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加强水文科学研究,为建设绿色珠江提供技术支撑

姚章民

(水利部珠江水利委员会水文局,广东 广州 510610

 

摘要:长期以来水文科学技术对水文和水利事业的发展和国民经济建设起到了巨大的推动作用。水文事业的发展有赖于科技进步。水文科学研究从大的方面讲可分为基础研究和应用研究两大类。水文研究面临全球气候变化、人类活动激烈、洪涝干旱灾害频繁、水资源短缺和生态环境恶化等问题。水文研究向纵深广、多种研究途径相结合以及适应社会发展要求的趋势发展。现阶段珠江的水文研究重点应放在受人类活动和工程影响的水文测验方式和水文现象研究、提高水文预报的精度和延长预见期研究、珠江流域的水资源时空演变规律和珠江三角洲的水量时空分布规律以及咸潮活动规律研究上。

关键词:水文;研究方法;水文问题;珠江

1  前言

水文是国家经济建设和社会发展的一项重要基础工作。水文工作的核心内容在于监测和分析评价水资源量与质及其时空动态变化规律,为解决社会经济发展中的水问题提供重要的科学依据。“科学技术是第一生产力”,水文事业的发展有赖于科技进步。长期以来水文科学技术对水文和水利事业的发展和国民经济建设起到了巨大的推动作用。改革开放以来,随着国际水文学术交流活动日益频繁,我国开展了大量的水文科学研究,促进我国的水文科技水平得到迅速提高,水文进入了现代水文学的新阶段,为传统水利向现代水利、可持续发展水利的转变和经济社会的发展发挥着无可替代的作用。在以科学发展观为统领,构建社会主义和谐社会的新形势下,重视和加强水文科学研究,加大投入,引进新技术新方法,深化科研管理体制改革,加速学科队伍建设及人才培养是十分重要和迫切的。

2         水文科学研究的内容

水文学是地球科学的一个重要分支,它是研究地球上水的起源、存在、分布、循环和运动等变化规律为人类服务的知识体系。从水文学服务和应用的实际问题看,它关系到与社会经济发展和人类生存密切相关的水多、水少、水脏和水资源是否可持续利用的水文学基础和对策管理问题。

水文科学研究从大的方面讲可分为基础研究和应用研究两大类。基础研究主要包括:地球水循环的数量、质量、力和能量及化学生物过程影响的作用机理与量化关系;水文尺度问题;宏观、中观与微观水文系统的信息度量与不确定性等。而其中的水文尺度问题是当今水文学基础研究的前沿,已经成为当今水文研究最为关注的问题。应用研究主要包括:水文系统信息的采集与信息量的量化分析;水文统计与水文风险分析;水文系统模拟;水文预测预报;水资源管理和水环境保护中应用的水文学基础等。

水文学既是一门科学,又是一种多门基础科学应用的学科。水文科学研究包括环境水文、水资源、区域水文、泥沙研究、地下水研究等方面的理论探讨、科技创新及其应用等。水文现象的复杂性和水文资料信息的不足,在一定程度上限制了水文理论和基础研究的发展。水文现象的复杂性不仅表现在时间尺度和时间方向上的不重复性,而且体现在空间上的变异性。水文学至今仍有许多重大理论问题需要探讨和研究,这在一定程度上也降低了一些理论成果的实践应用价值。因此,水文科学研究应当建立在基础研究和应用研究这两个支柱上,这两类研究虽然研究的出发点不同,但是相互促进的。

3         水文研究面临的问题

3.1  全球气候变化

气候变化涉及许多领域和学科,水文始终被认为是其中一项重要的研究内容,也是社会经济密不可分的组成部分。气候变化将导致全球水文循环的加剧并对区域水资源产生一定的影响,而水资源量与质及其在时空上的变化将直接影响生活、工业、农业和生态环境等方面。在过去的100年中,观测的数据表明全球地表平均气温增加了0.6±0.2°C;全球平均海平面每年上升1mm-2mm;厄尔尼诺事件更频繁和强烈。而且有迹象表明,这些现象还在继续发展。全球性的气候变暖将改变地表的辐射平衡和大气环流,加速水气循环,改变降水时空分布和强度,直接影响蒸发、径流及土壤水等水文要素,易造成极端气候异常事件的发生,导致洪水和干旱的频率与强度增加,加剧水资源供需矛盾,增大水资源系统对气候变化的脆弱性表现,从而影响区域经济的持续快速发展。

3.2  人类活动强烈

人类在大地上的活动,改变了自然面貌,从而改变了陆面的水文情态。我国具有世界上最强烈的人类活动强度,我国的水文情势自然受到最强烈的人类活动影响。长久以来,人们都是根据对长期观测的资料进行分析认识水文规律的。然而,由于人类对流域环境过度和无序的干扰,破坏了水文气象资料的一致性和代表性,从而使分析出的水文现象发生异化,而无法显示真正的水文规律。人类活动主要有水利工程拦蓄径流的影响;引水、用水对河川径流的影响;水土保持对水沙的影响以及城市化对径流的影响等方面。如何从深受人类活动影响的水文资料中分析出水文的自然规律,是需要研究解决的难题。

3.3   洪涝干旱灾害频繁

    洪涝与干旱灾害频繁是我国经济社会发展面临三大水利问题之一。洪水的威胁是中华民族的心腹之患,随着经济的快速发展,一旦发生洪灾,其损失将越来越大。同时,我国水资源的时空分布极不均匀,地区性、局部性和时间性缺水相当严重,随着人口的增加、土地开发利用和经济建设的发展,受干旱威胁的人口和工农业将越来越多。随着防汛抗旱工作的两个转变,要求水文部门及时提出准确的水文情报预报信息。特别是从控制洪水向洪水管理的转变,核心就是要加大洪水资源化利用,这无疑对水文预报提出了更高的要求。

3.4   水资源短缺

由于水资源短缺的严峻形势,引起粮食安全、生态退化、环境恶化和对人民健康的协助等问题,已经成为当今严重的全球问题,在水资源严重短缺的地区,此类问题的形势更加严峻。水文循环是水资源再生的惟一机制,水文水资源信息是进行水资源规划、配置和管理的最基本依据,水文循环规律的研究是揭示水资源演变规律的基础研究,这方面的研究工作比以往显得更为迫切和重要。

3.5   生态环境恶化

生态和环境是人类生存和发展的基础条件,是经济社会发展的基础。我国的水环境总体上呈恶化的趋势,河道淤积、超量用水、河道断流以及植被减少、水土流失、滑坡、泥石流、干旱、洪涝等日益恶化的生态环境,给经济和社会带来极大危害,严重影响经济社会的可持续发展。这些都对水文监测、评价和预测预报提出了更新更高的要求。生态与环境用水评价和计算将是我国未来水文水资源研究和水利建设中的新课题。

4        水文研究的发展趋势

4.1  研究向纵深广发展

水文研究的领域俞来俞广泛,研究的问题也越来越复杂。水文研究遇到来自许多方面的不确定性和非确知问题,探索水文现象的复杂性和不确定性,将是水文学的一项长期的任务。其中地圈、水圈和生物圈相互作用的很多问题需要联合攻关,多学科的相互渗透和交叉研究是现代水文学发展的一个突出特征。现代科学技术,如核技术、遥感技术、地理信息系统、计算技术、随机过程的理论与方法、系统分析的理论与方法,正在渗入水文学的各个领域,使传统水文学的研究方法出现突破性的进展。

4.2  多种研究途径相结合

原型观测、物理模型和数学模型研究相结合。水文科学的理论研究非常必要也必不可少,原型观测资料是物理模型和数学模型研究的基础。要避免出现一种倾向,就是水文的数学模拟技术的应用过于泛滥,而忽视对原型的观测和物理模型的研究,出现数据算出来了,而水文不见了的问题。没有一定数量的实测水文数据作为支撑的物理模型和数学模型得出的结论是不可靠的。要发挥各种研究方式的优势,取长补短,相互印证。

4.3  适应社会发展要求

水文科学的发展动力来自社会对水文学的需要。水文科学的发展必须紧密结合于水资源问题的需要,因为水资源已经成为当前经济发展中的突出问题,也是威胁人类生存环境的一个大问题。水资源的基础是水文学。水文学要为合理开发利用和保护水资源提供科学基础,并且要从长远观点研究全球变化对水文规律的影响,进而研究对可利用水资源的影响。否则,而只是研究水文规律的自身变化,就有可能失去目的性而不能回答社会所关心的问题,妨碍学科的发展。

5        珠江水文水资源研究的需求与重大课题

珠江是我国南方的一条大河。珠江属洪涝灾害多发性河流,当前的防洪形势依然严峻;由于流域水资源的时空分布不均,人口、经济、土地等资源与水资源空间分布的不匹配,区域性水资源短缺问题突出;随着经济社会的迅速发展,城市化进程的突飞猛进,人口数量的大量增加,水污染状况不断加剧,社会对水的需求与水资源保障之间的矛盾日渐加剧。而目前珠江的防汛抗旱工程体系尚不完备,非工程措施的作用尤为重要。因此,珠江水文研究工作应密切结合珠江的实际情况,充分利用国内外的先进技术和方法,走有珠江特色的创新发展之路,为“维护河流健康,建设绿色珠江”提供技术支撑。围绕这条主线,本人认为当前有以下几方面的重大课题迫切需要重点开展研究。

5.1   水文水资源监测技术研究

水文站网及监测是水文工作的基础。随着经济建设的发展,社会对水资源开发利用需求的程度越来越高,大批水利水电工程的建设,改变了水文测站以上流域的下垫面状况,测站的控制代表性和水文资料的一致性遭到破坏,迫使许多设立多年的水文站不得不撤销、迁移。一些地区由于整条河流的梯级开发,使水文站一搬再搬,直到无处可迁。据调查统计,在珠江的150个区域代表站和小河控制站中,受水利水电工程不同程度影响的水文站达128个,占总数的85%。由于水利水电工程的兴建,位于水库电站上游的测站受回水顶托的影响,水位流量关系异常复杂;而处于电站水库下游的测站受调峰发电加大放水,河道水流突变影响,导致水量监测的困难。因此,需要开展受水工程等人类活动影响的水文站网调整和水文测验方式的研究,最大限度减少工程对基本水文信息采集的影响。

5.2   水文预测预报技术研究

新时期治水新思路要求水文预报工作逐步从重点为防汛服务,向继续做好防汛工作的同时拓宽服务领域,为抗旱、调水、山地灾害防治、水环境治理及水利工程优化调度等提供预测预报技术服务,努力提高水文预报的服务水平。在长期的防汛抗旱水文预报工作中,珠江的水文工作者积累了丰富的预报实践经验,今后应当向提高预报方法和成果的科技含量方面发展。在洪水预报方面,一是进一步加强流域的产汇流机理研究,应用有物理基础的分布式流域水文模拟技术建立预报模型;二是开展水文气象耦合技术、洪水预报和调度相结合的研究,提高洪水预报精度,增长有效预见期。在枯季径流预报方面,进行枯季降水径流特性、河流的枯季来水一般规律及水利工程影响下水文特性的研究,建立枯季径流预报模型。在咸潮预报方面,进一步深入研究咸潮的运动机理和活动影响因素,建立咸潮预报数学模型。在全面提高预测预报水平的基础上,结合珠江的实际情况,开展水情、旱情、咸情预警指标体系研究,建立预警机制,为防汛抗旱工作提供决策依据。

5.3   珠江水资源时空演变规律研究

自然变化和人类活动影响下的水资源演变规律是水科学发展的前沿问题。由于气候变异等原因,2000年后珠江流域出现大旱大涝,流域水资源变化形势愈加复杂,为适应经济社会发展和水资源形势的变化,切实解决珠江水资源短缺、生态环境恶化等重大水问题,进一步贯彻国家新时期的治水方针,构建和谐社会,应深入开展流域尺度的水资源时空演变规律研究,为流域的水资源配置提供科学依据。

5.4   珠江三角洲水量时空变化规律

珠江三角洲河道纵横交错,主、支汊发育各异又相互影响。出海八大口门形态各异,泄流能力各不相同。同时,三角洲水域受到径流和潮汐的共同作用,加上人类活动影响等因素,洪潮的各种遭遇使网河及口门的水流条件复杂多变。为了分析三角洲复杂水情的时空变化特征,如果仅靠实测,需投入大量的人力与财力,以目前的技术和经济条件是不可行的。因此,应采用原型观测和数学模拟相结合的研究方式,在加大同步水文测验力度的同时,加强珠江三角洲水量分布模型的研究,揭示珠江三角洲主要河道和八大出海口的水量时空变化规律。

5.5  人类活动对珠江水文条件的影响研究

上世纪90年代以来,珠江干流堤防的加高和三角洲河道无序采砂,导致这些河段的水文条件发生明显改变。西江在“98.6”、“05.6”洪水中出现大湟江口以上洪水为常遇洪水,而下游梧州为特大洪水的情况,这很大程度与洪水归槽以及设计洪水成果的使用和频率确定有关。珠江流域下游干流和三角洲的大规模无序挖砂,导致西江的高要、东江的博罗、三角洲的三水、马口等水文站测流断面下切,水位流量关系线产生明显变化,出现流量大、水位低的现象。因此,对因人类活动影响出现的上述水文现象应进行深入分析研究。

 

 

 

 

 

作者简介:姚章民,男,广东潮阳人,教授级高级工程师,主要从事水文水资源技术工作。
参考文献:

[1]陈家琦.陈家琦水文与水资源文选[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[2]刘昌明..21世纪中国水文科学研究的新问题新技术和新方法[M]. 北京:科学出版社,2001.

[3]胡四一.水文学及水资源的学科前沿和研究需求[J].水文,20063.

[4]张建云,等.水文科技发展回顾及思考[J].水文,20063.

[6]张建云,等.中国水文科学与技术研究进展[M].南京:河海大学出版社,2004.

 

 

2007-04-26
 
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