項目名稱： 流域水循環機理與水資源演化規律

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。經歷了上世紀70年代以來的水文線性系統理論、流域水文模型、流域水循環分布模擬和水資源調控的學說。主要內容有：流域水循環系統理論與動力學機制，水資源演化規律與調控機理。該申報內容是研究群體20多年來，針對流域水循環和國家"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關系，提出了水文非線性系統識別理論，建立了降雨徑流時變增益、季節信息耦合的非線性系統模型，發展了基于貝葉斯方法和自適應神經模糊推理系統新的實時洪水預報系統，形成一套流域降雨徑流非線性理論體系，對系統水文學的非線性學說發展做出了重要貢獻。（2）針對"土壤-植物-大氣（SPAC系統）"的界面過程的水循環難題，提出了SPAC界面水分與能量交換的動力學機制與"五水"轉化關系，發現植物水分利用的生理生態學機理，光合作用、蒸騰作用和氣孔導度的耦合機制，在水循環的生態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，系統開展了變化環境下流域水循環綜合研究，發現了黃河水資源演化若干規律，破解黃河源區"水塔"之迷，揭示了黃河流域水循環與氣候變化的關系，區分黃河流域上、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。研究成果已經在我國60多個流域和水庫中推廣應用，產生了巨大的經濟效益和社會效益。完成人任國際水文科學協會（IAHS）副主席、國際水資源協會（IWRA）副主席，曾獲湖北省自然科學一等獎、教育部一等獎2項。

主要發現點： 流域降雨徑流關系是陸地水循環最重要的部分，下墊面植被水文生態過程是揭示水循環機制的核心。研究群體以理解我國半濕潤半干旱地區流域水循環機理和水資源演化規律為主線，利用大量流域水文觀測資料與實驗，在流域水循環的系統理論、SPAC界面過程及生態調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律方面，取得了重要進展。核心發現點：(1) 流域水循環降雨徑流過程的系統理論與非線性 1.1. 發現了半濕潤半干旱地區流域水文過程關鍵產流因子（系統增益）與流域關鍵的狀態變量（土壤濕度）之間的聯系，找到了一種能夠模擬復雜非線性過程的簡單的系統關系，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識別理論，建立了水文時變增益非線性系統模型，發展了耦合流域氣候季節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模糊推理系統的實時洪水預報系統，在全國60多座水庫和流域的洪水預報、水庫調度運用中，取得了巨大的經濟效益與社會效益（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"土壤-植被-大氣"（SPAC）界面過程機制2.1發現了SPAC系統界面過程水分與能量的交換機制，提出了農田作物蒸發與蒸騰的過程變化機理、"降水-地表水-土壤水-地下水"與植物水的五水轉化關系，揭示了水循環生態調控機理，為農業節水提供重要的理論依據（代表作3-5、其他重要論著30-35）。2.2 發現了SPAC系統植物水分利用的生理生態學機理，建立了水循環光合作用、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，在水循環生態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律3.1以半濕潤半干旱地區流域為對象，研發了流域分布式時變增益水循環模型，揭示了流域水循環與覆被變化、水保工程建設及水庫調蓄之間的聯系；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在無資料地區的確定兩個難題，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. 創建了多尺度耦合的黃河流域分布式水文模擬系統（HIMS），發現了黃河水資源演化若干規律：破解了黃河

源區"水塔"之迷，揭示了黃河流域水循環與氣候變化的關系，區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

領導和系統開展了流域降雨徑流過程系統理論與非線性研究，提出了水文非線性系統識別理論，建立了降雨徑流時變增益水文非線性系統模型，形成一套流域降雨徑流非線性系統理論體系，自主研發的流域分布式時變增益水循環模型，揭示了我國半濕潤半干旱地區流域水循環與覆被變化、水保工程建設及水庫調蓄之間的聯系。對申報書中發現點1和3.1有創造性貢獻。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系統的"降水-植物水-地表水-土壤水-地下水"的"五水"轉化關系，破解了黃河源區"水塔"之迷，揭示了黃河流域水循環與氣候變化的關系。對申報書中發現點2.1和3有創造性貢獻。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，以及水文模型參數在無資料地區的確定兩個難題，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度系統，經過近10年的穩定運行，在防汛和電力生產等方面已經取得了顯著的經濟效益和社會效益。

對申報書中發現點1.2和3.1有創造性貢獻。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模糊推理系統（ANFIS）的實時洪水預報系統。對申報書中發現點1.2和3.1有創造性貢獻。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－大氣系統水循環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。

對申報書中發現點2.2有創造性貢獻。本人在該項研究中的工作量占本人工作量的60％。