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前景光明的水文试验研究

魏国强  译；冯翠娥  校译

试验和观测是水文学研究的重要手段。许多原因都可以证明测量和试验对进行水文学研究的必要性。第一，我们可以肯定的是，观测和试验在科学发现中发挥着十分重要的作用。因此，试验方法的创新和发展对科学探索是至关重要的。第二，新工具的开发和应用有助于对科学理论的验证和认识。第三，由于开发出来的水文地质模型逐渐结合了复杂的时间和空间变量，因此这些模型必须通过试验数据的比较和分析才能得以验证。所以，试验研究需要发展新的测量技术，以满足模型校正和水文评价的需求。第四，通过对水文系统的监测以确定人类活动对水质和水量的影响，以及最终实现风险管理的社会需求正在逐渐地增加。总之，诸多因素都推动着水文试验的发展。

水文试验具体是指利用具有约束边界和初始条件的试验系统，来确定系统变量和参数并验证概念模型的过程。因为完全控制天然的水文系统是非常困难的，所以只能利用一些模拟装置，比如土壤柱、水槽和侵蚀/沉淀设备等，来解决水文学中的基本问题。

可以有选择地利用统计学方法和基于过程的设计方案进行探索性观测，来揭示主要的水文学机制。理论上，可检验的定量化假设应当优先进行试验。数学模型的校正和测试是探索性观测的一种形式，收集到的测量数据可以用来约束边界条件和初始条件，估计模型参数，比较测量得到的水文动力学数据和模型的功能。对分层的地形的比较是探索性观测的另一种类型，它利用相应的标准，例如地质、土壤、植被和地形特征将研究区划分为明显不同的水文地质单元，利用测量数据来对比水文作用过程。著名的“双盆地”格局研究就是对两个区域进行比较的一个特例。监测活动是探索性观测的第三种形式，在这种活动中，通过对研究区的监测来描述基线水文功能，这可以与同一区域的水文性质进行比较，进而研究极端事件或人类活动对水文系统的影响。

一、地表水文

Thompson通过水槽试验研究了河流中不同障碍物的控制作用，以及与之相关的紊流强度对河底的冲刷作用。河底的沉积导致了水深的变化，这对水生物种的生存是非常关键的。Cozzetto等人对冰雪融化而形成的河流进行的基于某种温度机制的实验研究，可以确定控制极地河流温度的主要作用过程，实验的焦点是潜流交换作用。除了计算热量收支外，还利用传统的示踪剂方法和叠加实验来定量化潜流交换机制。

Rupp和Selker实现了一种新的模型，它利用具有不同时间步长的程序和来自智利沿海地区的两个观测站的具有不同精度的退水曲线数据分析了退水状况。Ocampo等人通过野外研究证实了沿边坡不同水文地质单元的功能。研究者们利用水文和生物地球化学测量推断出，河滨地区对暴风雨的影响起着控制作用，山地环境则扮演着河流流动中基流存储单元的作用，而河滨地区和高山地带之间的转换则是由潜水位的时空性质决定的。Lyon等人赋予指标克里格法一种新的应用，用这种方法来确定潜水位，以预测径流沿着边坡的空间分布。事实证明，这些描绘地形特征的资料会显著增加预报能力。

利用雪堆中的温度测量可以实现对雪融化过程的模拟。Ohara和Kavvas利用这种方法进行模拟的结果表明，接近积雪表面活动层的温度是不断变化的，而下部的非活动层几乎不受大气温度的影响，温度变化很小，但是它的厚度（或者是冻结深度）是随时间变化的。这些资料为开发独特的基于冰雪融化的物理模型提供了必要的信息。

二、地下水文

对毛细管压力——非水相液体的饱和关系（NAPL)的研究需要认识到，对界面性质的认识需要理解NAPL的消散和再分配问题。Hwang等人在这方面应用不同的试验技术进行了大量的研究。Culligan等人利用基于同步加速器的计算机X射线断层摄影技术，进行孔隙内NAPL与水界面区域的分析。高精度的三维影像可以证实，流动界面上的差异可以通过计算界面张力得以解释。

关于分析非饱和带土壤水分和化学物质运移的新的测量技术，以下介绍两个例子。Al-Jabri等人对目前水文学研究发展最快的研究领域进行了探讨，即利用基于dripper-TDR方法进行的水力传导系数和化学物质运移参数的原位测试。当土壤表面非均质性很强时，这种方法就具有很大的价值。资料证实存在非均衡的水和化学物质的运动，例如由不动水体和选择流形成的运动。Mortensen等进行的实验室研究证实，对非饱和多孔介质应用多功能热脉冲探针（MFHPP）技术可以同时测量土壤水、热量和溶质运移。为评价土壤的热力学性质和水分含量（利用Wenner方法测量土壤阻抗系数得到），探针测量结合了热脉冲技术；MFHPP能够同时测量同一个样品的热量、水压和溶质性质的能力，为上层滞水带的监测和研究提供了一种强有力的工具。

关于野外试验研究，Ward等人介绍了两种新的粗化程序，利用有效的土壤水力特征函数，来预测野外非饱和土壤水分再分布过程和土壤导水系数。其中的一种方法是利用理查兹（Richards）方程和对流-弥散方程，经由空间瞬时分析得到了有效的水力传导系数。另一种方法是所谓的多参数逆向换算技术，它的前提是把非均质土壤当作是由多种均质土壤构成的。另外，Tompson等人通过描述美国内华达州测试基地（NTS）220米厚的上层滞水带中放射性元素的试验结果，在估计和模拟土壤渗透速率的基础上，模拟了氚三十年内的运移情况。Tromp-van Meerveld和McDonnell沿着一段50米的边坡进行了试验研究，分析了地形、土壤水、土壤深度和植被蒸发率的空间类型。最终的结论是，沿着这个边坡，土壤深度发生的即使很微小的变化，也会控制土壤水分的附存方式、蒸发类型以及相关的物种分布。他们的研究结果最终证实了这样一种观点，即土壤水分的空间分布和随时间的变化既是植被变化的原因也是植被变化的结果。正如Ocampo和Lyon等人进行的野外试验证实的那样，边坡可以作为理想的水文试验对象，因为它在土壤类型、气候条件和下部基岩的水文控制上都存在相对的一致性。

三、水文微观气象学

关于土壤水分蒸腾损失总量（简称ET）的测量和分析，Krajewski等人用三种不同类型的雨滴测量器对降雨量进行了评价。其中讨论了系统降雨量和随机降雨量的差别、雨滴大小的分布性质以及雨滴大小和速度之间的关系等。最终的主要结论是，尽管所有的数据都采集于同一个面积为100平方米的地方内，但是不同的仪器之间却存在着明显的差别。

预测水蒸气和CO₂在植被冠层上的传输，需要详细的紊流运移参数。Poggi等利用拉格朗日扩散模型（简称LDM）研究了被估计的平均紊流动力学能量扩散率对浓度的影响，并把LDM结果和染料浓度以及水流测量的结果进行了比较。遥感技术现在已被广泛用于评价地表性质和ET的空间分布。Kampf和Tyler利用遥感数据评价地表的能量收支，并对智利北部阿塔卡马沙漠中一个面积为3000平方公里的盆地土壤表面的蒸发作用进行了评价。他们的不确定分析结果表明，地表覆盖的空间分布参数可以显著提高对地表和显热通量的预测。但是这些方法并不适用于评价干旱环境中区域的平均蒸发量。在某种程度上，他们将这种矛盾归结为地表的实际情况与遥感测量和潜热通量的高度不确定性。Kustas等也对这种与地表覆盖的空间变化有关的问题进行了研究，他们进行热通量计算的遥感数据的精度是从5千米到30千米，计算结果与SGP97的通量观测塔的试验结果进行了比较。最终的结论是，水蒸气与显热通量的表象在强对流条件下差异可能非常大；水蒸气流量场比显热通量更容易被混合，而可感热通量更多的是受到区域地表变化的控制。Eichinger等人的研究也证明拉曼激光雷达可以通过不同的植被冠层进行高精度的（25米）的ET评价，并在冠层之上对水蒸气含量直接进行三维测量；有效的空间测量尺度是200米左右，水蒸气含量的测量高度在冠层之上大约5米左右。

四、总  结

和以往任何时候相比，在过去的十年间，新的研究机遇已经出现，这增强了我们投资试验研究的意识。水文学研究的社会性质决定着它需要在大的空间尺度上以及多学科之间进行调查研究，需要在数据收集和分析以及试验研究方面进行不断创新，最终解决越来越复杂的水文学问题。水文模型的发展必将受到有限试验数据的限制。大规模遥感勘测系统的迅速发展将会使水文变量的实时监测达到前所未有的精度，同时也必将结合水文模型实现对包括土壤水、河口流动、江河流动以及地下水补给在内的水文变量的实时预报。

试验对描绘和认识水文机制是非常重要的。水文联合会正加强和优先确立水文试验研究的紧迫任务，并由水文学发展大学协会（简称CUASHI）实现计划编制和水文观测工作。这项由国家科学研究基金（NSF）资助的工作毫无疑问将统一水文学和相关环境科学之间的多学科研究，并最终促进稀有的水资源能更加合理地得以可持续利用。

——译自《Advances in Water Resources》（2005）

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