水利工程論文-水科學若干領域研究前沿.doc

水利工程論文-水科學若干領域研究前沿摘要：基于2001年國家自然科學基金委員會水利學科有關申請書的申請材料和專家評議意見，分析了水科學研究中水文水資源學科、環(huán)境水利學科和農(nóng)田水利學科近期的研究進展情況，指出了水文尺度轉換、高新技術在水文水資源中的應用和水資源評價指標體系的建立等是當前水科學研究的前沿問題。關鍵詞：前沿水科學水文水資源環(huán)境水利農(nóng)田水利水科學的研究是二十世紀末期人類極為關注的課題之一。自然界中水演化規(guī)律的復雜性，人類活動對天然水影響的日益加劇，致使水問題愈加突出，從而極大地影響和制約了人類社會的生存和發(fā)展。高新技術在水科學研究中的應用，有力地推動了水科學的研究進程。本文分析了水文水資源、環(huán)境水利、農(nóng)田水利等學科在21世紀初研究的前沿問題。1水文水資源水文水資源學科分為水文極值理論與計算、水文預報理論與方法、水資源開發(fā)利用管理理論與方法等3個方向，目前是水科學研究中比較活躍的一個分支。水文學研究的對象主要為大氣、植被、地表、土壤及含水層中的水分運移和相互間的水分轉化1。目前研究的重點和難點問題主要有：空間分布問題、水文尺度問題、穩(wěn)定化數(shù)值算法問題、分布參數(shù)計算、區(qū)間入流反演、單寬入流過程的反推等。引入的新理論和新方法有神經(jīng)網(wǎng)絡模型、灰色模型、遺傳算法、分形、混沌理論等。水文預報方法中數(shù)學模型的研究由黑箱模型發(fā)展到概念性模型，目前這一領域的研究主要集中在概念性模型的參數(shù)識別、模型參數(shù)的實時矯正技術；隨著GIS（地理信息系統(tǒng)）空間信息處理技術及相應計算機軟件、高性能微機工作站及數(shù)字地形高程（DEM）等技術的出現(xiàn)，使得與水文水環(huán)境有關的地理空間數(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報模型，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、新技術體系在流域水文學上的應用以及建立數(shù)學模型模擬人類活動影響下的地下、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，隨著近幾年來我國北方部分城市嚴重缺水以及洪、澇、旱等災害的不斷出現(xiàn)，使得該分支的發(fā)展越來越受到社會各界的普遍關注，如何使水資源充分發(fā)揮作用，使之有利于人類社會的發(fā)展成為眾多學者為之努力的方向。為減輕洪澇災害的發(fā)生，在分析流域水位徑流資料的基礎上修建防洪功能水庫，通過建立調(diào)度決策支持系統(tǒng)減少災害損失的發(fā)生，同時也考慮洪水資源化，將洪水引入到適當?shù)胤絻Υ嫫饋恚┤彼畷r使用。長距離調(diào)水是我國解決水資源南北分布不均、北方城市嚴重缺水的重要手段，由此而來的如何合理建立水市場便成為急待解決的問題之一，有關水權、水價的形成機制以及效益補償機制的建立成為該領域理論與實踐研究的前沿課題，這一領域也體現(xiàn)了水資源學與管理學、經(jīng)濟學、社會學、法學等多學科交叉的特色。流域水資源管理從水資源工程的多目標開發(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)劃設計、實施和保護的流域水資源集成管理。以水資源系統(tǒng)工程、大系統(tǒng)多目標優(yōu)化理論、決策分析以及協(xié)商理論和對話機制為基礎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)管理提供了強有力的支持。開源節(jié)流是解決水資源緊缺問題的主要途徑。城市雨水資源化就是一個很好的節(jié)水思路。現(xiàn)在城市雨水大多是通過下水道直接進入城市排水系統(tǒng)中，在雨量較大時，常常造成排水不暢，引起城區(qū)滯水，給人們生活帶來諸多不便。如能將這部分雨水充分利用，對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家們所熱切關注的話題，目前多從野外試驗、示蹤劑、模型模擬和儀器測量等方面研究地下水與地表水交錯帶上發(fā)生的各個過程及地下水在質(zhì)和量上的相互作用。數(shù)字地球、數(shù)字流域概念的提出，進一步推動了水文水資源科學的發(fā)展。地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）和遙感技術（RS），或稱為“3S”系統(tǒng)，在水文水資源研究和應用領域的應用，使得開發(fā)整個流域的產(chǎn)匯流過程，對洪水演進和淹沒進行三維空間的動態(tài)模擬仿真系統(tǒng)成為可能，這些技術的發(fā)展無疑對防洪部門的決策具有重要的參考價值。2環(huán)境水利環(huán)境問題是21世紀全世界各國所面臨的重要問題之一，環(huán)境水利學科基礎研究主要涉及到河流水環(huán)境、非點源污染防治及治理、水污染處理工程等方向。河流水污染是近年來人們普遍關注的主要環(huán)境問題之一，我國河流水環(huán)境質(zhì)量總體較差，有必要加強河流水質(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：研究河流水環(huán)境質(zhì)量發(fā)展趨勢。建立水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)，跟蹤研究水環(huán)境質(zhì)量因子在河流中的變化情況，預測河流水環(huán)境質(zhì)量的變化趨勢；河流水環(huán)境不確定性風險研究是世界性的難點和熱點問題。由于河流的多用途性，使得河流水環(huán)境經(jīng)常會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)境的風險研究提出了更高的要求；建立河流生態(tài)環(huán)境預警系統(tǒng)。與河流水環(huán)境質(zhì)量發(fā)展趨勢相對應，如果某個或某些水環(huán)境質(zhì)量因子的發(fā)展趨勢向著河流生態(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，通過發(fā)出警報，使人們能夠及時采取措施預防和治理；河流水體的動態(tài)耗氧、復氧機理。研究河流的變化應盡量接近河流的天然情況，河流水體的動態(tài)耗氧、復氧過程正是基于此而提出的，研究河流水體的動態(tài)耗氧、復氧機理對于正確認識河流水體中氧氣的耗用情況，進而研究河流水質(zhì)的發(fā)展變化機理有重要意義；江河生態(tài)環(huán)境最小需水量定量化理論和應用研究。江河生態(tài)環(huán)境是江河在長期的演化過程中形成和發(fā)展起來的較穩(wěn)定的生態(tài)關系，研究江河生態(tài)環(huán)境最小需水量對保護自然界生態(tài)平衡、確定人類可引用的河水數(shù)量具有重要參考價值。非點源污染方面的研究，集中在人類活動對地下水污染的預測和如何對污染物進行治理等方面。由于非點源污染需要綜合和顯示各種空間信息，利用GIS對空間數(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流域水文和水質(zhì)的影響。農(nóng)業(yè)非點源污染是造成地表水富營養(yǎng)化的一個主要原因，研究濕地生態(tài)系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)非點源氮、磷等元素的削減能力，為減輕和控制富營養(yǎng)化提供依據(jù)。對濕地非點源污染的控制機理研究將對非點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愈受到重視，地下水污染是水污染中較難解決的問題之一。我國地下水和土壤污染相當嚴重，主要污染物是重金屬離子和有毒有害有機物，據(jù)調(diào)查，超過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技術基本上分兩類：物理化學類型和生物學類型。物理化學類型包括隔離、泵抽取、地上處理、士壤清洗、萃取、固化和穩(wěn)定化等；生物修復技術包括地上生物處理和地下現(xiàn)場生物修復等。物理化學類型能夠徹底清除土壤和地下水中的污染，其缺點是嚴重影響士壤的結構和地下水所處的生態(tài)環(huán)境，而且成本非常高；相比，現(xiàn)場生物修復技術不會破壞生態(tài)環(huán)境，但是修復過程非常緩慢，效率低。目前出現(xiàn)了一種電動力學修復技術，既能修復受污染的土壤和地下水而又不會破壞生態(tài)環(huán)境，成為修復技術的發(fā)展方向7。水污染治理機理研究集中在：微生物措施研究，利用有益微生物保護水源；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理等方面。此外，水污染經(jīng)濟損失評估、湖泊富營養(yǎng)化機理、生態(tài)環(huán)境評價指標體系等方面也是環(huán)境水利學科研究的熱點問題。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)水灌溉綜合技術體系，灌溉排水技術與方法等方面的研究。土壤水與作物關系問題的研究是農(nóng)田水利研究的基礎，圍繞著農(nóng)田土壤水分的轉化問題與農(nóng)田水分的有效利用開展了大量的研究。土壤水研究現(xiàn)已從單學科走向多學科交叉，如水熱和溶質(zhì)的耦合運移，土壤-植物-大氣連續(xù)體中的水熱運移等。其研究特點亦從均質(zhì)走向非均質(zhì)，從點的研究走向面（或區(qū)域）的研究，從理論研究推進到應用研究。土壤水運移機理研究目前集中在優(yōu)先流、土壤水參數(shù)的測定和確定、土壤水參數(shù)的空間變異性、土壤水分運動的隨機模型等幾個方面