流域水文模型

前言

　　隨著人類社會的快速發(fā)展，地球上的水文過程和水循環(huán)規(guī)律也在不斷地加速變化，突出表現(xiàn)為淡水資源減少、洪旱災(zāi)害頻繁、生態(tài)環(huán)境惡化，許多地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的水問題與水危機(jī)。人類活動引起的土地利用／覆被變化（LLICC）是其重要原因之一。土地利用／覆被變化的水文水資源效應(yīng)越來越受到重視，如國際地球一生物圈計劃（IGBP）的核心項目（GAIM、BAHC、GCTE、LLICC）就是把土地利用／覆被變化的水文水資源效應(yīng)作為全球變化的重要研究內(nèi)容之一；《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》把“人類活動對地球系統(tǒng)的影響機(jī)制”作為第三個國家重大戰(zhàn)略需求的基礎(chǔ)研究，其中重點流域大規(guī)模人類活動的生態(tài)影響、適應(yīng)性和區(qū)域生態(tài)安全等是其重要研究內(nèi)容。另一方面，氣候變化引發(fā)的一系列全球性環(huán)境問題已嚴(yán)重困擾著人類社會，2007年聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）強(qiáng)調(diào)了氣候變暖導(dǎo)致的干旱、洪澇、凍害、冰雹、沙塵暴等自然災(zāi)害頻發(fā)將嚴(yán)重威脅到生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的安全。2001年以來，國際上實施了全球水系統(tǒng)計劃（GWSP），其中全球氣候變化和劇烈人類活動（包括土地利用變化）對區(qū)域水循環(huán)與水安全的影響，是GWSP重點研究的問題之一，氣候變化和土地利用／覆被變化的水文水資源效應(yīng)逐漸成為全球環(huán)境變化研究的重要組成部分。因此，以水問題為紐帶，研究氣候變化和土地利用／覆被變化的水文水資源效應(yīng)及其對水循環(huán)、水環(huán)境和水災(zāi)害的影響，既是全球水系統(tǒng)研究的核心科學(xué)問題和發(fā)展前沿，又是區(qū)域水安全評價和風(fēng)險管理重大需求的應(yīng)用基礎(chǔ)問題。　　但是，水文過程的變化和水文影響機(jī)制的復(fù)雜性，以及由土地利用／覆被變化引起的水文水資源效應(yīng)具有雙向性和諸多不確定性，使得該研究相對比較復(fù)雜和發(fā)展滯緩。過去對這方面的研究主要停留在一些定性的描述分析和統(tǒng)計分析上；而在實地觀測的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量研究，以及利用遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)建立分布式水文模型直接動態(tài)模擬氣候變化和土地利用／覆被變化的水文水資源效應(yīng)研究相對比較薄弱。特別是目前研究土地利用／覆被變化的流域水文模型未與我國的土地資源分類系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，不便于從模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)方面直接揭示土地利用／覆被變化對水文和水資源影響的過程與機(jī)理，也不便于在水文模型中充分利用土地利用／覆被變化的信息進(jìn)行水文水資源效應(yīng)分析。

內(nèi)容概要

本書針對由于區(qū)域氣候變化和土地利用／覆被變化所引起的水文水資源效應(yīng)問題，建立了考慮土地利用／覆被變化的流域水文模型(WHMLUCC)，提出一套水文水資源效應(yīng)評估理論方法體系，并將其應(yīng)用于無定河流域。全書由十五章構(gòu)成，主要部分有三篇：第一篇“建模機(jī)理”介紹了流域產(chǎn)匯流計算原理以及代表性流域水文模型，在此基礎(chǔ)上闡明考慮土地利用／覆被變化的流域水文模型的建模機(jī)理；第二篇“變化預(yù)測”介紹了水文變異診斷系統(tǒng)的構(gòu)成和檢驗原理，并對無定河流域過去和現(xiàn)狀水文要素進(jìn)行了時空變異分析、對無定河流域未來氣候變化和土地利用／覆被變化進(jìn)行了預(yù)測；第三篇“模型應(yīng)用”介紹了WHMLUCC模型在無定河流域水循環(huán)模擬、水文水資源效應(yīng)分析、生態(tài)需水量計算和綠水-藍(lán)水定量評估方面的實際應(yīng)用情況。    本書可供水文水資源學(xué)科、資源科學(xué)、地理科學(xué)、環(huán)境科學(xué)的科研人員，大學(xué)教師和相關(guān)專業(yè)的高年級本科生和研究生，以及從事水利工程、水土保持工程和環(huán)境工程的技術(shù)人員參考。

書籍目錄

前言緒論  第一章  緒論    §1.1  研究背景和意義    §1.2  氣候變化的水文水資源效應(yīng)研究綜述    §1.3  土地利用／覆被變化的水文水資源效應(yīng)研究綜述    §1.4  主要研究內(nèi)容    參考文獻(xiàn)第一篇  建模機(jī)理  第二章  概念性產(chǎn)流模式    §2.1  產(chǎn)流原理介紹    §2.2  蓄滿產(chǎn)流模式的產(chǎn)流計算    §2.3  超滲產(chǎn)流模式的產(chǎn)流計算    §2.4  混合產(chǎn)流模式的產(chǎn)流計算    參考文獻(xiàn)  第三章  概念性匯流元素    §3.1  匯流原理    §3.2  概念性元素的定義    §3.3  概念性元素與地貌、水流動力特征值之間的關(guān)系    §3.4  概念性元素的推移和坦化作用    §3.5  概念性元素的性質(zhì)    §3.6  概念性元素的比較    參考文獻(xiàn)  第四章  流域水文模型介紹    §4.1  流域水文模型研究概述    §4.2  代表性集總式流域水文模型    §4.3  代表性分布式流域水文模型    §4.4  模型比較    參考文獻(xiàn)  第五章  WHMLUCC模型的研制    §5.1  基于shreve河鏈概念的單元劃分    §5.2  土地資源分類系統(tǒng)    §5.3  單元水文結(jié)構(gòu)    §5.4   wHMLUCC單元水文模型的擴(kuò)展    參考文獻(xiàn)  第六章  GIS／RS在WHMLUCC模型中的應(yīng)用    §6.1  無定河流域概況    §6.2  GIS／DEM在WHMLUCC中的應(yīng)用    §6.3  RS在WHMLUCC中的應(yīng)用    §6.4  無定河流域DEM及地貌信息提取    §6.5  降雨空間插值應(yīng)用實例    參考文獻(xiàn)第二篇  變化預(yù)測  第七章  水文變異診斷系統(tǒng)    §7.1  水文變異的定義    §7.2  變異診斷系統(tǒng)    §7.3  初步診斷    §7.4  詳細(xì)診斷    §7.5  綜合診斷    §7.6  權(quán)重計算原理    §7.7  診斷結(jié)論輸出    參考文獻(xiàn)  第八章  無定河流域水文時空變異分析    §8.1  無定河流域水文要素概況    §8.2  無定河流域水文要素變異分析    §8.3  無定河流域水文變異關(guān)系與水文水資源效應(yīng)分析    §8.4  無定河流域降雨時空變異分析    參考文獻(xiàn)  第九章  無定河流域降雨蒸發(fā)的聯(lián)合隨機(jī)模擬    §9.1  概述    §9.2  基本資料和數(shù)據(jù)    §9.3  基于統(tǒng)計分布法的降雨蒸發(fā)聯(lián)合隨機(jī)模擬    §9.4  基于季節(jié)模型法的降雨蒸發(fā)聯(lián)合隨機(jī)模擬    §9.5  方法評述    參考文獻(xiàn)  第十章  無定河流域土地利用／覆被變化預(yù)測    §10.1  概述    §10.2  基本資料和數(shù)據(jù)    §10.3  基于一階馬爾科夫鏈模型的未來土地利用信息預(yù)測    §10.4  基于一階馬爾科夫鏈優(yōu)化模型的未來土地利用信息預(yù)測    §10.5  基于灰色理論的未來土地利用信息預(yù)測    §10.6  方法評述    參考文獻(xiàn)第三篇  模型應(yīng)用  第十一章  WHMLIJCC模型在無定河流域的應(yīng)用    §11.1  LWHM—LUCC在無定河流域的應(yīng)用    §11.2  ZWHM—LUCC在無定河流域的應(yīng)用    §11.3  DWHM—LUCC在大理河流域的應(yīng)用    §11.4  三種模型的比較分析    參考文獻(xiàn)  第十二章  無定河流域氣候變化和土地利用／覆被變化的水文水資源效應(yīng)    §12.1  過去氣候變化和土地利用／覆被變化的水文水資源效應(yīng)分析    §12.2  不同水文水資源效應(yīng)分析方法的比較研究    §12.3  未來變化情景下的水文水資源效應(yīng)分析    參考文獻(xiàn)  第十三章  無定河流域生態(tài)需水量的計算    §13.1  研究綜述    §13.2  生態(tài)需水量計算方法介紹    §13.3  無定河流域生態(tài)需水量計算    參考文獻(xiàn)  第十四章  無定河流域綠水和藍(lán)水的定量評估    §14.1  綠水和藍(lán)水的界定    §14.2  綠水和藍(lán)水計算方法簡介    §14.3  無定河流域綠水和藍(lán)水的定量評估    參考文獻(xiàn)    結(jié)論與展望  第十五章  結(jié)論與展望    §15.1  研究成果和主要結(jié)論    §15.2  存在的不足    §15.3  展望    參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第二篇“變化預(yù)測”包括第七、八、九、十章，主要介紹了水文變異診斷系統(tǒng)的構(gòu)成和檢驗原理，并對無定河流域過去和現(xiàn)狀水文要素進(jìn)行了時空變異分析，對無定河流域未來氣候變化和土地利用／覆被變化進(jìn)行了預(yù)測；第三篇“模型應(yīng)用”包括第十一、十二、十三、十四章，主要介紹了WHMLUCC模型在無定河流域水循環(huán)模擬、水文水資源效應(yīng)分析、生態(tài)需水量計算和綠水藍(lán)水定量評估方面的實際應(yīng)用情況。第一章和第十五章可看作是對全書的鋪墊和總結(jié)?！　「髡碌闹饕獌?nèi)容介紹如下：　　第一章為緒論，是對全書的鋪墊。首先，綜述了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中出現(xiàn)的氣候變化和土地利用／覆被變化問題，闡明本次研究工作的重要性和意義；其次，分析了氣候變化和土地利用／覆被變化對流域水文水資源狀況的影響，并介紹了國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，指出了當(dāng)前研究方法中存在的問題與不足；最后，對本書的研究內(nèi)容進(jìn)行總體介紹?！　〉诙聻楦拍钚援a(chǎn)流模式。介紹了各種單點產(chǎn)流機(jī)制和產(chǎn)流模式，以及流域產(chǎn)流特征、影響因素和產(chǎn)流面積的變化規(guī)律；分別介紹了蓄滿產(chǎn)流模式、超滲產(chǎn)流模式和混合產(chǎn)流模式的產(chǎn)流計算原理和方法?！　〉谌聻楦拍钚詤R流元素。介紹了流域匯流過程、匯流時間、出口斷面流量過程的推移和坦化、面積一時間曲線等匯流基本知識，并介紹了幾種常見的線性流域匯流模型；定義了八種概念性匯流元素，研究了概念性元素與地貌特征值及水流動力特征值之間的關(guān)系、概念性元素的推移和坦化作用、概念性元素響應(yīng)函數(shù)的性質(zhì)，對各種概念性元素的瞬時單位線和時段單位線的匯流效果進(jìn)行了比較。　　第四章為流域水文模型介紹。綜述了流域水文模型的分類方法及其研發(fā)過程；介紹了水箱模型、新安江模型、薩克拉門托模型三個集總式流域水文模型和TOPMODEI，模型、SWAT模型、MIKESHE模型三個分布式流域水文模型的模型結(jié)構(gòu)和產(chǎn)、匯流計算原理；從模型功能、結(jié)構(gòu)、時間尺度、水源劃分、產(chǎn)流機(jī)制、匯流計算、模型特點等不同方面對上述六個模型進(jìn)行比較分析?！　〉谖逭聻閣HMLUCC模型的研制，是本書的核心技術(shù)部分。主要介紹了考慮土地利用／覆被變化的流域水文模型（WHMLUCC）的研制及其擴(kuò)展形式，包括基于Shreve河鏈概念的單元劃分方法、土地資源的分類系統(tǒng)、單元蓄滿一超滲兼容產(chǎn)流模型、單元地貌匯流模型。

編輯推薦

　　本書重點以無定河流域為研究區(qū)域，借助于WHMLUCC模型開展應(yīng)用研究，主要內(nèi)容包括水文要素的變異診斷分析；土地利用資料的解譯、反演和預(yù)測；降雨和蒸發(fā)過程的聯(lián)合隨機(jī)模擬；WHMLUCC模型的水循環(huán)模擬；氣候變化和土地利用／覆被變化的水文水資源效應(yīng)分析；生態(tài)需水量計算；綠水一藍(lán)水定量評估等。上述研究不僅對變化環(huán)境下的水循環(huán)和水安全研究具有重要的理論意義，而且對于流域水資源規(guī)劃、水土保持規(guī)劃、防洪抗旱規(guī)劃以及洪旱災(zāi)害風(fēng)險評估和流域管理具有重要的實際應(yīng)用價值。

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