寒区水文导论
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作者丁永建主编
出版社科学出版社
ISBN9787030520692
出版时间2016-05
装帧平装
开本16开
定价198元
货号9002717
上书时间2024-10-22
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目录
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序言
前言
第1章 绪论 1
1.1 寒区水文概述 1
1.1.1 寒区与冰冻圈 1
1.1.2 寒区水文 2
1.2 寒区水文的特点 5
1.2.1 寒区水文的复杂性 5
1.2.2 寒区水文过程观测的不确定性 6
1.2.3 寒区水文要素的同一性与差异性 8
1.3 寒区水文研究进展与趋势 8
1.3.1 冰冻圈科学发展的背景 8
1.3.2 寒区水文发展趋势 10
1.4 我国寒区水文的进展与机遇 18
1.4.1 中国寒区水文研究的意义 18
1.4.2 中国寒区水文研究回顾 21
1.4.3 中国寒区水文研究的机遇与挑战 24
1.5 寒区水文理论框架 25
1.5.1 寒区水文研究的基础理论 25
1.5.2 寒区水文研究的学科基础 27
1.5.3 寒区水文学科框架 28
第2章 冰川分布与淡水资源 30
2.1 冰川的形成、发育条件及类型 30
2.1.1 冰川的形成 30
2.1.2 冰川的发育条件 30
2.1.3 冰川类型 31
2.2 世界冰川的分布及水资源 34
2.2.1 世界水资源 35
2.2.2 冰川及水资源分布 35
2.2.3 水资源区域分布 36
2.3 中国冰川分布及融水径流 38
2.3.1 中国冰川分布与变化 38
2.3.2 中国冰川融水径流 40
2.3.3 中国冰川水资源区域分布 40
第3章 冰川水文研究内容及基本特点 44
3.1 冰川水文学的基本概念 44
3.2 物质平衡 48
3.2.1 相关概念及定量参数 49
3.2.2 积累 53
3.2.3 消融 54
3.3 产汇流过程及影响因素 55
3.3.1 消融特点 55
3.3.2 汇流过程 60
3.4 融水径流及变化特点 67
3.4.1 融水径流特点 67
3.4.2 变化特点及主要影响因素 70
3.5 融水的侵蚀及搬运作用 73
3.5.1 动力侵蚀 73
3.5.2 化学侵蚀 74
3.5.3 沉积物运移 74
第4章 冰川水文的研究方法 77
4.1 冰川物质平衡观测 77
4.1.1 直接观测法 77
4.1.2 间接估算法 81
4.2 冰川水文观测 84
4.2.1 冰面消融观测 85
4.2.2 冰川水文断面径流观测 89
4.2.3 冰川汇流观测 93
4.2.4 冰湖观测 96
4.2.5 沉积物观测 98
4.3 冰川径流模拟 101
4.3.1 冰面消融估算方法 101
4.3.2 冰川区气象数据的空间分布 105
4.3.3 冰川产流模拟 107
4.3.4 冰川汇流模拟 109
第5章 冰川水资源变化及预估 114
5.1 冰川水资源评价方法 114
5.1.1 冰川储量及变化评价方法 114
5.1.2 冰川融水评价方法 115
5.1.3 中国冰川融水量评估实例 116
5.2 冰川融水量变化特征 119
5.2.1 单条冰川的融水量变化特征 119
5.2.2 典型流域冰川融水变化特征 119
5.2.3 冰川融水量变化特征 122
5.3 冰川水资源未来变化预估 125
5.3.1 冰川水资源预估方法 125
5.3.2 典型流域冰川径流未来变化预估 129
5.3.3 预估的不确定性 134
第6章 积雪的基本概念及分布 138
6.1 积雪的基本概念 138
6.2 积雪的形成与分类 140
6.2.1 降雪的发生及条件 140
6.2.2 积雪形成条件 141
6.2.3 积雪分类 141
6.3 积雪层变化的物理过程及特征 142
6.3.1 变质作用 142
6.3.2 积雪密度和密实化 144
6.3.3 积雪的热传导 144
6.3.4 积雪温度和冷储 146
6.3.5 雪中液态水 147
6.4 积雪的分布 147
第7章 积雪水文研究方法 153
7.1 地面观测 153
7.1.1 观测要素 153
7.1.2 流域积雪观测 158
7.1.3 融雪径流观测 161
7.2 遥感观测 162
7.2.1 积雪参数遥感反演原理 162
7.2.2 遥感数据及积雪产品 169
7.3 数值模拟方法 173
7.3.1 风吹雪与密实化过程模拟 173
7.3.2 积雪消融模拟 176
7.3.3 积雪消融影响因素参数化 179
7.3.4 融雪径流模型 184
第8章 积雪消融与产汇流过程 187
8.1 积雪水量平衡 187
8.1.1 积雪水量平衡基本原理 187
8.1.2 影响积雪水量平衡的主要因子 188
8.2 积雪融水的运移过程 190
8.2.1 积雪融水在雪层中的储存和滞后 190
8.2.2 积雪融水产汇流路径 192
8.2.3 冻土对融雪径流的影响 195
8.3 融雪径流及特征 197
8.3.1 融雪径流水量平衡 197
8.3.2 融雪径流特征 198
第9章 融雪径流的变化及预估 205
9.1 融雪径流变化 205
9.1.1 降雪变化 205
9.1.2 积雪变化 206
9.1.3 流域融雪径流变化 207
9.2 融雪径流预报/洪水预警 209
9.2.1 融雪水文模型预报方法 209
9.2.2 大气水文模式耦合的融雪径流预报方法 210
9.3 融雪径流的预测 213
9.4 融雪径流预估 214
9.4.1 积雪预估 214
9.4.2 融雪径流预估 215
第10章 冰雪洪水与灾害 220
10.1 冰雪消融型洪水 220
10.1.1 积雪消融洪水 221
10.1.2 冰川消融洪水 222
10.1.3 降雨+积雪消融混合洪水 223
10.1.4 降雨+冰川消融混合型洪水 224
10.2 冰湖溃决型洪水 225
10.2.1 冰碛湖溃决洪水 225
10.2.2 冰川湖溃决洪水 231
10.3 冰川泥石流 238
10.3.1 冰川泥石流形成 239
10.3.2 冰川泥石流灾害评估 240
第11章 冻土分布与类型 243
11.1 冻土的概念及其分布 243
11.1.1 冻土的概念 243
11.1.2 多年冻土的分类 245
11.1.3 多年冻土的分布 246
11.1.4 中国冻土的分布 247
11.2 多年冻土的形成条件 250
11.2.1 气候条件 250
11.2.2 地质地形条件 251
11.2.3 地表覆盖层和植被 253
第12章 冻土水文的基本特点 254
12.1 冻土中的水热过程 254
12.1.1 冻土的水热特征 254
12.1.2 冻土中的水分迁移 257
12.1.3 冻土的冻融过程 258
12.2 多年冻土地下冰含量 262
12.2.1 地下冰的类型 263
12.2.2 青藏高原的地下冰含量 264
12.2.3 北半球的地下冰含量 266
12.3 多年冻土区地下水分布特征 267
12.3.1 冻土区地下水的类型 267
12.3.2 冻土区地下水的补给和分布特征 267
12.4 冻土区的水文特点 269
12.4.1 地表水入渗特征 269
12.4.2 冻土与水文过程 270
12.4.3 多年冻土退化对水文过程的影响 273
12.4.4 冻土退化对流域径流的影响 275
第13章 冻土水文研究方法 279
13.1 冻土永文观测方法 279
13.1.1 土壤基本理化性质 280
13.1.2 土壤水力特性参数 284
13.1.3 土壤热特性参数 289
13.1.4 室内实验 292
13.1.5 野外观测系统 294
13.1.6 冻土调查 298
13.2 冻土水文过程模拟 302
13.2.1 冻土水热过程模拟 302
13.2.2 流域尺度冻土水文过程模拟 307
第14章 河冰、湖冰、海冰水文 311
14.1 河湖冰水文 311
14.1.1 河湖冰概况 311
14.1.2 冻融过程 318
14.1.3 研究方法 323
14.1.4 凌汛 328
14.1.5 冰情预报 332
14.2 海冰水文 335
14.2.1 海冰的生成与发展 335
14.2.2 海冰水文监测 343
14.2.3 海冰在大洋水循环中的作用 345
第15章 寒区水化学 346
15.1 积雪水化学 346
15.1.1 积雪的化学特征 346
15.1.2 积雪融水的化学特征 348
15.1.3 积雪融水对河水化学的影响 350
15.2 冰川水化学 352
15.2.1 冰川融水的化学特征 352
15.2.2 溶质的来源 363
15.2.3 化学风化与气候变化 364
15.3 冻土水化学 367
15.3.1 冻土退化对有机物的影响 367
15.3.2 冻土退化对无机营养物的影响 370
15.3.3 冻土退化对主要离子的影响 371
第16章 寒区水文综合研究 373
16.1 寒区流域尺度水文监测 373
16.2 冰冻圈要素在流域水文中的作用 375
16.2.1 冰川 375
16.2.2 积雪 376
16.2.3 冻土 378
16.2.4 流域其他下垫面的水文作用 378
16.3 流域水文模型中寒区水文要素的耦合 379
16.3.1 耦合方法 379
16.3.2 示例及问题 381
16.4 与区域模式中寒区水文过程的模拟 384
16.4.1 模式与陆面模式中积雪水文过程 384
16.4.2 模式与陆面模式中冰川水文过程 386
16.4.3 模式与陆面模式中冻土水文过程 388
16.4.4 模式与陆面模式中海冰水文过程 389
16.5 GRACE重力卫星在寒区水文学中的应用 390
16.5.1 GRACE重力卫星反演陆地水储量变化的原理 390
16.5.2 GRACE重力卫星在寒区研究中的应用 391
16.6 同位素方法在流域寒区水文研究中的应用 393
16.6.1 冰冻圈天然水体中的稳定同位素 393
16.6.2 同位素在寒区水文研究中的应用 396
第17章 冰冻圈变化对湖泊的影响 400
17.1 寒区湖泊概述 400
17.2 冰雪变化对湖泊水量的影响 401
17.2.1 冰雪变化与湖泊水量平衡 401
17.2.2 青藏高原的冰川退缩与湖泊扩张 402
17.3 冰雪融水对湖泊理化性质的影响 409
17.3.1 冰雪融水对湖泊物理性质的影响 409
内容摘要
靠前章 绪论
寒区与冰冻圈密切关联，冰冻圈固、液相变及相应的水文过程是寒区水文研究的重点。寒区水文包括了冰冻圈这些要素所有的水文现象和过程，同时也涉及寒区流域不同下垫面的水文过程。因此，寒区水文不仅关注冰冻圈与水圈的相互作用关系，同时关注冰冻圈要素在寒区流域的水文作用和影响。寒区水文是冰冻圈科学与水文学的交叉科学。
1.1 寒区水文概述
1.1.1 寒区与冰冻圈
寒区泛指寒冷地区，其准确定义并无认可的说法。若将不稳定积雪区（积雪时间小于2个月）和短时冻土区（冻结时间小于15天）也包括在寒区范围，以我国为例，则长江以南部分地区也成了寒区，这显然是不合适的。一般而言，将稳定积雪区所覆盖的范围作为寒区是可以接受的，这一范围基本包括了冰冻圈要素中冰川、冰盖、稳定积雪、多年冻土、海冰及河冰、湖冰所在的区域，但不稳定积雪区和部分季节冻土区不在其中。若按稳定积雪区范围划分，优选寒区范围约为0.6×l08km2，占陆地面积的40%。
有学者根据温度指标对我国寒区进行了划分，划分依据采用很冷月平均气温<-3.0℃、月平均气温>10℃的月份不超过5个月和年平均气温≤5℃等3项指标，由此获得的中国寒区面积为417.4×104km2，占我国陆地面积的43.5%。中国寒区包括所有的多年冻土区、冰川区和绝大多数稳定积雪区，主要分布在西北的甘肃、青海、新疆三省（区）；西南的西藏全区，四川西部的阿坝、甘孜，云南的滇北、玉龙雪山和高黎贡山的北部；东北的黑龙江东北部和西北部，以及内蒙古东北部地区（图1.1）。寒区包括低纬高海拔和高纬低海拔山区，但上述地区之间的准噶尔盆地、塔里木盆地、河西走廊北部的沙漠区除外。从分布的山脉来看，中国寒区主要分布于西部高山区，包括阿尔泰山、天山和青藏高原及其边缘的帕米尔、喀喇昆仑山、昆仑山、唐古拉山、念青唐古拉山、祁连山、冈底斯山、喜马拉雅山和横断山区等，以及东北的大、小兴安岭山区。
冰冻圈是指地球表层以固态水形式存在的圈层，包括冰川（山地冰川和冰盖）、冻土（季节冻土和多年冻土）、积雪、固态降水、海冰、河冰、湖冰等。春季北半球季节冻土范围及不稳定积雪区范围优选时可达30。N以南的广大地域，尽管这些地区冰冻圈多少会影响到水文过程，但影响程度与其他水文影响相比较可忽略不计。然而，在寒区，冰冻圈要素对水文过程的影响则比较显著，不可忽视。因此，寒区水文也可以说是冰冻圈要素对水文过程起到显著作用范围内的水文现象。
优选寒区主要分布在高纬度地区和中低纬度的高海拔地区。高纬度寒区以两极地区为代表，具有很强的纬度分带性；高海拔寒区以青藏高原及中纬度山地为代表，具有明显的垂直地带性。在中国，东北寒区属于高纬度寒区，而其他寒区则为高海拔寒区。寒区气候系统和植被覆盖具有相对独立性，其对水文特性和径流过程均有显著影响。冰冻圈涵盖的大部分区域是寒区，如上所述，寒区范围小于冰冻圈范围，部分积雪和季节冻土区不属于寒区。
图1.1 我国寒区分布示意图（陈仁升等，2005）
从水文的角度定性来看，寒区具有以下特点：①有以固态形式存在的水体，如冰川、冰盖、多年冻土、积雪、海冰、河湖冰、固态降水等冰冻圈要素中的一种或多种；②河流、湖泊的封冻期在30天以上；③20%以上的降水量为固态降水，并在流域内形成一定的积雪覆盖区；④水文过程对温度的高度敏感性是寒区的突出特点。
1.1.2 寒区水文
寒区水文是研究冰冻圈诸要素时空分布与运动规律，及其在流域水文过程中作用的科学；是研究寒区诸水文要素变化机理、理论基础和研究方法的科学；是提升集成冰冻圈科学与水文学等相关学科共性内容，解析综合各学科差异性内容而成的学科。由于冰冻圈主要形成于寒冷地区，寒区水文过程往往与寒区下垫面和环境有密切关系，因此通常将与冰冻圈有关的水文问题也称为寒区水文。寒区水文与冰冻圈水文实际上是同一问题的不同叫法。在过去，一般狭义地将寒区水文理解为与冻土水文相关的水文现象，而冰川水文和积雪水文则往往相对独立，海冰、河冰、湖冰等水文研究则关注不多。随着冰冻圈科学的不断发展，冰冻圈学科体系建设促使冰冻圈诸要素的水文过程、水循环机理及水文效应纳入统一学科体系内考虑，以满足学科发展的需要。因此，系统地总结寒区水文已有的研究成果，明确冰冻圈诸要素在寒区的水文作用和科学内涵，是当前冰冻圈科学和水文学发展所面临的迫切而重要的科学需要。
寒区水文的主要特点是水以固态形式储存，以液态形式释放。冰-水相互转化过程及其对资源和环境的影响是人们关注的焦点。其研究对象主要包括冰川、冻土、积雪、海冰、河冰和湖冰等的水文现象，以及与之紧密关联的山区河流、高山湖泊、湿地等在内的寒区水体的水文过程。因此，寒区水文学研究包含两方面的研究内容：一是研究寒区内诸水文要素，重点是冰冻圈诸要素自身的水文机理和变化过程；二是研究冰冻圈变化在寒区乃至寒区以外更广泛的水域中所产生的影响，如冰川变化对河流径流的影响可涉及整个流域水资源问题，而冰冻圈变化对海平面的影响就涉及优选水循环问题。
根据研究对象，寒区水文主要有以下分支学科：冰川水文、积雪水文、冻土水文、海冰水文和河湖冰水文等。
1．冰川水文
冰川水文研究相对成熟，有较长的研究历史。其主要研究冰川融水产汇流过程、变化规律及其水文作用。其研究内容主要涉及由冰川消融到冰川径流的各种水文现象、过程及其基本规律，重点研究以下肉容：①冰川消融与径流的关系（图1.2），冰面产流、汇流过程，冰内与冰下水流过程、水道汇流与出流过程；②冰川融水径流的水文分析和计算理论与方法，包括冰川融水的形成机理，对河流的补给作用及其计算方法，各水文特征值的分析计算和分布规律，产流模型研究及其水文物理和水文化学特征；③冰川和积雪融水的侵蚀作用，沉积物搬运和堆积作用；④冰川水资源评价方法与理论基础；⑤与冰川融水有关的专门水文学问题，包括冰川阻塞湖溃决洪水及其形成机制，洪水形成理论与计算方法等；⑥流域冰川水文，包括冰川变化对流域水文过程的影响、流域水文模拟、流域冰川水资源调控途径等。
图1.2 冰川与融水补给河流
2．积雪水文
积雪水文是研究积雪融化所形成的径流过程及变化规律的科学，重点研究积雪消融、流、汇流等过程及其基本规律。其研究内容包括：①雪的物理特性及积雪形成、变化、消融过程；②积雪融化过程中的雪层变化及其水文效应；③积雪融水径流的计算、模拟和预报方法；④积雪洪水形成过程、预报方法、预警机制；⑤流域积雪水文研究，包括积雪变化对流域水文过程的影响、流域水文模拟、流域雪水资源调控途径等。积雪水文过程具有显著的季节性特征。北半球秋、冬季积雪，春季消融。在我国，融雪径流是北方重要的水资源，通常形成春汛，可缓解北方春旱对农业带来的不利影响。但有时由于积雪严重，也会产生融雪洪水，造成灾害。如何利用融雪洪水，也是积雪水文学研究的重要内容。
3．冻土水文
冻土水文是研究冻土地区的水文现象、水循环过程和变化规律的科学。冻土水文通常也被看作是狭义上的寒区水文。其研究内容主要包括：①活动层内水热循环过程及其对土壤、生态的影响；②冻土水热变化在大气水循环中的作用及其影响；③冻土变化对地下水和地表水的补给关系及其在流域水文中的作用；④冻土水文模拟、计算、信息获取与观测方法；⑤与冻土水文相关的基础理论研究。冻土与水文过程相互作用及其水文效应是冻土水文学研究的核心内容，不仅关注不同冻土类型、冻土面积对水文过程的影响，而且更加注重冻土变化对水文过程、径流变化及流域水资源的影响。在气候变化影响背景下，流域尺度冻土变化的水文效应受到广泛关注，流域尺度冻土水文的观测试验、冻土水文模型的建立及与流域水文模型的耦合是研究重点。
4．海冰水文
海冰水文是研究海冰冻融过程中的水文现象及其对海洋水文过程影响的学科。海冰水文这一提法很少有人提及，目前海冰研究主要集中于海冰与气候之间的关系。但随着气候变暖，海冰变化影响日益显著，海冰的水文过程及其影响必将受到越来越多的关注，其核心内容是海冰变化过程中的冷、淡水对海洋环流、海洋水文情势及海洋生物过程的作用及影响，以及海冰与陆地淡水之间的相互作用关系等。其研究内容主要涉及：①海冰分布、类型与海洋水文过程的关系；②海冰温度、盐度等在海洋中的转化、传输与动力机制；③优选温盐环流与海冰相互作用机理；④海冰动力过程与优选淡水循环；⑤海冰变化对近海生态系统的影响等。
5．河湖冰水文
河湖冰水文主要研究冰情变化对河流（湖泊）水文过程的影响。目前，河湖冰水文还不能称为一门分支学科，只能是寒区水文的研究内容之一。河（湖）冰是寒冷地区河水和湖水冻结而成的季节性冰体。河湖冰水文不仅研究冰情特性，而且也涉及工程及水利建设。河湖冰与气候的关系是河湖冰水文研究的又一项重要内容。河冰与湖冰是气候变化的良好指示器。用于指示气候变化的河（湖）冰参数包括封冻日期、解冻日期、封冻日数、冰厚等。
值得指出的是，由于冰冻圈要素的不同，寒区水文循环在时空尺度上差异较大，这种差异性反映在水循环的周期方面就表现在水体的更新期存在较大差异。由于更新期的不同，不同的冰冻圈要素在不同时间尺度上就表现出对水文过程的调节作用。积雪由于季节性的特点，只能对径流产生季节性调节。山地冰川对径流的调节作用可以从年到数十年乃至百年，多年冻土地下冰释放（或调节）的时间尺度更长，达到千年乃至万年尺度，它对地表、地下水的调节是一个十分缓慢的过程。表1.1列出了地球上不同水体的更新期。依据我国冰川现有资料和冰川径流情况，我国冰川的更新时间为100～300年。
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