第1章 理论基础及研究现状
水文循环过程与气候变化及人类活动的关系甚为密切。一方面，气候变化通过降雨、气温等影响水文循环过程，使蒸发、径流、土壤水分等水文要素的时空分布发生变化。我国近50年来平均气温和降雨量呈逐年上升趋势，尤其是近几年我国极端天气气候事件频发，南方干旱及持续高温，而北方地区的汛情则时有发生。国家气候资料统计显示，南方部分地区2013年7月平均气温与历史同期相比偏高2～4℃。南方干旱情势严重，7—9月长江中下游地区降雨量达到了1951年以来的最低值（仅116.6mm）；珠江和淮河流域的降雨量也比常年同期分别偏少了17%和16%。而东北地区嫩江、松花江、黑龙江干流水位持续超警戒水位，7—9月全国平均降雨量169.2mm，东北、华北、西北地区的降雨量分别比常年同期多了36%、35%和36%。近年来的降雨观测数据表明，我国主要雨带逐渐北移，南北地区的降雨量呈现北方增加、南方减少的趋势。从20世纪90年代初开始，我国夏季主雨带从长江以南至长江、黄河之间逐渐移动，2009—2012年运移至华北南部至黄淮一带。与之相反，最近4年南方地区夏季降雨总体偏少，“南方水多，北方水少”的格局在气候变化和人类活动的影响下逐渐发生改变。
另外，人类活动也通过改变流域下垫面和水量的时空分布等影响着全球水文循环，这与极端降雨事件直接相关［1］。人类活动所导致的全球变暖是20世纪下半叶北半球2/3的陆地区域强降雨事件增多的诱因之一［2］。20世纪全球降雨变化趋势表明，人类活动对北半球中纬度地区降雨量的增加及热带和亚热带地区的逐渐干旱、南半球热带和亚热带地区的湿润有显著影响［3］。这些由于人类活动所引起的降雨、气温等全球水文循环要素的变化对生态系统、农业以及人类健康的影响要远比通过模型模拟估算的结果大，尤其是在对降雨变化等较为敏感的地区。
全球水文循环中，土壤水起着至关重要的作用，是水文循环的关键环节之一，但其在全球水资源储量中所占比例非常小。据估计，全球土壤水储量为1650万m3，分别占全球水资源总量和淡水总量的0.0012%、0.05%，但是却对大气、陆地及地下水之间的交互影响起着关键作用。土壤水对许多水文过程，如产流、坡面侵蚀、滑坡、土壤形成过程、溶质运移、净辐射中潜热和显热通量的比例以及土地利用、水资源及其他自然资源的管理等影响巨大，尤其是浅层土壤水，决定着地球表面水量和能量的分配比例，在全球水文循环中起着核心作用［4］。此外，土壤水分的变化也会对点尺度上霍顿坡面流及饱和坡面流的产生［5］、亲水性及疏水性之间的转换［6］、入渗过程和植被动态变化［7］以及山坡和流域尺度上产流对极端降雨事件的响应等［［7-11］产生影响。
土壤水通过陆地、大气间的交互机制对区域水资源的分布起着关键作用，其时空变异性对流域降雨产流过程、径流响应阈值及不同尺度水文连接性、流域水文模型的模拟精度等有重要的影响，如何更好地分析不同尺度上土壤水分的时空变异性是水文研究工作面临的挑战之一。在水文循环过程中，土壤水分也通常被用于描述流域水文响应的关键状态变量；而前期土壤水分状态对流域降雨产流机制及洪水预报等水文过程起着关键控制作用。因此，土壤水分数据的监测及其时空分辨率对生态、农业及水文过程和水文模型的研究有很大帮助。
在全球气候变化和人类活动影响不断加剧的双重压力下，近几年，我国北方地区强降雨事件频发，引发山洪、泥石流等地质灾害以及城市内涝。因此，开展变化环境下我国北方地区尤其是华北地区人类活动影响剧烈区域降雨产流机制的演变机理及流域水文演变规律的模拟研究，以及与之相应的土壤水分的变化、时空分布格局对降雨产流过程、流域水文响应关系的影响研究等，加强对流域产汇流变化规律的认识，尽可能避免或降低区域洪涝灾害事件的发生，对区域生态环境和农业管理以及水资源可持续利用发展具有重大理论和实践意义。