标题：生态水文
编者
主 编：穆兴民 徐学选 陈霁巍
Editors: Mu Xing-min Xu Xue-xuan Chen Ji-wei
副主编：丁琳霞 王文龙 袁建平 黄明斌
Subeditors: Ding Lin-xia Wang Wen-long
Yuan Jian-ping Huang Ming-bin
中国林业出版社
Forestry Press of China
2001
内容简介
本书从发展区域生态水文学角度，结合黄土高原以水土保持为主体的生态建设的实践，从不同时间和空间尺度，系统论述了水土保持生态建设的水文效应及其研究方法。全书共分10章。主要包括：生态水文学基础、深层土壤水资源及其利用，水土保持措施的水文效应机理、水土保持措施对地表径流的作用方向和作用强度等。资料翔实，方法多样，内容丰富，其成果对发展生态水文学和黄土高原水土流失的科学治理都具有重要的参考价值。本书可供从事国土整治、水土保持、水文学、地理学、土壤学、农林草业科技人员、广大干部和大中专院校的教师和学生参考。
生态水文学研究内容及研究方法
生态建设与水文水资源有着非常密切的关系，生态建设中的水科学问题及其研究已成为生产实践中急需解决的问题之一。然而由于问题的复杂性、资料的有限性、方法的不成熟性，其研究有待进一步科学化、系统化。生态水文学一词的英文为Eco—hydrology，是由ecology（生态学）和hydrology(水文学)两词组合而成，它大约在20世纪80年代开始出现。在我国，刘昌明等1997年主编的《中国水文问题研究》一书中使用了“生态水文”一词。近几年，生态水文一词频频出现，特别是已成为我国一些大学或研究所的研究领域和方向。英国学者，R.L.wilby等于1997年出版了《Eco-hydrology》专著，该书重点讨论湿地生态系统中植物与水分的关系。Zalewski在1997年的一份水文学技术报告中指出，生态水文学概念是关于水生资源可持续利用的一个新转变，他把生态水文学主界定在水生物学方面。
尽管“生态水文学”已在国内外各种报告中频繁出现，但还没有一个明确的定义，鉴于它的研究仍处于新发展状态，可以这样认为[1]：在科学体系上，生态水文学属于地球科学范畴，是水文学的一个分支，是生态学与水文学的交叉学科。生态水文学就是将水文学知识应用于生态建设和生态系统管理的一门科学。主要研究生态系统内水文循环与转化和平衡的规律，分析生态建设、生态系统管理与保护中与水有关的问题。如生态系统结构变化对水文系统中水质、水量、水文要素的平衡与转化过程的影响；生态系统中水质与水量的变化规律及其预测预报方法；水文水资源空间分异与生态系统对位关系。
长期以来，尽管人们一直在研究生态过程与水文过程的相互作用，但分属不同的学科领域，而未形成统一的学科体系。按照不同的空间尺度，生态水文的研究内容可分为三个方面。以 SPAC 为基础的植物与水分关系的研究，形成生态水文的微观机理研究。伴随土壤水动学发展及SPAC概念的提出，特别是20世纪80年代以来，在国际地圈生物圈计划 （IGBP）的推动下，这方面研究非常活跃，并取得了较大进展。以SVAT（Soil——Vegetation—— Atmosphere——Transfer）为基础的中尺度植被与水文研究，早期的研究 ，主要研究不同植被类型及结构内的水文规律形成如农田水文学、森林水文学和草地水文学等，重点研究不同植被群落中水量平衡、水分循环、水质及其变化等的规律，研究不同植被类型对水文系统、水行为的作用和影响。自20世纪80年代，SVAT概念的提出，特别是1991年国际大气土壤植被关系委员会（ICASCR）成立以来，则更加重视植被（而非植物）、大气与土壤界面之间水文过程，并把三者作为一个系统开展更加深入的、较大尺度的研究。第三，中大尺度地表覆盖变化的水文系统研究，现代社会中，大尺度流域或区域内单纯的一种植被是不存在的，实际存在的是由林、草、农田等不同植被复合而成，由于植被类型、土壤及气候（特别是降水）的空间变异特征，不同组合条件下流域或区域，产流和汇流过程不同，其水量平衡、水质及水循环模式也有很大的差异。因此，如何把小尺度、特高植被的水文行为放大到大尺度，研究不同植被覆盖下大尺度水文系统变化是当前国内外研究热点。
按照研究目的，生态水文的研究可分为两类，即良性生态系统中水文规律的认知研究和生态建设中的水问题研究。前者以探索生态与水文过程相互作用的规律，研究二者相互作用机理，同时能为生态建设提供参照和参考，属认识世界的范畴。生态建设中的水问题研究具有明确的应用目的，是生态水文学研究热点之一。一方面要研究和认识生态建设中生态水分条件和生态水资源背景，如何开发和利用有利的水分条件，促进和加速生态恢复。在黄土高原干旱缺水，气候和植被的过渡特征、丘陵地貌使水热局地分异特征，决定了生态恢复生态水文背景的复杂性，植被类型结构和布局确立的困难性。因此，只有在“拉网式”水分背景的地理分布规律的基础上，才能明确回答黄土高原能不能造林？栽什么树和造什么林以及种什么草等生态建设中长期悬而未决的实际问题。另一方面，就是生态建设的水文效应研究，如同土壤水力曲线，其吸湿过程和退水过程并不一致，相同的水势，吸湿过程与退水过程中土壤持水量并不一致。因此，流域或区域的生态建设与恢复的水文效应也是一个值得研究的问题。研究重点是评价流域或区域生态建设对水文系统的单项或综合影响；预测不同建议模工对水文系统的可能影响，确定和选择好的模式。
生态水文学研究方法
目前，国内外生态水文研究中普遍采用的研究方法有对比分析法、水文模型模拟法、水量平衡法。2.1 对比分析法对比分析法又可分为流域对比分析法和时间序列对比分析法。按研究尺度划分，对比分析法可分为以下几种类型：
（1）径流小区对比法 通过有控制措施与实验措施的一对径流实验场或径流沟的同时对比观测，来研究各个单项措施对于水环境的影响。在进行这样的对比观测时，一般应先进行空白的对比观测，来观测它们的基础是否一致，然后再将其中的一个径流场或径流沟加上单项的人工措施，如植被种草等。这个方法的优点是可以把影响水环境的某些因素固定起来，单独研究其中某一个因素对于水环境的影响。但这个方法是在小面积上所得的资料，不能随便应用到大面积上去，主要原因是由于地下水层的深度与河床切割深度的相互关系在小面积上与大面积上有很大的不同；并且，大面积上各个不同部分的情况错综复杂，因此要确定小面积的代表性实际上是有困难的。总的来说，这种方法有利于确定人类活动中的某一单项措施对于水环境的影响，而应用到大面积的定量计算上还存在一定的困难。
（2）小流域对比观测法 这种方法原理与上一种方法是相同的，不同的研究尺度和综合程度不同。这种方法的优点是可以人工控制各项单项措施的组合，从而研究综合生态建设的水文效应。同时它要求参证流域的资料具有一致性，即未进行水土流失治理，并且参证流域下垫面地形、地貌条件与本站相似。另一类方法是研究同一流域不同时间段的水文变化，分析生态与水文关系。如研究生态建设前后的资料，进行对比分析。一般采用趋势法和相关分析法两种方法。
（3）中、大流域的时段对比法 这种方法是根据有较长期记载的中、大流域控制站，按各流域内下垫面情况有显著改变的各个不同历史时期来研究人类活动对于水环境的影响。这种方法的优点是控制面积大，可以直接得出人类活动对于中、大流域所起的综合影响。但它受到历史资料的限制，并且难以排除气候变化对水环境的影响。
以上这几种方法归纳起来可以分为两类：一类是小面积的典型试验研究，一类是大面积的对天然流域的分析研究。由于流域内各部分的自然地理条件各不相同，而影响水环境的因素又复杂多样，因此在计算一个大流域的人类活动对于水环境的影响时，不能机械的将小面积上所得的资料应用到大流域上。因此在不同尺度研究成果的互相借鉴应用中，应运用地理学区域性原则分析，它促进了区域生态水文的研究。2.2 流域水文模型法对某一水文事件或水文要素的模拟研究已具有近百年的历史，但真正最早的流域水文数学模拟模型应是1960年开发的Stanford模型，因此，流域水文模拟是近半个世纪以来发展起来的一种借助计算机的新技术。水文模拟是通过把一些经验规律加以物理解释，用简化的数学公式表达出来，再把各个水文过程综合起来，形成全流域水量平衡计算系统，即模型。然后，通过计算机来实现水文过程的模拟输出。由于这种技术在解决水文复杂问题和进行水文规律研究上都具有重要作用，因此其发展迅速。水文数学模型可简单的分为物理或确定性模型（集总式和分布式模型）和统计模型（经验模型、单位线法、随机模型等）两大类。考虑了水文要素及其影响因素空间分布差异的分布式模型以及水文过程与生物过程耦合作用的物理模型，具有较强的物理基础，外延和预测精度高，通过参数改变可以反映人类活动如水土保持影响后的水环境变化，代表了水文数学模型目前的发展方向。在水土保持的水文环境效应研究中，通过改变模型中反映下垫面条件变化的参数，模拟相似降水条件下水土流失治理前后或分析不同治理情况下水文要素的变化。2.3 水量平衡法水量平衡法的基本原理是利用水量平衡方程，分析各要素受水土流失治理影响后的差异及其变化。多年平均情况下的流域水量平衡方程为：
R=P-E （1）
式中：R是径流；P是降水；E是蒸发。受水土流失治理影响后的降水P'、径流R'和流域蒸发E'仍然满足方程（1），即：
R'= P'- E' （2）
根据研究流域水土保持的性质与主要变量，对（2）式中受影响很小的要素忽略其变化量。该法概念清晰，可逐项评价水土保持对水环境的影响，但该法所需资料多，工作量大。
书目
第一章 绪论
第一节 黄土高原水土保持生态建设的历史回顾
1. 我国古代的水土保持综合治理
2. 水土保持与农业和生态环境建设的关系
3. 黄土高原水土保持综合治理方略和方法体系
第二节 水文循环及其人类活动的影响
1. 水循环与水量平衡的自然规律
2. 人类活动对水文系统的影响
第三节 生态水文学及其研究内容和方法
1. 生态水文学及其研究内容
2. 生态水文学研究方法
第四节 生态水文研究进展与有待加强的方面
1. 水文的生态学方面研究进展
2. 有待加强的研究
第二章 黄土高原生态水文基础
第一节 黄土高原自然地理
1. 地理位置与地貌
2. 气候
3. 植被
第二节 黄土高原水文水资源
1. 水系
2. 水资源分布特征
3. 河流水质
4. 地下水资源
第三章 水土保持措施对水向土中入渗的影响
第一节 水向土中入渗的测试方法
1. 有压入渗测试方法
2. 无压入渗测试方法
第二节 土壤入渗过程的数学描述
第三节 影响土壤入渗速率的因素
1. 土壤因素
2. 植被因素
3. 土地利用
4. 地面坡度
5. 雨滴粒径
第四节 水土保持措施对强化降水入渗的影响
1. 耕作措施
2. 坡面工程措施
3. 植被措施
第五节 小流域土壤入渗速率的空间变异规律
1. 水平变化规律
2. 垂直变化规律
第四章 区域土壤水资源格局与水土保持措施的影响
第一节 黄土高原土壤水分的基本空间分布格局
1.水平地带性
2.垂直地带性
3.方位带状分布
第二节 水土保持措施对土壤水分的影响
1. 坡面水土保持措施
2. 植被措施
第五章 旱作农田水量平衡与作物高产的水分环境效应
第一节 旱作农田水分生态与作物水分生产力
1. 旱作农田水分循环与水量平衡
2. 旱作农田作物的产量与水分关系
第二节 旱作农田高生产力对土壤水分循环的影响
1. 作物水分利用层深度
2. 降水入渗补给深度
第三节 旱地作物高生产力的水分环境效应与管理
1. 旱作作物高生产力的水分环境效应
2. 旱作农田水分管理与生物节水技术
第六章 综合治理对小流域水文行为影响的比较分析
第一节 研究流域概况
第二节 水土保持对小流域径流量时间过程的影响
1. 小流域径流量年际变化
2. 小流域径流量季节分配
3. 小流域典型洪水过程
4. 水土保持的蓄水作用分析
第三节 水土保持对小流域次降水—径流关系的影响
1. 小流域产流临界降雨量 
2. 小流域次降水量与径流量关系 
3. 小流域径流量与次平均降水强度关系 
4. 小流域径流量与最大时段雨强关系 
5. 小流域降水历时与径流关系 
第四节 水土保持对小流域径流过程及产流模式的影响
1. 小流域径流过程 
2. 不同雨型的降水产流过程
3. 小流域产流模式变化
第七章 水土保持对小流域水量平衡影响的模拟研究
第一节 小流域降雨入渗与产流产沙的模拟研究
1. 土壤入渗速率点面转化
2. 不同土地利用方式影响坡地降雨产流历时的因子研究
3. 不同治理度小流域产流产沙正态整体模型的模拟试验
第二节 综合治理对流域水量平衡影响的模拟研究
1. 小流域自然概况与研究方法
2. 模拟模型介绍
3. 模型参数确定
4. 结果与讨论
第八章 区域水土保持对中大流域径流量及其组分的影响
第一节 区域水土保持现状与特点
1. 黄河流域的水土保持格局
2. 黄土高原水土流失区水土保持
第二节水土保持措施的水文效应研究方法
1. 水土保持的水文效应机理
2. 区域水土保持的水文效应评价方法
第三节 水土保持措施对不同支流径流量的影响
1. 对径流量的作用时期和方向
2. 对不同支流年径流量的影响
3. 对洪水和枯水径流量的影响
第四节 流域水利水保工程对暴雨洪水的影响—以佳芦河为例
1. 研究方法与流域概况
2. 水利水保措施对洪水特征的效应
第 九章 区域水土保持与黄河径流量的关系
第一节 水资源短缺与黄河断流加剧
1. 水土流失与水资源短缺问题
2. 黄河断流情势加剧
3. 黄河断流原因
第二节 水土保持与黄河径流量的关系
1. 黄河干流径流量的沿程分布
2. 黄河天然径流量的时间变化特征
3. 水土保持与黄河径流量
4. 黄河干流下游高河床渗漏量分析
5. 黄河输沙与黄河水资源开发利用
第三节 水土保持与区域可持续发展
1. 地表水资源合理配置
2. 水土保持促进区域社会经济和自然的协调发展
第十章 黄土高原雨水资源化与雨水集流工程
第一节黄土高原雨水资源化潜力分析
1. 雨水资源的特征与雨水集流
2. 雨水资源化及其技术体系
3. 雨水资源化潜力分析—以陕西部分为例
第二节黄土高原雨水汇集工程技术探讨
1．集流面发展动态及其集流率
2．水窖建设的工程规划探讨
3．雨水集流工程中存在的主要问题与对策