生态水文学笔记

生态水文学笔记

目录

第一天...........................................................................1

第二天...........................................................................9

第三天..........................................................................16

第四天..........................................................................23

第五天..........................................................................25

第六天..........................................................................28

第七天..........................................................................30

第八天..........................................................................33

复习............................................................................37

第一天

Physical自然规律的ecological生态的practical实践的

Whatisecohydrology?大气、地表、土壤和岩石土壤圈

中水的活动，能量如何驱动水

文。这里涉及的原则是环境科

学领用中都需要使用的

physical

/\--

ECOHYDROLOGY

//VT\\7\'

ecologicalpractical

o------+---6-----------o

物理上的水文学

解决如何量化各

和自然生态系统

种水资源的问题

的相互作用0-----------O-----------0

水文学Hydrology：水在环境中的运动和状态。

蒸发ET=Et+Es+Ei

Interceptionloss林冠截留损失transpiration蒸腾作用soil&litterevaporation土壤和枯枝落叶

蒸发Throughfall穿透降雨storage贮存streamflow径流stemflow树干流watertable地下

水位impervious不透水层

o

TheEcohydrologicalSystem

帮助理解为什么会出现生态水文学且这个交叉学科为什么重要

▲

Whatwillyoulearn?

Source:USGSNAWQAProgram

人类活动对流域的影响：管

理降低风险，农业活动对流

域的不良影响等等

HurricaneMatthewandtheLumbeeRiverWatershed

还没算进气候变化呢，人类的需求就会随着时间推移逐渐超

过现在区域能提供的总水量。

所以水资源危机不论发达还是发展中还是落后国家都一样严

峻

(

9Q

)W

P

U

D

E

3

Q

3E

S-

SA

2-

10

A

-

o

a

8

6

E

3

A

V

1.流域

-流域Watershed-通过景观上的一个点排水的土地区域。与集水区或盆地同义，尽管有时这

些术语意味着一定的规模。接收、修正、储存和分配降水的单位面积

•分水岭Divide——流域的边界。分水岭通常是不同的山脊，但它们不一定非得如此。

WatershedBasics

Watershed—anareaoflanddrainingthroughasingle

pointonthelandscape.Synonymouswithcatchmentor

basin,althoughsometimesthesetermsimplycertainscales.

aunitareaoflandthatreceives,

modifies,stores,anddistributesprecipitation

*Divide-theboundaryseparatingwatersheds.Watershed

dividesareoftendistinctridges,buttheydon'thavetobe.

流域的工作原理:收集降水、通过植被进行降雨再分配、存储

降水

流域是有边界的，有的很明显，有的可能不那么明显

Poo夕andFluxes-KeystotheWaterBalance

计口B以麻地为基准

书齐呷由二离开的flux：蒸散

，水川，河加寺进入的flux：降雨

汇集、相对静止相对动态，在不同的系统间运动

2.水量平衡WaterBalance：降雨量P二径流量Rs+蒸发量ET

通量Fluxes二单位时间的数量（例如，cm/年）

水平衡方程的组成部分也可以重新排列/用于描述水平衡和流域的不同属性

径流比RunoffRati。（RR）=R/P,径流比是降水、蒸散、坡度、土壤特性和土地利用/土地覆

盖之间相互作用的函数。成为径流的降水百分比（或分数）

TheWaterBalance

Streamflow（Rs）=Precipitation（尸）-Evapotranspiration（ET）

RuMff依。）简单但超级厉害的一个模型

可以用来评估气候变化的影响、评

WaterYield（Q）估水资源（河川径流）情况、评估蒸

散（ET）的作用

Fluxes=amountperunittime(e.g.,cmperyear)

HowdowemeasureRs?

HowdowemeasureP?

HowdowemeasureET?

Componentsofthewaterbalanceequationcanalsobe

rearranged/usedtodescribedifferentattributesofthewaterbalance

andwatershed:

RunoffRatio(RR)=Rs/P

i.e.,thepercentage(orfraction)ofprecipitationthatbecomesrunoff

Runoffratioisafunctionoftheinteractionsamongprecipitation,

evapotranspiration,slope,soilcharacteristics,andlanduse/land

cover.

where/whenwouldweexpectRRtobehigh?

where/whenwouldbeexpectRRtobelow?

Rs尽可能大:没植被、不下渗这个比例值就接近1

Rs小:降雨全部蒸发，如小降雨或在沙漠里，这个比

例值就接近0

所以这个比例能够反映流域里的物理和生物特点

CatchmentUnits:

E

-

N

-

8

两者可作流

换

域面积进彳

5001000150020002600

W-E(m)

unoffUnits:

mm

yr

库和通量（水平衡的关键）

质量输入-质量输出=质量随时间的变化

容量输入-容量输出=容量随时间变化

•通量Fluxes：单位时间内“某物”（质量、体积、能量）的运动。

•包括降水、渗透、排放、蒸发、蒸腾等。

•水文通量:体积/时间（ft3s-l或“cfs”）或长度（或深度）/时间（mmyr-1,cmday-1）

通用水量平衡方程GeneralWaterBalance:

dV

=%+"（/）+阳/⑺一G°"）-ETQ

o.

3.滞留时间ResidenceTime

•物质分子（水、气体、污染物）在移动到另一个储层（池）之前在储层（池）中的平均时

间。

•替换储层（池）中物质分子总数所需的时间。

•水质和污染问题考虑的重要变量。

•由水库或流量大小决定：TR=V/Q

TR与V成比例，TR与"Q成比例

•大池和/或小通量增加停留时间。

4.AnApplicationtoWatershedHydrology

•作为地球化学示踪剂的比电导：

河岸缓冲：

•山坡流入溪流，但在经过河岸带之前不能。

•河岸带的大小相对于山坡的大小影响河岸水的周转时间。

•河岸：山坡比率对河岸缓冲的影响

5.关键区域是地球的外皮

•岩石与生命相遇的区域。

•从树顶到地下水底部的渗透层。

•岩石、土壤、水、空气和生物相互作用并塑造地球表面的环境。

水和大气中的气体通过多孔的临界区，生物系统在其表面和地下环境中茁壮成长，这些环境

随着时间的推移受到生物群、地质和气候的影响。

所有这些活动都将岩石和生物量转化为关键地带的中心成分一一土壤;它也创造了地球上最

异质和复杂的地区之一。

TheCriticalZoneisEarth'souterskin

•ThezonewhererodemeetsItfe.

•Apermeablelayerfromthetopsofthetreestothebottomofthe

groundwater

•Anenvironmentwhererock,soil,water;air;andlivingorganisms

interactandshapetheEarth'ssurface.

WaterandatmosphericgasesmovethroughtheporousCriticalZone,andlivingsystemsthriveinitssurfaceand

subsurfaceenvironments,shapedovertimebybiota,geology,anddimate.

AllthisactivitytransformsrockandbiomassintothecentralcomponentoftheCriticalZone-soil;Italsocreatesone

ofthemostheterogenousandcomplexregionsonEarth.

总结

流域Watershed:不同大小

边界、工作原理（收集降水、通过植被进行降雨再分配、存储降水）

水量平衡Waterbalance

全球范围：相对稳定巷意：对任意的pool来说

(1)水文循环(watercycle)------PoolsandFluxes—►

局地范围：变化明显短时间内dv/dt都不会是。

TheWatofBalance

★)

（2）Xa.5E.ifcStrvMT«M»(Al)•PrwfaUkon</»-E««pa»antpfatiantFO

“w)<6结木施IT时川修改)・*、漕估a

⑶RunoffRatio（8R）=Rs/P口即能大及“不下浮这个比《修就接近1

'1/Rs小妹全嘉司发址小ME在海里说个比

Mttto

所以it个比例能，反陕置城里的锄理和生■得点

(4)滞留时间(Residencetime):specificconductanceofstreamwater

河岸带要够宽，有效改善水质

第二天

1.局地降水LocalPrecipitation受大气环流和其他因素的影响:

地形

空气温度

锋面运动

距离湿气源程度

降水还需要云凝结核（CCN）的存在：

♦颗粒＞10-4mm

•自然来源

・人为来源

CCN的自然来源：

•流星尘埃

•地面灰尘

•火山物质

•烟雾

•海盐

•陆地上的浓度为300cm-3,海洋上的浓度为100cm-3

CCN的人为来源：

•燃烧

•农业

•云播种

•局部浓度3000-30000cm-3

2.蒸发能EnergyofEvapotranspiration

•蒸发能（Rn）

•Av蒸发潜热（~2.450e6Jkg-1）

,P（波文比BowenRatio）：B=H/LE

波文比：表面（叶子、湖泊、土壤）不能保持净辐射，因为它没有体积。净辐射产生的能量

必须转移出去。CanbeusedtoestimateET

Rn=H+LE,显热=H,蒸发潜热=1_£,B（BR）=H/LE

P（BR）=（Ts-Ta）/（Es-Ea）

3.测量降水量

标准雨量计StandardRainGauge：精确测量总降水量

翻斗或称重TippingBucketorWeighing：测量总降水量不太准确，但提供时间和强度

标准雨量计：

•测量棒

•溢流罐收集器

•漏斗

・测量管

4.蒸散Evapotranspiration

潜在蒸散量

PET是指在有足够的水分（来自降水和土壤湿度）的情况下，蒸发排放的需水量或最大需水

量。由能量（Rn）和蒸汽压梯度（VPD）驱动。VPD=esat-eair温度越高，空气中所持水汽越

多

实际蒸散量（AET或ET）在给定水分限制和其他生物物理限制的情况下实际发生。

由于水量或供水限制，AET总是低于PET

PE是指如果有足够的水（来自降水和土壤水分），蒸发所需的水量或最大量。

•潜在蒸散量

-如果地表有无限的水分用于植被和土壤蒸发，将产生的蒸散量.

•实际蒸散量

-水分限制和其他生物物理限制条件下实际发生的蒸散。

实际蒸散量

-水分限制和其他生物物理限制条件下实际发生的蒸散。

-当水或运输水的能力是一个限制因素时，小于PET。

-包括：

•土壤蒸发

•截留

•蒸腾作用

5.森林蒸散

ForestET=Et+Es+Ei

transpiration+soilevaporation+interceptionevaporation蒸腾作用+土壤蒸发+截留蒸发

所有三个组成部分都是能量、蒸汽压梯度和冠层特征的函数，如叶面积、茎面积、凋落物或

森林地面

森林叶面积通常以叶面积指数LAI为特征

单位面积（m2）的树叶面积（m2）

6.辐射Radiation

-蒸发蒸腾的关键能量项

■起源于太阳（即短波）能量，但转换的陆地（即长波）能量也很重要。

电磁频谱ElectromagneticSpectrum

光谱的可见部分从400纳米（紫色）延伸到700纳米（红色）。

1000nm=1um

入射太阳辐射峰值约480nm（对应于6000K的温度。）

发射的地面辐射峰值约为10口m（对应于289K的温度。）

入射太阳辐射=342Wm-2（长期平均值）

ReflectedsolmrIncoiringsolariOutgoinglongirave.

radiationJradiationirsdiaion235

107叫m<342235Wm4

Reflectedby

theturface

30,

Absofbedby皿彳丁区Evapo・

-c"3丁3

7.辐射平衡RadiationBalance

•对于地球表面的任何一点，太阳和地面辐射的输入和输出都会产生能量的净盈余或赤字:

RNet=RSol-ln+RTerra-ln-RSol-Out-RTerra-Out

■RNet净辐射NetRadiation是地球表面某一点的可用能量。

能量平衡EnergyBalance

•在地表，净辐射转化为能量通量energyfluxes：

•土壤热通量，G（土壤直接加热）

•显热通量，H（大气对流加热）

・潜热通量，LE（用于蒸发水的能量）

•储存变化，AS（热含量变化）

•通量结合起来形成能量平衡方程energybalanceequation：

RNet=H+LE+G+AS

EnergyFluxesForForests

SoilHeatFlux

能量平衡的组成部分

波文比B=H/L

有助于估算蒸散量

EB=(Rn-G-M)/(l+B)LE但是，你需要在高大的森林里建一座高塔来测量

8.叶面和树冠leaflevel&canopy

截留Interception

•通过植被捕获降水并随后蒸发回大气。

•截留率取决于植被冠层结构、降水特征和前期条件(如上次降水后的时间)。

针叶叶子多，拦截的多；

蒸腾作用Transpiration

•水分从植物组织通过称为气孔的微孔蒸发到大气中

•气孔作为植物失水(和碳增加)的调节器，在生物和非生物刺激下扩张和收缩。开放性气

孔、闭合性气孔

蒸腾作用由气孔调节和大气对水分的需求共同控制：

-气孔调节是通过气孔导度(gs)来量化的，气孔导度是指水蒸气从叶片内部流向大气的能

力。

-大气对水分的需求通过大气水汽压差(VPD)进行量化。

VPD=saturatedvaporpressure饱和水汽压(es)-actualvaporpressure实际水汽压(ea)

actualvaporpressure(vp)=RHxesat

•气孔是叶片吸收C02和损失H20的共同途径。

•保卫细胞通过复杂的反馈机制控制气孔开度或导度，最大限度地吸收二氧化碳，同时最大

限度地减少H20损失。

气孔导度Stomataiconductance

通过气孔的水蒸气传输速率的测量mmolH20m-2s-1

•随环境驱动变量变化

•因物种而异

CombiningStomataiConductanceandVPDtoComputeTranspiration:

/(Light,Temperature,Humidity,C02,SoilMoisture,species)

Additionalfactors:netradiation(i.e.availableenergy),windspeed,leaf

vs.airtemperature

一片叶子在25摄氏度时的蒸气压为3.167千帕（见我们的公式蒸气压图）。

如果空气温度也在25℃,但相对湿度仅为50%,则空气的蒸气压（VP）将为:

E是蒸腾速率，单位为mmolH2。m-2s-l

VPD是蒸汽压差，单位为KPa

BP是大气压，单位为KPa（海平面101.3）

gsw是对水汽的电导，通常是总电导或气孔导度

17.37

VP=0.50*3.167=1.58es=0.611exp

7+237.3

VPD=VPleaf-VPair=3.1674=1.584Kpa

§

E=[VPD/BP]*gsw

where:

-1

EisthetranspirationmolH2Om"s

VPDisthevaporpressureinKPa

BPisthebarometricpressureinKPa(101.3at

sealevel)

gswistheconductancetowatervapor,usuallythe

totalorstomataiconductance

Given....

AirTemperatureis20℃

LeafTemperatureis16°C(lowerthanairtemperature

becauseofevaporati^cooIing)

BP=101.3%

§

RelativeHumidityis60%

Conductance(gs)is400mmolH

What'sthetranspirationrate?

VPDisVP-VP...whichis1.818-1.403=0.415Kpa

IlCAalfaIK,

21

E=(0.415*400)/101.3=1.64mmolH20ms

大叶模型

Penman-MonteithEquation

EnergyfluxrateVohunefluxnte

.^(Rn-G)+pacp(6e)ga^(Rn-G)+paCp(6e)ga

△+7(1+%/g.)(A+7(l+Pa/ft))Lv

儿=Latentheatofyaporization.energyrequiredperunitmassofwatervaporized.(Jg-1)

Lv=Volumetriclatentheat^fv^o[lzation.Energyrequiredperwatervolumevaporized.(Lv

=2453MJm-3)QA

E-MasswaterevapotranspirationrarX^1m-2)

ETQ-watervolumeevapotransplred(mhr^y

△二Rateofchangeofsaturationspecifichumiditywit^airtemperature.(PaK-1)

2

Pn-Netirradiance(Wm-),theexternalsourceo0?^yflux

G二Groundheatflux(Wm-2),usuallydifflciilttomea^frei

二-11

cpSpecificheatcapacityofair(JkgK-)C\

二-3

padryairdensi^f(kgm)2

6e二vaporpressuredeficitorspecifichumidity(Pa)'

g二Conductivityofair.atmosphericconductance(ms-1)

aWhatdoyoudowhen

g二Conductivityofstoma,surfaceconductance(ms-1)

syouhaveacomplexforest

y-Psychrometricconstant(y-66PaK-1)withmultiplespecies?

总结

Day2（1）是什么口）怎么测/怎么算

"TopDown"

Ro-P-CT

ET=K&

Streamflow(RJRunoff

蒸散作）

潜在蒸散Penman-MonteithEquation

实际蒸散土壤蒸发，

VPD辐射平衡

截留蒸发

辐射Radiationbalance

蒸腾能量平衡

Energybalance

・波文比BowenRatio

第三天

1.测量流量

许多用于测量河流流量的方法都基于物理水文学：

河流剖面、深度和流量曲线

堰weirs

方程

ThreeImportantEquations

p—pgdHydrostaticEquation

Q=UAContinuityEquation

BernoulliEquation

(flowintermsofpressure“energy")

2.明渠Open-Channel水文学

•流体静力学Hydrostatics

•流体动力学FluidDynamics

流体静力学：研究静止流体的性质和力平衡。

流体动力学：研究控制流体运动的过程(力)。

环境中流体运动的主要来源：•重力•辐射

环境流体：•空气•水•熔岩/岩浆•地幔•冰川，同样的物理原理适用于所有这些流体。

SomeImportantPrinciples

牛顿第二定律NewtonsSecondLaw

Fg+Fp=massxacceleration质量*加速度

Fg=forceduetogravity重力引起的力,Fp=forceduetopressure压力引起的力

质能守恒Conservationofmass/energy

Mass(orvolume)

连续性方程aContinuityEquationwQ(L/m3)=U(平均流速,单位L/m)*A(m2)=常数

energy(pressure)

P+l/2rv2+rgy=常数(H)

压力能(大气)Pressureenergy(atmospshere)+动能(运动)kinematicenergy(movement)+

势自占(重力potentialenergy(gravity)=H

2.流体静力学Hydrostatics

应力Stress：单位面积的力

•垂直于（法向）区域的力：压力Pressure

♦与区域平行（切向）的力：剪应力ShearStress

“静力学”意味着静止流体的物理性质

粘度Viscosity（u）：描述流体在外力作用下运动阻力的物理性质。

粘度单位：帕斯卡*秒，注：高度依赖于温度

Viscosityofair~1.8x10-5Pa*s

Viscosityofwater~1x10-3Pa*s

Viscosityofmotoroil~250x10-3Pa*s

Viscosityoflowermantle~1000Pa*s

Viscosityofglacialice1x1013Pa*s

Viscosityofasthenosphere~1020Pa*s

Viscosity=resistancetoflow二流动阻力

P密度Density（也与温度有关）

Densityofair~1kg/m3

Densityofice~917kg/m3

Densityofwater~1000kg/m3

Densityofquartz~2650kg/m3

Densityofmercury（Hg）~13,500km/m3r

静水压方程TheHydrostaticEquation：p=pgd

静止流体：压力随深度线性增加；各方力量均衡。

3.流体动力学

修改移动流体的静水压平衡：

考虑水通过一段管道：Forcebalance：Fgs+FP=maK0

Forcebalance:Fgs+Fp=ma#0

伯努利方程BernoulliEquation

假设：1.无摩擦2.不可压缩均质流体3.稳流

动能+位能（重力势能）+压力势能二常数

BernoulliEquation

《+z+j

2gPg

H=常数=能量=总水头

u=S方向的速度

z=深度或高度

U2反映了速度水头，它是系统动能的表达式。

z反映了位置水头，它是系统势能的一种表述。

P压力水头，它反映了系统中的分子能量。

使我们可以用伯努利方程测量径流streamflow

流线Streamlines：可视化流程的概念框架，流线与水流平行

连续性方程ContinuityEquation

Q=UA=constant,Q1=Q2,U1A1=U2A2

QI>--------------Q2

沿流线的速度增加（减少）伴随着压力和/或高程的净减少（增加）。

利用这个方程在任一个断面监测流量（Discharge）

质量守恒只是说你不能创造或破坏质量。例如，在一条河流中，这意味着如果有那么多吨水

进入一条河段的起点，那么同样数量的吨水离开该河段。

4.摩擦Friction

TheRealityofPipeFlow

“无滑移”边界条件意味着水“粘附”在管壁上，并且在中心有一个最大流速。

结果是能量在X方向的耗散（即摩擦），摩擦导致X方向的水头损失。

摩擦力的影响需要对伯努利方程进行修正，以考虑水头损失：

1_=管道长度

。=管道直径

£=摩擦系数

5.层流Laminar与湍流TurbulentFlow

雷诺数ReynoldsNumber

P=水的密度

匹流速

。=管道直径

口=水的粘度

InertialForces(velocity)

R=

*ViscousForces(friction)

6.RH=HydraulicRadius水力半径,RH是横截面积与湿周的比值,RH=A/Pw

湿周Pw=w+2d,其中d为平均深度，w为河流宽度

7.水流不是管道，它们是明渠，所以当伯努利方程告诉我们一些关于水流的事情时，我们

需要修改以使物理过程适用

改装版伯努利方程：E是相对于河床高程和流速的能量，比能量SpecificEnergy：E=H-zb

2

U1

-----卜h=E1r

能量现在定义为流速和总水深。

lf:Q=uA=uhw

Thendefineanothernewg二0/VI?=uh=specificdischarge

term*:

Substitutingforugives:

流量Discharge=Q=u*A=uhw,单宽流量qwHBJ流总流量/宽度=流量*深度

如果流动是稳定的，qw随时间变化是恒定的（稳定流动的定义）。现在方程只有两个未知

项，h（水深）和E（比能量）。

8.堰Weirs

如果我们有一个足够大的“驼峰”，流经“驼峰”的水流是至关重要的（F=l）,我们可以

从驼峰上游的水位估算驼峰上方的水位

这就是堰的工作原理；设计用于在具有已知和固定尺寸（w）的明确“驼峰”和测量hweir

的仪器的“通道”中产生临界流，临界流量CriticalFlow可用于测量流量：

被称为“宽顶堰broad-crestedweir”

当流量达到临界值时ho=2/3*hweir

由于hO和U0之间的独特关系，我们可以直接计算堰后h（stage）排放量hweir：

(2Y2s、叼

UQ=[-gh^irJQ=UA0=丽”

9.天然河道流量DischargeinNaturalChannels

计算有DirectMethods,IndirectMethods

直接法1：分段法Subsections、定额曲线RatingCurve、直接测量

定额曲线

DirectMethod1:SubsectionsRatingCurve

Cwrent-nwttr帆:Mrgttne«»ur«mems«r«made

bydtttfiMninQth«dMcMryetnsubwcuonotacbannel

cnmsectionandsummingthatubMctrandtschargeitoobtain

•toutdtsclurgt.

这个不能一直用，得修正

直接法2：稀释计量：用示踪剂测量流量的方法。对较小的溪流有效，尤其是涉水杆法失败

A

的溪流。c

M=添加示踪剂的质量，Ac=穿透曲线BreakthroughCurves下的面积

稀释流测量可用于在其他直接方法不可行的许多条件下确定流排放量。这些情况可能包括:

极高速度、极端湍流、大量碎片、非常不规则的河道几何形状

Chezy(late1700s):

U=CR)S%Q=CR^S^A

Manning(late1800s):

U=LR爵%0=1糕%4

间接法nn

重点：曼宁公式

出粗糙系数

(^=水力半径

s=坡度

人=通道面积

方法比较：

Accuracy?

weir>ratingcurve>dilution>Manning

Cost?

Manning<dilution<ratingcurve<weir

Bigstreams&rivers?

Manning&ratingcurve

总结:

今天的要点，学习的目的

测算深度和流量的理论依据和实际做法

ThreeImportantEquations

P=pgdHydrostaticEquation峥止的水和流动的水都适用。知道压力就知道深度

DirectMethod1：SubsectionsDirectMethod2:DilutionGauging

DischargeinNaturalChannels

,MettKxiformeasuringdischargeusingtracers.

,Effectiveforsmallerstreams,especiallythose

wherewadingrodmethodfails.

Howdowecomputethestage/dischargerelationship

whenflowisNOTcriticalorwhenaweirinnot

practical?e-y

DirectMethods

IndirectMethodsMofnceriddal

4・aoiunderenc

IndirectMethodsWhichonetouse?

Twodifferentbutrelatedmethodsfordeterminingvelocityanddischarge：

Che2y(Ute1700s)：

U=CRJS%Q=CRJS"A

Manning(late18(Xh|:

U=LR：；S%Q=-R^A

nn

第四天

1.产流Runoffgeneration

水文过程线Hydrograph,分为年尺度、月尺度、日尺度

•告诉我们分水岭（大小）如何响应风暴和基流baseflow的贡献

•因土地利用、土壤和其他流域特征（如地形）而异

•洪水事件的规模和时间

•了解道路、城市化、干扰的影响

2.径流来源

•渠道截留（CI）

•地表径流（OF）

•地下径流（SSF）

•基流（BF）

暴雨径流Ro=Cl+OF+SSF+BF

渠道截留ChannelInterception

•在大多数森林流域，CI较小，因为河道面积相对于整个流域面积较小

然而，在小风暴中，它可能是过程线上唯一观测到的响应

地表径流SurfaceRunofforOverlandFlow

•由于高渗透率，地表水流通常是森林流域水流的次要组成部分，但当土壤饱和且渗透停止

时，地表水流在压实土壤或河流附近区域变得重要

降水强度〉入渗能力为超渗产流，饱和土则为蓄满产流

壤中流Interflowor地下径流SubsurfaceStormflow

渗入土壤并横向转移直至到达河道的降水（即未被植被冠层或土壤表面截留和蒸发）

饱和流Saturatedflow-土壤储水量己满

非饱和流Unsaturatedflow-土壤储水量未满，但由于重力（陡坡）和/或水分梯度，水分横向

移动---达西定律Darcy'sLaw

Precipitation

AA

evapotranspiration

v

upland

riparian

stream

WaterTable--------------

-----------~---------------

Groundwaterrecharge

1

径流能做分割，也只能分割出来基流，但不能表示来源，所以可以用同位素示踪，使用化学

元素Specificconductance

3.可变源区VariableSourceArea

坡度Slope会影响径流

随着风暴的发展，次级流域sub-watershed的不同部分会产生径流

流域径流量比取决于土壤水分储存-径流滞后

季节径流比随季节降雨量的变化而变化，但过去的降雨量比现在的降雨量更能预测RR。

4.对比流域Pairedwatersheds

我们如何理解改变降水量并最终将其分配到径流和补给的流域过程watershedprocesses?

一一接收、修改、储存和分配降水的单位区域

对比流域Pairedwatersheds

•被认为是流域过程实验性理解的“金标准”

•20世纪60年代，美国有150多个成对森林流域实验/研究

•森林、农业、城市

对比流域法PairedWatershedApproach,控制变量，实现唯一变量

“配对”两个大小相似的流域，土地覆盖，基岩，土壤

安装堰或其他流量测量装置

在两个流域测量一段时间的流量，以建立校准数据集，通常至少校准1-3年

决定要问的问题...“X”如何影响水流，例如:

•干扰

•森林管理

•变薄

•收获

•土地利用变化

.物种变化（树木、农作物）

•河岸带移除或拓宽

•道路

根据“参考”流域和“处理过的”流域之间的关系预测Predict预期流量

响应Response=预测值（根据治疗前参考值和治疗流域之间的关系）减去治疗流域的观察值

（测量值）

第五天

1.地下水水文学GroundwaterHydrology

地下径流GroundwaterFlow

达西定律Darcy'sLaw：地下水流由水力梯度hydraulicgradient和水流通过的材料的渗透性

permeability决定

水力梯度=地下水位坡度Ah=h2-hl

Darcy'sExperiment

Anapparatustostudygroundwaterflow(Ch.6oftextbook)

能量=水头head,液压水头HydraulicHead,总水头=势能+动能+压力

“dh

q=-K——

达西定律"，Kis渗透系数hydraulicconductivity,单位m/s

K=论』

K的经验关系：f'

N=流道弯曲度

€1=有效孔径

Nd2=k,固有磁导率

specificdischarge比流量q=达西流量=水力流量hydraulicflux,q=Q/A

2.地下水流速GroundwaterVelocity

6孔隙度Porosity是孔隙空间所占体积的百分比

'T,Vv=voidvolume孔隙体积，VT=totalvolume总体积

粘土孔隙度高，但渗透系数低，所以流速随孔隙度增加而减小

3.测量方法

渗流Vadose与含水层Aquifer的K：表面或近表面技术测量渗流区的饱和K

SlugorBail-OutMeasureAquiferK：

“slug”-迅速提高井内水位，并测量其随时间恢复至基线

“Bail-Out”-迅速降低井内水位，并测量其随时间恢复至基线

4.含水层Aquifer

•从高水头流向低水头。

•可以绘制液压水头的轮廓（等水位）。

•水流垂直于等电位线（流线）。

•水流贯穿整个含水层。

含水层的其他特征：异质性Heterogeneity、各向同性Isotropy

5.土壤水文学SoilWaterHydrology

-非饱和带TheUnsaturatedZone

土壤水分平衡SoilWaterBalance

•类似于水量平衡

­描述了土壤湿度随时间的变化

de

~dtZr

1=入渗输入，L=排水损失，£l=植物吸收

非饱和土水力学UnsaturatedSoilHydraulics

•达西定律是垂直和横向流动的控制方程。

・土壤体积含水量控制水头（h）（通过影响吸力）和导水率（K）（通过影响弯曲度）。

•当土壤湿润或排水时，h和K动态变化。

土壤水能SoilWater