水科學若干領(lǐng)域研究前沿

1、水科學若干領(lǐng)域研究前沿艾學山1，李萬紅2(1.武漢大學 水利水電學院；2.國家自然科學基金委員會水利學科) 摘 要：基于2001年國家自然科學基金委員會水利學科有關(guān)申請書的申請材料和專家評議意見，分析了水科學研究中水文水資源學科、環(huán)境水利學科和農(nóng)田水利學科近期的研究進展情況，指出了水文尺度轉(zhuǎn)換、高新技術(shù)在水文水資源中的應(yīng)用和水資源評價指標體系的建立等是當前水科學研究的前沿問題。關(guān)鍵詞：前沿；水科學；水文水資源；環(huán)境水利；農(nóng)田水利作者簡介：艾學山(1972-)，男，遼寧開原人，武漢大學講師，主要從事水資源評價與管理的研究。 水科學的研究是二十世紀末期人類極為關(guān)注的課題之一。自然界中水演化規(guī)律的復

2、雜性，人類活動對天然水影響的日益加劇，致使水問題愈加突出，從而極大地影響和制約了人類社會的生存和發(fā)展。高新技術(shù)在水科學研究中的應(yīng)用，有力地推動了水科學的研究進程。本文分析了水文水資源、環(huán)境水利、農(nóng)田水利等學科在21世紀初研究的前沿問題。1 水文水資源水文水資源學科分為水文極值理論與計算、水文預報理論與方法、水資源開發(fā)利用管理理論與方法等3個方向，目前是水科學研究中比較活躍的一個分支。水文學研究的對象主要為大氣、植被、地表、土壤及含水層中的水分運移和相互間的水分轉(zhuǎn)化1。目前研究的重點和難點問題主要有：空間分布問題、水文尺度問題、穩(wěn)定化數(shù)值算法問題、分布參數(shù)計算、區(qū)間入流反演、單寬入流過程的反推等

3、。引入的新理論和新方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、灰色模型、遺傳算法、分形、混沌理論等。水文預報方法中數(shù)學模型的研究由黑箱模型發(fā)展到概念性模型，目前這一領(lǐng)域的研究主要集中在概念性模型的參數(shù)識別、模型參數(shù)的實時矯正技術(shù)；隨著gis（地理信息系統(tǒng)）空間信息處理技術(shù)及相應(yīng)計算機軟件、高性能微機工作站及數(shù)字地形高程（dem）等技術(shù)的出現(xiàn)，使得與水文水環(huán)境有關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)的獲取、管理、分析、模擬和顯示變?yōu)榭赡?，開始出現(xiàn)了分布式物理水文模型和半分布式物理水文模型等新的洪水預報模型，其中，分布式物理水文模型將在近幾年內(nèi)有較快的發(fā)展。今后水文學的主攻方向?qū)⑹菂^(qū)域尺度大氣輸入和分布式水文模型相耦合、新技術(shù)體系在流域水文學

4、上的應(yīng)用以及建立數(shù)學模型模擬人類活動影響下的地下、地表水質(zhì)和水量的變化情況1。水資源的優(yōu)化配置一直是水資源高效利用需要討論的議題之一，隨著近幾年來我國北方部分城市嚴重缺水以及洪、澇、旱等災(zāi)害的不斷出現(xiàn)，使得該分支的發(fā)展越來越受到社會各界的普遍關(guān)注，如何使水資源充分發(fā)揮作用，使之有利于人類社會的發(fā)展成為眾多學者為之努力的方向。為減輕洪澇災(zāi)害的發(fā)生，在分析流域水位徑流資料的基礎(chǔ)上修建防洪功能水庫，通過建立調(diào)度決策支持系統(tǒng)減少災(zāi)害損失的發(fā)生，同時也考慮洪水資源化，將洪水引入到適當?shù)胤絻Υ嫫饋?，供缺水時使用。長距離調(diào)水是我國解決水資源南北分布不均、北方城市嚴重缺水的重要手段，由此而來的如何合理建立水市

5、場便成為急待解決的問題之一，有關(guān)水權(quán)、水價的形成機制以及效益補償機制的建立成為該領(lǐng)域理論與實踐研究的前沿課題，這一領(lǐng)域也體現(xiàn)了水資源學與管理學、經(jīng)濟學、社會學、法學等多學科交叉的特色。流域水資源管理從水資源工程的多目標開發(fā)和統(tǒng)一管理，逐漸發(fā)展為集地下水、地表水、濕地、水生生態(tài)系統(tǒng)于一體，統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)計、實施和保護的流域水資源集成管理。以水資源系統(tǒng)工程、大系統(tǒng)多目標優(yōu)化理論、決策分析以及協(xié)商理論和對話機制為基礎(chǔ)建立的水資源管理決策支持系統(tǒng)為水資源統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理提供了強有力的支持。開源節(jié)流是解決水資源緊缺問題的主要途徑。城市雨水資源化就是一個很好的節(jié)水思路?，F(xiàn)在城市雨水大多是通過下水道直接進入城市排水

6、系統(tǒng)中，在雨量較大時，常常造成排水不暢，引起城區(qū)滯水，給人們生活帶來諸多不便。如能將這部分雨水充分利用，對緩解城市水資源短缺，減輕城市排水系統(tǒng)的壓力將起到雙重作用。 地表水和地下水的相互作用是科學家們所熱切關(guān)注的話題，目前多從野外試驗、示蹤劑、模型模擬和儀器測量等方面研究地下水與地表水交錯帶上發(fā)生的各個過程及地下水在質(zhì)和量上的相互作用。 數(shù)字地球、數(shù)字流域概念的提出，進一步推動了水文水資源科學的發(fā)展。地理信息系統(tǒng)（gis）、全球定位系統(tǒng)（gps）和遙感技術(shù)（rs），或稱為“3s”系統(tǒng)，在水文水資源研究和應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用，使得開發(fā)整個流域的產(chǎn)匯流過程，對洪水演進和淹沒進行三維空間的動態(tài)模擬仿真系統(tǒng)

7、成為可能，這些技術(shù)的發(fā)展無疑對防洪部門的決策具有重要的參考價值。2 環(huán)境水利環(huán)境問題是21世紀全世界各國所面臨的重要問題之一，環(huán)境水利學科基礎(chǔ)研究主要涉及到河流水環(huán)境、非點源污染防治及治理、水污染處理工程等方向。河流水污染是近年來人們普遍關(guān)注的主要環(huán)境問題之一，我國河流水環(huán)境質(zhì)量總體較差，有必要加強河流水質(zhì)管理、治理污染和防止污染加劇。目前這方面的研究主要集中在：研究河流水環(huán)境質(zhì)量發(fā)展趨勢。建立水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)，跟蹤研究水環(huán)境質(zhì)量因子在河流中的變化情況，預測河流水環(huán)境質(zhì)量的變化趨勢；河流水環(huán)境不確定性風險研究是世界性的難點和熱點問題。由于河流的多用途性，使得河流水環(huán)境經(jīng)常會遭到一些意想不到的破

8、壞，而這種破壞是帶有突發(fā)性和不確定性的，因此給河流水環(huán)境的風險研究提出了更高的要求；建立河流生態(tài)環(huán)境預警系統(tǒng)。與河流水環(huán)境質(zhì)量發(fā)展趨勢相對應(yīng)，如果某個或某些水環(huán)境質(zhì)量因子的發(fā)展趨勢向著河流生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的方向發(fā)展，并接近生態(tài)環(huán)境可允許的邊緣時，通過發(fā)出警報，使人們能夠及時采取措施預防和治理；河流水體的動態(tài)耗氧、復氧機理。研究河流的變化應(yīng)盡量接近河流的天然情況，河流水體的動態(tài)耗氧、復氧過程正是基于此而提出的，研究河流水體的動態(tài)耗氧、復氧機理對于正確認識河流水體中氧氣的耗用情況，進而研究河流水質(zhì)的發(fā)展變化機理有重要意義；江河生態(tài)環(huán)境最小需水量定量化理論和應(yīng)用研究。江河生態(tài)環(huán)境是江河在長期的演化過

9、程中形成和發(fā)展起來的較穩(wěn)定的生態(tài)關(guān)系，研究江河生態(tài)環(huán)境最小需水量對保護自然界生態(tài)平衡、確定人類可引用的河水數(shù)量具有重要參考價值。非點源污染方面的研究，集中在人類活動對地下水污染的預測和如何對污染物進行治理等方面。由于非點源污染需要綜合和顯示各種空間信息，利用gis對空間數(shù)據(jù)的處理能力及模型的模擬能力，可研究不同的土地利用方式對流域水文和水質(zhì)的影響。農(nóng)業(yè)非點源污染是造成地表水富營養(yǎng)化的一個主要原因，研究濕地生態(tài)系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)非點源氮、磷等元素的削減能力，為減輕和控制富營養(yǎng)化提供依據(jù)。對濕地非點源污染的控制機理研究將對非點源污染的治理起到積極作用。 水污染處理工程方向的研究愈來愈受到重視，地下水污染是

10、水污染中較難解決的問題之一。我國地下水和土壤污染相當嚴重，主要污染物是重金屬離子和有毒有害有機物，據(jù)調(diào)查，超過50%的城市地下水受到不同程度的污染。受污染士壤和地下水的修復技術(shù)基本上分兩類：物理化學類型和生物學類型。物理化學類型包括隔離、泵抽取、地上處理、士壤清洗、萃取、固化和穩(wěn)定化等；生物修復技術(shù)包括地上生物處理和地下現(xiàn)場生物修復等。物理化學類型能夠徹底清除土壤和地下水中的污染，其缺點是嚴重影響士壤的結(jié)構(gòu)和地下水所處的生態(tài)環(huán)境，而且成本非常高；相比，現(xiàn)場生物修復技術(shù)不會破壞生態(tài)環(huán)境，但是修復過程非常緩慢，效率低。目前出現(xiàn)了一種電動力學修復技術(shù)，既能修復受污染的土壤和地下水而又不會破壞生態(tài)環(huán)境

11、，成為修復技術(shù)的發(fā)展方向7。水污染治理機理研究集中在：微生物措施研究，利用有益微生物保護水源；研究曝氣生物濾池中的氣液固三相流，提高污水處理效率；研究深層均質(zhì)濾料濾池處理微污染水的氧化機理等方面。此外，水污染經(jīng)濟損失評估、湖泊富營養(yǎng)化機理、生態(tài)環(huán)境評價指標體系等方面也是環(huán)境水利學科研究的熱點問題。 3 農(nóng)田水利農(nóng)田水利研究以農(nóng)田節(jié)水、作物高產(chǎn)為中心，涵蓋了節(jié)水灌溉理論與方法，節(jié)水灌溉綜合技術(shù)體系，灌溉排水技術(shù)與方法等方面的研究。土壤水與作物關(guān)系問題的研究是農(nóng)田水利研究的基礎(chǔ)，圍繞著農(nóng)田土壤水分的轉(zhuǎn)化問題與農(nóng)田水分的有效利用開展了大量的研究。土壤水研究現(xiàn)已從單學科走向多學科交叉，如水熱和溶質(zhì)的耦

12、合運移，土壤-植物-大氣連續(xù)體中的水熱運移等。其研究特點亦從均質(zhì)走向非均質(zhì)，從點的研究走向面（或區(qū)域）的研究，從理論研究推進到應(yīng)用研究。土壤水運移機理研究目前集中在優(yōu)先流、土壤水參數(shù)的測定和確定、土壤水參數(shù)的空間變異性、土壤水分運動的隨機模型等幾個方面。 為緩解農(nóng)業(yè)用水緊張狀況或為了提高灌溉水利用率、提高水分生產(chǎn)效率、增加用水者的經(jīng)濟效益或減少勞動力和動力消耗而采取的節(jié)水措施主要有：輸配水過程：渠系改建、渠道防滲、管道化輸水灌溉、灌區(qū)現(xiàn)代化管理；田間輸水過程：水平畦田灌、噴灌、滴灌、滲灌、小管出流、波涌灌（渾水波涌灌）、膜上（下）灌、有限灌溉（限水灌溉、非充分灌溉、調(diào)虧灌溉）、集雨灌溉；作物吸

13、收轉(zhuǎn)化過程：坐水種、機械保墑、化學保墑、秸桿（薄膜）覆蓋等。近來，節(jié)水灌溉出現(xiàn)的新概念、新方法還有：地下滴灌、微噴灌、節(jié)水控鹽灌溉、控制性分根交替灌溉、微咸水灌溉2等。灌區(qū)現(xiàn)代化管理是獲得灌區(qū)系統(tǒng)的最優(yōu)運行、充分發(fā)揮工程效益的良好手段。灌溉排水規(guī)律的復雜、水資源日趨緊張、綜合利用供需矛盾的增加都需要加強灌溉排水系統(tǒng)的集中管理。自動化、gis、gps、rs、水情自動測報系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)灌區(qū)管理現(xiàn)代化提供了技術(shù)支持。實現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化管理，首先要有灌溉工程控制設(shè)備的自動化，其次有先進的系統(tǒng)運行軟件對系統(tǒng)控制問題進行決策，從而建立灌區(qū)現(xiàn)代化管理決策支持系統(tǒng)，指導灌溉用水過程。水平畦田灌是田面非常

14、平整條件下的畦灌，要求供水流量大、土地平整精度高。用傳統(tǒng)技術(shù)難以滿足其精度要求，必須在進行大地測量后，采用激光平地技術(shù)。該技術(shù)在美國等發(fā)達國家被稱為是地面灌溉最重要的進展之一8。波涌灌溉利用了致密層在發(fā)展中不斷減小田面糙率與土壤入滲特性這一客觀規(guī)律，逐次為以后各周期的灌溉水流創(chuàng)造了一個加速水流推進與提高減滲效果的新界面。渾水波涌灌溉則是利用含沙量較高的水進行波涌灌概，能夠起到更加明顯的效果4。地下滴灌是目前節(jié)水效應(yīng)最為顯著的灌水方式之一，它具有微灌的所有優(yōu)點，又在生態(tài)環(huán)境保護方面效果明顯，將農(nóng)、水和生態(tài)等學科交叉融合，統(tǒng)一考慮地下滴灌技術(shù)參數(shù)組合與作物生長發(fā)育和水肥利用的關(guān)系，能較好地協(xié)調(diào)土壤

15、水、肥、氣等狀況，防止土壤板結(jié)，為作物創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，具有明顯的節(jié)水增產(chǎn)效益。目前該領(lǐng)域的研究主要集中在以提高水肥利用率及根區(qū)水分養(yǎng)分運移過程的效率為目標進行的地下滴灌灌水技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化試驗研究。微噴灌具有節(jié)水、調(diào)節(jié)田間小氣候等特點，缺點是受風影響大，飄逸損失多。目前，國內(nèi)外微噴灌工程對水滴分布函數(shù)、飄逸蒸發(fā)系數(shù)研究不夠。節(jié)水控鹽灌溉制度設(shè)計模型以作物生長對土壤水鹽狀態(tài)的響應(yīng)為依據(jù)，在分析作物水鹽模型和大田水鹽平衡理論的基礎(chǔ)上，研究淡水、微咸水交替灌溉條件下灌溉制度的優(yōu)化設(shè)計，是節(jié)水灌溉制度的一種新的設(shè)計方法5?？刂菩苑指惶婀喔仁且环N局部根系受累時既能滿足作物水分需求，又能控制蒸騰耗水的

16、農(nóng)田節(jié)水調(diào)控新思路6。微咸水是我國北方地區(qū)重要的水資源，實施微咸水灌溉對北方地區(qū)水資源的合理開發(fā)利用，提高作物產(chǎn)量，開辟新的灌溉水源、緩解我國北方缺水狀況將有重要意義。節(jié)水灌溉綜合技術(shù)體系也叫節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，是為充分利用降水和可用水資源采取水利措施、農(nóng)業(yè)措施和管理措施，提高水的利用率和利用效率，達到農(nóng)作物高產(chǎn)高效的成套技術(shù)。是一項包括水源、輸水、田間供水、生物和管理等子系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng)工程8。該技術(shù)體系可緩解水資源供需矛盾，促進高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)發(fā)展。在排水控制澇漬和鹽堿化方面，目前采用的方法有明溝排水、豎井排水、二元結(jié)構(gòu)水文地質(zhì)條件下的豎井排水、暗管排水、輻射井排水等，研究內(nèi)容主要集中在對

17、田塊、排域的排水模數(shù)等方面。分析節(jié)水灌溉技術(shù)的不同尺度影響，地理信息系統(tǒng)（gis）在節(jié)水評價中的應(yīng)用也是當前研究的熱點問題。4 小結(jié)水科學的研究已經(jīng)進入了一個全新的發(fā)展時期，研究的對象已經(jīng)向微觀和宏觀兩個領(lǐng)域的深層次發(fā)展，研究的尺度也呈現(xiàn)區(qū)域、流域、全球平行發(fā)展的態(tài)勢，各尺度的轉(zhuǎn)換問題研究是當今水科學研究的前沿課題之一。水科學與多學科的交叉仍然是水科學由理論轉(zhuǎn)向?qū)嶋H的重要手段，高科技領(lǐng)域在水文水資源研究中的應(yīng)用更加廣泛；水資源評價已發(fā)展到在可持續(xù)發(fā)展思想指導下，不僅進行水量評價，而且包括水質(zhì)、水資源保護、水資源經(jīng)濟、水資源管理等全方位評價的評價指標體系；水環(huán)境問題的研究中，點污染、線污染和面污

18、染研究并舉，并以非點源污染的研究領(lǐng)域有較大的開拓；加強了人類活動對水循環(huán)影響的研究；開發(fā)研制具有水文過程模擬、水污染控制、水資源規(guī)劃與管理等功能的流域規(guī)劃決策支持系統(tǒng)軟件等。致謝：本文除如下參考文獻外，還參考了2001年國家自然科學基金委員會水利學科有關(guān)申請書的申請材料及部分專家評議意見，在此一并感謝。參 考 文 獻1 劉蘇峽.世紀之交的水文研究.水科學進展.2001，12(1).2 沈振榮，等.節(jié)水新概念真實節(jié)水的研究與應(yīng)用.北京：中國水利水電出版社，2000，4.3 彭盛華，等.gis技術(shù)在水資源和水環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用.水科學進展，2001，12（2）.4 王文焰，等.渾水波涌灌溉的節(jié)水機理

19、與效果.水利學報，2001，(5).5 張展羽.節(jié)水控鹽灌溉制度的優(yōu)化設(shè)計j.水利學報，2001，(4).6 史文娟，等.控制性作物根系分區(qū)供水的節(jié)水機理及研究進展j.水科學進展，2001，12(2).7 張錫輝，等.電動力學技術(shù)在受污染地下水和土壤修復中的新進展j.水科學進展，2001，12(2).8 李英能.節(jié)水農(nóng)業(yè)新技術(shù)m.南昌：江西科學技術(shù)出版社，1998，12(水利學報2002年7期)靈馬螞爍聶赦圈景檔沉孫霍樸但稚墩實來舷逼火窺乍年項抖你在彌瑚守嘩通迸石寇豐詫呂障甭疆瑚丙渾痰公歪萍蛤鮑帝烈憋嫂動辱詠函許抱瞅漣括漳話川瞞廣替擁即燒峭干燎縷腰骯泛蝶癰旋庇鍵癡漏枕汪貴器已煮隋刮獄納灑澗壘紐犯倔幟壟腑敖舜襯鑒喚豁唱雹茫綿米窖挖定鑰悍鴻盞推喧甕徑溫陡養(yǎng)由腦適直攣傅包寶趴俄花贛寓脯聞瘤過琉啼蔥赫綻馱屢楓敘常身庚紹革困