1、,第二章 水土保持理論基礎(chǔ),水土保持學(xué),Contents,第一節(jié) 流域水文學(xué)原理,一、水文學(xué)相關(guān)概念,1. 水文學(xué)(Hydrology) 研究地球上水的時(shí)空分布與運(yùn)動(dòng)規(guī)律并應(yīng)用于水資源開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)的科學(xué)。,大循環(huán)：海陸間的水分交換。 小循環(huán)：局部范圍內(nèi)的水分交換。,2. 水分循環(huán),3. 降水,大氣中的水汽以各種形式到達(dá)地面。,（1）形式：雨、雪、霰、雹、露、霜等。,（2）降水的特征要素：, 降水量 (mm) 降水強(qiáng)度(mm/h，mm/d) 降水歷時(shí)和降水時(shí)間(min，h，d) 降水面積(km2) 暴雨中心 降水量的年內(nèi)分配、年際變化,（3）降水的特征曲線：, 降水過(guò)程線 降水累積曲線 等降水

2、量線,（4）流域平均降水量的計(jì)算, 算術(shù)平均法 條件：流域內(nèi)雨量站分布較均勻，地形起伏變化不大。, 泰森多邊形法(垂直平分法) 條件：流域雨量站分布不太均勻，地形起伏變化不大。, 等雨量線法 條件：流域地形變化較大，雨量站分布較密。,4. 蒸發(fā), 包括：水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、植物散發(fā)（蒸騰）。 流域蒸散發(fā)量多采用水量平衡法、流域蒸發(fā)模型法估算。,5. 下滲,（1）下滲過(guò)程： 滲潤(rùn)階段滲漏階段滲透階段 （2）下滲的特征參數(shù)： 下滲率（f ）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)滲入單位面積土壤中的水量，（mm/min，mm/h） 下滲能力：在充分供水（或地面有積水）條件下的下滲率，又稱下滲容量。 （3）下滲的特征曲線：,

3、水從土壤表面滲入土壤內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。,6. 土壤水、地下水, 包氣帶（或通氣層） 飽和帶, 土壤水 地下水 潛水（淺層地下水）：處于第一個(gè)不透水層之上。主要來(lái)源是降水和地表水。潛水與地表水相互之間存在相互補(bǔ)給關(guān)系（水力聯(lián)系）。 承壓水（深層地下水）：處于兩個(gè)不透水層之間。一般不直接受氣象、水文條件的影響，較為穩(wěn)定，是河川枯水徑流的主要補(bǔ)給源。,7. 徑流,地面徑流(Qs),表層流或壤中流(Qi),地下徑流(Qg),植物截留(Is),填洼(Vd),雨期蒸發(fā)(E),下滲(f),（1）徑流的形成：,產(chǎn)流階段（降雨凈雨） 匯流階段（凈雨 河川流量）,降雨,（2） 徑流的表示, 流量（Q，m3/s） 洪峰

4、流量Qm，日平均流量. 徑流（總）量（W，m3） 徑流深（R，mm）：徑流總量平鋪在整個(gè)流域面積上的水層深度。 徑流模數(shù)（M ， m3 /(skm2) ）：流域出口斷面流量與流域面積之比值。洪峰流量模數(shù)，多年平均流量模數(shù) 徑流系數(shù)（）：徑流深與流域平均降雨量的比 年內(nèi)分配，年際變化 特征曲線：流量過(guò)程線，累積流量過(guò)程線,8. 河流,陸地表面上經(jīng)?；蜷g歇有水流動(dòng)的線形天然水道。 (1) 分類(lèi)：外流河、內(nèi)流河或內(nèi)陸河。 分段：河源、上游、中游、下游、河口。 左岸、右岸。,(2)基本特征：, 長(zhǎng)度 橫斷面：河谷、河槽、灘地 縱斷面：中泓線、縱比降（單位河長(zhǎng)的落差。 水位 流速 流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)某

5、一橫斷面的水量。以m3/s計(jì)。 測(cè)量方法：流速面積法，即流量=流速橫斷面面積。 水位流量關(guān)系曲線,河道縱比降計(jì)算示意圖,橫斷面示意圖,9. 流域,分水線所包圍的河流集水區(qū)。,水系流域內(nèi)各條河流（干流和各級(jí)支流）及流域內(nèi)湖泊、沼澤或地下暗河形成的脈絡(luò)相通的系統(tǒng)。也稱河系、河網(wǎng)。,長(zhǎng)江流域示意圖,（1）分類(lèi)：,閉合流域：地面分水線和地下分水線重合的流域。 非閉合流域：地面分水線與地下分水線不一致的流域。 除有石灰?guī)r溶洞等特殊的地質(zhì)情況和某些很小的流域外，一般多按閉合流域考慮。,（2）流域基本特征：, 流域面積（F，km2） 流域長(zhǎng)度（L）和平均寬度（M） 流域形狀系數(shù)（M/L） 河網(wǎng)密度（L/F，

6、km/km2） 流域平均高度和平均坡度 流域自然地理特征 （地理位置、氣候特征、下墊面條件）,10. 水文資料收集, 水文年鑒（74冊(cè)） 卷冊(cè)年索引 黑龍江5冊(cè)、遼河4冊(cè)、海河6冊(cè)、黃河9冊(cè)、淮河6冊(cè)、長(zhǎng)江20冊(cè)、浙閩臺(tái)6冊(cè)、珠江10冊(cè)、藏滇國(guó)際河流2冊(cè)、內(nèi)陸湖泊6冊(cè) 水文數(shù)據(jù)庫(kù) 水文手冊(cè) 水文圖集 水文調(diào)查 水文氣象資料（氣象部門(mén)）,第一節(jié) 流域水文學(xué)原理,二、水量平衡（water balance）,任意時(shí)刻，任何區(qū)域收入（或輸入）的水量和支出（或輸出）的水量之差，一定等于該時(shí)段內(nèi)該區(qū)域儲(chǔ)水量的變化。,I = O + W,給定時(shí)段內(nèi)輸入?yún)^(qū)域的各種水量之和,1. 原理,區(qū)域內(nèi)給定時(shí)段內(nèi)儲(chǔ)水量的

7、增量， W = W2- W1 （W1、 W2 為給定時(shí)段始、末的儲(chǔ)水量）,給定時(shí)段內(nèi)輸出的各種水量之和,2. 通用水量平衡方程（區(qū)域水量平衡方程）,單位： 深度（mm） 體積（m3）,E,Rs,W,P,Rs,Rg,Rg,降水量,經(jīng)地表流入的徑流量,計(jì)算時(shí)段內(nèi)蓄水增量,經(jīng)地下流入的徑流量,經(jīng)地表流出的徑流量,蒸發(fā)量凝結(jié)量 凈蒸發(fā)量,經(jīng)地下流出的徑流量,P + Rs + Rg = E + Rs + Rg + W,3. 閉合流域水量平衡方程,Rs,Rg,= 0,= 0,為何沒(méi)有考慮區(qū)域、流域內(nèi)用水量,多年平均：,P = E + Rs + Rg,P = E + Rs + Rg + W,第一節(jié) 流域水文

8、學(xué)原理,沖淤平衡,三,三、沖淤平衡,1. 泥沙的運(yùn)動(dòng), 懸移質(zhì)泥沙：懸浮于水中并隨之運(yùn)動(dòng) 推移質(zhì)泥沙：受水流沖擊沿河底移動(dòng)或滾動(dòng) 河床質(zhì)泥沙：相對(duì)靜止而停留在河床上,懸移,溶移,躍移,推移,2. 幾個(gè)概念, 含沙量(Cs, kg/m3) 單位體積內(nèi)所含干沙的質(zhì)量。 輸沙率 單位時(shí)間流過(guò)河流某斷面的干沙質(zhì)量(kg/s) 。 日平均輸沙率、年平均輸沙率、年輸沙量 水流挾沙力 一定水流條件下，河床處于不沖不於平衡狀態(tài)時(shí)，單位體積水流挾帶（懸移質(zhì)）泥沙的數(shù)量（Kg/m3 ） 。,3. 縱向平衡,就是來(lái)水含沙量與河（溝）段或渠段挾沙能力的平衡。,（1）不沖不淤平衡：既不發(fā)生沖刷，又不產(chǎn)生淤積。 （2）沖

9、淤平衡：沖刷量等于淤積量（動(dòng)態(tài)平衡）。,斷面平衡就是床面上水流的作用流速，與床面土質(zhì)的抗沖能力，以及斷面內(nèi)的橫向輸沙，都能互相平衡，不致引起斷面形狀的改變。,4. 斷面平衡,5. 平面平衡,平面平衡主要指的是游蕩型河流的穩(wěn)定問(wèn)題。,Contents,第二節(jié) 生態(tài)學(xué)原理,一、生態(tài)系統(tǒng),1. 生態(tài)系統(tǒng)（Ecosystem）的概念, 在一定空間中共同棲居著的所有生物（即生物群落）與其環(huán)境之間由于不斷地進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程而形成的統(tǒng)一整體。,池塘生態(tài)系統(tǒng)圖示,2. 生態(tài)系統(tǒng)的組成,(decomposer),(consumer),(producer),食物鏈 (food chains),食物網(wǎng)（f

10、ood webs）,（1） 物質(zhì)循環(huán)（cycle of material） 或生物地球化學(xué)循環(huán) (biogeochemical cycle),3. 生態(tài)系統(tǒng)的功能,循環(huán)流動(dòng)； 質(zhì)量守恒定律。,（2）能量流動(dòng),單向流動(dòng)不循環(huán)； 逐級(jí)遞減傳遞率為1020,（3）信息傳遞,生態(tài)系統(tǒng)中的營(yíng)養(yǎng)信息、化學(xué)信息、物理信息和行為信息等通過(guò)多種方式使種群與種群之間、種群內(nèi)部個(gè)體與個(gè)體之間，甚至生物與環(huán)境之間取得聯(lián)系，并象能流、物流一樣，把生態(tài)系統(tǒng)各組分聯(lián)系成一個(gè)整體，并具有調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。,動(dòng)物的交流,視頻：生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)平衡（11分鐘）,4. 生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,生態(tài)系統(tǒng)所具有的保持或恢復(fù)自身結(jié)構(gòu)和功能相

11、對(duì)穩(wěn)定的能力。,圖111 (a)開(kāi)放系統(tǒng)，表示系統(tǒng)的輸入和輸出 （b）具有一個(gè)反饋環(huán)的系統(tǒng)，使系統(tǒng)成為控制論系統(tǒng) （c）具有一個(gè)位置點(diǎn)的控制論系統(tǒng),生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性來(lái)自兩個(gè)方面： 抵抗力穩(wěn)定性（抗變穩(wěn)定性, resistant stability） 生態(tài)系統(tǒng)抵抗干擾和保護(hù)自身的結(jié)構(gòu)和功能不受損傷的能力。 恢復(fù)力穩(wěn)定性（彈力穩(wěn)定性, resilient stability） 生態(tài)系統(tǒng)被干擾、破壞后的恢復(fù)能力。,根據(jù)森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，試分析各自的抵抗力穩(wěn)定性和恢復(fù)力穩(wěn)定性。,對(duì)一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，抵抗力穩(wěn)定性與恢復(fù)力穩(wěn)定性同時(shí)存在，且有著此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。,抵抗力穩(wěn)定性與

12、恢復(fù)力穩(wěn)定性的關(guān)系,抵抗力穩(wěn)定性高的生態(tài)系統(tǒng)的特征： 各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物數(shù)量多，占有的能量多。 生物種類(lèi)多，食物網(wǎng)復(fù)雜，物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的渠道多。,提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施,恢復(fù)力穩(wěn)定性高的生態(tài)系統(tǒng)的特征： 各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體小，數(shù)量多，繁殖快。 生物種類(lèi)較少，物種擴(kuò)張受到的制約較小。 生物能以休眠方式渡過(guò)不利時(shí)期或產(chǎn)生適應(yīng)新環(huán)境的新類(lèi)型。,保持與提高生物的數(shù)量，保護(hù)生物多樣性，提高生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力穩(wěn)定性。,保護(hù)草本、苔蘚、地衣等耐性強(qiáng)，繁殖快的小植物和各種小型動(dòng)物，提高生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力穩(wěn)定性。,保護(hù)和建設(shè)多種不同類(lèi)型的局部生態(tài)系統(tǒng)，形成互補(bǔ)生態(tài)，提高生態(tài)系統(tǒng)的綜合穩(wěn)定性。,生物多樣性（biod

13、iversity）是指“生命有機(jī)體及其賴以生存的生態(tài)綜合體的多樣性和變異性”。 生物多樣性可從遺傳多樣性，物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)與景觀多樣性3個(gè)層次上去認(rèn)識(shí)。 生物多樣性保護(hù)的方式：就地保護(hù)、遷地保護(hù)、離體保護(hù),北京麋鹿苑世界滅絕動(dòng)物墓地,生態(tài)閾值（Ecological threshold) 生態(tài)系統(tǒng)維持生態(tài)平衡和自我調(diào)節(jié)能力的最大限度，即生態(tài)系統(tǒng)抵抗外界干擾的最大能力。生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則生態(tài)閾值越高，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定。,5.生態(tài)平衡,衡量一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)是否處于生態(tài)平衡狀態(tài)的內(nèi)容： （1）時(shí)空結(jié)構(gòu)上的有序性，如生態(tài)系統(tǒng)按正常的演替規(guī)律發(fā)展； （2）物流能流的收支平衡； （3）系統(tǒng)自我修復(fù)、自我調(diào)

14、節(jié)能力的保持，抗逆、抗干擾、緩沖能力強(qiáng)。, 是生態(tài)系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)與功能的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，其物質(zhì)和能量的輸入、輸出接近相等，在外來(lái)干擾下，能通過(guò)自我調(diào)節(jié)（或人工控制）恢復(fù)到原初穩(wěn)定狀態(tài)。,第二節(jié) 生態(tài)學(xué)原理,二、景觀生態(tài)學(xué)原理,1. 景觀和景觀生態(tài)學(xué),生態(tài)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),（1）景觀（landscape ）,是指一定尺度范圍內(nèi)，由不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)所組成的、具有重復(fù)性格局的異質(zhì)性地理單元。,（2）景觀生態(tài)學(xué)（landscape ecology） 是研究景觀的結(jié)構(gòu)、功能和變化，以及景觀的規(guī)劃和管理的一門(mén)生態(tài)學(xué)分支。,景觀生態(tài)學(xué)的研究?jī)?nèi)容： 景觀結(jié)構(gòu)：斑塊大小、形狀、類(lèi)型、異質(zhì)性、連接性，斑塊間的空

15、間關(guān)系。 景觀功能：空間要素間的相互作用。 景觀變化：結(jié)構(gòu)和功能隨時(shí)間的改變。 景觀規(guī)劃與管理：制定景觀恢復(fù)、保護(hù)、建設(shè)和管理的計(jì)劃和規(guī)劃，確定相應(yīng)的目標(biāo)、措施與對(duì)策。, 斑塊（patch）泛指與周?chē)h(huán)境在外貌或性質(zhì)上不同，并具有一定內(nèi)部均質(zhì)性的空間單元。它可以是植物群落、湖泊、草地或居民區(qū)等。 廊道（corridor）是指景觀中與相鄰兩邊環(huán)境不同的線性或帶狀結(jié)構(gòu)，如林帶、河流、道路等等。 本底（matrix）則是指景觀中分布最廣、連續(xù)性最大的背景結(jié)構(gòu)，如森林本底、草原本底、農(nóng)田本底、城市用地本底等。,2. 景觀要素,Dranstad等(1996) 按斑塊、邊緣、廊道和鑲嵌體4個(gè)部分總結(jié)出了5

16、5個(gè)比較具體而明確的原理。,3.景觀生態(tài)學(xué)的原理,（1）有關(guān)斑塊的原理,斑塊的數(shù)目： 生境損失原理 復(fù)合種群動(dòng)態(tài)原理 大斑塊數(shù)量原理 斑塊群生境原理,斑塊的大小： 邊緣生境和邊緣種原理 內(nèi)部生境和內(nèi)部種原理 大斑塊物種絕滅率原理 小斑塊物種絕滅率原理 生境多樣性原理 干擾障礙原理 大斑塊效益原理 小斑塊效益原理,斑塊的位置： 斑塊位置物種絕滅率原理 物種再定居原理 斑塊選擇原理,（2）有關(guān)邊界的原理,邊緣結(jié)構(gòu)： 邊緣結(jié)構(gòu)多樣性原理 邊緣寬度原理 行政邊界和自然生態(tài)邊界原理 邊緣過(guò)濾原理 邊緣陡度原理,邊界形狀： 自然和人工邊緣原理。 平直邊界和彎曲邊界原理 邊緣曲折度和寬度原理 凹陷和凸出原理

17、 邊緣種和內(nèi)部種原理 斑塊與本底相互作用原理 最佳斑塊形狀原理 斑塊形狀和方位原理,廊道和物種運(yùn)動(dòng)： 廊道功能的控制原理 廊道空隙影響原理 結(jié)構(gòu)與區(qū)系相似性原理 踏腳石連接度原理 踏腳石間距原理 踏腳石消失原理 踏腳石群原理,道路和防風(fēng)林帶: 道路及另外的槽形廊道原理 風(fēng)蝕及其控制原理。,（3）有關(guān)廊道和連接度的原理,河流廊道： 河流廊道和溶解物原理 河流主干道廊道寬度原理 河流廊道寬度原理 河流廊道連接度原理,4. 景觀生態(tài)學(xué)在水土保持上的應(yīng)用,第二節(jié) 生態(tài)學(xué)原理,生態(tài)系統(tǒng),一,是研究生態(tài)系統(tǒng)退化的原因、退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的技術(shù)和方法及其生態(tài)學(xué)過(guò)程和機(jī)理的學(xué)科。,三、恢復(fù)生態(tài)學(xué)(Rest

18、oration Ecology),與生態(tài)恢復(fù)(Restoration) 相關(guān)的概念還有: 重建(Rehabilitation) 去除干擾并回復(fù)原有的利用方式。 改良(Reclamation) 改良立地條件以便使原有的生物生存。 改進(jìn)(Enhancement)提高受損系統(tǒng)某方面的結(jié)構(gòu)與功能。 修補(bǔ)(Remedy) 修復(fù)部分受損的結(jié)構(gòu)。 更新(Renewal) 發(fā)育及更新。 再植(Revegetation)恢復(fù)部分結(jié)構(gòu)和功能, 或先前土地利用方式。,受損生態(tài)系統(tǒng)（damaged ecosystem）或退化生態(tài)系統(tǒng)（degraded ecosystem） 在自然干擾和人為干擾的作用下形成的偏離原有平

19、衡狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)。 與自然系統(tǒng)相比, 退化的生態(tài)系統(tǒng)種類(lèi)組成、群落或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變, 生物多樣性減少, 生物生產(chǎn)力降低, 土壤和微環(huán)境惡化, 生物間相互關(guān)系改變。,Contents,第三節(jié) 生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理,生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)以生態(tài)學(xué)原理為基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)學(xué)理論為主導(dǎo)，以人類(lèi)活動(dòng)為中心，圍繞著人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與自然生態(tài)之間相互發(fā)展關(guān)系這個(gè)主題，研究生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)相互作用所形成的生態(tài)經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)，研究其矛盾運(yùn)動(dòng)中發(fā)生的生態(tài)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，闡明它們產(chǎn)生的生態(tài)經(jīng)濟(jì)原因及解決的理論原則，從而揭示生態(tài)經(jīng)濟(jì)運(yùn)動(dòng)的發(fā)展的客觀規(guī)律。 流域既是一個(gè)完整的地形單元，又是一個(gè)水文單元，還是一個(gè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，所以水土流失的綜合防治要以流域?yàn)?/p>

20、單元進(jìn)行規(guī)劃和管理。,一、生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)簡(jiǎn)介,第三節(jié) 生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理,流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是由流域生態(tài)系統(tǒng)和流域經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)相互交織而成的復(fù)合系統(tǒng)。 組成要素：人口、環(huán)境、資源、物資、資金和科學(xué)技術(shù)。 結(jié)構(gòu)：開(kāi)放的耗散結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、立體結(jié)構(gòu)。 功能：物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)、價(jià)值增值和信息傳遞。 平衡模式：穩(wěn)定的、自控的、優(yōu)化的。,二、流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),Contents,第四節(jié) 可持續(xù)發(fā)展,一、可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵,1. 可持續(xù)發(fā)展的由來(lái),1962, 寂靜的春天 1972, 增長(zhǎng)的極限 1972, 聯(lián)合國(guó)人類(lèi)環(huán)境會(huì)議人類(lèi)環(huán)境宣言 1987, 我們共同的未來(lái) 1992, 聯(lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展大會(huì) 21世紀(jì)議程,Rachel Carson,Dr Gro Harland Bruntland,2. 可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵,世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)(the World Commission o