水科學(xué)若干領(lǐng)域研究前沿精選賞析
基于2001年國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)水利學(xué)科有關(guān)申請(qǐng)書的申請(qǐng)材料和專家評(píng)議意見，分析了水科學(xué)研究中水文水資源學(xué)科、環(huán)境水利學(xué)科和農(nóng)田水利學(xué)科近期的研究進(jìn)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立等是當(dāng)前水科學(xué)研究的前沿問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：前沿水科學(xué)水文水資源環(huán)境水利農(nóng)田水利
水科學(xué)的研究是二十世紀(jì)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(fù)雜性，人類活動(dòng)對(duì)天然水影響的日益加劇，致使水問(wèn)題愈加突出，從而極大地影響和制約了人類社會(huì)的生存和發(fā)展。高新技術(shù)在水科學(xué)研究中的應(yīng)用，有力地推動(dòng)了水科學(xué)的研究進(jìn)程。本文分析了水文水資源、環(huán)境水利、農(nóng)田水利等學(xué)科在21世紀(jì)初研究的前沿問(wèn)題。
1水文水資源
水文水資源學(xué)科分為水文極值理論與計(jì)算、水文預(yù)報(bào)理論與方法、水資源開發(fā)利用管理理論與方法等3個(gè)方向，目前是水科學(xué)研究中比較活躍的一個(gè)分支。
水文學(xué)研究的對(duì)象主要為大氣、植被、地表、土壤及含水層中的水分運(yùn)移和相互間的水分轉(zhuǎn)化[1]。目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題主要有：空間分布問(wèn)題、水文尺度問(wèn)題、穩(wěn)定化數(shù)值算法問(wèn)題、分布參數(shù)計(jì)算、區(qū)間入流反演、單寬入流過(guò)程的反推等。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(yù)報(bào)方法中數(shù)學(xué)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(shí)別、模型參數(shù)的實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)軟件、高性能微機(jī)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(yù)報(bào)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(xué)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(xué)上的應(yīng)用以及建立數(shù)學(xué)模型模擬人類活動(dòng)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(lái)我國(guó)北方部分城市嚴(yán)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(lái)越受到社會(huì)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(huì)的發(fā)展成為眾多學(xué)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(kù)，通過(guò)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(shí)也考慮洪水資源化，將洪水引入到適當(dāng)?shù)胤絻?chǔ)存起來(lái)，供缺水時(shí)使用。長(zhǎng)距離調(diào)水是我國(guó)解決水資源南北分布不均、北方城市嚴(yán)重缺水的重要手段，由此而來(lái)的如何合理建立水市場(chǎng)便成為急待解決的問(wèn)題之一，有關(guān)水權(quán)、水價(jià)的形成機(jī)制以及效益補(bǔ)償機(jī)制的建立成為該領(lǐng)域理論與實(shí)踐研究的前沿課題，這一領(lǐng)域也體現(xiàn)了水資源學(xué)與管理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、法學(xué)等多學(xué)科交叉的特色。流域水資源管理從水資源工程的多目標(biāo)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(jì)、實(shí)施和保護(hù)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(biāo)優(yōu)化理論、決策分析以及協(xié)商理論和對(duì)話機(jī)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(qiáng)有力的支持。
開源節(jié)流是解決水資源緊缺問(wèn)題的主要途徑。城市雨水資源化就是一個(gè)很好的節(jié)水思路�，F(xiàn)在城市雨水大多是通過(guò)下水道直接進(jìn)入城市排水系統(tǒng)中，在雨量較大時(shí)，常常造成排水不暢，引起城區(qū)滯水，給人們生活帶來(lái)諸多不便。如能將這部分雨水充分利用，對(duì)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(xué)家們所熱切關(guān)注的話題，目前多從野外試驗(yàn)、示蹤劑、模型模擬和儀器測(cè)量等方面研究地下水與地表水交錯(cuò)帶上發(fā)生的各個(gè)過(guò)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(jìn)一步推動(dòng)了水文水資源科學(xué)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(gè)流域的產(chǎn)匯流過(guò)程，對(duì)洪水演進(jìn)和淹沒進(jìn)行三維空間的動(dòng)態(tài)模擬仿真系統(tǒng)成為可能，這些技術(shù)的發(fā)展無(wú)疑對(duì)防洪部門的決策具有重要的參考價(jià)值。
2環(huán)境水利
環(huán)境問(wèn)題是21世紀(jì)全世界各國(guó)所面臨的重要問(wèn)題之一，環(huán)境水利學(xué)科基礎(chǔ)研究主要涉及到河流水環(huán)境、非點(diǎn)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(lái)人們普遍關(guān)注的主要環(huán)境問(wèn)題之一，我國(guó)河流水環(huán)境質(zhì)量總體較差，有必要加強(qiáng)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：①研究河流水環(huán)境質(zhì)量發(fā)展趨勢(shì)。建立水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(yù)測(cè)河流水環(huán)境質(zhì)量的變化趨勢(shì)；②河流水環(huán)境不確定性風(fēng)險(xiǎn)研究是世界性的`難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。由于河流的多用途性，使得河流水環(huán)境經(jīng)常會(huì)遭到一些意想不到的破壞，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(fēng)險(xiǎn)研究提出了更高的要求；③建立河流生態(tài)環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)。與河流水環(huán)境質(zhì)量發(fā)展趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，如果某個(gè)或某些水環(huán)境質(zhì)量因子的發(fā)展趨勢(shì)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(shí)，通過(guò)發(fā)出警報(bào)，使人們能夠及時(shí)采取措施預(yù)防和治理；④河流水體的動(dòng)態(tài)耗氧、復(fù)氧機(jī)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(dòng)態(tài)耗氧、復(fù)氧過(guò)程正是基于此而提出的，研究河流水體的動(dòng)態(tài)耗氧、復(fù)氧機(jī)理對(duì)于正確認(rèn)識(shí)河流水體中氧氣的耗用情況，進(jìn)而研究河流水質(zhì)的發(fā)展變化機(jī)理有重要意義；⑤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(zhǎng)期的演化過(guò)程中形成和發(fā)展起來(lái)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(duì)保護(hù)自然界生態(tài)平衡、確定人類可引用的河水?dāng)?shù)量具有重要參考價(jià)值。
非點(diǎn)源污染方面的研究，集中在人類活動(dòng)對(duì)地下水污染的預(yù)測(cè)和如何對(duì)污染物進(jìn)行治理等方面。由于非點(diǎn)源污染需要綜合和顯示各種空間信息，利用GIS對(duì)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(duì)流域水文和水質(zhì)的影響。農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染是造成地表水富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)主要原因，研究濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮、磷等元素的削減能力，為減輕和控制富營(yíng)養(yǎng)化提供依據(jù)。對(duì)濕地非點(diǎn)源污染的控制機(jī)理研究將對(duì)非點(diǎn)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(lái)愈受到重視，地下水污染是水污染中較難解決的問(wèn)題之一。我國(guó)地下水和土壤污染相當(dāng)嚴(yán)重，主要污染物是重金屬離子和有毒有害有機(jī)物，據(jù)調(diào)查，超過(guò)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(fù)技術(shù)基本上分兩類：物理化學(xué)類型和生物學(xué)類型。物理化學(xué)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(fù)技術(shù)包括地上生物處理和地下現(xiàn)場(chǎng)生物修復(fù)等。物理化學(xué)類型能夠徹底清除土壤和地下水中的污染，其缺點(diǎn)是嚴(yán)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(chǎng)生物修復(fù)技術(shù)不會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，但是修復(fù)過(guò)程非常緩慢，效率低。目前出現(xiàn)了一種電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)，既能修復(fù)受污染的土壤和地下水而又不會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，成為修復(fù)技術(shù)的發(fā)展方向[7]。水污染治理機(jī)理研究集中在：微生物措施研究，利用有益微生物保護(hù)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(jī)理等方面。此外，水污染經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估、湖泊富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)理、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系等方面也是環(huán)境水利學(xué)科研究的熱點(diǎn)問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(xué)科走向多學(xué)科交叉，如水熱和溶質(zhì)的耦合運(yùn)移，土壤-植物-大氣連續(xù)體中的水熱運(yùn)移等。其研究特點(diǎn)亦從均質(zhì)走向非均質(zhì)，從點(diǎn)的研究走向面（或區(qū)域）的研究，從理論研究推進(jìn)到應(yīng)用研究。土壤水運(yùn)移機(jī)理研究目前集中在優(yōu)先流、土壤水參數(shù)的測(cè)定和確定、土壤水參數(shù)的空間變異性、土壤水分運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)模型等幾個(gè)方面。
為緩解農(nóng)業(yè)用水緊張狀況或?yàn)榱颂岣吖喔人寐�、提高水分生產(chǎn)效率、增加用水者的經(jīng)濟(jì)效益或減少勞動(dòng)力和動(dòng)力消耗而采取的節(jié)水措施主要有：①輸配水過(guò)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；②田間輸水過(guò)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；③作物吸收轉(zhuǎn)化過(guò)程：坐水種、機(jī)械保墑、化學(xué)保墑、秸桿（薄膜）覆蓋等。近來(lái)，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(yùn)行、充分發(fā)揮工程效益的良好手段。灌溉排水規(guī)律的復(fù)雜、水資源日趨緊張、綜合利用供需矛盾的增加都需要加強(qiáng)灌溉排水系統(tǒng)的集中管理。自動(dòng)化、GIS、GPS、RS、水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)灌區(qū)管理現(xiàn)代化提供了技術(shù)支持。實(shí)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(dòng)化，其次有先進(jìn)的系統(tǒng)運(yùn)行軟件對(duì)系統(tǒng)控制問(wèn)題進(jìn)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(dǎo)灌溉用水過(guò)程。
水平畦田灌是田面非常平整條件下的畦灌，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(jìn)行大地測(cè)量后，采用激光平地技術(shù)。該技術(shù)在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家被稱為是地面灌溉最重要的進(jìn)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(gè)加速水流推進(jìn)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(jìn)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(diǎn)，又在生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面效果明顯，將農(nóng)、水和生態(tài)等學(xué)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(zhǎng)發(fā)育和水肥利用的關(guān)系，能較好地協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣等狀況，防止土壤板結(jié)，為作物創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)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(yùn)移過(guò)程的效率為目標(biāo)進(jìn)行的地下滴灌灌水技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)研究。微噴灌具有節(jié)水、調(diào)節(jié)田間小氣候等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是受風(fēng)影響大，飄逸損失多。目前，國(guó)內(nèi)外微噴灌工程對(duì)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(jì)模型以作物生長(zhǎng)對(duì)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(jì)，是節(jié)水灌溉制度的一種新的設(shè)計(jì)方法[5]�？刂菩苑指惶婀喔仁且环N局部根系受累時(shí)既能滿足作物水分需求，又能控制蒸騰耗水的農(nóng)田節(jié)水調(diào)控新思路[6]。微咸水是我國(guó)北方地區(qū)重要的水資源，實(shí)施微咸水灌溉對(duì)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(guó)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(dá)到農(nóng)作物高產(chǎn)高效的成套技術(shù)。是一項(xiàng)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(jìn)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?jī)?nèi)容主要集中在對(duì)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(píng)價(jià)中的應(yīng)用也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
4小結(jié)
水科學(xué)的研究已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展時(shí)期，研究的對(duì)象已經(jīng)向微觀和宏觀兩個(gè)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(shì)，各尺度的轉(zhuǎn)換問(wèn)題研究是當(dāng)今水科學(xué)研究的前沿課題之一。水科學(xué)與多學(xué)科的交叉仍然是水科學(xué)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(píng)價(jià)已發(fā)展到在可持續(xù)發(fā)展思想指導(dǎo)下，不僅進(jìn)行水量評(píng)價(jià)，而且包括水質(zhì)、水資源保護(hù)、水資源經(jīng)濟(jì)、水資源管理等全方位評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；水環(huán)境問(wèn)題的研究中，點(diǎn)污染、線污染和面污染研究并舉，并以非點(diǎn)源污染的研究領(lǐng)域有較大的開拓；加強(qiáng)了人類活動(dòng)對(duì)水循環(huán)影響的研究；開發(fā)研制具有水文過(guò)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。
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