遼寧水文實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀與發(fā)展

安 元

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

水文學(xué)是研究地球系統(tǒng)中水的存在、分布、循環(huán)過程的時(shí)空變化及水域生態(tài)、環(huán)境和社會(huì)相互關(guān)系的學(xué)科[1]，推動(dòng)人類對(duì)該學(xué)科的認(rèn)識(shí)與該學(xué)科理論發(fā)展的主要基礎(chǔ)，則來源于理論推演解析與實(shí)驗(yàn)[2]。理論推演主要通過假設(shè)、推理、數(shù)學(xué)計(jì)算等過程得到描述水文規(guī)律的方程，實(shí)驗(yàn)研究則是通過控制變量、觀測(cè)、數(shù)據(jù)分析得到水文規(guī)律?，F(xiàn)有研究資料顯示，截至目前的水文學(xué)進(jìn)展，絕大多數(shù)都源自水文觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)。

水文實(shí)驗(yàn)是水文學(xué)研究的重要途徑，以水文循環(huán)為基本原理，以水量平衡為基本準(zhǔn)則，通過聯(lián)合被動(dòng)的現(xiàn)象觀測(cè)和主動(dòng)的控制試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)，從定性、定量到定解，分析水文現(xiàn)象和水文過程的狀態(tài)和成因，闡明其變化規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系，并將結(jié)果外延應(yīng)用于水文學(xué)之中[3]。

水文實(shí)驗(yàn)在水文預(yù)報(bào)、分析計(jì)算、泥沙研究、水資源評(píng)價(jià)和新設(shè)備研發(fā)等方面發(fā)揮了重大作用，推動(dòng)了水文學(xué)科進(jìn)步，但由于資金保障不足等原因，自20世紀(jì)90年代以來，中國水文實(shí)驗(yàn)陷入了停滯和倒退，遼寧水文實(shí)驗(yàn)也同樣未能幸免。隨著社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境對(duì)水文服務(wù)能力提出更高的要求，水文實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ω酱訌?qiáng)，水文實(shí)驗(yàn)站建設(shè)亟需開展。

1 水文實(shí)驗(yàn)的研究內(nèi)容和方法

1.1 研究內(nèi)容

水文實(shí)驗(yàn)的研究內(nèi)容主要分為以下幾個(gè)方向：①徑流實(shí)驗(yàn)研究，研究不同地區(qū)自然條件和各工程措施條件下的產(chǎn)流、匯流的物理機(jī)制和變化規(guī)律；②蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)研究，研究不同地區(qū)、不同下墊面條件下各類蒸發(fā)及其物理機(jī)制和觀測(cè)方法；③地下水與土壤水實(shí)驗(yàn)，研究不同地區(qū)地下水入滲、地下水動(dòng)態(tài)水位、地下水水質(zhì)和水文地質(zhì)參數(shù)等變化規(guī)律；④城市水文實(shí)驗(yàn)研究，側(cè)重研究城市化后城市雨洪關(guān)系、城市暴雨與設(shè)計(jì)洪水公式、城市熱島效應(yīng)、雨水收集利用、城市點(diǎn)面源污染規(guī)律等；⑤水質(zhì)與水生態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，主要研究水體中生態(tài)變化規(guī)律和污染物隨水體運(yùn)移機(jī)理，研究湖庫富營養(yǎng)化、河道生態(tài)水量，以及水功能區(qū)量質(zhì)關(guān)系和點(diǎn)源、線源、面源污染遷移規(guī)律；⑥泥沙實(shí)驗(yàn)研究，主要研究不同流域(典型小區(qū))水沙關(guān)系、懸推比、產(chǎn)輸比，典型地貌特征的產(chǎn)沙規(guī)律，河流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律等；⑦水文測(cè)驗(yàn)方法和儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)研究，探求與研究不同類型河流流量、水位測(cè)驗(yàn)方法和適用的儀器設(shè)備；⑧水庫水文實(shí)驗(yàn)研究，主要研究水庫建成后水流沙變化規(guī)律，水庫對(duì)徑流、泥沙等攔蓄作用和影響；⑨河道演變實(shí)驗(yàn)研究，主要研究河道沖淤變化、河床演變規(guī)律，懸移質(zhì)挾沙能力和推移質(zhì)對(duì)河道、河床演變影響。

1.2 研究方法

水文實(shí)驗(yàn)的研究方法可以按以下幾個(gè)方法進(jìn)行分類。

(1)按照對(duì)流域環(huán)境要素控制的程度，可分為3類[4- 5]，①天然流域法，實(shí)驗(yàn)通過對(duì)原生態(tài)流域進(jìn)行研究，沒有人為因素影響，保持流域原始水文環(huán)境；②人工模擬流域法，完全由人工控制流域環(huán)境；③復(fù)核流域法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，對(duì)流域環(huán)境的部分環(huán)境要素進(jìn)行控制，兼具天然流域和人工流域的特點(diǎn)。

(2)按照實(shí)驗(yàn)流域選擇方法，可分為3類[6- 7]，①單一流域法，對(duì)同一流域在不同的環(huán)境要素控制條件下的水文過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；②平行流域法，對(duì)多個(gè)除了控制要素以外其他環(huán)境要素基本相同的流域進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)；③控制流域法，對(duì)多個(gè)環(huán)境要素基本相同的流域進(jìn)行一段時(shí)間的同步觀測(cè)后，一個(gè)流域保持原狀、其他流域進(jìn)行環(huán)境要素控制，再繼續(xù)進(jìn)行觀測(cè)。

(3)按照觀測(cè)數(shù)據(jù)處理手段，可分為3類[8]，①統(tǒng)計(jì)法，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以數(shù)理統(tǒng)計(jì)為手段，解釋數(shù)據(jù)內(nèi)在關(guān)系；②模型法，根據(jù)對(duì)水文循環(huán)的認(rèn)識(shí)，概化出水文模型并通過數(shù)學(xué)語音進(jìn)行表述；③示蹤法，利用無機(jī)水化學(xué)離子、元素和同位素分析水文循環(huán)過程。

1.3 中國水文實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述

中國有記載的水文實(shí)驗(yàn)研究開始于1924年，在山西省及山東省設(shè)置的徑流觀測(cè)區(qū)，研究不同暴雨條件下植被覆蓋對(duì)地表徑流和水土流失的影響。新中國成立后，原治淮委員會(huì)于1953年設(shè)立了清溝等徑流實(shí)驗(yàn)站，主要項(xiàng)目有徑流實(shí)驗(yàn)、降雨入滲實(shí)驗(yàn)、土壤蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)及土壤含水量測(cè)驗(yàn)等，中國水文實(shí)驗(yàn)正式起步[9]。1959年全國水文工作會(huì)議印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步開展水文實(shí)驗(yàn)研究工作的意見》，中國水文實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)入了快速發(fā)展階段，經(jīng)過多年建設(shè)，全國水文實(shí)驗(yàn)站最多時(shí)達(dá)到了255處。之后由于政治運(yùn)動(dòng)影響，水文實(shí)驗(yàn)陷入停滯狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)設(shè)施遭受破壞。1986年，原水利電力部組織開展全國水文實(shí)驗(yàn)調(diào)查工作，推動(dòng)了水文實(shí)驗(yàn)研究的恢復(fù)，但受到研究經(jīng)費(fèi)短缺的影響，水文實(shí)驗(yàn)站難以開展有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)。

2010年，原水利部水文局編制了《全國水文實(shí)驗(yàn)站規(guī)劃》，根據(jù)全國水文實(shí)驗(yàn)站情況調(diào)研結(jié)果，截至2010年全國水文實(shí)驗(yàn)站不足70處，其中僅15處能夠開展實(shí)驗(yàn)[10]。國內(nèi)具有代表性的水文實(shí)驗(yàn)有五道溝水文實(shí)驗(yàn)站、滁州水文實(shí)驗(yàn)站、新安江水文實(shí)驗(yàn)站、太谷均衡實(shí)驗(yàn)站及巴彥高勒蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站等，多屬于流域機(jī)構(gòu)建設(shè)或管理的水文實(shí)驗(yàn)站，主要開展了降水、徑流、蒸發(fā)、水文循環(huán)過程、流域污染物遷移過程機(jī)理、水環(huán)境及水生態(tài)修復(fù)、氣候影響因素研究等各類實(shí)驗(yàn)。

2 遼寧水文實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀與問題

2.1 現(xiàn)狀

遼寧水文系統(tǒng)自1958年以來相繼建立了葉柏壽徑流實(shí)驗(yàn)站、臺(tái)安徑流實(shí)驗(yàn)站、營盤蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站和彰武旱情實(shí)驗(yàn)站。水文實(shí)驗(yàn)站的觀測(cè)研究工作，為水文水資源方面的計(jì)算和研究提供了寶貴的第一手資料，無論在水資源評(píng)價(jià)，還是在排水設(shè)計(jì)建設(shè)、水田節(jié)水灌溉實(shí)驗(yàn)、干旱地區(qū)徑流及人類活動(dòng)影響、水庫蒸發(fā)與陸面蒸發(fā)關(guān)系研究等方面，都發(fā)揮了極大的作用。

臺(tái)安徑流實(shí)驗(yàn)站建于1960年，是東北地區(qū)唯一的一處平原區(qū)水文實(shí)驗(yàn)站，擁有潛水動(dòng)態(tài)蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)、水稻節(jié)水灌溉實(shí)驗(yàn)區(qū)及大明潭實(shí)驗(yàn)區(qū)，設(shè)有地中蒸滲儀26套，呈環(huán)行排列在地下觀測(cè)室周圍，實(shí)驗(yàn)土樣來自遼寧中部平原不同地區(qū)，分別為砂土、亞砂土、黏土和亞黏土，設(shè)有節(jié)水灌溉實(shí)驗(yàn)池6個(gè)、水稻葉面蒸發(fā)及株間蒸發(fā)觀測(cè)儀器5套，土樣取自全省六大灌區(qū)，設(shè)有降雨徑流實(shí)驗(yàn)斷面2處。臺(tái)安實(shí)驗(yàn)站主要開展了遼河下游平原區(qū)“三水轉(zhuǎn)化”規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究、遼河下游平原區(qū)“潛水蒸發(fā)規(guī)律”實(shí)驗(yàn)研究、遼河下游平原區(qū)水田節(jié)水灌溉定額實(shí)驗(yàn)研究等一系列實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行了水田滲漏損失實(shí)驗(yàn)、給水度實(shí)驗(yàn)、水田土壤水份損失速率實(shí)驗(yàn)、降雨徑流關(guān)系實(shí)驗(yàn)、水稻灌溉定額和水稻需水量實(shí)驗(yàn)。臺(tái)安實(shí)驗(yàn)站經(jīng)過多年的運(yùn)行，取得了大量實(shí)驗(yàn)成果，對(duì)“三水”轉(zhuǎn)化規(guī)律提出了新的觀點(diǎn)，對(duì)水資源計(jì)算提出了新的方法，提出了遼河下游平原區(qū)有作物和無作物“潛水蒸發(fā)規(guī)律”的分析成果，曾獲得遼寧省水利廳科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和遼寧省政府科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

營盤蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)站建于1959年，建有陸上水面蒸發(fā)場(chǎng)一處，水上漂浮蒸發(fā)場(chǎng)一處，1960年開始觀測(cè)，1982年由于實(shí)驗(yàn)設(shè)施設(shè)備年久失修、人員經(jīng)費(fèi)不足等各方面原因，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作了較大調(diào)整，削減多項(xiàng)不同高度、不同口徑的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及水上漂浮蒸發(fā)項(xiàng)目。主要開展了研究梯度地溫對(duì)蒸發(fā)量的影響研究、E601障礙物對(duì)蒸發(fā)量的影響研究等，為SL630—2013《水面蒸發(fā)觀測(cè)規(guī)范》的制定提供了理論及實(shí)踐依據(jù)。

葉柏壽徑流實(shí)驗(yàn)站建于1958年，作為干旱地區(qū)的徑流實(shí)驗(yàn)站在全國是獨(dú)一無二的。由于經(jīng)費(fèi)等原因，徑流實(shí)驗(yàn)站于1995年停測(cè)。只將蒸發(fā)場(chǎng)遷到葉柏壽水文站繼續(xù)觀測(cè)，并隨同該站資料一并刊印到現(xiàn)在。

彰武旱情實(shí)驗(yàn)站建于2007年，是遼西北地區(qū)大型綜合實(shí)驗(yàn)站，可以代表遼寧省西部干旱地區(qū)的旱情指標(biāo)，主要觀測(cè)項(xiàng)目有降水、4種不同類型土壤的含水量、E601及20cm口徑蒸發(fā)、地下水位、泥沙等。

2.2 存在問題

遼寧水文實(shí)驗(yàn)站受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平、實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)及設(shè)備的限制，實(shí)驗(yàn)站存在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低、實(shí)驗(yàn)研究手段落后、監(jiān)測(cè)設(shè)備老化等問題。

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)施老化。遼寧水文實(shí)驗(yàn)站除彰武實(shí)驗(yàn)站以外，均建于20世紀(jì)50—60年代，部分已經(jīng)不能正常運(yùn)行，例如地中蒸滲實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地下觀測(cè)室和實(shí)驗(yàn)土柱存在漏水滲水、地中蒸滲監(jiān)測(cè)設(shè)備損壞等問題，導(dǎo)致無法正常開展地中蒸滲相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

(2)實(shí)驗(yàn)環(huán)境變化大。水文實(shí)驗(yàn)站建設(shè)初期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平低，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快、生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求提高、土地規(guī)劃變化，實(shí)驗(yàn)環(huán)境也發(fā)生了較大變化，例如大明潭實(shí)驗(yàn)區(qū)受到土地開發(fā)、周邊居民生活的影響，破壞了實(shí)驗(yàn)區(qū)的閉合性，影響了徑流實(shí)驗(yàn)的開展。

(3)實(shí)驗(yàn)手段落后。儀器設(shè)備多為建站初期配置，由于維護(hù)改造經(jīng)費(fèi)的缺乏，觀測(cè)手段嚴(yán)重落后于現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展。如地中蒸滲實(shí)驗(yàn)場(chǎng)采用的是馬氏瓶法人工監(jiān)測(cè)土壤蒸發(fā)與下滲量的變化，部分降水、蒸發(fā)、氣象等要素的觀測(cè)仍為人工觀測(cè)。

(4)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一。受到現(xiàn)有設(shè)施設(shè)備的制約，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以傳統(tǒng)項(xiàng)目為主，側(cè)重于防汛減災(zāi)，已經(jīng)不能滿足城鎮(zhèn)化快速發(fā)展、水資源配置與高效利用、水生態(tài)水環(huán)境問題提出的新要求，實(shí)驗(yàn)研究方向有待調(diào)整。

(5)實(shí)驗(yàn)人員經(jīng)費(fèi)不足。水文實(shí)驗(yàn)具有長期性、基礎(chǔ)性、公益性的特點(diǎn)，受到經(jīng)濟(jì)及社會(huì)環(huán)境影響，經(jīng)費(fèi)得不到落實(shí)，很多項(xiàng)目無法開展或者開展不夠到位，部分資料因受經(jīng)費(fèi)的限制而沒有整理刊印，測(cè)站工作人員學(xué)歷不高，高學(xué)歷高素質(zhì)的專業(yè)人才得不到補(bǔ)充，技術(shù)力量薄弱。

3 遼寧水文實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Πl(fā)展淺析

遼寧水文實(shí)驗(yàn)站目前由于存在諸多問題，已經(jīng)不滿足開展實(shí)驗(yàn)研究的條件，亟需通過更新改造建設(shè)恢復(fù)、提升水文實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，為水文基礎(chǔ)理論研究、現(xiàn)代化技術(shù)設(shè)備應(yīng)用提供支撐保障。

3.1 發(fā)展目標(biāo)

遼寧水文實(shí)驗(yàn)站發(fā)展的總體目標(biāo)是為我國半濕潤與半干旱地區(qū)水文監(jiān)測(cè)與水文要素變化規(guī)律及模擬研究積累資料、提供經(jīng)驗(yàn)，為制定水文監(jiān)測(cè)與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。建成與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求相適應(yīng)的防洪安全體系、供水安全體系、水生態(tài)安全體系、水利科學(xué)發(fā)展保障體系“三安全一保障”水利保障體系，為實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代化、全面振興老工業(yè)基地目標(biāo)提供更加堅(jiān)實(shí)的支撐和保障。

3.2 建設(shè)原則

以《全國水文實(shí)驗(yàn)站網(wǎng)規(guī)劃》(2010年)和《全國水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃(2013—2020年)》[11]為依據(jù)，結(jié)合遼寧省水文實(shí)驗(yàn)站具體需求，合理確定實(shí)驗(yàn)站建設(shè)規(guī)模和建設(shè)內(nèi)容，充分利用可用的基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備及通信資源，結(jié)合已開展項(xiàng)目，杜絕重復(fù)建設(shè)，合理安排水文實(shí)驗(yàn)站建設(shè)內(nèi)容。從水文可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，充分考慮未來科學(xué)技術(shù)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要、實(shí)驗(yàn)代表區(qū)域水文水資源特點(diǎn)和規(guī)律研究需要、新技術(shù)新方法等研究需要、基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用技術(shù)研究需要，科學(xué)合理、適度超前地謀劃實(shí)驗(yàn)站的研究方向。

3.3 建設(shè)任務(wù)

通過建設(shè)徑流相關(guān)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，建成集降水徑流、土壤蒸發(fā)與下滲、水量平衡及水面蒸發(fā)等實(shí)驗(yàn)研究為一體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為研究半濕潤與半干旱地區(qū)產(chǎn)匯流規(guī)律、水土流失規(guī)律、小區(qū)水量平衡規(guī)律以及不同類型土壤的蒸發(fā)與下滲規(guī)律研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，為東北地區(qū)水資源管理、水安全保障及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。

通過改建陸上水面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)、新建漂浮水面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，完善水文氣象要素的監(jiān)測(cè)，建成較為完善的水面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為研究半濕潤與半干旱地區(qū)水面蒸發(fā)規(guī)律、探求氣象要素對(duì)水面蒸發(fā)的影響及關(guān)系積累資料、提供經(jīng)驗(yàn)，為大型水體水面蒸發(fā)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)制定奠定基礎(chǔ)。

通過建設(shè)水文氣象及墑情相關(guān)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，開展不同類型土壤下墑情監(jiān)測(cè)設(shè)備的對(duì)比觀測(cè)，分析儀器設(shè)備的穩(wěn)定性、靈敏性和準(zhǔn)確性，為墑情監(jiān)測(cè)設(shè)備在遼寧省乃至全國的應(yīng)用鑒定和研究不同質(zhì)地土壤含水量和土壤退水規(guī)律提供研究平臺(tái)，為東北地區(qū)的干旱規(guī)律研究、經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

遼寧水文實(shí)驗(yàn)研究起步較早，實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容較為全面，研究成果較為豐富，是中國水文實(shí)驗(yàn)的先行者，為水文學(xué)科的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐，但由于一系列原因，遼寧水文實(shí)驗(yàn)研究目前陷于萎縮停止。結(jié)合水利部對(duì)全國水文實(shí)驗(yàn)發(fā)展的部署，通過對(duì)遼寧水文實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行改造、更新、升級(jí)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究能力，拓展實(shí)驗(yàn)研究范圍，以期初步構(gòu)建起手段先進(jìn)、功能完善、管理科學(xué)的水文實(shí)驗(yàn)體系。

同時(shí)也應(yīng)看到水文實(shí)驗(yàn)在很多方面仍存在很多問題需要進(jìn)一步完善。①實(shí)驗(yàn)的規(guī)范性、連貫性有待加強(qiáng)，中國在20世紀(jì)50—60年代設(shè)立的實(shí)驗(yàn)流域中，只有五道溝實(shí)驗(yàn)站的資料系列未間斷[12]；②數(shù)據(jù)有待深度加工，水文實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的針對(duì)性及重要的科研價(jià)值，但受經(jīng)費(fèi)、人才等制約，加工能力不足；③共享機(jī)制有待完善，水文循環(huán)與大氣圈、土壤圈密切相關(guān)，水文實(shí)驗(yàn)需要在完善學(xué)科內(nèi)共享的基礎(chǔ)上，達(dá)成多學(xué)科協(xié)同研究[13]；④成果有待轉(zhuǎn)化推廣，加強(qiáng)與生產(chǎn)實(shí)際的聯(lián)系，使成果為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。