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| 編輯推薦： |
《水文科学的挑战与机遇》可供从事水文科学研究、水利工程及水资源管理的有关技术和决策人员使用和参考.承担与水相关的研究及工程任务或对水文科学在地球表面科学中的应
用感兴趣的人员也会发现《水文科学的挑战与机遇》具有重要的参考价值.同时,《水文科学的挑战与机遇》还可供本科生和研究生了解水文科学领域的发展和应用并在选择研究焦点时获得启示和指导.9787030422682
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| 內容簡介： |
《水文科学的挑战与机遇》是美国国家研究理事会NationalResearchCounciloftheNationalAcad-emies,NRC2012年出版的Challengesand Opportunitiesinthe Hydrologic Sciences一书的中文译著.NRC于1991年出版了里程碑式的《水文科学的机遇》OpportunitiesintheHydrologicalSciences 一书,对美国以及全世界范围的水文
科学的发展产生了极其深远的影响.《水文科学的挑战与机遇》回顾了1991年之后20年以来水文科学的巨大进步以及该学科与相关地球科学和生命科学的协同研究情况;确立了能够
推动水文科学发展的新机遇,以增进对水循环的认知程度,进一步改善环境质量、造福人类.《水文科学的挑战与机遇》主要内容包括水文科学的三大挑战:①水循环:变化的驱动因子;
②水与生命;③人类和生态系统所需的清洁水.
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| 目錄：
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译者前言
序言
概论1
第一章水文科学16
什么是水文科学?17
技术与科学进展20
跨学科35
水文科学:未来展望39
参考文献44
建议阅读46
第二章水循环:变化的驱动因子48
引言48
研究机遇50
结语81
参考文献82
建议阅读86
第三章水与生命89
引言89
研究机遇90
结语124
参考文献126
建议阅读130
第四章人类和生态系统所需的清洁水132
引言132
研究机遇134
结语160
参考文献161
建议阅读164
第五章水文科学:前进之路165
科学挑战166
教育问题169
提供研究支持的各种资助模式的重要性172
转化水文科学:通过更广泛影响取得成功的关键184
结语188
参考文献190
建议阅读191
附录A为?水文科学的挑战与机遇?一书作出贡献的人员193
附录B?水文科学的挑战与机遇?作者小组成员简介195
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| 內容試閱：
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概论
丰富的液态水使得地球在几乎所有已发现的银河系行星中独树一帜.水流塑造了我们行星表面的地貌形态，并将溶质和沉积物从高山携带至深海.水是天气和气候系统中不可或缺的元素.水决定了生物圈的形态?生命历程中选择的种种策略以及植被的生产力，究其根本，正是水控制了生物圈内的光合作用速率.水不仅是种类繁多的水生生物栖息的家园，也是陆生生物不可或缺的资源.明晰水在生物圈中的存储和运动过程对于探究生物圈的物理结构?化学组成?生物多样性以及生产力等方面有着重要意义.因此，不难想象研究地球科学和生态系统的学者为何如此着迷于水流及其所带来的影响等基本问题.
尽管水资源是可更新资源，但并非取之不尽?用之不竭.纵观历史，人类文明曾因丰富的水源而繁荣?为获得水源而建造了一个个工程奇迹，但也曾因水资源匮乏而崩毁.今天，人类对环境的影响远远大于过去，而这些影响带给我们极大的挑战.全球人口增长导致农业?工业和生活用水需求的大大增加，随着水资源萎缩，世界上部分地区已不能维持水资源的可持续利用.气候变异?土地用途改变以及人口增长都对我们星球的水资源带来不断变化的压力.在很多地区，获取安全的水源仍是一个巨大的挑战.由于水量减少?水质恶化，淡水生物的物种灭绝速度达到了最高水平，而水文科学正是研究解决这些复杂挑战的核心关键.
水文科学已经发展成为一门独特的地球科学分支学科，旨在探索与理解所有尺度上与环境中的水循环运动以及地球上水与气候和生物之间的相互作用，而1991年美国国家研究理事会NationalResearchCouncil的报告.水文科学的机遇.在一定程度上推动了这一趋势.这些探索与理解一方面得益于对科学的好奇心，另一方面得益于利用知识解决一系列关键社会问题的那种渴望.这些社会问题要么与水直接相关，要么与水对人类福利和环境造成的影响直接相关.在过去的20年里，化学分析仪器领域的科技进步带来先进的水文过程观测手段?新型传感器的发展?遥感和地球物理方法的应用以及飞速提高的大型计算能力和水文模型等，使我们对水文科学获得了诸多新的认知.今天，水文科学成为地球科学重要且具有独特特征的组成部分，它不仅将大气?陆地?海洋联系在一起，更促进了人们对地球上生命的认识和理解.水文科学的本质决定了这门学科立足于自身与地球科学其他分支学科的交融上，如大气科学?生态学和生物学等，如此孕育了一批新的前沿交叉学科，如水文气候学?水文气象学?地球生物学?水文生态学?水文地貌学?生态地貌学和地球表面动力学等.水文科学是这些交叉领域的核心，借助这些交叉领域的发展水文科学也在其中不断得到更新与充实.
美国国家科学基金会要求美国国家研究理事会提交的报告需包含两方面的内容:①回顾水文科学及其分支领域的现状以及该学科与相关地球科学和生物科学的协同研究情况;②确立出能够推动水文科学发展的新机遇，以增进对水循环的认知程度，从而用于进一步改善环境质量?造福人类专栏S.1.
专栏S.1
任务书
本研究项目将确立水文科学的发展机遇和面临的挑战，包括:
1回顾水文科学及其分支领域的现状以及该学科与相关地球科学和生物科学的协同研究情况;
2确立出能够推动水文科学发展的新机遇，以增进对水循环的
认知程度，从而进一步改善环境质量?造福人类.其目标是发现那些可以充分利用新技术能力的新研究方向，而不
是评估NSF或其他单位的现有项目.产生的研究报告无需包括预算建议.具体来说，本研究项目将:
◆确立水文科学及其相关学科中新出现的重要问题;
◆评估当前研究模式如何影响水文科学解决新出现的重要问题的能力;
◆确立水文科学取得重大进展的需要，以及科研与教育机会等;
◆评估以下方面的现有能力以及加强这些方面的机遇:观测系统?数据管理?建模能力?支持水文科学持续发展所需的协同合作以及它们与具有具体使命的各个政府机构之间的关系和所带来的价值，同时反过来，这些政府机构的观测系统如何与水文科学发生更多的关联，并对其作出贡献.
为此，美国国家研究理事会NRC成立了“水文科学的挑战与机遇”小组来主持本书的编写.本书对象主要是水文领域尤其是研究界，包括学术机构以及来自私营机构和联邦政府机构的科研人员和工程师尤其是美国国家科学基金会的水文科学项目或相关的其他地球科学项目?对水资源研究和水资源政策感兴趣的决策人员以及承担地球科学和水资源相关任务且对水文科学在地球表面科学中的应用感兴趣的人员.读者对象还包括研究生和本科生，供其在该领域选择研究焦点时寻找启示?了解该领域的应用并获得指导.虽然主要对象是水文科学界，书中所描述的水资源面对的机遇与挑战相当复杂且十分宽泛.因此，本书还呼吁其他学科的参与，为其他学科与水文科学家和工程师的合作提供机遇并作出贡献.
一个科学挑战的特点是，不管是从认知好奇心的角度还是从造福人类角度来看都是刻不容缓的.我们的星球所面对的水资源相关问题中存在着众多此类科学挑战.过去的水文科学知识如何帮助我们为未来做好准备?我们的星球是否正面临着冰面缩小与沙漠面积增加?生物气候带
将如何演化?无论何时何地，是否有足够的清洁水能满足人类和生态系统的各种需求?生态系统到底需要多少水?我们能否评价并管理水质来保护人类和生态系统的健康?
小组得出的结论是未来十年内关键的水文科学挑战将由三个主要方面构成:水循环:变化的驱动因子?水与生命?人类和生态系统所需的清洁水.针对每一个主要方面，小组都列举了一些最具挑战性的概念并指出一些重要的研究领域，以期获得进展;在下文中各方面的主要信息都以黑体显示.21世纪的水文科学是一个相当宽泛的研究领域，它不仅包含了.水文科学的挑战与机遇.里定义的所有传统意义上的水文科学，更延伸至传统上属于其他研究领域以及相关分支学科.如上所说，这一研究领域亟待与其他相关学科进行整合与合作，同时吸收来自其他学科与分支学科的研究成果.书中内容涵盖物理水文科学，包括物理水文学?地形地貌学?古水文学和气候科学等;生物水文科学，包括生态水文学?水生态学?生物地球化学?土壤学和湖沼学;化学水文科学，包括水文化学和水文地球化学.这三个主要研究领域相互交错互相影响，反映出水文科学界及其他地学领域正面临着与水相关的错综复杂的挑战.这三个主要方面融合成为目前由“好奇心”和“实际问题”共同驱动的研究.这两股驱动力同样重要.
1991年出版的.水文科学的机遇.奠定了水文科学领域的基石，而本报告则强调了不仅要进一步发展水文科学，而且要在已有基础上拓展这门学科的跨学科研究潜能.在概要中无法列出每个章节包含到的所有科学研究细节，对更多总结性内容感兴趣的读者可查看每个章节的结论部分.
水循环:变化的驱动因子
水是一种动态的媒介，其作用对于形成现今世界以及影响其未来演化的那些过程至关重要.此外，人类活动对水循环过程的干预改变了水在地球上的动态角色.水循环中的各个阶段和状态之间相互关联互相作
用，若有一个环节受到人类活动影响，则这一影响会随后传递给水循环中的其他环节.自水文科学创立以来，了解水在整个地球系统中过去?现在和未来各个阶段内的物理作用已成为该领域的主线.通过努力，目前我们已经取得了一些进展.而这些进展恰恰也指明了已有认知与具有挑战性的新研究机遇之间有待我们跨越的鸿沟，只有抓住这些机遇我们才能在不断变化的环境中了解水循环的动力学过程.这些挑战跨越了一系列不仅与物理水文学还与其他学科和分支学科相关的问题，如地貌学?古水文学和气候学.
在相互竞争且不断加剧的人类活动例如，农业需水?基础公共设施建设以及“水能关系①”等的影响与干预下，水循环被不断改变和重塑.同时，气候变化也能改变水循环，例如，全球降水增多以及由此引起的地表径流改变;而地表水文也能够反过来影响气候，如通过蒸散发过程的改变.传统水循环的研究目前也必须将人类活动视作一个重要且可识别的影响因素，这也与地球科学领域所提出的地球正在进入“人类世②”地质时代的观点相一致.这种全球范围的重塑已经影响到并将持续影响水资源的可用量和分布.水文科学界所面对的一个挑战是认识水循环重塑作用，例如，城市扩张引起下游的一系列问题，或者因气候变化造成的水灾和旱灾严重程度?持续时间以及发生频率的改变，并将该认识用于对未来的预测.
水通量与水资源?能源以及生物化学循环相互联系?相互作用，且受到人类对水循环影响的制约.对气候学和关键水通量平均时空分布特点即大范围的蒸散与地下水通量的认知，还存在着根本性的差距.进一步了解连接水循环各要素的过程以及人类对水循环影响同样重要.这就要求获取直接信息，用以解释蒸散与地下水通量的形式与动力学过程.
遥感测量?基于地面的测量及模拟都是增进这一了解的重要工具.
定义水通量的过程发生在跨度极大的一系列尺度上，如湍流阵风?大天气系统?形成溪流的第一滴水以及形成流域盆地的复杂河网系统.过去的几十年不仅见证了一些重大科研进展，如理解并模拟水文过程的时空变化，包括降水?土壤水分?基流等，而且更重要的是看到了在多尺度范围内描述这种变化的概念框架的发展——从物理学?现象学和统计学等角度——称为尺度转化理论.考虑到缺乏全天候及全流域观测数据，而且基于物理过程的分布式水文模型要求大量数据进行校准与验证，有了这种尺度转化理论不仅具有理论意义，而且也有巨大的实际重要性.存在挑战的方面还包括小尺度山坡过程如何与大尺度河网系统相互作用，从而决定水文响应.考虑到在重叠尺度上的相互影响会以微妙的方式改变水文格局，其中的挑战在于明晰这种微妙变化与河川径流流态改变的因果关系以及认知这些改变带来的生态环境影响.
缓慢变化的低温层和海洋条件是驱动气候系统在长时间尺度发生改变的主要因素.同时，气候系统会迅速转变为与以往完全不同的新运动模式.这两个方面都会造成显著的水文变化.我们对急剧气候变化①在短时间尺度上的水文响应以及缓慢变化的自然气候行为的水文响应的了解还远远不足.这方面的认知对于综合预测未来水文变化情景至关重要例如，径流量和补给.古气候记录可以提供自然气候改变引起的水文条件合理变动范围的信息.
万物因水而改变——从地球的深部动力学过程到地表的地貌景观演化再到生命的潜能.因此当我们在探索其他星球的时候，一个重要的目的就是量化该星球的水和其他液体物质的储量和动态.这不仅是为了探究星球是否有生命迹象存在，也是为了了解整个星球的运转方式.我们
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