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试回老邪: 降水-下渗 - 蒸发。。。。。。。 精选

已有 8333 次阅读 2013-6-23 14:26 |个人分类:科苑撷英|系统分类:科研笔记

(一)

桃花岛上,鸟语花香。桃花泉水,叮咚叮咚,跳下山岗,走过草地,流向海洋。

这一日,一场倾盆夜雨涨花池,桃花洞前悬珠帘。

岛主老邪指着一条报道 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=2984&do=blog&id=701813

李倞:分散式城市雨水管理策略http://tech.hexun.com/2013-06-17/155209432.html

“自然界有其自身的雨水循环模式。雨水降落到地表主要是通过三种形式回到雨水循环之中,分别是蒸发、下渗和地表径流,其中蒸发和下渗占90%,地表循环占10%。随着现代城市的建设,城市的密度在不断提高,城市硬质铺装代替了自然地表,蒸发量由自然地表的40%下降到30%,渗透由自然地表的50%降到了15%,城市的地表径流由自然地表的10%增加到55%,陡增的地表径流造成了大型城市遭遇暴雨等恶劣天气时内涝泛滥的情况。”

问众生:

所谓的自然地表的三个数据:蒸发、下渗和地表径流,应该是某种平均值。怎么平均的,能具体一点吗?

城市硬质铺装的30%15%,和55%,应该更有普适性吧?

我这样的慢思维学生,最怕的就是老师课堂提问!所以平时我总是躲得远远地听课。这次碰到岛主钦点水问题,在三千尺桃花潭水旁边,怯生生举手一回。

(二)

关于地球上的水循环,算我们岛主半个老乡的大诗人早在一千多年前就写到“黄河之水天上来,奔流到海不复回。惊诧于大诗人在那时就能看到水循环的诺大尺度!然而诗人笔下的水还只是单向的,事实上,在太阳和地球重力双重驱动之下,水在天地之间循环往复,周而复始,永不停歇。这是全球尺度的水文循环。

在我们身边,在陆地区域尺度上,人们最先认识到的水循环模式是降水产流。降水产流,天上下雨地上流,小两口吵架不用愁”, 是再自然不过的事情了。这样的朴素认识,是水文科学界估算径流的最原始理论,即降雨-径流相关法的基础。包括降雨径流相关图算法,和用于小范围和小流域(50 acre,小于1km2)的推理公式(rational  method) :一个区域的出口流量洪峰峰值为该区域雨强、区域面积和径流系数之乘积。在小尺度实验水文学和城市水文学,该推理公式仍然在用。根据大量的实验观测,不同的土地利用、土壤和坡度(http://www.brighthubengineering.com/hydraulics-civil-engineering/93173-runoff-coefficients-for-use-in-rational-method-calculations/#imgn_0),对应不同的径流系数。坡度越大,径流系数越大;城市不透水面越多,径流系数越大,土壤越粘,径流系数越大。从上面链接给出的两个表中(下图)数字可以看出,报道里提到的城市硬直铺装之后,地表径流占雨水的比例由自然的10%增加到50%,是众多情形之一二。

 

这是对小尺度径流最粗略的估算。

所谓粗略,因为水循环不只包括降水和径流,还有蒸散发、下渗、截留、填洼等。大一点的朋友可能还记得早年有部反特故事片(好像名叫《黑三角》)的那句台词吧——头上太阳晒,脚下水汽蒸,能不变黑吗”。完整的水循环是水在五种贮存状态中的循环。这五种贮存状态分别是大气水、地表水、地下水、土壤水和生物水。图1是我们2000年绘制的图。事实上,现在看来,更宽泛的讲,图中的植物水可以外延到所有生物包括人和为人服务的社会主体。所谓水文过程也就是水在这些贮存状态中的运移和转换,如蒸散发过程指的是地表水、土壤、地下水、生物水到大气水之间的转换;下渗过程是大气水和地表水到土壤水之间的转换;截留就是大气水到植物水之间的转换;填洼就是大气水到土壤水之间的转换。所以据此,计算径流,揭示譬如城市硬直铺装对径流的影响,必须考虑整个水循环过程,结论才更全面。

(刘苏峡,2001. 世纪之交的水文研究,水科学进展,12(1)113-117)

 

而当我们的研究对象尺度更大时,除了水循环本身的复杂性,地表的空间变异性也增加了降水径流关系研究的复杂性。

另外,除了雨水之外,降雪对寒冷城市也很重要,谈降水径流比谈雨水径流更宽泛。

 

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要准确模拟变化给水文过程造成的影响,     可以采用对比流域数据对比分析和采用物理实体模型模拟。而在实验数据和试验条件不足的情况下,分布式生态水文模型是探讨响应机制的有效手段。  

 譬如对黄土高原,通过采用我们开发的植被界面过程生态水文模型(VIP)进行模拟与实际调查,我们发现,在无定河支流岔巴沟流域,若全流域覆盖上某一种植被的情况下,蒸腾和土壤蒸发的变化较明显,地表径流和实际总蒸散的变化不显著。只有在全流域都变成荒漠情景下,实际总蒸散才显示出较明显的变化(17%),植树造林需谨慎。

我们发现径流对气候变化响应敏感,相应于降雨变化10%,温度增加1°C的气候变化情景,径流的变化范围为11-25%,显示径流对降雨的变化有放大作用,而温度增加对径流具有消减作用。

VIP模型能模拟陆地生态系统能量收支、水文循环和碳氮循环。借助于遥感、地理信息系统,已从单点尺度扩展到区域尺度。目前正在进行水文学和水力学耦合。

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