摘 要：干旱半干旱地区由于受特殊的地理环境和气候条件的影响，是生态环境脆弱的重点地区。介绍了我国干旱半干旱地区的划分及其生态水文研究的内容与意义，重点阐述了可用于干旱半干旱地区生态水文研究的典型模型如TOPMODEL、MIKE SHE、VIC、DHSVM、SWAT等的形成、结构、适用时/空尺度、主要功能，并就我国学者对它们的一些应用进行的归纳与总结，为我国干旱半干旱地区的生态水文研究提供借鉴。

关键词：干旱半干旱地区；生态水文；水文模型；综述

中图分类号：X171.1 文献标识码：A 文章编号：1006-060X（2014）17-0035-03

Review of Eco-Hydrology in Arid and Semi- Arid Regions

ZHANG Cheng-shuo，FANG Jiang-ping，FENG Lei

（Institute of Plateau Ecology， College of Agricultural and Animal Husbandry， Tibet University， Nyingchi 860000， PRC）

Abstract：Arid and semi-arid regions due to the influence of the special geographical environment and climate factors are the key area of fragile ecological environment， and such regions account for about more than half of the land area in our country. The paper introduces their partition， research content， significance and methods； focuses on some typical eco-hydrological models to be used in the field，such as TOPMODEL，MIKE SHE，VIC，DHSVM and SWAT； discusses the models’ formation，structure，suitable time and space scales，main functions； and summarizes some of their applications in China. And it provides the reference for related further research in our country.

Key words：arid and semi arid region； eco-hydrology； hydrological model； review

收稿日期：2014-06-25

基金项目：国家社会科学基金（12BJY031）

作者简介：张程槊（1988-），男，山西忻州市人，硕士研究生，主要从事水文生态研究。

通讯作者：方江平

我国西部大部分地区深居内陆，受周边地形屏障作用的影响，年降水量稀少，且季节分布不均，加之这些地区年蒸发量非常大，以致形成了大片的干旱半干旱地区域，其面积约占全国总面积的一半以上，在我国陆地生态系统中占有重要的地位。该区域生态环境的脆弱性主要表现在水分因子方面。因此，对干旱半干旱地区生态水文过程的研究十分重要，笔者总结了国内外对干旱半干旱地区生态水文过程的研究内容、意义及其相关的研究方法，以期为我国环境保护和生态建设提供指导。

1 概 述

干旱半干旱地区是指年降水量低于400 mm的地区。一般认为，年降水量在200 mm以下的地区为干旱地区，而年降水量在200～400 mm之间的为半干旱地区[1]。王谦等[2]认为我国干旱地区和湿润区的分界线为：大兴安岭—坝上草原—陕北—兰州—拉萨，以北为干旱半干旱地区，以南为湿润地区，这条线大致和我国夏季风影响的北界限是一致的。

生态水文学是研究生态格局和生态过程变化水文学机制的科学[3]，它的一个重要研究方向是：在不同时空尺度上和一系列环境条件下探讨生态水文过程[4]。生态水文过程是指水文过程与生物动力过程之间的功能关系，它包括生态水文物理过程、生态水文化学过程及其生态效应[5-6]。目前，有学者提出要将生态水文学作为一门独立的学科，成为一个集生态学、气象学、植物生理学、地表水文学、地下水文学、土壤学和自然地理学等于一体，彼此间相互影响、相互渗透的新型边缘交叉学科。其主要研究对象是区域内降水、蒸发、植被、地表水、地下水等各水文要素之间的相互关系，国内外学者对它的研究均还处于初级阶段[7]。

干旱半干旱地区生态水文过程，就是研究区域内水文过程与生态环境动力（包括动物和植物对生态水文过程的影响）过程之间的关系。从研究区域来看，目前我国干旱半干旱地区的生态水文过程研究主要集中在西部地区。

2 干旱半干旱地区生态水文研究的内容与意义

2.1 水量平衡

水量平衡即水循环的数量表示。在给定任意尺度的时域空间中，水的运动（包括相变运动）具有连续性，收入的水量与支出的水量之间差额必等于该时段区域（或水体）内蓄水的变化量，即水在循环过程中，数量上保持着动态的收支平衡，其基本原理是质量守恒定律。从本质上说，水量平衡是质量守恒原理在水循环过程中的具体体现形式，同时也是地球上水循环可以持续不断地进行下去的基本前提。水量平衡是分析研究水文现象和水文过程的基础，也是水资源数量与质量的计算、评价的依据。

水循环是地球上客观存在的自然现象，水量平衡是水循环遵循的内在规律，水量平衡方程式是水循环的数学表达。此方程式中的各项收入项、支出项和蓄水变量，随研究区域的不同而有所不同。利用水量平衡方程式，可以确定式中各个水量平衡要素之间的数量关系，进而估计研究地区的水量，从而鉴别各种不同的水文学方法及研究成果。因此，水量平衡理论是水文学中最重要的基础理论，水量平衡测算方法因此也成为水文学研究的基本方法之一。根据不同的水循环类型，可以建立不同水量平衡方程。例如：全球水量平衡方程、海洋水量平衡方程、陆地水量平衡方程、流域水量平衡方程等。

2.2 水质分析

水质分析也称为水化学分析，即用化学与物理的方法测定水体中各化学成分的含量；分析指标主要有：色度、浑浊度、味道、余氯、化学需氧量、细菌总数、总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌等。

水质分析可以分为简分析、全分析和专项分析三种。简分析多在野外进行，分析项目较少，但要求速度快，适用于初步了解大范围内水体的主要化学成分；全分析多在室内进行，分析项目全面多样，对水体进行的全方位、多方面的全面分析；专项分析是根据具体任务的需要而定，着重针对水体的某项特征、项目，进行具体、细致的分析研究。

2.3 研究意义

由于干旱地区水文过程直接影响植被生长发育，而植被覆盖和生长状况又是水土流失和土地荒漠化的主要控制因子，所以水文循环过程的改变往往是引起干旱地区所有生态环境问题（如水土流失、土地荒漠化）的直接驱动力。因此，生态水文过程研究对生态环境的保护和恢复，特别是防治水土流失和土地沙漠化具有重大的理论意义和指导作用，对其深入研究不仅可以维持我国天然生态系统的可持续发展，而且可为已退化生态系统的恢复重建提供科学依据，从而为我国广大干旱半干旱地区的经济、社会和生态环境之间协调发展提供重要的生态水文学依据。例如：水量平衡研究是水文、水资源学科的基础课题，也是研究和解决一系列实际问题的手段与方法。水量平衡研究，可以定量地揭示出水循环过程与全球地理生态环境、自然生态系统之间的联系；分析出水循环系统的内在结构与运行机制，以及蒸发、降水、径流等水循环中各环节之间的内在联系；为人们探究自然界水文过程的基本规律，揭示水循环与人类活动的相互影响提供数据；是人们掌握河流、湖泊、海洋、地下水等各种水体的基本特征、空间分布、时间变化、发展趋势的重要手段，也是水资源现状评价与供需预测研究工作的核心。

3 干旱半干旱地区生态水文过程研究的主要方法

20世纪90年代诞生的生态水文学使人们已经认识到它在解决干旱地区水文过程等系列科学问题中的重要性[8]。生态水文学作为一门新兴学科，对它的研究方法尚处于初步的探讨阶段。通过阅读我国近年来有关干旱半干旱地区生态水文研究的相关文献，总结出干旱半干旱地区生态水文研究的主要方法有：实验室仿真、径流平衡法、水质的理化分析和建立生态学模型等，当然，对生态水文学的研究离不开各种研究方法的相互配合。

3.1 实验室仿真

利用人工降雨系统模拟自然降雨条件下的坡面流并分析其水动力学特性的变化规律[9]。利用人工模拟降雨，探讨土壤流失规律和治理效益。例如，中科院寒旱所的雨水集流试验、灌木截流试验、雨水集流的坡度试验等。利用在类似“三轮车斗”的设施上铺设土壤，配合人工模拟降雨器，通过自动升降模拟测定某区域降水条件下，不同坡度和土壤厚度的雨水入渗、地表径流等。此外，还可利用现代化气象站、蒸发感应仪等现代化仪器进行野外观测和田间试验，测定不同海拔、不同植被类型区域的降水量、蒸发蒸腾量，来探讨研究降水、蒸发和植被之间的关系。

3.2 径流平衡法

在干旱半干旱地区，坡面流、地表径流和基流均以小流量水流为主[10-11]，这部分水量对维持区域生态环境的稳定具有重要意义，然而现在的方法很少能准确测量这部分小流量。

目前，在水文试验中，多采用径流场法观察测量降水过程中的地表和不同深度土层的径流情况，水量通常用翻斗式流量计来测量。翻斗测量的基本原理是：水流直接流入翻斗中，使上位翻斗承接的水量不断增加，水的重力对转轴产生的倾覆力矩不断增大，当承接水量达到一定值时，倾覆力矩大于另一端翻斗自重对转轴的稳定力矩与转动摩擦力矩之和，翻斗便绕转轴自动翻转。HOBO记录仪可以通过数据采集器自动记录所翻斗的次数。由于翻斗每翻一次的容量是固定的，所以根据翻斗翻动的次数就可以计算出相应的径流量。在野外建立径流场，可测定不同区域、海拔、植被类型土壤的时空径流量。目前，我国进行了以黑河流域不同植被景观带为研究对象的环境监测系统（ENVIS）。

3.3 水质的理化分析

通过收集不同时空的降水和地下水，在实验室进行理化分析，测定它们的化学元素组分含量及其时空变异。通过这些试验获取基础数据，确定各有关参数，进行相关数据分析，研究降水、蒸发、植被、地下水等各水文要素之间的关系及水文过程中养分元素的变异规律。养分元素含量的测定方法为：用浓硫酸—重铬酸钾法测定碳元素含量；用凯氏定氮法测全氮含量；用铝锑抗比色法测定全磷含量；用火焰光度法测定全钾含量。

3.4 建立水文模型

水文模型是对自然界中复杂水文现象的一种概化，生态水文研究要求建立各种水文模型，因此利用各种水文模型来分析生态水文过程是目前众多学者采用的研究方法。在模型构建中，考虑生态-水文过程的一类模型就是生态水文模型。

3.4.1 TOPMODEL模型 TOPMODEL模型是1979年由Beven和Kirkby提出来的，主要是利用地形/地貌指数来反映流域水文现象，模型结构简单，参数较少[12]。其空间尺度是流域，时间尺度是日尺度（Daily）。模型结构为分布式流域水文模型，以地形空间变化为主要结构，用地形或地形-土壤指数描述径流趋势以及由于重力排水作用径流沿坡向的运动。模型功能：采用水量平衡和Darcy定律来描述流域水文过程。在我国的应用实例：彭定志等[13]应用改进的TOPMODEL，对拉萨河流域1998～2001年的洪水进行水文模拟，探讨该模型在雅鲁藏布江拉萨河流域的适用性。

3.4.2 MIKE SHE模型 MIKE SHE模型是丹麦水力学研究所（DHI）在20世纪90年代开发的一种用于模拟大多数陆地水文过程的综合性分布式水文系统模型[14]。其空间尺度为流域或局部小尺度，时间尺度是日或日尺度以内（daily或sub-daily）。模型结构为全分布式物理模型，在流域水平面上分成许多网格，便于处理模型参数、降雨输入和水文相应的空间分布性；在垂向上分为若干水平层来处理不同土壤层的水运动。模型功能：模拟水文循环的整个阶段，可用于研究地表水和地下水的相互影响、湿地动力机制、点源和非点源的水质污染。在我国的应用实例：2001年温汝俊等[15]利用MIKE SHE相关模型软件，对重庆市主城区（即沿嘉陵江和长江20 km）的水质变化情况和三峡库区的水质变化进行了模拟计算和分析。

3.4.3 可变下渗能力（VIC）模型 VIC模型于1994年被Lianget al.提出，可同时进行陆-气间能量平衡与水量平衡的模拟，也可只进行水量平衡的计算，输出每个网格上的径流深，再通过汇流模型将网格上的径流深转化成流域出口断面的流量过程，弥补了传统水文模型对热量过程描述的不足[16]。其空间尺度为陆地流域大尺度，时间尺度为日或日尺度以内（daily或sub-daily）。模型结构为半分布式物理结构。模型功能：模拟陆地—大气通量，陆地表面水和能量平衡。在我国的应用实例：吴志勇等[17]运用VIC模型，采用日降水量和日气温极值的实测数据，模拟了1971～2005年间，全国范围30 km-30 km分辨率的逐日土壤含水量。

3.4.4 DHSVM模型 DHSVM模型是由美国西北太平洋实验室的Wigmosta等在1994年研制成功的一种物理意义的分布式水文模型，可以很精细地考虑地形、土壤、植被等与水循环的关系[18]。其空间尺度为大陆和区域尺度（100 km2），时间尺度为日尺度以内（sub-daily）。模型结构为分布式模型。模型功能：模拟地形和植被水通量响应。在我国的应用实例：2008年，康丽莉等[19]将DHSVM模型应用到浙江兰江流域，通过对比模拟与实测的年、月径流量，发现两者比较吻合，验证了该模型用于中小流域研究的适用性。

3.4.5 SWAT模型 SWAT模型是由美国农业部农业研究中心于1994年开发的，其最初目的是对大流域尺度上土壤类型的预测，以及研究土地利用方式和管理对水分、泥沙及化学物质的影响[20]。其空间尺度为大流域尺度，时间尺度为日尺度（daily）。模型结构为以GIS为基础的分布式流域模型。模型功能：模拟多种不同的水文物理化学过程，如水质及水运动过程中营养元素的传输与转化等。在我国的应用实例：2009年，程磊等[21]将SWAT应用到黄河中游干旱半干旱地区多沙粗沙典型流域之一的窟野河流域，模拟了该流域在1980～1985年的日流量和月平均流量过程，分析并探讨了SWAT产流机制对水源划分和径流形成过程的影响。

4 问题与展望

生态水文模型也可以简单地理解为生态学模型和水文模型的相互融合，由于传统的生态学和水文学都有相对独立而强大的“模型库”，这为生态水文模型的建立奠定了较为坚实的基础。近些年来虽然生态水文模型的发展较快，但从建模的层次来看，大多数模型还处在对水文学模型和生态学模型的借鉴和综合运用上，尚未从生态水文过程的角度建立一些机理模型。而且已开发运用的生态水文模型大多存在尺度转换的问题[22-23]，这也是将来生态水文学研究的难点与方向[24]。在未来干旱半干旱地区生态水文学研究中，仍然需要不同时空尺度的模型转化与应用，通过模型转化来模拟不同尺度的真实物理界面的生态水文效应。

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（责任编辑：成 平）