从土壤水动力学到流域生态水文学

从土壤水动力学到流域生态水文学Fromsoilhydrodynamicstoeco-hydrology楊大文清华大学水利系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室yangdwtsinghua.edu本讲内容1、前言2、土壤水动力学的发展3、流域生态水文学的发展4、水文学研究方法5、小结1.前言黄河源，2019.8我们的母亲河－－黄河……黄河源，2019.8黄河第一弯黄河龙羊峡水库，2019.8西宁市，2019.8西宁市，2019.8郑州黄河大桥，1990s人类文明的发展史，是与自然界斗争的历史。防治洪水、开发灌溉、航运、水力发电、城市供水等，人类社会得到了巨大发展。在科技高度发展的现代文明时代，人类却面临着前所未有的水资源危机。华夏文明的发祥地－－黄河几乎变成了一条干涸的内陆河。供水安全：我国人均水资源量不足世界平均水平的1/3，北方地区水资源短缺尤其严重。粮食安全：农业用水量约占我国总用水量的65%，水资源安全直接影响到粮食安全。生态安全：人类对水资源的过度开发威胁自然生态安全。气候变化：加剧了水资源的短缺，危及供水安全、粮食安全和生态安全。生态水文问题与国家需求186018801900192019401960198020001.00-1.00.5-0.5温度距平（℃）186018801900192019401960198020000.60.40.20-0.2-0.4-0.6温度距平（℃）全球全球气候变暖生态水文学在水文科学发展中的地位流域生态与水文过程之间存在着复杂的相互作用，气候是二者的主要驱动力之一；气候变化下的流域生态水文响应研究，必将促进流域水文学、植被生态学及其他相关学科的交叉与融合，从而推动水文学研究的不断深入。水循环是一切水问题的科学基础，生态与水文过程相互作用是流域水循环的关键环节流域水循环决定水资源，影响生态系统；粮食生产和植被生态维持是水的主要社会与生态服务功能，也是“绿水”的主要消耗方式；人类活动（如灌溉和水土保持等）直接影响生态、水文及水资源。气候变化的流域生态水文响应研究是水文学前沿和热点气候变化水文过程生态过程气候变化水文过程生态过程绿水：蒸散发（不能再利用）蓝水：径流（可再利用）绿水：蒸散发（不能再利用）蓝水：径流（可再利用）2.土壤水动力学的发展2.1概述2.2土壤水势与土壤水分运动2.3SPAC水热传输2.4土壤中溶质的迁移与转化2.5土壤水问题应用研究2.1概述科学学科学科分支流体→液体→水→土壤水流体动力学→水动力学→多孔介质水动力学→饱和流、非饱和流→土壤水动力学（地下水动力学、土壤水动力学）学科研究的发展定性→定量经验→理论单一→综合、交叉传统→现代技术（GIS、遥感和计算机模拟)Darcy’sLaw,1856Richardsequation1931学科研究方向的背景教学背景——大学本科专业的主要专业基础应用背景——水文学、水资源、农田水利、环境与生态学科研究的应用背景水文学——陆地水循环的关键环节：降雨径流及土壤水水资源——地表水、地下水为主的水资源评价农田灌溉——土壤水的转化与消耗、水资源的有效利用生态水文学——陆生生态的生态需水和生态用水水环境——农业面源污染2.2.1土壤水的数量、形态和能量土壤水的形态吸湿水－薄膜水－毛管水－重力水土壤水的数量土壤含水量（率）——重量、体积土壤水的能量——势能——土水势单位数量土壤水具有的势能——单位数量、标准参考状态•重力势ΨgΨg=±z(Mgz：gz、ρwgz、z）•压力势ΨpΨp=h•基质势ΨmΨm～θ（土壤水分特征曲线）•溶质势ΨSΨS～c、T•温度势ΨT总水势Ψ＝Ψg＋Ψp＋Ψm＋Ψs＋ΨT100%MMM100%MMWsssw%VVw1002.2土壤水势与土壤水分运动土壤水分特征曲线－－土壤水能量与数量的关系－－ψmθ达西定律：ψkq2.2.2非饱和土壤水流动基本方程qt连续方程：基本方程ψktzkzDzyDyxDxtzkzkzykyxkxtcmmmmmmmmmckDddcmRechards，19312.3.1土壤中水热耦合迁移常温条件下土壤水热迁移常温——土壤非冻结简化——忽略水汽、一维水分zkzDzt温度zTztTc土壤组成固相液相气相组成比例xsxwxa比热容cscwca热导率λsλwλa土壤中的多相（水）流液态水气态水－水汽水的相变－潜热－温度－相变水汽的扩散与迁移2.3SPAC水热传输2.3.1土壤中水热耦合迁移冻结条件下土壤水热耦合迁移水热耦合方程tzkzDztiwitLzTztTcIIIθTt0θzt1土壤中水和冰混合，并伴随有相变。2.3.2SPAC水热传输SPAC系统概念SPAC——SoilPlantAtmosphereContinuum,1965,Philip土壤-0.3～-1.0bar根-3bar叶-15bar大气-500barTranspirationEvaporation•连续体•驱动力——水势q=-△ψ1／R1=-△ψ2／R2=-△ψ3／R3=-△ψ4／R4阻抗容抗2.3.2SPAC水热传输SPAC水热传输模拟大叶模型三个介质土壤植物（叶）大气两个介面土壤－植物植物－大气大气冠层土壤λEsRnRvRsccscvλEλEvrarar1r1r2rsr2T2TbTaT1eaebe2rCe1*G显热潜热温度水汽压2.3.2SPAC水热传输SPAC水热传输模拟模型能量平衡SVSVSSSVVVSVNCCCEEEECRECRRRR水热扩散aabpaabpbpvcbpbpssbpSrTTccreecErTTccrreecEvrTTccrreecE1111222土壤水热迁移zTztTczkzDzt2.4.1土壤溶质迁移转化基本方程土壤溶质迁移转化的研究背景环境问题——面源污染（化肥、农药等）土壤盐碱化土壤溶质迁移基本方程对流：qc弥散：Dshc/z分子扩散＋机械弥散→水动力弥散源汇项：Sc液相以外的动态贮存：csCshsSzqczcvDztcc.2.4土壤中溶质的迁移与转化2.4.2土壤溶质迁移转化行为土壤中溶质迁移转化的基本行为（物理、化学、生物）根的吸收—根的密度、离子浓度差（竞争方程）挥发—在土壤表面以气态形式的损失降解—如农药的水解与微生物的降解c=c0e–kt、半衰期ti/2=o.693/k硝化—微生物作用下的氧化，NH4+→NH3－反硝化—微生物作用下的还原，NH3－→N2，NO2(一级动力学方程）溶解与沉淀吸附与解析—平衡吸附、动力吸附(一级动力学方程）可动水体与非可动水体间的质量迁移化学动力学反应方程X+Y→ZZ/t=kXnYmZ/t=kXnn=0、1、2区域水循环与CO2、N和P等物质循环的耦合氮（磷）循环与非点源污染密切相关，逐渐成为主要污染源碳循环与作物生长密切相关，对温室气体减排有重要意义2.5.1水文水资源－－四水转化概念四水转化概念降水大气水土壤水地下水地表水蒸发三水——降水地表水地下水四水——大气水土壤水地表水地下水五水——降水土壤水地表水地下水植物水转化的观点，机理的认识2.5土壤水问题应用研究2.5.1水文水资源－－地下水资源评价地下水均衡PIGG△HαPβIλGcE0ETP—降雨I—渠灌G—井灌地下水均衡μΔH=P+I–(1-)G–cE0±Q降雨入渗补给系数=Pg/P灌溉入渗补给系数=Ig/I井灌入渗补给系数=Gg/G潜水蒸发系数c=Eg/E0给水度μ地下水均衡参数机理上是土壤水的饱和－非饱和流E0潜水蒸发系数c＝Eg/E0＝（1－H/Hmax)nH1EgH2H3给水度μ＝h/△H2.5.2粮食与作物－－作物耗水与产量作物水分生产函数1inaaiimmiYETYETJensen模型作物生产量与其生长期内的蒸腾量成正比。冬小麦生长模拟模型热、温度生理发育时间光周期反应热效应春化作用光、辐射光合作用CO2、温度、水分、氮素呼吸作用生物量叶面积指数生育阶段干物质生产干物质分配2.5.2粮食与作物－－作物耗水与产量2.5.3生态环境——自然生态耗水、水土环境污染水土环境污染面源污染与地下水脆弱性评价降雨径流，污染物迁移转化生态植被耗水自然、人为→土壤水环境→自然生态植被河道地表水地下水土壤水生态植被耗水2.6土壤水动力学在流域水文模型中的应用流域水循环过程降水(precipitation)截留、蒸发(interception,evaporation)入渗、地表径流、蒸发(infiltration,surfaceflow,evaporation)蒸散、下渗、壤中流(transpiration,soilmoisturemovement)地下径流(groundwatermovement)大气(atmosphere)树冠(canopy)地表(landsurface)非饱和土壤(unsaturatedsoil)地下水(groundwater)河道(river)流域水文循环系统概念与水文模型的演变响应函数输入I(t)输出Q(t)响应函数输入I(t)输出Q(t)降雨I(t)Q(t)降雨I(t)Q(t)黑箱模型概念性模型分布式模型代表性单元模型（REW）水文模型取得突破的可能性流域形态水循环功能模型结构数学物理方程分析气候变化与下垫面变化对流域水循环影响),(),(tzszqttzv()()1......vqKz0nREEffPPP流域形态水循环功能模型结构数学物理方程分析气候变化与下垫面变化对流域水循环影响),(),(tzszqttzv()()1......vqKz0nREEffPPP数字流域技术、卫星遥感技术数字高程、流域自动识别和河网编码，基于数字流域的空间变异性识别与描述；提供流域水文模型所需的信息技术支撑水文过程的动力学机理土壤水动力学产汇流机理蒸散发机理新的水文学理论和分析方法生态最优性假设Top-down与Bottom-up分析相结合识别模型参数降低模型的自由度理论基础3.生态水文学的研究进展3.1“绿水”与“蓝水”水循环决定了一个流域的水资源状况（“绿水”与“蓝水”的分配），同时也决定了其陆地和水生态的结构和功能；灌溉是改变流域“绿水”和“蓝水”分配的主要因素，水土保持工程建设也将改变流域水循环及水资源；城市生活和工业用水主要通过改变“蓝水”（地表和地下水）的水质来影响生态与环境。地表径流、地下径流生产性绿水:植物蒸腾非生产性绿水:土壤蒸发不能再利用可以再利用绿水蓝水水的社会和生态服务功能可见不可见直接提供水资源生产粮食间接维持水生生态维持陆地生态人们往往被忽视了水对维持陆地生态系统的作用；水土保持与地下水开采都将改变水循环，从而改变陆地生态系统（植被的种类和分布）；将流域陆地和水生态与水循环结合，流域生态水文学将成为未来流域水资源管理的理论基础之一。3.2流域生态系统Precipitationistheonlyonewatersourcesharedbysocietyandecosystem.Dif