代表性研究成果简介

1、基于环境同位素的水循环实验研究方法发展与应用  

环境同位素具有很好的示踪作用。环境同位素方法已经成为水循环及其驱动下物质迁移转化过程研究的重要手段。自上世纪五十年代以来，已逐步应用水分来源的示综、径流分割、地下水流动和更新能力的评价及污染物示综等方面的研究。但在具体应用方面，还有很多科学技术问题需要解决，主要包括：（1）在大气降水的水汽来源方面，水汽轨迹甄别的同位素信息表征；（2）在地表水-地下水-土壤水转化与化学物质迁移交换等方面，来自不同水体物质的同位素表征信息的定量化；（3）在土壤-植物-大气连续体界面水分交换方面，植物蒸腾与土壤蒸发准确分割的同位素方法等。实验室在国家“973”项目课题、国家自然科学基金重点项目和面上项目、国家水专项、中科院知识创新项目群等支持下，针对以上3个关键科学技术问题开展了系统的研究，并在降水水汽来源、农田蒸发、海水入侵、水体污染等方面应用，取得了以下几个方面的创新性成果。

（1）识别出全球 7 个典型站点降水同位素时间序列在不同时间尺度上的波动周期，阐明了不同的水汽输送对降水同位素分馏的影响，并成功应用于亚洲季风和局地站点水汽来源反演与模拟分析。

在全球、多年尺度上，选取了GNIP 数据库中代表中高纬度内陆气候区的Ottawa，Vienna和Vernadsky 站点，代表中高纬度海岛气候区的Valentia 站点，以及代表中低纬度气候的Hong Kong，Bangkok 和Belem 站点，通过对降水同位素及气候变量时间序列进行分析，应用小波分析理论，识别出了全球 7 个典型站点降水同位素时间序列在年内、年际及数十年尺度上的主要波动周期。发现降水同位素的波动周期在不同的气候区，分别与温度或降水量的波动周期一致；区域及局地大气降水线（LMWL） 可指示不同的水汽分馏过程。应用多元非线性逐步回归的方法，建立了降水同位素与各气候变量的关系模型，使得缺少观测资料地区降水同位素的定量拟合和估算成为可能。这些研究结果应用于我国降水来源分析，发现δD 和δ18O的变化范围呈现东北地区>西北干旱区>青藏高原区>华北地区>南部地区的特点，东北及西北地区站点年内δ18O冬低夏高，南部地区相反，揭示了亚洲季风在我国的进退过程及其对我国降水分布影响。在次降雨的水汽来源轨迹追踪方面，针对具有典型代表意义的陆地站点北京和岛屿站点韩国同城山（Seongsan），结合NOAA的HYSPLIT 后向轨迹模型，得到了每场降水事件结束前96 小时3000m 高空的水汽来源和传输路径。在区域、月尺度上，针对南半球中纬度气候区典型代表的澳大利亚，得到了降水同位素的变化特征及其与各环境因子的效应关系，发现δ18O 在空间上呈从西向东、从北和南向中部贫化的趋势，与南部主要的风暴路径一致，很好地指示了ENSO 对澳大利亚降水的影响。

（2）将水量平衡和同位素质量守恒方法相结合，提出了量化分析根系吸水来源和分割植物蒸腾和土壤蒸发的方法，并成功应用于晋南农田水量平衡分析。

以农田SPAC系统为研究对象，利用氢氧稳定同位素在降水、入渗、蒸发蒸腾过程中发生着规律性的传递和分馏特性，将同位素信息与气象条件、土壤性质、地下水水位变化、作物水分生理等观测数据相结合，将作物根系吸水看作不同深度土壤水的混合，采用直接对比法和同位素线性混合模型，估算作物不同生长期主要根系吸水深度，提出了估算降水（灌溉水）入渗，土壤蒸发、地下水补给、根系吸水来源比例和作物蒸腾的方法；将同位素法估算作物蒸腾量与水量平衡法相结合，有效分割作物蒸散量，即植物蒸腾和土壤蒸发。用于晋南农田水量平衡研究，得到夏玉米拔节期、开花期和成熟期的主要根系吸水深度（比例）分别为0？20cm（96%？99%），20？50cm（58%？85%），0？20cm（69%？76%）；棉花苗期、蕾期、花铃期和吐絮成熟期的主要根系吸水深度（比例）分别为0？20cm（27%？49%），20？50cm（79%？84%），50？90cm（30%？92%），>90cm（69%？92%）；冬小麦返青期，抽穗期和成熟期的主要根系吸水深度（比例）分别为0？20cm（18%？36%），40？70cm（33%？73%），>70cm（18%？87%）的水分。夏玉米（开花期，90mm漫灌）灌溉后，蒸腾量占蒸散发量的71.3%，灌溉水的利用率为38.0%；冬小麦（返青期，110mm喷灌）灌溉后，蒸腾量占蒸散发量的61.7%，灌溉水的利用率为42.3%。

（3）发展了利用同位素分析和估算地表水地下水转化、污染物来源以及地下水更新能力的方法，并成功应用于松花江、淮河、白洋淀、岔巴沟等流域的水循环与水污染研究。

将氢氧稳定同位素组分和水化学主要离子含量变化信息相结合判断地下水的来源，将放射性氚同位素含量与氟利昂（CFCs）含量信息结合估算地下水的年龄以此分析更新周期，将FCM、LDA 和 Paired t test 等数学统计方法相结合，发展了判断浅层地下水漏斗激发深层地下水越流补给的方法；结合聚类分析和主成分分析，发展了污染分区和判别地表水地下水污染物来源的方法；通过黄土高原地区典型流域岔巴沟的同位素研究，结合水文地质条件，提出了丘陵沟壑区浅层地下水的六种补给方式，并给出了每种类型的补给速率和补给范围的估算方法。并将这些方法应用于松花江、淮河、白洋淀、岔巴沟等流域水循环水污染研究：针对大规模农业开发区的松花江流域，得出了浅层地下水对地表水的补给比例为50%左右，浅层地下水更新快且年龄约在40年左右等结论，对该地区水资源开发利用具有指导意义；针对我国污染最严重的淮河，得到了河道附近污染的地下水也是河流污染源的新结论，并对沙颖河流域地表水污染进行了科学分区，对淮河污染治理具有重要指导意义；针对人类活动影响强度大的白洋淀流域，得到山区降水入渗对地下水的补给系数为0.26-0.43，平原区平均降水入渗补给速率为3.8 ± 0.6 mm/y等重要结果，对华北地下水合理利用具有重要指导意义。

（4）发展了利用环境同位素界定咸淡水界面空间位置的方法，并应用于莱州湾地区的海水入侵研究，确定了海水入侵影响的空间范围。

海水入侵地区发生的系列地球化学过程十分复杂，不仅Cl-和M会发生改变，Na+、Br-、SO42-、Mg2+、Ca2+及rCl-/rHCO3- 等也会出现相应的变化，通过考虑Cl-含量作为主导因子，进而建立其他主要离子组分与Cl-之间的一元线性回归关系，确定海水入侵的判定指标。通过测定淡水、微咸水、咸水、卤水和海水中的多元同位素（2H、18O、T（3H）、CFCs等）组成，以判断分布在研究区水平范围及垂向位置的不同地下水体中各类水的来源与混合程度，可有效确定咸淡水界面的空间位置。该方法用于莱州湾地区的海水入侵分析，证明了特征离子比Na/Cl、K/Cl、Ca/Cl、SO4/Cl、Mg/Ca和 Br/Cl比与Cl离子之间确实存在很好的关系，能够比较准确地判定海水入侵程度。进一步研究发现，该地区浅层淡水垂向交替活跃，水龄50年左右；咸水和卤水基本不受现代降水补给，是地质历史时期的产物；120m深度以下含水层的咸水，主要由海水入侵形成。

2、河型分类与成因及转化机制

河流分类的研究已有100多年的历史，然而目前国际上通用的分类方法，如Leopold和Wolman以及钱宁的划分方法，并不完全适合我国高含沙河流及部分多河道河流，传统意义上的分汊河型，不能代表网状河流的特性。高含沙及多河道河流的准确分类，不同类型河型尤其辫状河流（游荡性河流）、弯曲型及顺直型河流的致灾机制、河道演变过程的长期动力学模拟等是需要解决的科学问题。实验室在973计划、国家自然科学基金等项目的资助下，在依据水沙比的冲积河流河型分类体系、黄河不同河型的水沙效应与演变趋势、弯曲型河道的水沙运动及演变模拟、弯道紊流中泥沙的非正常扩散及随机过程模拟等四个方面取得了创新性成果。

（1）创造性地依据河流的水沙比，提出了冲积河流的新分类体系，填补了国际上有关河型分类中关于高含沙河流定位的空白，对多沙河流的治理具有重要意义。

针对我国河流地貌复杂多样、河型众多、北方河流多沙的特点，基于107条冲积河流多年的实测水沙数据，建立了我国河流不同河型与水沙比（含沙量与流量的比率）的耦合关系。提出了依据河流水沙比的冲积河流河型分类方法，并且成功划分出了四种不同的冲积河型：高含沙曲流、游荡型河流、低含沙曲流、分汊型河流。其中，有关高含沙曲流概念的提出与解析，有助于深入了解我国黄土高原上特有的高含沙水流驱动河道蜿蜒发展的特殊现象。该河型分类体系不仅填补了国际上有关河型分类中关于高含沙河流定位的空白，而且对于黄河的治理实践也具有重要的指导意义。譬如，受气候变化和近期大规模水土开发的影响，黄河近期水量沙量及水沙比都发生了明显的改变，而依据该分类体系，水沙比的变化必将导致河型的变化，这有助于预测黄河等多沙河流个别河段可能发生的河型转化与河道失稳现象、以及由此导致的危害甚至颠覆河道整治的效果，从而为尽早制定相应的对策赢得了时间。

（2）阐明了不同河型的形成原因、控制因素、转化机制，量化了黄河不同河型的水沙效应与演变趋势，为揭示黄河悬河段出现的辫状河流、弯曲河流、以及顺直河流的致灾机制提供了重要科学依据。

为了揭示黄河悬河段出现的辫状河流、弯曲河流、以及顺直河流的致灾机制，需要分析这些不同河型的形成原因、控制因素、转化机制。针对黄河上下游沿程出现的辫状河流、弯曲河流、顺直河流的转化现象，通过对不同河型段的水沙演变、断面形态对流量的响应、河道断面演变、河床沉积速率变化及能耗率特征等方面，系统分析了不同河型段河道的水沙效应。认为黄河上游河型近期演变主要受到河段以上大型水库建设的强烈影响。黄河下游沿程出现的三类河型是河道比降小、河床质细、洪枯水交替、粗泥沙输入少及大堤限制等因素所致，其中顺直河流的出现是人工大堤的胁迫性产物。随着近年来水沙的阶段性减小，顺直河流在大堤的挟持下得以维持；弯曲河段河道的侧向摆动依然、宽度略微变窄，河床加积速率最大，但不会导致整个下游河道比降发生明显变化；辫状河段能耗率相对较大，冲淤强烈，滩槽更替频繁，但随着流量的减小，其能耗率明显减小，其比邻弯曲河流段的河道会逐渐曲流化，表现为弯曲河段的适度上延，但延伸有限。各类治理措施中，以中上游修建水库和淤地坝是最有效的，可拦截大量粗泥沙，从而降低下游河床的加积速率，以延缓悬河的发展。

（3）建立了河岸蚀退的新模型BERM，通过弯道水流模块、泥沙冲淤模块、河岸侵蚀模块等三大模块联合求解，克服了传统河床演变模型的缺陷，使得准确模拟弯道从小弯到大弯的发展过程成为可能。

弯曲型冲积河道的地貌演变发展过程可以概化为反复的“顺直－小弯－中弯－大弯－裁弯－顺直”循环过程。而两次裁弯间隙为一个循环，时间跨度往往从数十年到数百年不等，受到时间尺度限制，传统动力学模型难以模拟这类复杂河流地貌的长期演变过程。针对平原河型中分布最广的弯曲型河道，探讨其水沙运动与成因机理，创造性地提出了主流纵向梯度假说，即主流纵向梯度的大小和位置是弯道形成的主要驱动因子，纵向冲淤是造成弯道床面出现横比降的主因。利用大量的数学模型与室内河道物理模拟实验，定量分析了地形次生流和曲率次生流对主流横向摆动的贡献，揭示了次生流通过横向摆动主流从而间接影响弯道形成与演变的内在机理，提出了弯道演变数值模拟中弯道水流、泥沙冲淤、河岸侵蚀三大模块的非耦合解法，建立了河岸蚀退的新模型－Bank Erosion and Retreat Model (BERM)。从而解决传统河床演变模型因采用刚性河岸假设而不能对这一循环过程进行模拟的难题，使得准确模拟弯道从小弯到大弯的发展过程成为可能。为揭示黄河等多泥沙弯曲型及顺直型河流的致灾机制与治理工作，提供了有力的模拟手段。

（4）利用分数阶对流扩散方程描述紊流中泥沙悬浮运动，解决了传统Rouse公式无法描述粗颗粒悬浮运动的难题，为准确模拟弯曲河道的演变动力学过程提供了有效方法。

天然弯道中水流存在着紊流猝发现象，由此引起泥沙颗粒非正常扩散运动难以用传统模型描述。对流扩散方程在描述粗颗粒泥沙的悬移运动时误差大，计算与实测误差可达一到两个数量级。实验室从定量解释紊流及床面非均匀性带来的泥沙非正常扩散（弥散）现象入手，利用分数阶对流扩散方程（fADE）描述紊流中泥沙颗粒的悬移随机运动，建立了包括正常与非正常扩散在内的统一计算模式。该模式对于传统的对流扩散方程（ADE）进行了改进，将ADE方程中的第一顺序空间导数置换为序数的分数阶导数，从而使利用Fick第一定律（稳态泥沙扩散通量）建立的经典Rouse方程来描述稳定流的泥沙悬浮运动，扩展到有粗颗粒泥沙参与的非稳定流（如湍流）垂直扩散运动。发现悬浮颗粒流的垂直随机位移遵循了Levy运动模式而不是Brownian运动模式，悬浮泥沙的垂直扩散更像是一个湍流环境中的空间非局地尺度的泥沙搬运过程，泥沙颗粒的垂直跳跃与喷出过程不再受限于初始单位体积的小距离空间尺度。利用fADE方程的模拟结果与实验观测对比，所体现的一致性是至今为止国内外同类模型中最好的。

3、VIP生态水文动力学模型及其在气候变化影响中的应用

水文模型研究历史悠久，从国际上的Stanford模型到MIKE SHE，Topmodel，SWAT，SWIM，VIC等模型，从国内的新安江模型到HIMS，DTVGM等模型，各有其优点，广受关注和应用。尽管水文模型从概念模型发展到考虑地形和土壤-植被-大气之间的各种机制，植被作为地球系统的动力学要素逐渐受到越来越强的关注，但鉴于过程的复杂性和反馈的时变性，在较高时空分辨率下进行产汇流过程与植被生长动力学过程耦合模拟，一直是需要解决的科学技术问题。

实验室在国家自然科学基金项目、国家973课题、863课题和中国科学院创新项目等的支持下，从量化植被“根-土”界面、“叶冠-大气”界面、“大气-土壤”界面的水分热量传输界面过程的科学问题入手，研究以植被界面过程（VIP)为核心的生态水文动力学模型，并将其应用于气候变化对生态水文过程的影响研究，在以下几个方面取得创新性研究成果。

(1)构建了定量模拟以植被界面过程为核心的生态水文动力学VIP模型，精细刻画了流域土壤-植被-大气传输系统产流、汇流、能量转化、光合作用和植被生长动力学等过程及其互馈关系，模拟效果优于以往模型。

基于长序列土壤-植被-大气传输(Soil-vegetation-atmosphere transfer，SVAT)过程的田间试验数据，系统研究了SVAT系统水碳氮物质传输和能量转化机制，构建了生态水文动力学VIP模型，效果优于国际同类模型。模型改进了产流计算中的蓄水容量曲线，引入与参考高度水汽压差相关的变量实现了冠层、截留水和土壤水三源蒸散方程的解析求解。将物候指数与生物计量方法相结合分配光合产物，区分考虑C3和C4两类植物，估算叶片尺度的固碳量。区分向阳叶和荫蔽叶，进行不同垂向积分处理，计算冠层固碳。区分可见光和和近红外两种光源的叶谱性质，计算冠层的短波辐射。采用多层方案详细计算了冠层辐射传输和土壤水热传输。

(2)提出了基于VIP模型和遥感数据融合的光合能力参数反演新方法，首次获取了华北平原光合能力参数Vcmax的空间格局。建立了全国表层和深层土壤水分的关系曲线，提出了可实时估算区域分层土壤水分的方法。

基于遥感Modis-NDVI数据与统计产量的线性关系和冬小麦光合能力参数Vcmax与VIP模拟作物产量的指数关系，构建了遥感信息和Vcmax的“指数关系”方法；采用一维黄金分割法、基于区间估计原理、引入参数空间先验分布，构建了运算效率高的“优化区间”方法；采用上述两种方法获取了华北平原1km分辨率的光合能力参数Vcmax的空间分布，为区域作物产量模拟预测提供一种尺度扩展新方法。针对区域深层土壤水分难以获取的现状，建立了全国表层和深层土壤水分之间的关系曲线。通过开展集合卡尔曼滤波同化研究，揭示了不同的观测算子对应的VIP模型模拟的深层土壤水分和用遥感资料(AMSR-E、MODIS)反演的深层土壤水分的自相关系数的差异，提出了寻求最优观测算子的判断新指标，为区域深层土壤水分的反演提供理论支撑。

（3）基于VIP模拟分析绘制了1950s年以来全国不同时空分辨率的水循环要素和植被生产力的图谱，揭示了不同类型区降水和辐射对ET和GPP的驱动机制，阐明了不同尺度上地形因素和土壤质地对土壤水分时空变化的影响作用。

基于VIP模型，逐日计算了无定河流域(1956-2004)、西苕溪流域（1960-2009）、华北平原(1951-2006)、内蒙古典型羊草原(1958-2007)、松花江流域(2000-2010) 1km分辨率的,和全国(2000-2011) 8km分辨率的水循环要素和植被生产力分布。发现全国尺度上尽管平均ET和GPP呈显著上升趋势，但真正呈显著趋势的区域只有20%和30%，即空间平均趋势对空间各点的代表性并不是很强；发现ET的多年变化的驱动因子具有空间变异性，在少雨的北方降水可以解释80%的ET的变异，在青藏高原和台湾辐射是ET变化的主导因子，在华东地区，气温是蒸散变化的主导因子。GPP多年变化的主导因子也具有类似的空间变异性，但显著性弱一些。ET的多年变化的空间格局与降水的多年变化的空间格局一致。GPP的多年变化的空间格局与降水和植被本身的空间格局一致。在月尺度上ET和GPP跟辐射的一致性强于跟降水的一致性。发现华北平原冬小麦生长季内水分亏缺量大约为200 mm，夏季约亏缺50mm，与多个站点的实测值接近。发现在流域尺度上地形因素是土壤水分变化的主要驱动力，而在区域尺度上土壤质地影响强于地形作用，但在全国尺度上地形和土壤质地的影响作用基本相同。另外，尺度越大，降水对土壤水分的驱动作用越强。考虑模拟精度和计算量，对于VIP模型，在模拟流域蒸散和总第一生产力时1km的网格较优。

（4）提出了基于VIP模型的作物生长耗水受气候变化影响的量化分析方法,阐明了华北平原和黄土高原植被生产力和耗水量对气候变化的响应机制，并提出了气候变化适应性对策。

提出了甄别华北平原气候变化和CO2浓度升高对作物产量和水分消耗的贡献的新方法，计算出气候变暖和大气CO2浓度升高对产量的贡献率为14%，因气候年际波动造成的冬小麦和夏玉米的产量变异性为13.7%和14%。通过对A2和B1气候变化两个情景背景下，华北平原单点和区域尺度上冬小麦-夏玉米作物轮作系统生产力和耗水量等因素的模拟分析，发现若温度增加，特别是夜间温度增加，作物生长季将会缩短、产量将会降低，但随着大气CO2浓度增加，如果降水增加或通过灌溉增加土壤水分，将减缓甚至扭转升温给作物产量带来的负效应，即将会带来C3作物小麦增产、C4作物玉米的减产幅度减小。小麦可能更可能从气候变化中获益。冬小麦耗水呈弱增加趋势，增幅小于6%，大气增温将加强蒸散过程，但是受较高的CO2浓度影响, 气孔导度降低，加之生育期的缩短，二者的共同作用有利于总耗水量的降低。夏玉米耗水量呈明显增加趋势。到21世纪末，冬小麦和夏玉米耗水量的相对变化可能会分别达到37%和20%。对水分利用效率。进一步模拟发现，若不考虑作物品种特性，气候变化温度升高，为保持作物本身需要的积温，生育期将缩短，从而导致减产，也减少耗水。若考虑作物品种适应，培育需要更长积温的作物，若气温变化，生育期保持不变甚或增加，这样能维持并可能增加产量，但增加耗水。通过对黄土高原无定河流域的模拟分析，发现降雨变化10%，温度增加1°C，径流的响应变化范围为11-25%，而温度增加将减小径流变幅。在HadCM3气候变化情景下，本世纪末流域温度将上升3K,降水增加25%。蒸散将增加23% ，地表径流增加约45%；植被N PP上升约38%。这些研究结果，为气候变化适应性对策提供科学依据。

4、资料稀缺地区产汇流模型及山洪水情预报系统

近年来我国山洪灾害频发、突发、重发，对人民群众的生命财产安全和基础设施建设造成极大的损害和威胁。当前我国水文基础监测十分薄弱，大多数突发性山洪发生在水文资料稀缺的地区。如何在水文监测数据缺乏地区开展水文预测，产流过程中非线性、复杂地形山洪演进、模型参数化、水文尺度效应等都是需要解决的科学问题，是我国山洪灾害防治的国家战略需求。

实验室在西藏自治区山洪灾害防治项目、国家自然科学基金重点项目、面上基金等支持下，基于实验室自主产权的HIMS（Hydro-Informatic Modeling System）水循环综合模拟平台，结合野外和室内水文实验，系统研究了暴雨洪水过程中的降雨入渗机制、坡面流运动与河道汇流动力学方法，改进了复杂地形条件下的山洪演进算法，研制了适合资料稀缺地区突发性山洪的产汇流模型，发展了HIMS系统的暴雨洪水模拟功能。并在此基础上，结合地方实际需求，研发了基于HIMS的水情预报应用系统，服务于突发性山洪的预报预警。

（1）突破了稀缺资料地区水文参数获取方面的国际性难题，提出了“借”、“替”、“生成”的PUB研究三元方法论，完善了稀缺资料地区水文预测的理论和模型参数确定方法。

基于实验室从上个世纪60年代开始在稀缺资料地区开展大量PUB研究的成果积累，从2003年国际水文科学协会(IAHS）启动的以“无资料流域水文预测”(PUB)的研究成果积累，提出了“借”（移植法、内插法、外延法，B)、“替”（模型法、指标法、地区综合法、代用法，S)、“生成”（野外实验法、室内试验法，G)的PUB三元方法论，通过对国际上比较认同的PUB研究方法比较发现，达尔文式的S2-2方法(比较水文)一直热用，但PUB计划启动之后，牛顿式的S1亦成为热点，S3和G应用尚少，而本研究提出的“借”、“替”、“生成” 的PUB三元方法论已经成为下一个水文十年计划Panta Rhei（2013-2022）的重要方法。同时，研究团队在PUB三元方法论指导下，重点基于“替(S)”、“生成(G)”思路，结合遥感定量反演技术，将遥感面信息与常规水文站点监测信息结合，实验室发展了自主产权的陆面数据同化系统，能够生成稀缺资料地区的关键水循环要素信息，包括区域降水、蒸发、辐射、气温、土壤水等，从而很好地解决了资料稀缺地区水文参数确定的难题。

（2）基于水动力学原理和洪水演进的物理机制，通过室内明渠实验及野外原型观测分析对比，构建了适用于复杂地形条件下的山洪演进模拟模块（New-Flood），破解了突发性山洪演进过程中复杂的水动力学问题。

针对区域复杂地形分布不规则的特点，改进二维浅水方程，使用水位变量替代水深变量，建立“预和谐”控制方程，即Pre-balanced shallow water equations。采用Godunov模型有限体积法为框架，考虑复杂混合流态和间断流问题，实现简捷处理复杂边界及地形特征的功能。采用局部修正河床底高程的方法处理干湿床问题，使其具有稳定、简便处理干湿界面的特点，能够在地形地貌环境较为复杂的条件下完成山洪过程的模拟。采用半隐式格式计算摩阻项，确保摩阻项在计算过程中不改变流速分量的方向，避免了小水深引起的速度不合理极化问题，提高了计算的稳定性和准确性。针对突发山洪区域的复杂地形特点，采用动态自适应网格（Dynamically Adaptive Quadtree Grid），使在某些地形变化较为剧烈的区域，网格在迭代过程中不断调节，将网格细化，做到网格点分布与物理解的匹配，从而在保持计算高效率的同时得到高精度的解析解。通过溃坝模拟案例分析，检验了模拟的水位、流速及其变化过程，具有很高的模拟精度，同时模型具有很好处理不连续底坡的过坡模拟能力，优于现有大多数模型，成为突发性山洪模拟分析的核心模块之一。

（3）针对资料稀缺地区暴雨洪水预报国际难题，从流域产流、坡面流和河道汇流的物理机制入手，开拓性创建了适用于该类地区的洪水预报模型。

通过整合Tyler简单分形模型、Jaky模型和Gompertz曲线模型，提出了一个能够覆盖整个土壤质地的、新的两参数Jaky-Jun多重分形颗粒分布模型，给出多重分形的奇异谱f(α)的显式表达式，并基于Jaky-Jun模型建立了土壤颗粒多孔介质分形模型的蠕动渗流方程。建立了基于Green-Ampt模型的产流期降雨损失方程(GAF模型)，通过GAF模型解析解的幂指数近似特性和倒数线性近似特性，揭示了SCS模型、LCM模型和TVGM模型的物理机制，使上述三种不同起源的降雨产流模型在理论上统一于新的产流期入渗方程。基于物理定律的平移不变性和尺度变换不变性，发现一个新的变换，将偏微分运动波方程转换为常微分方程，得到其精确的解析解，开发了基于运动波解析解的洪水过程流域坡面汇流算法。从牛顿流体力学出发重新推导了明渠非恒定流的一维圣维南方程组，使用分级求解法的“河道-节点”思想，系统研究了龙格-库塔显式差分数值求解动力波的方法，开发了基于动力波的洪水过程河道汇流演算算法。构建了物理机制清晰的适用于资料稀缺地区的洪水预报模型。

（4）以资料稀缺地区洪水预报模型为核心，基于HIMS水循环综合模拟系统，构建了嵌套耦合的分布式山洪预报预警系统，并用于国际公认难度最大的西藏地区，为70多个县开发水情预报应用系统。

西藏高原是国际公认的资料稀缺地区，其突发性山洪的形成、传播和致灾过程极其复杂，预报预测难度极大，是世界性难题。定制开发了适应西藏高原数据环境条件的、新型嵌套耦合的分布式山洪预报模型，通过野外调查和小流域降雨入渗实验，研发具有物理机制清晰，适应西藏高原缺资料地区HIMS水文过程模型；针对现有河流编码系统不适合大区域分布式模型运行所需，发展了上下游拓扑关系清晰、可动态扩展的新的河流编码技术，首次构建基于河网拓扑关系的、嵌套耦合的西藏自治区分布式山洪预报模型，并通过多个断面的验证，模型效率系数达0.8左右，具有较高的洪水预报精度，为西藏突发性山洪预报提供了新的模拟技术。提出了缺资料地区临界雨量推求方法，应用于西藏高原缺资料地区临界雨量确定。使用观测、遥感和暴雨调查等多源雨量数据，准确估计了西藏自治区各县域的面雨量序列；基于水文过程模型，结合山洪灾害调查记录，推求临界雨量的上、下限；综合内插法、比拟法、灾害实例调查法、灾害与降雨频率分析等多种方法，推求缺资料区域临界雨量。基于云计算、大数据管理，研发了西藏高原突发性山洪水情预报预警系统，包括基于多源数据融合、多模型集成、用户分级管理等理念，实现多源数据融合、业务查询、水情预报、洪水预警等多功能集成，为西藏山洪预警与决策提供技术平台。考虑缺资料地区数据获取性问题，开展遥感驱动的山洪模拟、洪水淹没估算和山洪易损性遥感统计、转移安置多目标评价，提出了一种面向缺资料地区山洪风险图编制新技术方法，已完成了西藏52县的县、乡、村级暴雨山洪危险性、风险性和安全转移安置区的评价与制图。创建的山洪水情预报预警系统服务于西藏70个县（市区）、近700个乡镇和近6000个村的山洪灾害防治。

5、高钠吸附比(SAR)盐渍土盐碱地水盐调控方法与农业利用 应用基础研究

盐渍土是全球陆地分布广泛的一种土壤类型。尽管治理和开发利用盐碱地的历史已有数百年甚至上千年，仍然有大面积的盐碱地仍未得到开发利用，其中高土壤钠吸附比(SAR)盐渍土，水分饱和后土壤颗粒膨胀，结构破坏，孔隙关闭，不透水、不透气，盐分难以淋洗，除了高强度改良和客土方法外，尚无其他有效开发利用方法。

实验室科研团队在中国科学院西部行动计划、中国科学院知识创新重要方向项目、国家科技支撑计划、宁夏农业综合开发项目等的支持下，主要针对龟裂碱土、草甸碱土和滨海盐土，基于自己建立的试验基地，通过长期系统的“土壤-植物-大气”系统水与化学物质循环调控田间试验，攻克了盐分淋洗的国际难题，研究出了以滴灌精确灌溉为核心的水盐调控方法与农业利用和生态环境建设植被高效构建技术。

（1）针对该类盐渍土水分饱和时入渗系数很小甚至为零这一关键制约因素，破解了水盐调控方面的诸多难题，创造性地提出了通过滴灌创造以毛管水运动为主的非饱和水分运动盐分淋洗理论。

发现对于龟裂碱土盐碱地，在植物根系微区添加沙土或壤土作为土壤水分二次分配介质，可实现滴灌进入土壤中的水分以非饱和的形式进入这类盐渍土的毛管孔隙和部分空气孔隙中入渗和扩散，实现盐分的淋洗，从而破解了龟裂碱土水盐调控难题；发现对于重度滨海盐渍土盐碱地，当土壤水分含量增加到一定程度后非饱和导水率大于饱和导水率且随着含水量增加而减小，滴头流量与明水面的平均直径表现为线性关系等特点，从而提出了根据明水面积确定可有效淋洗盐分的滴灌参数确定方法；发现对于重度草甸碱土苏打盐碱地，以滴灌灌水器间距和流量能保证土壤湿润范围重叠且地表不产生明显积水为条件确定滴头流量，可快速淋洗表层土壤的盐分和降低PH，为直播羊草种子创造适宜萌发出苗的微区环境条件，破解了羊草种子不能在重度草甸碱土苏打盐碱地出苗的难题；发现对于这类盐渍土，在陶土头周围添加沙土作为介质，可解决负压计因陶土头周围土壤饱和而导致土壤颗粒膨胀、结构破坏和孔隙关闭后负压计失灵的问题，从而发明适用这类盐渍土的负压计埋设新方法，为将研究团队早先提出的控制滴头正下方20cm深度处土壤基质势的盐碱地水盐调控方法应用于这类盐碱地奠定了基础。在破解了这些难题的基础上，创造性地提出了通过滴灌创造以毛管水运动为主的非饱和水分运动盐分淋洗理论。

（2）针对银川平原的重度龟裂碱土盐碱地，揭示了基于滴灌水盐调控对土壤物理、化学和生物性质的影响机制，建立了可使这种世界公认最难改良盐碱地快速变为高产田的盐碱地农业技术体系。

发现采用“滴灌+土壤水分二次分配介质+覆盖”的模式，控制滴头正下方20cm深度处土壤基质势下限为-10kPa进行精确施肥灌溉，在滴头下方创造了盐分淡化区和“低pH值”区逐年增大，枸杞成活率达到95%以上，1年后作物根区土壤ECe稳定为4.0 dS/m左右，3年后pH值从最初的9.5下降到8.3左右，整个土壤剖面整体脱盐，土壤呼吸作用强度随种植年限增长明显增加，土壤中的细菌、真菌和放线菌得数量快速增加，根层土壤脲酶、碱性磷酸酶及蔗糖酶活性随种植年限的增加呈指数关系快速增长，土壤的物理性质、化学性质和生物性状达到或接近良田水平；枸杞产量达到636.16 kg？hm-2，达到同地区良田水平。到第三年后，维持产量最高且土壤不集盐的土壤基质势下限，便能降低到与干旱区非盐渍土农田相同的-20kPa，进一步证明了土壤环境得到了快速改善。建立了以“滴灌+土壤水分二次分配介质+覆盖”的模式、控制滴头正下方介质20cm深度处土壤基质势的水盐调控方法、精确施肥灌溉水肥一体化技术等为核心，可使这种世界公认最难改良盐碱地，当年开始植被就能正常生长，第二年开始生产力水平就接近高产田的盐碱地农业技术体系。

（3）针对松嫩平原重度草甸碱土苏打盐碱化草场的快速恢复重建，突破了微区水盐调控适宜生境快速构建难题，创造性地提出了短期（1-2）滴灌水盐调控苏打盐碱化草场快速恢复重建理论与方法。

发现松嫩平原重度草甸碱土苏打盐碱地上，以滴灌灌水器间距和流量能保证土壤湿润范围重叠且地表不产生明显积水为条件确定滴头流量，无论平作、微垄还是高垄栽培，当滴灌约12小时（灌水量为14mm）后，在滴头附近都可以形成一个低盐区，羊草可萌发出苗。采用“滴灌＋微垄”的模式进行羊草直播，滴头正下方20cm深度处土壤基质势下限控制在-10kPa并进行施肥灌溉，随着种植年限增加，根区土壤养分（N、P、K）含量、微生物（细菌、真菌、放线菌）数量、活性酶（磷酸酶、脲酶、蔗糖酶）的活性快速增加，2年后直播羊草的盖度超过60%；第3年开始不用灌溉，盖度便可达到80%，接近天然羊草群落水平。发现采用该方法，在秋天不用播种任何种子，土壤种子库中的碱茅种子可自然萌发出苗，植被的盖度在1年或2年的短期灌溉后可达到80%以上；对于移栽的羊草，2-3年短期灌溉后植被覆盖度可达到70％～80％，停止灌水1年后植被盖度达到93%（超过天然羊草群落的水平）。建立了以“滴灌＋微垄”模式、滴灌水盐调控种子（直播羊草和天然种子库碱茅等种子）萌发适宜生境快速创建、精确施肥灌溉水肥一体化土壤快速培肥技术等为核心，包括羊草直播、羊草移栽、天然种子库碱茅等植物种子诱导萌发等方式，短期（1~2年）滴灌水盐调控苏打盐碱化草场快速恢复重建理论与技术体系。

（4）针对环渤海地区的重度滨海盐渍土盐碱地，揭示了滴灌水盐调控对土壤快速脱盐与理化性质快速改善影响机制，提出了“四阶段”原土植被高效构建新理论、新方法。

通过系统的室内土柱模拟实验和田间试验，发现按照上述滴灌参数确定方法，选择地表明水直径在10cm确定滴头流量，滴头间距和滴灌带间距均为30cm，分为“强化盐分淋洗”、“正常水盐调控”、“适度非充分灌溉”和“雨养补充灌溉”等四个阶段，第一阶段将土壤盐分淋洗到10cm以下；第二阶段控制滴头正下方20cm深度处的土壤机制势为-5kPa，直到主要根系分布层的盐分降到轻度(ECe≤4dS/m）与中度（4dS/m <ECe≤6dS/m）相邻的范围；第三阶段控制土壤基质势下限为-35kPa，产生适度水分亏缺；第四阶段根据降水情况和植物生长状况，适度补充灌溉。便能实现在1年左右的时间内根系分布层以上的土壤整体脱盐，中度耐盐植物的成活率达到95%以上，盐分敏感植物的成活率达到80%以上，而且不会出现现有“客土绿化”的植被衰退，植被构建成本降低到现有技术的1/3以下。提出了“强化盐分淋洗、正常水盐调控、适度非充分灌溉、雨养补充灌溉”四阶段水盐调控理论，形成了以“四阶段”水盐调控技术、“土壤水势梯度控制+隔离层”抑盐控盐技术、雨水高效利用技术、精确施肥灌溉水肥一体化技术等为核心，可实现植被当年栽植（种植）当年高成活率并旺盛生长的重度滨海盐碱地原土植被高效构建新理论新方法。并筛选了近50种“乔、灌、草”等适宜栽（种）植的植物。