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上篇 原理与方法3

第1章 概述3

1.1 研究背景与意义3

1.1.1 流域水循环的“自然-社会”二元特征及其效应3

1.1.2 研究意义3

1.1.3 关键科学问题4

1.2 国内外研究动态与趋势4

1.2.1 变化环境下的水循环机理和演变规律研究4

1.2.2 基于物理机制的分布式流域水文模型研究5

1.2.3 水循环过程与水生态及水环境演变相互作用机制研究6

1.2.4 大气过程-陆地水文过程耦合研究6

1.2.5 社会水循环研究7

1.3 研究目标7

第2章 流域二元水循环模型总体结构9

2.1 模型总体结构及功能9

2.1.1 模型总体结构9

2.1.2 模型功能10

2.2 各模型简介10

2.2.1 分布式流域水循环及其伴生过程模拟模型（WEP-L）10

2.2.2 多目标决策分析模型（DAMOS）11

2.2.3 水资源配置模型（ROWAS）14

第3章 流域水循环过程模拟方法16

3.1 大气过程模拟16

3.1.1 大气环流模式（GCM）17

3.1.2 海气耦合模式20

3.1.3 陆面过程模式21

3.1.4 区域气候模式22

3.1.5 降尺度方法23

3.2 陆地水循环过程模拟24

3.2.1 蒸发蒸腾24

3.2.2 入渗27

3.2.3 地表径流28

3.2.4 壤中径流30

3.2.5 地下水运动、地下水流出和地下水溢出30

3.2.6 坡面汇流和河道汇流31

3.2.7 积雪融雪过程32

3.2.8 空气动力学阻抗与植被群落阻抗33

3.2.9 土壤水分吸力关系与非饱和导水系数34

3.3 陆地能量循环过程模拟34

3.3.1 地表能量平衡方程34

3.3.2 短波放射35

3.3.3 长波放射36

3.3.4 潜热通量37

3.3.5 显热通量38

3.3.6 地中热通量38

3.3.7 人工热排出量38

3.4 平原区地下水数值模拟38

3.4.1 潜水39

3.4.2 承压水39

3.4.3 模型数值求解40

第4章 流域水环境过程模拟方法42

4.1 污染量的估算42

4.1.1 点源污染量的估算42

4.1.2 非点源污染量的估算44

4.2 基于水动力学的河湖水系水质模拟46

4.2.1 河湖水环境系统模拟基本方程46

4.2.2 数值求解与联解47

4.3 基于物质平衡原理的流域水质模拟61

4.3.1 流域水质模型的基本要求61

4.3.2 污染物入河量的估算62

4.3.3 流域水质模型的实现64

4.4 平原区地下水水质模拟70

4.4.1 地下水溶质迁移转化方程71

4.4.2 数值法求解71

第5章 流域水生态过程模拟方法72

5.1 概述72

5.2 陆地生态水文模拟72

5.2.1 BIOME-BGC植被生态模型72

5.2.2 植被生态模型与水文模型的耦合80

5.3 作物生长模拟81

5.3.1 WOFOST作物生长模型82

5.3.2 分布式作物生长模拟84

第6章 流域水资源调控与多目标决策87

6.1 水资源调控原则87

6.2 多目标决策方法87

6.2.1 主要原理88

6.2.2 主要模块描述88

6.2.3 多目标决策方法94

6.3 水资源配置方法97

6.3.1 水资源配置的概念97

6.3.2 水资源配置的方法97

6.3.3 水资源配置结果的评价99

6.3.4 ROWAS模型基本构架100

第7章 流域水循环及其伴生过程综合模拟系统集成103

7.1 二元水循环模型耦合关系103

7.2 综合模拟系统集成106

7.2.1 系统总体构架106

7.2.2 系统的特点107

7.2.3 关键技术107

7.3 系统界面与功能110

7.3.1 通用数据管理界面110

7.3.2 系统界面及主要菜单113

7.3.3 系统的创新点122

下篇 海河流域应用125

第8章 海河流域概况125

8.1 自然地理与水文气象125

8.2 高强度人类活动特点125

8.3 主要水问题128

第9章 基础信息采集与时空展布131

9.1 基础信息分类与采集131

9.1.1 信息分类131

9.1.2 采集信息描述131

9.2 计算单元划分140

9.2.1 划分考虑因素140

9.2.2 计算单元划分141

9.3 水文气象信息时空展布143

9.3.1 气象要素时空展布方法143

9.3.2 降水插值结果145

9.3.3 其他气象要素插值结果146

9.4 土壤水动力学参数147

9.5 社会经济信息时空展布151

9.5.1 人口数据时间空间化152

9.5.2 GDP数据时间空间化155

9.5.3 畜禽养殖量时间空间展布157

9.6 用水信息时空展布157

9.6.1 生活用水的时空展布158

9.6.2 工业用水的时空展布158

9.6.3 农业用水的时空展布158

9.6.4 用水数据展布结果示例161

9.7 水污染信息时空展布165

第10章 水循环模拟与验证168

10.1 参数敏感性分析与参数优化168

10.1.1 模型优化参数168

10.1.2 LH-OAT全局参数敏感性分析方法在宽城以上流域的应用169

10.1.3 SCE-UA全局参数优化方法在宽城以上流域的应用171

10.2 河道径流模拟验证172

10.2.1 采用参数优化法对河道径流模拟结果的验证172

10.2.2 采用试错法对河道径流模拟结果的验证175

10.3 地下水模拟验证177

10.3.1 研究区含水层组情况178

10.3.2 含水层组的发育程度179

10.3.3 地下水位动态特征180

10.3.4 海河流域地下水系统181

10.3.5 地下水系统补给、径流和排泄182

10.3.6 海河平原地下水模型构建183

10.4 基于遥感ET的数据同化187

10.4.1 数据同化187

10.4.2 遥感反演ET算法——SEBS188

10.4.3 数据同化算法189

10.4.4 数据同化结果分析191

10.4.5 小结193

第11章 水环境模拟与验证194

11.1 流域水质模型验证与应用194

11.1.1 污染源估算194

11.1.2 水质模型校核与验证195

11.2 河湖水动力学水质模型验证与应用198

11.2.1 滦河流域概况199

11.2.2 基础数据准备201

11.2.3 模型的验证201

11.2.4 模型的应用205

11.3 流域地下水质模型209

11.3.1 模型构建209

11.3.2 模型率定211

第12章 水生态模拟与验证219

12.1 陆地生态水文模拟与验证219

12.1.1 模型输入数据与参数219

12.1.2 模拟结果验证221

12.2 作物生长模型模拟与验证222

12.2.1 冬小麦田间试验研究方法222

12.2.2 模型参数调整方法与步骤224

12.2.3 作物生长参数敏感性分析225

12.2.4 模型参数率定225

12.2.5 模型参数验证227

12.2.6 流域模拟输入数据的整理228

12.2.7 流域模拟结果验证229

12.2.8 流域模拟结果分析230

第13章 海河流域水循环及其伴生过程历史演变分析233

13.1 水循环要素演变检测及下垫面变化分析233

13.1.1 水循环要素演变检测233

13.1.2 下垫面演变分析244

13.1.3 社会经济与用水发展分析246

13.2 流域水资源评价与演变规律246

13.2.1 水资源评价246

13.2.2 水资源演变驱动因子分析247

13.2.3 水资源演变规律249

13.3 流域水循环及水资源演变归因分析257

13.3.1 基于指纹的归因方法258

13.3.2 归因情景设置258

13.3.3 海河流域水循环要素演变的归因分析260

13.3.4 海河流域狭义水资源量演变的归因分析266

13.4 流域水环境演变规律269

13.4.1 海河流域水污染现状269

13.4.2 海河流域污染源排放情况分析270

13.4.3 海河流域地表水环境演变规律276

13.4.4 海河流域地下水环境演变规律280

13.5 流域生态演变规律281

13.5.1 农业生态演变规律281

13.5.2 自然植被生态演变规律284

第14章 海河流域水循环及其伴生过程未来演变情景分析288

14.1 气候变化预估288

14.2 海河流域水循环与水资源演变预估295

14.2.1 情景设定295

14.2.2 水量调控下的水循环及水资源演变预估299

14.2.3 气候变化下的水循环及水资源演变预估306

14.3 海河流域水环境演变预估308

14.3.1 未来水平年水环境承载能力预估308

14.3.2 未来水平年水污染控制方案下水环境分析311

14.3.3 未来水平年水污染控制方案315

14.4 海河流域生态演变预估316

14.4.1 作物生长演变预估316

14.4.2 自然生态演变预估323

第15章 海河流域水资源管理战略讨论327

15.1 概述327

15.2 水权分配与法规建设327

15.2.1 水权分配327

15.2.2 法规建设328

15.3 实行最严格水资源管理制度年度指标评价329

15.3.1 实行最严格水资源管理制度329

15.3.2 实行最严格水资源管理制度年度指标329

15.3.3 实行最严格水资源管理制度年度指标细化分解方法330

15.3.4 实行最严格水资源管理制度年度指标评价方法330

15.4 产业结构调整与节水防污333

15.4.1 产业结构调整334

15.4.2 节水防污型社会建设335

15.5 ET管理与地下水限采337

15.5.1 基于ET（耗水）控制的流域水资源管理337

15.5.2 严格控制地下水的开采338

15.6 公众参与和能力建设338

第16章 总结与展望339

16.1 总结339

16.1.1 流域“自然-人工”二元水循环模型339

16.1.2 流域水循环及其伴生过程综合模拟系统340

16.1.3 海河流域水循环、水资源、水环境及水生态演变规律分析341

16.1.4 海河流域未来水循环、水资源、水环境及水生态演变预估344

16.2 展望345

参考文献347

索引356