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项目名称: 流域水循环机理与水资源演化规律

推荐单位: 湖北省

项目简介: 本项目属于地球科学与水利工程基础科学交叉的水文水资源研究方向,是现代水文学研究的核心和流域防洪预报、水安全研究的重点。经历了上世纪70年代以来的水文线性系统理论、流域水文模型、流域水循环分布模拟和水资源调控的学说。主要内容有:流域水循环系统理论与动力学机制,水资源演化规律与调控机理。该申报内容是研究群体20多年来,针对流域水循环和国家"973"项目黄河水资源演化与可再生性维持机理的理论研究成果。其科学价值:(1)针对流域降雨径流过程的系统关系,提出了水文非线性系统识别理论,建立了降雨径流时变增益、季节信息耦合的非线性系统模型,发展了基于贝叶斯方法和自适应神经模糊推理系统新的实时洪水预报系统,形成一套流域降雨径流非线性理论体系,对系统水文学的非线性学说发展做出了重要贡献。(2)针对"土壤-植物-大气(SPAC系统)"的界面过程的水循环难题,提出了SPAC界面水分与能量交换的动力学机制与"五水"转化关系,发现植物水分利用的生理生态学机理,光合作用、蒸腾作用和气孔导度的耦合机制,在水循环的生态学机理的理论研究方面做出了重要贡献。(3)针对瞩目的黄河断流、人类活动和气候变化影响下的水资源可再生性维持机理,系统开展了变化环境下流域水循环综合研究,发现了黄河水资源演化若干规律,破解黄河源区"水塔"之迷,揭示了黄河流域水循环与气候变化的关系,区分黄河流域上、中、下游的水资源减少和变化的气候变化和人类活动影响的贡献。出版专著10部,发表SCI收录论文107篇, EI和ISTP收录论文190篇,SCI他引243次,10篇代表论文SCI他引86次,CSCD论文421篇,CSCD引用2314次。研究成果已经在我国60多个流域和水库中推广应用,产生了巨大的经济效益和社会效益。完成人任国际水文科学协会(IAHS)副主席、国际水资源协会(IWRA)副主席,曾获湖北省自然科学一等奖、教育部一等奖2项。

主要发现点: 流域降雨径流关系是陆地水循环最重要的部分,下垫面植被水文生态过程是揭示水循环机制的核心。研究群体以理解我国半湿润半干旱地区流域水循环机理和水资源演化规律为主线,利用大量流域水文观测资料与实验,在流域水循环的系统理论、SPAC界面过程及生态调控机理方面有新的突破,在认识黄河流域水资源可再生维持机理与演化规律方面,取得了重要进展。核心发现点:(1) 流域水循环降雨径流过程的系统理论与非线性 1.1. 发现了半湿润半干旱地区流域水文过程关键产流因子(系统增益)与流域关键的状态变量(土壤湿度)之间的联系,找到了一种能够模拟复杂非线性过程的简单的系统关系,揭示了降雨径流"时变增益"的非线性机制,暴雨动力学因子和不同下垫面变化的降雨径流非线性关系(代表作2、其他重要论著1-5)。1.2 提出了水文非线性系统识别理论,建立了水文时变增益非线性系统模型,发展了耦合流域气候季节变化的非线性扰动模型,建立了基于贝叶斯方法和自适应神经模糊推理系统的实时洪水预报系统,在全国60多座水库和流域的洪水预报、水库调度运用中,取得了巨大的经济效益与社会效益(代表作1、9,其他重要论著7-23和附件4-1 )。1.3 系统总结水文过程非线性分析原理、理论、模型和方法,出版专著,建立了水文非线性系统理论方法的体系(见代表作1、2和其他重要论著6)。(2) 流域垂向水循环"土壤-植被-大气"(SPAC)界面过程机制2.1发现了SPAC系统界面过程水分与能量的交换机制,提出了农田作物蒸发与蒸腾的过程变化机理、"降水-地表水-土壤水-地下水"与植物水的五水转化关系,揭示了水循环生态调控机理,为农业节水提供重要的理论依据(代表作3-5、其他重要论著30-35)。2.2 发现了SPAC系统植物水分利用的生理生态学机理,建立了水循环光合作用、蒸腾作用和气孔导度的耦合模型;提出了水汽通量与土壤和植物的水力传导机理,解决了气孔导度模型由叶片尺度向冠层尺度扩展的科学难题,在水循环生态过程机制方面做出了重要贡献(代表作6-7、其他重要论著36-44)。(3)流域水资源可再生维持机理与演化规律3.1以半湿润半干旱地区流域为对象,研发了流域分布式时变增益水循环模型,揭示了流域水循环与覆被变化、水保工程建设及水库调蓄之间的联系;提出了大尺度流域的半分布式月水量平衡模型,解决了气候情景的时空尺度与所用到的流域水文模型的时空尺度匹配和水文模型参数在无资料地区的确定两个难题,为评估气候变化对水文水资源的影响提供了新途径(代表作8、10和其他重要论著45-55)。3.2. 创建了多尺度耦合的黄河流域分布式水文模拟系统(HIMS),发现了黄河水资源演化若干规律:破解了黄河

源区"水塔"之迷,揭示了黄河流域水循环与气候变化的关系,区分了黄河水资源减少和变化的气候变化与人类活动影响的贡献(代表作5和其他重要论著65、56-64)。 

主要完成人: 夏军

领导和系统开展了流域降雨径流过程系统理论与非线性研究,提出了水文非线性系统识别理论,建立了降雨径流时变增益水文非线性系统模型,形成一套流域降雨径流非线性系统理论体系,自主研发的流域分布式时变增益水循环模型,揭示了我国半湿润半干旱地区流域水循环与覆被变化、水保工程建设及水库调蓄之间的联系。对申报书中发现点1和3.1有创造性贡献。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的65%。

刘昌明

领导了黄河流域水资源可再生维持机理与演化规律的研究,提出了SPAC各界面上水分与能量的交换机制、耦合SPAC系统的"降水-植物水-地表水-土壤水-地下水"的"五水"转化关系,破解了黄河源区"水塔"之迷,揭示了黄河流域水循环与气候变化的关系。对申报书中发现点2.1和3有创造性贡献。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的55%。

郭生练

提出了应用与大尺度流域的半分布式月水量平衡模型,解决了气候情景的时间和空间尺度与所用到的流域水文模型的时间和空间尺度匹配,以及水文模型参数在无资料地区的确定两个难题,应用到黄河流域水资源演化的研究,评估气候变化对水资源的影响,提供了未来黄河水资源演化评估的新的途径。设计和建立了水库洪水预报调度系统,经过近10年的稳定运行,在防汛和电力生产等方面已经取得了显著的经济效益和社会效益。

对申报书中发现点1.2和3.1有创造性贡献。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的55%。

 

熊立华

提出了非线性扰动水文模型(NLPM-ANN);建立了三层耦合流域水文模型,建立了基于贝叶斯方法和自适应神经模糊推理系统(ANFIS)的实时洪水预报系统。对申报书中发现点1.2和3.1有创造性贡献。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的50%。

于强

推进了控制植物-大气间水分交换的气孔导度的机理模型。提出土壤-植物-大气系统水循环与光合作用和气孔导度耦合的机理模型。提出了水汽通量与土壤和植物的水力传导的机理,解决了气孔导度模型由叶片尺度向冠层尺度、由瞬时向日平均尺度扩展的科学难题,成果在估算植物生产力、水分利用效率、植物-大气间水、热和CO2通量等方面做出了重要贡献。

对申报书中发现点2.2有创造性贡献。本人在该项研究中的工作量占本人工作量的60%。

文章录入:曹宁    责任编辑:王坤 
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