枯水徑流研究的幾個(gè)問(wèn)題

枯水徑流研究的幾個(gè)問(wèn)題

1枯水的社會(huì)意義干水是干水文學(xué)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。對(duì)干水的研究主要基于對(duì)干旱地區(qū)流量機(jī)制的分析。因?yàn)樵缙诳菟难芯堪l(fā)展較緩慢，從目前研究的內(nèi)容、方法以及研究的深度等方面來(lái)看，枯水遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于洪水的研究。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的急劇增長(zhǎng)，人類(lèi)生存和社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展對(duì)水的需求十分迫切，水資源的供需矛盾日益突出，尤其是在枯水季節(jié)，這種矛盾就更加尖銳。不僅如此，枯水季節(jié)因河流徑流量減少，水質(zhì)污染加重，以及人類(lèi)過(guò)度開(kāi)發(fā)利用枯水資源等造成河流斷流、地面下沉、海水入侵等一系列的環(huán)境問(wèn)題。因此，開(kāi)展枯水徑流研究和預(yù)測(cè)，揭示枯水徑流規(guī)律，對(duì)于水資源的評(píng)價(jià)計(jì)算和合理開(kāi)發(fā)利用，保證經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和解決枯季水資源的供需矛盾具有重要意義。2影響干旱流的因素2.1枯水徑流主要影響因素影響枯水徑流的自然因素很多，總體來(lái)說(shuō)主要包括：土壤巖石的類(lèi)型及其滲透特性，水力特征，含水層的厚度，匯流的速度、頻率及流量，流域內(nèi)的土壤水分蒸發(fā)蒸騰損失量，流域面積，植被類(lèi)型，地形和氣候等。在不同的地區(qū)，其主導(dǎo)因素是不相同的。地質(zhì)與氣候因素是研究的重點(diǎn)。在國(guó)外，巖性與枯水徑流的關(guān)系是研究較多的一個(gè)內(nèi)容。研究表明流經(jīng)沉積巖地區(qū)的河流在枯季的產(chǎn)流量較低，流經(jīng)變質(zhì)巖區(qū)的河流則表現(xiàn)出截然相反的現(xiàn)象。此外，在各因素中，流域面積是影響枯水徑流的一個(gè)重要參數(shù)。1977年Chang等從氣候和流域的角度提出了18個(gè)影響因素，確定了流域周長(zhǎng)、河道長(zhǎng)度、流域形狀參數(shù)、9月份連續(xù)7天的最高氣溫以及9月最大連續(xù)降雨的天數(shù)等5個(gè)主導(dǎo)因素對(duì)枯水徑流的影響。1982年Cervione等就成層沖積物在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的比例對(duì)枯水產(chǎn)流的影響進(jìn)行了研究。1983年Whitehouse等發(fā)現(xiàn)了不同厚度的風(fēng)化殼對(duì)枯水的影響。1992年Vogel等從地質(zhì)的角度考慮了水力傳導(dǎo)率、含水層厚度和寬度、土壤孔隙度等因素對(duì)枯水徑流的影響。另外，許多學(xué)者還從湖泊或冰雪融水對(duì)河流枯水補(bǔ)給影響進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)，湯成奇等（1985）對(duì)新疆枯水徑流進(jìn)行了研究，認(rèn)為影響枯水徑流的因素有地帶性和非地帶性因素；李秀云等（1999）研究了降水量、土壤、植被、地形以及地質(zhì)巖性等對(duì)河川枯水徑流的影響；1995年王繼輝研究了貴州省諸河流的枯水規(guī)律。在喀斯特地區(qū)，國(guó)外研究枯水徑流的很少：1977年White發(fā)現(xiàn)在喀斯特地區(qū)，灰?guī)r和白云巖對(duì)枯水徑流有減少的作用；1994年Felton和Currens對(duì)巖溶泉的枯水和豐水進(jìn)行了細(xì)致地研究，并提供了喀斯特結(jié)構(gòu)下水文過(guò)程的一些相關(guān)文獻(xiàn)。在國(guó)內(nèi)以梁虹為首的喀斯特水文水資源研究組對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，并取得了顯著的成果。1998年梁虹研究了巖性、地貌類(lèi)型等因素在貴州喀斯特流域的河流枯水規(guī)律中的作用。2001年焦樹(shù)林視喀斯特流域?yàn)榛疑到y(tǒng)，對(duì)流域枯水徑流特征值與巖性組成之間的灰色關(guān)聯(lián)度及灰色相對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行了分析，從而揭示了枯水徑流特征值與流域面積和巖性之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律。2002年王在高分析了空間尺度、巖性、地貌類(lèi)型、森林植被等自然因素在喀斯特流域枯水徑流中所起的作用。2002年馬文翰對(duì)貴州喀斯特流域進(jìn)行了研究指出流域結(jié)構(gòu)特征是影響喀斯特流域枯水徑流的重要因素。2004年吳琳娜更深入地論證了喀斯特流域結(jié)構(gòu)與枯水徑流的關(guān)系。近年來(lái)，隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)改變大氣組成的速度迅速增加，氣候變化對(duì)枯水徑流的影響已引起人們的重視。到目前為止，在這方面的研究主要有兩個(gè)方向：一是通過(guò)可以獲得的已有資料進(jìn)行分析，二是利用各種水文模型分析各種氣候變化對(duì)枯水徑流可能帶來(lái)的影響。盡管氣候變化對(duì)枯水徑流有很明顯的影響，但目前專(zhuān)門(mén)記載這些影響的文獻(xiàn)卻比較少。在氣候不斷變化條件下的枯水徑流，應(yīng)給予更多的關(guān)注。2.2營(yíng)造水利工程隨著人口的增加及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類(lèi)的活動(dòng)對(duì)枯水有著不同程度的影響，這些影響包括：(1）工農(nóng)業(yè)和生活提取表層地下水。主要是改變了流域的產(chǎn)匯流條件，在枯水季節(jié)，這種活動(dòng)所引起的河道水量的減小會(huì)影響河流對(duì)地下水的補(bǔ)給，從而導(dǎo)致地下水位的下降。國(guó)外研究者利用模擬方法調(diào)查了地下水的抽取對(duì)枯水徑流的影響。(2）工業(yè)污水和生活廢水、農(nóng)田灌溉退水直接排入河道。這些行為不僅導(dǎo)致水質(zhì)的惡化，而且影響了枯水的組成。1983年P(guān)irt和Simpson、1989年P(guān)irt證明忽視對(duì)河流的保護(hù)和廢水的排放，將對(duì)枯季徑流造成復(fù)合的影響；并用PDF對(duì)整個(gè)流域尺度的這種影響作了圖解說(shuō)明。對(duì)于人類(lèi)利用的農(nóng)田灌溉水而言，其中有40%的水量會(huì)流入河道，但灌溉退水也會(huì)影響水質(zhì)。(3）水庫(kù)的修建。主要體現(xiàn)在山區(qū)，水庫(kù)、閘壩等水利工程的建設(shè)，改變了河流枯水的天然特性。雖然水庫(kù)、閘壩能調(diào)節(jié)上下游的水量，但它會(huì)使下游的河道變成季節(jié)性流水或斷流，不過(guò)有時(shí)也會(huì)增加下游的枯水流量。1982年Biggs等人提出了大型水庫(kù)匯水區(qū)對(duì)枯水量的直接影響。1984年Warner等人認(rèn)為像農(nóng)場(chǎng)中較小的蓄水池一類(lèi)的集水區(qū)，通常在蓄水功能上難以控制或者干脆無(wú)法控制。1994年張星等研究表明水庫(kù)庫(kù)容對(duì)枯水徑流是有調(diào)節(jié)能力的。(4）人為地植樹(shù)造林和采伐樹(shù)林植被。對(duì)于植樹(shù)造林和采伐森林植被對(duì)枯水徑流的影響，在國(guó)際上存在兩種不同的觀點(diǎn)。一是采伐森林能增加枯水徑流，植樹(shù)造林能減小枯水徑流。1982年Bosch和Hewlett的研究表明：砍伐森林和收割作物在很多情況下會(huì)增加全年的總水量，這是由于增加了季節(jié)性枯水量引起的。1986年周彥輝通過(guò)計(jì)算得出森林覆被率與枯水徑流呈反比的結(jié)論。一些實(shí)地和模擬實(shí)驗(yàn)表明：植樹(shù)對(duì)枯水徑流的減少有重要的影響，并且對(duì)枯水的影響遠(yuǎn)大于對(duì)全年水量的影響。二是采伐森林能減小枯水徑流量，植樹(shù)造林則可以增加枯水徑流量。隨著森林的砍伐，蒸騰量、滲透量和攔截量都會(huì)下降，從而導(dǎo)致土壤濕度的上升和地表徑流量的增加，進(jìn)一步下滲補(bǔ)給會(huì)減少、沖溝的水土流失會(huì)加重，最終可能引起地下水位的下降以及由此補(bǔ)給的枯水的減少。王禮先、余新曉提到Lull和Reinhart曾在1963年研究指出，枯季采伐森林以后，流域的枯水流量不可能立刻增加，只有在土壤含水量得到補(bǔ)給，地下水位達(dá)到一定高度并趨于穩(wěn)定后，再遇降水，枯水流量才會(huì)增加。1980年馬雪華在區(qū)域特定條件下研究得出森林采伐會(huì)減少枯水期流量。1987年劉向東、蘇寧虎等人在六盤(pán)山區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)森林覆被率91.6%和85.0%的流域，其枯水期徑流深較覆被率為31.7%和24.3%的流域高。1996年謝江左和康文星也提及減少植被可減小枯水徑流量。應(yīng)該看到，現(xiàn)在枯水徑流受單一因素影響的情況幾乎已不再存在，絕大部分是受各種直接或間接的人為因素的復(fù)合影響，但是人為過(guò)程對(duì)枯水徑流的影響（例如森林的砍伐，地下水的抽取，農(nóng)業(yè)活動(dòng)的維持等）并未被很好地理解或評(píng)價(jià)，需要進(jìn)一步地研究。因此，我們應(yīng)更加關(guān)注占主要地位的自然過(guò)程和人為因素對(duì)枯水徑流的綜合影響，加強(qiáng)對(duì)枯水特征的量化研究，如何建立人類(lèi)影響及其分析的數(shù)據(jù)庫(kù)和情境模型應(yīng)是今后枯水徑流研究的一個(gè)重點(diǎn)。2.3枯水徑流預(yù)測(cè)河流枯水徑流的預(yù)測(cè)是區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，是枯水季節(jié)水資源科學(xué)調(diào)配的重要前提，因此，枯水徑流預(yù)測(cè)的任務(wù)就是分析研究、掌握運(yùn)用水文氣象的客觀規(guī)律，揭示和預(yù)測(cè)未來(lái)枯水徑流的變化，從而幫助人們更好地控制和利用枯水資源。但枯水徑流形成的物理原因和過(guò)程十分復(fù)雜，1970年，Thomas和Benson研究發(fā)現(xiàn)在同一流域枯水預(yù)測(cè)的平均誤差至少要比洪水預(yù)測(cè)的誤差大兩倍。在國(guó)外，首先由Riggs(1953)提出利用前期基流量和洪峰流量預(yù)測(cè)枯水期流量，預(yù)測(cè)方程為：式中X1———枯水期流量隨后人們開(kāi)始了對(duì)枯水期流量進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)：Wright(1970)首先分析了流域的地質(zhì)特征，確定了流域的地質(zhì)指數(shù)，即以地質(zhì)與水文地區(qū)的不同類(lèi)型及組成來(lái)反映影響枯水流量大小的一種指數(shù)，并給其量化，如表1。并以此為基礎(chǔ)，研究了該流域的最小日流量與地質(zhì)指數(shù)、流域坡度、每年降雨量和流域面積等因素的關(guān)系，建立了枯季流量的非線(xiàn)性方程：后來(lái)，Singh在河流的水質(zhì)管理中使用了Q7,10作為研究枯季水質(zhì)最低水量的標(biāo)準(zhǔn)，解釋其含義為：連續(xù)7d最小平均日流量，其重現(xiàn)期為10a。此后，國(guó)外水文學(xué)家廣泛地使用Q7,10作為研究枯水的定量指標(biāo)，并紛紛建立各種數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)枯水徑流，除了從流域退水曲線(xiàn)上獲取枯水流量外，大多數(shù)都采用多元非線(xiàn)性回歸分析：其中Qd,T一般采用Q7,10;X1,X2,X3……代表影響枯水的各因素。1997年，Schreiber和Demcth利用河流網(wǎng)絡(luò)法從地質(zhì)指數(shù)、水文地質(zhì)指數(shù)和土地利用指數(shù)方面對(duì)平均歷年10d最小流量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。1998年，Skop和Loaiciga介紹了GIS在空間水文地質(zhì)分析中的應(yīng)用，即利用GIS獲取地下水分布面積并對(duì)枯水進(jìn)行預(yù)測(cè)。2000年Rifai等采用逐步回歸法，分析了各因素對(duì)枯水徑流預(yù)報(bào)的影響程度。在英國(guó)，最新的研究已經(jīng)顯示了人為影響河流的預(yù)測(cè)方程的發(fā)展。這些方程主要用于受地表水提取和排放、蓄水池和地下水的提取等因素影響的無(wú)測(cè)站流域內(nèi)平均歷年7d最小流量、Q95和流量歷時(shí)曲線(xiàn)的預(yù)測(cè)。目前，美國(guó)國(guó)家氣象局組織開(kāi)發(fā)的“河流水情預(yù)報(bào)系統(tǒng)”可以提供中長(zhǎng)期（旬、月、季節(jié)）的水情概率預(yù)報(bào)，能夠較好地服務(wù)于水資源的管理。歐洲開(kāi)發(fā)的NASIM降水徑流模型已廣泛應(yīng)用于枯水期的水管理。國(guó)內(nèi)過(guò)去較多地注重汛期洪水預(yù)報(bào)，而對(duì)枯水徑流預(yù)報(bào)研究較少。在這一方面，我們與當(dāng)今國(guó)際水平有相當(dāng)大的差距。國(guó)內(nèi)對(duì)枯水徑流預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)方面的研究方法多限于利用經(jīng)驗(yàn)的、比較簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)方法，主要有退水曲線(xiàn)法、前后期徑流相關(guān)法和河網(wǎng)蓄水量法、回歸分析法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色系統(tǒng)法等，但尤以退水曲線(xiàn)法應(yīng)用最為普遍。1987年湯奇成等采用自回歸滑動(dòng)平均模型進(jìn)行了枯水徑流預(yù)測(cè)；1995年馮國(guó)章等將門(mén)限自回歸(TAR)模型和自激勵(lì)門(mén)限自回歸(SETAR)模型應(yīng)用于預(yù)報(bào)枯水期河川徑流，精度與合格率均滿(mǎn)足水文預(yù)報(bào)規(guī)范要求。而朱俊林等（1996）采用時(shí)間序列分析和諧波模型法對(duì)漢中盆地主要河流的枯水流量序列進(jìn)行了諧波分析，揭示其周期性變化的規(guī)律，為枯水徑流長(zhǎng)期變化的預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。2000年李秀云運(yùn)用輪次模型方法，作為最小月流量變化的預(yù)測(cè)。2003年李杰友等利用水文序列資料建立自回歸模型和多元遞推模型對(duì)水庫(kù)的枯水月徑流進(jìn)行預(yù)報(bào)，并用實(shí)測(cè)資料對(duì)預(yù)報(bào)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，預(yù)報(bào)精度令人滿(mǎn)意。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)枯水徑流的預(yù)報(bào)方法在枯水徑流預(yù)報(bào)中發(fā)揮了重要作用。在新研究方法方面，1999年謝新民、楊小柳運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP）模型、遺傳算法進(jìn)行了枯水徑流實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，結(jié)果表明人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)于研究較復(fù)雜且影響因子眾多的非線(xiàn)性映射關(guān)系的枯水徑流問(wèn)題，更顯靈活性，而遺傳算法原理直觀、方法簡(jiǎn)便實(shí)用，且能更好地解決復(fù)雜模型參數(shù)的優(yōu)化估計(jì)問(wèn)題，為研究和建立更為復(fù)雜的枯水徑流預(yù)測(cè)模型提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保證。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法在枯水徑流預(yù)測(cè)中將