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關鍵詞:水文科學 機遇 挑戰
水文科學的發展要結合我國全面建設小康社會的目標來發展,要基于我國社會經濟的發現現狀來發展,要借助于我國可持續發展的戰略決策來發展。水文科學的研究是為了實現人口、資源、環境的協調發展。由于水是人類賴以生存的的自然資源,是國家經理建設與人民生活中不可或缺的基本資源,由此水資源的重要性可見一斑。水文科學是研究地球上一切與水有關的所有科學領域的學科,關系到社會經濟發展與人類的生存發展問題,是一門涉及面廣博且具有重要價值的科學性學科。然而水文現象復雜繁多且其在時間尺度與方向上都具有不重復性,有時還會有空間方面的變異性,這些問題使得我國相關部門對水文科學的研究要更加細致與全面。
1.水文科學的概況
1.1水文科學的基本內容
水文科學作為一門研究水的學科,對水的形成、循環、時空分布、化學性質、物理性質進行相關研究。不僅如此,水文科學還要對水資源的開發利用、水資源的保護、水旱災害的形成等方面予以探索。水文學科的研究領域非常廣泛,它不但涉及水量的研究,還還涉及水質的研究。不但涉及當前水情變化規律的研究,還涉及地球上水的生命史及其未來發展的研究。不但涉及生態環境方面的研究,還涉及水利工程方面的研究。
水文學科中最基本的兩大基本規律是水文循環與水量平衡。在我們所生存的地球上,各種水體通過水文循環緊密地聯系在一起,因而水文循環是水文研究的重要內容。
1.2水文科學的形成過程
水文科學是一門又古老又年輕的學科。其研究可以說從公元前三千多年前就有跡可尋,當時古埃及就在尼羅河畔勘測水位。在我國公元前一千四百年前后, 殷墟甲骨文中早已出現了有關降雨和洪水的相關記載,后來我國古代人民開始采用測雨器來觀測雨量,繪制降水量的等值線圖。法國文學家在一七七五年發表明渠均勻流公式。德國的水文學家沃爾特曼在一七九零年發明了流速儀。以上取得的成果都表現為水文科學的萌芽階段。
水文科學的迅速發展時期是十九世紀牛頓力學的古典科學得到快速發展階段,該科學的發展帶動了水文科學的迅猛發展。作為一門涉及面廣博的學科,水文科學逐漸形成了自身的一套系統。在二十世紀前半葉,由于生產力的不斷發展,人們越發希望能夠對洪旱的基本變化規律予以掌握,以此來建造水利工程造福百姓。直到一九五七年愛爾蘭的水文學家納西對瞬時單位線的物理機制進行了深入分析,并且用數學語言描述了流域的匯流過程,這些相關理論的提出使得許多水利工程的管理更加地科學化與合理化,同時也奠定了工程水文學的基本內容。當前很多工程水文學的許多內容就是因為該階段優秀理論的提出而產生的,正因為這些優秀理論的影響使得許多的措施在工程水利中被普及開來。二十世紀后半葉,各國的經濟水平都有了很大的提高,大多數國家對水文科學的重視度大幅度提升。因為計算機領域進行了信息技術的革命,對的現代科學技術飛速發展起到了極大的推動作用,與此同時,水文科學領域也得到了極大的發展。
引人注目的是在1965年啟動了國際水文十年,并在十年之后全面實行國際水文計劃。目前該計劃已經進入了第七階段,世界各國的水文學家進一步加強了合作,許多新的理論方法不斷涌現。然而從學科的發展方向來看,近幾十年來,正是因為各國經濟社會的發展,與水資源有關的各類水問題不斷出現并有加劇趨勢,我們的生存環境受到了很大的威脅。針對這些現象的發生,產生了以研究水資源短缺問題為核心的水資源水文學、以研究水環境為核心的環境水文學、以研究生態問題為核心的生態水文學等等相關水文學。由于全球氣候變暖,又產生了以研究氣候變化對水循環的影響為核心的全球變化水文學,該文學而今已經成為了世界各國水文學界研究的熱點。我國相關部門在政府的倡導下也積極參加各種關于水文學的國際項目與活動,在一些突出領域加大了工作量,并對其展開大量的深入研究,因此取得了比較不錯的成果。
綜合以上的闡述不難看出水文科學研究的領域正在不斷擴大,與人類的關系越加親密,在社會研究領域的地位也越發重要。這些正是印證了水是生命的起源,萬物皆由水衍生而來。
1.3水文科學的發展情況
隨著信息技術時代的到來和某些新理論及邊緣學科的作用,水文科學的研究也在快步前進。尤其是人口問題、水資源短缺問題、水環境惡化問題和氣候變化問題的催化作用,使得水文科學的研究問題更加被廣泛關注。不但是我國開始重視這一方面內容,世界上的許多國家也在該方面大花心血,國際活動頻繁起來,我國的水文學家及相關工作人員或專業人員也積極參與到國際活動的交流與合作中,展開了許多具有深遠意義的研究工作,極大地促進了水文科學的變革與發展,進而推動水文科學的現代化進程。關于水文科學當前的發展狀況,大致分為以下幾點:
(1)國際交流合作越加頻繁。
自國際水文計劃實施以來,聯合國教科文組織與世界氣象組織就為此召開了許多水文國際會議。因此國際水文計劃是圍繞水文科學研究與教育的國際性的全球性計劃,對水文學進行國際培訓與知識傳播,提高各個國家政府及相關人員抑或是人民群眾對水文科學的認識。國際水文計劃的重心在于應用水文學和水資源的調查評價、開發利用、管路保護及人類活動對水資源的影響,為的是幫助解決水資源問題和與水有關的社會經濟問題。
水文科學的研究不僅僅局限于認識水文循環的物理過程,還需要研究對水文循環的生物控制及氣候、水文和環境之間的相互作用,進而深化對陸面生態系統的影響,對全球氣候變化的影響等,最終實現人類可持續發展的目標。目前生態水文學已經成為了近代水文學發展的一個重要方面,其內容涉及了土壤、大氣、植被、河流等許多因素。二十一世紀初,關于水文科學的發展,國際水文科學協會組織并發起了全球范圍內針對水文科學發展的大討論,而后許多國家相繼成立了相關研究機構來推進水文科學的研究工作。
(2)水文科學研究的相關領域。
首先,水文循環與生物圈的相互作用。以前的水文研究側重于考慮水量的自然化,而今的水穩研究要側重考慮生物圈與人類活動之間的相互作用,注重陸地生態水文環境與空間格局的變化規律的問題。
其次,氣候變化與水環境的相互作用。以前的水文科學認為在陸地上整個體系中水文循環的平均值是不會改變的,對于年徑流量的漲退現象則視為階段性的波動。而今的水文科學的研究意識到一個系統中的水文過程并不總是處于平穩狀態,是會出現不同程度的變化的,陸地上的生態系統對大范圍的水文循環具有很大的反饋協調作用。
最后,人類活動與水環境的相互作用。隨著社會經濟的發展,土地利用、植被覆蓋和碳循環的問題十分突出,水文循環與生態系統之間的聯系與作用因為人為因素的干擾而受到了很大影響。因為土地利用變化十分劇烈,城市化進程加快,許多地方的河道遭到了圍墾,湖泊也因為經濟因素而受到填埋。河道、水域等許多自然生態屋被現代化改造,水文環境一下子就被迫改變。水文循環的過程是復雜交錯的,不但與陸地表層的各種自然要素的分布密切聯系,還與土地利用等關聯密切。自然變化與人為因素雙重影響下的水文循環開始變得紊亂無常,許多難以預料的災害也因此而出現。
2.水文科學研究的趨勢與特點
2.1研究領域趨向廣泛
結合當前現狀,當代水文科學的研究領域將會不斷擴大,研究的問題也會越來越復雜,還會遇到來自各方面的確定與不確定因素干擾。研究規避水文循環過程中的基本規律與不可測的突發問題是一項艱巨而具有挑戰性的任務,因而在研究的過程中要學會利用其他相關領域的理論知識或規律輔助,來幫助解決水文科學領域的相關疑難。
2.2注重研究的整體性與系統性
由于地球上的不同圈層之間都有著緊密的聯系,因而改變其一就會影響到其他所有圈層的動態規律,所以在預測未來的發展情況時,要從水文循環和轉化的物理關系上來分析氣候變化與生物作用對人類活動的影響。針對水文科學的研究也不能局限于某一技術的應用,而要結合地理信息系統、衛星遙感等技聯合起來術對其進行全方位的研究。
2.3與人類活動關系更為緊密
實際上說來,對水文科學進行深入研究的根本就是為人類服務的,是為了解決社會發展過程中的用水問題,是為了解決生存環境中的水循環問題,是為了更好地落實可持續發展的戰略決策。
3.水文科學研究的問題與相應措施
水文科學的研究是由于社會需求的存在而產生的,人類的需求決定了其研究方向與進程。社會發展對水文科學的需求主要表現為防洪減災、水資源的開發利用、生態環境的保護和社會經濟可持續發展等方面。目前我國水文科學的研究領域還存在著諸多問題亟待解決,其中比較突出的有水旱災害的監測與預報技術比較落后,可提供依據的水文研究資料比較稀少,區域性水文研究和關于不同水體的研究不平衡,水文基礎研究薄弱,水文基礎信息匱乏等等。
3.1水文科學研究中出現的相關問題
3.1.1防洪減災中的問題
氣候變化會造成水旱災害更為頻繁,防洪減災已經成為了我國政府必須解決的社會環境問題。我國處于東亞季風區,大多數的地形自西向東傾斜,對洪水的形成與匯集具有促進作用。加之植被覆蓋率小、水土流失嚴重等問題,使得我國的洪澇災害嚴重而復雜。因為人類盲目追求經濟的發展而忽視了環境的反作用,致使流域的水體分布不均、循環受礙。
3.1.2水資源的開發利用問題
水文科學的研究是為了促進水資源合理安排與利用,為了有效保障水資源的安全,進而保障糧食安全和生態環境。為了實現水資源的可持續利用,必須要保證水資源的開發利用的總量不得超過水資源的再生能力,相關部門必須要展開水資源形成與演化的研究。我國因為干旱而造成的農業方面的損失不容小覷,這些問題對于我國的可持續發展有著嚴重的威脅影響。雖然我國在干旱發生發展機理研究方面做了許多工作,但是卻沒有從根本上解決問題。因為我國將旱澇規律研究大多著眼于水文氣象變化規律的研究方向上,難以解釋干旱形成的物理機制,因而在針對干旱問題上還保留了大量的疑難殘余。
3.1.3水資源的可持續利用問題
水資源的地區分布不平衡導致區域性水資源短缺,在水文科學研究的過程中,水資源合理配置與科學調度中的許多關鍵性問題至今仍未解決,我國當前還沒有形成跨流域調水的規范技術體系。
3.1.4生態系統問題
我國的生態系統因為城市化進程的影響而遭受了很大的打擊,各種生態問題因為難以得到良好而及時的解決而變得越發嚴重。人類活動促使水的分布及運動更加不合理與不規律,甚至導致了水土流失、土地荒漠化等。
3.1.5江河治理問題
針對江河治理的過程中,我國相關部門只是采取非常片面的手段,將目光局限于經濟與工程上,專注于局部河段的治理,因此未能取得非常良好的效果。江河治理的地學基礎是江河治理過程中人與江河互相作用的地學,包含了地質面貌、水文氣候和流域自然地理等因素。人類根據自身意愿通過不同方式和不同程度作用給河流,這種影響漸漸將河流的相關特性改變。
3.1.6工程規劃問題
社會發展的進程中,因為人類活動的不顧后果,使得水文系統嚴重受損,給水利工程方面數據采集帶來極大難度。
3.2針對水文科學研究問題的解決方法
3.2.1為防洪減災提供支撐
防洪減災問題需要水文信息與知識的支撐。從理論的角度上講,理應加深對洪水形成規律的研究。從技術的角度上講,理應強化水文信息的采集、傳輸、預報、調度與決策。從實踐的角度上講,理應加大非工程措施的水文依據的研究。
3.2.2為水資源的可持續利用提供基礎
水資源的可持續利用是推進社會發展的動力,是人民正常穩定生活的保障。從理論的角度上講,理應加強水資源形成與演化機理的研究,加強全球變暖條件下對水資源的影響的研究。從實踐的角度上講,理應加強水資源評價與水資源開發利用的研究。
3.2.3為生態環境保護提供服務
生態安全與環境的保護需要提供相關水文知識的服務。從理論的角度上講,理應揭示水對生態安全與環境保護的影響。從實踐的角度上講,理應根據自然條件下采用不同的研究方法。
3.2.4為江河治理提供依據
江河的治理過程需要提供具體的水文依據。從理論的角度上講,理應揭示河流發育演變的地學基礎。從實踐的角度上講,理應充分考慮江河的實際情況,制定合理可行的改進措施。
3.2.5為人類活動提供警告
根據人類活動給水文系統造成的劇烈影響,應當加強人類活動對水文條件的影響,加強水文分析計算途徑與方法研究。
4.水文科學研究的機遇與挑戰
水文科學對我國社會的可持續發展與人民安居樂業有著十分重要的作用,我國相關部門重視水文科學的研究與發展,在其中投入許多人力物力財力,并且引進先進的理論方法來支持水文研究。
從開始到現在,我國的水文科研已經與國際接軌,而且還適當地融入到教育事業中去,使得兩相領域相輔相成共同發展。除此之外更重要的是,我國的水文科學發展將要在社會發展的進程中面臨許多不可預測的事情。這些不可預測對于我國來說既是機遇又是挑戰,因此我國應該及時抓住機遇,勇于面對挑戰。
4.1充分利用國家相關資源
根據我國當前的水文科學研究現狀,要充分發揮與利用我國先進的相關資源。我國已經設立了部級水文資源重點實驗室,而且還實行了“211”工程建設。我國政府應當充分抓住該機遇,啟用相關高技術人才,聯合國際相關機構并結合我國發展的實際需要來開展水文科學規劃的科學研究。重點對水文基礎研究、水文應用基礎研究和水文科學人才等教育與培養方面進行大規模的操作與規劃,實行具有我國特色的水文科學研究。
4.2結合國家發展需求
我國制定了水文科學研究的發展規劃,在該規劃的引領下,結合我國“十五”的發展需要,利用全國水文研究機構共同協作,開展國家級重點基礎項目研究。通過這些方式來促進我國水文研究人才的溝通交流,進而推動水文科研的進步。
4.3鼓勵成果共享
從長遠的角度來看,我國應當積極鼓勵水文人才與水文成果的國際化交流,將我國研究出來的先進理念同世界上的其他國家進行交流合作,積極參與各國的合作性水文項目,促進我國水文學科基礎與應用研究的發展。
4.4培養高技術人才
為了我國水文科研的進步與發展,要從相關研究人員的綜合素質抓起,重視水文科研高層次人才的培養。
5.總結
社會科學技術的不斷進步,生產實踐的日益深化,水文科研涉及的領域已向多元化發展。在接下來的研究發展中,水文科研將在應用層面加大研究力度。健康可持續的水文循環是支撐社會不斷前進的保障,是人類幸福生活的堅實基礎。
參考文獻:
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(中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室,中國 北京 100038)
【摘 要】南水北調中線工程通水后,海河平原區因水源置換與地下水壓采,供水格局發生轉變。基于水資源轉化動態模擬模型MODCYCLE,在對2001~2010年現狀地下水動態平衡模擬分析的基礎上,設置不同供水方案情景,量化模擬未來淺層地下水的動態響應。結果表明:供水格局變化后,隨著降水入滲量和地表灌溉滲漏量增加,地下水總補給量有所增加;隨著人工開采量的減少,地下水總排泄量減少;地下水補排關系改善但仍呈現負均衡。研究可為今后建立海河平原區地下水合理開采模式提供依據,促進區域地下水可持續管理。
關鍵詞 海河平原區;MODCYCLE模型;淺層地下水;動態響應;供水格局
基金項目:水利部公益性行業科研專項(201001018)。
作者簡介:周琳(1990—),女,河南洛陽人,碩士研究生,研究方向為水資源綜合利用與調控。
0 引言
海河平原區是我國經濟發展的重要區域,地下水一直是主要供水水源,且供水比重也呈穩定增長趨勢,近年來更高達66%。自80年代以來,在需水量迅速增加和降水衰減的共同作用下,海河平原區已經成為南水北調受水區地下水超采最為嚴重的區域[1]。長期無序過量的開采地下水資源,導致海河平原區地下水儲量大量消耗,區域地下水水位持續下降,并引發嚴重的地面沉降、海水倒灌、水質污染等環境地質問題[2]。為確保未來海河平原區地下水的可持續利用,保障區域穩定健康發展,多年來學術界一直將當地地下水評價與研究作為關注熱點。
韓瑞光研究建立了海河平原區淺層地下水概念模型,并提出今后模型建設建議[3]。費宇紅等通過研究海河平原區地下水儲量消耗過程,指出該區域地下水可開采利用的潛力已經十分有限,從長遠看南水北調是解決缺水的理想途徑[4]。何杉采用水量平衡的方法,研究分析了南水北調實施后,地下水開采量的減少與入滲補給量的增加,將促使海河平原淺層地下水局部得到恢復[5]。杜思思等聯合運用MODFLOW與水資源配置模型ROWAS,模擬了有無南水北調兩種對比情景下海河平原區地下水的演變[6]。
以上研究通過數據分析與模型模擬等方法對海河平原區的地下水資源作出了評價,但作為模擬情景水文條件的水文系列較短,考慮的情景方案較少。為從更完整的角度驗證工程達效對海河平原區地下水循環恢復所起的作用,本文基于分布式水文模型MODCYCLE,結合多個典型的供水格局情景進行海河平原區地下水的詳細模擬與動態響應分析。
1 海河平原區MODCYCLE模型的構建與驗證
MODCYCLE模型是基于“自然——社會”二元特性開發的分布式水循環模擬模型[7],充分考慮到對自然水循環過程與人工水循環過程的雙重體現[8],可用于人類活動干擾明顯的海河平原區水循環系統的模擬量化。為保證水循環模擬的完整性,本文通過MODCYCLE構建海河流域水資源轉化動態模擬模型,研究和辨析現狀2001~2010年海河平原區淺層地下水動態平衡;選取5個代表性水資源配置方案,模擬預測不同水文系列條件(1956~2000年平水系列、1980~2005年近期枯水系列)和南水北調工程實施情況(南水北調中線工程一期達效、二期達效和加大中線一期引水20%)下海河平原區淺層地下水動態響應。
1.1 模型數據輸入
按DEM將海河流域劃分為2028個子流域,其中平原區子流域1165個。地下水數值模擬以4km為間距劃分網格單元,有效單元格8383個。模擬氣象數據采用收集的46個氣象站點實測數據展布。地下水水位根據550個淺層地下水位觀測井和210個深層地下水位觀測井的觀測數據插值計算。水文地質參數根據海河流域水文地質調查數據展布。
1.2 模型率定與驗證
模型以2001~2005年為率定期,2006~2010年為驗證期。考慮到海河流域水循環特性,選取地下水位、地下水蓄變量為驗證指標。
1.2.1 地下水位檢驗
圖1所示為2010年末(驗證期末)的實測與模擬淺層地下水位等值線對比,從整體上看,模擬與實測地下水位等值線具有可比性,山前及中部地下水開采密集區的地下水位等值線變化幅度大。
1.2.2 淺層地下水蓄變量檢驗
2001~2010年海河流域淺層地下水蓄變過程統計值(根據2001~2010年《海河流域水資源公報》分析整理)與模擬值對比如圖3。從蓄變模擬結果看,蓄變過程在變化趨勢上一致。經計算得,淺層地下水蓄變量模擬與統計值之間相關系數為0.96,相關程度較高。
從總體上看,對于海河流域這種大空間尺度和長時期的水循環模擬研究,目前的率定驗證結果基本滿足要求。
2 地下水平衡現狀與模擬情景設置
2.1 2001~2010年現狀淺層地下水動態平衡
模擬現狀年時段海河平原區淺層地下水年均補給總量約193.66億m3。其中降水入滲量占總補給量的67.0%,為最主要的補給來源;灌溉滲漏補給量占8.7%。淺層地下水年均排泄總量223.52億m3,其中農業灌溉開采量占總排泄量的49.7%;其次是工業、生活、生態等非農業開采量,占總排泄的27.4%。
2.2 供水格局主要特征
在規劃水平年“三生”需水量規模和可供水量上限確定的前提下,未來海河流域供水格局的變化與水資源合理配置方案密切相關。
本次綜合考慮五維屬性[9]協調,以《海河流域水資源綜合規劃》基于1956~2000年系列(長系列)的推薦方案F1為基本方案。但考慮到該系列對流域近期水資源情勢反映不足,故以1980~2005年系列(短系列)作為對比情景,最終確定了長系列方案F1、F2、F3和短系列方案F4、F5共5個典型水資源配置方案,即供水格局變化方案。方案特征概述如表1:
2.3 供水格局情景模擬
南水北調中線工程通水后,2020年海河流域將引入長江水量79.2億m3,2030年117.5億m3。工程達效后5個推薦方案不同水平年的主要供水量的組成情況見圖3:地下水仍是供水主體,次為外調水和當地地表水。未來該區外調水(含引黃水)供水量將增多,地下水用水幅度隨之減小。
淺層地下水和外調水(含引黃水)的分配情況見圖4:地下水的大用水戶仍然是農業灌溉,外調水主要滿足工業生產與城鎮生活用水,滿足經濟生產需求后,可置換一部分地下水超采量,用于農業灌溉用水和修復生態環境用水,緩解現狀地下水的開采壓力。
3 供水格局變化后地下水動態響應
通過上述已建模型,預測供水格局改變后海河平原區各配置方案不同水平年淺層地下水的水平衡統計結果,從中提取淺層地下水年均補給、排泄、蓄變量的關系見表2。補排狀況如下:
降水入滲量仍是淺層地下水的最主要的補給來源,與現狀相近;引江水量主要通過襯砌渠道和管道輸送到用水戶,故河道滲漏補給量長、短系列差異不明顯,且與現狀平均值接近;地表水灌溉量比例增加,與地下水灌溉開采比例減少使得灌溉滲漏補給量均大于現狀平均值;淺層地下水總補給量短系列與現狀平均值接近,約190億m3,長系列比短系列大約12億m3,其中降水入滲補給量和地表灌溉滲漏量的增加為主要影響因素。
平原區地下水人工開采量仍占據排泄量較高比例,但均不同程度小于現狀平均開采量,尤其是其他開采量(工業/城鎮、生活、生態等)明顯減少;不同方案的潛水蒸發量波動較大,但均大于現狀平均值;淺層地下水向深層地下水越流排泄量迅速減小,長系列略大于短系列;淺層地下水總排泄量均小于現狀平均值224億m3,人工開采量的減少是關鍵因素。
5 結論
本文基于分布式水文模型MODCYCLE,對海河平原區地下水水循環過程進行分項體現。選取綜合考慮氣候條件變化與南水北調工程共同作用的5個典型水資源配置方案為背景,比較了不同水平年與現狀海河平原區淺層地下水補給與排泄結構的變化,以及海河平原區淺層地下水蓄變與埋深的發展變化趨勢,并簡要分析了主要影響因素。主要研究結果如下:
(1)海河平原區淺層地下水總補給量與現狀相比有所增加,主要原因在于隨水文系列和供水格局的變化,降水入滲量和地表灌溉滲漏量增加;(2)淺層地下水總排泄量相對現狀年有所減少,原因在于人工開采量得到控制;(3)供水格局改變后,海河平原區淺層地下水仍將處于負蓄變狀態,但與現狀年情況相比程度已有較大和緩。
研究表明:南水北調工程通水能夠改善當地地下水循環失調的現象。未來需繼續推進工程配套建設,充分發揮工程效益以減緩與遏制地下水環境惡化的趨勢。研究采用的水資源動態轉化模型可考慮作為今后海河平原區地下水管理的日常分析工具,提高區域地下水管理的科學性、針對性和實效性。同時,研究結果可為進一步建立海河平原區地下水合理的開采調控模式提供參考。
參考文獻
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關鍵詞:小流域;降雨;徑流;泥沙測驗;水土流失
中圖分類號:S157 文獻標識碼:A 文章編號:1674-0432(2012)-04-0235-1
小流域長時間的降雨很可能引起地表徑流情況,而地表徑流具有較大的沖刷力,能夠將大量的泥沙帶走,造成該地區的水土流失。對于一些雨量較大的地區來說,如何治理小流域的水土流失成為水文工作的重點。因此,相關工作人員利用懸移質采樣器、泥沙顆粒分析儀器等泥沙測驗儀器,對小流域降雨徑流的泥沙進行測驗與分析,用以觀察與測量小流域徑流作用下,泥沙隨著水體運動的形式、數量以及演變過程,從而找出治理的辦法。
1 小流域降雨徑流的泥沙運動影響因素分析
一些地區由于地質環境條件惡劣,植被覆蓋率較低、人類活動不合理等因素的影響,造成地表土壤泥沙松散、容易被雨水沖走的局面。具體來說,在小流域降雨徑流條件下,泥沙運動受到以下因素影響。地質地貌條件:一般來說,一些地表土壤層厚度較薄、土壤下面多是巖石,地面坡度陡峭,土體的性質松軟易蝕等條件下,一旦受到強度較大的小流域降雨,那么就很容易形成地表徑流,造成泥沙被帶走的情況;植被覆蓋率:種植植物是保持水土的重要途徑之一。但是一些地區受到人為原因或者地質原因的影響,植被覆蓋率較低。這種情況下,很容易出現土壤泥沙隨著地表徑流運動的問題;人類活動:人類的腳步已經遍布整個地球,他們對自然的利用,尤其是土地資源的開發利用已經超過自然的承受能力,造成地面完整性受到破壞、土地沙化,不利于水土保持。
2 小流域降雨徑流的泥沙測驗分析比較結果
相關工作人員為了找出治理水土流失、整治河道等方法,對小流域降雨徑流下的泥沙運動進行測驗,具體布置可以根據實際情況而定,利用懸移質采樣器、泥沙顆粒分析儀器等泥沙測驗儀器,采用用控制斷面讀水位的方法,按照規定時間對水位變化進行記錄,并分段采集水樣,分析比較含沙量。(以高橋與峽江兩地區2009年8月測驗為例)
根據上表可知,在高橋與峽江兩個地區,降雨量都是比較大的,而且峽江地區徑流中的含沙量更大些,所以這個地區的水土流失情況是比較嚴重的。另外,泥沙測驗人員還針對高橋地區2009年8月的另一次降雨做了另一次測驗。測驗內容是在降雨量為92.5mm條件下,該地區的平均降雨強度是6.2mm/h,徑流深是37.93mm,徑流系數為0.41,泥沙輸移比為0.68。由兩次測驗可以看出,在小流域的降雨因素中,降雨強度與徑流深是引起小流域徑流泥沙運動量變化的主要外在因素。因此,可以通過實施有效的攔截、攔蓄、分散徑流等方法來治理水土流失或者進行河道改造等工作。
3 小流域降雨徑流下的水土保持策略
要想有效地保持水土,就必須解決徑流問題,以分散徑流對泥沙運動的影響。所以,相關工作人員提出科學調配并合理利用坡面徑流的策略,以提高小流域降雨徑流下的水土保持工作效率。科學調配并合理利用坡面徑流策略通常的做法是將坡面等地的徑流分割成若干部分,形成分散的體系,并針對不同的徑流部分提出不同的解決策略,比如,在徑流上部挖成魚鱗坑或者果樹坑來達到蓄水與排水的作用;以提高工作效率。另外,還可以有以下的方法來進行水土保持。如在河道低洼處建立塘壩,并加設相關防滲布置以提高攔截水土的效率;還可以建立排水溝或者集水池,以聚集降雨,減少徑流,也可以達到治理水土流失、保持水土的目的。
4 結語
綜上所述,相關工作者對小流域徑流下的泥沙進行測驗,可以通過有效地分析得出小流域徑流作用下的泥沙運動、數量以及演變形式等與地區的土壤條件、植被、地質地貌等都有緊密聯系。因此,在進行水土流失治理過程中,必須將這些影響因素都綜合起來,從生態角度、地質地貌角度、自然氣候角度等制定水土流失治理的策略,科學調控并合理利用坡面徑流的作用,以最大限度地防治水土流失問題,為地區的農業開發奠定基礎。
參考文獻
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關鍵詞:喀斯特地區;水資源;貴州;研究
中圖分類號:S157 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2015)05(a)-0000-00
引言
喀斯特環境以其獨特的二元水文結構為基本特征,形成了脆弱的生態環境。貴州位于世界三大喀斯特集中分布區之一的東亞片區的中心,全省碳酸鹽巖的出露面積達13萬km2,占全省土地總面積的73%,在全省86個縣級單位中,有75個縣(市)屬于“喀斯特縣”,屬典型的生態脆弱區,是我國西部大開發中生態建設的重點和難點地區。水資源是喀斯特地區自然生態平衡、生態環境保護、經濟發展、貧困消除的決定性因素。長期以來,由于過度墾殖、陡坡開墾等不合理的土地利用方式導致水土流失和石漠化,喀斯特地區水資源問題嚴峻,臨時性干旱頻繁。另一方面,隨著人口數量的迅速增長,社會經濟的快速發展,對水資源的需求也急劇增加。本文以貴州省為例,從該區水資源現狀、水資源承載力、土壤水研究以及生態環境對地下水的影響方面總結了喀斯特水資源研究現狀,并對未來研究方向進行了建議。
1貴州省水資源概況
1.1 貴州省水資源量概況
貴州省位于我國南方喀斯特強烈發育的高原山區,屬于亞熱帶季風氣候。年降雨量在1000毫米~1300毫米之間,屬于濕潤地區。據2010年貴州省水資源公報,全省平均降水量1105.9 毫米,折合年降水總量1948.15億立方米,屬平水年份。2010年,全省地表水資源量956.54億立方米,折合徑流深543.0毫米,比上年增加5.1%,比常年偏少9.9%,屬平水年份。全省地下水資源量為251.4億立方米,比上年增加0.97 %,比常年偏少4.1%,其中長江流域片區為176.9億立方米,珠江流域片區為74.5億立方米。雖然雨季降水豐沛,但由于喀斯特二元水文系統使得降水容易經地表滲入地下難以開采,工程性缺水嚴重。
1.2 貴州省水質狀況
隨著人口的增加和社會經濟的發展,開發建設和生產規模不斷擴大,城市生活用水與工業用水量迅速增加,廢水污染排放量日益增大,貴州省水環境面臨巨大壓力。“十一五”、“十二五”以來,隨著污染物總量控制和環境管理的推進,貴州省地表水水質狀況持續好轉。據2013年貴州省環境狀況公報,對全省在長江、珠江兩大流域七大水系共44 條河流的水質監測結果表明,85 個水質監測斷面中,達到Ⅰ~Ⅱ類水質的斷面為52 個,占總監測斷面的61.2%;達到Ⅲ類水質斷面為19 個,占總監測斷面的22.4%;2 個斷面為Ⅳ類水質,占總監測斷面的2.4%;1 個斷面為Ⅴ類水質,占總監測斷面的1.2%;11 個斷面4水質劣于Ⅴ類,占總監測斷面的12.8%。2013 年全省滿足水質功能要求的斷面有70 個,占總監測斷面的82.3%。雖然貴州省地表水水質狀況尚好,但隨著該區城鎮化及工業化的不斷推進,水質繼續保持和持續改善的形勢仍然嚴峻。值得注意的是,喀斯特地區地上地下雙重空間結構,使污染物直接轉入地下水中;又因缺乏溶解氧、陽光,導致微生物繁殖慢,地下水水體自凈能力差,容易造成點、線、面、體的全面污染,導致功能性缺水。
2西南喀斯特地區水資源研究現狀
2.1 喀斯特水資源承載力研究
水資源承載力是指以可持續發展為原則,以可預見的技術、經濟和社會發展水平為依據,以維護生態環境良性發展為條件,某一地區的水資源在某一具體歷史發展階段下,經過合理優化配置,對該地區社會經濟發展的最大支撐能力。喀斯特區獨特的水文結構及其功能效應增加了該區水資源開發及利用難度。目前,對喀斯特地區水資源承載力的研究主要有:王在高等[1]通過構建指標體系并利用LOGISTIC預測了喀斯特地區水資源承載力。周亮廣等[2]提出相對資源承載力的研究方法對貴州喀斯特地區水資源承載力進行了相關研究。鹿坤等[3]利用模糊綜合評判法研究了喀斯特地區水資源承載力。楊秀英等[4]運用人工神經網絡模型分析和研究了喀斯特地區水資源綜合承載能力。孔蘭等[5]研究了貴州省喀斯特流域徑流量時序演變特征分析。張美玲等[6]運用多目標灰色關聯投影法,研究了貴州省水資源承載力的空間地域差異。賀中華等[7]進行了貴州省喀斯特地區水資源承載力的綜合評價研究。這些研究對貴州喀斯特地區水資源可持續利用提供了相關的理論依據。
2.2 喀斯特土壤水研究
土壤水與地表植被、大氣水、地表水和地下水有著緊密的聯系,是水資源中最復雜和最重要的組分。近年來,對于喀斯特地區水資源的研究逐漸從大尺度的水文地質領域及其表層巖溶帶內水文研究,即偏重地下水的研究,轉向對地表水、地下水轉化的中間環節即土壤水的研究。目前,對喀斯特土壤水分的研究主要集中在喀斯特山區土壤水分的運移規律、時間異質性及其主要影響因素方面。已有的研究結果表明:西南喀斯特山區土壤水分具有明顯的時空變異性和派生性,其空間異質性與該地區復雜多變的地形地貌和類型多樣的小生境密切相關。另外,土地利用方式、微地貌、土壤物理性質、有機質含量等對喀斯特山區土壤水分的空間分布與變異都有重要影響。朱守謙等[8]、高華瑞等[9]分別研究了烏江流域喀斯特石質山地水分特征、不同類型碳酸鹽巖坡面的土壤水分特征。杜雪蓮等[10]研究了喀斯特高原區不同植被類型土壤水分的變化特征。范新瑞等[11]研究了黔中典型喀斯特地區土壤水分時空特征。肖德安等[12]指出應加強土壤水的地球化學特征研究。今后的研究應進一步注重與土壤學、植物學、水文地質學、生態學、地球化學等學科的交叉融合以實現喀斯特地區水土資源的協調利用和生態恢復與重建。
2.3 生態環境變化對喀斯特地下水資源的影響
地下水既是水資源的重要組分,也是重要的環境要素。據初步統計,我國喀斯特地區地下水水資源量為2039.67×104m3/a,約占全國地下水總資源的23.4%;南方2836條地下河,總長度13919 k m,總流量467×108m3/a,相當于黃河多年平均流量。貴州喀斯特地下水資源占該區地下水資源的73.22%。地下水是該區人民生活和生產的重要水源,在許多地方甚至是唯一的淡水水源。喀斯特山區具有獨特的二元結構水文系統,地表生態環境退化會降低地下水系統的自我調蓄能力與凈化能力,導致賦存于巖層中的地下水資源量的時空分布極不均勻,水資源總量減少和水質退化[13]。郎贅超等研究了貴陽市地表水及地下水的化學組成,揭示了該區人類活動對地下水文地球化學的影響[14],結果表明市中心商住區的多數地下水和地表水樣品中 NO3-、SO42- 離子含量和水總硬度較高,地下水在夏季因大量使用肥料及工業和生活廢污水排放量的增加而受到不同程度的污染。劉方等[15、16]研究了貴州地區喀斯特森林群落退化、土地利用變化、農業活動對地表徑流及喀斯特淺層地下水化學的影響,結果表明隨著森林覆蓋率下降、基巖率增加,加劇了水生態環境退化的強度和速度。高復種指數農業區地下水的化學組成變化明顯,淺層地下水質呈現一定程度的退化,作物種植結構和施肥水平是影響地下水質量的重要因素。蘇躍等[17]對貴州喀斯特山區的相關研究結果表明土地利用由林地變為耕地后,地下水質量出現一定程度的下降。因此,喀斯特區地下水資源的保障,需要發展和完善生態農業和有機農業,制定合理的發展規劃及農業管理制度與政策,從而有效地避免農業生產中輸出的大量養分影響地下水質。
3今后的研究重點
水資源是人類文明存在和發展的重要自然資源,同時也是自然環境的基本組分。目前,貴州省喀斯特水資源研究已取得了一些成果,但相比于非喀斯特地區的研究來講,其研究廣度和研究深度都還有一定的距離。今后,喀斯特地區水資源的研究應朝著綜合性、多學科、應用性及前沿性方向發展,達到理論和實踐的結合。主要體現在以下幾個方面。
3.1 喀斯特三水轉化規律研究
喀斯特地區獨特的二元結構水文系統控制著水資源的形成及三水轉化過程。應進一步深入研究該區不同類型區域的三水轉化過程及規律。依據不同類型區經濟社會狀況、土地資源狀況、三水轉化及水資源形成過程,采用分散供水,分散攔蓄、以化整為零方式,水資源開發利用模式以小微型為主,遵循因地、因土、因水及因需制宜的原則,有效緩解及解決喀斯特地區的干旱缺水的程度及狀況[18]。
3.2 水與生態環境的結合研究
喀斯特地區自然環境脆弱、人口眾多、經濟落后,水危機深刻影響著社會生活的各個方面,引起了國家和社會的高度關注。中央明確西部大開發不能以犧牲生態環境為代價。由水資源短缺引發的生態環境問題受到越來越多的重視,將水與生態環境結合起來研究是未來的發展趨勢。明確生態系統變化是如何影響喀斯特水資源的質量與數量的重大問題,對深入研究該區水循環機制具有重大意義,同時為進一步揭示該區水資源形成和演化規律以及控制機理提供科學地理論依據。
3.3 水資源評價、規劃和管理研究
針對喀斯特水資源演變規律的變化,在著力研究水與生態問題的過程中,將水資源演變的自然屬性與社會屬性同時考慮,對水循環過程進行綜合研究。應重視研究水的資源量、可利用量、生態需水量、水環境質量的統一定量機理和相應模型,建立適合變化條件下的水資源理論體系。以水權分配研究為核心,突出研究水價機制、水資源恢復與補償機制,建立科學合理的水資源評價、規劃及管理體系。
參考文獻
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關鍵詞:生態,需水,計算,問題
Abstract: Ecological water requirement is an important research topic of ecological hydrology. Problems of degraded ecosystem of all water-related ecosystem development, climate change and human activities under the intervention, all need to be answered water or runoff problems needs to maintain the ecosystem. This paper introduces the concept of ecological water demand of ecological water requirement, first introduced the research history at home and abroad, and then introduces the research method of ecological water demand, finally puts forward the existing problems in current research work and prospect for future development.
Keywords: Calculation of ecological water demand,,, problem
中圖分類號:F205文獻標識碼:A文章編號:
隨著人口增長和社會經濟發展,人類活動對生態環境的影響越來越大,由此引發的生態環境問題也日益突出,就制約我國社會經濟可持續發展的水土流失、森林破壞、草場退化、河流斷流及湖泊干涸等重大生態環境問題而言,直接或間接地在水資源配置過程中較為重視生產和生活用水,而忽視生態環境保護與建設對水資源的需求。隨著人民生活水平的提高,對良好生態環境的需求日益增加,因此合理量化生態環境需水已成為水資源優化配置和生態環境保護與建設中亟待解決的熱點問題。
生態需水量概念辨析
盡管目前國內外有關“生態環境需水量”方面的研究很多, 但對其概念界定尚無統一的認識, 研究者多根據其研究目標及其要保護的主要功能提出相應的定義。總體而言,生態需水量是指在一定的生態目標下,維持特定時空范圍內生態系統與自然環境正常功能或者恢復到某個穩定狀態所需求的水量。
生態需水、生態耗水和生態用水的區別[1]~[2]
生態耗水是指現狀多個水資源用戶(生產、生活和生態)或者未來水資源配置(生產、生活和生態)后,生態系統實際消耗的水量。它需要通過該區域社會經濟與生態耗水的平衡計算確定。生產、生活耗水過大,必然擠占生態耗水。
生態用水是受控于水資源量、供水設施、水處理工程等各種客觀條件使用或配置的水,不能保證每個生態系統的用水都在需水的閾值范圍內。
相對生態耗水和生態用水,生態需水是指維系一定環境功能狀況或目標(現狀、恢復或發展)下客觀需求的水資源量。
三者數量之間沒有絕對的大小排列關系,用水量可以在需水量范圍內,也可以超出需水量范圍;實際耗水量可以大于用水量也可以小于用水量,主要跟耗水類型和來源有關。
生態需水與環境需水的區別[3]
楊志峰(2003年)提出,生態需水與環境需水兩者之間存在交叉和重合的部分,但是二者不同。生態需水主要側重在生物維持自身發展及保護生物多樣性方面,環境需水則主要體現在環境改善方面。環境科學中環境的概念為:圍繞人群的空間及其中可以直接或間接影響人類生活和發展的各種因素的總和——人類是主體。從這個意義上說,生態需水和環境需水是一致的,因為其他生物的生存和發展同樣也在以人為主體的環境的范疇內。
而就狹義的環境概念,滿足人類景觀、娛樂的要求對應的環境需水應該是在城市生態系統中某一較低要求的生態需水,該需水的水量和水質主要從人類的需求出發。
2國內外研究異同[4]
國外在水與生態保護領域上,面對的問題性質、嚴重性、管理目標與我國有很大差別,從深度和廣度上都遠非我國嚴重。歐美國家自然條件較為單一,水文情勢規律性強。而我國自然條件復雜且受季風控制,河流年際和年內季節性變化巨大,水文情勢復雜,自然條件、社會經濟發展水平和生態環境狀態交織構成的區域水問題復雜多樣。迫使我們必須系統地研究水文循環的生態效應,進行不同區域的生態需水理論和方法研究。
國外人口壓力小,水源充足,自然狀態保持較好。我國生態用水問題突出的流域,經常出現植被退化消亡,河道斷流、干涸等生態系統深度破壞的情形,面臨國民經濟用水與生態用水之間的競爭權衡。國外生態保護采取預防性管理思想,生態管理定位于維護正常狀態以上,現有的經驗與成果基于流域生態系統維持正常狀態的水分條件,以避免危機狀態出現,不涉及正常以下的破壞退化過程,如(澳大利亞、美國)限制干旱區經濟布局、限定地下水開采地點、枯水季節利用工程調節提高流量或限制用水。我國需要根據不同流域情況,針對與水有關的生態深度破壞現狀,進行分階段多元目標管理。需要更深入研究生態退化過程及其相應的生態需水定義,研究生態危機管理的問題。
國外將生態用水優先考慮,是水資源配置的前提條件,河流管理集中于枯水季節最枯時段的調控。我國需要生態需水參與水資源配置過程,需要解決水資源配置和河流生態流量全過程調度問題。問題決定了研究方向與方法,國外集中于偏安全的單參數的確定,采取在最敏感的季節外包線思路,不涉及分季節危機控制,方法概略,甚至統計平均。我國需要研究流域水循環人為改變與生態系統退化機理,需要多參數全過程研究生態需水,對流域、河道、濕地、地下水進行全方位研究。
研究方法
根據有關文獻統計,目前全球有44個不同國家進行河流生態需水計算,所用計算方法超過200種之多,這些方法可以分為4類:
(1)歷史流量法。其中較為常用的方法是Montana法、枯水頻率法(7Q10)法,其特點是只需要歷史流量資料,使用簡單、方便,容易將計算結果和水資源規劃相結合,具有宏觀的指導意義,但由于對河流的實際情況作了過分簡化的處理,沒有直接考慮生物的需水和生物間的相互影響,通常用于優先度不高的河段,或者作為其他方法的一種檢驗;Tennant法是脫離特定用途的生態環境用水量計算方法, 也叫Tennant法或Montana法, 是非現場確定河流生態環境需水的典型方法。該方法以河流水生態健康情況下的多年平均流量觀測值為基準, 將保護水生態和水環境的河流流量劃分為若干個等級,推薦的標準值是以河流健康狀況下多年平均流量值的百分數為基礎。
(2)水力定額法。較為常用的是濕周法、河道內流量增加法、R2CROSS法和CASIMIR法。河道濕周法認為:保護好臨界區域的水生棲息地的濕周,就會對非臨界區域的棲息地提供足夠的保護。河道內流量增加法認為:通過模擬流速變化和細細地類型的關系,將水力學數據和生物學信息結合,找出適合水生生物棲息的流量。R2CROSS法認為:淺灘是最臨界的河流棲息地類型,保護淺灘棲息地也將保護其他的水生棲息地。CASIMIR法認為:水力學模型、流量變化和生物類型之間存在相關關系,建立起模型就可以估算主要水生生物的數量和規模。上述方法優點是只需要進行簡單的現場測量,不需要詳細的物種-生境關系數據,數據容易獲得。但是該方法體現不出季節變化因素,通常不能用于確定季節性河流的流量,但它能為其它方法提供水力學依據所以可與其它方法相結合使用;
(3)棲息地定額法,其代表性方法為IFIM法。該種方法的優點在于能將生物資料與河流流量研究相結合,使其更具有說服力。但是傳統分析的重點是目標物種而非整個河流生態系統,因此,它的輸出結果也非整個河流管理計劃所要求的流量推薦值同時由于定量化的生物信息較難獲得,也大大限制了該方法的使用;
(4)整體法,以BBM法為代表性方法,BBM法集中于流量的變化對河流生態環境的影響分析,需要對流量大小變化與相應的河流生態系統進行長年的觀測,對不同流量的界定非常關鍵,整個過程需要由水生生態學家到水利工程師等多個學科團體的參與,較復雜,使用起來比較困難。
上述估算流量的方法在數據要求、選擇流量所采用的方法、生態方面的假設以及對河流水力學方面的影響,都有一定的區別。流量法是通過按比例縮小河流的寬度、深度和流速,從而得到一個平均流量,主要用來計算一個流量的估計值;水力學方法集中在保留河道具有足夠的水量,保持河流的基本形態;棲息地法的特點是說明棲息地如何隨著河流水量的變化而變化,雖然提供了一種非常靈活的估計河流流量的方法,但不容易被應用。上述這些方法對于解決較小型河道生態環境需水量時較為實用,但對于大河而言,需要有更多的實踐和參數變換。同時,這些方法不太適宜于湖泊、沼澤、濕地等,因此仍需要開展更廣泛的方法學研究。
結論
當前在我國生態需水研究中,生態目標未能得到明確詮釋,水分——生態耦合作用機制這一核心研究命題也未能得到系統剖析;水分的生態效率(益)也未能得到充分考察;生態需水的相關研究結果難以滿足競爭條件下區域水資源科學配置與管理的實踐需求。因此亟待從機理剖析的角度,結合區域水資源的科學配置與管理實踐,構建適合我國國情的生態需水研究的理論框架與技術體系。
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