黑河道域模子集成

流域科学研究中的模型集成可概括为“水-土-气-生-人”集成模型的发展。它一般应包括地表水、地下水、水质、能量平衡、植被动态/作物生长、碳氮等生物地球化学循环、土壤侵蚀等模块,有些模型还实现了和大气模型的单向(大气模型作为驱动)或双向耦合,并进一步耦合土地利用、水资源及社会经济模型

黑河流域模型集成》(程国栋等著. 北京:科学出版社, 2019.11)一书系统地反映了2004~2018 年,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所(简称“寒旱所”)流域模型集成研究团队在流域集成模型方面的进展。其中,2004~2010年主要是准备阶段,寒旱所启动了“黑河流域交叉集成研究的模型开发和模拟环境建设”,初步建立了刻画黑河流域上游冰冻圈水文过程和中下游地表-地下水相互作用的水文模型,开发了建模环境,大大提升了流域模型集成研究的能力,锻造了一支从事模型集成研究的队伍。2010 年,国家自然科学基金委员会启动了“黑河流域生态-水文过程集成研究”重大研究计划(简称“黑河计划”)。“黑河计划”是将我国流域科学研究推进到国际先进行列的重大举措,也是一次陆地表层系统科学研究方法的全面实践。随着“黑河计划”的启动,黑河流域模型集成进入快车道,国内精英力量汇聚一堂,系统地开展了黑河流域生态-水文-经济集成建模研究。期间,寒旱所的建模人员作为骨干,或主持、或参加了有关项目,特别是对研发山区冰冻圈生态水文模型、中下游地表-地下水耦合模型、建模环境、决策支持系统作出较大贡献。这些研究人员也都是本书的主要作者。

黑河流域是我国第二大内陆河流域,面积共计约14.3×104km ,从流域的上游到下游,以水为纽带形成了“冰雪/冻土-森林-草原-河流-湖泊-绿洲-沙漠-戈壁”的多元自然景观,流域内寒区和干旱区并存,山区冰冻圈和极端干旱的河流尾闾地区形成了鲜明对比。同时,黑河流域开发历史悠久,人类活动显著地影响了流域的水文环境,2000 多年来,这一地区的农业开发,屯田垦殖,多种文化的碰撞交流、此消彼长,无不与生态、水文深刻地联系在一起。自然和人文过程交汇在一起,使黑河流域成为开展流域综合集成研究的一个十分理想的试验流域。

与我国西北内陆河流域其他地区一样,黑河上游的山区有较多的降水和冰雪融水,是流域水资源的形成区;中下游的盆地内则降水稀少,是水资源的耗散区。水出山后流入盆地,“有水是绿洲,无水成荒漠,水多则盐碱化”,水是控制黑河流域生态状况的决定因素。过去几十年,西北干旱区不同的内陆河流域都在讲述着同样的故事:随着上中游人口持续增加,经济不断增长,耗水日益增多,越来越多地挤占下游的生态用水,最终导致下游尾闾湖干涸,沙尘暴迭起,胡杨林成批死亡,酿成严重的生态灾难。这些都毫无例外地涉及水、生态和经济。问题的实质在于如何用有限的水资源,既保证经济发展,又维系生态系统的健康。

20 世纪末,黑河下游生态明显恶化,国家实施生态调水,拯救下游生态取得了成功。并由此引发了对黑河流域水、土、气、生、人等要素的大量研究。这些研究对内陆河流域的可持续发展具有重要的指导意义。黑河的生态研究已经走出了就生态论生态的小圈子,正在走向探索“以流域为单元,以水为主线”协调水-生态-经济系统中的各种关系的新阶段。近30 年来,黑河流域已成为我国内陆河研究的基地,具有较为完善的观测网络和各种科学研究与实验积累下来的大量资料。同时,它也是近年来开展内陆河综合治理的典型案例,是建设节水型社会的基地。

▲ 以流域集成模型为基本骨架的流域可持续发展决策支持系统

从以上两方面看,黑河流域既是一个陆地表层系统科学集成研究(integrated study)的试验流域,也是实践流域水资源综合管理(integrated management)的基地。集成研究必须打好观测、模型、数据基础,必须建立一个3M[观测(monitoring)、模型(modeling)、数据分析处理(manipulating)]一体化平台。为此,我们自2000年始,以数据、观测、模型为三个阶段性重点,开展了建立3M 平台的不懈努力,已完成了数据平台(数字黑河)和观测平台(黑河遥感试验及黑河流域观测系统)的建设,也在集成模型发展——特别是在水文、生态、经济模型两两耦合方面取得了长足进步。

黑河流域模型集成》系统地介绍了黑河流域生态-水文-经济集成建模的总体思路、建模方法,以及在上游寒区生态水文模型集成、中游干旱区地表地下水耦合建模及生态水文模型集成、整个流域经济模型、流域水资源管理决策支持系统等方面取得的研究成果。我们希望藉此书,向同行全面介绍黑河模型集成的阶段性成果,并在此基础上,拓清继续努力的方向。

▲ 黑河流域生态-水文-经济系统模型的整体框架

2019 年4 月

本文摘编自《黑河流域模型集成》(程国栋等著. 北京:科学出版社, 2019.11)一书“前言”,有删减,标题为编者所加。

(黑河流域生态–水文过程集成研究)

ISBN 978-7-03-063047-6

责任编辑:杨帅英 李 静

本书系统介绍黑河流域生态水文集成建模的总体设计思路、建模的方法,以及在陆面过程、上游寒区水文模型集成、中游干旱区地表地下水耦合建模及生态水文模型集成、整个流域内自然与人文过程耦合模型、流域决策支持系统和水资源管理等方面取得的研究成果。本书可作为水文水资源相关专业教材,也是干旱区内陆河流域水资源管理工作者和科技工作者的参考书。

(本文编辑:刘四旦)

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