍內覆土種植植物，對不能覆土的現有建筑可在屋頂設計種植地，種植攀爬植物，任其生長覆蓋整個屋面。墻體綠化是綠化中占地面積最少綠化面積最大的一種形式。這種立體綠化不僅增加了城市的美感改善建筑光熱環境，同時也為居民提供了一份寧靜與悠閑。對于綠地率我們應進一步探索研究能夠反應其碳匯能力的指標體系，以此來出具住區規劃設計條件，真正達到綠地作為城市之肺的功能。
3.3低沖擊開發模式理念下的綠地設計
低沖擊開發模式是解決城市與生態基質共存之道，指的是城市規劃建設盡可能不改變原有地表水的徑流分布，盡可能使地表透水，也就是說以盡可能少的干擾地表和地下水系的模式規劃建設城市[2]。綠地作為城市軟質下墊面的代表，它的設計應遵循了低沖擊開發模式理念，維護了城市原有自然水循環體系。
低沖擊開發模式住區綠地水循環設計與傳統住區雨水排放規劃不同，前者強調對雨水源頭的控制。城市降雨后，先由屋頂儲水（屋頂綠化），多余雨水由雨落管接入建筑周圍的雨水花園②進行滲透，道路及硬化場地的雨水先排入周邊低凹的植被中，滿溢出來的再進入住區雨水儲存系統，然后再溢到城市排水系統。我們應打破傳統的豎向設計模式，采取“建筑標高＞道路標高＞場地標高＞綠地標高”的豎向設計，將所有雨水的首先匯集到綠地中，經過充分吸收、滯留、凈化、儲存，再流入設計在綠地中的排水口。這樣既節約了城市水資源又緩解了因徑流過大而產生的城市內澇。根據有關研究結果，當綠地下凹5-10cm時，能夠消納和自身相同面積不透水地面的雨水[7]。低沖擊開發模式理念下的綠地設計有利于自然水文循環，緩解城市供水壓力、節約用水，還可以通過綠地的駐留滲透作用有效控制城市的面源污染，使用地開發后盡量接近開發前的水文狀態，實現人、城市、水的和諧相處。
4結語
作為城市基本構成單元的住區是低碳城市最重要和具有操作性的平臺，影響住區碳排放的因子很多，包括建筑排放的硬因子以及與人們生活方式相關的軟因子。綠地恰恰具有緩解城市熱島效應改善局部小氣候的功能，能夠有效調節建筑光、熱等物理環境，從而降低人們對人造能源的依賴度；連續的綠地系統設計可以引導人們養成低碳生活習慣；同時綠地也是城市中受人為干預最少的地塊，通過對綠地形態的設計和植物種類的選取，增加碳匯能力，使其成為城市能源、資源循環的媒介。人們對低碳住區的概念始終停留在“高科技、高成本”的認識上，缺乏對大自然自身功能的深入挖掘。俗話說“不積跬步無以至千里，不積小流無以成江河”，我們應更加注重從減少住區碳排放的每個細節著手設計，自下而上完成低碳城市的建設。
注釋:
①住區：相當于居住區級別，泛指城市中心區或邊緣區以居住功能為主，由城市干道圍合面積在50-100公頃左右，且含有相應公共設施和基礎設施的城市居住區域。
②雨水花園：是自然形成的或人工挖掘的淺凹綠地，被用于匯聚并吸收來自屋頂或地面的雨水，通過植物、沙土的綜合作用使雨水得到凈化，并使之逐漸滲入土壤，涵養地下水，或使之補給景觀用水、廁所用水等城市用水。
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