绪论篇
　　第1章 黑河流域的生态水文
　　1.1 流域概况
　　1.1.1 自然地理条件
　　黑河流域是我国第二大内陆河流域，总面积约为13万km2，东、西部分别与石羊河流域和疏勒河流域相邻，北部与蒙古国接壤（图1-1）。在行政区划上，黑河流域横跨青海省海北藏族自治州，甘肃省张掖市、酒泉市和嘉峪关市，以及内蒙古自治区阿拉善盟，共3省、5市（州、盟）、11县（市、旗）。流域上游祁连山区处青藏高原东北边缘，中游平原区属河西走廊中段，下游为阿拉善高原，上、中、下游地理条件差异显著（图1-2）。上游祁连山区由一系列平行山岭和山间盆地组成，海拔在2000～5500m。受构造和冰川等地质作用影响，上游河床陡深，有现代冰川发育，是流域的产流区。上游海拔4200m以上地区终年积雪，海拔在2600～3600m的地区林草丰茂，分布有高寒草甸、森林。中游平原走廊东西长350km，南北宽20～50km，海拔在1300～2000m，其张掖盆地、酒泉盆地光热资源丰富，分布有大量人工绿洲。下游以戈壁沙漠为主，地势平坦开阔，海拔在900～1200m，金塔盆地、额济纳盆地主要由合黎山和马鬃山围成。
　　图1-1黑河流域　
　　图1-2 黑河流域地形与主要盆地
　　1.水系分布
　　黑河流域内有大小河流约40条（图1-3），除干流外，主要支流包括山丹马营河、民乐洪水大河、大都麻河、梨园河、酒泉马营河、丰乐河、酒泉洪水河以及北大河。根据地表水力联系，如今的黑河水系可划分为东、中、西三个子水系（Li et al.，2018）。东部子水系包括黑河干流、梨园河、山丹马营河、民乐洪水大河等，为黑河水系的主体；中部子水系包括酒泉马营河、丰乐河等，归于酒泉东盆地；西部子水系包括酒泉洪水河和北大河等，归于金塔-花海子盆地。根据1956～2010年的水文观测资料，整个流域上游山区形成的出山径流总量约为36.32亿m3/a，其中东部子水系贡献24.75亿m3/a，中部子水系贡献2.60亿m3/a，西部子水系贡献8.97亿m3/a。在东部子水系的出山径流量中，干流贡献15.50亿m3/a，梨园河贡献2.32亿m3/a，其他沿山支流贡献6.93亿m3/a。
　　黑河干流全长约819km，上游又分为东、西两支，其中西支是黑河的主干流，长约175km，发源于铁里干山；东支又称八宝河，长约75km，发源于青海省境托来南山和冷龙岭。黑河上游东、西支在青海省祁连县黄藏寺附近汇合，之后经莺落峡出山进入张掖市，穿行河西走廊平原区后经正义峡进入下游。干流在金塔县鼎新镇附近原有北大河汇入，但由于鸳鸯池水库的修建，目前北大河已失去与干流的直接水力联系。黑河干流进入下游内蒙古自治区额济纳旗后，在狼心山附近又再次分为东、西两支，其中东支流经额济纳旗绿洲后汇入苏泊淖尔（又名东居延海），西支则汇入嘎顺淖尔（又名西居延海）。
　　图1-3 黑河流域水系空间分布
　　2.气候条件
　　黑河流域地处西北内陆干旱半干旱区，区域纬度跨幅大，海拔差异明显，因而气候的垂直和水平差异也十分明显（Xiong et al.，2009）。根据1950～2012年流域内国家基本气象台观测数据，统计了流域主要气象要素特征（表1-1）。流域南部祁连山区属于高寒地带，气候寒冷湿润，年均气温为-3～4℃，年均降水量为200～400mm，年均潜在蒸发量少于1100mm。中游平原走廊区属于典型大陆性干旱气候，降水稀少且多集中在夏季，蒸发强烈，年均气温为6～8 ℃，年均降水量为70～200mm，年均潜在蒸发量为1300～1600mm。由于中游东西范围较宽，气候的东西差异较为明显。由东向西，年均降水量从200mm递减为70mm左右，年均潜在蒸发量则从1300mm左右增至1700mm以上。下游额济纳盆地属于极端干旱气候，区域内年均气温为8～10℃，年均降水量不足50mm，年均潜在蒸发量可达2200mm以上。
　　表1-1 黑河流域主要气象要素特征
　　3.水文概况
　　黑河上游祁连山区是整个流域的主要产水区，有水文测站的出山河流有10条。表1-2给出了1956～2012年这10条河流的多年平均出山径流量，其中山丹马营河0.74亿m3/a，洪水河1.26亿m3/a，大都麻河0.86亿m3/a，酥油口河0.44亿m3/a，黑河干流15.98亿m3/a，梨园河2.50亿m3/a，酒泉马营河1.09亿m3/a，丰乐河0.94亿m3/a，洪水坝河2.55亿m3/a，北大河6.23亿m3/a。有测站的出山径流总量为32.59亿m3/a。此外，无测站的河流有19条，出山径流总量估算约为3.8亿m3/a。部分无测站出山径流量，根据测站控制的集水面积并与邻近有测站河流进行类比，无测站河流的径流量评估为：山丹瓷窑口河0.01亿m3/a，大瓷窑河0.11亿m3/a，大河0.05亿m3/a，水关河0.06亿m3/a，黄草坝沟0.04亿m3/a，涌泉坝沟0.07亿m3/a，观山河0.15亿m3/a，红山河0.17亿m3/a。在整个出山径流中，黑河干流径流量约占总量的45%。
　　黑河属于降水补给型河流，受降水和产流条件的影响，6～9月汛期径流量占全年径流量的70%。如图1-4所示，黑河*大径流量一般出现在7～8月，*小径流量出现在1～2月。受气候变化影响，近20年来黑河出山径流量呈一定的上升趋势。黑河下游水量的季节性分配受中游农业活动的显著影响。4～6月和10～11月为中游农业用水高峰期，正义峡以下地表径流量处于低值。根据黑河干流水文站实测资料，莺落峡站径流量年内分配均呈明显的“单峰型”分布特征，其径流量在6～9月达到峰值，7月达到极大值；而正义峡站则呈“双峰型”或“三峰型”分布特征，其径流量在5月和11月达到谷值，在3月、7～9月到达峰值。20世纪50年代正义峡径流量极大值出现在8月，60年代和80年代出现在7月，70年代、90年代和2000～2009年出现在9月。
　　表1-2 黑河流域10条河流的多年平均（1956～2012年）出山径流量

目录
总序
前言
绪论篇
第1章 黑河流域的生态水文 3
1.1 流域概况 3
1.2 水资源管理与生态水文 11
第2章 流域生态水文模拟的研究进展 19
2.1 生态水文过程的定量研究 19
2.2 流域生态水文耦合模型 25
上篇 HEIFLOW生态水文耦合模型的发展
第3章 HEIFLOW模型概述 33
3.1 研发历程 33
3.2 模型框架 34
3.3 空间离散方式 38
第4章 地表水-地下水耦合模拟 41
4.1 地表水文过程模拟 41
4.2 地下水模拟 53
4.3 河流和湖泊模拟 57
第5章 植被生态模拟 62
5.1 通用生态模块 62
5.2 胡杨模块 67
第6章 水资源利用模拟 79
6.1 水资源利用与管理模块 79
6.2 环境流量约束 85
6.3 基于主体建模的水资源利用与管理模型 86
第7章 可视化建模平台Visual HEIFLOW 90
7.1 平台概述 90
7.2 系统设计与实现 91
7.3 建模功能 97
7.4 系统分析与可视化功能 106
下篇 生态水文耦合模型的应用
第8章 黑河中下游HEIFLOW模型 115
8.1 数据收集与整理 116
8.2 建模过程 120
8.3 参数率定与模拟结果验证 127
8.4 空间异质性和土壤水分层模拟影响研究 134
8.5 本章小结 142
第9章 耦合模型的不确定性分析 143
9.1 概率配点法的数学原理 143
9.2 张掖盆地应用实例 147
9.3 分析结果与讨论 158
9.4 本章小结 164
第10章 生态水文过程的多尺度分析 165
10.1 黑河中下游多尺度水平衡分析 165
10.2 基于多元线性回归的多尺度生态过程分析 172
10.3 尺度依赖的蒸散发过程 173
10.4 尺度依赖的植被生长过程 175
10.5 本章小结 177
第11章 地表水-地下水联合灌溉优化研究 179
11.1 张掖盆地的农业灌溉 179
11.2 代理建模优化算法 180
11.3 张掖盆地灌溉用水配比的空间优化 184
11.4 张掖盆地灌溉用水配比的时间优化 196
11.5 本章小结 212
第12章 水-生态-农业系统关联研究 214
12.1 系统关联视角 214
12.2 灌溉情景设计 215
12.3 生态水文响应 217
12.4 水-生态-农业系统关联的特征 220
12.5 本章小结 222
第13章 水资源调控研究 223
13.1 生态约束下的水资源利用 223
13.2 水资源管理政策组合 233
13.3 黄藏寺水库调度研究 237
13.4 本章小结 244
第14章 展望大数据与人工智能时代 245
14.1 数据 246
14.2 模型 247
14.3 管理决策 247
参考文献 249
索引 264