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《海河流域二元水循环模式与水资源演变机理》可供水文水资源、生态与资源环境、气候及气象、水利经济、资源经济等领域的科技工作者、管理工作者和相关专业院校师生参考。
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| 內容簡介： |
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《海河流域二元水循环模式与水资源演变机理》是国家“973”项目“海河流域水循环演变机理与水资源高效利用”**课题“海河流域二元水循环模式与水资源演变机理”研究成果的提炼和升华。人类活动对水循环影响机理及其演变规律是当前全球性的科学前沿问题，《海河流域二元水循环模式与水资源演变机理》在理论技术层面上，系统提出了流域二元水循环理论模式、驱动机理，并构建了二元水循环概念性模型；在应用层面上，分析了海河流域“万年-千年-百年”尺度上水循环演变历程和变化规律，初步提出了海河流域城市、农业等典型单元水循环过程、水资源演变机理及其调控途径，并指出了进一步深入研究的科学技术问题。
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| 目錄：
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目录
总序
序
前言
第1章绪论1
1.1研究背景1
1.2国内外研究进展2
1.2.1流域（区域）水循环演变规律3
1.2.2气候变化及其对水循环的影响4
1.2.3人类活动对水循环的影响5
1.2.4国内外水循环演变研究综合分析7
1.3研究目标与主要研究内容8
1.4研究方案及技术路线9
1.4.1研究方案9
1.4.2技术路线9
第2章流域二元水循环理论模式11
2.1水循环基本概念与模式11
2.1.1水循环11
2.1.2流域水循环13
2.2海陆水循环模式16
2.2.1海陆水循环系统识别16
2.2.2海陆水循环的原理解析17
2.3流域水循环模式20
2.3.1流域水循环系统识别20
2.3.2流域水循环模式23
2.4城市水循环模式24
2.4.1城市水循环模式概念性通式24
2.4.2发展中城市水循环系统25
2.4.3发达城市水循环系统26
2.4.4生态城市水循环系统27
2.5农田水循环模式28
2.5.1农田水循环过程解析28
2.5.2雨养农田水循环模式31
2.5.3灌溉农田水循环模式33
2.5.4农田水循环综合模式36
2.6其他类型水循环模式38
2.6.1林草、荒地受扰天然水循环系统38
2.6.2湖泊、湿地等水域受扰天然水循环系统39
2.7本章小结39
第3章流域二元水循环演化驱动机制41
3.1服务功能二元化42
3.1.1生命服务功能43
3.1.2资源服务功能43
3.1.3经济服务功能44
3.1.4生态服务功能44
3.1.5环境服务功能45
3.2循环结构与参数的二元化45
3.2.1蒸发结构的变化45
3.2.2下渗结构的变化46
3.2.3径流变化47
3.2.4参数变化47
3.3循环路径二元化48
3.3.1天然水循环路径的变化48
3.3.2社会水循环路径49
3.4驱动力的二元化49
3.4.1自然驱动力及其二元化50
3.4.2社会驱动力50
3.5二元水循环耦合作用机制51
3.6本章小结52
第4章流域二元水循环概念模型54
4.1“自然一社会”二元水循环模型系统弘
4.2气候模型55
4.2.1气候模式56
4.2.2气候模式的基本原理56
4.3多目标决策模型58
4.3.1多目标决策理论58
4.3.2多目标决策模型61
4.4水资源合理配置模型66
4.4.1水资源合理配置理论66
4.4.2水资源合理配置模型70
4.5分布式水文模型74
4.5.1模型总体设计75
4.5.2模型原理78
4.6本章小结87
第5章海河流域不同时间尺度水循环演化规律88
5.1海河流域万年尺度水循环演变规律88
5.1.1气温主导下的流域水循环演变88
5.1.2黄河改道对海河流域水系及岸线的影响94
5.2海河流域千年尺度水循环演变规律95
5.2.1流域历史气候变化96
5.2.2海河流域典型水旱灾害97
5.2.3流域人口的演变及变化趋势101
5.2.4流域山林植被的演变103
5.2.5流域河湖水系的演变106
5.3百年尺度水循环演化规律113
5.3.1气候变化背景113
5.3.2下垫面演化117
5.3.3气候和下垫面演变驱动下的天然径流演化119
5.3.4循环演化背景下的洪旱碱灾害演化规律124
5.4本章小结125
第6章海河流域水资源演变规律128
6.1海河流域水循环要素演变128
6.1.1降水128
6.1.2温度134
6.1.3蒸发能力138
6.2海河流域水资源演变规律142
6.2.1地表水资源演变规律142
6.2.2海河流域地下水演变规律147
6.3海河流域水资源演变归因分析150
6.3.1气候变化背景151
6.3.2下垫面演化151
6.3.3人工取用水量的变化155
6.3.4水资源演变归因157
6.4本章小结165
第7章海河流域典型城市水循环演变规律与机理167
7.1海河流域城市化进程167
7.2城市水循环系统的基本结构与机理分析167
7.2.1城市发展对自然水循环要素的扰动168
7.2.2城市发展直接导致侧支水循环的形成169
7.2.3城市水循环系统面临的突出问题171
7.3城市水循环演变规律分析——以北京市为例172
7.3.1城市耗用水过程规律172
7.3.2城市污废水排放与处理过程174
7.3.3城市雨水利用与排放过程174
7.3.4城市多水源供给过程176
7.4本章小结177
第8章海河流域农业水循环演变规律与机理179
8.1海河流域农业分布及种植结构179
8.1.1海河流域农业的主要分布179
8.1.2海河流域农业种植结构的发展及其驱动180
8.2海河流域农业水循环及其演变规律188
8.2.1农业水循环的服务功能188
8.2.2农业水循环的驱动机制189
8.2.3海河流域农业水循环通量191
8.2.4海河流域农业水循环特征207
8.3海河流域农田水循环机理207
8.3.1农田水分迁移转化机理207？
8.3.2海河流域农田水分迁移转化特征213
8.4海河流域农业用水对水循环的影响及其调控220
8.4.1海河流域农业格局的变迁对水分迁移转化的影响220
8.4.2海河流域农业水循环调控目标222
8.4.3海河流域农业水循环调控途径223
8.5本章小结229
第9章主要成果与研究展望230
9.1主要成果230
9.1.1流域二元水循环理论框架方面230
9.1.2海河流域不同时间尺度水循环演化规律方面231
9.1.3海河流域二元水循环模式方面231
9.1.4人类活动对水循环的影响及演化规律研究方面232
9.2研究展望233
参考文献234
索引242
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第1章绪论
1.1研究背景
近几十年来，由于全球气候的变化和人类活动的加剧，地球上的水循环和水资源状况发生了深刻的改变，很多地区发生了严重的水问题和水危机，水问题已经成为很多国家和地区严重制约社会经济发展的重要因素。因此，变化环境的水循环研究是21世纪水科学发展的一个十分重要的发展方向。
受人口、经济压力和水资源本底条件的影响，我国是世界上水资源问题*严重的国家之一，缺水、水污染和水生态退化等问题已成为影响国家资源与环境安全的主要因素。在全国10个一级流域中，以海河流域*为严重和典型。
海河流域包括北京、天津的全部、河北的大部分，以及山东、河南、山西、内蒙古和辽宁的一小部分，总面积为32万km2，既是我国的政治文化中心，也是全国重要的经济重心和粮食生产基地之一，其中环渤海经济带已成为继长江三角洲、珠江三角洲后国家经济发展的“第三极”，在全国经济社会发展格局中占有十分重要的战略地位。2004年流域内总人口为1.37亿，GDP为20341亿元，粮食产量4576万t，分别占全国的10%、15%和10%。与重要的战略地位不匹配的是，海河流域是我国水资源*为紧缺的地区，人均水资源量为270m3，居全国十大流域之末，仅为以色列人均水平的76%。但区内人口稠密、生产发达，社会经济需水模数位于全国前列，因此水资源供需矛盾异常突出，迫于巨大的需水压力，不得不长期过度地开发利用水资源，全流域水资源现状开发利用率甚至超过120%，由此引发了三大严重的生态环境问题：一是水污染。目前全流域55条重要河流中，严重污染的有49条，水功能区达标率不足30%。二是水生态退化。流域内主要河流每年几乎全部要发生断流，白洋淀等12个主要湿地总面积较20世纪50年代萎缩了56。三是深层地下水超米。全流域现状每年超米深层地下水60亿m3以上，累计超米量超过1000亿m3，占全国超采总量的23。总体来看，海河流域目前已呈现出“有河皆干、有水皆污、超采漏斗遍布”的严峻态势。
海河流域面临的三大水问题是我国乃至世界范围内缺水地区的共性问题，三大问题之间存在密切的内在联系，相互作用与影响的统一基础是流域水循环。大规模的工农业生产、城市化、生态建设及人工取、用、耗、排水等活动无时无刻不在深刻改变着天然水循环的大气、地表、土壤和地下各个过程，致使现代环境下流域水循环呈现出明显的“自然一社会”二元特性，集中体现在四个方面：一是服务功能的二元化，是二元水循环的“本质”，对水循环服务功能二元化的认识，有助于辩证地认识生态和环境系统、社会经济系统之间的关系，科学地指导两个系统之间的用水协调。二是循环参数的二元化，是二元水循环的核心，即现代环境下流域水循环对于降水输入的过程响应不仅取决于自然的陆面、土壤和地下等水文与地质参数，还取决于水资源开发利用及其他相关社会经济活动参数。三是驱动力的二元化，是二元水循环的基础，这时流域水循环的内在动力已由过去一元自然驱动演变为现在的“自然一社会”二元驱动。四是循环路径的二元化，是二元水循环的具体表征形态，即在人类聚集区的水循环过程往往由“大气一坡面一地下一河道”自然循环和“取水一输水一用水一排水”的社会循环耦合而成。流域二元水循环演化衍生出三大后效：一是水资源次生演变效应，大多表现为径流性水资源衰减；二是伴生的水环境演变，主要表现为水体污染和环境污染；三是伴生的水生态演变，主要表现为天然生态退化和人工生态的发展。
海河流域三大水问题是缺水地区的共性问题。面对三大水问题，为保障区域经济社会的全面、协调、可持续发展，以海河流域为典型的缺水地区，提出了供用水安全、水环境安全和水生态安全三大国家目标。要实现缺水地区供用水、水环境、水生态安全的国家目标，必须实施以流域水循环为统一基础的水资源科学调控，首要的基础科学问题是高强度人类活动干扰下的流域水循环与水资源演变的内在机理及其规律。
海河流域是我国乃至全世界人类活动对流域水循环扰动强度**、程度*深、类型*复杂的地区，因此该流域高强度人类活动干扰下的流域水循环与水资源演变内在机理及其规律的研究对于其他弱扰动缺水地区无疑具有直接的参考和借鉴意义。
1.2国内外研究进展
随着人类活动影响的加剧，人类活动干扰下的流域水循环与水资源演变内在机理及其规律的研究已成为现代水文水资源与地球科学研究的核心命题和前沿领域，主要包括两个层面的问题：一是人类活动影响下的流域水循环分项过程与系统演化，包括典型人类活动对于流域水循环的大气、地面、土壤和地下过程的作用机制，“自然一人工”二元驱动力作用下的流域水循环系统的结构、功能和特性演变问题，以及不同人-地关系条件下的流域水循环系统演化规律等；二是伴随水循环系统演化的流域水资源演变机理，包括流域水循环系统演化下的水资源数量与质量、结构与效用、时空特性、资源构成演变效应，以及流域水资源演变预测的不确定性等基础科学问题。流域（区域）水资源演变规律和演变机理的研究以水资源的各个分量为研究对象，分析历史系列的水资源演变规律，或者预测未来水资源的变化趋势，大部分研究以径流系列为研究对象，包括天然径流系列和实测径流系列。研究天然径流系列，通常计算其变化周期，分析它与天气系统周期性演变之间的关系和变化机理。研究实测径流系列，通常分析其变化趋势和突变性，揭示人类活动和气候变化引起的趋势性变化和致变机理。考虑部分内容已在《海河流域二元水循环研究进展》一书中有所归纳，本书重点对水循环演变规律和机理的国内外研究过程和方法进行简要阐述。
1.2.1流域（区域）水循环演变规律
流域（区域）水循环演变规律和趋势的研究以水循环的各个分量或要素为研究对象，特别是降水、径流时间序列的趋势分析、年际年内分配、周期性分析、突变性分析及空间变异性探索一直是研究的热点。国内外许多学者针对降水、径流的年际和年内变化，以及空间分布上的变异规律对不同流域（区域）进行了大量深入研究，广泛探讨了区域水循环各分量或要素的演化规律。
国际水文计划（IHP、世界气候研究计划（WCRP、国际地圈生物圈计划（IGBP的“水文循环的生物圈方面（BAHC”、地球系统科学联盟（ESSP及国际人文计划IHDP中均设置了大量与此相关的研究主题。例如，在IGBP二期研究中，设立变化环境中水文和水资源的脆弱性研究主题，主要包括人类活动影响下的水资源演变规律、水与土地覆被变化和社会经济发展间的相互作用影响等。在分析方法上，应用*广泛的是统计对比方法，即对比前后时段或不同年代水资源量的差别。其他的还有：运用随机分析方法，分析水资源历史序列的趋势性、突变性和周期性变化特征；运用**熵谱分析研究水资源历史序列的周期性；利用小波分析方法，分析水资源周期性变化规律，并对未来变化趋势作出定性预测。在研究手段方面，随着观测技术、信息获取与处理技术、计算与模拟技术的整体发展，具有物理机制的分布式水循环全过程的模型系统研制成为热点，水循环的大气、陆面、土壤和地下等分项过程及其耦合研究取得长足的进步。
在技术方法上，Schwarz1977、Stockton和Boggs1979分别对美国东北部和西北部气候变化对现有水文条件的影响进行了分析研究；Nemec和Schanke1982等在分析水循环要素特性的基础上运用确定性水文模型和概念性水文模型研究不同气候类型下流域对气候变化的响应；宋献方等（2002等应用环境同位素技术开展华北典型流域水循环机理的研究展望，利用水中水分子所含同位素含量的变化来判断大气降水的水蒸气的来源，从而定量分析坡地的产汇流产生机制，进而研究“大气降水一地表水一土壤水一地下水”的相互作用关系和查明流域“四水”转化关系。郑红星和刘昌明（2003对黄河流域不同河段降水累积距平曲线展开分析，研究结果表明，黄河流域的降水量虽然在研究时段内处于一个相对稳定的状态，但从更长的时间尺度上来看，流域降水却存在相对的丰、平、枯的对应变化。刘昌明（2004等针对黄河流域若干方面的研究结果开展研究，成果揭示了黄河流域水循环发生的巨大变化，并总结出水循环主要要素的变化取决于气候条件的变化与人类活动的影响。王浩等（2006提出了水资源全口径层次化动态评价方法，采用以降水为资源评价的全口径通量，遵照可控性、有效性、可再生性原则解析了降水的资源结构，实现了径流性水资源、广义水资源、狭义水资源和国民经济可利用量的层次化评价。张光辉等（2006通过高差5000m、长3500km和跨度2万年的大陆尺度气候一地质环境一陆地水系统演化断面研究，揭示了华北平原地下水形成的古地质环境与古气候演化过程及动因。李晨和秦大军（2009等利用CFC浓度年龄和CFC比值年龄可分析地下水混合作用，成果揭示了关中盆地地下水CFC浓度从山前向渭河谷地呈下降趋势，反映地下水
以侧向流动为主，山前补给的新水与含水层中的老水有混合作用。
在分析方法上，王根绪和程国栋（1998、朱晓园和张学成（1999、王玉明等2002、张士锋等（2004应用*广泛的是统计对比方法，即对比前后时段或不同年代水资源量的差别；杨士荣等（1997、王国庆等（2001、卞建民等（2004等运用随机分析方法，分析水资源历史序列的趋势性、突变性和周期性的变化特征；王政发（1998等运用**熵谱分析研究水资源历史序列的周期性；蒋晓辉等（2003、张少文和丁晶2004、杨志峰和李春晖（2004等利用小波分析方法，分析水资源周期性变化规律，并对未来变化趋势作出定性的预测；周林飞等（2008在对扎龙湿地的水循环要素变化特征的研究中，运用Mnna-Kendall检验法得出蒸发量和径流量的年际年内变化规律，并提出扎龙湿地水资源管理措施；廉士欢等（2009利用线性回归分析、多元相关分析及Mnna-Kendall检验法对吉林省西部5个站点1953年以来的相对湿度、气温、降雨和风速资料进行了研究；王晓霞等（2010等采用非参数统计检验方法对海河流域32个气象站点1957？2004年48年间的月降水量序列长期变化趋势进行分析，开展了海河流域降水量长期变化趋势的时空分布特征研究。
1.2.2气候变化及其对水循环的影响
气象研究发现，在过去100年里，全球气候发生了剧烈的改变，这种气候的变化既有天气系统自身周期性变化的原因，也有人类大量排放温室气体、气溶胶和小颗粒物质，以及对地球下垫面改造的原因。目前气候变化已经成为国际社会上公认的*主要的全球性环境问题之一。1987年国际水文科学协会InternationlAsso-CiationofHydrologicalSciences在第19届国际IUGG大会中举办了“气候变化和气候波动对水文水资源影响”的专题学术讨论会，1988年联合国政府间气候变化委员会（IPCC成立，主要开展对已有的气候变化的科学信息评价、气候变化产生的环境及社会经济影响评价、对策制定三方面的工作。1990年《气候变化与美国水资源》一书系统总结了气候变化对水循环系统影响的研究方法、研究内容和相关成果。1993年，在日本召开的第六届国际气象和大气物理学协会与第四届国际水文科学协会（IAMAP-IAHS联合大会提出了以“气候变化、大气圈和水圈的相互作用和影响、大尺度气候和水文模拟技术”为主题研讨会。
气候变化对水文水资源的影响主要通过降水和蒸散发的时空分布及其强度的变化而产生影响。在全球气候变化的影响下，全球大部分地区气温一般表现为升高趋势，但区域的降水则有的增加，有的减少。江涛等（2000在分析未来气候变化对我国水文水资源影响的研究中，提出气候变化必然引起水分循环的变化、引起水资源数量的改变和水资源在时空上的重新分布，进而影响生态环境和社会经济的发展。张建云等（2007通过对中国六大流域重点控制水文站1950？2004年的实测径流资料进行分析，发现1950？2004年来中国水循环系统发生了明显变化，全国六大流域实测径流量整体呈下降趋势，*为明显的是海河、黄河、辽河和松花江四大流域。据IPCC和“中国西部环境演变评估”研究成果，近百年来新疆的气候从暖干向暖湿变化的趋势明显，
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