水资源系统的弹塑性特性分析

上面我们提出水资源系统的弹性问题与塑性问题。在第四章已经分析过,水资源系统犹如生命体一样,有自我调节与自我恢复的能力,在内外扰动或作用力不超过其弹性限度时,水资源系统在偏离原来的状态后可恢复到原有状态,这就是水资源的弹性(力)。事实上,水资源系统并不是固定一种状态而永久不变的,而是在一个中心平衡点位置波动。这种波动的力量来自两个方面:一是上面提出的“人”的作用；二是水资源系统的自我恢复能力使其恢复到原来的位置。水资源系统的这种可调节与其抵抗外力和扰动能力就是水资源系统的弹性力。但是就像上面分析的一样,水资源系统的弹性力是有限度的,当 “人”的作用力使其偏离原来的平衡状态太大而超过系统的弹性限度,那么水资源系统就从一种状态变成了另一种状态,那么即使外力停止所用,也恢复不到原来的状态,在此状态下外力即使不再增加,其系统变形仍在显著增大,系统安全环境仍在不断恶化,这就是水资源系统的塑性。如将北方河流主要水文控制站多年平均天然年径流量10%作为维持河流最基本生态功能的标准,当“人”的作用力不变,使河道内实际径流量小于该标准时,河流生态系统主要功能将受到严重影响,河流生态功能将不断降低,河槽萎缩,河滩裸露,河流将明显出现“干化”的现象。据对黄河、淮河和海河区的主要河流代表性水文控制站20世纪60～90年代实测月径流量资料的分析,各年代河流“干化”月数总体呈明显增加趋势,黄河利津站从60年代的4个月增加到90年代的56个月,黄淮海水资源一级区典型河流不同年代“干化”情况见表6-1。这些都是水资源塑性的表现。

表6-1　典型河流不同年代“干化”情况

水资源系统的弹性力是人类生存与活动的基础,也是水资源安全的保障。因为水资源系统不是孤立存在的,不是静止不动的,而是随着外界与自身的作用的变化而变化,任何生态体的生存都需要一个相对稳定、相对安全的水资源环境,这种相对稳定、相对安全的水资源环境之所以能够维持,就是因为水资源系统有自我维持和自我调节的这一弹性力,正是这种弹性力,才使人类的生存与活力有了基础。

过去以至现在人们对水资源系统弹性力缺乏科学的、明确的认识,所以对水资源系统任意破坏、滥采滥用、地下水强采超采、围湖造田、湿地开垦、水土流失、河道侵占、污水排放、水质恶化、植被破坏等,均使水资源系统的弹性力显著降低。

如地下水超采引发的环境地质问题:①地下水水位持续下降并形成区域降落漏斗。我国的华北平原约7万km2的面积地下水位低于海平面,华北、东北和西北部分区域地下水位下降,使得平原或盆地湿地萎缩或消失,地表植被遭到破坏,局部地区荒漠化加剧,生态环境退化。②地面沉降,截止到2000年,全国地面沉降总面积超过6万km2。天津市地面沉降面积约8000km2,最大累积沉降量达3140mm；江苏省苏锡常地区沉降量大于600mm 的面积达1350km2。地面沉降中心累积沉降量超过2000mm 的城市有天津、上海、沧州、西安、太原等城市。③地陷。据不完全统计,全国发生地面塌陷已超过2500多处,总面积超过2300km2,最大塌陷深度超过30m,其中由于地下水过量开采导致的地面塌陷估计约占总塌陷面积的30%,主要分布在淮河与黄河区。④地裂。据统计,全国有地裂缝近6000 条,分布面积超过1100km2,主要分布于河南、河北、山东、陕西、山西等省。⑤海水入侵。由于地下水超采引起的海水入侵总面积超过1500km2,主要分布在渤海和黄海沿岸,以山东半岛滨海地区海水入侵最为严重,有19个县发生海水入侵,面积近1000km2；其次是辽宁省,海水入侵面积达400km2。海水入侵使得地下水矿化度和氯离子浓度增高、地下淡水咸化、水质变差,失去了利用价值。⑥咸水入侵。据不完全统计,由于地下水过量开采,到20世纪90年代中期,全国地下咸水入侵面积约1163km2,主要分布在河北、山东等省。

再如土壤沙化问题。据有关部门调查,全国土壤沙化总面积174万km2,占国土总面积的18%,主要分布在新疆、内蒙古、西藏、青海、甘肃、河北、陕西、宁夏、四川、山东等10省(自治区)。我国土地沙化面积呈增加趋势,20世纪50年代平均每年扩大1560km2,70年代平均每年扩大2100km2,80年代平均每年扩大2460km2,90 年代 (1994～1998 年)平均每年增加3436km2。当然我国土地沙化的原因是多方面的,但是近年来北方地区持续干旱,一些流域或区域降水减少,以及水资源的不合理、超强度的开发是不可否认的主要原因。

再如河道断流问题。根据全国第二次水资源评价对我国1143条 (总长度为29万km)天然情况下基本不断流的大江大河干流、重要支流断流情况的调查表明,北方地区调查的514条河流(总长度13万km)中,2000年有60条河流发生断流,断流河流的总长度2.24万km,占调查河流的17%,断流河段总长度7996km,占断流河流总长度的36%,见表6-2。

表6-2　2000年北方地区河流断流情况(www.xing528.com)

水资源系统的弹性力的作用与意义体现在各个方面,如水资源系统常常遭受其系统中某个因子变化、承载关系变化、气候变化、人为的与自然的灾害侵袭等,但系统仍能维持正常运转而不致崩溃,就是因为水资源系统有一定的弹性度。水资源系统的弹性度为人类的生存与发展奠定了安全的基础,系统的弹性高,表明人类活动的余地就大,可承受“人”的作用力就高。因此,我们应设法提高水资源系统的弹性度。

这里要注意的问题是,从力学意义讲弹性度包含两个方面的内容,即弹性强度与弹性限度。弹性强度指系统弹性力的高低,弹性限度是指系统的弹性范围,弹性强度高,不一定弹性限度大,反之弹性限度大,不一定弹性强度高。比如钢材与铝材,前者用较大的力可使其弯曲,但弯曲程度小；后者用较小的力可使其弯曲,且弯曲程度大。

水资源系统的弹性程度就像上面铝材、钢材一样,也取决其材质,取决于系统的自身状态。据研究,地形地貌、气候条件、下垫面情况,地质、土壤、三水转化等决定了水资源系统的性质,因而也决定了水资源系统的弹性强度的大小。如我国降水南方多,北方少。南方地区多年平均年径流水深1213mm,相应降水量41842亿m3,其面积占全国的36%,降水量占全国的68%；北方地区多年平均降水深328mm,相应降水量19886亿m3,其面积占全国64%,降水量仅占全国的32%；西北诸河区面积占全国的35%,多年平均降水深161mm,相应降水量为5421亿m3,仅占全国的9%,见图6-4。南方到北方的气候、下垫面等的变化关系,决定了从南方到北方我国水资源系统弹性强度逐渐降低。

图6-4　全国水资源一级区降水量分布

与弹性强度不同的是,弹性限度大小主要反映水资源系统缓冲与调节能力的大小。水资源弹性限度的变化可看作是在同一状态或同一层次间的波动,这种变化是正常的,可逆的。而弹性强度的变化则是系统从一种状态转向另一种状态。因此,我们在发展过程中,既要考虑水资源系统的弹性强度,又要考虑水资源的弹性限度,当我们发现水资源系统的弹性度一味下滑时,首先要设法制止这种变化,提高系统的弹性限度,以提高水资源安全的程度。

对于系统的塑性问题,它是相对系统的弹性而言。在系统为弹性情况时,我们认为系统以及系统微元的应力和应变 (安全)之间具有单一的对应关系,或者服从Hooke定律。然而在外界力的作用下,系统的变形往往会具有非弹性性质,即应力与应变(安全)不是单一的对应关系,这就是塑性变形问题。塑性变形包含脆性变形与韧性变形,如果在一定的外力作用下,系统变形很小就被破坏,这就是脆性；否则系统经过了较大的变形才破坏,这就是韧性,这说明这时系统的塑性变形能力较强。因为,系统从开始出现问题(永久变形)到最终破坏之间仍具有一定的承受力。因此,作为水资源系统,要通过水土保持、植树造林、涵养水源等提高水资源系统韧性,以提高水资源安全的保障能力。