水科学进展

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2007年第18卷第3期

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1960-2000年中国蒸发皿蒸发量的气候变化特征

曾燕, 邱新法, 刘昌明, 潘敖大, 高苹

2007, 18(3): 311-318.

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利用中国664个气象站1960-2000年20 cm口径蒸发皿资料,借助地理信息系统Arc GIS,分析了中国蒸发皿蒸发量的气候变化趋势.结果表明,就中国平均而言,1960-2000年中国蒸发皿蒸发量呈明显下降趋势,年蒸发皿蒸发量在20世纪80～90年代较60～70年代下降了99.8 mm,下降幅度为5.8%;不同季节对照发现,蒸发皿蒸发量的下降主要表现在春季、夏季和冬季,秋季不明显;对蒸发皿蒸发量气候变化的空间分析表明,年蒸发皿蒸发量的下降主要表现在华东和中南地区;对蒸发皿蒸发量下降的原因分析表明,日照百分率下降从而导致太阳总辐射的下降可能是近年来蒸发皿蒸发量下降的主要原因.

地形对青藏高原丰枯水年雨季降水量空间分布的影响

张杰, 李栋梁, 何金梅, 王小燕

2007, 18(3): 319-326.

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采用高分辨率的3"数字高程模型及青藏高原东部102个常规气象观测站5～9月份的降水量资料,根据降水随高度分布将站点分为三类,再采用多元逐步回归的方法,建立了青藏高原40年(1961-2000年)逐年雨季降水量与经度、纬度、海拔、坡度、坡向、开放度等6个地理、地形因子关系模型,并以此为基础,分析了三类区域在丰枯水年里的因子系数的变化规律.结果表明,此法建立的关于高原降水量与诸因子之间方程的相关性显著,相对误差20%,平均相对误差4.4%,估算模型的相关系数均通过0.05的显著性检验;海拔低于1 400 m的第一类区域,主要受地形高度和开放度等局地地形的影响,来改变旱涝年的降水分布特征,海拔高度大于3 600 m的第三类区域,主要受开放度和坡度的影响,其他区域主要受地形的海拔、经度和开放度等局地地形的影响;高原季风是影响第三类区域水汽分布的主要因素,在季风加强时,开放度和经度的影响也随着加强,而坡度和海拔的影响减弱,从而使得水汽的局地性分布特征增强,东西分布差异加大,相应地局地降水分布特征加强,东西差异加大.地理地形因子影响大气的水汽输送和大气的垂直运动,从而导致其对空间降水分配的差异.

121年梅雨演变中的近期强年代际变化

徐群

2007, 18(3): 327-335.

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1885年以来长江中下游梅雨期在70年代末发生了一次强年代际突变:从1958-1978年的弱梅雨时段突变为1979-1999年的强梅雨时段.后21年梅雨量比前21年平均增加了66%,长江中下游夏涝年出现率显著增长.此两时段梅雨由弱转强和出梅/入夏期由偏早转为延迟呈密切联系,这在相当程度上反映中国东部夏季气候-水资源分布的突变.进一步分析,发现两时段内影响梅雨盈亏年际变化的前期因子也很不同.研究了两时段梅雨盛行趋势突变的成因,发现与显著增强的人类活动有关:20世纪70年代末,我国工业开始大发展,大气污染的增长导致地面太阳辐射减少,中国北方沙化土地面积又迅速扩大.同时温室效应的增长也表现在我国暖冬(尤其是2月).此外,长江中下游1月降水量增多;厄尔尼诺事件从20世纪70年代末开始也明显增多.由上述5因子组成的相关点聚图凸显出前后两时段处于截然不同的地-气环境位相.从2000年开始,长江中下游梅雨又进入新的偏少期,中国东部夏季水资源分布正面临新的变化.

黄河口水沙过程变异及其对河口海岸造陆的影响

张治昊, 胡春宏

2007, 18(3): 336-341.

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采用实测资料分析和理论探讨的方法,研究了黄河口海岸造陆与水沙过程变异的关系.研究结果表明:黄河口陆域来水来沙是海岸造陆的基础,来水来沙越大,造陆面积越大,水沙过程变异后,由于水沙的急剧减少,黄河口海岸造陆速度减缓,典型岸段严重蚀退造陆面积也大幅减小;尾闾河道萎缩对海岸造陆影响较大,萎缩越严重,越不利于海岸的造陆发育.运用多元回归分析建立了黄河口海岸造陆水沙临界综合关系式,可供科学调控来水来沙实施黄河口海岸防护过程中参考.

泥沙颗粒形状对非均匀沙起动条件的影响

李文萍, 曹叔尤, 刘兴年

2007, 18(3): 342-345.

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根据非均匀沙颗粒的不均匀性,引入颗粒形状系数,通过分析泥沙颗粒形状系数和相对暴露度的影响,建立了等效粒径表达式;并通过泥沙起动受力分析,推导得到泥沙起动临界条件表达式.实测资料验证表明,计算值与实测值符合较好.

大坝泄洪下游水体溶解气体超饱和理论分析及应用

程香菊, 陈永灿

2007, 18(3): 346-350.

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根据溶解气体的传输过程,对大坝泄洪导致下游水体溶解气体浓度超饱和现象进行了理论分析.引入溶解气体的有效饱和浓度、气泡被卷吸进入水体的有效水深等参数,认为下游水体中溶解气体的来源不仅依赖于大气在自由水表面的传质,而更多地依赖于气体在气泡界面的传质.把难以测量的气体传质系数、气泡尺寸等参数与水流的紊动特性参数建立定量关系,以美国Ice Harbor大坝为例,采用该定量关系式计算了下游水体中溶解气体浓度的分布,实测结果验证了理论分析的合理可靠性.

河床水力传导度及其各向异性的测定

何志斌, 赵文智

2007, 18(3): 351-355.

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采用直接测定法观测了黑河中游段河床水力传导度及其各向异性,结果表明:河床水力传导度不仅存在较强的各向异性,而且存在空间尺度上的变异性.河床中心位置在垂直、水平和θ=30°方向的平均水力传导度分别为0.45、22.49和1.71 m/d,河床边分别为5.95、29.69、16.80 m/d.在同一测点,水力传导度随着与水平方向的夹角增大呈幂函数曲线下降.试验结果表明河床边是河水的主要渗漏区,并且以侧渗为主.

基于地图代数的数字地表流线模拟研究

吴艳兰, 胡鹏, 刘永琼

2007, 18(3): 356-361.

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降雨在地表上随地形流动自然形成沟谷线、汇流区、分水岭等流域形态,研究地表流水线的数字模拟对数字流域水文分析具有重要意义.提出数字地表流线模型的概念,只考虑地形因素,利用等高线图建立一个能获得区域内每滴雨水沿地表流动的轨迹模型.并运用地图代数的距离变换对等高线及所在空间进行全方位的距离度量,研究了数字地表流线模型的建立方法.实验表明,该模型利用距离变换信息而不是高程计算流向,可避免DEM高程误差对流向、流线的影响,且不需要在DEM上进行复杂的洼地、平地的识别与处理.该模型对原始数据要求不高,能有效应用于沟谷线的自动提取、汇流区自动分割和分水线网络的自动提取.

基于三角单元外心下的幂率格式在丁坝绕流中的应用

邢领航, 华祖林

2007, 18(3): 362-367.

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针对在非结构网格水流数值计算,将各变量储存在三角单元外心进行离散,从而避免了由于非结构网格的非正交性而使用各种校正方法所带来的校正误差.采用Rhie-Chow的动量插值思想推导出基于SIMPLE意义下的水位校正方程,并详细给出了水位校正方程的离散形式.动量方程采用数值性能优良的幂率格式.计算结果成功地模拟出丁坝上、下游涡的特征量及流场情况,与水槽试验的资料吻合良好.

三维PIV技术在吸入涡流态测量中的应用

李永, 吴玉林, 袁辉靖, 潘海林

2007, 18(3): 368-373.

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为了研究进水口前吸入涡的流动特性以及不同结构的进水口对吸入涡的影响,对水平进水口前的吸入涡流动进行了三维PIV测量.测量时应用折射率校正法解决了不同介质中进行三维PIV试验时所产生的粒子成像不清晰的问题,并采用多次成像标定法来减小垂直方向上的速度测量误差.通过该试验,得到进水口前吸入涡的三维速度分布规律,并得出后壁面角度与吸入涡大小和强弱关系.试验表明,后壁面角度为30°的进水口比角度为0°进水口更能有效的阻止吸入涡发生,因此可以通过加大后壁面的夹角的方式来削弱进水口处的吸入涡.

两坝间河段通航水流条件的三维数值模拟

姚仕明, 王兴奎, 张超, 张大伟

2007, 18(3): 374-378.

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三峡工程建成后,三峡-葛洲坝之间的河段是宜昌至重庆河段船舶航行最困难的航段之一.建立了该河段的三维水流数值模型,计算三峡不同下泄流量下的三维流场,并根据计算结果与适航条件分析其适航区域.研究结果表明,当下泄流量不大于25 000 m³/s时,两坝间河段基本能满足万吨级船队的通航水流条件;当流量大于此值时,将会出现碍航区域,且随流量的增加,万吨级船队通航水流条件逐渐恶化.若适当提高通航标准,则通航流量可加大到45 000 m³/s.

胶州湾东北部营养盐的季节和多年变化

姚云, 沈志良

2007, 18(3): 379-384.

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根据1991-2004年的调查资料,探讨了胶州湾东北部水域营养盐及其摩尔比的月、旬的变化和多年变化以及与年、Chla的关系.月和旬的变化表明春、夏季,各种营养盐浓度以锯齿状的形式呈缓慢上升趋势,与外源性营养盐增加密切相关,只有SiO₃-Si在8月份出现明显峰值,SiO₃-Si/DIN和SiO₃-Si/PO₄-P比也有相似的变化;秋季以后营养盐浓度急剧增加,特别是SiO₃-Si和DIN,导致了冬季赤潮的爆发.在赤潮高峰时,营养盐大量消耗,特别是SiO₃-Si几乎耗尽(0.49μmol/L),SiO₃-Si/DIN和SiO₃-Si/PO₄-P比迅速下降(分别为0.01和1.04),SiO₃-Si成为浮游植物生长的限制因子,控制了赤潮的进一发展,并初步讨论了赤潮发生的化学海洋学机制.营养盐的季节变化与Chla含量呈明显的消长关系.营养盐及其结构的多年变化表明,1999年以后比1991-1998年DIN和SiO₃-Si的平均浓度分别增加了1.0和2.2倍,DIN/PO₄-P比和SiO₃-Si/PO₄-P比分别增加了0.4和0.9倍,PO₄-P、SiO₃-Si/DIN比略有增加,营养盐之间的摩尔比都偏离了Redfield比,这与青岛市社会经济发展密切相关.

钱塘江河口大规模治江围涂后对涌潮高度的影响

陈来华

2007, 18(3): 385-389.

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根据钱塘江河口治江围涂前和大规模治江围涂后现场实测的涌潮高度数据,对盐官以下河段大潮期涌潮高度的变化进行分析,结果表明,大规模治江围涂后的涌潮最高河段已由治江围涂前的新湾下移至大缺口段,并且大规模治江围涂后的涌潮最高值比治江围涂前增高了0.4 m,盐官河段增高0.1 m.盐官以上河段治江围涂后的涌潮高度变化,主要与径流对沙坎顶的冲淤密切相关,在其它条件相同时,治江围涂后的涌潮高度有所增大.这一结果与某些年份因涌潮增高,标准堤大量溢流等实例基本相符.

南海区域海气热通量的变化特征分析

陈锦年, 王宏娜, 吕心艳

2007, 18(3): 390-397.

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应用由卫星SSM/I(Special Sensor Microwave/Imager)和AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)遥感资料,使用先进的海气通量计算方法(TAGA COARE3.0),计算出南海1987年7月至2004年12月共200个月的海气界面的感热和潜热通量(0.25°×0.25°),其结果与实测结果比较发现,由卫星反演的海气热通量与实测结果非常一致.与GSSTF2的结果相比,其时空分布变化特征基本一致.由此说明,利用卫星遥感获得的热通量可以用来进行中国近海海气相互作用的研究以及作为我国气候预测研究的重要依据.由多年南海海气热通量的分析表明,南海区域热通量的变化具有显著的年变化和年际变化特征,其周期分别是0.5a、1a、准3a和6～11a.其中准3a和6～11a周期与中国旱涝的周期一致.因此,可以认为南海区域热通量的年际变化对中国的旱涝分布将起着不可低估的作用.

渤海层化结构及潮汐锋面季节变化的数值研究

刘浩, 潘伟然

2007, 18(3): 398-403.

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采用三维斜压海流模式(POM)模拟了渤海海温的季节变化,以海表与海底温差ΔT作为判别依据,发现3月份前整个渤海的表、底温差小于0.5℃,说明渤海处于充分混合状态;进入4月份以后,莱州湾、渤海中部以及渤海海峡的局部水域出现超过2℃的表、底温差,意味着垂向层化结构开始形成;层化区域面积随着海表热通量增大的趋势可一直持续到8月,9月后由于日照量逐渐减小,季节性温越层逐渐消失,11月以后渤海又恢复到充分混合的状态.

水资源需求驱动因素分析

袁宝招, 陆桂华, 李原园, 郦建强

2007, 18(3): 404-409.

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根据我国1980-2000年国民经济实际用水状况,简要分析了水资源需求的驱动因素,建立了水资源需求驱动因素综合分析模型,并根据模型进行了实例计算和分析.结果表明:(1)1980-2000年全国总用水增加了1 220亿m³,其中工业和生活用水增长是国民经济用水增长的直接原因;(2)全国而言,排在前四位的正向驱动因素分别是工业增加值、农田灌溉面积、人口以及林牧渔需(补)水面积.负向驱动因素分别是农田灌溉定额的下降,其次是工业用水定额的下降;(3)对生活用水而言,北方省份人口增长对生活需水增长的贡献较突出,南方省份则是生活用水定额的提高对生活需水增长的贡献较突出;(4)对工业用水而言,工业规模的扩大是驱动工业需水增长的主要因素;北方省份工业用水定额下降对抑制工业需水增长的贡献率明显;(5)农田灌溉面积变化对农田灌溉需水变化影响较大.分析结果为把握我国未来水资源需求变化态势,合理配置水资源提供依据.

长江口南汇东滩近岸淡水资源的成因探讨

曹勇, 陈吉余

2007, 18(3): 410-414.

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根据在南汇东滩进行多次观测的结果,阐述当地淡水资源分布情况.洪、枯季淡水机率分别达到了77.0%～82.9%、35.0%～42.7%.同时对近岸淡水的成因进行探讨,长江径流丰沛,是南汇东滩淡水形成的基础;柯氏力使淡水沿浅滩下泄,是南汇东滩淡水形成的另一个重要因素;枯季风速风向对淡水形成有较大影响,特别是西北风对淡水有促进作用.

梅梁湾、大太湖夏季和冬季CDOM特征及可能来源分析

张运林, 秦伯强

2007, 18(3): 415-423.

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基于2004年夏季水华暴发期和冬季在梅梁湾及大太湖各2次采样,分析了夏季、冬季CDOM的特征及其可能的来源,发现夏季CDOM吸收系数、叶绿素a浓度均明显高于冬季,DOC浓度、CDOM吸收系数a(355)的变化范围分别为5.17～12.42 mg/L、2.57～6.77 m^-1,最大值均出现在冬季(12月15日)的直湖港入湖口.CDOM吸收系数与DOC浓度、定标后的荧光值一般都存在显著正相关,但夏季由于受浮游植物降解的影响,与DOC浓度和荧光的相关性明显低于冬季.表征CDOM组成和来源的参数比吸收系数、M值、S值存在显著的季节差异,夏季吸收系数a^*(355)值明显要大于冬季,而S值、M值则要小于冬季.夏季水华暴发时CDOM吸收系数与叶绿素a浓度空间分布较为一致,吸收系数与叶绿素a浓度存在正相关,浮游植物降解产物可能是水体中CDOM的重要来源;相反,冬季CDOM吸收系数呈现从梁溪河入湖口、湾内往湾口递减的趋势,其来源可能主要以陆源为主,受入湖河流的影响较大.

“0506”华南持续性暴雨的季风环流背景

林爱兰, 梁建茵, 李春晖, 谷德军, 郑彬

2007, 18(3): 424-432.

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提出了确定东亚夏季风活动区域、划分热带季风和副热带季风活动区域的指标,利用大气对流层风速、位势高度、湿度、温度、OLR以及TBB等NCEP/NCAR资料,从月、候和过程平均多种时间尺度,诊断分析了2005年6月(简称“0506”)华南持续性暴雨的季风环流活动变化特征.结果表明:副热带高压强度偏强,西脊点位置偏西偏南,热带西太平洋(130°～140°E)区域越赤道气流偏强,华南处于气旋性低压异常区,无论是月时间尺度还是暴雨过程时间尺度都表现出这些明显特征;暴雨过程水汽除了来源于孟加拉湾和南海外,水汽通量异常部分主要来自南海和热带西太平洋,热带西太平洋水汽随着副高边缘气流经过南海向华南输送,从而为暴雨过程提供了丰富的水汽来源;2005年6月热带季风前沿在华南沿海地区停滞时间比气候平均偏长(2候),该特征是华南暴雨预报值得参考的信号;6月整个南海地区平均季风偏强,主要体现于经向风明显偏强,但华南持续性暴雨过程开始于南海地区夏季风非活跃期,这与热带季风季节内振荡向北传播到华南有关.以上季风活动变化特征为华南强降水提供了有利的动力条件和丰富的水汽来源.

三峡水库水位消落区典型土壤磷释放特征及其环境效应

贾海燕, 雷阿林, 叶闽, 雷俊山, 赵景柱

2007, 18(3): 433-438.

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由于三峡水库水位消落区具有特殊的水文特征和发达的农业耕作管理,该地区成为库区磷释放的一个敏感地带.对消落区土壤磷释放特征的研究对保护水库水质有着重要的意义.模拟三峡水环境的磷浓度,对消落区中典型土壤类型进行淹水模拟实验,研究发现,在0.1～1.6 mg/L的水体磷浓度范围内,土壤磷释放特征呈现出3种模式,即释放型、吸附型和释放/吸附型.水土界面的磷行为主要取决于土壤EPC₀与水体中磷浓度的关系.当土壤EPC₀高于初始磷浓度时则以释放为主;低于初始浓度则以吸附为主.借助土壤磷素水平与EPC₀的相关关系,以Olsen-P为评价指标,可确定三种模式的阈值.当土壤Olsen-P含量高于123 mg/kg时,土壤为释放型,这类土壤的分布区是磷污染源区;当土壤Olsen-P含量低于14.4 mg/kg时,土壤为吸附型,这类土壤分布区不易成为磷释放源;当土壤的Olsen-P含量介于二者之间时,土壤属于释放/吸附型,这类土壤存在源-汇之间的动态转化.

非点源污染空间连续分布模型研究

高龙华, 张文海

2007, 18(3): 439-443.

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非点源污染负荷的离散型分布不利于深入研究非点源污染与社会、环境等因素的关系,因此非常必要对其进行空间连续分布处理,但在对离散变量连续化过程中应注意尺度和信息增减等问题.以非点源污染中人畜产污为例,通过构建空间连续分布模型模拟计算人畜产污的数量及其分布.从验证的结果来看,这种非点源污染空间连续分布处理方法不但是必要的,也是可行的.

应用MODIS影像估测太湖水体悬浮物浓度

祝令亚, 王世新, 周艺, 阎福礼, 杨龙元

2007, 18(3): 444-450.

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以太湖为研究区域,同步获取悬浮物浓度实测数据、水体反射光谱数据和MODIS卫星影像数据,构建基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)的悬浮物遥感估测模型.为了削弱大气效应,对MODIS影像了进行了粗略大气纠正.通过悬浮物特征光谱分析,将MODIS各敏感波段及波段组合与悬浮物浓度实测值进行相关分析,并应用实测光谱数据进行验证.在此基础上,运用回归分析建立半经验反演模型,并对模型进行了评价和应用.研究结果表明,MODIS影像可以很好地对大型内陆湖泊的悬浮物浓度进行遥感估测.250 m波段2 500 m波段4与1 000 m波段14是探测悬浮物的敏感波段.波段组合上,500 m组合因子r4/r3、r4-r3估测悬浮物含量的精度很高,适于构建反演模型;1 000 m波段8、11、131、4的多元组合也是构建模型的较好选择(R²均不低于0.85).

三峡与葛洲坝梯级调度三维数字仿真平台开发

张尚弘, 陈忠贤, 赵刚, 姚仕明

2007, 18(3): 451-455.

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摘要:
对三峡与葛洲坝三维数字仿真平台构建的几个关键环节进行了研究,阐述了三峡至葛洲坝区域仿真数据库建设过程和三维可视化程序框架,研究了与三峡实时数据库和调度数学模型相连接的数据接口,将调度过程动态直观地表现于三维场景中,实现了航运相关数据的查询和分类显示功能,为梯级调度决策提供了新的平台.

含植物河道水动力学研究进展

吴福生, 王文野, 姜树海

2007, 18(3): 456-461.

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提出了基于河道管理、河流修复与水资源可持续发展的含植物明渠水动力学研究理念,强调了含植物明渠水动力学研究的重要意义.从含植物水流的时均阻力特性、紊流机理的物理模型试验研究及数值模拟计算研究等几方面,深入介绍了国内外关于含植物明渠水动力学研究进展.指出:必须进一步解决对柔性植物枝叶形状及柔韧度的相似模拟;建立柔性植物的刚度、水流特性及阻力特性之间的定量规律;进一步研究含植物水流各向异性的紊流特性;发展更为精细的大涡数值模型来研究水深较大的复杂的各向异性紊流等有待于深入探讨的问题.

水库汞生物地球化学循环研究进展

蒋红梅, 冯新斌

2007, 18(3): 462-467.

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摘要:
对近年来国内外有关水库汞生物地球化学循环的研究现状进行了综述,主要从基质释汞行为、汞释放对水体的影响、汞在水库水生食物链中的迁移富集和水库对河流汞输送的影响等四个方面进行了探讨,并指出该领域研究工作的薄弱环节及发展方向.

中国水文循环与水体研究进展

储开凤, 汪静萍

2007, 18(3): 468-474.

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摘要:
根据2002-2005年中国公开发表的关于水科学研究的论文及国家重大攻关项目和国家自然科学基金项目的科研报告,综述了近年来中国在水文循环诸要素如降水、径流、蒸发,水文模型,河流与泥沙、湖泊、沼泽与湿地、冰川与冻土以及地下水与土壤水等方面研究取得的主要成果和进展.