水文科技取得的成就

来源于水利部网站2003-11-19 责编：珊珊

　　1、水文站网与水文测验技术得到提高

　　我国各类水文站网在保持基本稳定的同时，逐步进行了优化调整，雨量站、水质站等有所增加，水位站、雨量站固态存贮、自动测报率进一步提高，站网整体功能不断增强，不但初步满足了当前经济社会发展对水文的要求，而且已经走向站网建设优化及其管理的科学化和规范化；
　　 推行站队结合、开展水文巡测是基层水文测站管理体制和测验方式的重要改革。它有利于扩大资料收集，拓展服务领域、提高工作效率、稳定职工队伍、增强水文机构的活力，是水文工作实现良性循环的根本出路；
　　水质监测评价工作不断加强，经过近几年努力，水文部门的水质监测工作现已初具规模，并进一步加强了省级边界水质监测工作，为流域水资源统一管理和保护工作提供基础信息。近几年来水文部门水质监测工作的力度正在不断加大。
　　在水文测验技术的自动化程度也有了较大提高。我国利用中芬、中澳、中日及及工程带水文项目对流量测验技术和雨量、水位观测技术进行了全面的改进。引进的固态存贮器，大大改善了雨量观测的精度。使得流量、水位观测更加科学化和规范化。同时，我国泥沙测验技术及设备有了长足的进步。国际标准化委员会对我国的泥沙测验技术也有较高的评价，已经把悬移质泥沙测验标准的编写任务交给了我国，目前正在组织编写中，1999年在北京成功地举办了ISO／TC113第20届工作会议。缆道测速、测船测深取沙、浮标测流、流速拆装、雨量计及采集器和水准测量等方面也取得了进展。近几年来，流速仪、水准仪、经纬仪和全站仪等常规测验仪器有所增加,GPS、ADCP(多普勒剖面流速仪)和原子吸收分光度计等一批先进仪器设备也逐步得到应用。不但改善了水文生产条件而且还大大提高了测验的时效性和精度。
　　国家基本水文数据库已经基本建成。在卫星遥感与遥测技术、卫星云图接收技术、GPS卫星定位技术、卫星传输水情信息系统建设和卫星通信中的语音通信、数字通信、电视会议等方面,均取得了一定的规模，为应用我国卫星采集和传输水文资料奠定了基础，并进入了实用阶段。

　　2、水文预报技术发展迅速

　　水文作业预报技术除了实时雨水情信息的自动采集和现代化信息传输的实施等一系列新技术应用外，先进的计算技术已普遍推广使用，有强大的或独立的数据库管理系统支持，有为提供监视和预报成果分析用的、形象直观的雨水情信息时空分析显示，有现代流域水文模型和传统预报方案相结合的核心，有提高预报精度的实时校正功能，有在预见期内根据不同降雨时空分布，模拟计算可能发生洪水的十分实用的软件支持；用两套以上方案或模型投入水文作业预报，应用多种分析途径提高预报成果的质量和精度，起到了相互备份、相互印证的作用，这是提高实时预报成果质量的有力保证，也是工程防洪辅助决策支持的可靠依据；愈来愈多地对现有预报方案或模型作改进和自行研制合适的模型，其中有经验性的改进，也有理论性和方法性探讨。
　　我国制作流域水文模型的技术手段有了显著的提高。我国自行研制、引进改进的有新安江模型（改进）、姜湾径流模型、双超产流模型、河北雨洪模型、双衰减曲线模型、SCLS模型、连续API模型（改进）、NAM模型（改进）、水箱模型（改进）、萨克拉门托模型（改进）等10个流域水文模型，反映了近几年来我国研制和应用流域水文模型的发展和科技进步，有的还处于国际领先水平。
　　我国的水文预报系统进展很快，水文气象信息监测和洪水预报调度系统是从 "75.8"河南大水后开始起步的，经过摸索、引进和改造,现已发展到具有中国特色的专家交互式洪水预报调度系统。具有系统结构合理、功能齐全,系统面向网络，人机交互式预报功能增强，地理信息系统得到应用，信息处理和数据管理完善，系统开发技术先进。此外，系统中普遍应用多种水文模型和优化调度方法，有的还提供中长期水文预报功能，使防洪调度决策更为科学；系统充分利用各种信道传输信息，广泛应用多窗口和多媒体技术，并重视了系统的可靠性和充分考虑了系统的通用性和开放性。近几年来我国的水文预报系统开发已达到较高的水平，有的在某些功能方面甚至已超过国外同类系统的水平。

　　3、水文分析与计算方面进展较快

　　设计洪水（洪水频率分析和洪水不确定性分析）和径流计算也取得了一些进展。
　　洪水频率分析中，对于样本资料系列问题，我国率先将历史洪水资料应用于洪水频率计算，无疑是对样本资料系列的一个重大贡献。但由于历史洪水的信息量仍然有限，这就使得频率曲线的外延部仍有一定的不确定性。针对这一情况，我国在借鉴国外先进技术的基础上，利用古代洪水残留有机物质碳14的放射强度，按衰变原理推算洪水事件的发生年代，寻找一种比历史洪水考证期年代更远的古洪水，已成功地应用于三峡、小浪底等大型水利水电工程的设计，并为洪水频率计算提供了新的途径。对于样本抽样方法问题，一般是在一年的观测资料中仅采用一个值，而摒弃年内发生的其它洪水。随着国外提出的与我国水文界60年代初超定量抽样法相类似的PDS (Partiul Duration Series)研究成果的面世，有些国家已采用PDS计算设计洪水，我国在这方面也取得了比较实用的成果。
　　对于线型选择问题，是一个具有不确定性的问题，因为洪水总体是无法知道的，因而不管哪一种线型，都是缺乏物理根据的。因此，目前频率曲线线型的使用仍然处于曲线拟合阶段，但总的来看，皮尔逊Ⅲ型分布曲线更适合我国的实际资料情况，同时又有一套现成的图表如频率曲线的离均系数、模比系数表，使用起来比较方便。
　　对于统计参数的估计方法可归纳为两类，一类为适线法，首先假定拟合频率曲线的线型并估计样本的经验频率，然后根据样本点据估计出线型的参数，使其对应的频率曲线与样本点据拟合最佳，但随着近几年来的计算机技术的迅速发展，基于优化技术的水文频率分析法也得到迅速发展，克服了经验适线法结果因人而异，任意性较大的缺点，并给适线法引入一定的数学准则，极大地丰富了适线法统计参数估计方法的内容。另外，还有专家提出以经验点据对理想最优频率曲线隶属度为权重的模糊加权优化适线法。另一类为参数估计法，近几年来，我国提出和引进了一些新的数理估计方法，如通过对洪水系列引入一个单权函数的方法，提高了皮尔逊Ⅲ型分布曲线偏态系数的 "计算"精度；通过引入单权函数和数值积分系数的双权函数的方法，使频率曲线与经验点据拟合较好；我国水文学者将仅适用分布函数具有函数形式的概率权重矩法，通过数学推演成功应用于皮尔逊Ⅲ型分布的参数估计，并根据次序统计量理论，分析推证了一组不连续系列样本概率权重不偏计算公式，并经来严谨的理论推导，证明公式是严格的不偏估计，又从特例上加以验证了上述结果是正确的，不过尚需在水工程实践中加以检验，以便完善并推广应用。
　　在洪水不确定性分析中，由于我国经济社会的迅速发展，洪水分析计算所面临的问题越来越复杂，洪水系统不断扩大，多因素相互作用的影响也越来越多样化，洪水不确定性的成分增多且显示出主导地位，迫使人们在处理洪水的诸多问题时不得不涉及洪水不确定性分析与计算。近几年来，我国对不确定性中的随机性与风险率、模糊性、灰色理论等方面研究较多，部分研究成果已用于生产实践之中。针对洪水具有的随机性、洪水资料准确度上具有的模糊性和洪水资料不充分具有的灰色性等特点，我国水文工作者也正在尝试综合考虑这些不确定性，将随机分析、模糊分析、灰色分析有机地耦合起来，全面和客观地统一考虑多种不确定性。
　　在径流计算上，近几年来，随着我国经济社会的迅速发展，水资源开发利程度日益提高，地下水过量开采，水土保持范围逐年扩大，城市化趋势不断增加等各种人类活动的影响，使水文下垫面条件发生了显著的变化，改变了水资源 "三水转化"的关系，从而导致了径流量的变化。我国水文工作者在这方面开展了大量的研究，并取得了卓有成效的成果。在人类活动对天然径流的影响及还原计算方法方面，获得了大量可用于生产实际的成果，并已列入《水利水电工程水文计算规范》中；在坡耕地、森林、沼泽、湖泊和平原地区地下水开采、长江水土流失以及黄河断流原因分析等研究方面取得了重要进展；在城市化对水文水资源的影响方面也取得了一些进展，特别是通过城市水量平衡的精测、调查与分析等，在城市效应对城市暴雨影响的研究，也取得了一定的进展，如北京、天津等城市开展了城市效应对雨洪影响的研究，并建立了城市雨洪模型，获得了比较满意的成果。
　　近几年来，全球气候变化及大气、海洋与陆地相互作用的过程研究，特别是随着近代工业的发展，大气中二氧化碳和其它微量元素浓度的不断增加，由于温室效应的增强，使得地面温度与近地层气温升高，下垫面蒸发加强，导致河川径流量的变化，引起了国内外水文学家的极大兴趣。我国水文工作者在水文气象资料的变化规律、中小流域尺度的水文模拟与不确定性研究、气候变化对水文水资源的影响、对未来水文水资源趋势的分析与预测等方面取得了长足的进展。

　　4、水资源评价及保护得到加强

　　我国结合防汛抗旱和减灾的需要，对不同地区洪水、干旱水文极值的发生、发展和时空变化规律（包括对北方地区所作的连续枯水段所发生概率的理论分析）进行了比较深入的基础性分析研究，取得了新的发展和一系列研究成果。而且，一些新技术和新方法已应用于水资源评价及保护方面，如地理信息信息系统、全球定位系统、遥感技术和人工神经网络的应用等。地理信息系统具有较强的模拟、分析和显示空间资料的能力，并可与水文模型相结合进行洪水的模拟和预报，参与水资源的开发和运行管理，例如地理信息系统用于供水控制和管理专家系统、区域水资源管理系统。
　　在继1986年到1996年水利部又进行一次水质评价的基础上，开展了水资源综合评价体制的研究，建立了3个层次47项指标全面反映了评价的自然和人文统计、质和量的评价、开发和利用程度、管理水平和经济效能等综合特征，成果具有较好的应用价值。
　　近几年来，结合流域水资源开发利用和水土保持的发展，在一些流域和地区，开展了人类经济社会活动对径流减少影响的研究，并取得了具有警示性的研究成果。同时，结合有关国家攻关项目和科技基金项目的研究，在降水资源、地表水资源、地下水资源相互转化方面进行了研究，并取得了不少理论性和应用性的研究成果。在城市水平衡要素测试和分析方面也开展了不少工作，并取得了可靠的基础资料和应用成果。此外，在北方和南方部分地区，开展了由于水资源不合理开发利用而引起的地面沉降、海水入侵、地下水质恶化等水环境问题的研究，并提出了相应的对策。
　　气候异常变化对水资源和可供水量的影响，是当前国际学术界一个重要的研究课题。我国在这方面也开展了诸多的研究，如对松辽河流域、京津唐地区、长江流域、黄河中下游、淮河流域和东江流域进行气候变化对水资源和可供水量的研究，取得了重要的阶段性成果。针对长江洪防洪问题、黄河下游断流的状况，开展了水资源管理、可持续利用等方面的研究，也取得了令世人瞩目的成果。
　　近几年来，我国在水资源保护领域内提出了许多新思维和新方法，如模糊数学理论、灰色系统理论、熵理论和混沌理论等应用于水资源研究，二维、三维水质数学模型在水质模拟和预测取得不少的成果。另外，在水环境容量研究、水资源质与量可持续发展研究的基础理论和水平方面，也比以前更为扎实和提高。
　　同时，我国在地下水资源研究方面，也取得长足的进展，对一些有开发前景的水源地开展了水资源的专门研究。配合西线和中线的南水北调工程，进行了合理调度地表水和地下水资源的研究，并取得阶段性成果。开展了诸如北京、西安和上海等城市的水资源与环境水文地质的调查研究，广泛应用系统分析和系统工程原理，建立数学模型，经模拟优化发展到管理模型，使地下水资源从资源评价进入到合理利用和科学管理阶段。在分析研究环境质量的控制与治理方面，也是逐步深入的，由定性到定量，由单要素到综合要素，从现状到发展趋势，由数理统计发展到污染物预测、治理和建立水质模型。上海市地面沉降与地下水储量的研究成果，得到了国内外专家的一致好评。为加强地下水资源的管理与保护，防止城市地下水的过量开采，防止地下水质污染和恶化，完成了全国大城市地下水资源及环境水文地质预测研究。而且，对地下水环境背景的研究日益受到重视并总结了一些新经验。结合地方的防治，还进行了水文地质化学研究，在痕量元素对病因的分析方面取得了进展。

　　5、泥沙研究取得突破

　　近几年来，我国的泥沙研究主要是围绕长江三峡、黄河小浪底枢纽工程、西南地区水利水电工程和已建水利工程的泥沙问题，开展了大规模的科学研究工作。其内容涉及野外水文泥沙测验、泥沙的数学模型和物理模型，以及室内的基础理论研究等。我国泥沙研究的进展，主要表现在以下几方面。
　　一是广泛应用数学模型。一维泥沙数学模已在泥沙研究中得到了广泛的应用；二维泥沙数学模型无论在理论和应用方面均居国际先进水平，除采用传统的有限差分法、有限元法外，还有有限分析法、边界元法，以及基于多种数值方法的杂交法等，许多计算方法在计算中得到了采用，并已达到了可在工程实际中使用的地步。剖面二维数学模型和三维数学模型主要用于研究水深方向水沙运动变化对河床冲淤影响较大的问题，虽然目前还不够成熟和完善，但由于这种模型能够模拟诸如坝区建筑物布置等复杂水沙运动问题，故具有广阔的应用前景，因而引起了人们的高度重视。
　　二是在河工模型的设计中，如变态率问题、泥沙的范围等问题，已经建立了比较严格的相似理论基础。
　　三是在泥沙运动力学、河床演变与整治、水利水电枢纽工程的泥沙问题、河口海岸泥沙问题和泥沙的测验仪器研究等方面，都取得了一定的进展。

　　6、冰雪水文研究得到重视

　　近几年来，我国在冰雪水文研究方面取得了许多新成果，概括起来，主要表现在以下几方面。
　　一是完成了冰川编目工作，至今已出版的冰川编目书籍10余册，冰川分布图100多幅；建立了冰川数据库；编绘了我国季节性积雪分布图；编绘出版了《中国雪、冰川和冻土分布图》。
　　二是系统计算和分析了我国冰川水资源数量及其时空分布规律和变化趋势。
　　三是利用气象卫星和陆地卫星遥感数据，对东北和青藏高原及其邻近地区，进行了大范围冬春积雪动态监测，并与地面实况资料结合，在地理信息系统的支持下，采用灰色系统和随机过程等理论与方法，建立了黄山上游、祁连山等地春季径流预报模型。又与国外合作，根据辐射热量平衡原理，建立了冰川径流计算模型。
　　四是在冰水力学、冰塞和冰坝等理论研究方面也取得了一定的进展；冰情预报数学模型也达到了国际先进水平。