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森林水文--过程管理与评价 版权信息
- ISBN：9787030733061
- 条形码：9787030733061 ; 978-7-03-073306-1
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
森林水文--过程管理与评价 内容简介
图字：01-2022-0542号本书广泛收录了世界知名的教授学者、工程技术专家与管理决策人员在森林水文理论、技术、管理与应用等方面的研究成果，内容涵盖了从苔原、泰加林、高海拔山林到热带森林等不同气候与植被环境的森林水文研究，汇集了特别事件、野火、滑坡、气候变化等自然与人为干扰对下垫面过程影响的近期新成果。 本书可供生态水文、水资源工程、林学、土地资源管理、气候气象等相关领域的科研、技术、管理人员与高校相关专业的师生阅读使用，书中的森林水文基本理论可为当代森林水文过程研究、流域管理、环境影响评估等提供参考。 First published by CAB International in UK in the year 2016.C CAB International and USDA,2016.All rights reserved.No part of thispublication may be reproduced in any form or by any means,electronically,mechanically,by photocopying,recording or otherwise,without the priorpermission of the copyright owners.
森林水文--过程管理与评价 目录
目录
译者序
原书序
1 森林水文学导论 1
1.1 什么是森林水文学？ 1
1.2 森林水文学的发展 1
1.2.1 历史前身 1
1.2.2 水文迷思时代 2
1.2.3 小流域观测时代 3
1.2.4 巨大的进步：配对流域实验 3
1.2.5 迅速增加的配对流域实验 4
1.2.6 “闭合”水量平衡 6
1.2.7 寻找实验替代方案 7
1.2.8 掌握流域的径流动态 7
1.2.9 水文过程线分析—“绝望的水文学家的*后一招” 8
1.2.10 森林火灾和流域水文学 11
1.2.11 集成时代和布德科（Budyko）公式时代 12
1.3 森林水文学所面临的挑战 13
1.3.1 0.8的诅咒 13
1.3.2 我们注定要依靠经验主义才能有预测能力吗？ 14
1.3.3 气候变化与森林水文学 14
1.3.4 新的观测技术 14
1.3.5 集成度更高的建模 15
1.3.6 严格的假设检验 15
1.4 森林水文学的未来 15
参考文献 16
2 森林径流过程 20
2.1 引言 20
2.2 非线性、连通性和阈值 23
2.3 过程分布 25
2.3.1 截留 25
2.3.2 森林地面水流 27
2.3.3 非饱和基质和饱和基质 28
2.3.4 大孔隙和土管 29
2.4 小结 31
参考文献 33
3 森林蒸散在不同尺度上的监测与模拟 38
3.1 引言 38
3.1.1 了解生态系统过程 39
3.1.2 建立水量平衡 40
3.1.3 了解气候变化、变异和反馈 40
3.1.4 区域生态系统生物多样性建模 41
3.2 蒸散过程 41
3.2.1 冠层和枯枝落叶截留 41
3.2.2 蒸腾 42
3.2.3 根系水力再分配：土壤-根系处的水分交换 43
3.2.4 总蒸散 43
3.3 直接测定蒸散 45
3.4 蒸散间接估算 48
3.4.1 基于潜在蒸散的方法 48
3.4.2 蒸散经验模型 49
3.5 未来发展方向 51
3.5.1 对气候变化的响应 51
3.5.2 缺水环境中蒸散的管理 51
3.5.3 随时随地观测蒸散 52
3.5.4 新一代生态水文模型 52
参考文献 53
4 山区和雪源流域森林水文 61
4.1 引言 61
4.2 积雪过程 62
4.2.1 海洋性气候 63
4.2.2 大陆性气候 64
4.2.3 进行森林管理，提高产水量 64
4.3 森林与雪崩 66
4.3.1 雪崩特征剖析 66
4.3.2 雪崩对森林的影响 68
4.3.3 森林对雪崩的影响 68
4.3.4 雪崩和水文循环 69
4.4 陡峭流域的水文过程 70
4.4.1 雨源水文系统与雪源水文系统的异同 70
4.4.2 入渗过程和径流过程 71
4.4.3 土壤持水量 72
4.4.4 基岩渗透性 73
4.4.5 地形 74
4.4.6 土壤水分初始状况 75
4.5 气候变化对流域过程可能产生的影响 76
4.6 小结 77
参考文献 77
5 欧洲视角的森林水文学 83
5.1 引言 83
5.2 洪水与森林的保护作用 87
5.3 干旱与森林的相互作用 89
5.4 与森林相关的欧盟管理政策 90
5.4.1 欧洲森林政策的演变 90
5.4.2 政策对森林水文学的影响 92
5.5 新出现的问题 94
5.5.1 饮用水和地下水保护 94
5.5.2 水资源短缺 95
5.5.3 滑雪道和山地度假区的径流 95
5.5.4 气候变化 96
5.6 适应性和水敏性森林管理 97
5.7 挑战与未来研究需求 98
5.8 致谢 101
参考文献 101
6 热带森林的水文特征 106
6.1 引言 106
6.2 泛热带气候特征和森林类型 107
6.3 泛热带蒸散 108
6.4 泛热带径流的形成 112
6.5 研究需求 116
6.6 致谢 118
参考文献 118
7 洪泛森林和湿地森林的水文特征 124
7.1 引言 124
7.2 降水补给形成的森林湿地 125
7.2.1 北部雨雪地区 126
7.2.2 南部只降雨的地区 128
7.3 地下径流过多而形成的森林湿地 129
7.4 降水补给湿地和地下水补给湿地的水文实例 130
7.5 地表径流补给形成的森林湿地 138
7.6 小结 144
参考文献 145
8 森林排水 150
8.1 引言 150
8.2 森林排水的用途和影响 152
8.3 排水系统及其功能 156
8.4 长期森林排水与水资源管理案例研究 161
8.4.1 排水林地的基本水文过程 161
8.4.2 控制排水对人工松林水文的影响 162
8.4.3 采伐、台床整地和种植对水文的影响 163
8.5 森林排水仿真模型的应用 164
8.6 小结 166
参考文献 167
9 森林系统中的水文模拟 171
9.1 引言 171
9.2 模型的功能性和复杂性 172
9.2.1 林地和土壤水分函数 172
9.2.2 降雨-径流函数 173
9.2.3 模型的参数化 174
9.2.4 模型功能与复杂性的权衡 175
9.3 模型的选择 176
9.4 模型诊断和评估 176
9.5 森林水文模型示例 178
9.5.1 流域和样地模型 178
9.5.2 生态系统模型 182
9.5.3 地下水模型 182
9.5.4 地表-地下耦合模型 186
9.6 小结与结论 187
9.7 免责声明 188
参考文献 188
10 地理空间技术在森林水文学中的应用 194
10.1 引言 194
10.2 地理空间技术在森林水文过程管理中的应用 196
10.2.1 森林覆盖制图和变化分析 196
10.2.2 森林土壤水/湿度估算和森林湿地分析 198
10.2.3 森林植被和生物量地图的绘制 200
10.2.4 森林蒸散的估算 201
10.2.5 森林水文所引起的地质灾害分析 203
10.2.6 森林溪流水质管理 205
10.3 利用地理空间技术支持模拟森林水文过程 206
10.4 森林水文管理中的新技术 207
10.5 结论 207
参考文献 208
11 大流域的森林覆盖变化和森林水文 214
11.1 引言 214
11.2 大流域森林覆盖变化和水量的关系 216
11.3 研究方法 218
11.3.1 水文建模 218
11.3.2 突变点和双累积曲线 219
11.3.3 基于敏感性分析的方法 220
11.3.4 简单水量平衡法 220
11.3.5 时间趋势法 221
11.3.6 托姆-锡林（Tomer-Schilling）框架 222
11.4 未来的研究重点 223
参考文献 223
12 森林管理的水文效应 228
12.1 引言 228
12.1.1 年产水量 229
12.1.2 洪峰流量 231
12.1.3 枯水流量 232
12.2 森林火灾的影响 233
12.3 昆虫和病害的影响 233
12.4 未来的调查方法 234
12.4.1 单一流域研究 234
12.4.2 回顾性研究 235
12.4.3 嵌套流域研究 235
12.4.4 统计方法 235
12.5 小结 236
参考文献 236
13 火灾后的森林水文 243
13.1 引言 243
13.2 火灾对土壤的影响 244
13.2.1 土壤渗透 244
13.2.2 土壤疏水性 244
13.2.3 土壤蓄水 246
13.2.4 枯枝落叶层/腐殖层 246
13.2.5 土壤的空间变异性 247
13.3 火灾对植被的影响 247
13.4 火灾对流域响应的影响 248
13.4.1 降水 248
13.4.2 地表径流/坡面流 248
13.4.3 河川径流 249
13.4.4 洪峰流量 250
13.4.5 基流 250
13.4.6 水质 251
13.5 火灾对产沙量的影响 252
13.5.1 土壤侵蚀 252
13.5.2 泥石流 253
13.6 稳定和恢复 254
参考文献 255
14 美国实验林参证流域的水文过程 261
14.1 引言 261
14.2 流域描述 267
14.2.1 卡里布布克溪（Caribou-Poker Creek）研究流域（CPCRW），阿拉斯加州参证子流域C2 267
14.2.2 卡斯帕溪（Caspar Creek）实验流域（CCEW），加利福尼亚州北福克（NF）参证流域 269
14.2.3 考维塔（Coweeta）水文实验室（CHL），北卡罗来纳州参证流域WS18 269
14.2.4 费尔诺（Fernow）实验林（FnEF），西弗吉尼亚州参证流域WS4 270
14.2.5 弗雷泽（Fraser）实验林（FrEF），科罗拉多州东圣路易斯（ESL）参证流域 271
14.2.6 H. J. 安德鲁斯（H. J. Andrews）实验林（HJAEF），俄勒冈州参证流域WS02 272
14.2.7 哈伯德布鲁克（Hubbard Brook）实验林（HBEF），新罕布什尔州参证流域W3 272
14.2.8 马塞尔（Marcell）实验林（MEF），明尼苏达州参证流域S2 273
14.2.9 圣迪马斯（San Dimas）实验林（SDEF），加利福尼亚州参证流域Bell 3 274
14.2.10 桑蒂（Santee）实验林（SEF），南卡罗来纳州参证流域WS80 275
14.3 水文过程的讨论 275
14.3.1 流量历时曲线 275
14.3.2 长期平均日流量 277
14.3.3 影响水文的其他流域特征 277
14.3.4 水文过程的意义 278
14.4 小结 278
参考文献 280
15 森林水文科学在21世纪流域管理中的应用 285
15.1 引言 285
15.2 预计未来几十年将发生的生物物理和社会经济变化 286
15.3 21世纪维持流域生态系统服务的管理对策 289
15.3.1 管理物种组成和林分结构来优化产水量 289
15.3.2 更大的空间尺度上的管理 292
15.4 结论和建议 294
参考文献 295
16 北部高纬度地区泰加林的水文特征 302
16.1 引言 302
16.2 北方森林特征和生长条件 303
16.3 文献综述 304
16.4 局地
译者序
原书序
1 森林水文学导论 1
1.1 什么是森林水文学？ 1
1.2 森林水文学的发展 1
1.2.1 历史前身 1
1.2.2 水文迷思时代 2
1.2.3 小流域观测时代 3
1.2.4 巨大的进步：配对流域实验 3
1.2.5 迅速增加的配对流域实验 4
1.2.6 “闭合”水量平衡 6
1.2.7 寻找实验替代方案 7
1.2.8 掌握流域的径流动态 7
1.2.9 水文过程线分析—“绝望的水文学家的*后一招” 8
1.2.10 森林火灾和流域水文学 11
1.2.11 集成时代和布德科（Budyko）公式时代 12
1.3 森林水文学所面临的挑战 13
1.3.1 0.8的诅咒 13
1.3.2 我们注定要依靠经验主义才能有预测能力吗？ 14
1.3.3 气候变化与森林水文学 14
1.3.4 新的观测技术 14
1.3.5 集成度更高的建模 15
1.3.6 严格的假设检验 15
1.4 森林水文学的未来 15
参考文献 16
2 森林径流过程 20
2.1 引言 20
2.2 非线性、连通性和阈值 23
2.3 过程分布 25
2.3.1 截留 25
2.3.2 森林地面水流 27
2.3.3 非饱和基质和饱和基质 28
2.3.4 大孔隙和土管 29
2.4 小结 31
参考文献 33
3 森林蒸散在不同尺度上的监测与模拟 38
3.1 引言 38
3.1.1 了解生态系统过程 39
3.1.2 建立水量平衡 40
3.1.3 了解气候变化、变异和反馈 40
3.1.4 区域生态系统生物多样性建模 41
3.2 蒸散过程 41
3.2.1 冠层和枯枝落叶截留 41
3.2.2 蒸腾 42
3.2.3 根系水力再分配：土壤-根系处的水分交换 43
3.2.4 总蒸散 43
3.3 直接测定蒸散 45
3.4 蒸散间接估算 48
3.4.1 基于潜在蒸散的方法 48
3.4.2 蒸散经验模型 49
3.5 未来发展方向 51
3.5.1 对气候变化的响应 51
3.5.2 缺水环境中蒸散的管理 51
3.5.3 随时随地观测蒸散 52
3.5.4 新一代生态水文模型 52
参考文献 53
4 山区和雪源流域森林水文 61
4.1 引言 61
4.2 积雪过程 62
4.2.1 海洋性气候 63
4.2.2 大陆性气候 64
4.2.3 进行森林管理，提高产水量 64
4.3 森林与雪崩 66
4.3.1 雪崩特征剖析 66
4.3.2 雪崩对森林的影响 68
4.3.3 森林对雪崩的影响 68
4.3.4 雪崩和水文循环 69
4.4 陡峭流域的水文过程 70
4.4.1 雨源水文系统与雪源水文系统的异同 70
4.4.2 入渗过程和径流过程 71
4.4.3 土壤持水量 72
4.4.4 基岩渗透性 73
4.4.5 地形 74
4.4.6 土壤水分初始状况 75
4.5 气候变化对流域过程可能产生的影响 76
4.6 小结 77
参考文献 77
5 欧洲视角的森林水文学 83
5.1 引言 83
5.2 洪水与森林的保护作用 87
5.3 干旱与森林的相互作用 89
5.4 与森林相关的欧盟管理政策 90
5.4.1 欧洲森林政策的演变 90
5.4.2 政策对森林水文学的影响 92
5.5 新出现的问题 94
5.5.1 饮用水和地下水保护 94
5.5.2 水资源短缺 95
5.5.3 滑雪道和山地度假区的径流 95
5.5.4 气候变化 96
5.6 适应性和水敏性森林管理 97
5.7 挑战与未来研究需求 98
5.8 致谢 101
参考文献 101
6 热带森林的水文特征 106
6.1 引言 106
6.2 泛热带气候特征和森林类型 107
6.3 泛热带蒸散 108
6.4 泛热带径流的形成 112
6.5 研究需求 116
6.6 致谢 118
参考文献 118
7 洪泛森林和湿地森林的水文特征 124
7.1 引言 124
7.2 降水补给形成的森林湿地 125
7.2.1 北部雨雪地区 126
7.2.2 南部只降雨的地区 128
7.3 地下径流过多而形成的森林湿地 129
7.4 降水补给湿地和地下水补给湿地的水文实例 130
7.5 地表径流补给形成的森林湿地 138
7.6 小结 144
参考文献 145
8 森林排水 150
8.1 引言 150
8.2 森林排水的用途和影响 152
8.3 排水系统及其功能 156
8.4 长期森林排水与水资源管理案例研究 161
8.4.1 排水林地的基本水文过程 161
8.4.2 控制排水对人工松林水文的影响 162
8.4.3 采伐、台床整地和种植对水文的影响 163
8.5 森林排水仿真模型的应用 164
8.6 小结 166
参考文献 167
9 森林系统中的水文模拟 171
9.1 引言 171
9.2 模型的功能性和复杂性 172
9.2.1 林地和土壤水分函数 172
9.2.2 降雨-径流函数 173
9.2.3 模型的参数化 174
9.2.4 模型功能与复杂性的权衡 175
9.3 模型的选择 176
9.4 模型诊断和评估 176
9.5 森林水文模型示例 178
9.5.1 流域和样地模型 178
9.5.2 生态系统模型 182
9.5.3 地下水模型 182
9.5.4 地表-地下耦合模型 186
9.6 小结与结论 187
9.7 免责声明 188
参考文献 188
10 地理空间技术在森林水文学中的应用 194
10.1 引言 194
10.2 地理空间技术在森林水文过程管理中的应用 196
10.2.1 森林覆盖制图和变化分析 196
10.2.2 森林土壤水/湿度估算和森林湿地分析 198
10.2.3 森林植被和生物量地图的绘制 200
10.2.4 森林蒸散的估算 201
10.2.5 森林水文所引起的地质灾害分析 203
10.2.6 森林溪流水质管理 205
10.3 利用地理空间技术支持模拟森林水文过程 206
10.4 森林水文管理中的新技术 207
10.5 结论 207
参考文献 208
11 大流域的森林覆盖变化和森林水文 214
11.1 引言 214
11.2 大流域森林覆盖变化和水量的关系 216
11.3 研究方法 218
11.3.1 水文建模 218
11.3.2 突变点和双累积曲线 219
11.3.3 基于敏感性分析的方法 220
11.3.4 简单水量平衡法 220
11.3.5 时间趋势法 221
11.3.6 托姆-锡林（Tomer-Schilling）框架 222
11.4 未来的研究重点 223
参考文献 223
12 森林管理的水文效应 228
12.1 引言 228
12.1.1 年产水量 229
12.1.2 洪峰流量 231
12.1.3 枯水流量 232
12.2 森林火灾的影响 233
12.3 昆虫和病害的影响 233
12.4 未来的调查方法 234
12.4.1 单一流域研究 234
12.4.2 回顾性研究 235
12.4.3 嵌套流域研究 235
12.4.4 统计方法 235
12.5 小结 236
参考文献 236
13 火灾后的森林水文 243
13.1 引言 243
13.2 火灾对土壤的影响 244
13.2.1 土壤渗透 244
13.2.2 土壤疏水性 244
13.2.3 土壤蓄水 246
13.2.4 枯枝落叶层/腐殖层 246
13.2.5 土壤的空间变异性 247
13.3 火灾对植被的影响 247
13.4 火灾对流域响应的影响 248
13.4.1 降水 248
13.4.2 地表径流/坡面流 248
13.4.3 河川径流 249
13.4.4 洪峰流量 250
13.4.5 基流 250
13.4.6 水质 251
13.5 火灾对产沙量的影响 252
13.5.1 土壤侵蚀 252
13.5.2 泥石流 253
13.6 稳定和恢复 254
参考文献 255
14 美国实验林参证流域的水文过程 261
14.1 引言 261
14.2 流域描述 267
14.2.1 卡里布布克溪（Caribou-Poker Creek）研究流域（CPCRW），阿拉斯加州参证子流域C2 267
14.2.2 卡斯帕溪（Caspar Creek）实验流域（CCEW），加利福尼亚州北福克（NF）参证流域 269
14.2.3 考维塔（Coweeta）水文实验室（CHL），北卡罗来纳州参证流域WS18 269
14.2.4 费尔诺（Fernow）实验林（FnEF），西弗吉尼亚州参证流域WS4 270
14.2.5 弗雷泽（Fraser）实验林（FrEF），科罗拉多州东圣路易斯（ESL）参证流域 271
14.2.6 H. J. 安德鲁斯（H. J. Andrews）实验林（HJAEF），俄勒冈州参证流域WS02 272
14.2.7 哈伯德布鲁克（Hubbard Brook）实验林（HBEF），新罕布什尔州参证流域W3 272
14.2.8 马塞尔（Marcell）实验林（MEF），明尼苏达州参证流域S2 273
14.2.9 圣迪马斯（San Dimas）实验林（SDEF），加利福尼亚州参证流域Bell 3 274
14.2.10 桑蒂（Santee）实验林（SEF），南卡罗来纳州参证流域WS80 275
14.3 水文过程的讨论 275
14.3.1 流量历时曲线 275
14.3.2 长期平均日流量 277
14.3.3 影响水文的其他流域特征 277
14.3.4 水文过程的意义 278
14.4 小结 278
参考文献 280
15 森林水文科学在21世纪流域管理中的应用 285
15.1 引言 285
15.2 预计未来几十年将发生的生物物理和社会经济变化 286
15.3 21世纪维持流域生态系统服务的管理对策 289
15.3.1 管理物种组成和林分结构来优化产水量 289
15.3.2 更大的空间尺度上的管理 292
15.4 结论和建议 294
参考文献 295
16 北部高纬度地区泰加林的水文特征 302
16.1 引言 302
16.2 北方森林特征和生长条件 303
16.3 文献综述 304
16.4 局地
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森林水文--过程管理与评价 节选
1 森林水文学导论 L.布伦（L. Bren）* 1.1 什么是森林水文学？ 森林水文学研究的对象是流域的结构和功能，及其对水分运移和储存的影响。“纯粹”的森林水文学是一门定量科学，其基础是连续介质的质量守恒和能量守恒。但构成流域的物质特性与输入项的时空变化使得这种“纯粹”理论的应用变得十分困难，而这些变化正是森林水文学的研究内容。 在撰写该学科概述时，笔者对“森林水文学”相关出版物的数量之多感到震惊，包括理论、观察、方法、物理过程、结果和政治主张等方方面面。研究的尺度从分子一直到全球。也有人对土地利用管理方面的科学、经济学或政治学感兴趣。森林水文学涉及气象学、地质学、水文学、森林学、土壤科学和植物生理学等学科内容。全球已有大量关于森林水文学的各类文献。 人们对森林水文学的兴趣可以追溯到三个方面：**，对整个世界运行方式的好奇。第二，观察土地所有者的行为，诸如砍伐森林之类的行动通常会在水流和泥沙负荷方面产生一致、可观察（至少在事后看来）和可预测的结果。第三，对土地利用，尤其是降雨“可持续性”的长期关注。当然，无论过去还是现在，河川径流对于社会经济都十分重要，尤其是当降雨和随之而来的径流极少或极多时，会带来恶劣的影响。 1.2 森林水文学的发展 1.2.1 历史前身 实际上，水文学的历史可以追溯到古罗马等早期文明。这些文明确实具有观测水流以及利用运河、排水隧道和水坝来管理水的能力。科学史学家认为水文学的发展已经历了几个世纪，通常认为法国人皮埃尔 佩罗（Pierre Perrault）（1608—1680）和埃德姆 马里奥特（Edme Marriotte）（1620—1684）在1670—1680年的研究工作是这门学科的起点。这项研究表明塞纳河流域的降雨完全足以维持河流的流量（Biswas，1970）。1700年左右，英国天文学家埃德蒙 哈利（Edmond Halley）提供了我们现在称为水文循环的**个定量估算，这进一步推动了这一领域的发展（Hubbart，2011）。可惜，很少有资料表明谁首先提出了“流域”这一与降雨有关的重要概念。McCulloch和Robinson（1993）认为这个概念已经被使用了数千年。著名科学家Cayley（1859）因改进了等高线和示坡线的概念，被认为可能是科学界较早使用“流域”这一概念的人。澳大利亚早期的水坝建设项目表明，水坝的大小通常是基于水坝上游河流的大小，而确定流域大小和性质的时间则要晚得多。 森林水文学作为水文学子学科的出现，在很大程度上应归功于法国大革命中被不幸推上断头台的受害者们（Andreassian，2004）。随着“国王森林”被清理成居住地，法国的开荒达到了史无前例的规模。土地所有者随后遇到了许多如今发展中国家所遇到的问题—土壤侵蚀、洪水、河川干涸、滑坡或其他形式的大规模侵蚀以及沉积。法国在当时可能是全球技术*先进的国家。革命后法国知识界对这些顽疾和可能的补救措施进行了很多讨论，虽然按照现代标准，他们讨论的是哲学而不是科学。他们所得出的观点是，森林流域类似于“海绵”[在多斯（Dausse）之后有时被称为“多斯定律”，1842]，目前许多非技术人员仍持这种过分简化的观点。 Dausse（1842）指出，“雨是在温暖潮湿的风与冷空气层接触时形成的；而且由于森林的空气比野外的空气更冷、更潮湿，所以那里的雨水必定更多”。还有人认为，森林成为了一个“巨大的冷凝器”。这个信息被解释为“树木带来雨水”，该观点在一个世纪前十分流行。有趣的是，近十年来人们通过卫星对气温的观测，至少证实了由于热量散失与蒸腾作用，森林的空气比周围农地的空气更冷（Mildrexler et al.，2011），但难以确认这与凝结和降雨增多的联系。随着现代技术的发展，这一问题在未来仍有巨大的研究潜力。在此之后有更多的现代科学被应用于这一领域。本书的后续章节将继续讨论其中的一些概念。 1.2.2 水文迷思时代 在19世纪下半叶，人们开始接受关于森林在水文循环中的作用的观点，并且这些观点被视为“传统智慧”。其中包括“树木带来雨水”、森林改变洪水、森林提供“更健康的水”、森林提供更多的旱季径流以及森林减少土壤侵蚀。一个半世纪后，这些言论被认为是“部分正确”、“泛泛而谈”、“一概而论”或“未经证实的”，但仍被媒体普遍引用。在此期间，人们开始收集数据以“证明”此类言论。森林水文学界尚无实验设计、严格观测和假设检验方面的概念。 到20世纪初，人们对森林在保护流域中的作用和一些观测技术有了更深入的思考，但是这些思考在现在看来几乎是不“科学”的。一些学者（Marsh，1864；Zon，1912）在研究大片森林的存在对河川径流的有益影响方面，远远领先于他们的时代。回顾起来，他们的工作对森林水文学和流域科学的发展做出了开创性的贡献。随着林学的发展、稳定的森林管理组织以及成熟可靠的仪器（例如，水位、降水、气温和太阳辐射记录仪）的出现，该学科的发展趋向于成熟。 1.2.3 小流域观测时代 在19世纪中叶，水文数据的价值得到了体现。一般情况下，水文数据来自于对主要河流水位的定期观测。尽管已经有了大量信息，但人们很快意识到，除非就*粗略的意义而言，否则采用这种方法不可能将降雨和河川径流相联系，而且大型河流不但难以观测径流，对于简单的水量平衡研究而言又过于复杂。在1906 年才在瑞士的伯尔尼爱蒙塔尔地区（Bernese Emmental region）首次出现了真正的“流域研究”。该研究比较了两个0.6 km2流域的水文响应，而且这些流域的土地利用类型分布不同，通过比较分析了流域坡度对水文过程的影响。总体而言，研究结果表明森林可以调节洪峰流量、减缓夏季退水速率（表明森林流域的坡面储水量更大）。伯尔尼爱蒙塔尔地区的观测仍在继续，数据集对于气候变化研究人员而言十分宝贵；Hegg等（2006）对该项目进行了概述。 按照当代标准，伯尔尼爱蒙塔尔地区开展的早期研究远非完美。该项目依赖的是土地利用与产水量之间的相关性，而不是控制性实验，其数据有时是不连续的，并且该项目似乎未引起政界的关注。但是，我们不得不钦佩这项久远的工作和完成这项工作的人们。他们骑马或步行前往野外，在潮湿和寒冷的条件下进行观测，使用手动计算器、对数表或计算尺进行长时间的烦琐计算，不辞劳苦手绘出各种图表，努力维护和升级设备，同时行政人员还会不断询问“这些新的数据能告诉你什么你以前不知道的信息吗？”。但该项目确实为森林水文学配对流域实验的展开奠定了基础。 1.2.4 巨大的进步：配对流域实验 移民美国的欧洲人根据欧洲的经验，付出了巨大的努力来控制大型河流。1891年美国农业部林务局的成立明确认可了森林在保护流域方面的价值。但在Marsh（1864）的早期观察之前，没有任何明确的观测记录。对于早期的林学家而言，这种缺陷十分明显。 1910年，美国农业部林务局在科罗拉多州的瓦根惠尔加普（Wagon Wheel Gap）进行了实验（Bates and Henry，1921，1928）。这是人们首次针对森林砍伐对径流与输沙量的影响进行正式研究。这项研究一直持续到1926年，是全球数百个配对流域实验的原型。可以说，配对流域实验是*成功的森林水文学技术。这种方法的基本思路是：首先，将“实验流域”的径流数据参照“对照流域”径流进行“校准”；然后，变更**个流域的森林条件，并通过与“对照流域”径流进行比较来确定森林变化对径流的影响。他们的结论主要是针对径流均值的变化，而缺乏对年际变化的统计分析。 Van Haveren（1988）重新审视了Bates和Henry（1928）的数据集，从而确定了更复杂的“现代化”方法（包括协方差和回归分析）是否会得出与早期工作相同的结果。表1.1总结了他的发现。 分析结果表明，Bates和Henry（1928）提出的许多原始结论都可以得到统计学的支持，但另一些结论却不能。早期研究者在计算机时代之前所从事的这些工作，如今被视为“计算密集型”工作。Bates和Henry（1928）的工作反映了“水文过程线分析”中的初步试验，即将流量记录的特定特征与土地利用或土地利用变化相关联。如今，这依然是森林水文学领域的一个专业领域。 表1.1 Van Haveren（1988）瓦根惠尔加普实验结论与Bates和Henry（1928）的结论之NS表示不显著。 1.2.5 迅速增加的配对流域实验 瓦根惠尔加普实验的成功使得全球配对流域项目大量增加；这些项目一般可以被归类为研究森林采伐影响的“伐林实验”或评估人工造林影响的“造林实验”。图1.1是此类项目的一个示例。在该项目中，澳大利亚原始森林被砍伐并转变成辐射松林。该项目目前仍在继续。Brown等（2005）给出了世界各地项目的汇总清单。总体而言，所匹配的径流和降雨记录数据集在数学建模、特定假设的检验以及气候变化影响评估方面具有不可估量的价值。 这项技术已积累了丰富的经验。此外，这还表明： ①实验人员正在迅速积累水文知识，并取得了许多实验的主要目标之外的成果（Hewlett et al.，1969；有关定量研究的示例，请参见Bren and Lane，2014）。 图1.1 配对流域项目示例 1980年，在澳大利亚维多利亚州东北部的一个配对流域项目中，一个小流域从原生桉树林被改造成辐射松林。该流域现在正在进行第二次松林轮作，观测工作仍在继续。 ②这些项目为森林水文学者提供了很好的“教学工具”（通常是自我教育）（Hewlett and Pienaar，1973）。 ③实验结果通常被法院和类似机构视为“值得信赖”的结果，通常不会在法院受到质疑。笔者认为其原因之一是实验的“可视性、有形性”—人们可以看到和参观这些区域，而且可以理解正在探索的概念。 ④这些实验的完成需要大量资金成本和机构的支持。实验场地在建立后的维护成本相对较低。这种维护非常适合作为研究机构的日常工作（Bren and McGuire，2012）。 ⑤为反映森林的特性，这些项目可能需要数十年才能完成。在一个不断调整土地管理机构（或者根本没有）的社会中，长期管理可能会十分困难。 该方法的主要缺点之一是实验流域通常很小，从而很难将结果“升尺度”到区域性的大流域。 配对流域实验与实验科学？ 鉴于森林水文学是一门科学，因此应该可以对概念进行量化，并且可以通过实验检验假设。配对流域项目是一种特殊的实验，在实验中相对于参考状态（“控制组”）观测时变效应。从科学的角度来看，这种观测存在一些困难： ①就经济或地理角度而言，重复实验几乎是不可行的。通常各流域之间存在许多差异，这些差异在某种程度上属于不可控的差异。无论如何，很少有组织能够负担得起重复实验的费用。 ②很少有人针对该实验设计中“双盲实验”的概念（分析人员事先不知晓实验对象的信息）进行过研究。这部分反映在*终研究人员对结果需要进行必要的分析。 ③由于许多模型的残差非正态性，很难对数据进行统计分析，从而限制了相关测试。Hewlett和Pienaar（1973）指出，水文学家对这一点的重要性持分歧态度，而且这一分歧在今天仍然存在。 ④除了零假设（森林对径流没有影响）之外，很难建立可检验的假设。迄今为止，许多配对流域实验都是“探索性”的，用于检测径流特征与“正常”状态的偏差。 尽管该设计并不完美，但多年来的发展显示配对流域实验的严谨性和成熟度不断提高，在测试中使用了处理数据残差非正态性的新方法，并且使用逐时、逐日或逐月数据取代了逐年数据，提高了数据的自由度（以自相关为代价）；Watson等（2001）非常清晰地研究了这些方面的内容。 1.
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