辽宁水文实验研究现状与发展

安 元

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

水文学是研究地球系统中水的存在、分布、循环过程的时空变化及水域生态、环境和社会相互关系的学科[1]，推动人类对该学科的认识与该学科理论发展的主要基础，则来源于理论推演解析与实验[2]。理论推演主要通过假设、推理、数学计算等过程得到描述水文规律的方程，实验研究则是通过控制变量、观测、数据分析得到水文规律。现有研究资料显示，截至目前的水文学进展，绝大多数都源自水文观测与实验。

水文实验是水文学研究的重要途径，以水文循环为基本原理，以水量平衡为基本准则，通过联合被动的现象观测和主动的控制试验与实验，从定性、定量到定解，分析水文现象和水文过程的状态和成因，阐明其变化规律和内在联系，并将结果外延应用于水文学之中[3]。

水文实验在水文预报、分析计算、泥沙研究、水资源评价和新设备研发等方面发挥了重大作用，推动了水文学科进步，但由于资金保障不足等原因，自20世纪90年代以来，中国水文实验陷入了停滞和倒退，辽宁水文实验也同样未能幸免。随着社会发展、生态环境对水文服务能力提出更高的要求，水文实验能力亟待加强，水文实验站建设亟需开展。

1 水文实验的研究内容和方法

1.1 研究内容

水文实验的研究内容主要分为以下几个方向：①径流实验研究，研究不同地区自然条件和各工程措施条件下的产流、汇流的物理机制和变化规律；②蒸发实验研究，研究不同地区、不同下垫面条件下各类蒸发及其物理机制和观测方法；③地下水与土壤水实验，研究不同地区地下水入渗、地下水动态水位、地下水水质和水文地质参数等变化规律；④城市水文实验研究，侧重研究城市化后城市雨洪关系、城市暴雨与设计洪水公式、城市热岛效应、雨水收集利用、城市点面源污染规律等；⑤水质与水生态实验研究，主要研究水体中生态变化规律和污染物随水体运移机理，研究湖库富营养化、河道生态水量，以及水功能区量质关系和点源、线源、面源污染迁移规律；⑥泥沙实验研究，主要研究不同流域(典型小区)水沙关系、悬推比、产输比，典型地貌特征的产沙规律，河流泥沙运动规律等；⑦水文测验方法和仪器设备实验研究，探求与研究不同类型河流流量、水位测验方法和适用的仪器设备；⑧水库水文实验研究，主要研究水库建成后水流沙变化规律，水库对径流、泥沙等拦蓄作用和影响；⑨河道演变实验研究，主要研究河道冲淤变化、河床演变规律，悬移质挟沙能力和推移质对河道、河床演变影响。

1.2 研究方法

水文实验的研究方法可以按以下几个方法进行分类。

(1)按照对流域环境要素控制的程度，可分为3类[4- 5]，①天然流域法，实验通过对原生态流域进行研究，没有人为因素影响，保持流域原始水文环境；②人工模拟流域法，完全由人工控制流域环境；③复核流域法，根据实验需要，对流域环境的部分环境要素进行控制，兼具天然流域和人工流域的特点。

(2)按照实验流域选择方法，可分为3类[6- 7]，①单一流域法，对同一流域在不同的环境要素控制条件下的水文过程进行实验；②平行流域法，对多个除了控制要素以外其他环境要素基本相同的流域进行对比实验；③控制流域法，对多个环境要素基本相同的流域进行一段时间的同步观测后，一个流域保持原状、其他流域进行环境要素控制，再继续进行观测。

(3)按照观测数据处理手段，可分为3类[8]，①统计法，依据经验对观测数据进行分析，以数理统计为手段，解释数据内在关系；②模型法，根据对水文循环的认识，概化出水文模型并通过数学语音进行表述；③示踪法，利用无机水化学离子、元素和同位素分析水文循环过程。

1.3 中国水文实验简述

中国有记载的水文实验研究开始于1924年，在山西省及山东省设置的径流观测区，研究不同暴雨条件下植被覆盖对地表径流和水土流失的影响。新中国成立后，原治淮委员会于1953年设立了清沟等径流实验站，主要项目有径流实验、降雨入渗实验、土壤蒸发实验及土壤含水量测验等，中国水文实验正式起步[9]。1959年全国水文工作会议印发了《关于进一步开展水文实验研究工作的意见》，中国水文实验研究进入了快速发展阶段，经过多年建设，全国水文实验站最多时达到了255处。之后由于政治运动影响，水文实验陷入停滞状态，实验设施遭受破坏。1986年，原水利电力部组织开展全国水文实验调查工作，推动了水文实验研究的恢复，但受到研究经费短缺的影响，水文实验站难以开展有针对性的实验。

2010年，原水利部水文局编制了《全国水文实验站规划》，根据全国水文实验站情况调研结果，截至2010年全国水文实验站不足70处，其中仅15处能够开展实验[10]。国内具有代表性的水文实验有五道沟水文实验站、滁州水文实验站、新安江水文实验站、太谷均衡实验站及巴彦高勒蒸发实验站等，多属于流域机构建设或管理的水文实验站，主要开展了降水、径流、蒸发、水文循环过程、流域污染物迁移过程机理、水环境及水生态修复、气候影响因素研究等各类实验。

2 辽宁水文实验的现状与问题

2.1 现状

辽宁水文系统自1958年以来相继建立了叶柏寿径流实验站、台安径流实验站、营盘蒸发实验站和彰武旱情实验站。水文实验站的观测研究工作，为水文水资源方面的计算和研究提供了宝贵的第一手资料，无论在水资源评价，还是在排水设计建设、水田节水灌溉实验、干旱地区径流及人类活动影响、水库蒸发与陆面蒸发关系研究等方面，都发挥了极大的作用。

台安径流实验站建于1960年，是东北地区唯一的一处平原区水文实验站，拥有潜水动态蒸发实验场、水稻节水灌溉实验区及大明潭实验区，设有地中蒸渗仪26套，呈环行排列在地下观测室周围，实验土样来自辽宁中部平原不同地区，分别为砂土、亚砂土、黏土和亚黏土，设有节水灌溉实验池6个、水稻叶面蒸发及株间蒸发观测仪器5套，土样取自全省六大灌区，设有降雨径流实验断面2处。台安实验站主要开展了辽河下游平原区“三水转化”规律实验研究、辽河下游平原区“潜水蒸发规律”实验研究、辽河下游平原区水田节水灌溉定额实验研究等一系列实验研究，进行了水田渗漏损失实验、给水度实验、水田土壤水份损失速率实验、降雨径流关系实验、水稻灌溉定额和水稻需水量实验。台安实验站经过多年的运行，取得了大量实验成果，对“三水”转化规律提出了新的观点，对水资源计算提出了新的方法，提出了辽河下游平原区有作物和无作物“潜水蒸发规律”的分析成果，曾获得辽宁省水利厅科技进步一等奖和辽宁省政府科技进步三等奖。

营盘蒸发实验站建于1959年，建有陆上水面蒸发场一处，水上漂浮蒸发场一处，1960年开始观测，1982年由于实验设施设备年久失修、人员经费不足等各方面原因，对实验项目作了较大调整，削减多项不同高度、不同口径的蒸发实验项目以及水上漂浮蒸发项目。主要开展了研究梯度地温对蒸发量的影响研究、E601障碍物对蒸发量的影响研究等，为SL630—2013《水面蒸发观测规范》的制定提供了理论及实践依据。

叶柏寿径流实验站建于1958年，作为干旱地区的径流实验站在全国是独一无二的。由于经费等原因，径流实验站于1995年停测。只将蒸发场迁到叶柏寿水文站继续观测，并随同该站资料一并刊印到现在。

彰武旱情实验站建于2007年，是辽西北地区大型综合实验站，可以代表辽宁省西部干旱地区的旱情指标，主要观测项目有降水、4种不同类型土壤的含水量、E601及20cm口径蒸发、地下水位、泥沙等。

2.2 存在问题

辽宁水文实验站受当时经济社会发展水平、实验研究技术及设备的限制，实验站存在设计标准较低、实验研究手段落后、监测设备老化等问题。

(1)实验设施老化。辽宁水文实验站除彰武实验站以外，均建于20世纪50—60年代，部分已经不能正常运行，例如地中蒸渗实验场地下观测室和实验土柱存在漏水渗水、地中蒸渗监测设备损坏等问题，导致无法正常开展地中蒸渗相关实验。

(2)实验环境变化大。水文实验站建设初期经济社会发展水平低，随着城镇化进程加快、生态环境保护要求提高、土地规划变化，实验环境也发生了较大变化，例如大明潭实验区受到土地开发、周边居民生活的影响，破坏了实验区的闭合性，影响了径流实验的开展。

(3)实验手段落后。仪器设备多为建站初期配置，由于维护改造经费的缺乏，观测手段严重落后于现代技术发展。如地中蒸渗实验场采用的是马氏瓶法人工监测土壤蒸发与下渗量的变化，部分降水、蒸发、气象等要素的观测仍为人工观测。

(4)实验项目单一。受到现有设施设备的制约，实验项目以传统项目为主，侧重于防汛减灾，已经不能满足城镇化快速发展、水资源配置与高效利用、水生态水环境问题提出的新要求，实验研究方向有待调整。

(5)实验人员经费不足。水文实验具有长期性、基础性、公益性的特点，受到经济及社会环境影响，经费得不到落实，很多项目无法开展或者开展不够到位，部分资料因受经费的限制而没有整理刊印，测站工作人员学历不高，高学历高素质的专业人才得不到补充，技术力量薄弱。

3 辽宁水文实验能力发展浅析

辽宁水文实验站目前由于存在诸多问题，已经不满足开展实验研究的条件，亟需通过更新改造建设恢复、提升水文实验能力，为水文基础理论研究、现代化技术设备应用提供支撑保障。

3.1 发展目标

辽宁水文实验站发展的总体目标是为我国半湿润与半干旱地区水文监测与水文要素变化规律及模拟研究积累资料、提供经验，为制定水文监测与实验相关的技术规范或标准奠定基础。建成与经济社会发展要求相适应的防洪安全体系、供水安全体系、水生态安全体系、水利科学发展保障体系“三安全一保障”水利保障体系，为实现水文现代化、全面振兴老工业基地目标提供更加坚实的支撑和保障。

3.2 建设原则

以《全国水文实验站网规划》(2010年)和《全国水文基础设施建设规划(2013—2020年)》[11]为依据，结合辽宁省水文实验站具体需求，合理确定实验站建设规模和建设内容，充分利用可用的基础设施、设备及通信资源，结合已开展项目，杜绝重复建设，合理安排水文实验站建设内容。从水文可持续发展的角度出发，充分考虑未来科学技术进步与经济社会发展需要、实验代表区域水文水资源特点和规律研究需要、新技术新方法等研究需要、基础理论研究和应用技术研究需要，科学合理、适度超前地谋划实验站的研究方向。

3.3 建设任务

通过建设径流相关实验场，建成集降水径流、土壤蒸发与下渗、水量平衡及水面蒸发等实验研究为一体的实验平台，为研究半湿润与半干旱地区产汇流规律、水土流失规律、小区水量平衡规律以及不同类型土壤的蒸发与下渗规律研究提供基础数据和技术支撑，为东北地区水资源管理、水安全保障及社会经济发展服务。

通过改建陆上水面蒸发实验场、新建漂浮水面蒸发实验场，完善水文气象要素的监测，建成较为完善的水面蒸发实验平台，为研究半湿润与半干旱地区水面蒸发规律、探求气象要素对水面蒸发的影响及关系积累资料、提供经验，为大型水体水面蒸发相关的技术规范或标准制定奠定基础。

通过建设水文气象及墒情相关实验场，开展不同类型土壤下墒情监测设备的对比观测，分析仪器设备的稳定性、灵敏性和准确性，为墒情监测设备在辽宁省乃至全国的应用鉴定和研究不同质地土壤含水量和土壤退水规律提供研究平台，为东北地区的干旱规律研究、经济社会可持续发展提供技术支撑。

4 结论

辽宁水文实验研究起步较早，实验研究内容较为全面，研究成果较为丰富，是中国水文实验的先行者，为水文学科的发展提供了有力的技术支撑，但由于一系列原因，辽宁水文实验研究目前陷于萎缩停止。结合水利部对全国水文实验发展的部署，通过对辽宁水文实验站进行改造、更新、升级，加强实验研究能力，拓展实验研究范围，以期初步构建起手段先进、功能完善、管理科学的水文实验体系。

同时也应看到水文实验在很多方面仍存在很多问题需要进一步完善。①实验的规范性、连贯性有待加强，中国在20世纪50—60年代设立的实验流域中，只有五道沟实验站的资料系列未间断[12]；②数据有待深度加工，水文实验的数据具有很强的针对性及重要的科研价值，但受经费、人才等制约，加工能力不足；③共享机制有待完善，水文循环与大气圈、土壤圈密切相关，水文实验需要在完善学科内共享的基础上，达成多学科协同研究[13]；④成果有待转化推广，加强与生产实际的联系，使成果为社会经济发展服务。