項目名稱： 流域水循環(huán)機理與水資源演化規(guī)律

推薦單位： 湖北省

項目簡介： 本項目屬于地球科學與水利工程基礎科學交叉的水文水資源研究方向，是現(xiàn)代水文學研究的核心和流域防洪預報、水安全研究的重點。經(jīng)歷了上世紀70年代以來的水文線性系統(tǒng)理論、流域水文模型、流域水循環(huán)分布模擬和水資源調(diào)控的學說。主要內(nèi)容有：流域水循環(huán)系統(tǒng)理論與動力學機制，水資源演化規(guī)律與調(diào)控機理。該申報內(nèi)容是研究群體20多年來，針對流域水循環(huán)和國家"973"項目黃河水資源演化與可再生性維持機理的理論研究成果。其科學價值：（1）針對流域降雨徑流過程的系統(tǒng)關系，提出了水文非線性系統(tǒng)識別理論，建立了降雨徑流時變增益、季節(jié)信息耦合的非線性系統(tǒng)模型，發(fā)展了基于貝葉斯方法和自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)新的實時洪水預報系統(tǒng)，形成一套流域降雨徑流非線性理論體系，對系統(tǒng)水文學的非線性學說發(fā)展做出了重要貢獻。（2）針對"土壤-植物-大氣（SPAC系統(tǒng)）"的界面過程的水循環(huán)難題，提出了SPAC界面水分與能量交換的動力學機制與"五水"轉(zhuǎn)化關系，發(fā)現(xiàn)植物水分利用的生理生態(tài)學機理，光合作用、蒸騰作用和氣孔導度的耦合機制，在水循環(huán)的生態(tài)學機理的理論研究方面做出了重要貢獻。（3）針對矚目的黃河斷流、人類活動和氣候變化影響下的水資源可再生性維持機理，系統(tǒng)開展了變化環(huán)境下流域水循環(huán)綜合研究，發(fā)現(xiàn)了黃河水資源演化若干規(guī)律，破解黃河源區(qū)"水塔"之迷，揭示了黃河流域水循環(huán)與氣候變化的關系，區(qū)分黃河流域上、中、下游的水資源減少和變化的氣候變化和人類活動影響的貢獻。出版專著10部，發(fā)表SCI收錄論文107篇， EI和ISTP收錄論文190篇，SCI他引243次，10篇代表論文SCI他引86次，CSCD論文421篇，CSCD引用2314次。研究成果已經(jīng)在我國60多個流域和水庫中推廣應用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。完成人任國際水文科學協(xié)會（IAHS）副主席、國際水資源協(xié)會（IWRA）副主席，曾獲湖北省自然科學一等獎、教育部一等獎2項。

主要發(fā)現(xiàn)點： 流域降雨徑流關系是陸地水循環(huán)最重要的部分，下墊面植被水文生態(tài)過程是揭示水循環(huán)機制的核心。研究群體以理解我國半濕潤半干旱地區(qū)流域水循環(huán)機理和水資源演化規(guī)律為主線，利用大量流域水文觀測資料與實驗，在流域水循環(huán)的系統(tǒng)理論、SPAC界面過程及生態(tài)調(diào)控機理方面有新的突破，在認識黃河流域水資源可再生維持機理與演化規(guī)律方面，取得了重要進展。核心發(fā)現(xiàn)點：(1) 流域水循環(huán)降雨徑流過程的系統(tǒng)理論與非線性 1.1. 發(fā)現(xiàn)了半濕潤半干旱地區(qū)流域水文過程關鍵產(chǎn)流因子（系統(tǒng)增益）與流域關鍵的狀態(tài)變量（土壤濕度）之間的聯(lián)系，找到了一種能夠模擬復雜非線性過程的簡單的系統(tǒng)關系，揭示了降雨徑流"時變增益"的非線性機制，暴雨動力學因子和不同下墊面變化的降雨徑流非線性關系（代表作2、其他重要論著1-5）。1.2 提出了水文非線性系統(tǒng)識別理論，建立了水文時變增益非線性系統(tǒng)模型，發(fā)展了耦合流域氣候季節(jié)變化的非線性擾動模型，建立了基于貝葉斯方法和自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)的實時洪水預報系統(tǒng)，在全國60多座水庫和流域的洪水預報、水庫調(diào)度運用中，取得了巨大的經(jīng)濟效益與社會效益（代表作1、9，其他重要論著7-23和附件4-1 ）。1.3 系統(tǒng)總結水文過程非線性分析原理、理論、模型和方法，出版專著，建立了水文非線性系統(tǒng)理論方法的體系（見代表作1、2和其他重要論著6）。(2) 流域垂向水循環(huán)"土壤-植被-大氣"（SPAC）界面過程機制2.1發(fā)現(xiàn)了SPAC系統(tǒng)界面過程水分與能量的交換機制，提出了農(nóng)田作物蒸發(fā)與蒸騰的過程變化機理、"降水-地表水-土壤水-地下水"與植物水的五水轉(zhuǎn)化關系，揭示了水循環(huán)生態(tài)調(diào)控機理，為農(nóng)業(yè)節(jié)水提供重要的理論依據(jù)（代表作3-5、其他重要論著30-35）。2.2 發(fā)現(xiàn)了SPAC系統(tǒng)植物水分利用的生理生態(tài)學機理，建立了水循環(huán)光合作用、蒸騰作用和氣孔導度的耦合模型；提出了水汽通量與土壤和植物的水力傳導機理，解決了氣孔導度模型由葉片尺度向冠層尺度擴展的科學難題，在水循環(huán)生態(tài)過程機制方面做出了重要貢獻（代表作6-7、其他重要論著36-44）。(3)流域水資源可再生維持機理與演化規(guī)律3.1以半濕潤半干旱地區(qū)流域為對象，研發(fā)了流域分布式時變增益水循環(huán)模型，揭示了流域水循環(huán)與覆被變化、水保工程建設及水庫調(diào)蓄之間的聯(lián)系；提出了大尺度流域的半分布式月水量平衡模型，解決了氣候情景的時空尺度與所用到的流域水文模型的時空尺度匹配和水文模型參數(shù)在無資料地區(qū)的確定兩個難題，為評估氣候變化對水文水資源的影響提供了新途徑(代表作8、10和其他重要論著45-55)。3.2. 創(chuàng)建了多尺度耦合的黃河流域分布式水文模擬系統(tǒng)（HIMS），發(fā)現(xiàn)了黃河水資源演化若干規(guī)律：破解了黃河

源區(qū)"水塔"之迷，揭示了黃河流域水循環(huán)與氣候變化的關系，區(qū)分了黃河水資源減少和變化的氣候變化與人類活動影響的貢獻(代表作5和其他重要論著65、56-64)。 

主要完成人： 夏軍

領導和系統(tǒng)開展了流域降雨徑流過程系統(tǒng)理論與非線性研究，提出了水文非線性系統(tǒng)識別理論，建立了降雨徑流時變增益水文非線性系統(tǒng)模型，形成一套流域降雨徑流非線性系統(tǒng)理論體系，自主研發(fā)的流域分布式時變增益水循環(huán)模型，揭示了我國半濕潤半干旱地區(qū)流域水循環(huán)與覆被變化、水保工程建設及水庫調(diào)蓄之間的聯(lián)系。對申報書中發(fā)現(xiàn)點1和3.1有創(chuàng)造性貢獻。本人在該項研究中的工作量占本人工作量的65％。

劉昌明

領導了黃河流域水資源可再生維持機理與演化規(guī)律的研究，提出了SPAC各界面上水分與能量的交換機制、耦合SPAC系統(tǒng)的"降水-植物水-地表水-土壤水-地下水"的"五水"轉(zhuǎn)化關系，破解了黃河源區(qū)"水塔"之迷，揭示了黃河流域水循環(huán)與氣候變化的關系。對申報書中發(fā)現(xiàn)點2.1和3有創(chuàng)造性貢獻。本人在該項研究中的工作量占本人工作量的55％。

郭生練

提出了應用與大尺度流域的半分布式月水量平衡模型，解決了氣候情景的時間和空間尺度與所用到的流域水文模型的時間和空間尺度匹配，以及水文模型參數(shù)在無資料地區(qū)的確定兩個難題，應用到黃河流域水資源演化的研究，評估氣候變化對水資源的影響，提供了未來黃河水資源演化評估的新的途徑。設計和建立了水庫洪水預報調(diào)度系統(tǒng)，經(jīng)過近10年的穩(wěn)定運行，在防汛和電力生產(chǎn)等方面已經(jīng)取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

對申報書中發(fā)現(xiàn)點1.2和3.1有創(chuàng)造性貢獻。本人在該項研究中的工作量占本人工作量的55％。

熊立華

提出了非線性擾動水文模型（NLPM-ANN）；建立了三層耦合流域水文模型，建立了基于貝葉斯方法和自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS）的實時洪水預報系統(tǒng)。對申報書中發(fā)現(xiàn)點1.2和3.1有創(chuàng)造性貢獻。本人在該項研究中的工作量占本人工作量的50％。

于強

推進了控制植物－大氣間水分交換的氣孔導度的機理模型。提出土壤－植物－大氣系統(tǒng)水循環(huán)與光合作用和氣孔導度耦合的機理模型。提出了水汽通量與土壤和植物的水力傳導的機理，解決了氣孔導度模型由葉片尺度向冠層尺度、由瞬時向日平均尺度擴展的科學難題，成果在估算植物生產(chǎn)力、水分利用效率、植物－大氣間水、熱和CO2通量等方面做出了重要貢獻。

對申報書中發(fā)現(xiàn)點2.2有創(chuàng)造性貢獻。本人在該項研究中的工作量占本人工作量的60％。