第10期 刘昌明:“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理研究进展 993 体模型试验和原型资料的研究结果表明,在一定的布和形成条件。根据流域水分布特点、地表水和地 河床边界条件下,其萎缩的模式与水沙条件和河段下水循环交替情况,以及地质构造、水文地质条件等 的河型有关。当来流量为漫滩洪水且含沙量较高的对全流域进行了地下水系统分区。首次在黄河 情况下,为“滩槽并淤糢式。在这一模式下河槽过上游的青海省共和盆地内查明了地下水分水岭与地 水面积逐步减小,过洪能力下降,一遇“洪水就可表水分水岭的不一致性。查明在鄂尔多斯高原北部 形成河道水位较大幅度的抬高。当来流量未漫滩且的地表水内流区内,存在深部和浅部两个地下水循 含沙量较高时,形成ˆ堞集中淤槽模式。对于“集中环系统。确定了黄河下游地上悬河段黄河水对地下 淤槽模式,由于主河槽输沙能力的下降,其灾害性水补给影响宽度。确定黄河流域地下水系统总面积 更为严重。研究指出,若长期缺乏大流量洪水过程,为8287×0km2。 其泄洪输沙能力会发生累积性降低,河道萎缩将进Ⅰ10·水资源临界调控理论 步加剧,当河道萎缩至一定程度后,即使发生小流 将界壳论、控制论、协同论、耗散结构理论有机 量洪水过程,也会形成漫滩成灾现象,从而产生“小结合,建立了水资源临界调控理论,为水资源系统分 水大灾应。 析提供了一种新思路和新方法田。提出水资源系 18人类活动条件下水沙变异规律 统的有序度及有序度熵,并将其应用于临界调控,开 通过对黄河流域系统下游沉积带的硏究,确定创了水资源系统分析的新途径。以可持续发展和水 了5kaBP以来黄河下游的4次突变现象,其发生资源可再生性理论为指导,分析了流域水资源多维 年代分别为5kaBP左右、23kaBP左右、公元7~临界调控的目标和特征,提出了流域水资源多维临 世纪和公元19世纪中叶,但只有第一次突变是界调控评价的概念和由水资源利用效果、发展可持 自然因素的变化造成的,后三次都是由人类活动引续性水平、调控风险和综合评价组成的流域水资源 起的。建立了环境要素和人类活动对水沙变异影响多维临界调控方案评价的理论框架。建立了由水资 的定量关系。研究表明,自20世纪70年代以来,降源可再生性指标群、水资源与社会经济生态环境协 雨减水减沙作用不断减小,随着水土保持措施的提调性指标群和风险因素指标群组成的基于风险的流 高,人类活动减水减沙所占比重不断增大。定量分域水资源多维调控评价指标体系 析给出了黄河中游河口镇一潼关区间是影响流域产 沙的环境要素复合临界,相应的单个环境要素的 2科学技术系统方面的主要进展 复合临界分别为:悬移质泥沙中值粒径d为Q06721黄河流域分布式水文模拟系统 mm,干流平均比降G为637‰,降雨量P为4474 分布式水文模型已成为当前联系地球系统“陆 mm。用流域系统中产流产沙子系统与泥沙输移子地一大气一海洋”相互作用的重要工具,它也是现 系统、泥沙沉积子系统耦合关系的概念,对黄河干流代水文模型发展的一个趋势和方向。本项目密切跟 高含沙水流的形成机理进行了研究。流域因素是黄踪国际同类研究的发展动态,在大量的国内外交流 河下游高含沙水流形成的决定因素,不同来源的水沙协作的基础上,充分整合各方面的优势资源开发了 对干流高含水流的形成有决定性的影响来自中游多独具特色的分布式水文模拟系统(HMS, Hydo In 沙粗沙区的水沙在很大程度上决定了高含水流的发 omatic Modeling System)1B21。HMS系统以类定义 生,而来自河口镇以上清水区的径流则有很强的稀释为基础,构建了水文模型方法库。在方法库中封装 作用,可以减少下游高含沙水流发生的机遇 了40多个水文过程模拟计算方法,涉及水文变量 19黄河流域地下水系统的新划分 400多个;以国产组件式G软件 SupeRa为支 地下水系统的划分是正确评价和合理开发利用撑,建立了水循环信息平台,实现了GI和水文模拟 地下水资源的基础。本硏究将黄河流域地下水划分功能的有机集成;基于模块化结构设计,实现自定义 为5种基本类型:①松散岩类孔隙水;②碎屑岩类裂模型的功能。HMS系统集成了3种不同时空尺度 隙孔隙水;③碳酸盐岩类裂隙岩溶水;④岩浆岩和变的分布式水文模型,避免了单一水文模型在跨越不 质岩类裂隙水;⑤多年冻结层水。将黄河流域地下同时空尺度应用中所面临的水文尺度效应的难题, 水划分为9个一级地下水系统、32个地下水子系其联合应用可以从微观到宏观系统深入地认识流域 统。该地下水系统划分较之以往的研究工作成果主水循环过程。这一系统性成果已达到国际同类研究 要不同点在于进一步查清了流域地下水的埋藏、分的领先水平。总体上看,系统具有开放性、灵活性 201994-2007chinaAcademicJournalElectronicPublishingHOuse.aLlrightsreservedhttp:/www.cnkine体模型试验和原型资料的研究结果表明 ,在一定的 河床边界条件下 ,其萎缩的模式与水沙条件和河段 的河型有关。当来流量为漫滩洪水且含沙量较高的 情况下 ,为“滩槽并淤 ”模式。在这一模式下河槽过 水面积逐步减小 ,过洪能力下降 ,一遇“洪水 ”就可 形成河道水位较大幅度的抬高。当来流量未漫滩且 含沙量较高时 ,形成“集中淤槽 ”模式。对于“集中 淤槽 ”模式 ,由于主河槽输沙能力的下降 ,其灾害性 更为严重。研究指出 ,若长期缺乏大流量洪水过程 , 其泄洪输沙能力会发生累积性降低 ,河道萎缩将进 一步加剧 ,当河道萎缩至一定程度后 ,即使发生小流 量洪水过程 ,也会形成漫滩成灾现象 ,从而产生“小 水大灾 ”效应 [ 8 ]。 1. 8 人类活动条件下水沙变异规律 通过对黄河流域系统下游沉积带的研究 ,确定 了 5 ka BP以来黄河下游的 4次突变现象 ,其发生 年代分别为 5 ka BP左右、2. 3 ka BP左右、公元 7～ 10世纪和公元 19世纪中叶 ,但只有第一次突变是 自然因素的变化造成的 ,后三次都是由人类活动引 起的。建立了环境要素和人类活动对水沙变异影响 的定量关系。研究表明 ,自 20世纪 70年代以来 ,降 雨减水减沙作用不断减小 ,随着水土保持措施的提 高 ,人类活动减水减沙所占比重不断增大。定量分 析给出了黄河中游河口镇 —潼关区间是影响流域产 沙的环境要素复合临界 [ 9 ] ,相应的单个环境要素的 复合临界分别为 :悬移质泥沙中值粒径 d50为 0. 067 mm,干流平均比降 Gi 为 6. 37‰,降雨量 P为 447. 45 mm。用流域系统中产流产沙子系统与泥沙输移子 系统、泥沙沉积子系统耦合关系的概念 ,对黄河干流 高含沙水流的形成机理进行了研究。流域因素是黄 河下游高含沙水流形成的决定因素 ,不同来源的水沙 对干流高含水流的形成有决定性的影响 ,来自中游多 沙粗沙区的水沙在很大程度上决定了高含水流的发 生 ,而来自河口镇以上清水区的径流则有很强的稀释 作用 ,可以减少下游高含沙水流发生的机遇。 1. 9 黄河流域地下水系统的新划分 地下水系统的划分是正确评价和合理开发利用 地下水资源的基础。本研究将黄河流域地下水划分 为 5种基本类型 : ①松散岩类孔隙水 ; ②碎屑岩类裂 隙孔隙水 ; ③碳酸盐岩类裂隙岩溶水 ; ④岩浆岩和变 质岩类裂隙水 ; ⑤多年冻结层水。将黄河流域地下 水划分为 9个一级地下水系统、32个地下水子系 统。该地下水系统划分较之以往的研究工作成果主 要不同点在于进一步查清了流域地下水的埋藏、分 布和形成条件。根据流域水分布特点、地表水和地 下水循环交替情况 ,以及地质构造、水文地质条件等 对全流域进行了地下水系统分区 [ 10 ]。首次在黄河 上游的青海省共和盆地内查明了地下水分水岭与地 表水分水岭的不一致性。查明在鄂尔多斯高原北部 的地表水内流区内 ,存在深部和浅部两个地下水循 环系统。确定了黄河下游地上悬河段黄河水对地下 水补给影响宽度。确定黄河流域地下水系统总面积 为 82. 87 ×10 4 km 2。 1. 10 水资源临界调控理论 将界壳论、控制论、协同论、耗散结构理论有机 结合 ,建立了水资源临界调控理论 ,为水资源系统分 析提供了一种新思路和新方法 [ 11 ]。提出水资源系 统的有序度及有序度熵 ,并将其应用于临界调控 ,开 创了水资源系统分析的新途径。以可持续发展和水 资源可再生性理论为指导 ,分析了流域水资源多维 临界调控的目标和特征 ,提出了流域水资源多维临 界调控评价的概念和由水资源利用效果、发展可持 续性水平、调控风险和综合评价组成的流域水资源 多维临界调控方案评价的理论框架。建立了由水资 源可再生性指标群、水资源与社会经济生态环境协 调性指标群和风险因素指标群组成的基于风险的流 域水资源多维调控评价指标体系。 2 科学技术系统方面的主要进展 2. 1 黄河流域分布式水文模拟系统 分布式水文模型已成为当前联系地球系统“陆 地 —大气 —海洋 ”相互作用的重要工具 ,它也是现 代水文模型发展的一个趋势和方向。本项目密切跟 踪国际同类研究的发展动态 ,在大量的国内外交流 协作的基础上 ,充分整合各方面的优势资源开发了 独具特色的分布式水文模拟系统 (H IMS, Hydro In2 formatic Modeling System) [ 12 ]。H IMS系统以类定义 为基础 ,构建了水文模型方法库。在方法库中封装 了 40多个水文过程模拟计算方法 ,涉及水文变量 400多个 ;以国产组件式 GIS软件 SuperMap 为支 撑 ,建立了水循环信息平台 ,实现了 GIS和水文模拟 功能的有机集成 ;基于模块化结构设计 ,实现自定义 模型的功能。H IMS系统集成了 3种不同时空尺度 的分布式水文模型 ,避免了单一水文模型在跨越不 同时空尺度应用中所面临的水文尺度效应的难题 , 其联合应用可以从微观到宏观系统深入地认识流域 水循环过程。这一系统性成果已达到国际同类研究 的领先水平。总体上看 ,系统具有开放性、灵活性 , 第 10期 刘昌明 :“黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理 ”研究进展 399