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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38

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点面源污染过程模拟42

4.1.1点污染源量的估算42

4.1.2非点污染源量的估算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100

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145

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划分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污染源计算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产业结构调整与节水防污329

15.3.1产业结构调整329

15.3.2节水防污型社会建设330

15.4 ET管理与地下水限采332

15.4.1基于ET（耗水）控制的流域水资源管理332

15.4.2严格控制地下水的开采333

15.5公众参与和能力建设333

第16章 总结与展望335

16.1总结335

16.1.1流域“自然——人工”二元水循环模型335

16.1.2流域水循环及其伴生过程综合模拟系统336

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337

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340

16.2展望341

参考文献343