生态水力学研究
水力学在水利工程中的应用研究
水力学在水利工程中的应用研究水力学是研究液体在运动中的性质和规律的学科，它在水利工程中有着广泛的应用。
水利工程作为一项关系到人类生产生活的基础设施建设，对于合理利用水资源、解决水问题、维护生态环境都起着重要的作用。
水利工程中的水力学研究，旨在深入理解水流的运动规律，为工程设计和运维提供科学依据。
首先，在水利工程设计中，水力学的应用非常重要。
通过分析水的流动规律和特性，工程师可以合理设计水闸、堤坝、渠道和管道等工程设施，确保其安全性和稳定性。
例如，在水闸设计中，水力学研究可以帮助工程师确定合理的闸门开度和闸室尺寸，以控制水流的流量和压力，达到预期的防洪、蓄水和引水效果。
在堤坝设计中，水力学研究可以帮助确定堤身的形状和抗洪能力，从而保证堤坝在洪水冲刷和压力下的稳定。
其次，在水利工程运维中，水力学的应用也至关重要。
水力学研究可以帮助工程师预测和评估水流对工程设施的影响，及时采取措施进行维护和修复。
例如，在水库运行过程中，水流对溢流坝的冲蚀和堆积都会造成一定的影响，工程师可以通过水力学模型研究，提前发现潜在问题，并采取相应的加固和清淤措施。
另外，在排水和给水工程中，水力学研究可以帮助工程师确定管道的流速、流量和压力等参数，并设计合理的管网系统，保证水的正常供应和排放。
此外，水力学研究还可以为水资源管理和生态环境保护提供支持。
水力学研究可以帮助工程师了解河流和湖泊等自然水体的水动力学过程，探索水体的流动规律和水质变化。
通过对水流的模拟和预测，可以更好地管理水资源，实现可持续利用。
同时，水力学研究也可以帮助评估水工程对生态环境的影响，预测水流对河道和湿地生态系统的冲刷和改变，为保护水生态环境提供科学依据。
总之，水力学在水利工程中的应用研究具有重要意义。
通过对水的运动规律和特性的深入研究，可以为水利工程的设计、运维和管理提供科学支持。
水力学的应用不仅能够保证工程设施的安全和稳定，还能够合理利用水资源、解决水问题、维护生态环境，推动社会经济的可持续发展。
水力学赵振兴第三版第二章
水力学赵振兴第三版第二章
引言
水力学是研究水和其他液体的运动规律及其应用的学科。
在人类生产和生活活动中，水力学有着广泛的应用。
水力学赵振兴第三版第二章主要介绍了水力学的基本原理和基础知识，为后续章节的学习奠定了基础。
水力学的研究对象和任务
水力学的研究对象是液体，特别是水和其他常见液体的运动规律。
其任务是通过实验和理论分析，研究液体运动的规律，建立数学模型，为解决实际问题提供理论基础和计算方法。
水力学的基本原理
水力学的基本原理包括流体静力学、流体动力学、边界层理论等。
这些原理是研究液体运动的基础，为解决实际问题提供了重要的理论基础。
水的循环与转化
水在自然界的循环与转化是一个复杂的过程。
太阳辐射能驱动着地球表面的水循环，使水在不同的形态之间不断转化。
水循环对地球的气候、生态系统和人类生活等方面都有重要影响。
水力学的应用
水力学在水利工程、环境工程、土木工程等领域有着广泛的应用。
例如，在水利工程中，水力学可用于研究水库、水电站等水利设施的设计和运行；在环境工程中，水力学可用于研究水污染控制和治理等方面的技术问题；在土木工程中，水力学可用于研究建筑物的抗水灾设计等方面的问题。
1。
河流生物栖息地的生态水文学研究
河流生物栖息地的生态水文学研究陈凯麒;陶洁【摘要】River habitats were classified from three angles of research objects, spatial scales and ecological groups. Four relationships between ecological indicators and hydrological features were discussed.The affection on river biology of hydrological features, such as flow, velocity, water level/water depth, water temperature, and water quality was summed up.Finally, the paper summarized hydrological-hydraulic indicators and suitability assessment methods for river habitat and pointed out the future research directions.%从研究对象、空间尺度和生态群体3个角度对河流生物栖息地进行分类，阐述了生态指标与水文要素间主要存在的4种关系，总结流量、流速、水位／水深、水温、水质等水流要素对河流生物的影响，归纳了目前表征河流生物栖息地的水文水力学指标和适宜性评估方法，并指出未来研究方向。
【期刊名称】《水资源保护》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】6页(P52-56,75)【关键词】河流生物栖息地;生态水文学;生态群体;生态指标;水文要素;水文情势;水文水力学【作者】陈凯麒;陶洁【作者单位】国家环境保护部环境工程评估中心，北京 100012;中国水利水电科学研究院，北京 100038【正文语种】中文【中图分类】X171.4;X143河流是重要的生物栖息地,为众多物种提供生存繁衍的条件,维系着生物的食物链及能量流过程。
河海大学水文院研究生培养方案(2010版)
城市水务(081521)(Urban Water Affairs)学科门类：工学（08）一级学科：水利工程（0815）城市水务隶属于水利工程一级学科，河海大学是全国第一个设置城市水务学科硕士和博士点的大学，从2004年开始招生。
目前有博士生导师3人。
本学科依托河海大学在水利、土木、环境等学科的综合优势，主要涉及城市化地区水文规律分析、水环境及生态保护、水务工程规划、城市水灾害防治、城市水务管理等基本理论研究和技术开发，为城市水利、水务、市政、环境部门以及流域机构培养高层次学术人才。
河海大学已有水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，建设有上海市等水务科研实践基地，为培养城市水务博士研究生提供了有力的支撑。
我校开展城市水务研究已有近三十年的历史，承担了数百项有关城市水务方面的国家攻关项目、国家自然科学基金和部、省级重点科研项目，取得了多项有重要学术价值的科研成果。
一、培养要求培养面向现代化，品行端正，身心健康，具有强烈的事业心和良好的学术道德，在城市水务科学方面掌握坚实宽广的基础理论和系统深入的专门知识，具备独立从事科学研究和专门技术工作的能力并做出创新性成果，适应我国社会主义建设需要的德智体美全面发展的高层次学术型人才。
二、主要研究方向1．城市水循环机理（Urban Water Cycle Mechanism）2．城市水务规划与管理(Urban water Engineering Planning and Management) 3．城市水环境（Urban Water Environment）三、学分要求课程总学分为18学分，其中学位课程12学分，非学位课程6学分，教学环节3学分。
四、课程设置城市水务学科博士研究生课程设置城市水务(081521)(Urban Water Affairs)学科门类：工学（08）一级学科：水利工程（0815）城市水务隶属于水利工程一级学科，河海大学是全国第一个设置城市水务学科硕士和博士点的大学，从2004年开始招生。
生态水力学法在河段最小生态需水量计算中的应用
生态水力学法在河段最小生态需水量计算中的应用第39卷第5期2007年9月四川大学(工程科学版)JOURNALOFSICHUANUNIVERSITY(ENGINEERINGSCIENCEEDITION)V0l_39No.5Sept.2007文章编号:1009-3087(2007)05-0001-06生态水力学法在河段最小生态需水量计算中的应用王玉蓉,李嘉,李克锋,芮建良2(1.1~lJJl大学水2@-~lh区河流开发保护国家重点实验室,四川成都610065;2.华东勘测设计研究院,江苏杭州310014)摘要:以雅砻江锦屏二级水电站建成后造成坝后119km的减水河段为例,用生态水力学法计算了减水河道最小生态流量,得出为满足减水河段鱼类的生存及繁衍,枯水季节猫猫滩闸址处必须保证下泄45m'/s流量,在该流量下,锦屏二级水电站减水河段中95%左右河段水深,流速,水面宽,湿周率,过水断面面积,水面面积等水力因子可满足河道内鱼类的生存繁衍;水温的变化不会影响河道内鱼类的产卵;鱼类适应的缓流,急流,浅滩,深潭等水力形态的位置发生变化,数量保持不变.总的来说,水生生物的生物量将随着河道流量的减小而减少,但种群数量将保持不变.该实例为生态水力学法计算河道最小生态需水量做了一些探索性的研究工作.关键词:减水河段;生态水力学法;生态基流量;雅砻江中图分类号:TV213.2文献标识码:AApplicationoftheEco-hydraulicsMethodinCalculationofEcologicalFlowofRiverW ANGYu—rong,LIJia,LIKe-feng,RUIJian—liang(1.StateKeyhb.ofHydraulicsandMountainRiverEng.,SichuanUniv.,Chengdu610065,Ch ina;2.HuadongSurvey-desi~aInstitute,HantThou310014,China)Abstract:Thelowestecologicalwaterdemandinthe119kmreducingreachofY alongriverdo wnstreamofJinpingwaterpowerstationstagell(JinpingII)asanexampleisstudiedbythemethodofeco—hydraulics.Theresultsindicate thatthelowestecologicaldischargeinthereducingreachinthedryseasonis45m/sinordertom eetthesubsistenceoffish.Intheconditionof45m/sfiverflow,the95%riverchannelscansatisfythehydraulicfact orsforthesub—sistenceoffish.Thesehydraulicfactorsincludewaterdepth,velocity,watersurfacewidth,we ttedperimeterratio,CROSSsectionarea,andwatersurfacearea.Thechangeofwatertemperaturewillnotaffectfi shspawningin45m/s.Theplaceofhydraulicform,whichincludestorrent,subcridcalflow,riffle,deeppeolwillchan ge,buttheiramountremainsabovethesanlein45m/s.Generallyspeaking,asthereductionofriverdischarge,theb iomasswillreduce.However.theamountofanimalcommunitywillremainaslongastheriverdischargeexceeds4 5m3/s.Thisexample seversasanexploringworkincalculatingecologicalbasedonflowinriverchannels. Keywords:reducingreach;eco—hydraulics;thelowestecologicaldischarges;Y alongriver 生态环境需水的理论及方法研究方兴未艾,不收稿日期:2007—03一l5基金项目:国家自然科学基金重大项目(30490231);国家自然科学基金资助项目(50279025)作者简介:王玉蓉(1972一),女,博士生,副教授.研究方向:环境水力学.E-mail:*******************同区域生态需水研究的侧重点有差异,造成不同区域对生态环境需水量的界定不同,计算方法不同.目前,因河流调水,筑坝需水及大规模的梯级开发等人为活动改变了河道原有的水文情势,进而引起河道内水生生态需水问题越来越引起人们的关注,计算河道内水生生态需水的方法主要有水文学法…,2四川大学(工程科学版)第39卷水力学法J,生境模拟法],这些方法是从国外引进的,其经验和部分成果仅供参考,方法的适用性缺乏考证.因此,作者提出了生态水力学法,该法将生物资料与河流流量研究相结合,计算中考虑了水力生境参数的全河段变化情况,所需的生物资料比生境模拟法少,说服力比水文学法及水力学法强,为生态需水量计算方法更好的适应我国实际情况做借鉴.作者在"计算河段最小生态需水量的生态水力学法"J一文中提出了生态水力学法的概念,并对该法中生态水力指标表现形式进行了研究,文中以雅砻江锦屏二级水电站减水河段为例,进行实证分析.计算结果对锦屏二级水电站减水河段鱼类保护,水电站的设计及调度运行提供数据,为计算河道最小生态需水量的生态水力学法做了一些应用性的研究工作.l工程概况雅砻江锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州境内,闸址位于雅砻江大河湾西端的猫猫滩,最大闸高37m,厂址位于雅砻江大河湾东端大水沟处,电站通过4条16.6km的引水隧洞截弯取直引水发电.造成从猫猫滩闸址至大水沟厂址长约119km的河段不同程度减水,经调查,这119km减水河段无航运要求,无生产生活用水需要,地下水对减水河段河水是单向补给,降雨量与蒸发量基本一致,主要面临的问题是119km减水河段水面缩窄,水深变浅,流速趋小,水生生物(尤指鱼类)的生存空间和生存环境受到影响,因此,为保证水生生物的生存及繁衍,必须下泄满足减水河段水生生物系统稳定所需的生态基流量,文中采用作者提出的生态水力学法计算.2河道水生生境描述根据中科院水生生物研究所于2004年实地采集调查和历史资料的记录,雅砻江大河湾段(锦屏一级坝址至二滩水库库尾)实际分布的鱼类有38种,体长300～500mm,体呈纺锤形,大部分为急流冷水鱼,适应急流水环境,小部分适宜缓流水环境,无典型的长距离洄游性鱼类,因此,没有严格的"三场"分布.鱼类繁殖季节最早始于3月,8月终止,集中产卵季节4～6月.产卵繁殖的临界水温是14℃.作者认为雅砻江大河湾段鱼类生境质量影响因素具体表现为流速,水深,水面宽,过水断面面积,湿周,水温等水力因素及急流,缓流,深滩,浅滩等水力形态,其生境适宜的水力参数低限值见表1,具体确定方法见文献[8].表1减水河段鱼类生境适宜的水力参数低限值Tab.1Hydraulicparametersofhabitatrequirementforfishinthereducingreach3河道水力模拟中国水电顾问集团公司华东勘测设计院于2004年1O月期间组织人力测量了猫猫滩闸址至大水沟厂址间119km减水河段大断面;实测了119 km减水河道在2004年1O月31日,11月1日及11 月2日早8点及晚8点的水面线;收集了雅砻江锦屏二级水电站减水河段猫猫滩闸址,大水沟厂址及主要支沟磨子沟,子耳沟,九龙河等平水年月平均流量资料;收集了猫猫滩闸址及大水沟厂址的水位～流量关系曲线;收集了猫猫滩闸址附近洼里水文站的水温资料,锦屏一级水电站逐月下泄水温资料,九龙河口水温资料.通过分析,确定锦屏二级水电站减水河段在不同下泄流量时水深,流速,水面宽,湿周,过水断面面积等因素采用一维明渠恒定非均匀渐变流模型;水温因素的确定在一维明渠恒定非均匀渐变流确定水面线的基础上采用一维温度对流模型.;对鱼类影响较大的急流,缓流,深潭等处三维局部减水河段水力因素模拟采用k—模型.4鱼类生境模拟结果分析锦屏二级水电站猫猫滩闸址处最枯月多年平均流量为315m/s,选择2O,3O,45,60m/s和315m/s下泄流量进行一维水力模拟,计算这些流量情况下减水河道的水力要素变化情况.因文章篇幅所限,仅将枯水期一维计算结果用图表的形式反映.最大水深,平均水深,平均速度,水面宽,湿周,过水断面面积,水面面积,水温等水力因子计算结果详见图1～图8,其中,图1～图6分别表示各水力因子在各分级范围内河段长度占总减水河段长度119km第5期王玉蓉,等:生态水力学法在河段最小生态需水量计算中的应用3 的百分比,急流水,缓流水,浅滩,深潭等生境多样性计算结果见表2～表4.C日20m3/s日30m3/s口45mJ/s口60m3/s口3l5m/s阑__融0.5-I,01.0-I.515-2.02.0-3.03,0--4.04.0--10.0l0.0以上最大水深分级,m图l不同流量时最大水深分级变化Fig.IClassificationchangeofnmsdmalwaterdepthindifferentdischarge仨;一30m/s45m/s60m/sm315m/s目JI口l;i'I口I;g蠢I口li:II{l::一0.3~o.50.5～I.0I.0~202.3.03.O,4.04.0-10.010.0以上平均水深分级,m图2不同流量时平均水深分级变化Fig.2Classificationchangeofaveragewaterdepthindifferentdischargevo.20.2-0.30.3-050.5～1.0I.0-2.02.0--3.03.0-5.5 平均速度分级/(m.5)图3不同流量时平均速度分级变化Fig.3Classificationchangeofaverageflowvelocityin differentdischarge乜lo~3035058080-l20l2l60水面宽度分级,m图4不同流量时水面宽度分级变化Fig.4Classificationchangeofriverwidthindifferent dlsdlarge706O504030口20l05~3030-6060-100'100-200200-800800以上过水断面面积分级/m图5不同流量时湿周率分级变化Fig.5Classificationchangofhydraulicperimeterin differentdischarge706050籁4030l0O～3030-5050-6060-7070以上湿周率分级/%图6不同流量时过水断面面积分级变化Fig.6CIa丘ca60nhangofcrosss刚0nar.豫Of flOWindirentdischarge赠*月份图7不同流量时九龙河入河口上游断面水温年内变化Fig.7Watertemperaturechangeofestuarysectionof Jiulongriverindifferentdlsdllu'gep\赠距坝址距离/m图82月份不同流量时水温沿程变化Fig.8Watertemperaturechangealongthelengthof riverindifferentdischargeinFebruary4四川大学(工程科学版)第39卷4.1水力生境因子最大水深:由图1看出,当流量为315m/s时,减水河段内最大水深集中在2～10m之间,当流量为45,60m/s时,河段内最大水深集中在1—3.0m之间;当流量为2O,30m/s时,河段内最大水深集中在0.5～3.0m之间.当流量为45m/s时,99.7%河段最大水深超过1m,95.1%河段最大水深超过1.5m.这一水深是鱼类体长的2～3倍,能够满足锦屏二级水电站减水河段鱼类的生存需要. 平均水深:由图2看出,当猫猫滩闸址下泄不同流量时,河道内断面平均水深均大于0.3m,满足R2一Cross法中平均水深的要求.在流量为30m/s时,河段内平均水深均大于0.5m,也表明水深不是锦屏二级水电站减水河段鱼类生态需水的制约因素.平均速度:由图3看出,当猫猫滩闸址下泄流量为315m/s时,河段内平均速度集中在0.5～3.0m/s间.当流量为45,60m/s时,河段内平均速度集中在0.3～3.0m/s间.当流量为45m/s时,有lO.7km的河段流速小于0.3m/s,其中,有5.1km的河段流速小于0.2m/s,影响河段占4.24%,这些河段的流速对鱼类生存来讲,将造成一定的影响,但影响范围相对整条河流比例较小,同时,随下泄流量的增加,流速增加幅度减小.水面宽:由图4看出,当流量为315m/s时,河段内水面宽度集中在50～120m之间,其余流量时, 河段内水面宽度均集中在3O～80m之间,这一宽度属中型河宽,无论从景观的角度还是鱼类生存的角度,都是较为适宜的.但当流量为20m/s时,有15.7km河段水面宽度低于30m,比例为l3.22%;流量为45m/s时,河段内有6.22km河段水面宽度低于30m,水面宽较窄河段相对较少,比例为6.22%.湿周:用湿周率表示,湿周率指不同流量下湿周占枯水期多年平均流量时满湿周的百分比.由图5看出,不同流量时,河段内湿周率集中在50%以上,当流量为20m/s时,湿周率在50%以下的河段所占比重为15%,相对较大;流量为45m/s时,湿周率在50%以下的河段所占比重为3.7%,相对较小.过水断面面积:由图6看出,当流量为315m/s时,河段内过水断面面积集中在100～800m之间,其余流量时,集中在30～800m之间,过水面积略有减小,当流量为45m/s时,减水河段内有2.94km河段过水面积小于30m,所占比重为1.2%.水温:由图7看出,锦屏一级运行后,由于其低温水效应,下泄水温较天然河道水温lO月～2月升高,这一点由2月份水温沿程变化图8也可看出.3月～9月降低,最大降温为4月～5月,降幅约1.4～2.1℃.而锦屏二级运行后缓和了锦屏一级的低温水效应.虽然水温寝天然情况低,但仍属雅砻江正常水温范围,该水温变化能满足鱼类产卵对水温的要求.水面面积:由表2看出,流量为20rn3/s时,水面面积是315m3/s时水面面积的64.2%;流量为45rn3/s时水面面积是3l5rn3/s时水面面积的71.6%;流量超过45rn3/s时,水面面积所占比例随着流量的增大而增加幅度减小.当流量由315m/s降到45m/s时,水面面积仅降低28.4%,因此,在45m/s流量时,其水域面积对于鱼类及人类都是可以接受的.表2不同流量时水面面积变化表Tab.2Changeofwatersurfaceareaindifl'erentfliseh~rge 4.2生境多样性因子由表3看出:当下泄流量减小后,其滩及潭变化不大,当流量降到20rll/s时,供鱼类越冬的深潭及供鱼类栖息与摄饵的浅滩依然能满足鱼类的生存.这对水生生物维持原有的生活习性是很有益处的.分析其主要原因为深潭处水很深,当流量减小后,水深减少,但水深基数较大,原来lO～20rll的水深减小3～4rll影响不大.另外,锦屏山河谷整体上为多级阶地,减水河段河岸也表现为多级阶地,当流量减小后,高水位时的浅滩消失,但对应于低水位处又出现新的浅滩.表3不同流量情况下浅滩及深潭个数统计表Tab.3Numberstatisticsofshonlanddeepp0oIindiffer.entdischarge第5期王玉蓉,等:生态水力学法在河段最小生态需水量计算中的应用5由表4看出:水力形态的多样性并没有因为下泄流量减小而消失,水流依然有急有缓,当流量大时,急流水段长度偏多,缓流水段长度偏少,当下泄流量减小后,原为急流水的区域被打断,变为急缓相间,当流量继续减小,全河段变为缓流水,多样性消失,从统计结果来看,即便流量降到20ITI/s时,其水流的多样性依然存在.表4不同流量情况下水力形态段数统计表Tab.4Statisticsofhydraulicformsindifferentdischarge注:?表示某种水力形态河段长度占总减水河段长度的百分比5生态需水量确定其他参数均满足要求,当流量为45ITI/s时,有9%的河段流速小于0.3m/s,其中,有4.24%的河段流由表5看出:当流量为20ITI/s时,有l5%的河速小于0.2m/s,这些河段的流速对鱼类生存来讲,段水力参数中平均速度,水面宽,湿周率不能满足要将造成一定的影响,但影响范围相对整条河流比例求,当流量为30ITI/s时,有lO%的河段水力参数中较小,同时,随下泄流量的增加,流速增加幅度减小.平均速度,水面宽,湿周率不能满足要求,当流量超从水力模拟结果分析,45ITI/s的水量对减水河段过45ITI/s时,水力参数中仅平均速度是制约参数,鱼类枯水季节的需水是基本适宜的.表5不同流量时满足各水力参数河道长度占总减水河段长度百分比Tab.5Thepercentageofsatisfiedhydraulicparametersindifferentdischarge%6结语因研究深度及篇幅所限,本文仅讨论了生态水力学法在雅砻江锦屏二级水电站减水河段枯水期最小生态需水量中的应用,对我国研究河道生态需水量做了一点探索性的研究工作.对于汛期,鱼类面临产卵问题,需要一定流速的刺激,减水河道需要一个水量丰枯过程,故水量应有所增加,但减水河段支沟水量较大,对该需要又是一个缓解,对汛期的需水计算与枯期的需水计算方法相同,需结合模拟结果综合确定.该理论研究将通过今后的实际应用进一步的改进与完善.6四川大学(工程科学版)第39卷参考文献:[1]TenntDL.Instmamflowregimensforfish,wildlife,recrea-tion,andrelatedenvironmentalresources[C]//OmhomJF,AlhuanCH,Eds.ProceedingsofSymposiumandSpecil- ityConferenceonInstreamFlowNeedsII.Bethesda:Ameri—canFisheriesSociety,Maryland,1976:359—373[2]BrtschiDK.Ahabitat-dischargemethodofdeterminingin- streamflowsforaquatichabitat[C]//OrsbomJF,AlhuanCH.Eds.ProceedingsofSymposiumandSpecilityConferenceonI~treamFlowNeedsII.Bethesda:AmericanFisheries Society,Maryland,1976:285—294[3]ChristopherJG,eofwettedperimeterin definingminimumenvironmentalflows[J].RegulatedRiv- ers:ResearchandManagement,1998,14:53—67[4]BoveeKD.Aguidetostreamhabitatanalysisusingthein- streamflowincrementalmethodology[C]//InstreamFlow Information.Washington:USFishandWildlifeService, 1982:67—73[5]BoveeKD.Developmentandevaluationofhabitatsuitabili- tycriteriaforuseintheinstreamflowincrementalmethodol- ogy[C]//InstereamFlowInformation.Washington:USFish andWildlifeService,1986:102—108[6]GoreJA,KingJM,HammanKCD.Applicationofthe instreamflowincrementalmethodologytosouthernfricanriv- ers:protectingendemicfishofthelifantskiver[J].Water 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(编辑张琼)。
城市水网构建中的生态水力调度原理与方法初探
第３ ７卷 第 ｌ 期 １ ２ ００６年 １ １月
文章编号 ：０ １ ４ ７ （０ ６ １ — ０ ３ ０ １０ ～ １９ ２０ ）１ ０６ — ２
人 民 长 江
Ｙａ ｇ ｅ Ｒｉｅ ｎｔ ｚ ｖｒ
Ｖ １３ Ｎｏ １ ｏ ．７． ． １
或恢复岸边湿地 、 河湾 、 急流 和浅滩 ； 为 当地 植物 、 ③ 鱼类 与鸟 类等 动物 的栖息繁衍提供有利条件 ； 湖网 的生态水 力调度设 ④
三角湖典型的受污染水体 ， 有效 而可行 的措施 就是修 复湖泊 最
的生态系统 ， 应用水力生 态学 的理论 和知 识对 湖泊修复 具有重 要 的指导作用 ， 阳 ４湖 区域位置见 图 １ 汉 。 传统水力学 的研究 ， 比较 注重河流输 水的经济性 ， 结果造成 河流断 面的均一 化、 河流渠 道化 、 河流 自然特 征逐渐消失 、 河流 生物多样性减少 。生态水力学要求研究生物和河流水力学特性 之 间的关系 ， 理解河 流生 态 系统 的结构 和功 能 ， 以及 产 生的物 理、 化学 和生物过程 ， 有助 于理解河 流被破 坏的程度 ， 掌握河流
复造成严重后果 ， 达到 良性循环 。
产生的胁迫和压力不 断加大 ， 对河流 的要求 也更高 了。生态水 力学是集水力学 、 学 、 生态 动物学 、 物学和 自然地 理学于一体 ， 植 并且彼此 间相互影响渗透而形成 的一 门新型边缘交叉学科 。它
研究的是河流水流与生物 群落之 间的关 系 ， 述 了水生 生物 的 描
关 键 词 ： 态 水 力 ； 网 ；水 力 调度 ；修 复 方 案 ： 汉 生 水 武
中图分类号 ： ３ １ Ｘ ２
文献标识码 ：Ａ
１ 生态水力学对湖网构建的指导意义
水力学主要知识点课件
水洞实验的主要设备包括水洞、水泵、压力计、速度测量仪等。
实验步骤
首先，开启水泵，使水流通过水洞并测量相关参数；然后，根据 测量结果计算水流的动力学特性和水力性能。
压力管实验基础
实验原理
压力管实验是通过测量压力管中的压力、流量等参数，研究水流 的压力变化和能量损失。
实验设备
压力管实验的主要设备包括压力管、水泵、流量计、压力计等。
实验设备
水槽实验的主要设备包括水槽、水泵、流量计、压力计、速度测量 仪等。
实验步骤
首先，将水槽中的水抽至一定高度，然后开启水泵，使水流通过实验 设备并测量相关参数；最后，根据测量结果计算水力学参数。
水洞实验基础
实验原理
水洞实验是通过测量水洞中的水流状态、压力等参数，研究水流 的动力学特性和水力性能。
现代水力学
20世纪中叶至今，水力学 研究领域不断扩大，涉及 水资源的开发、利用、保 护和管理等方面。
水力学的研究对象和任务
研究对象
水流的运动规律、水与边界的相 互作用以及水对物体的作用力等。
研究任务
为水利工程、土木工程、环境工 程等领域的实际应用提供理论支 持和设计依据。
水力学的应用领域
土木工程
实验步骤
首先，开启水泵，使水流通过压力管并测量相关参数；然后，根据 测量结果计算水流的压力变化和能量损失。
THANKS。
桥梁、隧道、港口、机场等工 程设施的水力学问题分析和设 计。
自然地理
研究地球上水的循环、河流、 湖泊和海洋的动力学特征。
水利工程
水库、水电站、堤防等水利设 施的设计、建设和运行管理。
环境工程
水污染控制、水资源保护、城 市排水和洪水控制等环境水力 学问题。
水力学在生活中的应用及原理
水力学在生活中的应用及原理1. 概述水力学是研究水的运动规律和水的力学性质的学科，它在生活中有着广泛的应用。
本文将介绍水力学在各个领域的应用及其原理。
2. 城市供水系统•水力学在城市供水系统中发挥着重要作用，确保水源能够高效地运送到每个家庭。
•利用水力学原理，可以设计和优化供水管道的布局，以保证水的流量和压力满足需求。
•同时，水力学还能够帮助预测供水系统中可能出现的问题，如水压过低或管道泄漏等，从而及时采取措施进行修复。
3. 水力发电•通过水力发电，利用水的能量转化成电能，是一种可再生的清洁能源。
•水力学原理可以帮助设计和优化水电站的水轮机，以提高发电效率。
•同时，水力学也用于研究水电站对水生态环境的影响，以制定保护措施。
4. 水资源管理•水力学可以帮助科学家和政府决策者了解水资源的分布、流动和利用情况，从而制定合理的水资源管理政策。
•利用水力学模型，可以模拟和预测水资源的供需状况，以便做出科学决策。
•此外，水力学还可以研究和改善水资源的利用效率，以最大限度地提供水资源。
5. 泥沙运动研究•水力学对于泥沙运动的研究具有重要意义，可以帮助预测河流、海岸等地的泥沙沉积和侵蚀情况。
•利用水力学模型，可以模拟泥沙在水流中的运动过程，从而提供有效的防洪和治理措施。
•同时，水力学还可以评估人类活动对泥沙运动的影响，以制定环境保护和土壤保持措施。
6. 水污染控制•水力学可以帮助研究和控制水污染，以保护水资源的质量和可持续利用。
•利用水力学原理，可以研究水体中污染物的传输和扩散规律，从而找到相应的控制措施。
•同时，水力学还可以用于评估和改善污水处理设施的设计和运行效果。
7. 水景设计•在城市和园林中，水景设计常常借助水力学原理，营造出美丽的水景环境。
•利用水力学原理，可以设计喷泉、瀑布等水景元素，使得水流形成美妙的景观。
•同时，水力学还可以帮助设计人员理解水与周围环境的互动关系，达到更好的设计效果。
8. 游泳池设计•游泳池的设计也离不开水力学的应用。
环境水力学
环境水力学环境水力学是一门多学科交叉学科，它集水文学、水质学、河流学、水土保持、河道工程和地理学等诸多学科为一体，综合研究人类活动影响下的河流、海洋、湖泊、水域、湿地等水环境的流体力学特性。
其中的水文学在环境水力学中起着核心的作用，河流水力学则是水文学的一个重要组成部分。
环境水力学研究的一个重要方面是河流的水文特征，比如水流的流出量、流速、深度形态特征以及水力结构参数，它也研究大陆水系的水文特征，比如河流源、分支、汇流等，大陆水系水库、湖泊、河岸水体和湿地联合形成的完整水文系统。
此外，环境水力学还涉及污染扩散、水土保持工程及其影响、水体生物学特性等，旨在更好的管理水系的全过程，减轻人类活动带来的环境污染和环境破坏，保障环境水资源的健康可持续利用。
环境水力学研究中，大量计算和数值模拟都很重要，这些模拟作为研究的重要工具和依据，其作用是建立比较准确的模型来表示水系中河道、湖泊、溪流和管渠、人类活动所造成的环境问题。
通过模型模拟，可以准确描述污染扩散的过程，从而为水环境的管理和保护提供依据。
环境水力学的关注点主要在水体流动环境，也就是水体内部的物质流动，以及水体外部的物质流入和流出。
比如：废水处理设备以及河流污染物的来源及分布状况，这种研究有助于提高环境水质，减少环境污染对生态系统的影响。
环境水力学的研究不仅对水环境的管理有重要的帮助，也为社会利益提供了可靠的服务。
比如把水力学计算与水资源利用进行结合，可以把水力学的理论应用到水利领域，促进水资源的可持续利用，为减少水资源浪费提供科学依据。
环境水力学是关注水环境管理过程中重要的一门多学科交叉学科，它研究和综合利用了水环境中的水文学、水质学、河流学、水土保持、排水工程等多学科知识，以把水资源管理科学、规范有效地运用，减少可能给社会带来的影响。
植物木质部水力学研究进展
西北植物学报,2020,40(12):2157-2168A c t aB o t .B o r e a l .-O c c i d e n t .S i n.d o i :10.7606/j .i s s n .1000-4025.2020.12.2157 h t t p ://x b z w x b .a l l jo u r n a l .n e t 收稿日期:2020-10-15;修改稿收到日期:2020-11-27基金项目:江西省自然科学基金(20171B A B 204008);国家自然科学基金(31701521,31860200)作者简介:王瑞庆(1978-),男,博士,副教授,主要研究方向为植物水力学结构与功能㊂E -m a i l :w _r u i q i n g@163.c o m 植物木质部水力学研究进展王瑞庆,张 莉,郭连金,朱 海(上饶师范学院生命科学学院,江西上饶334001)摘 要:植物为适应陆地环境进化出木质部维管系统,通过水力学机制高效安全的向光合器官长距离运输水分,木质部水分运输对蒸腾㊁气孔运动㊁光合碳同化等生理过程有调控和协调作用,被称为植物生理学的支柱㊂植物水力学作为木质部水分运输的研究内容和手段,已成为整合植物与生态系统功能的中心枢纽㊂该文首先概述了植物水分运输的水力学机制㊁运输系统的局限性,以及木质部结构与功能之间的关系;其次,阐述了木质部栓塞的形成机制并详细介绍了栓塞的诱导方法和测试技术,分析了水分运输系统安全与效率之间的权衡关系,总结了植物对环境的响应和干旱致死的预测模型,讨论了测试技术问题及其引发的当前木质部逆压力修复和指数型木质部栓塞脆弱性曲线有效性的争议;最后,总结了目前植物木质部水力学研究的成果,提出了尚待解决的主要问题,探讨了研究机会与方向㊂关键词:木质部水力学;栓塞脆弱性;安全与效率权衡;木质部修复;水分关系中图分类号:Q 945.17+1文献标志码:AA d v a n c e i n P l a n t X y l e m H yd r a u l i c s WA N G R u i q i n g ,Z H A N G L i ,G U O L i a n ji n ,Z HU H a i (C o l l e g e o f L i f e S c i e n c e s ,S h a n g r a o N o r m a l U n i v e r s i t y ,S h a n g r a o ,J i a n gx i 334001,C h i n a )A b s t r a c t :P l a n t d e v e l o p e d s a f t y a n d e f f i c i e n t x y l e m v a s c u l a r s y s t e m t o s u p p o r t l o n g d i s t a n c e w a t e r t r a n s -p o r t s o a s t o p r o v i d e s u f f i c i e n t w a t e r t o p h o t o t h e s y s i s o r g a n s .X y l e m w a t e r t r a n s p o r t i o n p l a y a n i m po r t a n t r o l e i n t r a n s p i r a t i o n ,s t o m e n t a l m o v e m e n t ,c a r b o n a s s i m i l a t i o n r e gu l a t i o n ,t h e r e f o r e b e t e r m e d b a c k b o n e o f p l a n t p h y s i o l o g y .P l a n t h y d r a u l i c s i s t h e c e n t r a l h u b i n t e g r a t i n g p l a n t a n d e c o s y s t e m f u n c t i o n .T h e p r e s e n t p a p e r s u mm a r i z e d t h e h y d r a u l i c m e c h a n i s m o f w a t e r t r a n s p o r t a n d t h e l i m i t a t i o n o f t r a n s p o r t s ys -t e m i n p l a n t s ,h i g h l i g h t e d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n o f x yl e m v a s c u l a r .T h e f o r -m a t i o n m e c h a n i s m a n d i n d u c e m e t h o d s o f x y l e m e m b o l i s m w e r e d e s c r i b e d .T r a d e -o f f s b e t w e e n s a f e t y a n d e f f i c i e n c y o f w a t e r t r a n s p o r t s y s t e m w e r e a n a l y z e d .T h e m o l e c u l a r b i o l o g y o f c a v i t a t i o n a n d t h e i m p o r t a n c e o f a q u a p o r i n i n x y l e m r e f i l l i n g w e r e d i s c u s s e d .P r e d i c t i o n m o d e l a s f o r p l a n t r e s po n s e t o e n v i r o n m e n t a n d d r o u g h t i n d u c e d m o r t a l i t y w e r e s u mm a r i z e d .T h e m e t h o d o l o gi c a l i s s u e s w e r e i n t r o d u c e d ,a n d t h e d e b a t e s o n t h e v a l i d i t y o f x y l e m a g a i n s t p r e s s u r e r e f i l l i n g a n d e x p o n e n t i a l x y l e m e m b o l i z a t i o n v u l n e r a b i l i t y cu r v e w e r e d i s c u s s e d .F i n a l l y ,a c h i e v e m e n t s i n x y l e m h yd r a u l i c s we r e s u mm a r i z e d ,a n d r e s e a r c h c h a n c e s a n d p r o s pe c t w e r e a l s o d i s c u s s e d .K e y wo r d s :x y l e m h y d r a u l i c s ;e m b o l i s m v u l n e r a b i l i t y ;s a f e t y a n d e f f i c i e n c y ;x y l e m r e f i l l i n g ;w a t e r r e l a -t i o n s4.7亿年前,植物开始向陆地过渡,逐渐进化出越来越高效㊁复杂的木质部维管系统㊂后者确保了植物在陆地相对干旱的条件下,能够维持水分运输的安全性与效率的权衡,以实现光合作用的高碳收益㊂同时,有效促进了植物保持直立生长㊁增加树体高度以争夺更多资源,这从根本上塑造了当今维管植物的形态结构和功能[1]㊂由于植物的水分利用效率很低,固定C O2与蒸腾水分子的摩尔比通常在1ʒ200~400范围[2],所以植物的生存㊁生长需要消耗大量的水㊂通常一棵21m的大树每天最大蒸腾量约在10~200L,而热带雨林中的大型树木可高达1180L[3]㊂植物的蒸腾作用将大约39%的降水返回到大气中,成为全球生态系统中水循环的重要组成部分[4]㊂这些通过植物根系吸收的水在体内运输需要消耗巨大能量,靠主动运输机制无法满足需求,而使植物处于负的能量供应状态㊂维管植物已进化出一种高度特化的长距离水分运输组织,即木质部,通过被动的水力学机制向光合器官提供大量水分,无需代谢能量产生的驱动力参与㊂植物木质部水分运输对蒸腾㊁气孔开闭㊁光合碳同化等生理过程有调控和协调作用[5-6],被称为 植物生理学的支柱 [1]㊂ 植物水力学 作为木质部水分运输的研究内容和手段在植物水分关系中日益占据主导地位㊂植物水力学的早期研究可以追溯到15~16世纪,长久以来,植物水力学研究致力于水分沿植物维管系统运输机制的探索㊂随着Z i mm e r-m a n n[7]的X y l e m S t r u c t u r e a n d t h e A s c e n t o f S a p (1983)一书的出版,该领域研究进入了新的发展时期,通过新的测试技术和模型已在木质部栓塞形成㊁栓塞分隔和复水等方面取得很大进展[8]㊂目前,已对上千个树种的抗栓塞能力进行评估,建立了一系列水力学研究方法,可以更加深入地了解种内和种间水分运输变化,逐渐揭示环境与水分生理调控间潜在的相互作用和反馈㊂一些突破性技术,如x射线断层扫描等无损检测方法的应用,实现了树体原位水分运输与栓塞形成的直接观测,从而进一步深入探测植物水分关系的基本原理㊂同时,参与植物水力学领域的研究者及发表的论文数量呈指数级增长, 木质部水力学 (x y l e m h y d r a u l i c)被几个科学数据统计机构评定为最热门的研究领域之一[9]㊂本研究在阐述植物木质部水分运输的物理机制和结构特点的基础上,重点介绍了植物解剖学㊁生理学㊁生态学㊁生物物理和进化背景下植物水力学的新进展与新理论及存在的主要争议和问题,突出木质部水力学特殊的研究方法和主要技术进展,这些进步可更加深刻地揭示内聚力-张力学说的基本原理以及植物对水分亏缺适应的结构与功能基础,此外还根据现状探讨了植物水力学的研究机会与方向㊂1植物木质部水分运输的物理机制和结构特点1.1水分沿树体上升的水力学基础当前用来解释水分沿树体上升的理论主要是 内聚力-张力 (c o h e s i o n-t e n s i o n,C T)学说[10-11]㊂根据该学说,水分以连续水柱的形式沿着水势梯度从土壤向叶片被动运输㊂驱动水分上升的能量最终来源于太阳,运输水分的驱动力是土壤与大气间的水分自由能差,这种能量差在木质部管腔内产生很大的张力,平衡了木质部内水柱的重力㊁摩擦力和毛细管力并抵抗了土壤孔隙对水的吸附㊂内聚力-张力(C T)学说成立的一个前提是木质部内液流存在显著的负压(张力)和压力梯度㊂通常重力对压力梯度贡献较小,形成的压降(压力差)约为-0.01M P a㊃m-1,即在20m高的树体重力压降约为0.2M P a㊂而最重要的因素是土壤水势,因为木质部液汁压力(P x)必须低于或等于土壤水势植物才能够吸水㊂植物能够生存的典型土壤水势范围约为-10(干燥或盐渍化严重的土壤)~0(湿润土壤)M P a以下,P x的极端负值可低达约-14 M P a[12]㊂影响P x的另一个重要因素是摩擦力,摩擦力通常形成水势梯度(Δψ)的稳态压降,数值等于蒸腾速率(E)与土壤-叶片流动通路的水力导度(K)的比值,即Δψ=E/K[13],数值通常在1~2M P a 之间㊂1.2木质部水分运输的结构基础作为高效的水分运输通道,成熟的木质部由中空的死细胞壁骨架构成,减少了原生质体对水流的阻力㊂木质部管腔直径约5~500μm,管壁次生加厚且木质化以承受其内部大的负压可能引起的坍塌[14]㊂裸子植物的木质部管胞属原始类型,由单个细胞发育而来,长度通常小于1c m,而被子植物导管由一组连续排列㊁协同作用的导管分子发育而来,成熟后它们的共同端壁部分或完全消失,长度在几厘米到数米之间,差异较大[15]㊂导管间或管胞间通过纹孔彼此连接,之间的纹孔膜将相邻管腔分隔㊂虽然纹孔膜对水流产生阻力,但对木质部水分运输的安全性起至关重要的作用㊂8512西北植物学报40卷功能正常的木质部管腔被树液充满,才可以维持蒸腾流㊂如果它们被气体填充,当木质部负压低于一定阈值,空气-水界面由表面张力形成的弯液面无法支持木质部内的负压,水柱就会断裂[16]㊂弯月面在毛细管中可承受的最低负压(P m i n)由下式决定:P m i n=4Γc o s(θ)D c(方程1)式中,Γ为表面张力,θ为液体和毛细管表面的接触角,D c为毛细管直径㊂当压力低于P m i n时,管腔内液体连续性会遭到破坏㊂细胞壁主要成分纤维素和半纤维素是亲水性组分,具有小的θ(<60ʎ)和孔隙(约1~10n m)㊂典型的细胞壁孔隙中,θ=60ʎ时,P m i n值在-145.5(1n m)~-14.5(10n m)M P a 范围㊂而木质部管腔的典型直径范围为5~500μm,其∣P m i n∣通常小于0.03M P a㊂上述数据表明,C T学说所需的毛细管力可以在细胞壁中形成并吸附水分,而导管中产生的毛细管力很小,液体在同一导管内的流动基本不受其束缚㊂管腔之间的纹孔膜有毛细管安全阀的作用,纹孔膜的纳米级孔隙通常足以阻止空气在管腔之间任意传播㊂2植物木质部栓塞发生机制及脆弱性曲线2.1栓塞发生机制根据C T学说,植物木质部管腔内水分呈负压的亚稳定状态且以连续水柱的形式进行运输㊂在受到水分胁迫时,外来微气泡由纹孔膜进入木质部管腔,在负压作用下气泡膨胀充满管腔,造成空穴化(c a v i t a t i o n)破坏水流的连续性,最终使该腔室失去导水能力形成栓塞[17]㊂引起木质部栓塞的因素比较复杂,多数研究将其归因于季节性干旱㊁病原菌寄生㊁物候期变化等[18]㊂2.1.1干旱诱导栓塞形成的气种机制 气种(a i r-s e e d i n g)假说解释了木质部在干旱胁迫下的栓塞形成机制[19]㊂具有正常功能的木质部管腔(树液填充,P x<0)可通过纹孔膜吸入相邻已空穴化管腔内的气泡,形成气种㊂气泡构成了空穴化的核,在负压下逐渐膨胀,直至管腔气穴化形成栓塞㊂气泡通过纹孔膜所需的压力差可通过毛细管方程(方程1)计算[20]㊂针叶树和被子植物纹孔膜结构不同,气种现象的产生略有差异㊂针叶树种纹孔膜由中央空隙小的纹孔塞(t o r u s)和外部环状多孔的塞缘(m a r g o)构成㊂当管胞栓塞时,纹孔膜被推向相邻充满水的管胞,纹孔塞与纹孔边界形成密封结构,避免气体在管胞间扩散㊂当两侧压力差足够大时,气体可穿过密封结构㊁纹孔塞空隙或塞缘上的大孔隙,相邻管胞就会发生气种[21]㊂被子植物纹孔膜结构相对均匀,气种主要通过膜上最大的孔隙或纹孔膜破裂而发生㊂目前气种假说已获得多方面证据的支持㊂理论上,吸引气泡通过纹孔膜所需的负压应等于推动气泡通过同一纹孔膜所需的正压力,正压力诱导栓塞的试验已证明这两个值是一致的[22]㊂通过纳米球测定和扫描电子显微镜(S E M)及透射电子显微镜(T E M)图像分析,已成功估算空穴化压力和纹孔膜厚度及孔隙度之间的相关性[3]㊂使用成像技术和高分辨率X射线断层扫描技术(H R C T)[23]可观测到栓塞导管的空间聚集㊁分布方式,为气种假说预测的栓塞在导管间的扩散提供了有力证据㊂2.1.2冻融交替诱导栓塞根据 融化膨胀 假说,当树液结冰时,溶解的气体会析出并在管腔内形成气泡㊂当树液解冻时,这些气泡可以重新溶解或成核导致空穴化,如果后者发生,则导致木质部栓塞而失去运输功能㊂决定气泡是否溶解的因素主要是气泡内部压强㊁气泡直径㊁树液表面张力和木质部汁液压力㊂在解冻期间较低的树液压力和较大的气泡将加大空穴化机率[24]㊂此外,管腔直径也决定了冻融空穴化的敏感性[25],冻结过程中靠近管壁先结冰液体内的气体先析出,并向中心推进,导管直径大会导致形成较大的气泡,在负压状态解冻时更容易膨胀㊂较细的导管通常需要更低的成冰核温度,因而抗冻融空穴化能力更强[26]㊂影响冻融空穴化的其他因素包括冻融交替的速度㊁循环次数和最低温度㊂融化速度快可以减少气泡溶解时间,产生更大的栓塞[27]㊂冻融循环的次数多可增加气泡的积累,而较低的冰冻温度会因冻结引起水的重新分布,且冰水势与温度相关性会降低,影响了冰冻和气种期间气泡的形成[25]㊂2.1.3病原菌侵染导致栓塞木质部管腔内的病原菌可通过降解㊁阻塞管腔或改变液汁性质而破坏水分在树体的运输㊂榆树枯萎病是由真菌榆长喙壳菌(O p h i o s t o m a u l m i)引起的导管性病害[28],通过导管壁的酶促降解作用可促使气种通过次生壁或弱化的纹孔膜位点进入管腔引起空穴化㊂侵染还可以改变管壁纳米力学特性[29],减少树液表面张力,导致在较小的负压下即可产生气种㊂病原体和降解物可直接阻塞导管,或由榆树作为防御反应产生侵填951212期王瑞庆,等:植物木质部水力学研究进展体和凝胶物质也可导致导水率降低,进一步增强这些效应[30]㊂木质部空穴化导致的干燥缺水是松树枯萎病导致树体死亡的最终原因,其侵染源是松材线虫,感染期间会产生并积累疏水的挥发性萜类化合物,其表面张力低于纯水,使气泡成核并导致管胞的空穴化和栓塞[31]㊂由松树枯萎病引起的空穴化扩散已经通过磁共振成像以及其他技术得到证实[32]㊂2.1.4木质部功能障碍的其他诱因火灾会导致木质部功能障碍而降低㊁减缓树液流动,其机制主要是气种和机械损伤[33]㊂由火灾引起的高温导致细胞壁物质软化与木质部结构变化[34],降低了树液表面张力(方程1),进而增大了树体的栓塞脆弱性[35]㊂此外,火焰形成的热气流增加了蒸气压亏而使蒸腾加速,也会降低木质部压力并诱导气种[34]㊂栓塞也经常由于木质部机械损伤而形成,如落叶㊁根系衰老㊁暴风雨㊁火灾或动物啃食,甚至植物正常生长产生的原生木质的内源性破裂也会产生气种,成为栓塞形成的诱因[3]㊂2.2栓塞脆弱性曲线由栓塞引起的导水率损失可以用脆弱性曲线(v u l n e r a b i l i t y c u r v e s,V C s)表示,该曲线是将导水率损失百分数(p e r c e n t a g e l o s s o f c o n d u c t i v i t y, P L C)随水势下降的关系拟合成的函数㊂V C s及其特征参数P50值(导水率损失50%时的P x)反映了植物木质部对栓塞的抵抗能力及植物对水分的利用能力和效率,是大多数植物水力学研究的核心[3],此处详细介绍了其技术基础㊂建立V C s方法的不同之处在于如何诱导栓塞以及如何量化栓塞㊂2.2.1栓塞诱导技术诱导栓塞的方法主要有3种:自然干燥法㊁空气注入法和离心法㊂自然干燥法可评估整株或离体枝条自然状态下失水至不同P x 时的栓塞程度,这种方法最接近干旱胁迫失水的自然状态,一定程度可避免样品差异引起的测试结果偶然性,且人为引入额外栓塞的几率小,常被称为 基准 方法[36]㊂但栓塞诱导过程不易控制,需要大量样品,工作量相对较大且测试周期长(约1周)㊂空气注入法最早由C r o m b i e等[37]建立,通过一系列设定的正压力来逐步诱导木质部栓塞㊂C o c h a r d 等[38]根据相同原理建立了压力套法,该法将茎段穿过压力套,两端暴露于空气中,通过逐渐增加压力套内的压力来诱导不同程度的栓塞,是目前注气法中最常用的技术㊂该法较自然干燥法容易控制所诱导的栓塞程度,用一个茎段即可建立V C s,缩短了测试时间㊂离心法测试原理是将枝条置于转子经过改造的离心机内,通过转速调节,可以更精确地在枝条内部产生设定的负压来诱导栓塞㊂C o c h a r d等[39]将离心方法进行改进,在离心的过程中,可以同时测定茎段的导水率,用一根枝条就可完成脆弱性曲线的建立,大大提升了测试速度,这种方法被称为C a v i t r o n离心机法㊂C h o a t等[40]对树木抗栓塞能力进行了统计,收集了已发表的1200个关于植物的木质部栓塞脆弱性曲线,用于建立木质部功能特性数据库㊂这些脆弱性曲线中,约95%(不含压力套法以外的注气法)用了上述3种方法㊂其中,自然干燥法占24.4%,压力套法占21.7%,离心法占48.6%㊂由于自然干燥法费时费力,用压力套法和离心法建立脆弱性曲线的比例越来越大㊂2.2.2栓塞测量技术目前已开发出多种技术来测定木质部栓塞㊂栓塞程度通常用导水率损失百分数(P L C)衡量,P L C=1-K i/K m a x,K i为植物材料自然导水率,K m a x为去除栓塞后的最大导水率㊂常用的测定植物导水率(K)的方法是低压液流计法,通过测定一定压力下液体通过材料木质部的流速(K=流速/压差)来测量[41]㊂而高压液流计常用于阻力比较大的植物材料(例如根㊁叶柄)的导水率的测定,但由于施加较大压力,存在逆转栓塞的可能,进而高估了栓塞植物的K值㊂K还可以通过叶片蒸腾来诱导水分流动进行测定[42]㊂完整植株K可通过液流量除以土壤-叶片压降计算,该方法可以测量带叶片的离体枝条或单个叶片的K值,也可以建立整个植株的V C s[43]㊂然而,该技术可能由于木质部外渗透途径导致的K值变化引起人为栓塞㊂染色法是量化栓塞的另一种重要方法,当染料流过具有疏导功能的导管时,后者就会被染色,因而该法还可以判断哪些导管仍然具有疏导功能㊂当进行双重染色测定时(即在栓塞修复前㊁后分别进行染色),还可以确定非功能性导管是否因空穴化而栓塞或被凝胶和侵填体等永久堵塞㊂染色法的局限性是样品制备过程中染色液可能会发生扩散㊂无损影像技术在研究木质部系统功能和树液流动状态上表现出较好的应用前景㊂这些技术包括磁共振成像(M R I)㊁高分辨率X射线断层扫描(H R C T)和中子射线放射显影等,它们可观察到完整植株和离体茎段中的栓塞导管㊂在这些方法中,使用最广泛的是具有高分辨率优势的H R C T㊂另一种新的光学方法还可以通过评估由空穴化引起的0612西北植物学报40卷光透射影像的快速变化来可视化栓子通过叶脉网络的时空扩散[44]㊂然而,这些技术往往受样品的尺寸㊁类型等的限制,且难以准确测量木质部水势和其他生理指标㊂此外,这些方法很难区分功能性导管与未成熟导管或被填充物堵塞的导管[45]㊂其他技术还包括一些基于声学原理㊁气流检测等测定空穴化的发生㊂声波发射(A E )监测是用于测量空穴化的最早的方法之一,该技术中V C s 通常被绘制为各压力P x 下累积的A E 百分比[46]㊂A E 方法可进行无损测定,但仅提供木质部栓塞的间接证据,因为无法量化每个A E 产生P L C 的值,而且除了空穴化之外很多其他因素也可能产生A E[47]㊂另一组技术基于流经样品的气流来评估栓塞和构建V C s㊂单导管空气注入法记录了气泡通过导管端壁产生的气体压力,将V C s 绘制为各压力下气种的累积频率[48]㊂近期有人通过测定枝条切口末端气流速度测试了脱水枝条的栓塞状况[49]㊂2.2.3 曲线的类型与拟合 目前已建立的不同树种V C s 中,典型的主要有s 形和指数型(r 形)两大类(图1)㊂s 形曲线意味着栓塞在一定负压(数值为张力的负数)范围保持较低的水平,直到一定阈值,随着负压继续下降,栓塞迅速升高至100%附近㊂而指数型V C s 的木质部栓塞在负压开始降低时,就开始快速升高,是高度栓塞脆弱性类型㊂上述两种类型的曲线都可以利用单威布尔函数进行拟合[50]:图中为两种典型的木质部栓塞脆弱性曲线,实线为s 形,虚线为r 形(指数型)㊂s 形曲线表现出具有一定范围的安全边际(灰色区域),此压力范围内栓塞程度很低图1 木质部栓塞与负压的关系S c h e m a t i c t w o t y p i c a l s h a p e s o f V C s :s i gm o i d a l w i t h s o l i d l i n e a n d e x p o n e n t i a l w i t h d a s h e d l i n e .S i gm o i d a l c u r v e s d i s p l a y a s a f e r a n g e o f p r e s s u r e (g r e y zo n e )w h e r e c a v i t a t i o n r e m a i n s l o wF i g .1 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n x yl e m e m b o l i s m a n d n e ga t i v e p r e s s u r e P L C 100=1-e x p -T bc(方程2)式中,T 为张力(负压力),b 和c 是威布尔常量,其中b 是当最大导水率(K m a x )下降63.2%时对应的P x 值,c 是曲线的斜率㊂P 50值通过公式P 50=b [l n (2)]1/c计算㊂还有少量树种介于两者之间呈现直线形或双s 形等,后者可以通过双威布尔函数进行拟合[51]㊂V C s 形状主要取决于木质部特征,其他一些因素如植物材料测试前是否复水等也会产生影响㊂3 木质部安全性与效率权衡木质部安全性指抵御栓塞形成与扩散的能力,效率指木质部水分运输能力,二者对植物具有重要的生理与生态学意义㊂效率高可以满足更大的蒸发量,进而提高光合效率,植株生长快㊁产量高㊂效率高还意味着运输相同的水分只需要形成较少的木质部,降低了木质部形态建成的消耗,因而叶片/木质部面积比高㊂更好的安全性则允许植物在更低的水势环境生存,或在相同的P x 下遭受栓塞的几率更小㊂安全性好的植物仅需相对少的根系生长投入,具有耐盐碱性,且在一定程度缺水时仍可保持一定的气孔开放进行C O 2固定㊂现实中,木质部栓塞的安全性往往会降低木质部的水力传导效率,从而降低适宜条件下的生长速率和竞争力[52],该现象被称为水力学 安全性与效率 的权衡㊂有数据显示P 50的绝对值与K m a x 存在负相关性(但相当微弱),支持了这一假说[53]㊂木质部安全性与效率的权衡是由纹孔特征及木质部立体结构特点决定的㊂纹孔特征,如膜厚度㊁膜直径㊁腔室深度和孔径大小是安全性和效率的决定因素㊂对于被子植物,当导管上具有更多的纹孔对和纹孔膜或具有大型纹孔时,端壁透性大,因而更容易栓塞㊂木质部性状,如导管尺寸大㊁导管间连通性强及连接程度高都是被子植物运输效率高的重要特征[54],也可能导致安全性降低㊂与此类似,在裸子植物中,纹孔尺寸以及纹孔塞和塞缘的相对尺寸(即重叠程度)与安全性相关[21]㊂然而,木质部管腔的端壁纹孔数量差异很大,且木质部抗栓塞能力还与其他性状有关,使安全性与效率之间的权衡更加复杂㊂例如,大型高效的导管也可以不通过端壁与其他导管相连来保持安全性,而是将它们与小导管或管胞甚至 纤维桥 连接起来[51],其多种端壁形式大大降低了大型导管之间气种传播的可能性㊂对于藤本植物,木质161212期 王瑞庆,等:植物木质部水力学研究进展部安全性与效率之间的权衡相对较弱,其水力学效率发挥着主导作用且与植株形态㊁功能特性关系密切[55]㊂植物木质部水力学安全性还受气孔调节的影响㊂不同树种或基因型根据气孔对水分亏缺敏感性及气孔调控的程度和策略不同,可分为等水调节行为(i s o h y d r i c b e h a v i o r)和非等水调节行为(a n i s o-h y d r i c b e h a v i o r)两大类[56]㊂等水调节行为受严格的气孔控制,在中度缺水的情况下,它们即减少蒸腾和碳同化㊂相比之下,非等水调节树种在一定范围能够保持更长时间的蒸腾作用(即气孔开放),进而更长时间地保持正碳平衡[57]㊂通常,气孔关闭和蒸腾调节发生在栓塞启动之前[58]㊂对于冻融交替诱导的栓塞而言,安全性与效率之间的权衡更为直接㊂冰冻诱导栓塞的脆弱性随着导管直径的增大而增加,与理论预期一致㊂根据H a g e n-P o i s e u i l l e方程,导管管腔的导水力随其直径增大呈4次方增加,因此,对冰冻诱导的栓塞的抵抗必然以管腔导水效率为代价㊂这种权衡与环孔材树种直径大的导管更容易受冰冻威胁的总体趋势一致[59]㊂除了栓塞安全性之外,安全性与效率权衡的机制还包括机械安全性㊂抗栓塞能力强,意味着管腔内部可能经历更大的负压,因而管腔也必须更坚韧,具有更大的厚度-跨度比[60]㊂管壁厚度的上限因限制了其强度而限制了导管直径进而限制了K m a x[61]㊂这种强度与效率之间的权衡可能是针叶树种P50与K m a x关系的主导因素[62]㊂针叶树种木质部比重大,管胞可占95%以上(体积比),因而管腔强度和木材强度高度相关㊂被子植物导管比重通常小于20%,导管特性与木材特征间关系有更多的变数,剩余的80%主要是纤维和木质部薄壁组织,也会对密度㊁强度㊁水分储存和木质部填充产生较大影响㊂不同的森林类型和功能类群植物的安全性与效率权衡可能存在较大差异,甚至植物可能调整整体的抗旱策略,导致在木质部不存在水力权衡关系㊂总之,木质部结构和功能的多重权衡涉及了多种策略,这样即使解剖上存在很大差异,生态上也接近了平衡,是自然选择的结果[63]㊂4植物干旱致死的水力学模型全球已有大量关于干旱胁迫引起的树木枯萎和死亡的报道,目前已提出3种主要的干旱致死机制:木质部维管系统水力功能障碍㊁碳饥饿以及由于受胁迫引起植物的活力降低而导致的病虫害侵染㊂对不同环境或物种而言,起主要作用的机制可能存在差异,三者也可能同时发生[64-65]㊂其中,水力系统功能障碍或损伤是与干旱死亡率最相关和普遍认同的因素[9,66]㊂然而,也有一些研究表明,在严重干旱条件下木质部抗性非常强的树种存活率并不总是最高[12]㊂这与所有树种不论生境如何都保持大致相似的水力学安全边际相一致,部分原因是植物通过气孔控制蒸腾和木质部水势进行的调节,使木质部水势维持在栓塞产生以上来降低导水力的损失[67]㊂此外,气候干旱可以在同一地区的物种之间诱导差异很大的P x值,这主要是由于活动生根区分布位置(如深浅等)差异,与水文介导的土壤水分分布有关㊂因此,为了预测树种对干旱的脆弱性,至少需要明确其V C s,根系分布及气孔对环境的响应,后者决定了蒸腾(E)和木质部负压(P x)㊂由于气孔运动受土壤湿度㊁大气蒸气压亏㊁光照和C O2浓度等多种环境因素的影响,其调控机制模型非常复杂,目前还远未完善㊂因此,与气孔调节相关的生态系统或陆地表面系统的模拟通常采用经验模型,需要根据树种和环境因素进行校准㊂这些模型预测效果相对有限,并且在干旱条件下往往表现不佳[68]㊂另一种方法假设光合与蒸腾消耗之间的权衡受气孔运动的调节,因而可利用光合与蒸腾建立气孔运动调控模型,但由于缺乏蒸腾消耗的定量模型,使模拟进程受阻[69]㊂植物V C s和相关的水力学理论的发展使蒸腾消耗能够被量化为栓塞和根际干旱引起的水力功能障碍的风险,新的优化模型利用土壤到叶片V C s来计算一定时间的 供水函数 (E与P x关系)㊂该模型明确了当气孔开放和E上升时,植物降低水力学功能损失的机制[70]㊂供水函数结合叶片能量平衡和光合作用的生化模型,可用于计算同期相应 即时碳增益 函数,当相对增益与相对水力风险二者差值最大时,植物气孔导度及E㊁P x㊁同化速率A达到最佳[71]㊂这种相对简单的优化模型可预测在各种环境条件下(光㊁C O2㊁土壤干旱程度㊁大气湿度的组合)的气孔响应趋势,且无需明确气孔的调控机制㊂该方法表明,植物水力学研究可以提供环境因子和气孔响应之间的 缺失环节 ,以改善地表模型的预测[72],由于可以预测植物水力障碍的程度,从而预测了死亡风险㊂5植物水力学领域的主要争议目前在植物水力学领域存在两个主要的争议,2612西北植物学报40卷。
长江科学院水力学研究所
长江科学院水力学研究所水力学研究所创始于1951年10月，是长科院最早建立的专业研究单位之一。
下设枢纽与电站水力学研究室、灾害水力学研究室、高速水流与通航水力学研究室、环境与生态水力学研究室和综合室。
现有职工52人，其中教授级高工10人，高级工程师31人，博士及硕士28人。
水利部“5151”部级人才1人，“湖北省新世纪高层次人才”5人，“全国水利技术能手”2人，“湖北省青年岗位能手”1人。
曾荣获湖北省五一劳动奖状。
图/汉阳沌口科研基地图/宜昌前坪科研基地研究条件：拥有汉口九万方、汉阳沌口和宜昌前坪三处科研基地。
全所共有常规试验大厅10座、水工程环境试验大厅1座(国内最大鱼道水力学研究设施，具备水温调节、鱼类养护等试验条件)、大型减压箱3座、多功能波浪水槽1座，拥有非恒定流控制水槽、粒子图像测速仪(PIV)、大范围表面流场测控仪、无人机等先进的室内试验和野外观测设施设备数百台套。
此外，还拥有包括激光切割机床、数控雕刻机等高精密设备在内的试验模型制作车间，是国内水力学研究领域专业最全、规模最大的研究机构之一。
研究方向：枢纽布置与消能防冲、泄洪雾化预测及防治、滑坡涌浪模拟及测量、水利工程生态响应机理和影响评价、水库生态调度方法与补偿机制、鱼类洄游通道研究与设计、水库分层取水理论及调控技术、河流底栖动物研究、生态护坡研究与设计、钉螺扩散防治技术、高速水流与空化空蚀及减蚀措施、闸门水力学及流激振动、电站水力学、施工导截流、通航水力学与船模、计算水力学及水力学安全监测、近海岸水动力学、调水工程水力学、节水规划及技术、核电及火电工程冷却水研究，滑坡涌浪、山洪泥石流、堤坝溃决等灾害水力学问题、城市洪涝灾害风险分析、环境生态水力学、景观水力学、冰水力学问题、饮用水保护区划分、水环境污染与治理、地下水示踪探测、市政管网水力学、水库淤积及库区漂浮物治理与控制等。
【国家自然科学基金】_生态水力学_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140731
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2011年 科研热词 过鱼设施 水力学 鱼类保护 高粱 非稳定流抽水试验 雅砻江甘孜段 阻力因子 野外试验 鄱阳湖 运行效果 资源节约 资源型城市 资料缺乏区 综合指数 紫花苜蓿 研究进展 电压依赖型阴离子通道 生态效应 生态护坡 生态影响后评价 生态修复 生态保护 环境监测 热脉冲技术 热传输 流速垂向分布 河流 沙棘植物 水源 水流通量 水杨酸 水文地质参数 水头损失 水力学参数 水利枢纽 水分利用效率 横向流速分布 模糊评价 植被群落 根系吸水 指标体系 拟南芥 循环经济 径流 影响 干旱适应性 干旱区生态系统 塔里木河输水 坡脚流速 土颗粒启动流速 可持续发展 农村安全供水工程 推荐指数 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
科研热词 梯级水库 中华鲟 甲基汞 环境水力学 湿周法 河流水温 乌江流域 鱼类生长 鱼类产卵场 高坝 颗粒侵蚀 非线性方程组 青铜峡灌区 阿哈水库 长江 重金属 遗传算法 过饱和 设置深槽 计算模型 索风营 紊动能 筑坝拦截 秸杆覆盖 磷 硫同位素 知识管理 知识发现 生源要素 生态需水量 生态水力学 生态护坡 猫跳河 灌溉 灌区耗水 溶解态硅 源汇效应 温度分层 温室气体 流速 洪家渡 河流泥沙 河流水化学 河流修复 河床演变 沉积物 汶川地震 水环境响应 水环境 水头损失 水均衡模块 水化学分层
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 ห้องสมุดไป่ตู้4 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
生态—水力学法在山区小型引水电站最小下泄流量计算中的应用
１ 前 言
水力学法［ 。生态一水力学法虽然在理论上得到了快
速 的发 展 ， 未见有 文献对 其分类 、 用性 进行 系统 总 但 适 结和分 析 。此 外 ， 态一 水 力 学法 之 前 多 应用 于大 中 生 型河流 的 Ｍ ＷＤ计 算 ， 引水 式 电站 多建 于 山 区小 型 Ｅ 而 河流上 ， 因此 该法 在 小 型 引水 式 电站 的 Ｍ Ｒ Ｄ Ｆ确 定 中 是否适 用也存 在 疑问 。
ｎｎ法 的结果 差异 度为 ８６％ ， 合理 ； ａ ｔ ． ３ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 生境参数标准值对计算结果 影响显著 ； 在选择 合适 的参 数和参 数标准值 的前提 下 ， 生态一
水力学 法适 用于 山区小型河流 。 关键词 ： 引水式 电站 ； 最小 下泄流量 ； 生态一 水力学法 ； 宽浅型河道
中图分类号 ： 嗍
ｗ ｔｒ ｅｇ ｔＷｌ ｓ ｌｒｔ ａ ｆｂｓｄＯ ｅ ｎ ｎ ｎ ｎｈ Ａ ｓｒｎ ｅ Ｓｃｎ ｌ， ｅｓ ｎ ａｄｖｌｅ ｆｈ ｂｔｔ ｎ ｉａｏｓｉｆ ｅ ｃｄｔｅＭＥ Ｄ ａｅ ｉｈ Ｉ ｉ ａ ｔ ｔ ａｅ ｎＴ ｎ ａ ｔ ｄＭｏｔ ｓｕａ ｃ ； ｅｏｄｙ ｔ ｔ ｄ ｒ ａｌ ￥ｏ ａｉ ｄｃｔｒ ｎ ｕ ｎｅ Ｗ ｈ ｌ ｍｉ ｏ ｈ ｏ Ｓ ａ ｈ ａ ｌ ａｉ ｌ ｈ
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水系水动力学特征及应用研究
水系水动力学特征及应用研究第一章水系水动力学概述水系是指一定流域内的水体相互联系而成的自然环境系统，由于其复杂性和多变性，水系水动力学分析与研究是实现水资源合理利用、生态修复和洪涝防控等的重要手段之一。
水动力学研究基于运动力学、流体力学等学科，涉及对水流的流态区划、流体数值计算、河床反应、颗粒运动等方面的研究。
第二章水系水动力学特征分析2.1 水文特征水文特征是指在一定的时间和空间范围内，自然界中河流水文过程变化的特征。
水文特征的确定可以为水系的建模、调度等提供有用的信息。
主要包括水位、流量、降雨、蒸发等指标。
2.2 河床特征河床特征是指水系内河床地物的组成、结构和变化特征。
河床特征的研究可以为防洪、治理水土流失等提供参考依据。
2.3 水力学特征水力学特征是指河流内水流运动的特征。
水力学特征的研究有助于深入了解水流的状态，为综合管理和治理提供基础数据和有效手段。
第三章水系水动力学应用研究3.1 洪涝防控洪涝是自然灾害中较为常见的一种，针对洪涝问题，水系水动力学的应用主要有以下几个方面：（1）采用数值模型进行洪水预测和防御规划；（2）深入了解洪涝水文、水力等特征，制定有效的治理方案；（3）通过合理的水利调度和工程治理，减轻洪水危害并防止洪涝灾害的发生。
3.2 水力发电水力发电是一种可再生能源，对于满足能源需求和环境保护至关重要。
水系水动力学的应用可以为水力发电提供可靠的数据支持和技术保障。
3.3 航运和港口建设水系作为航运和港口建设的重要基础，水动力学研究也成为航运和港口工程设计的重要组成部分。
在航运和港口建设方面，水系水动力学可以为港口进出口航道的设计、计算和规划提供定量的数据分析和技术支持。
第四章水系水动力学未来发展趋势水系水动力学在未来的发展中面临着许多挑战和机遇。
随着科技的不断进步，数据采集和处理技术、水动力数值计算技术等将逐步完善，水系水动力学研究也将更加深入和精细。
同时，人类社会对水资源的需求和保护意识的不断提高，则对水系水动力学的研究和应用提出了更高的要求。
生态水力学
1.2 生态水力学的发展过程
1994年8月 挪威 第一届国际生境水力学会议 1996年6月 加拿大 第二届国际IAHR生境水力学 会议 1999年7月 美国 第三届国际生态水力学会议 2002年3月 南非 河流系统环境流体会议暨第四届 生态水力学会议
1.3 生态水力学的研究方法
生态水力学的研究涉及到水力学、河流动力学 及水生态系统中物理、化学及生物过程。 目前 的研究方法大多可归结为两大类，一类是以大 量现场测试数据或室内水槽试验数据为基础的 统计分析方法。另一类是将水文学与水力学， 形态动力学（morphodynamics），动植物 栖息地品质（habitat quality）以及物种生长 进化联系起来的混合模拟方法。
2.1 水生态系统基本概念
生态（Eco—）一词源于希腊文oikos，其意 为“住所”或“栖息地”。后发展成一门独立 的学科Ecology。1895年，日本帝国大学首先 将Ecology译为生态学，后经武汉大学张挺教 授介绍到我国，一直沿用至今。 早期生态是指一切生物的生存状态。但随着研 究的深入，人们发现生态研究不能把生物从其 特定的、形成物理系统的环境中分隔开来，因 而提出生态系统概念。
酵母菌 真 菌 霉菌
2.2.1.4 非生物环境
非生物环境包括参加物质循环的无机元素和化合物 （如C、N、CO2、O2、Ca、P、K），联系生物和 非生物成分的有机物质（如蛋白质、糖类、脂类和 腐殖质等）以及气候或其它物理条件（如温度、压 力等）
太阳能（光）、CO2
N、P营养物质及无 机物
浮游植物
2.2.1.3 分解者
水利水电工程中的水力学与水文学研究进展
水利水电工程中的水力学与水文学研究进展水利水电工程作为现代社会基础设施建设的重要组成部分，对于水资源的合理利用、能源供应以及防洪减灾等方面发挥着至关重要的作用。
而水力学与水文学作为水利水电工程的基础学科，其研究进展对于工程的规划、设计、施工和运行管理具有重要的指导意义。
水力学主要研究液体在各种流动状态下的力学规律，包括水流的运动特性、能量转换、阻力特性等。
在水利水电工程中，水力学的应用广泛，如大坝泄洪、渠道输水、水电站引水和尾水系统等。
近年来，随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展，水力学的研究取得了显著的进展。
计算流体动力学（CFD）技术的应用使得对复杂水流现象的模拟更加精确和高效。
通过建立数学模型，能够对水流在水工建筑物中的流动情况进行详细的预测和分析，为工程设计提供了有力的支持。
例如，在大坝泄洪过程中，CFD 可以模拟不同泄洪方案下的水流形态、流速分布和压力变化，从而优化泄洪设施的设计，确保大坝的安全运行。
此外，实验研究方法也在不断创新和改进。
新型的测量仪器和技术，如粒子图像测速技术（PIV）、激光多普勒测速技术（LDV）等，能够更准确地测量水流的速度场和湍流特性，为水力学理论的验证和发展提供了更可靠的数据。
水文学则主要研究地球上水的发生、循环、分布和运动规律，以及水与环境、人类活动的相互关系。
在水利水电工程中，水文学的任务是为工程提供可靠的水文数据和分析成果，如设计洪水、径流过程、水资源量等。
在水文数据的采集和监测方面，现代技术的应用大大提高了数据的精度和时效性。
遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS）的结合，使得能够对大范围的流域进行快速、准确的监测和分析。
通过卫星遥感图像，可以获取流域的地形、植被覆盖、土壤湿度等信息，为水文模型的建立和参数率定提供基础数据。
水文模型的发展是水文学研究的重要方向之一。
从传统的经验公式法到概念性水文模型，再到基于物理过程的分布式水文模型，模型的精度和适用性不断提高。
环境水力学的研究进展与发展趋势
环境水 力学 是 一门新 兴 学科 ， 研究 内容 尚在 其
探索 与发 展 中。广 义 地 讲 ， 环境 水 力 学研 究 与环 境
有 关 的水力学 问题 ， 水污 染 、 除 水生态 问题 外还 有许 多 其 它方 面的 问题 ， 水 土 保 持 、 道 冲淤 、 如 河 洪水 破 坏作 用、 冰凌 水 力学 等 等。美 国 环境 与 水资 源研 究 所 环境水力 学技术 委 员会 提 出“ 环境 水 力 学 特 别着 重 于将物理 因素 （ 动力学 、 沙输 移和 地形条 件 ） 水 泥 、 化学 因素 （ 保守与 非保 守 物质 的传 输 、 应动 力学 和 反 水 质） 和生 物 因素 （ 态学 ） 为 一个 系统来 进 行研 生 作 究 ”１ ＿。从 与水 污染有 关 的水力 学 问题 来 说 ， Ｊ 环境水 力学 主要研究 地 面 及 地 下水 域 中物 质 的 扩 散 、 移 输
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环境水 力学的研究 进展 与发展趋势
李玉梁， 李 玲
１０ ８ ） ００ ４ （ 清华大学水利承 电工程系 ， 北京
摘要 ： ２ 纪 ７ 对 ０世 ０年代 以来 环境水 力 学的主要 进 展及研 究 内容进 行 了综 述 ， 出 当前 环境 水 力 学发 展 的 两 指
算方法（ 有限差 、 有限元、 有限体积等） 和计算网格 系
作 者 简 升 ： 玉 桨 （９ ７ ’ 男 ． 李 １３ — ． 四川 兴 文 ＾ ． 授 ． 士 生 导 师 ． 要 占事 环 境 水 力 学 研 究 与 教 学 。 教 博 主 Ｌ
的专 家 系统 ， 用 于对 可 能 的初 始 混合 情 况 进 行 筛 适 选。自２ 纪 ８ ｏ世 ｏ年 代后 期 以来 ， 国 污 水 排 江 排 我 海工 程有 了很 大 的发展 ， 总 结 国 内外 污染 混 合 区 在 计 算 的基础上 ， 国也 出版 了这方 面 的专著 Ｌ，Ｊ 我 １２ 。 ９￣ ３ ｃ 使 时 均流 场 与 物 质 浓 度 场 控 制方 程 封 闭的 ．
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生态水力学研究浅述
【摘要】生态水力学是水利科学发展到较高阶段出现的新兴学科，近年来由于包括水利建设在内的人类活动规模不断扩大，对于自然生态系统所产生的胁迫和压力不断加大，某些地区出现了严重的生态环境恶化的事例。
【关键词】生态环境水力学水利科学环境恶化
生态水力学作为一门独立学科被提出来，目前基本上还处于摸索与融合的阶段，国内外尚未统一的定义标准。
本文认为，其主要研究对象不仅是水流的力学特性，还包括水流条件对生态系统的影响，反过来生态环境又会影响水力特性的改变。
欧美一些国家开展生态水力学领域的研究约始于20世纪70年代。
他们的成功经验为我国有效开展生态水力学研究提供了有益的帮助。
我国生态水力学研究大约始于20世纪90年代初。
一水利建设导致生态环境恶化的主要表现
第一，大规模的水坝建设使得水库对河川径流的调节能力日益加大。
有些流域的水库调节库容接近或超过河川的多年平均径流量，以至造成水坝下游河流水量的减少，甚至干枯。
这将造成下游河床的萎缩，对河流生态系统造成毁灭性的灾害。
同时，水坝的建设造成水流连续性、河床连续性、生态连续性的破坏，并且在上游大面积的淹没土地，大量移民又造成了许多新的环境问题。
第二，河流的防洪标准不断提高使得河流两岸的堤防越来越高，致使河流两岸的洪泛区域与河流的水循环分离，河流两岸的湿地消
失。
由于地下水得不到河流的补充，使得两岸广阔的洪泛平原的生态状况日益恶化。
第三，大量兴建的水资源开发工程造成流域水资源的过度开发利用，结果导致流域地下水位下降、地表河流和湖泊萎缩、植被干枯，生态环境恶化。
在近海地区由于地下水位降低导致海水入侵，造成地下水污染。
二水利工程建设对流域水循环的影响
概括来说，大量的水利工程建设对流域水循环的影响主要表现在以下方面。
第一，流域水循环的短路化。
大量的水利工程建设导致流域水循环的速度加快，降雨产生的汇流的速度加快，大量的水利工程建设使得流域降雨能够快速地汇入河道，泄入大海，结果导致流域内地下水得不到补充，地表生态环境恶化。
第二，流域水循环的绝缘化。
洪水只在大堤的范围内流动，不再泛滥，使得河流两岸的广大洪泛区不再受到洪水的侵扰，但是同时也失去了洪水对地下水的补充和清洗。
流域的水循环与河流的水循环分离。
第三，流域生态系统的孤立化。
流域的水绿生态网络被切断、阻隔，流域内的生物群落被局限在某一固定区域，不能自由移动，生物链捕食和交配不能正常进行，造成生物群落的退化和灭绝。
三近年来国内生态修复方面的生态水力学研究成果
近年来，对于保护生物多样性和流域社会可持续发展的认识不断
被接受，提出了对遭受破坏的生态系统进行修复的新课题。
世界上越来越多的国家和地区开始重视恢复流域的自然特征，着手恢复河流的多自然特征，我国一些流域也先后提出了生态修复的目标。
目前，生态水力学的研究课题中比较注目的成果简述如下。
第一，湖泊水生态系统的修复。
我国人口密集区的大多数湖泊目前出现了由于污染造成的湖泊富营养化现象，即由于磷、氮类营养盐大量进入湖泊造成湖泊内藻类异常增殖，水体生产力提高，水质恶化。
对湖泊的治理除了控制污染源外，最有效可行的措施就是修复湖泊的生态系统。
目前在我国的洱海、滇池、太湖等地区都在开展生态修复的试点工程。
如湖滨带的生态修复、湖周湿地的生态修复等。
湖流对营养盐的输送、湖流对湖泊内泥沙的输移、湖流对底泥污染物释放量的影响，以及综合各类研究成果建立的水域富营养化模型等都是生态水力学中的热门课题。
目前类似的课题已经有很多。
第二，恢复河流自然特征的研究。
传统水力学的研究比较注重河流输水的经济性，结果造成河流断面均一化、河流渠道化，河流自然特征逐渐消失，河流生物多样性减少。
目前，在恢复河流自然特征的研究中正开展着创造河床的滩—潭交互结构、近岸的洄流结构，创造适合特种生物生存和繁殖的流场等方面的研究。
第三，以河流生态系统优化为目标的水利工程调度研究。
以往的水利工程调度大多只考虑水资源优化、水能经济优化等目标，没有将下游的水环境和生态环境优化作为调度目标，虽然达到了经济优
化的目标，但也损坏了下游的生态环境。
近年来结合下游河流环境、生态需水量的研究提出了以下游生态环境优化为目标的水库调度
研究，增加了水库的生态环境调度功能，被称为生态型水库。
第四，洪水资源化的研究。
传统水利认为洪水只是一种灾害，近来逐渐认识到洪水不仅是灾害，还是一个生态过程，通过洪水泛滥补充地下水、恢复湿地、清洗河流、改良土壤等，因此不能完全消灭洪水。
这方面的研究有：有控制的人工洪水调度、与溢流堰结合的堤防设计、利用洪水的地下水回灌等。
第五，湿地修复技术研究。
湿地的恢复需要适当的水流条件，不同的湿地植物群落，需要相应的水深、流速、水温等。
在湿地恢复过程中要注意流场的控制，以满足湿地生态修复的要求。
第六，植物群落对水中营养盐降解的机理研究。
水中的营养盐在进入水生植物系统后经过沉降、微生物分解、根系吸收等环节，使水体内营养盐的浓度降低，达到净化目的。
上述过程与流场关系密切，如水深、流速、水体滞留时间等，目前多是通过现场的实地实验确定各种参数，试图建立数学模型。
第七，水域微流场的研究。
各类水生动物的繁殖和栖息往往要求极为严格微流场环境，如流速缓慢的回流区、静水区、掺气充分的急流区等，为了解决鱼类洄游，设立的鱼道。