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生态水文学

/ecohydrology/
条目作者刘国纬贺瑞敏
条目作者刘国纬

刘国纬

贺瑞敏

贺瑞敏

最后更新 2023-01-05
浏览 274
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研究人为干扰和气候变化下水文和生态过程间相互影响机制及变化过程的科学。是生态学和水文学等多学科的交叉学科。

英文名称
ecohydrology

目的是为制定可持续的水资源管理方式提供科学依据。生态水文学旨在识别气候变化和人类活动影响下生态过程与水文过程的相互作用机制,它是将流域尺度下生态系统和水文学的制衡关系定量化和模型化,二者相互修正与促进,从而减缓人类活动对生物群落和水文过程的影响,最终保护、提高和修复流域水生态系统的承载能力,探求破解水资源危机的系统理论与技术支撑。生态水文学的内涵包括:①重视定量化和模型化;②促进水文学和生态学等多学科交叉与融合;③加强对流域内水循环自然过程和生态系统的管理,保护生态系统健康和提高水生态系统自我修复能力。

20世纪80年代以来,随着人类社会的不断发展和人口的急剧增加,人类对地球上非常有限且分布很不均均匀的淡水资源的需求不断增加,打破了人类和生态系统之间的需水平衡,致使物种灭绝或濒临灭绝,生物多样性降低,湿地退化,严重缺水地区甚至连人的生活饮用水都难以保证。

面对全球大范围人为活动对水生态系统的干扰日益严重,河流等水生态系统的管理与保护的研究得到加强,如C.L.霍克斯[注]对河道及其分类进行的研究,R.L.雷布尔茨[注]等提出的河流连续体概念,J.V.沃德[注]等人提出的序列不连续体概念等,这些基础理论的探索,为生态水文学的产生奠定了坚实的基础。

H.A.因格拉姆[注]在对苏格兰泥炭地生态水文过程研究的基础上,于1987年首次提出了“生态水文学”的概念。1992年在都柏林水与环境国际会议上“生态水文学”正式被确立为一个独立学科;1995年被列入联合国教科文组织国际水文计划第V阶段UNESCO/IHP-V(1996-2001年)的研究项目之中,随着计划的推进,生态水文学的定义也逐渐完善。而联合国教科文组织(UNESCO)主持的系列国际水文计划IHP(2002-2021)也不断推动着生态水文学学科体系的发展,在其资助下,2006年欧洲生态水文中心在波兰罗兹市成立,2008年海岸带生态水文学和气候变化国际研究中心在葡萄牙阿尔加维大学成立。两大水文研究机构的相继成立,加快了生态水文学在全球的发展。

《生态水文学》(Ecohydrology)、《水文学杂志》(Journal of Hydrology)、《水文与地球系统科学》(Hydrology and Earth System Sciences)及波兰科学院的《生态水文学与水生物学》(Ecohydrology and Hydrobiology)等期刊发表和汇集了大量生态水文学的研究成果,丰富了生态水文学的研究内容。

经过30年的发展与积淀,通过融合相关学科的理论与技术成果,生态水文学逐渐形成了由机理识别、模拟、评价、预测、调控与管理等构成的较完整的学科体系,研究对象也几乎涵盖了地球上所有的地理、水文与生态单元。

生态水文学主要研究“水循环-生态环境-社会经济”这一复合系统,按照所研究的具体的生态系统类型可分为:流域生态水文过程、湿地生态水文过程、森林生态水文过程、草地生态水文过程、旱地生态水文过程和城市生态水文过程等。在基础理论层面,研究生态与水文相互作用的机理,以定量描述气候变化和人类活动对生态水文过程的影响;结合地理信息技术、计算机等进行水生态风险模拟、预警和预测;在应用层面,主要研究减缓人类活动对生态水文过程的影响,在全球、区域和流域尺度下实现水资源高效利用和生态环境安全的双赢。

生态水文学在借鉴水文学、生态学、环境学、水资源学、地理学和生物学等相关学科研究方法的基础上,根据研究对象的复杂性、非线性和不确定性等特征,逐步形成了以下研究方法:①原位观测,即采用相关仪器设备,按照一定技术操作规范,对研究对象的要素、主要水文过程、生态响应过程及其变化规律和作用机制进行动态监测。②受控实验,是指在室内实验室或野外研究区,根据一定的实验目的,进行实验设计,利用相关仪器设备对实验结果进行测量,分析结果的相关物理过程。受控实验较易得出预设的实验结果,但在结果“外推”或“缩放”过程中需注意其合理性。③数学模拟。是指利用计算机、环境信息技术及大数据分析等方法,对水循环和生态响应过程之间的相互关系和作用机制建立数学模型,揭示生态水文学中的客观规律,并利用模型对不同情形下的生态水文过程进行预测,加强水资源和生态系统管理的科学性、实用性和精准性。

生态水文学是一个发展历程较短的学科,理论体系和研究方法仍处在不断发展和完善之中,近年来信息技术快速发展的背景下,呈现出跨学科解决大尺度复杂系统的特征和优势。目前生态水文学关注的热点包括:①“生态-环境-水文”数据一体化发展:由于生态学、环境科学和水文学不同研究尺度的耦合水文、生态等多源数据同化技术的快速发展,生态-环境-水文数据将实现规范和统一化。②精确生态水文模型及其耦合。准确度不高是目前诸多生态水文模型普遍存在的问题,随着对生态-水文相互作用机理研究的不断深入,大数据平台与信息挖掘,提升生态水文模型精确程度和耦合。③参与管理决策的频率和范围间不断扩大。随着生态水文模型精确性的提高,生态水文学的综合性特点突出,从而使水生态风险评估、模拟和预警能力提高,在流域水生态系统管理和决策中起到更加重要的作用。

①全球已经接受了人类与自然密不可分环境整体性理念,对自然资源日益增长的消费和竞争已经超过水生态系统服务的上限,只能够寻求资源高效利用和生物圈可持续发展潜力之路,化解全球性水资源和水环境危机。

②水循环对于生物地质圈和生态水文的驱动力已经成为流域尺度生态学与环境管理之间的重要桥梁。生态水文学也被认为是生态工程的一个子学科,可以成为生态学与环境管理的重要桥梁,运用水文学、生态学理论与方法去改善环境质量,提升水环境管理水平。

③全球或者流域尺度实现可持续发展多目标优化,目标包括:水、生物多样性、生态系统服务、恢复力与文化遗产(WBSRC),进行水资源综合管理实践框架下的流域管理规划。

  • HARPER D,ZALEWSKI M,PACINI N.生态水文学:过程、模型和实例.严登华,秦天玲,翁白莎,等译.北京:中国水利水电出版社,2012.
  • WOOD P J,HANNA D M,SADLER J P.水文生态学与生态水文学:过去、现在和未来.王浩,严登华,秦大庸,等.北京:中国水利水电出版社,2009.
  • INGRAM H A P.Ecohydrology of Scottish peatlands.Earth and Environmental Science Transactions of the Royal Society of Edinburgh,1987,78(4 (Hydrology in Scotland)):287-296.
  • ZALEWSKI  M.Ecohydrology - the scientific background to use ecosystem properties as management tools toward sustainability of water resources.Ecological Engineering,2000,16:1–8.
  • JØRGENSEN S E.Ecohydrology as an important concept and tool in environmental management.Ecohydrology & Hydrobiology,2016,16(1):4-6.

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