应用水文学研究的意义与方法探析

应用水文学是水文科学的一个分支。它运用水文学和有关学科的理论和方法,研究各实际水文问题的解决途径和方法,为水利、电力、交通、城市发展和环境保护等工程建设提供水文设计数据和水文预报服务,为农业、林业和国土整治规划提供水文依据。水资源利用和人类活动的水文效应是应用水文学研究的新领域。

(1)水文站网与水文测验技术。我国各类水文站网在保持基本稳定的同时,逐步进行了优化调整,雨量站、水质站等有所增加,水位站、雨量站固态存储、自动测报率进一步提高,站网整体功能不断增强,不但初步满足了当前经济社会发展对水文的要求,而且已经走向站网建设优化及其管理的科学化和规范化。水质监测评价工作不断加强,现已初具规模,为流域水资源综合管理和保护工作提供基础信息。

在水文测验技术的自动化程度也有了较大提高。我国利用中芬、中澳、中日国际合作项目及工程带水文项目对流量测验技术和雨量、水位观测技术进行了全面的改进。引进的固态存贮器,大大改善了雨量观测的精度,使得流量、水位观测更加科学化和规范化。同时,我国泥沙测验技术及设备有了长足的进步,国际标准化委员会对我国的泥沙测验技术也有较高的评价,已经把悬移质泥沙测验标准的编写任务交给了我国,目前正在组织编写中,1999年在北京成功地举办了ISO/TC113第20届工作会议。缆道测速、测船测深取沙、浮标测流、流速拆装、雨量计及采集器和水准测量等方面也取得了进展。近几年来,流速仪、水准仪、经纬仪和全站仪等常规测验仪器有所增加,GPS、ADCP(多普勒剖面流速仪)和原子吸收分光度计等一批先进仪器设备也逐步得到应用,不但改善了水文生产条件而且还大大提高了测验的时效性和精度。

国家基本水文数据库已经基本建成。在卫星遥感与遥测技术、卫星云图接收技术、GPS卫星定位技术、卫星传输水情信息系统建设和卫星通信中的语音通信、数字通信、电视会议等方面,均取得了一定的规模,为应用我国卫星采集和传输水文资料奠定了基础,并进入了实用阶段。

(2)水文预报技术。水文作业预报技术除了实时雨水情信息的自动采集和现代化信息传输的实施等一系列新技术应用外,先进的计算技术已普遍推广使用,有强大的或独立的数据库管理系统支持,有为提供监视和预报成果分析用的、形象直观的雨水情信息时空分析显示,有现代流域水文模型和传统预报方案相结合的核心,有提高预报精度的实时校正功能,有在预见期内根据不同降雨时空分布,模拟计算可能发生洪水的十分实用的软件支持;应用多种分析途径提高预报成果的质量和精度,提高实时预报成果质量;愈来愈多地对现有预报方案或模型作改进和自行研制合适的模型,其中有经验性的改进,也有理论性和方法性探讨。

我国制作流域水文模型的技术手段有了显著的提高。我国自行研制、引进改进的有新安江模型(改进)、姜湾径流模型、双超产流模型、河北雨洪模型、双衰减曲线模型、SCLS模型、连续API模型(改进)、NAM 模型(改进)、水箱模型(改进)、萨克拉门托模型(改进)等10个流域水文模型,反映了近几年来我国研制和应用流域水文模型的发展和科技进步,有的还处于国际领先水平。(www.xing528.com)

我国的水文预报系统进展很快,水文气象信息监测和洪水预报调度系统现已发展到具有中国特色的专家交互式洪水预报调度系统。系统结构合理、功能齐全、面向网络,人机交互式预报功能增强,地理信息系统得到应用,信息处理和数据管理完善,系统开发技术先进。此外,系统中普遍应用多种水文模型和优化调度方法,有的还提供中长期水文预报功能,使防洪调度决策更为科学;系统充分利用各种信道传输信息,广泛应用多窗口和多媒体技术,并重视了系统的可靠性和充分考虑了系统的通用性和开放性。近几年来我国的水文预报系统开发已达到较高的水平,有的在某些功能方面甚至已超过国外同类系统的水平。

(3)水文分析与计算。设计洪水(洪水频率分析和洪水不确定性分析)和径流计算也取得了一些进展。

洪水频率分析中,对于样本资料系列问题,我国率先将历史洪水资料应用于洪水频率计算,无疑是对样本资料系列的一个重大贡献。但由于历史洪水的信息量仍然有限,这就使得频率曲线的外延部仍有一定的不确定性。针对这一情况,我国在借鉴国外先进技术的基础上,利用古代洪水残留有机物质碳-(14 C)的放射强度,按衰变原理推算洪水事件的发生年代,寻找一种比历史洪水考证期年代更远的古洪水,已成功地应用于三峡、小浪底等大型水利水电工程的设计,并为洪水频率计算提供了新的途径。对于样本抽样方法问题,一般是在一年的观测资料中仅采用一个值,而摒弃年内发生的其他洪水。随着国外提出的与我国水文界20世纪60年代初超定量抽样法相类似的PDS(Partial Duration Series)研究成果的面世,有些国家已采用PDS计算设计洪水,我国在这方面也取得了比较实用的成果。

在洪水不确定性分析中,由于我国经济社会的迅速发展,洪水分析计算所面临的问题越来越复杂,洪水系统不断扩大,多因素相互作用的影响也越来越多样化,洪水不确定性的成分增多且显示出主导地位,迫使人们在处理洪水的诸多问题时不得不涉及洪水不确定性分析与计算。近几年来,我国对不确定性中的随机性与风险率、模糊性、灰色理论等方面研究较多,部分研究成果已用于生产实践之中。针对洪水具有的随机性、洪水资料准确度上具有的模糊性和洪水资料不充分具有的灰色性等特点,我国水文工作者也正在尝试综合考虑这些不确定性,将随机分析、模糊分析、灰色分析有机地耦合起来,全面和客观地统一考虑多种不确定性。

在径流计算上,近几年来,随着我国经济社会的迅速发展,水资源开发利程度日益提高,地下水过量开采,水土保持范围逐年扩大,城市化趋势不断增加等各种人类活动的影响,使水文下垫面条件发生了显著的变化,改变了水资源“三水转化”的关系,从而导致了径流量的变化。我国水文工作者在这方面开展了大量的研究,并取得了卓有成效的成果。在人类活动对天然径流的影响及还原计算方法方面,获得了大量可用于生产实际的成果,并已列入《水利水电工程水文计算规范》中;在坡耕地、森林、沼泽、湖泊和平原地区地下水开采、长江水土流失以及黄河断流原因分析等研究方面取得了重要进展;在城市化对水文水资源的影响方面也取得了一些进展,特别是通过城市水量平衡的精测、调查与分析等,在城市效应对城市暴雨影响的研究,也取得了一定的进展,如北京、天津等城市开展了城市效应对雨洪影响的研究,并建立了城市雨洪模型,获得了比较满意的成果。