枯水径流研究的几个问题

枯水径流研究的几个问题

1枯水的社会意义干水是干水文学的一个重要研究内容。对干水的研究主要基于对干旱地区流量机制的分析。因为早期枯水的研究发展较缓慢，从目前研究的内容、方法以及研究的深度等方面来看，枯水远远低于洪水的研究。随着社会经济的发展，人口的急剧增长，人类生存和社会生产的发展对水的需求十分迫切，水资源的供需矛盾日益突出，尤其是在枯水季节，这种矛盾就更加尖锐。不仅如此，枯水季节因河流径流量减少，水质污染加重，以及人类过度开发利用枯水资源等造成河流断流、地面下沉、海水入侵等一系列的环境问题。因此，开展枯水径流研究和预测，揭示枯水径流规律，对于水资源的评价计算和合理开发利用，保证经济建设的持续稳定发展和解决枯季水资源的供需矛盾具有重要意义。2影响干旱流的因素2.1枯水径流主要影响因素影响枯水径流的自然因素很多，总体来说主要包括：土壤岩石的类型及其渗透特性，水力特征，含水层的厚度，汇流的速度、频率及流量，流域内的土壤水分蒸发蒸腾损失量，流域面积，植被类型，地形和气候等。在不同的地区，其主导因素是不相同的。地质与气候因素是研究的重点。在国外，岩性与枯水径流的关系是研究较多的一个内容。研究表明流经沉积岩地区的河流在枯季的产流量较低，流经变质岩区的河流则表现出截然相反的现象。此外，在各因素中，流域面积是影响枯水径流的一个重要参数。1977年Chang等从气候和流域的角度提出了18个影响因素，确定了流域周长、河道长度、流域形状参数、9月份连续7天的最高气温以及9月最大连续降雨的天数等5个主导因素对枯水径流的影响。1982年Cervione等就成层冲积物在地质结构中的比例对枯水产流的影响进行了研究。1983年Whitehouse等发现了不同厚度的风化壳对枯水的影响。1992年Vogel等从地质的角度考虑了水力传导率、含水层厚度和宽度、土壤孔隙度等因素对枯水径流的影响。另外，许多学者还从湖泊或冰雪融水对河流枯水补给影响进行了研究。国内，汤成奇等（1985）对新疆枯水径流进行了研究，认为影响枯水径流的因素有地带性和非地带性因素；李秀云等（1999）研究了降水量、土壤、植被、地形以及地质岩性等对河川枯水径流的影响；1995年王继辉研究了贵州省诸河流的枯水规律。在喀斯特地区，国外研究枯水径流的很少：1977年White发现在喀斯特地区，灰岩和白云岩对枯水径流有减少的作用；1994年Felton和Currens对岩溶泉的枯水和丰水进行了细致地研究，并提供了喀斯特结构下水文过程的一些相关文献。在国内以梁虹为首的喀斯特水文水资源研究组对其进行了大量的研究，并取得了显著的成果。1998年梁虹研究了岩性、地貌类型等因素在贵州喀斯特流域的河流枯水规律中的作用。2001年焦树林视喀斯特流域为灰色系统，对流域枯水径流特征值与岩性组成之间的灰色关联度及灰色相对关联矩阵进行了分析，从而揭示了枯水径流特征值与流域面积和岩性之间的关联规律。2002年王在高分析了空间尺度、岩性、地貌类型、森林植被等自然因素在喀斯特流域枯水径流中所起的作用。2002年马文翰对贵州喀斯特流域进行了研究指出流域结构特征是影响喀斯特流域枯水径流的重要因素。2004年吴琳娜更深入地论证了喀斯特流域结构与枯水径流的关系。近年来，随着社会、经济的发展，人类活动改变大气组成的速度迅速增加，气候变化对枯水径流的影响已引起人们的重视。到目前为止，在这方面的研究主要有两个方向：一是通过可以获得的已有资料进行分析，二是利用各种水文模型分析各种气候变化对枯水径流可能带来的影响。尽管气候变化对枯水径流有很明显的影响，但目前专门记载这些影响的文献却比较少。在气候不断变化条件下的枯水径流，应给予更多的关注。2.2营造水利工程随着人口的增加及社会经济的发展，人类的活动对枯水有着不同程度的影响，这些影响包括：(1）工农业和生活提取表层地下水。主要是改变了流域的产汇流条件，在枯水季节，这种活动所引起的河道水量的减小会影响河流对地下水的补给，从而导致地下水位的下降。国外研究者利用模拟方法调查了地下水的抽取对枯水径流的影响。(2）工业污水和生活废水、农田灌溉退水直接排入河道。这些行为不仅导致水质的恶化，而且影响了枯水的组成。1983年Pirt和Simpson、1989年Pirt证明忽视对河流的保护和废水的排放，将对枯季径流造成复合的影响；并用PDF对整个流域尺度的这种影响作了图解说明。对于人类利用的农田灌溉水而言，其中有40%的水量会流入河道，但灌溉退水也会影响水质。(3）水库的修建。主要体现在山区，水库、闸坝等水利工程的建设，改变了河流枯水的天然特性。虽然水库、闸坝能调节上下游的水量，但它会使下游的河道变成季节性流水或断流，不过有时也会增加下游的枯水流量。1982年Biggs等人提出了大型水库汇水区对枯水量的直接影响。1984年Warner等人认为像农场中较小的蓄水池一类的集水区，通常在蓄水功能上难以控制或者干脆无法控制。1994年张星等研究表明水库库容对枯水径流是有调节能力的。(4）人为地植树造林和采伐树林植被。对于植树造林和采伐森林植被对枯水径流的影响，在国际上存在两种不同的观点。一是采伐森林能增加枯水径流，植树造林能减小枯水径流。1982年Bosch和Hewlett的研究表明：砍伐森林和收割作物在很多情况下会增加全年的总水量，这是由于增加了季节性枯水量引起的。1986年周彦辉通过计算得出森林覆被率与枯水径流呈反比的结论。一些实地和模拟实验表明：植树对枯水径流的减少有重要的影响，并且对枯水的影响远大于对全年水量的影响。二是采伐森林能减小枯水径流量，植树造林则可以增加枯水径流量。随着森林的砍伐，蒸腾量、渗透量和拦截量都会下降，从而导致土壤湿度的上升和地表径流量的增加，进一步下渗补给会减少、冲沟的水土流失会加重，最终可能引起地下水位的下降以及由此补给的枯水的减少。王礼先、余新晓提到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补给，地下水位达到一定高度并趋于稳定后，再遇降水，枯水流量才会增加。1980年马雪华在区域特定条件下研究得出森林采伐会减少枯水期流量。1987年刘向东、苏宁虎等人在六盘山区的研究中发现森林覆被率91.6%和85.0%的流域，其枯水期径流深较覆被率为31.7%和24.3%的流域高。1996年谢江左和康文星也提及减少植被可减小枯水径流量。应该看到，现在枯水径流受单一因素影响的情况几乎已不再存在，绝大部分是受各种直接或间接的人为因素的复合影响，但是人为过程对枯水径流的影响（例如森林的砍伐，地下水的抽取，农业活动的维持等）并未被很好地理解或评价，需要进一步地研究。因此，我们应更加关注占主要地位的自然过程和人为因素对枯水径流的综合影响，加强对枯水特征的量化研究，如何建立人类影响及其分析的数据库和情境模型应是今后枯水径流研究的一个重点。2.3枯水径流预测河流枯水径流的预测是区域经济可持续发展的一个重要研究领域，是枯水季节水资源科学调配的重要前提，因此，枯水径流预测的任务就是分析研究、掌握运用水文气象的客观规律，揭示和预测未来枯水径流的变化，从而帮助人们更好地控制和利用枯水资源。但枯水径流形成的物理原因和过程十分复杂，1970年，Thomas和Benson研究发现在同一流域枯水预测的平均误差至少要比洪水预测的误差大两倍。在国外，首先由Riggs(1953)提出利用前期基流量和洪峰流量预测枯水期流量，预测方程为：式中X1———枯水期流量随后人们开始了对枯水期流量进行预测和预报：Wright(1970)首先分析了流域的地质特征，确定了流域的地质指数，即以地质与水文地区的不同类型及组成来反映影响枯水流量大小的一种指数，并给其量化，如表1。并以此为基础，研究了该流域的最小日流量与地质指数、流域坡度、每年降雨量和流域面积等因素的关系，建立了枯季流量的非线性方程：后来，Singh在河流的水质管理中使用了Q7,10作为研究枯季水质最低水量的标准，解释其含义为：连续7d最小平均日流量，其重现期为10a。此后，国外水文学家广泛地使用Q7,10作为研究枯水的定量指标，并纷纷建立各种数学模型来预测枯水径流，除了从流域退水曲线上获取枯水流量外，大多数都采用多元非线性回归分析：其中Qd,T一般采用Q7,10;X1,X2,X3……代表影响枯水的各因素。1997年，Schreiber和Demcth利用河流网络法从地质指数、水文地质指数和土地利用指数方面对平均历年10d最小流量进行了预测。1998年，Skop和Loaiciga介绍了GIS在空间水文地质分析中的应用，即利用GIS获取地下水分布面积并对枯水进行预测。2000年Rifai等采用逐步回归法，分析了各因素对枯水径流预报的影响程度。在英国，最新的研究已经显示了人为影响河流的预测方程的发展。这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响的无测站流域内平均历年7d最小流量、Q95和流量历时曲线的预测。目前，美国国家气象局组织开发的“河流水情预报系统”可以提供中长期（旬、月、季节）的水情概率预报，能够较好地服务于水资源的管理。欧洲开发的NASIM降水径流模型已广泛应用于枯水期的水管理。国内过去较多地注重汛期洪水预报，而对枯水径流预报研究较少。在这一方面，我们与当今国际水平有相当大的差距。国内对枯水径流预报和预测方面的研究方法多限于利用经验的、比较简单的传统方法，主要有退水曲线法、前后期径流相关法和河网蓄水量法、回归分析法、数理统计法、模糊数学法、灰色系统法等，但尤以退水曲线法应用最为普遍。1987年汤奇成等采用自回归滑动平均模型进行了枯水径流预测；1995年冯国章等将门限自回归(TAR)模型和自激励门限自回归(SETAR)模型应用于预报枯水期河川径流，精度与合格率均满足水文预报规范要求。而朱俊林等（1996）采用时间序列分析和谐波模型法对汉中盆地主要河流的枯水流量序列进行了谐波分析，揭示其周期性变化的规律，为枯水径流长期变化的预测提供了依据。2000年李秀云运用轮次模型方法，作为最小月流量变化的预测。2003年李杰友等利用水文序列资料建立自回归模型和多元递推模型对水库的枯水月径流进行预报，并用实测资料对预报模型进行了验证，预报精度令人满意。由此可见，传统枯水径流的预报方法在枯水径流预报中发挥了重要作用。在新研究方法方面，1999年谢新民、杨小柳运用人工神经网络（BP）模型、遗传算法进行了枯水径流实时预测，结果表明人工神经网络模型对于研究较复杂且影响因子众多的非线性映射关系的枯水径流问题，更显灵活性，而遗传算法原理直观、方法简便实用，且能更好地解决复杂模型参数的优化估计问题，为研究和建立更为复杂的枯水径流预测模型提供了强有力的技术保证。人工神经网络和遗传算法在枯水径流预测中将