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《分布式流域水文模型原理与实践》——贾仰文 王浩 倪广恒 杨大文 王建华 秦大庸 著 水科学网

水科学动态 - 论著推荐 - 《分布式流域水文模型原理与实践》——贾仰文 王浩 倪广恒 杨大文 王建华 秦大庸 著

《分布式流域水文模型原理与实践》——贾仰文 王浩 倪广恒 杨大文 王建华 秦大庸 著

 
论著推荐  加入时间:2007/2/9 11:33:14  WaterScience  点击:4023

内容提要

    全书由3篇共12章构成。第1篇是概述,阐述了流域水循环研究的意义,综述了分布式流域水文模型和陆面地表过程模型的发展历程、研究应用现状及存在的主要问题,对代表性模型进行了简要介绍。第2篇是流域水循环模拟基础,叙述了流域水循环要素过程和能量交换过程及其模拟方法,介绍了地理信息系统、遥感和数字流域技术在模拟中的应用。第3篇详细介绍了作者多年研发的两个模型-WEP模型和GBHM模型及其在日本、韩国和我国的应用情况。最后,本书讨论了分布式流域水文模型的发展趋势和应用前景。

    本书可供水文水资源学科与环境学科的科研人员、大学教师和相关专业的研究生,以及从事水利工程或环境工程规划与管理专业的技术人员等参考。


序一

    SHE(欧洲水文系统)模型第一版本于1982年公布,实现了Freeze 和 Harlan 1969年提出的基于水动力学方程的分布式水文模型“蓝本”(见Kirkby主编的《山坡水文学》),在国际上分布式水文模型研究已有20多年的历史。国内有关分布式水文模型的研究起步相对较晚,但近些年发展迅速。分布式水文模型之所以成为当前水文水资源研究的热点之一,在于它能够反映水文水资源要素在空间上的变化,能够进行下垫面变化条件下的计算,特别是它具有更多的模拟功能,即能够把单一水量变化的模拟扩大到广泛的水文水资源与生态环境问题模拟,而这些是基于经验与黑箱方法的集总式水文模型所难以实现的。分布式水文模型的模拟领域涵盖了地表水与地下水计算、水资源数量与质量的联合评价、非点源污染、土壤侵蚀与水土流失、洪水预报、土地覆盖与土地利用变化对水文过程的影响、生态需水、水生物与生态系统修复、农田灌溉与农业节水、城市水文水环境的模拟计算,并且可通过尺度转换与大气环流模式耦合来预测全球变化对水文水资源的影响,从而纳入全球变化水文研究的前沿。由此可见分布式水文模型同时具有理论上的前沿性和应用上的广泛性。然而,分布式水文模型不仅需要的资料与数据众多,而且要求分辨率很高的空间信息,这是当前限制分布式水文模型广泛应用的主要问题。应用遥感等空间信息和GIS技术,能促进水文水资源分布式模拟的发展。

    国家重点基础研究发展规划(973)项目“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理”(简称黄河973项目)从1999年10月开始到2004年11月获国家科技部验收通过,历时5年。作为项目首席科学家,我很欣慰地看到分布式水文模型开发与应用所取得的进展和在完成项目任务中所做的重要贡献。

    本书作者较为系统全面地介绍了分布式流域水文模型的研究现状、原理与应用、存在问题及未来发展等内容,为广大读者提供了很好的参考材料。该书的出版能够活跃学术思想,增进研究交流,推动水文水资源及相关领域的科技创新。


中国科学院院士 刘昌明
2005年元月

序二

    水文学是水资源评价、规划与管理工作的重要科学基础。由于地球环境变化和剧烈的人类活动影响,流域水循环系统和水资源演变规律日趋复杂。基于“实测-还原”的传统水资源评价方法很难对未来下垫面条件下的流域水资源进行预测,同时在评价历史及现状下垫面条件下的流域水资源时也遇到不少问题。另外,为实现“人与自然和谐相处”理念,做到水资源可持续开发利用,需要统筹考虑国民经济用水和生态环境需水,因此今后水资源评价工作不但需要评价地表水及地下水等“重力水”,还需要评价植被和作物对“土壤水”的有效利用,需要考虑“雨水利用”和评价“节水潜力”,即需要丰富水资源评价的内涵。因此,借助新技术新方法进行水资源评价方法的创新具有重要现实意义。

    分布式流域水文模型可结合遥感、航测、数字流域及地理信息系统等新技术进行较为细致的水文分析与预测,能够分析不同下垫面与取用水条件下的流域水资源演变情景。同时,研究水循环全要素过程的分布式水文模型,考虑了“土壤-植被-大气间水量能量交换”,为“土壤水”的评价创造了条件。因此应用分布式流域水文模型是今后水资源评价工作方法创新的重要方向。

    本书作者根据他们多年的研究开发与应用经验,较为系统全面地介绍了分布式流域水文模型这项技术,特别是介绍了他们在黄河流域水资源评价及演变规律分析,以及在西北内陆河黑河流域水资源调配等方面的探索性研究成果,相信本书对广大读者有很好的参考借鉴作用。他们通过耦合分布式水文模型和集总式水资源调配模型,建立了水资源二元演化模型,提出了全面系统的水资源动态评价方法,比较客观地揭示了人类活动影响下的黄河流域水资源演变规律,取得了一些具有原创特色的研究成果。这些成果在结合实践进一步完善的基础上,将可以直接应用于流域水资源评价、规划与管理等生产工作当中。

    正如本书作者所认识到的,分布式水文模型的今后发展和推广应用尚存在不少难题,如尺度问题、不确定性问题及数据资料问题等,还需要继续深入探索。祝愿本书的出版能够活跃学术思想,增进研究交流,推动水文水资源及相关领域的科技发展。


中国工程院院士 陈志恺
2005年元月

前言

    地球环境变化和人类活动的影响改变了水的自然循环规律,加剧了资源环境与经济发展之间的矛盾。我国目前人口众多、经济处于快速增长时期,这一矛盾尤显突出。分布式流域水文模型研究对做好变化环境下的水资源科学评价、考虑生态与环境的水资源合理配置以及洪水预报调度与防灾减灾等工作,促进国民经济可持续发展,具有重要意义。分布式流域水文模拟技术和地理信息系统(GIS)、数字高程模型(DEM)和遥感、航测及雷达等遥测技术相结合,在水资源配置与评价、洪水预报调度、水土流失、水环境及生态环境保护等各专业上有着广泛的应用前景,是跨学科研究发展进程中的国际研究前沿。

    国际上,分布式流域水文模型研究始于20世纪80年代初期,目前在水文水资源及相关研究领域形成了较为庞大的研究队伍。国际水文科学协会(IAHS)于2002年提出了在缺乏资料地区进行水文预测(PUBs)的挑战性研究计划,很大程度上是对分布式流域水文模型和遥感等遥测技术寄与的期望。在国内,这项研究近年来逐渐受到重视,也成为了研究热点。

    本书作者中的倪广恒、贾仰文和杨大文,20世纪90年代初期在日本东京大学留学期间先后开始了分布式流域水文模型研究,从事模型开发及应用多年,有许多研究体会和一些经验。尽管国际上分布式流域水文模型研究的英文书籍已出版了多册,但国内有关分布式流域水文模型的著作还很少,仅有的几册或是译著或是文献综述,尚无结合自己的研究成果和经验系统介绍这方面技术的书籍。另外,尽管水文科学原理是共通的,但我国位于亚洲环太平洋造山地带,地形起伏、降雨时空分布和人类活动特点等自然地理和社会环境与欧美国家有较大差异,在具体应用过程中遇到的问题会有不同,处理方法也会有区别。王浩和秦大庸就分布式流域水文模型如何为水资源学研究服务进行了深刻思考,并指导了WEP模型在黄河流域和黑河流域的应用研究。王建华在利用遥感技术反演水循环要素方面取得许多研究成果。因此,我们感到有必要结合自己的研究和体会,撰写此书供大家参考和批评,并希望本书的出版发行对分布式流域水文模型在我国的深入研究和推广应用起到一定促进作用。

    本书由三篇共十二章构成。第一篇是概述,阐述了流域水循环研究的意义,综述了分布式流域水文模型和陆面地表过程模型的发展历程、研究应用现状及存在的主要问题,对代表性模型进行了简要介绍。第二篇是流域水循环模拟基础,叙述了流域水循环要素过程和能量交换过程及其模拟方法,介绍了地理信息系统、遥感和数字流域技术在模拟中的应用。第三篇详细介绍了作者多年研发的两个模型-WEP模型和GBHM模型及其在日本、韩国和我国的应用情况。最后一章讨论了分布式流域水文模型的发展趋势和应用前景。第一章、第四章和第五章由贾仰文和王浩撰写,第二章和第八章由贾仰文和倪广恒撰写,第三章和第七章由贾仰文撰写,第六章由倪广恒、贾仰文和王建华撰写,第九章和第十章由贾仰文、王浩、王建华和秦大庸撰写,第十一章由杨大文撰写, 第十二章由贾仰文、王浩和杨大文撰写。全书由贾仰文统稿、王浩定稿。

    本书研究工作中得到了国家重点基础研究发展规划(973)项目“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理” 课题二“黄河流域水资源演变规律与二元演化模型研究”(G1999043602)、国家“十五”科技攻关计划重大项目“水安全保障技术研究”第二课题“黑河流域水资源调配管理信息系统研究”(2001BA610A-02)以及日本科学振兴事业团与日本国土交通省土木研究所的资助。在上述黄河“973”课题研究中,黄河水利委员会水文局和设计院等单位曾给予很多帮助。在上述黑河“十五”攻关课题研究中,黄河水利委员会黑河流域管理局、甘肃省水利厅、张掖市水务局、水文局和气象局等单位曾给予大力协作。中国水利水电科学研究院水资源研究所罗翔宇、周祖昊、严登华、仇亚琴、杨贵羽及牛存稳等,在上述黄河及黑河研究课题中做了大量工作,研究生李娟、韩春苗和刘俊等在本书撰写过程中的文字及图表处理方面付出了辛勤劳动。作者贾仰文、倪广恒和杨大文在东京大学留学期间,得到了玉井信行教授和虫明功臣教授的辛勤指导、河原能久教授和Herath教授的耐心帮助。WEP模型在日本土木研究所完善和应用期间,该研究所木内豪主任研究员、末次忠司室长、吉谷纯一上席研究员、深见和彦上席研究员以及户岛光映交流研究员等,参加或支持了模型开发以及现场观测工作。韩国建设技术研究院金显峻首席研究员等将WEP模型应用于汉城清溪川流域。在此一并致谢。

    陈志恺院士对上述黑河“十五”攻关课题和黄河“973”项目课题二的研究以及本书的出版曾给予鼓励和指导。黄河“973”项目首席科学家刘昌明院士对课题二研究曾给予诸多指导、督促和建议。中国水利水电出版社邓群编辑和王艺编辑为本书的出版付出了大量心血。特此致以衷心的感谢。

    由于问题本身的复杂性,加之时间仓促和受水平所限,书中错误之处敬请批评指正。


作者  2004年12月

目录

第一篇 概述
第一章 流域水循环研究的意义 
一、资源环境问题与可持续发展理念 
二、水资源研究领域面临的重要科学问题
三、流域水循环研究的意义

第二章 分布式流域水文模型
一、水文模型的发展历程回顾 
二、流域水文模型的分类 
三、分布式物理模型的模拟方法 
四、代表性模型介绍
五、存在的主要问题

第三章 陆面过程模型
一、概述
二、陆面模型的发展和SVATS模型
三、代表性模型介绍
四、陆面模型研究中的关键问题
第二篇 水循环模拟基础

第四章 水循环要素过程模拟方法
一、流域水循环系统与水平衡方程
二、降水及其空间展布 
三、蒸散发
四、入渗与土壤水运动 
五、地表径流 
六、地下水运动
七、坡面汇流与河道汇流
八、积雪融雪 
九、人工侧支循环 

第五章 能量交换过程模拟方法 
一、能量循环与平衡方程 
二、短波放射 
三、长波放射 
四、潜热通量 
五、显热通量 
六、地中热传导与地表温度 

第六章 地理信息系统、遥感和数字流域 
一、地理信息系统 
二、遥感技术 
三、数字流域 
第三篇 WEP模型和GBHM模型

第七章 WEP模型的原理
一、概述 
二、模型结构 
三、模拟方法 
四、与集总式水资源调配模型的耦合 
五、WEP模型主要特点小结 

第八章  WEP模型在日本与韩国流域水循环研究中的应用 
一、研究背景 
二、在日本海老川城市流域水循环再生计划中的应用 
三、在日本谷田川流域水循环保护计划中的应用 
四、日本东京都水收支研究 
五、在韩国汉城清溪川流域水循环再生计划中的应用 

第九章  WEP模型在我国西北内陆河黑河流域水资源调配中的应用 
一、概述 
二、流域概况与基础数据信息整备 
三、参数估算与模型校验 
四、在水资源调配中的应用 
五、小结 

第十章  WEP模型在我国黄河流域水资源演变规律研究中的应用 
一、概述 
二、流域概况与基础数据信息处理 
三、参数估算与模型校验 
四、黄河流域水资源动态评价 
五、黄河流域水资源演变规律分析 
六、小结 

第十一章  GBHM模型及应用 
一、概述 
二、流域地貌特征与水文过程 
三、流域地貌特征在水文模拟中的应用 
四、GBHM模型的建立 
五、水文模拟及模型参数率定
六、模型检验 
七、模型应用 
八、小结 

第十二章 分布式水文模型未来发展及应用 
一、“模型空间”概念及替代“蓝本” 
二、组件式模型库系统 
三、多尺度观测实验与尺度转化研究 
四、水文气象耦合模拟 
五、缺乏观测资料流域的水文预测(PUB) 
六、分布式水文模型的应用前景 


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