气候对水文的影响具体举例_气候变化对现代水文学的影响

1.生态水文的生态水文学研究内容及研究方法

2.水量平衡模型

3.地理水循环问题

4.地球上的水资源是( )

5.优质烃源岩的宏观特征

水文学（hydrology） shuǐ wén xué是地球物理学和自然地理学的分支学科。研究存在于大气层中、地球表面和地壳内部各种形态水在水量和水质上的运动、变化、分布，以及与环境及人类活动之间相互的联系和作用。是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律，以及运用这些规律为人类服务的知识体系。

地球表层的水由地球内部逸出，经过约35亿年的积聚和演变，逐渐形成今天的水圈。水圈的形成不仅改变了岩石圈的面貌，使大气圈中的现象变得复杂多样，而且导致生物圈的出现。因此，水的出现和水圈的形成，是地球自然历史中最重大的事件。

水文学的研究领域十分宽广。从大气中的水到海洋中的水，从陆地表面的水到地下水，都是水文科学的研究对象；水圈同大气圈、岩石圈和生物圈等地球自然圈层的相互关系，也是水文学的研究领域；水文科学不仅研究水量，而且研究水质，不仅研究现时水情的瞬息动态，而且探求全球水的生命史，预测它未来的变化趋势。

陆地上的水量虽然只约占全球总水量的3.5%，但淡水几乎都分布在陆地。整个人类生活在陆地，最复杂的水文过程也发生在陆地，因此对陆地上的水的研究尤其受到人们的重视。陆地水文学是水文科学的主要组成部分。有关海洋和大气中的水文知识，现已分别归入海洋学和大气科学的范畴里了。

水文学的研究对象

地球上现有约13.9亿立方公里的水，它以液态、固态和气态分布于地面、地下和大气中，形成河流、湖泊、沼泽、海洋、冰川、积雪、地下水和大气水等水体，构成一个浩瀚的水圈。水圈处于永不停息的运动状态，水圈中各种水体通过蒸发、水汽输送、降水、地面径流和地下径流等水文过程紧密联系，相互转化，不断更新，形成一个庞大的动态系统。

在这个系统中，海水在太阳辐射下蒸发成水汽升入大气，被气流带至陆地上空，在一定的天气条件下，形成降水落到地面。降落的水一部分重新蒸发返回大气，另一部分在重力作用下，或沿地面形成地面径流，或渗入地下，形成地下径流，通过河流汇入湖泊，或注入海洋。从海洋或陆地蒸发的水汽上升凝结，在重力作用下直接降落在海洋或陆地上。

水的这种周而复始不断转化、迁移和交替的现象称水文循环。不过，上述只是全球水文循环轮廓的几笔速写，而水文循环的实际情况要复杂得多。在地面以上平均约11公里的大气对流层顶至地面以下1～2公里深处的广大空间，无处不存在水文循环的行踪。

不同纬度带的大气环流使一些地区成为蒸发大于降水的水汽源地，而使另一些地区成为降水大于蒸发的水汽富集区；不同规模的跨流域调水工程能够改变地面径流的路径，全球任何一个地区或水体都存在着各具特色的区域水文循环系统，各种时间尺度和空间尺度的水文循环系统彼此联系着、制约着，构成了全球水文循环系统。

全球每年约有577000立方公里的水参加水文循环。水文循环的内因，是水在自然条件下能进行液态、气态和固态三相转换的物理特性，而推动如此巨大水文循环系统的能量，是太阳的辐射能和水在地球引力场所具有的势能。

水文循环是自然界最重要的物质循环，它成云致雨，影响着一个地区的气候和生态，塑造地貌和实现地球化学物质的迁移，像链条一样连结着全球的生命，为人类提供不断再生的淡水资源和水能资源。水文循环使我们生活的星球变得生机勃勃。倘若没有水和水文循环，我们的星球会像月球一样，是一幅没有生命，寂静荒漠的图景。

水在循环过程中的存在和运动的各种形态，如蒸发、降水、河流和湖泊中的水位涨落、冰情变化、冰川进退、地下水的运动和水质变化等，统称水文现象。水文现象在各种自然因素和人类活动影响下，在空间分布或时间变化上都显得十分复杂。

水文现象的时间变化过程存在着有周期而又不重复的性质，一般称为“准周期”性质。例如，潮汐河口的水位存在以半个或一个太阴日为周期的日变化；河流每年出现水量丰沛的汛期和水量较少的枯季；通过长期观测可以看到，河流、湖泊的水量存在着连续丰水年与连续枯水年的交替，表现出多年变化。

形成这种周期变化的基本原因，是地球的公转和自转、地球和月球的相对运动，还包括太阳活动，如太阳黑子的周期性运动的影响。它们导致太阳辐射的变化和季节的交替，使水文现象也出现相应的周期变化。当然，水文现象还受众多其他因素的影响，这些因素自身在时间上也不断地变化，并且相互作用和相互影响着。

水文学简史

人类探索除水害、兴水利的历史，犹如人类的文明史那样悠久。在生产实践中，特别在与水旱灾害的斗争中，人类不断观测各种水文现象，思考和研究它们的规律，积累起关于水的丰富知识，逐渐形成、并不断发展了水文科学。

水文学源远流长，经历了漫长的酝酿时期，而它的飞跃发展则是最近一个世纪的事。同自然科学的许多学科相似，人们还难以找出公认的里程碑，把水文科学的历史进程划分成若干明确的阶段。我们只是顺着它前进的足迹，大体划分以下。

萌芽时期(远古至约公元1400年)

在尼罗河、幼发拉底河、恒河和黄河这些古老文化发祥地的遗迹中，我们可以看到这一时期已经开始了原始的水文观测。最早的水位观测是在中国和埃及开始的。

约公元前22世纪，中国传说中的大禹治水，已“随山刊木”(立木于河中)，观测河水涨落。此后，战国时李冰设于都江堰的“石人”，隋代的石刻水则，宋代的水则碑等，表明水位观测不断进步。

最早的雨量观测于公元前四世纪首先在印度出现，中国于公元前三世纪的秦代已开始有呈报雨量的制度，到了公元1247年，已有了较科学的雨量器和雨深计算方法，并开始用“竹笼验雪”以计算平地降雪深度。明代刘天和在治理黄河工作中，已采用手制“乘沙量水器”测定河水中泥沙的数量。

中国古籍《吕氏春秋》中写道：“云气西行云云然，冬夏不辍；水泉东流，日夜不休，上不竭，下不满，小为大，重为轻，国道也。”提出了朴素的水文循环概念。成书于公元约六世纪初的《水经注》中，记述了当时中国境内1252条河流的概况，成为水文地理考察的先驱。

诚然，这些原始的水文观测和水文知识是肤浅零星的，但已为当时生活和生产提供了重要的水文资料。例如，根据雨量多少决定税收的多少，根据上游的水位向下游传递水情等，标志着水文科学的萌芽。

奠基时期(约1400～1900)

欧洲文艺复兴带来的科学思想的解放和科学技术的进步，为水文科学发展成为独立的学科奠定了基础。这一时期，水文仪器的发明使水文观测进入了科学的定量观测阶段。

1663年雷恩和胡克创制了翻斗式自记雨量计，1687年哈雷创制测量水面蒸发量的蒸发器，1870年埃利斯发明旋桨式流速仪，1885年普赖斯发明旋杯式流速仪。这些近代水文仪器使流量、流速、蒸发、降水的观测达到了相当的精度，利用这些近代水文仪器进行水文观测的各种水文站陆续出现。

1746年，中国在黄河老坝口设立了全国第一个正规水位站，开始系统观测水位，并进行报汛。这些成就使水文现象的观测视野在深度和广度上空前扩大，为水文科学在理论上的发展创造了条件。

在这一时期，近代水文科学理论开始逐渐形成。1674年佩罗提出了水量平衡的概念，成为水文科学最基本的原理之一；1738年伯努利父子发表水流能量方程，1775年谢才发表明渠均匀流公式；1802年道尔顿建立了研究水面蒸发的道尔顿公式；1856年，达西发表了描述孔隙介质中地下水运动的达西定律；1851年莫万尼提出了汇流和径流系数的概念，并发表了计算最大流量的著名推理公式。

这些科学理论的创立，为水文科学在河道水流、蒸发、地下水运动、径流形成和水文循环等领域的发展奠定了理论基础，它表明人类对水文现象的认识已由萌芽时期那种肤浅零星的知识，发展到了比较深刻系统的知识。同时也表明，人类对地球上水的运动、变化规律的探索，已发展到以大量观测事实为基础，进行假说、演绎和推理，进而建立各理论体系的近代科学方法论。

19世纪末，专门水文研究机构开始出现，一些国家开始出版水文年鉴。弗里西著的《河流水文测验方法》、福雷尔著的《日内瓦湖湖泊志》、马略特著的《水的运动》等水文学专著陆续出版。这些著作总结了当时水文观测和理论研究的成就，标志着水文科学作为一门近代科学已奠定基础。

应用水文学兴起时期(约1900～1950)

这一时期，水文科学在观测方法，理论体系和研究领域等方面继续取得新成就，但它最重要的进展是应用水文学的兴起。

进入20世纪，特别是第一次世界大战以后，大量兴起的防洪、灌溉、交通工程和农业、林业乃至城市建设向水文科学提出越来越多的新课题，解决这些课题的方法也由经验的、零碎的逐渐理论化和系统化，水文科学的应用特色逐渐表现出来。

首先，从1914年到1924年，经过黑曾、福斯特等人的工作，把概率论、数理统计的理论和方法系统地引入了水文科学，使水文变量(如洪峰和洪量)和它出现的机率联系起来，为预估工程未来运行时期内可能出现的水文情势开辟了道路。

接着，从1932年到1938年，谢尔曼、霍顿、麦卡锡、斯奈德等人在产流和汇流计算方面取得开拓性进展，为根据降雨推算洪水开辟了道路。随后，克拉克、林斯雷等人在单位线、多个水文变量联合分析和径流调节的理论、方法等方面发展并丰富了上述的内容。

在此期间，水文站在世界范围内发展成规模宏大的水文站网系统，这些成就为应用水文学的兴起在理论上、方法上和资料条件方面奠定了基础，并率先形成了它最重要的分支学科——工程水文学。接着，农业水文学、森林水文学、都市水文学也相继兴起。

1949年，林斯雷和柯勒、保罗赫斯合著《应用水文学》；同年，姜斯敦和克乐斯合著的《应用水文学原理、美国土木工程师学会编著的《水文学手册》等应用水文学专著陆续问世，总结了这一时期的成就，标志着应用水文学的诞生。应用水文学，以它直接为生产和生活提供多方面服务这一鲜明特征，获得迅速发展，成为近代水文科学体系中最富有生气的分支学科。

现代水文学

20世纪50年代以来，社会生产规模空前扩大，科学技术进入了新的发展时期，并正在出现新的技术革命，人类改造自然的能力迅速增强，人与水的关系已经由古代的趋利避害，和近代较低水平的兴利除害，发展到了现代较高水平的兴利除害的新阶段。这个新阶段赋予水文科学以新的动力和新的特色。

首先，由于人类对水资源的突出需求，水文科学的研究领域正在向着为水资源最优开发利用的方向发展，以期为客观评价、合理开发、充分利用和保护水资源提供科学依据；

其次，大规模的人类活动对自然水体，进而对自然环境正在产生多方面的影响。研究和评价人类活动的水文效应和这种效应的环境意义，揭示人类活动影响下水文现象的规律，进而探讨水文分析的新方法和新途径，防止人类活动对水文循环的影响朝着不利于人类生存环境的方向发展，这一切正在成为水文科学面临的新课题。

另外，现代科学技术使获取水文信息的手段和分析水文信息的方法有了长足的进步。例如，遥感技术的应用，使同时观测大范围内的宏观水文现象成为可能；核技术的应用使人们能够获得微观水文信息；水文模拟方法、水文随机分析方法、水文系统分析方法，使人们研究水文现象的能力发展到新的水平；尤其是电子计算机的应用，使水文科学从水文观测到基本规律的研究，由人力和机械操作，发展到以电子计算机为核心的自动化。

水文科学和其他科学之间的边缘科学正在不断兴起，学科间的空隙逐渐得到填补。同时，人们开始看到，水已成为影响社会发展的重要因素。水在表现它的自然属性的同时，它的社会属性也日益表现出来，并逐渐为人们所认识。因此，水文科学将有可能发展成为具有自然科学和社会科学双重性质的一门综合性科学。

水文学的研究特点

水文循环是自然界各种水体的存在条件和相互联系的纽带，是水的各种运动、变化形式的总和，是水文科学研究的主要对象和核心内容；而在水文循环过程中，水文现象所表现出的特点，决定了水文科学研究的特点。

首先，水文科学把各种水文现象作为一个整体，并把它们同大气圈、岩石圈、生物圈和人类活动对它们的影响结合起来进行研究。例如，在借助水量平衡方法研究某个流域的水量变化时，既要考虑流域周围大气中水汽输送，也要考虑流域上空大气中水分含量的变化；既要考虑降水，也要考虑蒸发；既要考虑流域的地面径流，也要考虑流域土壤含水量和流域内外地下水的交换，而且还要考虑流域内水利工程，以及其他人类活动的影响。

其次，水文科学主要根据已有的水文资料，预测或预估水文情势未来状况，直接为人类的生活和生产服务。例如，提供洪水预报和各种水情预报，对旱涝灾害的发生作出中长期预测，为水利工程在未来运转时期中可能遇到的特大洪水作出概率预估等。

水文科学主要靠建立从局部到全球的水文观测站网，通过对自然界业已发生的水文现象的观测进行分析和研究。各种水文实验，除少数在实验室内进行以外，主要是在自然界中，例如在实验流域中进行。

在水文科学研究中广泛采用成因分析和统计分析的方法，并使二者尽量结合起来。成因分析主要以物理学原理为基础，通常建立某种形式的确定性模型，以研究水文现象发展演变过程中的确定性规律。统计分析法以概率论为基础，通常建立某种概率模型(纯随机模型)，探讨水文现象的统计规律。

水文科学的分支

由于水在人类生存和社会发展中的重要作用，所以水文科学不单纯是一门基础科学，也是一门广泛为生产和生活服务的应用科学。

水文科学不断从数学、物理学、化学等基础科学中汲取养料。它运用数学力学定律和方法描述水的运动；运用物理学中的热学、声学和光学原理，研究水体的热状态和解释水体中的声学和光学现象；根据化学键和分子缔合的理论，阐明水的液态、气态和固态的转化原因和方式等等。

因为水文循环使水圈、大气圈和岩石圈紧密联系，所以，水文科学又与地球科学体系中的大气科学、地质学和自然地理学等的关系密切。

水文科学开始主要研究河流、湖泊、沼泽、冰川和积雪，以后扩展到地下水、大气中的水和海洋中的水。传统的水文科学是按研究对象划分分支学科的，主要有：河流水文学、湖泊水文学、沼泽水文学、冰川水文学、雪水文学、水文气象学、地下水水文学、区域水文学和海洋水文学等。

河流水文学也称河川水文学，研究河流的自然地理特征、河流的补给、径流形成和变化规律、河流的水温和冰情、河流泥沙运动和河床演变、河水的化学成分、河流与环境的关系等。

湖泊水文学主要研究湖泊中的水量变化和运动，湖水的物理特性和化学成分、湖泊沉积湖泊的利用等。

沼泽水文学研究沼泽径流、沼泽水的物理化学性质、沼泽对河流和湖泊的补给、沼泽改良等。

冰川水文学主要研究冰川的分布、形成和运动、冰川融水径流的形成过程及其时空分布、冰川突发性洪水的形成机制和预测、冰川水资源的利用。

雪水文学主要研究积雪的数量和分布、融雪过程、融雪水对河流和湖泊的补给、融雪洪水的形成和预报，有时把雪水文学和冰川水文学合称为雪冰水文学。

水文气象学研究水圈和大气圈的相互关系，包括大气中水文循环和水量平衡，以蒸发、凝结、降水为主要方式的大气与下垫面的水分交换，其中尤其着重研究暴雨和干旱发生和发展的规律。

地下水水文学主要研究地下水的形成和运动，地下水与河流，湖泊的相互补给，地下水资源的评价和开发利用。

区域水文学着重研究某些特定地区的水文现象，如河口水文，坡地水文、平原水文、岩溶地区水文、干旱地区水文现象等。

海洋水文学着重研究海水的物理性质和化学成分，海洋中的波浪、潮汐、洋流、海岸带泥沙运动等。上述诸学科通常也统称为普通水文学或水文学。

水文科学主要通过定点观测、野外查勘和水文实验 (主要是野外实验)等手段，获得水体时空分布和运动变化的信息，因而逐渐形成了水文测验学、水文调查、水文实验三个分支学科。

水文测验学研究如何正确、经济、迅速地测定各种水文要素的数量及其在时间和空间上的变化，主要包括站网布设、测验方法和资料整编方法的研究。还包括测量仪器的研制和资料存储、检索、传送系统的研究。

水文调查是水文科学的野外勘测和考察部分，旨在对水体形态和数量、集水面积内的自然地理条件等作出科学的分析和讦价。在中国，历史大暴雨、历史大洪水和枯水的调查是水文调查的重要内容。

水文实验旨在通过野外和室内实验，揭示水文循环过程各环节中水的运动、变化的某些规律，如水向土中下渗的规律，土壤水的运动规律、径流形成规律、土壤和水面蒸发的规律，以及人类活动的水文效应等。

水文科学作为一门应用科学主要包括工程水文学、农业水文学、森林水文学、都市水文学、医疗(卫生)水文学等分支学科，其中以工程水文学发展最为迅速。

工程水文学包括水文计算、水利计算、水文预报等组成部分，水文计算和水利计算为各类防洪工程、灌溉工程、水力发电、航运工程、道路和桥捅工程、军事工程等的规划、设计提供水文依据。

水文预报为工程的施工和运转及国民经济各部门提供洪水、枯水、冰情等各种形式的水文预报。

农业水文学主要研究水分—土壤—植物系统中与作物生长有关的水文问题，尤其着重研究植物散发和土壤水的运动规律，为农业规划和农作物增产提供水文依据。

森林水文学着重研究森林在水文循环中的作用即森林的水文效应，包括森林对降水、蒸发和径流形成的影响。

都市水文学是应用水文学中较年轻的分支学科着重研究城市发展中的水资源、墟市排水的环境效应和城市对径流形成的影响等问题。

20世纪50年代以来，随着科学技术的迅速发展，水文科学不断引入许多其他学科的新成就，出现了一些新的分支学科，例如，在水文调查和水文预报中，研究遥感技术的应用，逐渐形成遥感水文学；在水文实验、地下水运动研究中应用核技术，逐渐形成同位素水文学；随机过程的理论和方法的引入，逐渐形成随机水文学。

这些新的分支学科虽然在成熟程度上都还不能与水文科学体系中原有学科相提并论，但它们表明，水文科学在继续分蘖、不断萌发新的分支。

生态水文的生态水文学研究内容及研究方法

水文气象学好。大气科学则是研究地球大气层的科学，包括大气物理学、大气化学、气候学等，主要研究大气的物理特性、化学成分、动力学过程、气候变化等问题。学习水文气象学这门学科可以获得以下好处：

1、深入了解气象和水文过程之间的相互作用。水文气象学研究气象要素（如降水、蒸发、大气湿度等）对水文过程（如径流、蒸散发、泥石流、洪水等）的影响，以及水文过程对气象要素和气候的影响。通过学习水文气象学，可以全面了解自然环境变化的规律和因素，对自然资源的保护和管理有重要意义。

2、为开展水文模型研究和水文预报提供基础。水文气象学是水文模型研究的重要基础，可以为水文模型的设计和分析提供必要的理论和方法支撑。水文气象学研究结合现代计算机技术和卫星遥感技术进行定量和定性分析，同时也为水文预报和洪水预报等提供了一定的理论基础。

3、具备解决水文气象问题的能力。水文气象学学习者可以从实践和实验中掌握水文气象学的基本知识和技能，例如测量雨量、流量等气象和水文参数，建立预报模型，处理和解释数据，并得出有关防洪、水资源管理和利用、山洪地质灾害预防等方面的问题。

4、提高应对自然灾害的能力。由于水文气象学研究了不同天气条件下的水文过程和气象变化对自然环境和社会生活的影响，它可以为应对自然灾害提供科学依据和支持。例如在地震、山洪、泥石流等自然灾害中，科学预测和预报能够减少生命和财产损失。综上所述，学习水文气象学可以帮助人们更深入地了解天气、水文、地理和环境方面的知识，并提高人们应对自然灾害、简化水资源管理和利用、水文预报等方面的能力。

水量平衡模型

生态建设与水文水资源有着非常密切的关系，生态建设中的水科学问题及其研究已成为生产实践中急需解决的问题之一。然而由于问题的复杂性、资料的有限性、方法的不成熟性，其研究有待进一步科学化、系统化。生态水文学一词的英文为Eco—hydrology，是由ecology（生态学）和hydrology(水文学)两词组合而成，它大约在20世纪80年代开始出现。在我国，刘昌明等1997年主编的《中国水文问题研究》一书中使用了“生态水文”一词。近几年，生态水文一词频频出现，特别是已成为我国一些大学或研究所的研究领域和方向。英国学者，R.L.wilby等于1997年出版了《Eco-hydrology》专著，该书重点讨论湿地生态系统中植物与水分的关系。Zalewski在1997年的一份水文学技术报告中指出，生态水文学概念是关于水生资源可持续利用的一个新转变，他把生态水文学主界定在水生物学方面。

尽管“生态水文学”已在国内外各种报告中频繁出现，但还没有一个明确的定义，鉴于它的研究仍处于新发展状态，可以这样认为 ：在科学体系上，生态水文学属于地球科学范畴，是水文学的一个分支，是生态学与水文学的交叉学科。生态水文学就是将水文学知识应用于生态建设和生态系统管理的一门科学。主要研究生态系统内水文循环与转化和平衡的规律，分析生态建设、生态系统管理与保护中与水有关的问题。如生态系统结构变化对水文系统中水质、水量、水文要素的平衡与转化过程的影响；生态系统中水质与水量的变化规律及其预测预报方法；水文水资源空间分异与生态系统对位关系。

长期以来，尽管人们一直在研究生态过程与水文过程的相互作用，但分属不同的学科领域，而未形成统一的学科体系。按照不同的空间尺度，生态水文的研究内容可分为三个方面。以 SPAC 为基础的植物与水分关系的研究，形成生态水文的微观机理研究。伴随土壤水动学发展及SPAC概念的提出，特别是20世纪80年代以来，在国际地圈生物圈计划 （IGBP）的推动下，这方面研究非常活跃，并取得了较大进展。以SVAT（Soil——Vegetation—— Atmosphere——Transfer）为基础的中尺度植被与水文研究，早期的研究 ，主要研究不同植被类型及结构内的水文规律形成如农田水文学、森林水文学和草地水文学等，重点研究不同植被群落中水量平衡、水分循环、水质及其变化等的规律，研究不同植被类型对水文系统、水行为的作用和影响。自20世纪80年代，SVAT概念的提出，特别是1991年国际大气土壤植被关系委员会（ICASCR）成立以来，则更加重视植被（而非植物）、大气与土壤界面之间水文过程，并把三者作为一个系统开展更加深入的、较大尺度的研究。第三，中大尺度地表覆盖变化的水文系统研究，现代社会中，大尺度流域或区域内单纯的一种植被是不存在的，实际存在的是由林、草、农田等不同植被复合而成，由于植被类型、土壤及气候（特别是降水）的空间变异特征，不同组合条件下流域或区域，产流和汇流过程不同，其水量平衡、水质及水循环模式也有很大的差异。因此，如何把小尺度、特高植被的水文行为放大到大尺度，研究不同植被覆盖下大尺度水文系统变化是当前国内外研究热点。

按照研究目的，生态水文的研究可分为两类，即良性生态系统中水文规律的认知研究和生态建设中的水问题研究。前者以探索生态与水文过程相互作用的规律，研究二者相互作用机理，同时能为生态建设提供参照和参考，属认识世界的范畴。生态建设中的水问题研究具有明确的应用目的，是生态水文学研究热点之一。一方面要研究和认识生态建设中生态水分条件和生态水资源背景，如何开发和利用有利的水分条件，促进和加速生态恢复。在黄土高原干旱缺水，气候和植被的过渡特征、丘陵地貌使水热局地分异特征，决定了生态恢复生态水文背景的复杂性，植被类型结构和布局确立的困难性。因此，只有在“拉网式”水分背景的地理分布规律的基础上，才能明确回答黄土高原能不能造林？栽什么树和造什么林以及种什么草等生态建设中长期悬而未决的实际问题。另一方面，就是生态建设的水文效应研究，如同土壤水力曲线，其吸湿过程和退水过程并不一致，相同的水势，吸湿过程与退水过程中土壤持水量并不一致。因此，流域或区域的生态建设与恢复的水文效应也是一个值得研究的问题。研究重点是评价流域或区域生态建设对水文系统的单项或综合影响；预测不同建议模工对水文系统的可能影响，确定和选择好的模式。

生态水文学研究方法

目前，国内外生态水文研究中普遍采用的研究方法有对比分析法、水文模型模拟法、水量平衡法。 对比分析法又可分为流域对比分析法和时间序列对比分析法。按研究尺度划分，对比分析法可分为以下几种类型：

（1）径流小区对比法 通过有控制措施与实验措施的一对径流实验场或径流沟的同时对比观测，来研究各个单项措施对于水环境的影响。在进行这样的对比观测时，一般应先进行空白的对比观测，来观测它们的基础是否一致，然后再将其中的一个径流场或径流沟加上单项的人工措施，如植被种草等。这个方法的优点是可以把影响水环境的某些因素固定起来，单独研究其中某一个因素对于水环境的影响。但这个方法是在小面积上所得的资料，不能随便应用到大面积上去，主要原因是由于地下水层的深度与河床切割深度的相互关系在小面积上与大面积上有很大的不同；并且，大面积上各个不同部分的情况错综复杂，因此要确定小面积的代表性实际上是有困难的。总的来说，这种方法有利于确定人类活动中的某一单项措施对于水环境的影响，而应用到大面积的定量计算上还存在一定的困难。

（2）小流域对比观测法 这种方法原理与上一种方法是相同的，不同的研究尺度和综合程度不同。这种方法的优点是可以人工控制各项单项措施的组合，从而研究综合生态建设的水文效应。同时它要求参证流域的资料具有一致性，即未进行水土流失治理，并且参证流域下垫面地形、地貌条件与本站相似。另一类方法是研究同一流域不同时间段的水文变化，分析生态与水文关系。如研究生态建设前后的资料，进行对比分析。一般采用趋势法和相关分析法两种方法。

（3）中、大流域的时段对比法 这种方法是根据有较长期记载的中、大流域控制站，按各流域内下垫面情况有显著改变的各个不同历史时期来研究人类活动对于水环境的影响。这种方法的优点是控制面积大，可以直接得出人类活动对于中、大流域所起的综合影响。但它受到历史资料的限制，并且难以排除气候变化对水环境的影响。

以上这几种方法归纳起来可以分为两类：一类是小面积的典型试验研究，一类是大面积的对天然流域的分析研究。由于流域内各部分的自然地理条件各不相同，而影响水环境的因素又复杂多样，因此在计算一个大流域的人类活动对于水环境的影响时，不能机械的将小面积上所得的资料应用到大流域上。因此在不同尺度研究成果的互相借鉴应用中，应运用地理学区域性原则分析，它促进了区域生态水文的研究。 水量平衡法的基本原理是利用水量平衡方程，分析各要素受水土流失治理影响后的差异及其变化。多年平均情况下的流域水量平衡方程为：

R=P-E （1）

式中：R是径流；P是降水；E是蒸发。受水土流失治理影响后的降水P'、径流R'和流域蒸发E'仍然满足方程（1），即：

R'= P'- E' （2）

根据研究流域水土保持的性质与主要变量，对（2）式中受影响很小的要素忽略其变化量。该法概念清晰，可逐项评价水土保持对水环境的影响，但该法所需资料多，工作量大。

地理水循环问题

降水、蒸发和径流是水循环过程的三个主要环节，三者构成的水循环决定流域的水量平衡。水量平衡是指一个流域或一个水体在某一个时段内输入水量减去输出水量的蓄水变化，即水循环过程的水量收支平衡关系。水量平衡的基本原理是对水文循环进行定量研究，根据各水文要素间的定量关系，用已知的水文要素推求其他的水文要素。水量平衡计算的时段可以选取时、日、月、年来计算。

月水量平衡模型是根据水量平衡原理为基础，研制的一种概念性水文模型，是以月降水、月平均气温等气象因子资料作为输入数据，然后根据各水文要素之间的关系，概化成经验公式，并通过该经验公式来模拟流域水文过程。月水量平衡模型简单实用，广泛应用于流域中长期水文模拟、水资源供需分析以及大尺度气象模型输入数据的获取。近几年来，过多地借助该类模型评估气候变化对流域水文水资源情势的影响。首先， Thornthwaite于1948年提出水量平衡模型，Mather于1955年将其进行了改进[78];1965年后，Thomas建立abcd模型，Alley研制了Tα模型和Tγ模型，Vandwiele提出澳大利亚模型等比较有名的月水量平衡模型。中国也先后提出了两参数的月水量平衡模型、三参数的月水量平衡模型、五参数的月水量平衡模型、半干旱半湿润地区月水量平衡模型、半干旱地区月水量平衡模型[85]等等。这些模型模拟的精度相似，各有其优缺点:①不同模型计算出的中间变量相差很大，但各模型参数都有一定规律，反映自然地理下垫面条件与降水径流之间的内在联系;②确定模型参数时，难易程度不同;③模型参数的相关性不太好。

在国家“九五”科技攻关项目“气候异常对中国水循环及水资源影响评估模型研究”中，熊立华、郭生练(1996)根据中国地区月降水、月蒸发与月径流密切相关性，开发了集总式的两参数水量平衡模型，认为在自然条件下，无明显蓄水或取水，一次降水一般能在一个月内转化为径流或被蒸发，仅小部分滞留在土壤中[59]。因此，月水量平衡模型不必区分产流与汇流，模型简单，参数较少;其中两参数模型模拟效果好，参数最少，实用性强，便于应用。

6.2.2.1月水量平衡模型的建立

(1)有效降水

降水来自于云。大气中的湿润空气遇冷后逐渐趋于饱和，进一步冷却便凝结成过饱和的水蒸气。水蒸气由半径为数微米以下的小水滴或冰粒子组成，当小水滴半径超过100um且下落速度超过积云上升气流的速度时，从云底落下成降雨。当地表气温很低，小于-4℃时，小水滴过冷却后变成冰粒子，冰粒子经过升华凝结后急速成冰晶体，冰晶体由于下落的速度不同形成降雪;当冰晶体下落时遇到下部高于0℃的气层会融化，形成降雨。

窟野河流域是黄河中游的一条重点支流，是黄土高原侵蚀地区的典型流域。流域北部属于干旱区，南部属于半干旱区。20世纪90年代前，窟野河流域上游国家基本站东胜站、伊洛霍金站12月、1月、2月平均气温均低于-4℃;榆林、河曲站12月、1月份平均气温均低于-4℃，部分年份2月份低于-4℃;下游兴县气象站1月份平均气温均低于-4℃，大部分年份12月、1月份平均气温低于-4℃。从1956～2006年实测径流资料分析来看，最大平均月径流量出现在8月份，之后逐月递减至次年的2月份，3月份明显增加;随后又逐月递减到6月份，然后又开始增加至每年最高8月份。3月份径流量比邻近月份径流量明显增大，可知窟野河流域3月份上游有一定的冰川融雪径流汇入，且窟野河流域的融雪径流在总径流中占一定比重，融雪径流计算利用温度指标模型对降水量进行修正[62]，来计算经调节的有效降水。

Peff(t)=nf(t){A(t-1)+Pn(t)}

其中，

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式中:nf(t)为第t月的融雪系数;A(t)为第t月的积雪;Pn(t)为第t月实测降水;Peff(t)为第t月有效降水;T(t)为第t月平均气温;Tn为固体降水临界温度-4℃;Tm为液态降水临界温度+4℃[85]。

(2)实际蒸发量

当流域降水比较丰富时，土壤中湿度比较大，空气湿度也比较大，故实际蒸发值与观测值的反差不是很强烈;当降水比较少时，空气中水分不饱和系数比较大，蒸发皿观测值很大，然而同时因土壤湿度也很低，可供蒸发水量少，实际蒸发值也很低，致使实际蒸发量与蒸发皿观测值的反差也很大。假设流域处在长期的水量平衡中，那么实际蒸发量和蒸散发能力的比值是降水量与蒸散发能力比值的函数，采用Schreiber公式:

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式中:Es(t)代表流域实际蒸发值;Ec(t)代表流域蒸散发能力;Peff(t)代表降水量。

本节用Schreiber公式乘以一个系数来计算月实际蒸发量:

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式中:Es(t)代表流域实际蒸发量;E(t)代表月蒸发皿观测值;Peff(t)代表月降水量;系数a1是模型的第一个参数。

(3)月径流量的计算

当降水量不为零时，月径流量Q(t)主要与该月土壤中净含水量S(t)(即扣除蒸发之后的剩余水量)和降水量Peff(t)有着十分密切的关系;S(t)越大，水分流出土壤的可能性越大，则径流量越大;降水量越大，径流量也越大。经分析，发现Q(t)与Peff(t)和S(t)的关系可用式(6.6)来表示

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当降水量为零时，月径流量Q(t)主要与土壤净含水量S(t)有关，存在

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在模型运行计算中，首先根据式(6.3)计算实际月蒸发量，然后根据水量平衡原理计算月初土壤含水量，再根据式(6.4)或者式(6.5)计算月径流量。即第(t+1)个月初土壤含水量S(t)为

S(t)=S(t-1)+Peff(t)-Es(t)-Q(t)(6.6)

式中:Q(t)为月径流量;S(t-1)为月初土壤含水量;Es(t)代表流域实际蒸发;b1为模型的第二个参数;c1为模型第三个参数;q为基流，可通过分析枯水期的径流来确定。

(4)基流的计算

基流为来源于地下水或是其他延迟部分的径流[92]，主要受土壤的分布和下渗特征、含水层的特征、补给流域的速度频率、植被的空间分布、地形和气候等因素影响。在水文过程线上为图形中较低的部分，起伏变化较小。基流是令人关注和探索的目标，在降水径流模拟中有着重要的地位。但到目前为止，由于无法通过实验对径流分割和水深划分的结果进行科学论证，各种研究理论和方法存在较大争议。这种争议主要表现在对径流水源的界定不一致所得的结果也不完全一致。

关于基流的说法很多，Hal将基流定义为来源于地下水或是其他延迟部分的径流。VijayP.Slight等将基流定义为下渗水到达地下水面并注入河道的部分。总之，关于基流主要有以下几方面:

1)补给河道径流的地下水为基流，包括浅层地下水和深层地下水。

2)基于传播时间，将径流划分为直接径流和基流，基流主要是慢速壤中流和地下水，这一种划分方法是基于传播时间，而不是基于传播路径。

3)传统水文学上将流量划分为地表径流，壤中流和地下径流。而地下径流又可分为快速(浅层)和慢速(深层)两种，把地下径流中的慢速(深层)径流看作基流。这个径流比较稳定，可取历年枯水期的流量来确定。

月水量平衡模型在窟野河流域的应用，关于基流计算主要采用传统的水文学上将流量过程划分为地表径流、壤中流和地下径流的划分方法，把慢速(深层)的地下径流看作基流。因为这个流量比较稳定，可通过分析取其历年最枯流量的径流来确定。

对满足一致性的水文序列随机成分，可直接采用传统的水文频率计算方法。窟野河流域王道恒塔、新庙和温家川站1956～2006年径流量的随机性成分进行频率计算，采用约束加权适线法[103]计算P-型频率曲线的均值、变差系数Cv和偏态系数Cs，选取P=95%的径流量作为最枯年径流量，即基流值。图6.16～图6.18给出了王道恒塔、新庙、温家川站基流计算频率曲线图及表6.12得出基流值。

图6.16 王道恒塔径流频率计算图

图6.17 温家川径流计算频率图

图6.18 新庙径流计算频率图

表6.12 径流频率计算成果表

6.2.2.2 模型精度准则判别

(1)模型参数的率定

参数的率定又称参数的优选，参数优化过程采用数学算法，通过系统反复试验迭代改变模型参数值的大小，使得流域特征模拟值和试验值的误差最小。如平均模拟径流和实测径流拟合程度的定量方法是每个参数迭代之后计算目标函数，寻找目标函数达到最优的参数值。目标函数用来评价水文过程的不同特征，目标函数选择对优选结果至关重要，适当选择目标函数在一定程度上决定了模型的拟合精度[63]。最小二乘法是较早提出来的模型率定方法，即该目标函数可描述为

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式中:Qi(t)为实测径流量;Qsimi(t)为模拟径流量;n为样本数。

用最小二乘法目标函数来率定模型，结果对径流量模拟效果较好，而对水文过程中的峰值却得不到较好的模拟效果。因此，一些学者又提出对数最小二乘法，其目标函数可描述为

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虽然式(6.8)在一定程度上克服了最小二乘法峰值模拟的缺点，但从两个表达式本身来看，二者都不是标准化的，在参数率定的时候，只能得到给定条件下的最佳估算值，而并不一定是最完美的结果。为方便模型在流域内很好应用，Nash和Sutcliffe(1970)提出了一个标准化的评价标准(水文情报预报规范中确定系数)，即Nash和Sutcliffe效率系数，它能直观地体现实测径流量与模拟径流量过程拟合程度的好坏，其公式为

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式中: 为率定期实测月径流量过程的均值;其余符号意义同前。

RNS越大表示实测径流量与模拟径流量过程拟合越好，模拟精度越高，RNS可以得到最大值1;一般情况下，该系数在0～1之间变化，若为负值，也就意味着还不如实测径流量均值替代所模拟的径流量。第二个目标函数是模拟径流量和实测径流量的多年平均相对误差，即

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式中:Qiy(t)为实测的平均年径流量;Qysimi(t)为模拟的平均年径流量。

如果Nash和Sutcliffe模型效率标准越接近1，同时相对误差越接近0，则说明模拟效果越好。对大尺度水文过程模拟，最优标准为Nash和Sutcliffe效率标准超过60%，相对误差小于10%。

(2)模型检验

模型检验是继参数率定之后分析的内容。当在一个流域上使用某一模型时，首先对参数率定，求出最优参数。此外，还需要另外一部分资料用于模型检验。资料一般选择2～3年进行检验。降水-径流模型中根据降雨情况模拟径流序列，比较模拟和实测的径流过程线，只有当二者拟合较好或在预定误差范围内时，模型才可以应用。另外，除对多年平均相对误差检验，还考虑对极值进行检验，定义极值模型相对误差检验Remax为

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式中:Qmax代表实测径流的最大值;Qsimmax代表模拟径流的最大值。当RNS越大，Re和Remax越接近0时，则说明拟合的总精度越高。

综上可知，每一个模型都包含不定数的中间状态变量，月水量平衡模型中土壤含水量S(t)是表征流域的中间状态变量，在模型运行中，先给出初始值S(t-1)，然后根据水量平衡原理依次迭代本时段S(t-1)和下一个时段S(t)，一般初始值取最大土壤含水量的一半。由于中间变量初始值的影响，取序列的前2年作为预热期。预热期后的资料分为2个阶段，第1阶段作为率定期模型参数优选，本模型采用人工和计算机联合优选，用式(6.9)优选模型参数;第2阶段作为模型检验期，检验模型的外延效果，只有在率定期和检验期径流量模拟满足精度要求，才认为模型合格。

地球上的水资源是( )

变化环境下的水循环研究关注地球生物圈、全球变化以及人类活动对水循环的影响，是国际水文学与水资源学科及地理、生态等众多学科交叉的前沿性问题。

中国地域广阔，七大江河及中国内陆地区的水文循环与陆地表层系统中各种自然地理要素的时间和空间分布密切相关，机理比较复杂，对全球变化有重要的响应。讨论全球变化与中国水循环前沿科学问题对于促进地学相关学科的交叉渗透，深化我国该领域的发展，解决与水密切相关的水资源短缺和生态环境退化等问题具有重要的意义。

2002年7月3～5日在北京香山召开了以“全球变化与中国水循环前沿科学问题”为主题的香山科学会议第187次学术讨论会。刘昌明院士（中国科学院地理科学与资源研究所）、丑纪范院士（中国气象局）和夏军教授（中国科学院地理科学与资源研究所）被聘请担任本次会议执行主席。

刘昌明院士在题为“陆地水文循环与全球变化”的总评述报告中，对水圈的历史、水圈与其他圈层的关系、水循环过程、全球及中国水循环的特点进行了评述和讨论。他列举大量科学数据和图表，指出水圈在全球范围同大气圈、生物圈、土壤圈、岩石圈、人类圈、智能圈等其他圈层发生着相互耦合作用，全球变化对水循环有重大影响。在讨论水循环的几个焦点和难点时，强调应特别关注水文循环速率与水资源可再生性调控；人类与自然二元驱动的水文循环；水文循环与生态水文等3个方面。而水循环研究的几个关键技术问题则是：1)水循环研究的理论深入需要网格化布局的水平衡要素的观测。通量(Flux)的测量精度是水循环理论研究的基石：2)在水循环理论研究的基础建立上遥感与地理信息系统是最主要的手段；3)分布式水文循环模型；4)水文模型与GCMs的耦合；5)水文循环尺度转化。他认为，许多未知的问题不会在短期内解决，任务是长期而艰巨的，强调重点要研究系统间的反馈机制；研究全球水循环在自然与人工合力作用下的变化并分辨两种作用及其比例，减少不利的作用，适应自然变化。为此，应当面向国家水问题重大需求，实现知识创新，推动跨学科研究。

丑纪范院士则从自己长期研究实践的经验出发，作了“对水循环研究的观念、方法、问题和可开展工作的思考”的综述报告。他首先从社会经济层面上和科学技术层面上深入分析了水问题研究的重要性。进而讨论了水文循环研究涉及的重大科学问题和解决方法。他强调：1）水循环的实际状况是基础性的问题，水循环从气候系统的角度看存在多种时间尺度的变化。解决方法：①及时充分利用新近出现的高新技术，取得观测资料；②气候的数值模拟；③四维同化方法进行诊断、反演。2）某区域和时段的降水的水汽来源？逐年的变动情况？水循环过程是否存在某些“遥相关”？解决方法：建立全球降水量的数值模拟模型，利用前后两次的大气流场、湿度场和地表蒸发量，可以推算出要得到的结果。3）当某年的降水和大气情况给定后，地表状况和人类活动的差异对水文过程的影响如何？解决办法：建立流域地表的时空变化过程的数值模拟模型，并不断与实际情况比较，改进模型参数，完善模拟结果，再进行模拟预测。4）全球变暖，海平面上升对我国水循环过程将引起怎样的变化？解决办法：建立全球水循环模式，关键是蒸发问题的解决。可以用反问题方法求解。

会议针对全球变暖与水文循环问题；气-陆面-海洋水循环相互作用与耦合问题；陆地水循环与水文生态问题；适应全球变暖与水循环变化问题4个中心议题进行了学术报告交流。

中科院兰州寒旱区研究所施雅凤院士作了“全球变暖、水循环加快与西北气候由暖干向暖湿的转型问题”的评述报告，提出了以1987年左右为界，西北地区的气候由暖干向暖湿转型的看法。他强调气候从暖干向暖湿转型过程和影响的观点是个覆盖面广、非常复杂不确定因素很多的科学问题，是西北大开发长远规划、经济发展必须研究清楚、预筹对策的基础问题，尚需进一步研究。

中科院海洋研究所胡敦欣院士作了“海洋在海－陆－气水循环中的作用”的评述报告。他指出海洋是全球水循环之源，约有3万立方千米的水降到陆面，是全球淡水的净化器，海洋在全球水循环中有极其重要的作用。在讨论近年来我国河流入海淡水锐减对中国近海环境、生态的影响时，认为这些影响包括动力学影响、海岸带侵蚀、海水入侵、盐度增加等。他还提出“海水西输”的大胆的设想，坦言这仅是“假想”，尚需进一步论证。

中科院地理科学与资源研究所于强研究员在“陆地水循环与缺水地区生态恢复机理问题”评述报告中侧重讨论了有关水汽通量与生理调节、水汽通量与大气湍流和土壤和植物的水力传导、生态系统对环境变化的响应与模拟以及参数化中的若干问题，讨论了存在问题和发展趋势。他认为，未来研究可能在冠层尺度上，水汽通量可以与光合作用以及若干气象要素的简洁关系，以及对水分传输中非稳态过程的模拟等方面有所突破。

中科院大气物理所吴国雄院士作了“全球变暖与海－陆－气相互作用”评述报告，对陆面过程对夏季气候的影响；青藏高原对气候的影响；海陆热力差异和季风爆发，以及我国开展相应研究的战略及相关的管理问题进行了探讨。他指出海－陆－气相互作用是诱发地球系统中气候变化的最基本、最直接的外部驱动力，强调我国应重视时空连续资料积累和场地试验相结合，开展气候卫星研制和发射，尽快发展国家气候系统模式。

水利部水利信息中心刘春蓁教授探讨了“气候变化对陆地水循环影响研究的问题”。她指出目前主流的水文-气候模型单向连接方法存在诸多问题，并提出了改进意见。

中科院大气物理所孙菽芬教授介绍了“陆面过程和模式的研究”的现状，指出陆面过程机理及模式研究是整个全球气候系统研究一个重要分量。他讨论了现有模型存在的不足，指出现在已出现大尺度陆面过程水文模型的研究的良好契机。

北京林业大学王礼先教授探讨了“干旱地区森林对流域径流的影响”，认为森林对流域年总径流量影响的结论都是对特定地区、特定流域而言的，干旱地区森林覆盖率的增加将导致流域产水量（年总径流量）的减少，相反，森林植被覆盖率的减少则可以增加流域年总径流量。

河海大学任立良教授作了“分布式水循环模拟进展及问题讨论”的专题报告。指出当前分布式水循环模拟的关键问题是模型输入的时空分辨率问题和模型的产汇流机制及其参数的确定。通常会同时存在地表径流的超渗产流和蓄满产流，应该采用混合产流的水文模型。

中国气象科学研究院张人禾研究员探讨了“西北地区空中水资源的开发”问题。认为开发利用空中水资源，增加地面降水，有可能为西北地区解决水资源短缺提供一个新途径。

中科院大气物理所季劲钧研究员讨论了“关于水碳循环模式化问题-气候与生物圈相互作用”问题。中国农业科学研究院林尔而达研究员讨论了“全球变化的水-碳循环问题与适应对策”问题，侧重就碳汇问题作了深入分析。我国科技界应高度重视碳循环的研究，特别是水循环对碳循环的影响研究。

夏军教授在题为“变化环境中的水循环问题研究面临的挑战”的报告中指出，变化环境的水循环研究是21世纪水科学发展一个十分重要的发展方向。他强调要加强变化环境中的水循环规律，区分变化环境中水循环过程的自然变化与人类作用的贡献，量化变化环境下陆地水循环规律等关键问题的研究。

适应国家需求，加强变化环境下的水循环研究

围绕会议的4个中心议题，与会专家学者除进行了内容广泛的学术报告交流之外，更用过半的时间进行即席发言和聚焦自由讨论。与会者对以下问题和方面表示了很大的关注：

1)深化全球变化研究

陆地水文循环演化是全球变化知识创新的重要组成部分，全球变化下的陆地水文循环过程是关系到水资源可持续利用以及人类社会可持续发展的重大科学问题。这不仅是理论问题，而且还有很强的现实意义。

2)重视和加强陆面水文－大气过程耦合作用研究

从大气到陆面要统一考虑。尺度转化问题也要研究。陆面模式的研究应大力发展，同时要注意遥感技术的发展。遥感是认识现状的基础手段，也是大气科学和水文科学结合点。应该用数学物理方法，用偏微分方程来描述产汇流机制。

3)水文循环模拟和大气模拟的结合点上可能形成新的增长点

要在水文循环模拟和大气模拟的结合点上形成新的增长点。气候模拟的陆面过程要考虑水循环。现在的模型研究过于求大求全，应该有所为，有所不为。要利用遥感，DEM来描述参数关系，把相关参数从有资料地区推广到无资料地区。

4)开展关于人类活动对水循环影响的量化研究

人类活动如何影响水循环，如何量化是研究的关键问题。在全球尺度看人类活动对水的影响，水质方面会发生变化。

5)重视西北气候的转型问题以及气候模型和水文模型的数值模拟研究

气候从暖干向暖湿转型过程和影响的观点是个覆盖面广、非常复杂不确定因素很多的科学问题，是西北大开发长远规划、经济发展必须研究清楚、预筹对策的基础问题，需进一步研究。西北气候转型问题应该放在全球系统上考虑，要分析清现在西北气候的变化是长时间变化的还是短期的波动的。

6)西部人工增雨的技术应予关注

目前西部人工增雨的技术可行性以及效益问题应予关注。

7)黄河断流问题在全球变化和水循环研究中有特殊意义

刘昌明指出，以前黄河有淡水入海时，黄河三角洲以每年24平方千米的速度扩张，现在入海流量减少，甚至断流，黄河三角洲在逐渐退缩，“失退”现象正在发生。

8)不能盲目发展灌溉林业

应该研究一个区域或流域的理想的优化的生态格局，不能盲目地发展灌溉林业。有的地区盲目发展，现在已经造成了“绿了一条线，荒了一大片”的恶果。

9)全球变化与碳循环

我国科技界应高度重视碳循环的研究，特别是水循环对碳循环的影响研究。

10)实实在在地加强基础研究

开发模型和研究理论的关系要处理好，模型只是工具，基础理论的研究要加强。大气模型的研究重点要放在水循环是如何影响气候系统这个方面。当前基础研究薄弱，要加强以流域为单位的基础理论研究，对已有的数据要加强共享。基础观测十分重要，是一切研究的基础。

执行主席刘昌明院士、丑纪范院士和夏军教授对本次会议进行了学术小结，概括了会议取得的科学思想和共识，并提出了我国变化环境下的水循环研究应该加强的基础理论研究课题。

夏军在小结中首先指出会议取得的基本共识是：水循环是联系地球系统的关键纽带，当前重要的科学前沿领域。我国目前遇到的问题是：水多了－严重的洪涝灾害问题；水少了－严重的干旱问题；水脏了－严重的环境问题。

中国目前水循环的现实紧迫区包括：华北地区（中国政治经济文化中心，缺水及生态环境问题十分严重）、西部地区（水资源是西部大开发的关键制约）、长江/黄河。现在聚焦的关键系统框架是：全球变化与高强度的人类影响下的陆地水循环机理

重要的科学研究内容包括以下几个方面：

1）我国大陆水循环格局与海-陆-气的相互作用；

2）大陆水循环的主要控制因素及其演化趋势；

3）流域水循环系统与地表水、地下水合理利用；

4）人类活动（特别是跨流域调水、用耗水）对大陆水循环的影响及其生态效应。

关键的几个科学问题有：

1）海－陆－气相互作用问题；

2）陆地干湿的自然变化与气候影响；

3）区域水汽输送来源与其变化机理；

4）陆地水循环及水生态环境变化中的人为影响因素的确定与量化方法；

5）大气－陆面－水文耦合及尺度问题；

6）水文－生态相互作用问题；

7）全球变化与水－碳循环问题。

目前尚存的问题与面临的挑战：

1）海-陆-气/大陆水循环时空连续基础观测数据比较缺乏；

2）变化环境中的水循环基础理论（水量/能量平衡、西部冰冻圈作用等）方法需要创新；

3）缺乏中国大陆尺度水循环量化模式；

4）高新技术（3S/同位素方法/古气候-古水文方法等）需要大力普及和应用；

5）不同行业研究队伍需要合作/集成；

6）科学研究支持与管理需要改革,数据共享。

最后，三位执行主席依据会议讨论以及与会人员提出的看法和意见，提出了应该结合国家需求对敏感地区（华北、西部、长江）的水问题开展基础研究的建议，涉及以下重点研究内容：

1）华北地区缺水及生态环境变化的水循环基础与修复对策研究；

2）西部生态脆弱区水循环研究；

3）长江流域的环境变化、水资源演变与调控机理；

4）西北地区空中水资源转化机制及其控制原理。

优质烃源岩的宏观特征

地球上的水资源主要有陆地水、海洋水和大气水三种存在形式。

1、陆地水资源概述

地球上的陆地水包括江河、湖泊、冰川、地下水等。这些水体通过自然循环过程，不断更新和补充，成为人类生活和生产活动的重要水源。陆地水的存在形式也使得水资源的分布不均，不同地区的水资源数量和质量存在差异。

2、海洋水资源概述

海洋是地球上最大的水体，它覆盖了地球表面的大部分。海洋水通过蒸发作用不断向大气输送水蒸气，同时通过降水返回地表，形成水循环。海洋水的存在使得地球上的水资源得到平衡，对全球气候和生态系统具有重要影响。

3、大气水资源概述

大气是地球上水循环的重要环节。大气中包含的水分随着气候变化和人类活动的影响而变化。大气水在云层中以气态、液态和固态形式存在，对地球的气候和天气产生重要影响。大气水的利用和研究也是气象学和水文学的重要方向。

水资源的短缺与保护

1、水资源短缺的原因与影响

水资源短缺是指可利用的淡水资源不足以满足人类生活和生产活动的需求。这主要是由于气候变化、人口增长、城市化等因素导致的。水资源短缺会对社会经济和生态环境造成严重影响，如农业减产、工业停滞、生态系统的破坏等。

2、水资源保护的重要性与措施

水资源保护是为了保障水资源的可持续利用，采取各种措施保护水质和水量。这包括防止水污染、节约用水、修复水生态系统等。水资源保护是应对水资源短缺的重要手段，也是实现可持续发展的重要前提。

3、水资源管理与政策

水资源管理是指政府和相关机构对水资源的规划、开发、分配和使用进行监督和管理。这包括制定水资源政策、法规和标准，以及监督执行情况。有效的水资源管理可以提高水资源的利用效率，减少浪费和污染，保障水资源的可持续利用。

构造运动和气候变化是决定湖盆类型的重要因素。对于陆相断陷盆地而言，构造运动尤其是断裂活动控制着盆地古地理面貌，决定着盆地蓄水空间的形成与消亡，是湖盆形成的决定性因素；气候的变化控制着降雨量、蒸发水量，从而控制着河水的注入以及沉积物的供应，进一步影响着湖平面的变化。Caroll等（1999）在系统研究和对比了大量现代和古代湖相沉积物的基础上，认为沉积物+水的供应速率与潜在可容空间的增长速率之间的相对平衡控制了湖泊的发生、分布、特征和层序结构，并对湖相盆地进行了成因分类，划分出过补偿、均衡补偿和欠补偿三种基本类型（图2-14）。这三种湖相盆地类型在层序结构、湖泊水文学特征和烃源岩发育特征等方面，具有明显的差异。该分类涵盖面和适用面较广，尤其适用于在湖盆演化背景下研究湖相优质烃源岩的发育特征，下面以东营凹陷为例进行分析。

东营凹陷湖盆演化的不同阶段地层层序结构存在明显的差异(图2-15)， 亚段和 亚段均衡补偿湖相盆地，地层叠加方式以加积型为主，局部呈现一定的进积特征，而 亚段，地层叠加方式总体表现为进积特征，仅在西北部的利津洼陷表现出一定的加积性特征，湖盆类型逐渐转化为过补偿型。沉积速率的变化也能反映出盆地演化的上述趋势。 亚段和 亚段深水油页岩沉积速率仅为14mm/Ma，而 亚段前三角洲相泥岩沉积速率上升到79～196mm/Ma。沉积速率的较大幅度增加，造成沉积物＋水的供应量增加，并最终超过潜在可容空间的增长，导致湖相盆地类型发生改变。

湖泊盐度的变化伴随着盆地类型的演变过程。从沙四上亚段到沙三中亚段，湖水的盐度经历了一个逐渐降低的过程。沙四段上亚段湖水古盐度较高，为33‰～21‰，沙三段下亚段降至17‰～9‰，沙三段中亚段已降至1‰左右。从生物组合面貌的变化记录了湖水盐度变化的整个过程。沙四段上亚段下部沉积时，以德弗兰藻（Deflandrea）占统治地位，显示咸化湖泊特征；进入上部，渤海藻类开始大量出现并获得迅速发展，并逐步成为优势成分，标志着湖水存在变淡的趋势。沙三段下亚段沉积时期，以德弗兰藻（Deflandrea）为代表的囊胞完全消失，标志着水体进一步变淡，但浮游植物组合中壶形弗罗姆藻（Fromea chyta）仍较发育，说明这时的主要水体仍存在一定的盐度。至沙三段中亚段壶形弗罗姆藻（Fromea chyta）消失，湖水盐度进一步下降，已经与河水基本接近。

图2-14 盆地类型模式图

(据Caroll等，1999)

图2-15 东营凹陷沙四上亚段—沙二段层序地层模式

较高的湖水盐度，易产生湖水分层并对湖水循环产生影响，并最终在沉积物的岩性组成和结构上有所体现。沙四段上亚段和沙三段下亚段，其典型岩性组合为纹层理发育的页岩和油页岩与具块状层理或弱纹层理的泥岩和粉细砂岩等形成的不等厚互层，组成有规律的韵律性沉积，纵向上非均质性明显。岩石组成的上述非均质性，在电阻率曲线上呈现为典型的锯齿状。沉积物较好的韵律性和明显的非均质性表明湖泊环境对气候的影响较为敏感，而这正是均衡补偿盆地的重要特征之一。页岩、油页岩非常发育的纹层结构，以及其中某些特征的生物标志化合物，如沙四段上亚段较高的伽马蜡烷含量，沙三段下亚段较高的4-甲基甾烷含量，都说明沉积过程湖水存在稳定的分层现象。稳定的湖水分层，引起底水含氧量下降和底栖生物不发育等一系列变化，并使纹层结构得到了较好的保存。沙三段中亚段岩性较为均一，以具块状层理和弱纹层理的厚层、巨厚层泥岩和粉砂质泥岩为主，韵律性差，纵向上非均质性不明显，表明该亚段沉积时期湖泊环境对气候的影响敏感性变差，与过补偿盆地的特征一致。与其相对应，该套地层在电阻率曲线上的表现较为平直。岩石中块状层理的大量存在，则表明湖水缺少稳定的分层，循环顺畅，底水含氧量较高，沉积物形成过程经常遭受底栖生物扰动。

沙四段上亚段和沙三段下亚段有机质丰度总体较高并表现出较强的非均质性，其频率分布呈现明显的非正态分布，高值区具有明显的拖尾现象甚至呈现双峰型特征。前峰一般对应着较低有机质丰度的泥岩和粉砂质泥岩，而后峰一般对应着较高丰度的页岩、油页岩。而沙三段中亚段为单峰型分布，后者仅具有有机质丰度较低的第一频率主峰，对应着较低有机质丰度的泥岩（图2-16）。

成熟探区油气精细勘探理论与实践

东营凹陷的优质烃源岩主要形成于沙四上亚段和沙三下亚段，对应着湖盆演化的均衡补偿阶段。该阶段对应着干旱气候向潮湿气候过渡，由盐湖向咸化湖和半咸化湖转变时期。而从区域上分析，优质烃源岩的发育与盐类富集存在明显的相关性。在济阳坳陷，沙四上亚段优质烃源岩主要见于东营凹陷和沾化凹陷，而这两个凹陷蒸发岩最为富集，卤水的演化程度也最高。

卤水盐度对烃源岩发育的影响也可从东濮凹陷沙三中烃源岩有机质丰度与盐岩发育的相互关系得到证明。如图2-17所示，在盐岩分布区，烃源岩总有机碳含量和热解S1+S2明显高于非盐岩分布区。而在高邮凹陷，优质烃源岩段也具有相对高的古盐度，一般处于中-多盐阶段（18‰～35‰），属于咸化-半咸化的沉积环境（图2-18）。这种特点不仅表明盐度对湖水分层和有机质保存条件的影响，也预示盐度增加即营养物质浓度的增加，同时可能也会提高原始有机质的生产率。

图2-17 东濮凹陷沙三中烃源岩（咸化湖相）有机质丰度与盐岩的关系

A—北部含盐区；B—北部无盐区；C—南部地区

图2-18 苏北盆地烃源岩氢指数与其古盐度关系

东部新生代盆地湖盆演化和烃源岩发育与东营凹陷存在一定的相似性，但由于构造演化及其所处气候带的差异，造成旋回的完整性以及咸化烃源岩的类型及厚度等存在一定差异。总体来讲，构造和气候变化控制的湖盆类型影响到湖盆的水化学特征，并最终在沉积物及烃源岩的岩性组成和结构上有所体现。

综合考察湖水盐度、分层性、封闭性和生物组合等特征，可以看出不同咸化湖泊烃源岩发育存在明显的差异，据此建立了两种咸化湖相优质烃源岩的成因模式：①浅水交互式成因模式（图2-19A），典型代表如东营凹陷沙四段上亚段和泌阳凹陷核二段，其沉积时期湖水盐度较高，湖水易形成稳定的密度分层，在相对浅水区即可形成优质烃源岩，沉积物对气候干湿变化反映强烈，岩性变化呈现交互式特征，岩性组合表现出明显的韵律性特征，烃源岩非均质性强；②深水侧变式成因模式（图2-19B），典型代表为东营凹陷沙三段下亚段，其沉积时期湖水具有一定的盐度，优质烃源岩主要发育在半深湖—深湖环境，沉积物对气候干湿变化反映减弱，岩性组合垂向变化相对不明显，烃源岩相对均一。实际上，对于一些盐度或矿化度较低的热带深水湖盆，甚至淡水湖盆，由于温度分层较为稳定，在深湖环境也可能形成优质烃源岩，优质烃源岩的成因模式与模式二相似。