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关键词:水文科学 机遇 挑战
水文科学的发展要结合我国全面建设小康社会的目标来发展,要基于我国社会经济的发现现状来发展,要借助于我国可持续发展的战略决策来发展。水文科学的研究是为了实现人口、资源、环境的协调发展。由于水是人类赖以生存的的自然资源,是国家经理建设与人民生活中不可或缺的基本资源,由此水资源的重要性可见一斑。水文科学是研究地球上一切与水有关的所有科学领域的学科,关系到社会经济发展与人类的生存发展问题,是一门涉及面广博且具有重要价值的科学性学科。然而水文现象复杂繁多且其在时间尺度与方向上都具有不重复性,有时还会有空间方面的变异性,这些问题使得我国相关部门对水文科学的研究要更加细致与全面。
1.水文科学的概况
1.1水文科学的基本内容
水文科学作为一门研究水的学科,对水的形成、循环、时空分布、化学性质、物理性质进行相关研究。不仅如此,水文科学还要对水资源的开发利用、水资源的保护、水旱灾害的形成等方面予以探索。水文学科的研究领域非常广泛,它不但涉及水量的研究,还还涉及水质的研究。不但涉及当前水情变化规律的研究,还涉及地球上水的生命史及其未来发展的研究。不但涉及生态环境方面的研究,还涉及水利工程方面的研究。
水文学科中最基本的两大基本规律是水文循环与水量平衡。在我们所生存的地球上,各种水体通过水文循环紧密地联系在一起,因而水文循环是水文研究的重要内容。
1.2水文科学的形成过程
水文科学是一门又古老又年轻的学科。其研究可以说从公元前三千多年前就有迹可寻,当时古埃及就在尼罗河畔勘测水位。在我国公元前一千四百年前后, 殷墟甲骨文中早已出现了有关降雨和洪水的相关记载,后来我国古代人民开始采用测雨器来观测雨量,绘制降水量的等值线图。法国文学家在一七七五年发表明渠均匀流公式。德国的水文学家沃尔特曼在一七九零年发明了流速仪。以上取得的成果都表现为水文科学的萌芽阶段。
水文科学的迅速发展时期是十九世纪牛顿力学的古典科学得到快速发展阶段,该科学的发展带动了水文科学的迅猛发展。作为一门涉及面广博的学科,水文科学逐渐形成了自身的一套系统。在二十世纪前半叶,由于生产力的不断发展,人们越发希望能够对洪旱的基本变化规律予以掌握,以此来建造水利工程造福百姓。直到一九五七年爱尔兰的水文学家纳西对瞬时单位线的物理机制进行了深入分析,并且用数学语言描述了流域的汇流过程,这些相关理论的提出使得许多水利工程的管理更加地科学化与合理化,同时也奠定了工程水文学的基本内容。当前很多工程水文学的许多内容就是因为该阶段优秀理论的提出而产生的,正因为这些优秀理论的影响使得许多的措施在工程水利中被普及开来。二十世纪后半叶,各国的经济水平都有了很大的提高,大多数国家对水文科学的重视度大幅度提升。因为计算机领域进行了信息技术的革命,对的现代科学技术飞速发展起到了极大的推动作用,与此同时,水文科学领域也得到了极大的发展。
引人注目的是在1965年启动了国际水文十年,并在十年之后全面实行国际水文计划。目前该计划已经进入了第七阶段,世界各国的水文学家进一步加强了合作,许多新的理论方法不断涌现。然而从学科的发展方向来看,近几十年来,正是因为各国经济社会的发展,与水资源有关的各类水问题不断出现并有加剧趋势,我们的生存环境受到了很大的威胁。针对这些现象的发生,产生了以研究水资源短缺问题为核心的水资源水文学、以研究水环境为核心的环境水文学、以研究生态问题为核心的生态水文学等等相关水文学。由于全球气候变暖,又产生了以研究气候变化对水循环的影响为核心的全球变化水文学,该文学而今已经成为了世界各国水文学界研究的热点。我国相关部门在政府的倡导下也积极参加各种关于水文学的国际项目与活动,在一些突出领域加大了工作量,并对其展开大量的深入研究,因此取得了比较不错的成果。
综合以上的阐述不难看出水文科学研究的领域正在不断扩大,与人类的关系越加亲密,在社会研究领域的地位也越发重要。这些正是印证了水是生命的起源,万物皆由水衍生而来。
1.3水文科学的发展情况
随着信息技术时代的到来和某些新理论及边缘学科的作用,水文科学的研究也在快步前进。尤其是人口问题、水资源短缺问题、水环境恶化问题和气候变化问题的催化作用,使得水文科学的研究问题更加被广泛关注。不但是我国开始重视这一方面内容,世界上的许多国家也在该方面大花心血,国际活动频繁起来,我国的水文学家及相关工作人员或专业人员也积极参与到国际活动的交流与合作中,展开了许多具有深远意义的研究工作,极大地促进了水文科学的变革与发展,进而推动水文科学的现代化进程。关于水文科学当前的发展状况,大致分为以下几点:
(1)国际交流合作越加频繁。
自国际水文计划实施以来,联合国教科文组织与世界气象组织就为此召开了许多水文国际会议。因此国际水文计划是围绕水文科学研究与教育的国际性的全球性计划,对水文学进行国际培训与知识传播,提高各个国家政府及相关人员抑或是人民群众对水文科学的认识。国际水文计划的重心在于应用水文学和水资源的调查评价、开发利用、管路保护及人类活动对水资源的影响,为的是帮助解决水资源问题和与水有关的社会经济问题。
水文科学的研究不仅仅局限于认识水文循环的物理过程,还需要研究对水文循环的生物控制及气候、水文和环境之间的相互作用,进而深化对陆面生态系统的影响,对全球气候变化的影响等,最终实现人类可持续发展的目标。目前生态水文学已经成为了近代水文学发展的一个重要方面,其内容涉及了土壤、大气、植被、河流等许多因素。二十一世纪初,关于水文科学的发展,国际水文科学协会组织并发起了全球范围内针对水文科学发展的大讨论,而后许多国家相继成立了相关研究机构来推进水文科学的研究工作。
(2)水文科学研究的相关领域。
首先,水文循环与生物圈的相互作用。以前的水文研究侧重于考虑水量的自然化,而今的水稳研究要侧重考虑生物圈与人类活动之间的相互作用,注重陆地生态水文环境与空间格局的变化规律的问题。
其次,气候变化与水环境的相互作用。以前的水文科学认为在陆地上整个体系中水文循环的平均值是不会改变的,对于年径流量的涨退现象则视为阶段性的波动。而今的水文科学的研究意识到一个系统中的水文过程并不总是处于平稳状态,是会出现不同程度的变化的,陆地上的生态系统对大范围的水文循环具有很大的反馈协调作用。
最后,人类活动与水环境的相互作用。随着社会经济的发展,土地利用、植被覆盖和碳循环的问题十分突出,水文循环与生态系统之间的联系与作用因为人为因素的干扰而受到了很大影响。因为土地利用变化十分剧烈,城市化进程加快,许多地方的河道遭到了围垦,湖泊也因为经济因素而受到填埋。河道、水域等许多自然生态屋被现代化改造,水文环境一下子就被迫改变。水文循环的过程是复杂交错的,不但与陆地表层的各种自然要素的分布密切联系,还与土地利用等关联密切。自然变化与人为因素双重影响下的水文循环开始变得紊乱无常,许多难以预料的灾害也因此而出现。
2.水文科学研究的趋势与特点
2.1研究领域趋向广泛
结合当前现状,当代水文科学的研究领域将会不断扩大,研究的问题也会越来越复杂,还会遇到来自各方面的确定与不确定因素干扰。研究规避水文循环过程中的基本规律与不可测的突发问题是一项艰巨而具有挑战性的任务,因而在研究的过程中要学会利用其他相关领域的理论知识或规律辅助,来帮助解决水文科学领域的相关疑难。
2.2注重研究的整体性与系统性
由于地球上的不同圈层之间都有着紧密的联系,因而改变其一就会影响到其他所有圈层的动态规律,所以在预测未来的发展情况时,要从水文循环和转化的物理关系上来分析气候变化与生物作用对人类活动的影响。针对水文科学的研究也不能局限于某一技术的应用,而要结合地理信息系统、卫星遥感等技联合起来术对其进行全方位的研究。
2.3与人类活动关系更为紧密
实际上说来,对水文科学进行深入研究的根本就是为人类服务的,是为了解决社会发展过程中的用水问题,是为了解决生存环境中的水循环问题,是为了更好地落实可持续发展的战略决策。
3.水文科学研究的问题与相应措施
水文科学的研究是由于社会需求的存在而产生的,人类的需求决定了其研究方向与进程。社会发展对水文科学的需求主要表现为防洪减灾、水资源的开发利用、生态环境的保护和社会经济可持续发展等方面。目前我国水文科学的研究领域还存在着诸多问题亟待解决,其中比较突出的有水旱灾害的监测与预报技术比较落后,可提供依据的水文研究资料比较稀少,区域性水文研究和关于不同水体的研究不平衡,水文基础研究薄弱,水文基础信息匮乏等等。
3.1水文科学研究中出现的相关问题
3.1.1防洪减灾中的问题
气候变化会造成水旱灾害更为频繁,防洪减灾已经成为了我国政府必须解决的社会环境问题。我国处于东亚季风区,大多数的地形自西向东倾斜,对洪水的形成与汇集具有促进作用。加之植被覆盖率小、水土流失严重等问题,使得我国的洪涝灾害严重而复杂。因为人类盲目追求经济的发展而忽视了环境的反作用,致使流域的水体分布不均、循环受碍。
3.1.2水资源的开发利用问题
水文科学的研究是为了促进水资源合理安排与利用,为了有效保障水资源的安全,进而保障粮食安全和生态环境。为了实现水资源的可持续利用,必须要保证水资源的开发利用的总量不得超过水资源的再生能力,相关部门必须要展开水资源形成与演化的研究。我国因为干旱而造成的农业方面的损失不容小觑,这些问题对于我国的可持续发展有着严重的威胁影响。虽然我国在干旱发生发展机理研究方面做了许多工作,但是却没有从根本上解决问题。因为我国将旱涝规律研究大多着眼于水文气象变化规律的研究方向上,难以解释干旱形成的物理机制,因而在针对干旱问题上还保留了大量的疑难残余。
3.1.3水资源的可持续利用问题
水资源的地区分布不平衡导致区域性水资源短缺,在水文科学研究的过程中,水资源合理配置与科学调度中的许多关键性问题至今仍未解决,我国当前还没有形成跨流域调水的规范技术体系。
3.1.4生态系统问题
我国的生态系统因为城市化进程的影响而遭受了很大的打击,各种生态问题因为难以得到良好而及时的解决而变得越发严重。人类活动促使水的分布及运动更加不合理与不规律,甚至导致了水土流失、土地荒漠化等。
3.1.5江河治理问题
针对江河治理的过程中,我国相关部门只是采取非常片面的手段,将目光局限于经济与工程上,专注于局部河段的治理,因此未能取得非常良好的效果。江河治理的地学基础是江河治理过程中人与江河互相作用的地学,包含了地质面貌、水文气候和流域自然地理等因素。人类根据自身意愿通过不同方式和不同程度作用给河流,这种影响渐渐将河流的相关特性改变。
3.1.6工程规划问题
社会发展的进程中,因为人类活动的不顾后果,使得水文系统严重受损,给水利工程方面数据采集带来极大难度。
3.2针对水文科学研究问题的解决方法
3.2.1为防洪减灾提供支撑
防洪减灾问题需要水文信息与知识的支撑。从理论的角度上讲,理应加深对洪水形成规律的研究。从技术的角度上讲,理应强化水文信息的采集、传输、预报、调度与决策。从实践的角度上讲,理应加大非工程措施的水文依据的研究。
3.2.2为水资源的可持续利用提供基础
水资源的可持续利用是推进社会发展的动力,是人民正常稳定生活的保障。从理论的角度上讲,理应加强水资源形成与演化机理的研究,加强全球变暖条件下对水资源的影响的研究。从实践的角度上讲,理应加强水资源评价与水资源开发利用的研究。
3.2.3为生态环境保护提供服务
生态安全与环境的保护需要提供相关水文知识的服务。从理论的角度上讲,理应揭示水对生态安全与环境保护的影响。从实践的角度上讲,理应根据自然条件下采用不同的研究方法。
3.2.4为江河治理提供依据
江河的治理过程需要提供具体的水文依据。从理论的角度上讲,理应揭示河流发育演变的地学基础。从实践的角度上讲,理应充分考虑江河的实际情况,制定合理可行的改进措施。
3.2.5为人类活动提供警告
根据人类活动给水文系统造成的剧烈影响,应当加强人类活动对水文条件的影响,加强水文分析计算途径与方法研究。
4.水文科学研究的机遇与挑战
水文科学对我国社会的可持续发展与人民安居乐业有着十分重要的作用,我国相关部门重视水文科学的研究与发展,在其中投入许多人力物力财力,并且引进先进的理论方法来支持水文研究。
从开始到现在,我国的水文科研已经与国际接轨,而且还适当地融入到教育事业中去,使得两相领域相辅相成共同发展。除此之外更重要的是,我国的水文科学发展将要在社会发展的进程中面临许多不可预测的事情。这些不可预测对于我国来说既是机遇又是挑战,因此我国应该及时抓住机遇,勇于面对挑战。
4.1充分利用国家相关资源
根据我国当前的水文科学研究现状,要充分发挥与利用我国先进的相关资源。我国已经设立了部级水文资源重点实验室,而且还实行了“211”工程建设。我国政府应当充分抓住该机遇,启用相关高技术人才,联合国际相关机构并结合我国发展的实际需要来开展水文科学规划的科学研究。重点对水文基础研究、水文应用基础研究和水文科学人才等教育与培养方面进行大规模的操作与规划,实行具有我国特色的水文科学研究。
4.2结合国家发展需求
我国制定了水文科学研究的发展规划,在该规划的引领下,结合我国“十五”的发展需要,利用全国水文研究机构共同协作,开展国家级重点基础项目研究。通过这些方式来促进我国水文研究人才的沟通交流,进而推动水文科研的进步。
4.3鼓励成果共享
从长远的角度来看,我国应当积极鼓励水文人才与水文成果的国际化交流,将我国研究出来的先进理念同世界上的其他国家进行交流合作,积极参与各国的合作性水文项目,促进我国水文学科基础与应用研究的发展。
4.4培养高技术人才
为了我国水文科研的进步与发展,要从相关研究人员的综合素质抓起,重视水文科研高层次人才的培养。
5.总结
社会科学技术的不断进步,生产实践的日益深化,水文科研涉及的领域已向多元化发展。在接下来的研究发展中,水文科研将在应用层面加大研究力度。健康可持续的水文循环是支撑社会不断前进的保障,是人类幸福生活的坚实基础。
参考文献:
[1]徐宗学. 水文科学在北京师范大学:回顾、机会与挑战[J]. 北京师范大学学报(自然科学版),2009,Z1:463-468.
(中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室,中国 北京 100038)
【摘 要】南水北调中线工程通水后,海河平原区因水源置换与地下水压采,供水格局发生转变。基于水资源转化动态模拟模型MODCYCLE,在对2001~2010年现状地下水动态平衡模拟分析的基础上,设置不同供水方案情景,量化模拟未来浅层地下水的动态响应。结果表明:供水格局变化后,随着降水入渗量和地表灌溉渗漏量增加,地下水总补给量有所增加;随着人工开采量的减少,地下水总排泄量减少;地下水补排关系改善但仍呈现负均衡。研究可为今后建立海河平原区地下水合理开采模式提供依据,促进区域地下水可持续管理。
关键词 海河平原区;MODCYCLE模型;浅层地下水;动态响应;供水格局
基金项目:水利部公益性行业科研专项(201001018)。
作者简介:周琳(1990—),女,河南洛阳人,硕士研究生,研究方向为水资源综合利用与调控。
0 引言
海河平原区是我国经济发展的重要区域,地下水一直是主要供水水源,且供水比重也呈稳定增长趋势,近年来更高达66%。自80年代以来,在需水量迅速增加和降水衰减的共同作用下,海河平原区已经成为南水北调受水区地下水超采最为严重的区域[1]。长期无序过量的开采地下水资源,导致海河平原区地下水储量大量消耗,区域地下水水位持续下降,并引发严重的地面沉降、海水倒灌、水质污染等环境地质问题[2]。为确保未来海河平原区地下水的可持续利用,保障区域稳定健康发展,多年来学术界一直将当地地下水评价与研究作为关注热点。
韩瑞光研究建立了海河平原区浅层地下水概念模型,并提出今后模型建设建议[3]。费宇红等通过研究海河平原区地下水储量消耗过程,指出该区域地下水可开采利用的潜力已经十分有限,从长远看南水北调是解决缺水的理想途径[4]。何杉采用水量平衡的方法,研究分析了南水北调实施后,地下水开采量的减少与入渗补给量的增加,将促使海河平原浅层地下水局部得到恢复[5]。杜思思等联合运用MODFLOW与水资源配置模型ROWAS,模拟了有无南水北调两种对比情景下海河平原区地下水的演变[6]。
以上研究通过数据分析与模型模拟等方法对海河平原区的地下水资源作出了评价,但作为模拟情景水文条件的水文系列较短,考虑的情景方案较少。为从更完整的角度验证工程达效对海河平原区地下水循环恢复所起的作用,本文基于分布式水文模型MODCYCLE,结合多个典型的供水格局情景进行海河平原区地下水的详细模拟与动态响应分析。
1 海河平原区MODCYCLE模型的构建与验证
MODCYCLE模型是基于“自然——社会”二元特性开发的分布式水循环模拟模型[7],充分考虑到对自然水循环过程与人工水循环过程的双重体现[8],可用于人类活动干扰明显的海河平原区水循环系统的模拟量化。为保证水循环模拟的完整性,本文通过MODCYCLE构建海河流域水资源转化动态模拟模型,研究和辨析现状2001~2010年海河平原区浅层地下水动态平衡;选取5个代表性水资源配置方案,模拟预测不同水文系列条件(1956~2000年平水系列、1980~2005年近期枯水系列)和南水北调工程实施情况(南水北调中线工程一期达效、二期达效和加大中线一期引水20%)下海河平原区浅层地下水动态响应。
1.1 模型数据输入
按DEM将海河流域划分为2028个子流域,其中平原区子流域1165个。地下水数值模拟以4km为间距划分网格单元,有效单元格8383个。模拟气象数据采用收集的46个气象站点实测数据展布。地下水水位根据550个浅层地下水位观测井和210个深层地下水位观测井的观测数据插值计算。水文地质参数根据海河流域水文地质调查数据展布。
1.2 模型率定与验证
模型以2001~2005年为率定期,2006~2010年为验证期。考虑到海河流域水循环特性,选取地下水位、地下水蓄变量为验证指标。
1.2.1 地下水位检验
图1所示为2010年末(验证期末)的实测与模拟浅层地下水位等值线对比,从整体上看,模拟与实测地下水位等值线具有可比性,山前及中部地下水开采密集区的地下水位等值线变化幅度大。
1.2.2 浅层地下水蓄变量检验
2001~2010年海河流域浅层地下水蓄变过程统计值(根据2001~2010年《海河流域水资源公报》分析整理)与模拟值对比如图3。从蓄变模拟结果看,蓄变过程在变化趋势上一致。经计算得,浅层地下水蓄变量模拟与统计值之间相关系数为0.96,相关程度较高。
从总体上看,对于海河流域这种大空间尺度和长时期的水循环模拟研究,目前的率定验证结果基本满足要求。
2 地下水平衡现状与模拟情景设置
2.1 2001~2010年现状浅层地下水动态平衡
模拟现状年时段海河平原区浅层地下水年均补给总量约193.66亿m3。其中降水入渗量占总补给量的67.0%,为最主要的补给来源;灌溉渗漏补给量占8.7%。浅层地下水年均排泄总量223.52亿m3,其中农业灌溉开采量占总排泄量的49.7%;其次是工业、生活、生态等非农业开采量,占总排泄的27.4%。
2.2 供水格局主要特征
在规划水平年“三生”需水量规模和可供水量上限确定的前提下,未来海河流域供水格局的变化与水资源合理配置方案密切相关。
本次综合考虑五维属性[9]协调,以《海河流域水资源综合规划》基于1956~2000年系列(长系列)的推荐方案F1为基本方案。但考虑到该系列对流域近期水资源情势反映不足,故以1980~2005年系列(短系列)作为对比情景,最终确定了长系列方案F1、F2、F3和短系列方案F4、F5共5个典型水资源配置方案,即供水格局变化方案。方案特征概述如表1:
2.3 供水格局情景模拟
南水北调中线工程通水后,2020年海河流域将引入长江水量79.2亿m3,2030年117.5亿m3。工程达效后5个推荐方案不同水平年的主要供水量的组成情况见图3:地下水仍是供水主体,次为外调水和当地地表水。未来该区外调水(含引黄水)供水量将增多,地下水用水幅度随之减小。
浅层地下水和外调水(含引黄水)的分配情况见图4:地下水的大用水户仍然是农业灌溉,外调水主要满足工业生产与城镇生活用水,满足经济生产需求后,可置换一部分地下水超采量,用于农业灌溉用水和修复生态环境用水,缓解现状地下水的开采压力。
3 供水格局变化后地下水动态响应
通过上述已建模型,预测供水格局改变后海河平原区各配置方案不同水平年浅层地下水的水平衡统计结果,从中提取浅层地下水年均补给、排泄、蓄变量的关系见表2。补排状况如下:
降水入渗量仍是浅层地下水的最主要的补给来源,与现状相近;引江水量主要通过衬砌渠道和管道输送到用水户,故河道渗漏补给量长、短系列差异不明显,且与现状平均值接近;地表水灌溉量比例增加,与地下水灌溉开采比例减少使得灌溉渗漏补给量均大于现状平均值;浅层地下水总补给量短系列与现状平均值接近,约190亿m3,长系列比短系列大约12亿m3,其中降水入渗补给量和地表灌溉渗漏量的增加为主要影响因素。
平原区地下水人工开采量仍占据排泄量较高比例,但均不同程度小于现状平均开采量,尤其是其他开采量(工业/城镇、生活、生态等)明显减少;不同方案的潜水蒸发量波动较大,但均大于现状平均值;浅层地下水向深层地下水越流排泄量迅速减小,长系列略大于短系列;浅层地下水总排泄量均小于现状平均值224亿m3,人工开采量的减少是关键因素。
5 结论
本文基于分布式水文模型MODCYCLE,对海河平原区地下水水循环过程进行分项体现。选取综合考虑气候条件变化与南水北调工程共同作用的5个典型水资源配置方案为背景,比较了不同水平年与现状海河平原区浅层地下水补给与排泄结构的变化,以及海河平原区浅层地下水蓄变与埋深的发展变化趋势,并简要分析了主要影响因素。主要研究结果如下:
(1)海河平原区浅层地下水总补给量与现状相比有所增加,主要原因在于随水文系列和供水格局的变化,降水入渗量和地表灌溉渗漏量增加;(2)浅层地下水总排泄量相对现状年有所减少,原因在于人工开采量得到控制;(3)供水格局改变后,海河平原区浅层地下水仍将处于负蓄变状态,但与现状年情况相比程度已有较大和缓。
研究表明:南水北调工程通水能够改善当地地下水循环失调的现象。未来需继续推进工程配套建设,充分发挥工程效益以减缓与遏制地下水环境恶化的趋势。研究采用的水资源动态转化模型可考虑作为今后海河平原区地下水管理的日常分析工具,提高区域地下水管理的科学性、针对性和实效性。同时,研究结果可为进一步建立海河平原区地下水合理的开采调控模式提供参考。
参考文献
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关键词:小流域;降雨;径流;泥沙测验;水土流失
中图分类号:S157 文献标识码:A 文章编号:1674-0432(2012)-04-0235-1
小流域长时间的降雨很可能引起地表径流情况,而地表径流具有较大的冲刷力,能够将大量的泥沙带走,造成该地区的水土流失。对于一些雨量较大的地区来说,如何治理小流域的水土流失成为水文工作的重点。因此,相关工作人员利用悬移质采样器、泥沙颗粒分析仪器等泥沙测验仪器,对小流域降雨径流的泥沙进行测验与分析,用以观察与测量小流域径流作用下,泥沙随着水体运动的形式、数量以及演变过程,从而找出治理的办法。
1 小流域降雨径流的泥沙运动影响因素分析
一些地区由于地质环境条件恶劣,植被覆盖率较低、人类活动不合理等因素的影响,造成地表土壤泥沙松散、容易被雨水冲走的局面。具体来说,在小流域降雨径流条件下,泥沙运动受到以下因素影响。地质地貌条件:一般来说,一些地表土壤层厚度较薄、土壤下面多是岩石,地面坡度陡峭,土体的性质松软易蚀等条件下,一旦受到强度较大的小流域降雨,那么就很容易形成地表径流,造成泥沙被带走的情况;植被覆盖率:种植植物是保持水土的重要途径之一。但是一些地区受到人为原因或者地质原因的影响,植被覆盖率较低。这种情况下,很容易出现土壤泥沙随着地表径流运动的问题;人类活动:人类的脚步已经遍布整个地球,他们对自然的利用,尤其是土地资源的开发利用已经超过自然的承受能力,造成地面完整性受到破坏、土地沙化,不利于水土保持。
2 小流域降雨径流的泥沙测验分析比较结果
相关工作人员为了找出治理水土流失、整治河道等方法,对小流域降雨径流下的泥沙运动进行测验,具体布置可以根据实际情况而定,利用悬移质采样器、泥沙颗粒分析仪器等泥沙测验仪器,采用用控制断面读水位的方法,按照规定时间对水位变化进行记录,并分段采集水样,分析比较含沙量。(以高桥与峡江两地区2009年8月测验为例)
根据上表可知,在高桥与峡江两个地区,降雨量都是比较大的,而且峡江地区径流中的含沙量更大些,所以这个地区的水土流失情况是比较严重的。另外,泥沙测验人员还针对高桥地区2009年8月的另一次降雨做了另一次测验。测验内容是在降雨量为92.5mm条件下,该地区的平均降雨强度是6.2mm/h,径流深是37.93mm,径流系数为0.41,泥沙输移比为0.68。由两次测验可以看出,在小流域的降雨因素中,降雨强度与径流深是引起小流域径流泥沙运动量变化的主要外在因素。因此,可以通过实施有效的拦截、拦蓄、分散径流等方法来治理水土流失或者进行河道改造等工作。
3 小流域降雨径流下的水土保持策略
要想有效地保持水土,就必须解决径流问题,以分散径流对泥沙运动的影响。所以,相关工作人员提出科学调配并合理利用坡面径流的策略,以提高小流域降雨径流下的水土保持工作效率。科学调配并合理利用坡面径流策略通常的做法是将坡面等地的径流分割成若干部分,形成分散的体系,并针对不同的径流部分提出不同的解决策略,比如,在径流上部挖成鱼鳞坑或者果树坑来达到蓄水与排水的作用;以提高工作效率。另外,还可以有以下的方法来进行水土保持。如在河道低洼处建立塘坝,并加设相关防渗布置以提高拦截水土的效率;还可以建立排水沟或者集水池,以聚集降雨,减少径流,也可以达到治理水土流失、保持水土的目的。
4 结语
综上所述,相关工作者对小流域径流下的泥沙进行测验,可以通过有效地分析得出小流域径流作用下的泥沙运动、数量以及演变形式等与地区的土壤条件、植被、地质地貌等都有紧密联系。因此,在进行水土流失治理过程中,必须将这些影响因素都综合起来,从生态角度、地质地貌角度、自然气候角度等制定水土流失治理的策略,科学调控并合理利用坡面径流的作用,以最大限度地防治水土流失问题,为地区的农业开发奠定基础。
参考文献
[1] 高建恩,吴普特,牛文全.黄土高原小流域水力侵蚀模拟试验设计与验证[J].农业工程学报,2005,(10).
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关键词:喀斯特地区;水资源;贵州;研究
中图分类号:S157 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2015)05(a)-0000-00
引言
喀斯特环境以其独特的二元水文结构为基本特征,形成了脆弱的生态环境。贵州位于世界三大喀斯特集中分布区之一的东亚片区的中心,全省碳酸盐岩的出露面积达13万km2,占全省土地总面积的73%,在全省86个县级单位中,有75个县(市)属于“喀斯特县”,属典型的生态脆弱区,是我国西部大开发中生态建设的重点和难点地区。水资源是喀斯特地区自然生态平衡、生态环境保护、经济发展、贫困消除的决定性因素。长期以来,由于过度垦殖、陡坡开垦等不合理的土地利用方式导致水土流失和石漠化,喀斯特地区水资源问题严峻,临时性干旱频繁。另一方面,随着人口数量的迅速增长,社会经济的快速发展,对水资源的需求也急剧增加。本文以贵州省为例,从该区水资源现状、水资源承载力、土壤水研究以及生态环境对地下水的影响方面总结了喀斯特水资源研究现状,并对未来研究方向进行了建议。
1贵州省水资源概况
1.1 贵州省水资源量概况
贵州省位于我国南方喀斯特强烈发育的高原山区,属于亚热带季风气候。年降雨量在1000毫米~1300毫米之间,属于湿润地区。据2010年贵州省水资源公报,全省平均降水量1105.9 毫米,折合年降水总量1948.15亿立方米,属平水年份。2010年,全省地表水资源量956.54亿立方米,折合径流深543.0毫米,比上年增加5.1%,比常年偏少9.9%,属平水年份。全省地下水资源量为251.4亿立方米,比上年增加0.97 %,比常年偏少4.1%,其中长江流域片区为176.9亿立方米,珠江流域片区为74.5亿立方米。虽然雨季降水丰沛,但由于喀斯特二元水文系统使得降水容易经地表渗入地下难以开采,工程性缺水严重。
1.2 贵州省水质状况
随着人口的增加和社会经济的发展,开发建设和生产规模不断扩大,城市生活用水与工业用水量迅速增加,废水污染排放量日益增大,贵州省水环境面临巨大压力。“十一五”、“十二五”以来,随着污染物总量控制和环境管理的推进,贵州省地表水水质状况持续好转。据2013年贵州省环境状况公报,对全省在长江、珠江两大流域七大水系共44 条河流的水质监测结果表明,85 个水质监测断面中,达到Ⅰ~Ⅱ类水质的断面为52 个,占总监测断面的61.2%;达到Ⅲ类水质断面为19 个,占总监测断面的22.4%;2 个断面为Ⅳ类水质,占总监测断面的2.4%;1 个断面为Ⅴ类水质,占总监测断面的1.2%;11 个断面4水质劣于Ⅴ类,占总监测断面的12.8%。2013 年全省满足水质功能要求的断面有70 个,占总监测断面的82.3%。虽然贵州省地表水水质状况尚好,但随着该区城镇化及工业化的不断推进,水质继续保持和持续改善的形势仍然严峻。值得注意的是,喀斯特地区地上地下双重空间结构,使污染物直接转入地下水中;又因缺乏溶解氧、阳光,导致微生物繁殖慢,地下水水体自净能力差,容易造成点、线、面、体的全面污染,导致功能性缺水。
2西南喀斯特地区水资源研究现状
2.1 喀斯特水资源承载力研究
水资源承载力是指以可持续发展为原则,以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据,以维护生态环境良性发展为条件,某一地区的水资源在某一具体历史发展阶段下,经过合理优化配置,对该地区社会经济发展的最大支撑能力。喀斯特区独特的水文结构及其功能效应增加了该区水资源开发及利用难度。目前,对喀斯特地区水资源承载力的研究主要有:王在高等[1]通过构建指标体系并利用LOGISTIC预测了喀斯特地区水资源承载力。周亮广等[2]提出相对资源承载力的研究方法对贵州喀斯特地区水资源承载力进行了相关研究。鹿坤等[3]利用模糊综合评判法研究了喀斯特地区水资源承载力。杨秀英等[4]运用人工神经网络模型分析和研究了喀斯特地区水资源综合承载能力。孔兰等[5]研究了贵州省喀斯特流域径流量时序演变特征分析。张美玲等[6]运用多目标灰色关联投影法,研究了贵州省水资源承载力的空间地域差异。贺中华等[7]进行了贵州省喀斯特地区水资源承载力的综合评价研究。这些研究对贵州喀斯特地区水资源可持续利用提供了相关的理论依据。
2.2 喀斯特土壤水研究
土壤水与地表植被、大气水、地表水和地下水有着紧密的联系,是水资源中最复杂和最重要的组分。近年来,对于喀斯特地区水资源的研究逐渐从大尺度的水文地质领域及其表层岩溶带内水文研究,即偏重地下水的研究,转向对地表水、地下水转化的中间环节即土壤水的研究。目前,对喀斯特土壤水分的研究主要集中在喀斯特山区土壤水分的运移规律、时间异质性及其主要影响因素方面。已有的研究结果表明:西南喀斯特山区土壤水分具有明显的时空变异性和派生性,其空间异质性与该地区复杂多变的地形地貌和类型多样的小生境密切相关。另外,土地利用方式、微地貌、土壤物理性质、有机质含量等对喀斯特山区土壤水分的空间分布与变异都有重要影响。朱守谦等[8]、高华瑞等[9]分别研究了乌江流域喀斯特石质山地水分特征、不同类型碳酸盐岩坡面的土壤水分特征。杜雪莲等[10]研究了喀斯特高原区不同植被类型土壤水分的变化特征。范新瑞等[11]研究了黔中典型喀斯特地区土壤水分时空特征。肖德安等[12]指出应加强土壤水的地球化学特征研究。今后的研究应进一步注重与土壤学、植物学、水文地质学、生态学、地球化学等学科的交叉融合以实现喀斯特地区水土资源的协调利用和生态恢复与重建。
2.3 生态环境变化对喀斯特地下水资源的影响
地下水既是水资源的重要组分,也是重要的环境要素。据初步统计,我国喀斯特地区地下水水资源量为2039.67×104m3/a,约占全国地下水总资源的23.4%;南方2836条地下河,总长度13919 k m,总流量467×108m3/a,相当于黄河多年平均流量。贵州喀斯特地下水资源占该区地下水资源的73.22%。地下水是该区人民生活和生产的重要水源,在许多地方甚至是唯一的淡水水源。喀斯特山区具有独特的二元结构水文系统,地表生态环境退化会降低地下水系统的自我调蓄能力与净化能力,导致赋存于岩层中的地下水资源量的时空分布极不均匀,水资源总量减少和水质退化[13]。郎赘超等研究了贵阳市地表水及地下水的化学组成,揭示了该区人类活动对地下水文地球化学的影响[14],结果表明市中心商住区的多数地下水和地表水样品中 NO3-、SO42- 离子含量和水总硬度较高,地下水在夏季因大量使用肥料及工业和生活废污水排放量的增加而受到不同程度的污染。刘方等[15、16]研究了贵州地区喀斯特森林群落退化、土地利用变化、农业活动对地表径流及喀斯特浅层地下水化学的影响,结果表明随着森林覆盖率下降、基岩率增加,加剧了水生态环境退化的强度和速度。高复种指数农业区地下水的化学组成变化明显,浅层地下水质呈现一定程度的退化,作物种植结构和施肥水平是影响地下水质量的重要因素。苏跃等[17]对贵州喀斯特山区的相关研究结果表明土地利用由林地变为耕地后,地下水质量出现一定程度的下降。因此,喀斯特区地下水资源的保障,需要发展和完善生态农业和有机农业,制定合理的发展规划及农业管理制度与政策,从而有效地避免农业生产中输出的大量养分影响地下水质。
3今后的研究重点
水资源是人类文明存在和发展的重要自然资源,同时也是自然环境的基本组分。目前,贵州省喀斯特水资源研究已取得了一些成果,但相比于非喀斯特地区的研究来讲,其研究广度和研究深度都还有一定的距离。今后,喀斯特地区水资源的研究应朝着综合性、多学科、应用性及前沿性方向发展,达到理论和实践的结合。主要体现在以下几个方面。
3.1 喀斯特三水转化规律研究
喀斯特地区独特的二元结构水文系统控制着水资源的形成及三水转化过程。应进一步深入研究该区不同类型区域的三水转化过程及规律。依据不同类型区经济社会状况、土地资源状况、三水转化及水资源形成过程,采用分散供水,分散拦蓄、以化整为零方式,水资源开发利用模式以小微型为主,遵循因地、因土、因水及因需制宜的原则,有效缓解及解决喀斯特地区的干旱缺水的程度及状况[18]。
3.2 水与生态环境的结合研究
喀斯特地区自然环境脆弱、人口众多、经济落后,水危机深刻影响着社会生活的各个方面,引起了国家和社会的高度关注。中央明确西部大开发不能以牺牲生态环境为代价。由水资源短缺引发的生态环境问题受到越来越多的重视,将水与生态环境结合起来研究是未来的发展趋势。明确生态系统变化是如何影响喀斯特水资源的质量与数量的重大问题,对深入研究该区水循环机制具有重大意义,同时为进一步揭示该区水资源形成和演化规律以及控制机理提供科学地理论依据。
3.3 水资源评价、规划和管理研究
针对喀斯特水资源演变规律的变化,在着力研究水与生态问题的过程中,将水资源演变的自然属性与社会属性同时考虑,对水循环过程进行综合研究。应重视研究水的资源量、可利用量、生态需水量、水环境质量的统一定量机理和相应模型,建立适合变化条件下的水资源理论体系。以水权分配研究为核心,突出研究水价机制、水资源恢复与补偿机制,建立科学合理的水资源评价、规划及管理体系。
参考文献
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[9] 高华瑞,朱守谦.乌江流域岩溶山地立地因子分析[A].朱守谦.喀斯特森林生态研究 (Ⅲ)[C].贵阳:贵州科技出版社,2002:49 ~59
[10] 杜雪莲,王世杰.喀斯特石漠化区小生境特征研究――以贵州清镇王家寨小流域为例[J].地球与环境,2010,38(3):255~261
[11] 范新瑞,苏维词,鄢贵权,等. 黔中典型喀斯特地区土壤水分时空特性分析[J].中国岩溶,2009,28(1):69~72
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关键词:生态,需水,计算,问题
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
中图分类号:F205文献标识码:A文章编号:
随着人口增长和社会经济发展,人类活动对生态环境的影响越来越大,由此引发的生态环境问题也日益突出,就制约我国社会经济可持续发展的水土流失、森林破坏、草场退化、河流断流及湖泊干涸等重大生态环境问题而言,直接或间接地在水资源配置过程中较为重视生产和生活用水,而忽视生态环境保护与建设对水资源的需求。随着人民生活水平的提高,对良好生态环境的需求日益增加,因此合理量化生态环境需水已成为水资源优化配置和生态环境保护与建设中亟待解决的热点问题。
生态需水量概念辨析
尽管目前国内外有关“生态环境需水量”方面的研究很多, 但对其概念界定尚无统一的认识, 研究者多根据其研究目标及其要保护的主要功能提出相应的定义。总体而言,生态需水量是指在一定的生态目标下,维持特定时空范围内生态系统与自然环境正常功能或者恢复到某个稳定状态所需求的水量。
生态需水、生态耗水和生态用水的区别[1]~[2]
生态耗水是指现状多个水资源用户(生产、生活和生态)或者未来水资源配置(生产、生活和生态)后,生态系统实际消耗的水量。它需要通过该区域社会经济与生态耗水的平衡计算确定。生产、生活耗水过大,必然挤占生态耗水。
生态用水是受控于水资源量、供水设施、水处理工程等各种客观条件使用或配置的水,不能保证每个生态系统的用水都在需水的阈值范围内。
相对生态耗水和生态用水,生态需水是指维系一定环境功能状况或目标(现状、恢复或发展)下客观需求的水资源量。
三者数量之间没有绝对的大小排列关系,用水量可以在需水量范围内,也可以超出需水量范围;实际耗水量可以大于用水量也可以小于用水量,主要跟耗水类型和来源有关。
生态需水与环境需水的区别[3]
杨志峰(2003年)提出,生态需水与环境需水两者之间存在交叉和重合的部分,但是二者不同。生态需水主要侧重在生物维持自身发展及保护生物多样性方面,环境需水则主要体现在环境改善方面。环境科学中环境的概念为:围绕人群的空间及其中可以直接或间接影响人类生活和发展的各种因素的总和——人类是主体。从这个意义上说,生态需水和环境需水是一致的,因为其他生物的生存和发展同样也在以人为主体的环境的范畴内。
而就狭义的环境概念,满足人类景观、娱乐的要求对应的环境需水应该是在城市生态系统中某一较低要求的生态需水,该需水的水量和水质主要从人类的需求出发。
2国内外研究异同[4]
国外在水与生态保护领域上,面对的问题性质、严重性、管理目标与我国有很大差别,从深度和广度上都远非我国严重。欧美国家自然条件较为单一,水文情势规律性强。而我国自然条件复杂且受季风控制,河流年际和年内季节性变化巨大,水文情势复杂,自然条件、社会经济发展水平和生态环境状态交织构成的区域水问题复杂多样。迫使我们必须系统地研究水文循环的生态效应,进行不同区域的生态需水理论和方法研究。
国外人口压力小,水源充足,自然状态保持较好。我国生态用水问题突出的流域,经常出现植被退化消亡,河道断流、干涸等生态系统深度破坏的情形,面临国民经济用水与生态用水之间的竞争权衡。国外生态保护采取预防性管理思想,生态管理定位于维护正常状态以上,现有的经验与成果基于流域生态系统维持正常状态的水分条件,以避免危机状态出现,不涉及正常以下的破坏退化过程,如(澳大利亚、美国)限制干旱区经济布局、限定地下水开采地点、枯水季节利用工程调节提高流量或限制用水。我国需要根据不同流域情况,针对与水有关的生态深度破坏现状,进行分阶段多元目标管理。需要更深入研究生态退化过程及其相应的生态需水定义,研究生态危机管理的问题。
国外将生态用水优先考虑,是水资源配置的前提条件,河流管理集中于枯水季节最枯时段的调控。我国需要生态需水参与水资源配置过程,需要解决水资源配置和河流生态流量全过程调度问题。问题决定了研究方向与方法,国外集中于偏安全的单参数的确定,采取在最敏感的季节外包线思路,不涉及分季节危机控制,方法概略,甚至统计平均。我国需要研究流域水循环人为改变与生态系统退化机理,需要多参数全过程研究生态需水,对流域、河道、湿地、地下水进行全方位研究。
研究方法
根据有关文献统计,目前全球有44个不同国家进行河流生态需水计算,所用计算方法超过200种之多,这些方法可以分为4类:
(1)历史流量法。其中较为常用的方法是Montana法、枯水频率法(7Q10)法,其特点是只需要历史流量资料,使用简单、方便,容易将计算结果和水资源规划相结合,具有宏观的指导意义,但由于对河流的实际情况作了过分简化的处理,没有直接考虑生物的需水和生物间的相互影响,通常用于优先度不高的河段,或者作为其他方法的一种检验;Tennant法是脱离特定用途的生态环境用水量计算方法, 也叫Tennant法或Montana法, 是非现场确定河流生态环境需水的典型方法。该方法以河流水生态健康情况下的多年平均流量观测值为基准, 将保护水生态和水环境的河流流量划分为若干个等级,推荐的标准值是以河流健康状况下多年平均流量值的百分数为基础。
(2)水力定额法。较为常用的是湿周法、河道内流量增加法、R2CROSS法和CASIMIR法。河道湿周法认为:保护好临界区域的水生栖息地的湿周,就会对非临界区域的栖息地提供足够的保护。河道内流量增加法认为:通过模拟流速变化和细细地类型的关系,将水力学数据和生物学信息结合,找出适合水生生物栖息的流量。R2CROSS法认为:浅滩是最临界的河流栖息地类型,保护浅滩栖息地也将保护其他的水生栖息地。CASIMIR法认为:水力学模型、流量变化和生物类型之间存在相关关系,建立起模型就可以估算主要水生生物的数量和规模。上述方法优点是只需要进行简单的现场测量,不需要详细的物种-生境关系数据,数据容易获得。但是该方法体现不出季节变化因素,通常不能用于确定季节性河流的流量,但它能为其它方法提供水力学依据所以可与其它方法相结合使用;
(3)栖息地定额法,其代表性方法为IFIM法。该种方法的优点在于能将生物资料与河流流量研究相结合,使其更具有说服力。但是传统分析的重点是目标物种而非整个河流生态系统,因此,它的输出结果也非整个河流管理计划所要求的流量推荐值同时由于定量化的生物信息较难获得,也大大限制了该方法的使用;
(4)整体法,以BBM法为代表性方法,BBM法集中于流量的变化对河流生态环境的影响分析,需要对流量大小变化与相应的河流生态系统进行长年的观测,对不同流量的界定非常关键,整个过程需要由水生生态学家到水利工程师等多个学科团体的参与,较复杂,使用起来比较困难。
上述估算流量的方法在数据要求、选择流量所采用的方法、生态方面的假设以及对河流水力学方面的影响,都有一定的区别。流量法是通过按比例缩小河流的宽度、深度和流速,从而得到一个平均流量,主要用来计算一个流量的估计值;水力学方法集中在保留河道具有足够的水量,保持河流的基本形态;栖息地法的特点是说明栖息地如何随着河流水量的变化而变化,虽然提供了一种非常灵活的估计河流流量的方法,但不容易被应用。上述这些方法对于解决较小型河道生态环境需水量时较为实用,但对于大河而言,需要有更多的实践和参数变换。同时,这些方法不太适宜于湖泊、沼泽、湿地等,因此仍需要开展更广泛的方法学研究。
结论
当前在我国生态需水研究中,生态目标未能得到明确诠释,水分——生态耦合作用机制这一核心研究命题也未能得到系统剖析;水分的生态效率(益)也未能得到充分考察;生态需水的相关研究结果难以满足竞争条件下区域水资源科学配置与管理的实践需求。因此亟待从机理剖析的角度,结合区域水资源的科学配置与管理实践,构建适合我国国情的生态需水研究的理论框架与技术体系。
参考文献:
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