安 元

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

水文學是研究地球系統(tǒng)中水的存在、分布、循環(huán)過程的時空變化及水域生態(tài)、環(huán)境和社會相互關系的學科[1]，推動人類對該學科的認識與該學科理論發(fā)展的主要基礎，則來源于理論推演解析與實驗[2]。理論推演主要通過假設、推理、數(shù)學計算等過程得到描述水文規(guī)律的方程，實驗研究則是通過控制變量、觀測、數(shù)據(jù)分析得到水文規(guī)律?，F(xiàn)有研究資料顯示，截至目前的水文學進展，絕大多數(shù)都源自水文觀測與實驗。

水文實驗是水文學研究的重要途徑，以水文循環(huán)為基本原理，以水量平衡為基本準則，通過聯(lián)合被動的現(xiàn)象觀測和主動的控制試驗與實驗，從定性、定量到定解，分析水文現(xiàn)象和水文過程的狀態(tài)和成因，闡明其變化規(guī)律和內在聯(lián)系，并將結果外延應用于水文學之中[3]。

水文實驗在水文預報、分析計算、泥沙研究、水資源評價和新設備研發(fā)等方面發(fā)揮了重大作用，推動了水文學科進步，但由于資金保障不足等原因，自20世紀90年代以來，中國水文實驗陷入了停滯和倒退，遼寧水文實驗也同樣未能幸免。隨著社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境對水文服務能力提出更高的要求，水文實驗能力亟待加強，水文實驗站建設亟需開展。

1 水文實驗的研究內容和方法

1.1 研究內容

水文實驗的研究內容主要分為以下幾個方向：①徑流實驗研究，研究不同地區(qū)自然條件和各工程措施條件下的產(chǎn)流、匯流的物理機制和變化規(guī)律；②蒸發(fā)實驗研究，研究不同地區(qū)、不同下墊面條件下各類蒸發(fā)及其物理機制和觀測方法；③地下水與土壤水實驗，研究不同地區(qū)地下水入滲、地下水動態(tài)水位、地下水水質和水文地質參數(shù)等變化規(guī)律；④城市水文實驗研究，側重研究城市化后城市雨洪關系、城市暴雨與設計洪水公式、城市熱島效應、雨水收集利用、城市點面源污染規(guī)律等；⑤水質與水生態(tài)實驗研究，主要研究水體中生態(tài)變化規(guī)律和污染物隨水體運移機理，研究湖庫富營養(yǎng)化、河道生態(tài)水量，以及水功能區(qū)量質關系和點源、線源、面源污染遷移規(guī)律；⑥泥沙實驗研究，主要研究不同流域(典型小區(qū))水沙關系、懸推比、產(chǎn)輸比，典型地貌特征的產(chǎn)沙規(guī)律，河流泥沙運動規(guī)律等；⑦水文測驗方法和儀器設備實驗研究，探求與研究不同類型河流流量、水位測驗方法和適用的儀器設備；⑧水庫水文實驗研究，主要研究水庫建成后水流沙變化規(guī)律，水庫對徑流、泥沙等攔蓄作用和影響；⑨河道演變實驗研究，主要研究河道沖淤變化、河床演變規(guī)律，懸移質挾沙能力和推移質對河道、河床演變影響。

1.2 研究方法

水文實驗的研究方法可以按以下幾個方法進行分類。

(1)按照對流域環(huán)境要素控制的程度，可分為3類[4- 5]，①天然流域法，實驗通過對原生態(tài)流域進行研究，沒有人為因素影響，保持流域原始水文環(huán)境；②人工模擬流域法，完全由人工控制流域環(huán)境；③復核流域法，根據(jù)實驗需要，對流域環(huán)境的部分環(huán)境要素進行控制，兼具天然流域和人工流域的特點。

(2)按照實驗流域選擇方法，可分為3類[6- 7]，①單一流域法，對同一流域在不同的環(huán)境要素控制條件下的水文過程進行實驗；②平行流域法，對多個除了控制要素以外其他環(huán)境要素基本相同的流域進行對比實驗；③控制流域法，對多個環(huán)境要素基本相同的流域進行一段時間的同步觀測后，一個流域保持原狀、其他流域進行環(huán)境要素控制，再繼續(xù)進行觀測。

(3)按照觀測數(shù)據(jù)處理手段，可分為3類[8]，①統(tǒng)計法，依據(jù)經(jīng)驗對觀測數(shù)據(jù)進行分析，以數(shù)理統(tǒng)計為手段，解釋數(shù)據(jù)內在關系；②模型法，根據(jù)對水文循環(huán)的認識，概化出水文模型并通過數(shù)學語音進行表述；③示蹤法，利用無機水化學離子、元素和同位素分析水文循環(huán)過程。

1.3 中國水文實驗簡述

中國有記載的水文實驗研究開始于1924年，在山西省及山東省設置的徑流觀測區(qū)，研究不同暴雨條件下植被覆蓋對地表徑流和水土流失的影響。新中國成立后，原治淮委員會于1953年設立了清溝等徑流實驗站，主要項目有徑流實驗、降雨入滲實驗、土壤蒸發(fā)實驗及土壤含水量測驗等，中國水文實驗正式起步[9]。1959年全國水文工作會議印發(fā)了《關于進一步開展水文實驗研究工作的意見》，中國水文實驗研究進入了快速發(fā)展階段，經(jīng)過多年建設，全國水文實驗站最多時達到了255處。之后由于政治運動影響，水文實驗陷入停滯狀態(tài)，實驗設施遭受破壞。1986年，原水利電力部組織開展全國水文實驗調查工作，推動了水文實驗研究的恢復，但受到研究經(jīng)費短缺的影響，水文實驗站難以開展有針對性的實驗。

2010年，原水利部水文局編制了《全國水文實驗站規(guī)劃》，根據(jù)全國水文實驗站情況調研結果，截至2010年全國水文實驗站不足70處，其中僅15處能夠開展實驗[10]。國內具有代表性的水文實驗有五道溝水文實驗站、滁州水文實驗站、新安江水文實驗站、太谷均衡實驗站及巴彥高勒蒸發(fā)實驗站等，多屬于流域機構建設或管理的水文實驗站，主要開展了降水、徑流、蒸發(fā)、水文循環(huán)過程、流域污染物遷移過程機理、水環(huán)境及水生態(tài)修復、氣候影響因素研究等各類實驗。

2 遼寧水文實驗的現(xiàn)狀與問題

2.1 現(xiàn)狀

遼寧水文系統(tǒng)自1958年以來相繼建立了葉柏壽徑流實驗站、臺安徑流實驗站、營盤蒸發(fā)實驗站和彰武旱情實驗站。水文實驗站的觀測研究工作，為水文水資源方面的計算和研究提供了寶貴的第一手資料，無論在水資源評價，還是在排水設計建設、水田節(jié)水灌溉實驗、干旱地區(qū)徑流及人類活動影響、水庫蒸發(fā)與陸面蒸發(fā)關系研究等方面，都發(fā)揮了極大的作用。

臺安徑流實驗站建于1960年，是東北地區(qū)唯一的一處平原區(qū)水文實驗站，擁有潛水動態(tài)蒸發(fā)實驗場、水稻節(jié)水灌溉實驗區(qū)及大明潭實驗區(qū)，設有地中蒸滲儀26套，呈環(huán)行排列在地下觀測室周圍，實驗土樣來自遼寧中部平原不同地區(qū)，分別為砂土、亞砂土、黏土和亞黏土，設有節(jié)水灌溉實驗池6個、水稻葉面蒸發(fā)及株間蒸發(fā)觀測儀器5套，土樣取自全省六大灌區(qū)，設有降雨徑流實驗斷面2處。臺安實驗站主要開展了遼河下游平原區(qū)“三水轉化”規(guī)律實驗研究、遼河下游平原區(qū)“潛水蒸發(fā)規(guī)律”實驗研究、遼河下游平原區(qū)水田節(jié)水灌溉定額實驗研究等一系列實驗研究，進行了水田滲漏損失實驗、給水度實驗、水田土壤水份損失速率實驗、降雨徑流關系實驗、水稻灌溉定額和水稻需水量實驗。臺安實驗站經(jīng)過多年的運行，取得了大量實驗成果，對“三水”轉化規(guī)律提出了新的觀點，對水資源計算提出了新的方法，提出了遼河下游平原區(qū)有作物和無作物“潛水蒸發(fā)規(guī)律”的分析成果，曾獲得遼寧省水利廳科技進步一等獎和遼寧省政府科技進步三等獎。

營盤蒸發(fā)實驗站建于1959年，建有陸上水面蒸發(fā)場一處，水上漂浮蒸發(fā)場一處，1960年開始觀測，1982年由于實驗設施設備年久失修、人員經(jīng)費不足等各方面原因，對實驗項目作了較大調整，削減多項不同高度、不同口徑的蒸發(fā)實驗項目以及水上漂浮蒸發(fā)項目。主要開展了研究梯度地溫對蒸發(fā)量的影響研究、E601障礙物對蒸發(fā)量的影響研究等，為SL630—2013《水面蒸發(fā)觀測規(guī)范》的制定提供了理論及實踐依據(jù)。

葉柏壽徑流實驗站建于1958年，作為干旱地區(qū)的徑流實驗站在全國是獨一無二的。由于經(jīng)費等原因，徑流實驗站于1995年停測。只將蒸發(fā)場遷到葉柏壽水文站繼續(xù)觀測，并隨同該站資料一并刊印到現(xiàn)在。

彰武旱情實驗站建于2007年，是遼西北地區(qū)大型綜合實驗站，可以代表遼寧省西部干旱地區(qū)的旱情指標，主要觀測項目有降水、4種不同類型土壤的含水量、E601及20cm口徑蒸發(fā)、地下水位、泥沙等。

2.2 存在問題

遼寧水文實驗站受當時經(jīng)濟社會發(fā)展水平、實驗研究技術及設備的限制，實驗站存在設計標準較低、實驗研究手段落后、監(jiān)測設備老化等問題。

(1)實驗設施老化。遼寧水文實驗站除彰武實驗站以外，均建于20世紀50—60年代，部分已經(jīng)不能正常運行，例如地中蒸滲實驗場地下觀測室和實驗土柱存在漏水滲水、地中蒸滲監(jiān)測設備損壞等問題，導致無法正常開展地中蒸滲相關實驗。

(2)實驗環(huán)境變化大。水文實驗站建設初期經(jīng)濟社會發(fā)展水平低，隨著城鎮(zhèn)化進程加快、生態(tài)環(huán)境保護要求提高、土地規(guī)劃變化，實驗環(huán)境也發(fā)生了較大變化，例如大明潭實驗區(qū)受到土地開發(fā)、周邊居民生活的影響，破壞了實驗區(qū)的閉合性，影響了徑流實驗的開展。

(3)實驗手段落后。儀器設備多為建站初期配置，由于維護改造經(jīng)費的缺乏，觀測手段嚴重落后于現(xiàn)代技術發(fā)展。如地中蒸滲實驗場采用的是馬氏瓶法人工監(jiān)測土壤蒸發(fā)與下滲量的變化，部分降水、蒸發(fā)、氣象等要素的觀測仍為人工觀測。

(4)實驗項目單一。受到現(xiàn)有設施設備的制約，實驗項目以傳統(tǒng)項目為主，側重于防汛減災，已經(jīng)不能滿足城鎮(zhèn)化快速發(fā)展、水資源配置與高效利用、水生態(tài)水環(huán)境問題提出的新要求，實驗研究方向有待調整。

(5)實驗人員經(jīng)費不足。水文實驗具有長期性、基礎性、公益性的特點，受到經(jīng)濟及社會環(huán)境影響，經(jīng)費得不到落實，很多項目無法開展或者開展不夠到位，部分資料因受經(jīng)費的限制而沒有整理刊印，測站工作人員學歷不高，高學歷高素質的專業(yè)人才得不到補充，技術力量薄弱。

3 遼寧水文實驗能力發(fā)展淺析

遼寧水文實驗站目前由于存在諸多問題，已經(jīng)不滿足開展實驗研究的條件，亟需通過更新改造建設恢復、提升水文實驗能力，為水文基礎理論研究、現(xiàn)代化技術設備應用提供支撐保障。

3.1 發(fā)展目標

遼寧水文實驗站發(fā)展的總體目標是為我國半濕潤與半干旱地區(qū)水文監(jiān)測與水文要素變化規(guī)律及模擬研究積累資料、提供經(jīng)驗，為制定水文監(jiān)測與實驗相關的技術規(guī)范或標準奠定基礎。建成與經(jīng)濟社會發(fā)展要求相適應的防洪安全體系、供水安全體系、水生態(tài)安全體系、水利科學發(fā)展保障體系“三安全一保障”水利保障體系，為實現(xiàn)水文現(xiàn)代化、全面振興老工業(yè)基地目標提供更加堅實的支撐和保障。

3.2 建設原則

以《全國水文實驗站網(wǎng)規(guī)劃》(2010年)和《全國水文基礎設施建設規(guī)劃(2013—2020年)》[11]為依據(jù)，結合遼寧省水文實驗站具體需求，合理確定實驗站建設規(guī)模和建設內容，充分利用可用的基礎設施、設備及通信資源，結合已開展項目，杜絕重復建設，合理安排水文實驗站建設內容。從水文可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，充分考慮未來科學技術進步與經(jīng)濟社會發(fā)展需要、實驗代表區(qū)域水文水資源特點和規(guī)律研究需要、新技術新方法等研究需要、基礎理論研究和應用技術研究需要，科學合理、適度超前地謀劃實驗站的研究方向。

3.3 建設任務

通過建設徑流相關實驗場，建成集降水徑流、土壤蒸發(fā)與下滲、水量平衡及水面蒸發(fā)等實驗研究為一體的實驗平臺，為研究半濕潤與半干旱地區(qū)產(chǎn)匯流規(guī)律、水土流失規(guī)律、小區(qū)水量平衡規(guī)律以及不同類型土壤的蒸發(fā)與下滲規(guī)律研究提供基礎數(shù)據(jù)和技術支撐，為東北地區(qū)水資源管理、水安全保障及社會經(jīng)濟發(fā)展服務。

通過改建陸上水面蒸發(fā)實驗場、新建漂浮水面蒸發(fā)實驗場，完善水文氣象要素的監(jiān)測，建成較為完善的水面蒸發(fā)實驗平臺，為研究半濕潤與半干旱地區(qū)水面蒸發(fā)規(guī)律、探求氣象要素對水面蒸發(fā)的影響及關系積累資料、提供經(jīng)驗，為大型水體水面蒸發(fā)相關的技術規(guī)范或標準制定奠定基礎。

通過建設水文氣象及墑情相關實驗場，開展不同類型土壤下墑情監(jiān)測設備的對比觀測，分析儀器設備的穩(wěn)定性、靈敏性和準確性，為墑情監(jiān)測設備在遼寧省乃至全國的應用鑒定和研究不同質地土壤含水量和土壤退水規(guī)律提供研究平臺，為東北地區(qū)的干旱規(guī)律研究、經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供技術支撐。

4 結論

遼寧水文實驗研究起步較早，實驗研究內容較為全面，研究成果較為豐富，是中國水文實驗的先行者，為水文學科的發(fā)展提供了有力的技術支撐，但由于一系列原因，遼寧水文實驗研究目前陷于萎縮停止。結合水利部對全國水文實驗發(fā)展的部署，通過對遼寧水文實驗站進行改造、更新、升級，加強實驗研究能力，拓展實驗研究范圍，以期初步構建起手段先進、功能完善、管理科學的水文實驗體系。

同時也應看到水文實驗在很多方面仍存在很多問題需要進一步完善。①實驗的規(guī)范性、連貫性有待加強，中國在20世紀50—60年代設立的實驗流域中，只有五道溝實驗站的資料系列未間斷[12]；②數(shù)據(jù)有待深度加工，水文實驗的數(shù)據(jù)具有很強的針對性及重要的科研價值，但受經(jīng)費、人才等制約，加工能力不足；③共享機制有待完善，水文循環(huán)與大氣圈、土壤圈密切相關，水文實驗需要在完善學科內共享的基礎上，達成多學科協(xié)同研究[13]；④成果有待轉化推廣，加強與生產(chǎn)實際的聯(lián)系，使成果為社會經(jīng)濟發(fā)展服務。