994 地球科学进展 第21卷 可操作性强等特点。这一系统性成果已达到国际同应力。 类研究的领先水平。 25流域生态环境需水量的理论与计算方法 22水循环要素的遥感解译和反演 系统地提出了流域生态环境需水量的概念,对 建立了两种基于遥感的分布式蒸散发计算方流域生态环境需水量进行分类;对流域生态环境需 法。通过引入湿润指数的相对变化量作为气候调节水量的量质统一性、时空分异性、安全阈值性与兼容 因子,利用1982—2000年8如m分辨率的 AVHRR/性及其与流域生态系统健康的关系进行系统的探 NDv閡数据及气候数据,首次实现了全流域年地表讨,提出流域生态环境需水标准确定准则、评价指标 蒸散发的估算针对局地能量收支受地形起伏和下与保证体系11,形成了较为系统地流域生态环境需 垫面性质不同的影响存在巨大差异这一问题,研制水理论体系。借鉴水文学、生态学等多学科的方法 了起伏地形条件下辐射气温、湿度等要素的分布式提出河流、湖泊与湿地、合口、旱地植被和城市生态 模型;将辐射平衡、气温、水汽压等系列要素分布式环境需水量的计算方法,并构建流域生态环境需水 计算与区域蒸散发模型耦合,以蒸散发互补理论为量的整合计算模型;提出了基于生态环境需水量的 基础,结合NOAA^ AVHRR资料反演的地表反照率流域生态水文分区指标与方法,湖泊、湿地和城市生 资料,实现了黄河流域实际蒸散发分布式模拟,解决态环境需水分类的指标标准和方法 了常规非均匀陆面蒸散发硏究中模型参数确定的难26流域非点源污染负荷调査与估算方法 题;应用遥感条件温度植被指数和气象湿润指数相 依据非点源污染产生的特征和产污规律,对黄 结合的方法,计算土壤表层土壤水分状况,并确立由河流域非点源污染进行了分区计算,并构建一套完 表层土体逐层向下的土壤水分相关模型,首次建立整的基于G技术下分区分级技术方法体系。针对 了大区域、连续时间段、厚层土体土壤水分遥感估算大尺度流域非点源污染负荷估算的特点,构建了黄 方法3,计算出1982-1998年黄河全流域1m土河流域非点源污染负荷估算的二元结构模型,并对 体每10αm土层土壤水分,填补了黄河流域土壤水黄河流域非点源污染负荷进行了估算。首次对黄河 分观测资料缺乏的空白。 流域非点源污染物(αOD、氨氮、总氮、总磷等)污染 23流域水资源二元演化模型 负荷进行了匡算,分析了其时空分异规律,并研究了 基于“自然一人工”元水循环模式,采取“分不同类型的非点源污染负荷(城市、农村生活、农田 离描述和稠耦合模拟”的建模思路,建立了黄河流径流等)分布规律和特点,对黄河水污染防治具 域水资源二元演化模型,即由流域分布式水循环模有重大的实际价值 拟模型和流域集总式水资源调配模型来分别描述天27同位素技术确定地下水的可更新能力 然主循环与人工侧支循环的基本过程,然后通过集 充分利用同位素对水循环的示踪和计时性特 总式模型信息的时空离散与分布式模型信息的时空点,并结合其他水文地质研究手段开展地下水与黄 聚合来实现模型的耦合模拟,实现了对于“自然 河水的相互作用研究,查明不同河段河水、大气降水 人工”元驱动下的流域水循环全过程的模拟和水和地下水之间的转换关系,建立流域内典型地下水 资源演变规律的描述,能够对人类活动影响下的长系统的水循环模式,进而确定地下水的循环速度并 系列水循环过程进行精细模拟,可作为流域水资源对地下水的可更新能力进行了评价。认为:与黄 评价基本工具。该模型的开发成功,为我国水资河有积极循环交替的地下水循环速度为浅层地下 源分布式动态评价提供了有效的定量工具 水:64(关中盆地黄土台源区)~2400m/a(银川平 24流域植被_侵蚀动力学模型 原);深层地下水:121包头平原)~31.6m/a(黄 在 Thomes的耦合方程组的基础上,引入生态河下游);地下水的可更新时间为:浅层地下水:16 应力的表达项和相应的侵蚀率变化项,考虑长期、短(黄河影响带)~200年(关中盆地渭北山前洪积扇 期和瞬时生态应力项,根据应力对植被活力降低的区);深层地下水:409(包头承压水)~11128年(关 作用程度提出了致命应力、损伤应力、脆弱植被、驯中盆地渭北岩溶水)。该研究对于认识流域内地下 服植被等概念,确立了植被功能强度为功能系数、植水资源的形成和时空分布规律、制订合理的地下水 被覆盖率和植被活力三者之乘积,并从理论上探讨开发模式具有十分重要的意义。 了流域产流产沙与植被因素之间的动力平衡关系,28变异条件下的地下水演化仿真 进一步丰富和量化了植被一侵蚀动力方程中的各种 为提高地下水资源计算的精度和预测地下水动 g1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net可操作性强等特点。这一系统性成果已达到国际同 类研究的领先水平。 2. 2 水循环要素的遥感解译和反演 建立了两种基于遥感的分布式蒸散发计算方 法。通过引入湿润指数的相对变化量作为气候调节 因子 ,利用 1982—2000年 8 km分辨率的 AVHRR / NDV I数据及气候数据 ,首次实现了全流域年地表 蒸散发的估算 ;针对局地能量收支受地形起伏和下 垫面性质不同的影响存在巨大差异这一问题 ,研制 了起伏地形条件下辐射、气温、湿度等要素的分布式 模型 ;将辐射平衡、气温、水汽压等系列要素分布式 计算与区域蒸散发模型耦合 ,以蒸散发互补理论为 基础 ,结合 NOAA2AVHRR资料反演的地表反照率 资料 ,实现了黄河流域实际蒸散发分布式模拟 ,解决 了常规非均匀陆面蒸散发研究中模型参数确定的难 题 ;应用遥感条件温度植被指数和气象湿润指数相 结合的方法 ,计算土壤表层土壤水分状况 ,并确立由 表层土体逐层向下的土壤水分相关模型 ,首次建立 了大区域、连续时间段、厚层土体土壤水分遥感估算 方法 [ 13 ] ,计算出 1982—1998年黄河全流域 1 m 土 体每 10 cm土层土壤水分 ,填补了黄河流域土壤水 分观测资料缺乏的空白。 2. 3 流域水资源二元演化模型 基于“自然 —人工 ”二元水循环模式 ,采取“分 离描述 ”和“耦合模拟 ”的建模思路 ,建立了黄河流 域水资源二元演化模型 ,即由流域分布式水循环模 拟模型和流域集总式水资源调配模型来分别描述天 然主循环与人工侧支循环的基本过程 ,然后通过集 总式模型信息的时空离散与分布式模型信息的时空 聚合来实现模型的耦合模拟 ,实现了对于“自然 — 人工 ”二元驱动下的流域水循环全过程的模拟和水 资源演变规律的描述 ,能够对人类活动影响下的长 系列水循环过程进行精细模拟 ,可作为流域水资源 评价基本工具 [ 14 ]。该模型的开发成功 ,为我国水资 源分布式动态评价提供了有效的定量工具。 2. 4 流域植被 —侵蚀动力学模型 在 Thornes的耦合方程组的基础上 ,引入生态 应力的表达项和相应的侵蚀率变化项 ,考虑长期、短 期和瞬时生态应力项 ,根据应力对植被活力降低的 作用程度 ,提出了致命应力、损伤应力、脆弱植被、驯 服植被等概念 ,确立了植被功能强度为功能系数、植 被覆盖率和植被活力三者之乘积 ,并从理论上探讨 了流域产流产沙与植被因素之间的动力平衡关系 , 进一步丰富和量化了植被 —侵蚀动力方程中的各种 应力 [ 15 ]。 2. 5 流域生态环境需水量的理论与计算方法 系统地提出了流域生态环境需水量的概念 ,对 流域生态环境需水量进行分类 ;对流域生态环境需 水量的量质统一性、时空分异性、安全阈值性与兼容 性及其与流域生态系统健康的关系进行系统的探 讨 ,提出流域生态环境需水标准确定准则、评价指标 与保证体系 [ 16 ] ,形成了较为系统地流域生态环境需 水理论体系。借鉴水文学、生态学等多学科的方法 , 提出河流、湖泊与湿地、合口、旱地植被和城市生态 环境需水量的计算方法 ,并构建流域生态环境需水 量的整合计算模型 ;提出了基于生态环境需水量的 流域生态水文分区指标与方法 ,湖泊、湿地和城市生 态环境需水分类的指标标准和方法。 2. 6 流域非点源污染负荷调查与估算方法 依据非点源污染产生的特征和产污规律 ,对黄 河流域非点源污染进行了分区计算 ,并构建一套完 整的基于 GIS技术下分区分级技术方法体系。针对 大尺度流域非点源污染负荷估算的特点 ,构建了黄 河流域非点源污染负荷估算的二元结构模型 ,并对 黄河流域非点源污染负荷进行了估算。首次对黄河 流域非点源污染物 (COD、氨氮、总氮、总磷等 )污染 负荷进行了匡算 ,分析了其时空分异规律 ,并研究了 不同类型的非点源污染负荷 (城市、农村生活、农田 径流等 )分布规律和特点 [ 17 ] ,对黄河水污染防治具 有重大的实际价值。 2. 7 同位素技术确定地下水的可更新能力 充分利用同位素对水循环的示踪和计时性特 点 ,并结合其他水文地质研究手段开展地下水与黄 河水的相互作用研究 ,查明不同河段河水、大气降水 和地下水之间的转换关系 ,建立流域内典型地下水 系统的水循环模式 ,进而确定地下水的循环速度并 对地下水的可更新能力进行了评价 [ 18 ]。认为 :与黄 河有积极循环交替的地下水循环速度为 :浅层地下 水 : 64 (关中盆地黄土台源区 ) ～2 400 m / a (银川平 原 ) ;深层地下水 : 1. 21 (包头平原 ) ～31. 6 m / a (黄 河下游 ) ;地下水的可更新时间为 :浅层地下水 : 16 (黄河影响带 ) ～200年 (关中盆地渭北山前洪积扇 区 ) ;深层地下水 : 409 (包头承压水 ) ～11 128年 (关 中盆地渭北岩溶水 )。该研究对于认识流域内地下 水资源的形成和时空分布规律、制订合理的地下水 开发模式具有十分重要的意义。 2. 8 变异条件下的地下水演化仿真 为提高地下水资源计算的精度和预测地下水动 499 地球科学进展 第 21卷