中国特大洪水：形成条件、特点与规律研究与对策

(1)中国特大洪水特点与规律及对策措施研究。50年来,我国对中国洪水特点与规律已进行了大量的和有深度的研究,需要进一步研究的重点问题是特大洪水的形成条件、特点与规律。这是根据中国防洪规划的总目标和防洪战略安排提出来的。防洪战略目标指出,“在发生特大洪水情况下,不致影响国家可持续发展进程”(《全国防洪规划》送审稿),因此加强特大洪水规律和对策措施的研究是十分必要和迫切的。主要研究内容包括:分析研究中国主要江河近代特大洪水的形成原因、特点和规律,预测七大江河和主要湖泊未来洪水情势以及调蓄能力的变化,在此基础上对我国主要江河的防洪目标作出综合论证,探讨中国防洪战略的新思想和新途径。

(2)流域洪水灾害孕灾环境的变化及其洪水响应。流域洪水灾害的孕灾环境与半个世纪以前发生了重大的变化。现代孕灾环境的根本特点是,人类自身不仅仅只是承灾体,而且同时是最活跃的致灾因素。因此,为缓解现代严峻的孕灾环境,最重要的是实行人与洪水协调共处的防洪减灾战略,即要从无序、无节制的与洪水斗争转变为有序、可持续的与洪水协调共处,要从以建立防洪工程体系为主的战略转变为在防洪工程体系的基础上,建立全面防洪减灾工作体系,达到人与洪水协调共处。防洪减灾非工程措施就是基于这一背景而提出来的。

就其科学问题而言,就是要阐明人类活动影响下流域洪水孕灾环境变化和洪水响应的变异规律,揭示洪水孕灾环境变化过程中水沙输移及其影响因素之间的相互作用关系以及河湖关系的变化调整机理,以期增强对流域复杂洪水响应变化的描述、解释、预测和调控能力。主要研究内容:①辨识与透视洪泛平原土地利用、湖泊调蓄能力与河湖关系、河道水沙条件、河道形态、河道蓄泄关系与行洪能力等孕灾因素构成的孕灾环境的变化,诊断孕灾环境对中下游洪水输移、滞蓄、水位流量关系等产生的影响与作用机理。②通过历史信息、观测资料以及数值模拟的演化分析,识别影响防洪系统洪水行为的关键因素及其变化,揭示防洪系统中系统结构与系统水沙变化之间的耦合反馈机制及其洪水响应规律。③基于流域近期实际发生的大洪水的洪水特性和防洪体系运行实况的系统分析,建立描述防洪系统水沙运动的数学模型,对防洪系统河湖水情进行整体模拟和系统反演,弄清主要影响因素与河湖水情变化的定量关系和互动反馈机制,揭示高洪水位的形成原因和调控机理。

(3)灾害性水文气象形势监测、预报与防洪调度现代化研究。以水情自动监测与传输系统、实时洪水预报调度系统、防洪减灾决策支持系统和国家防汛指挥系统共同组成的防洪减灾系统在我国已基本形成,极大地改善了我国防洪减灾能力,提高其精确度、可靠性和效率是下一步应当抓紧的课题。在这一课题下,如何提高水文测验技术、开发水文模型和洪水调度模型是两个最关键的基础水文学课题。

当前迫切需要结合暴雨洪水预报以及灾害评估的实际要求,充分利用计算机通讯、自动化测验、遥感遥测等现代化手段,着重研究洪水及洪灾监测监控系统开发的关键技术,例如高洪漫滩情况下测流和测沙方法、分洪溃口条件下洪水预报方法、定量降雨预报和多信息源联机作业预报方法、复杂防洪系统防洪调度的水情模拟和调度仿真、以及基于高新技术平台的洪水灾害评估系统。

(4)三峡工程建成后长江中下游防洪研究。三峡工程建成后,水库的调蓄作用将使长江中下游的防洪形势发生深刻变化,迫切需要在充分掌握新出现的长江防洪形势变化的基础上,研究三峡工程建成后长江中下游河床的冲淤变化、河势变化及江湖关系的调整变化、洪水演进规律等重大技术问题,全面评价蓄、泄、分洪等各类防洪措施及其组合的蓄泄效果和长期影响,为新形势下长江防洪的战略安排和远景规划提供决策依据。

(5)流域水资源演变规律与科学调控。流域水资源是流域社会经济可持续发展最重要的资源与环境支撑条件之一,对我国可持续发展有着举足轻重的作用。20世纪50年代以来,特别是近20年来流域社会经济高速发展,水资源与环境负荷日趋加重,人口-水资源-环境形势日趋紧张,呈现出一系列重大水资源与水环境问题。这些问题给制定和实施流域和国家可持续发展战略的宏观决策带来了诸多不确定因素。

面对流域水资源的重大问题,应从科学层面上深入研究流域水资源演化规律、现代变化格局及调控理论与方法,其关键科学问题包括:流域水资源系统现代格局是怎样形成的?如何区分流域水资源系统演化中自然因素和人文因素的作用?在全球变化背景和经济与社会快速发展背景下,流域水资源未来发展趋势如何?如何对流域水资源变化实施有效适度调控,使其适应流域可持续发展的需要?主要研究内容有:流域水资源系统历史演变规律与现代变化特征;流域水资源系统对全球气候变化的响应;流域人-水-地系统现代格局与人类活动作用的识别;流域水沙输移及其与流域地貌系统的相互作用;重大水工程对流域水资源未来变化趋势的影响;流域水资源承载能力评价与人-水-地关系调控。

(6)生态环境演变的水文背景及生态环境需水量。水的生态与环境意义已众所周知,应进一步研究的是,揭示人类是怎样影响了水的分布、运动和水的质量,进而引起生态与环境的变化,以及这种变化对自然水体和人类自身的反馈效应和作用机理。在应用层面上,无论水资源承载能力评价、水资源配置、洪水资源利用等,最关键的问题是如何估计生态环境需水量。由于生态环境的继承性和地域性,因此生态环境需水量研究拟依流域或不同地域进行。

就生态环境演变的水文背景而言,关键科学问题是水循环动力学机制与分布式水循环模型。包括:大气-水分-植被-土壤系统间的相互作用;水循环过程动力学机制;模型参数空间变异性分析;流域水文特征参数的自动提取与分布式水循环模型的耦合;遥感和GIS在分布式水文模型中的应用及尺度转换。就生态环境需水量而言,关键科学问题是水文循环与生态过程的关系以及生态水文耦合模式。包括:区域水循环过程与植被群落演替、生态过程的关系;生态系统中植被水分关系;生态水文过程的尺度转换;气候、水文、生态耦合模式;土壤-植被-大气连续体水分传输、界面水分过程及其综合模拟。(www.xing528.com)

(7)水资源承载能力、合理配置和科学调度。实现水资源可持续利用就是要求对水资源的开发利用不超过水资源的承载能力。水资源承载能力由水资源禀赋条件、社会经济条件、科学技术水平、生态环境条件四部分组成,因此没有水文学和水资源学基础的支持,不可能进行水资源承载能力的评价和提高水资源承载能力。目前我国在这一方面的研究仍十分薄弱。区域性水资源短缺的重要原因是水资源地区分布不平衡和时程分配与人类需求不匹配,因此必须进行水资源合理配置与科学调度。在我国实现水资源合理配置与科学调度中有许多关键科技问题需要回答。在基础研究层次,目前需要重点突破水与生态相互作用的模式、机理、过程与效应问题,并在流域尺度上探索天然水循环与人为影响的相互作用机理;在应用基础层次,需要重点突破水资源-生态环境-社会经济复合系统的描述问题,将集总式流域模型与分布式流域模型结合,同时解决复杂系统多维调控的决策方法问题;在应用层次,需要明确经济用水与生态用水的比例;对于跨流域调水,需要解决可调水量、输水安全、调水引起的生态环境效应、调水系统的运行管理等问题;为了保障饮用水安全,当前迫切需要开展饮用水源的水质安全评价和区域供水水源地综合规划(包括战略备用水源地规划)。此外,还应加强水资源可利用量、缺水对策、水库群联合调度、水库汛限水位的调整与运用等问题的深入研究。

(8)水资源循环再生利用、综合节水和水资源高效利用技术。水资源循环再生利用技术研究包括:重点研究北方缺水地区由于气候变化和大规模的水资源开发利用对水资源形成和再生机理的影响,研究四水转化(大气降水、冰雪、地表水和地下水,包括土壤水)规律,摸清各种水资源衰减和再生性维持机理,探讨人类活动影响下各种水资源的评价方法,以及水资源可持续利用的方式和对策;对人工大面积增雨技术的机理进行研究;研究城镇污水安全高效低成本处理技术。

综合节水和水资源高效利用技术包括:发展农业、工业和城市节水高效利用,建设节水防污型社会。开展地表水与地下水联合运用及区域水资源优化配置技术研究,开展农业灌溉、工业和城市节水的新技术和污水资源化的新技术研究及设备产业化,并进行相应的技术经济政策研究。大力发展微咸水、海水直接利用、海水淡化和海水综合利用技术,努力降低海水淡化成本,使微咸水与海水利用成为部分替代性水资源。

(9)地下水资源的开发利用与保护。针对全国地下水开展新一轮勘查评价的需求,着重研究区域地下水形成条件、循环规律及其与区域构造条件的联系,研究地下水勘查开发利用及地表-地下水联合运用的科技问题,研究浅层地下水合理开发利用及其生态环境效应问题。在地下水资源保护方面,着重研究地下水污染的发生与发展过程,地下水中污染物的迁移转化特点,地下水污染对区域生态环境、社会经济发展的安全性与制约机制,以及对污染地下水的修复技术。

(10)旱涝规律及大面积长历时干旱预测与监测研究。我国干旱造成的农业损失远大于洪涝造成的农业损失,大面积长历时干旱事实上已经成为我国可持续发展的威胁,因此干旱研究与洪涝灾害研究同样重要,并成为我国水资源安全的重大课题。我国在干旱发生发展机理研究方面已做了大量的工作,但成效远不如洪涝研究显著,至今进行干旱预测仍然是一个棘手的课题。我国过去的旱涝规律研究多着眼于水文气象因子长期变化规律的分析,这样的研究方法由于把干旱形成机制割裂为彼此关联度小的诸因子,因而难以揭示干旱形成的物理机制。20世纪80年代以来物理气候学的兴起,把旱涝视为大气-海洋-陆地-冰雪圈-热带雨林等物理气候因子形成的大系统的现象,甚至还考虑太阳等宇宙因子的影响。因此,我国关于旱涝规律与干旱预测研究,应当在已进行的统计预测的基础上,更加强物理气候学途径的研究。

此外,利用3S技术进行大范围干旱监测与预测也是当前干旱研究的热点。从能量平衡方程出发,充分利用3S技术所获取的下垫面信息,耦合大气模型和水文模型,揭示大范围干旱发生发展的规律,进而对大范围干旱的范围和程度进行动态监测与预测。

(11)水管理问题。水管理是使水资源通过各类工程和措施发挥最优效益和减缓不利影响和副作用的关键,应继续加强水资源管理的研究,以满足我国社会-经济发展对水资源及其水环境的合理需求,并使社会经济发展赖以为基础的自然环境得到有效保护。当前亟待解决的水管理问题是:建立以水权和水市场理论为基础的水资源管理体制,在政府宏观调控下,充分发挥市场机制在水资源配置、节约、保护上的导向作用,形成以经济手段为主的节水防污机制,为节水防污型社会建设与水安全保障提供决策依据。其研究内容主要包括:适合中国可持续发展的水资源需求管理的政策框架、水资源需求管理的技术体系框架、水资源需求管理信息系统建设的框架以及水资源需求管理的能力建设规划等。研究重点是:通过法律手段调控水资源的合理利用;通过水权的分配和交易以及水市场的建立来实现水资源的权属管理;通过经济手段,包括水资源的价值体系、经济管理体系、节水效益分析、水资源折旧、排污收费等,对水资源利用进行调控和干预。

(12)水工程规划设计中的水文水资源问题。主要是设计洪水和设计径流量计算方法的研究。新中国成立50年来,虽然水文系列延长达到30～50年,但由于剧烈的人类活动,使水文系列的代表性严重丧失,从而背离了其依据的数理统计学基础。目前各大流域采用“还原”方法试图将受人类活动影响的资料系列还原成原始状态下的系列,或将20世纪50～80年代未受严重人类活动影响的系列“还现”成现代水文条件下的系列,从科学意义上讲这是做不到的。因此现行设计洪水和设计径流量计算方法已失去了其资料基础,进行人类活动影响下设计洪水和设计径流量计算方法的研究十分必要和迫切。