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人水关系学的基本方程及模型构建

（作者：左其亭）

导读

l 提出了人水系统“四大过程”(水循环过程、物质循环过程、生物过程、人文过程) 

l 提出了“四大过程”的基本方程及其耦合与计算方法 

l 提出了考虑“四大过程”的分布式人水关系模型构建框架与人水关系模拟器的构建设想 

内容提要

    人水关系是人类与自然界关系中最重要的关系之一，人水关系学是研究人水关系的一门新交叉学科，构建其基本方程和模型是深入研究人水关系的核心内容之一。基于前期研究工作和不同学科成果梳理，提出了人水系统“四大过程”（水循环过程、物质循环过程、生物过程、人文过程），总结给出了“四大过程”的基本方程及其耦合与计算方法，提出了考虑“四大过程”的分布式人水关系模型构建框架与人水关系模拟器的构建设想，并以沁河流域为实例进行了分布式人水关系模型应用研究。

关键词

人水关系学：human-water relationship discipline

人水系统：human-water system

基本方程：basic equations

“四大过程”：“four processes”

分布式人水关系模型：distributed human-water relationship model

主要内容

一人水系统“四大过程”及理解

    人水关系复杂究其原因，主要在于其相互作用关系及其机理复杂。理清楚其作用关系是定量化研究的重要基础，但这并非易事。为了揭示人水关系的作用机理，需要剖析其研究对象，总结其作用过程。通过对人水系统的分析认为，一般的人水系统存在水循环过程（water cycle process）、物质循环过程（material cycle process）、生物过程（biological process）、人文过程（humanistic process），即“四大过程”，具体如下：

   （1）水循环过程：水循环是地球上一个重要的自然过程，它通过降水、截留、入渗、蒸散发、地表径流、地下径流等环节，将大气圈、水圈、岩石圈和生物圈相互联系起来，并在它们之间进行水量和能量的交换。

   （2）物质循环过程：在水体中，除了水分子外，往往伴随着一些其他物质，包括各种盐类矿物质，气体和某些有机化合物等溶解性物质，铁、铝、硅化合物和腐殖物等胶体物质，泥沙、原生动物、藻类、细菌、病毒以及高分子有机物等组成的悬浮物质，以及锂、锶、锌、硒、碘化物、偏硅酸、游离二氧化碳和溶解性总固体等特定营养物质。

   （3）生物过程：包括人类在内的所有生物都要从周围的环境中获取空气、水分、阳光、热量和营养物质。生物在生长、繁育和活动过程中又不断向周围的环境释放和排泄某些物质，死亡后的残体也复归环境，所有生物都依照上述规律生活在生态系统中。

  （4）人文过程：是人文系统中与人类发展有关的社会活动、经济活动、科技创新、宣传教育、人文关怀等构成的发展过程。社会进步是社会指标由低级向高级的运动和发展过程，或者特定发展阶段中整体运动和发展过程。经济活动是人类为了生存和发展而经过劳动过程或支付适当代价以换取商品或服务的行为。

人水系统“四大过程”关联关系示意图二人水系统“四大过程”基本方程

   （1）水循环过程方程：水循环过程是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地球引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。基于水量平衡原理，按照研究对象不同可写出不同的方程表达式，统称为“水循环过程方程”。

   （2）物质循环过程方程：物质循环过程是指地球上除水分以外的各种物质不断变化的过程，是人类和生物生存繁衍所依赖的物质来源。水体中蕴含着大量有益的物质成分，当然也存在有害的物质，特别是有害物质浓度达到一定程度后会带来严重危害甚至是生态灾难。

   （3）生物过程方程：生物过程是生物生长、繁育和活动的一系列过程的总称，与自然界水循环、物质循环密切相关，既是人类生存发展的物质基础，又受人类活动的影响。

   （4）人文过程方程：人文过程是人类生长、繁育、发展和活动的一系列过程的总称，与自然界水循环过程、物质循环过程、生物过程密切相关。人文过程既能影响水循环、物质循环、生物过程，又受三大过程的制约。三基本方程耦合与模型构建

  （1）“四大过程”基本方程耦合与计算：针对复杂的流域或区域人水系统，其“四大过程”相互作用、互为参数，耦合在一起可以表征人水系统的作用机理和变化过程。具体如下：

人水系统“四大过程”基本方程耦合示意图

   （2）考虑“四大过程”的分布式人水关系模型：考虑“四大过程”，绘制人水关系模型框架，在分布式水文模型中嵌入物质循环过程方程、生物过程方程和人文过程方程，采用分布式模型构建方法，可以构建分布式人水关系(distributed human-water relationship，DHWR)模型。具体如下：

考虑“四大过程”的人水关系模型框架

   （3）应用实例：这里简单介绍笔者团队基于以上方法和模型所做的沁河流域研究实例。DHWR 模型构建，是以“四大过程”基本方程为基础，基于Arcgis 软件中的ArcSWAT 模块，对人水系统相互作用关系进行模拟量化。

    模拟效果及应用：①在水循环过程模拟方面，以径流模拟作为指标，选取沁河流域3 个典型水文站实测径流量作为模型精度检验标准。其中决定系数和纳什效率系数计算结果均能通过检验标准，表明构建的DHWR 模型对沁河流域的径流模拟效果较好，模拟径流数据与实测径流数据较为契合。②在物质循环过程模拟方面，通过对比五龙口断面水质监测数据与模型模拟值，可以发现模型对水质模拟具有较高精度，可用于流域面源污染负荷的模拟应用。③在生物过程模拟方面，通过模型计算了蒸散发量与潜在蒸散发量的比值，即生态压力指数，用以反映流域的生物变化过程，用作监测植被生长状况。④在人文过程模拟方面，通过模型计算了沁河流域引调水量与武陟断面出口站流量变化过程，定量表征人类活动对河流径流产生的影响。

  （4）前景分析与模拟器构建设想：为了定量分析大型调水工程的作用和影响、工程建设和土地利用带来的水系统变化、经济社会建设以及国家宏观政策的影响等问题，需要构建基于人水关系模型的模拟器，统称人水关系模拟器（human-water relationship simulator，HWRS）。

文献来源

左其亭.人水关系学的基本方程及模型构建[J].河海大学学报(自然科学版)，2024,52(05):1-12. 

https://jour.hhu.edu.cn/hhdxxbzr/article/abstract/20240501?st=article_issue 

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水科学研究成果介绍与学术交流