人類活動水文效應

由人類活動引起的河川流域水文情勢的變化。人類活動內容包括：①河流工程(在河流上築壩，修水庫，建閘，修堤，修築分水、提水工程、整治航道等)：②大面積灌溉、排水及蓄洪墾殖，土地利用的改變(開荒、休耕、作物改制、營林、毀林等);③城市化和工業化等。引起的水文效應有： 區域水量、沙量平衡、河川徑流量、輸沙量及年內分配，河流最大及最小流量、輸沙率及最高最低水位，地表水及地下水的轉化，年徑流量、年輸沙量及年最大流量、輸沙率的頻率分布，水質與水溫，河流鹽量平衡，流域內降雨、蒸發和土壤含水量等變化。

基本介紹

• 中文名：人類活動水文效應
• 外文名：hydrologiceffects due to human activities

1.人類活動的影響和計算方法

1.1 人類活動對水文情勢的影響

可分為有意識的和無意識的兩種。有意識活動直接改變水文情勢的有：修建水庫調節徑流、修建供水工程從河流取水、修建排水工程向河流排水， 以及在河口建擋潮閘防止海水入侵等;有意識活動間接改變水文情勢的有：開闢運河、架設橋樑、修築堤防、水運、木材流放、漁業、水上旅遊及部分廢水處理等;無意識的活動改變水文情勢的有農業及林業措施，都市化及工業化等。直接改變河流水文情勢的活動，一般可設專用站進行水文觀測，人為地控制工程的運用，進行定量分析比較容易。間接改變水文情勢的活動比較複雜，必須首先衡量這類影響在過去歷史時期內的活動範圍，才能分析近期活動的影響。無意識的活動往往是在較大範圍內進行的，又是逐年變化的，如果不能組織對整個活動的調查和定點觀測， 則其對水文情勢變化的影響只能是粗略的估計。基於組織水文觀測要求不同，也可將人類活動的水文效應分為突變、漸變和不規則變化三類。引起突變的活動有修水庫、建閘、開分洪道、修堤，大規模供水工程等，這種在短時期內的突變，將造成永久的水文環境條件變化。漸變是指在連續不斷的活動下水文情勢的逐步改變，如泥炭地的疏乾、開礦、城市化和工業化以及施工期很長的工程分期發揮效益等。不規則的活動如流域內某處森林的採伐，土地改良、濕地疏乾、淺層地下水開發及各種農業措施等。在大範圍內各種不同的人類活動的綜合總是錯綜複雜的，其對水文情勢的影響有時連定性也很困難。因此研究人類活動對水文情勢的影響首先要加強水文觀測，提供基本資料，才能分析出真正的水文效應。

1.2 計算方法

定量計算人類活動的水文效應是困難的，因為天然因素同時在起作用，其變幅有時可以超過人類活動影響的數值; 目前用於定量計算人類活動水文效應的方法是粗略的。計算方法大致可分兩類：第一類是基於長期觀測站的徑流脈動變化，結合流域天然的水文、氣象因素變化，分析人類活動的水文效應;曾經廣泛套用的是將自然與人為因素與徑流、輸沙建立多元回歸的數學模型。如果流域內有長期觀測控制站的水文系列，則可用於研究流域徑流、輸沙的時序變化;如果有同步觀測系列而開發水平不同流域的資料，則可用來研究徑流、輸沙均值的空間分布變化。這類方法用於研究農業、林業措施的水文效應較多，但要求有包括各種氣象條件的長系列資料才能得到較可靠的結論，故一般不作為估算人類活動水文效應的主要方法。第二類方法是基於研究流域內水、熱、沙、鹽量平衡要素的變化，例如套用實驗流域的水、沙、鹽平衡資料， 可以建立其數學模型，當變動某個因素時產生的變化，就是該項人類活動的單獨效應;但模型可靠與否既依賴於原始記錄的可靠性及完整性，也依賴於模型中的數學方程模擬的真實性和代表性，一般用於實測資料變幅範圍內尚較可靠。第一類方法只能求得各種人類活動的綜合的水文效應，不能把各項人類活動的水文效應分開。第二種計算方法可以把人為因素個別地考慮，例如分開考慮灌溉、排水、土地改良及河流控制工程的水文效應等。

2.代表性的人類活動

2.1 水庫

修建水庫後可以調節徑流，季調節水庫可以調節徑流的年內分配，年調節水庫可以調節徑流的年際分配。建庫後通常可削減水庫下游的洪峰流量，提高枯季最小流量;但如管理不當，初期蓄水過多，臨時突然泄放，下游將被人造洪峰波及，如正遇區間洪水， 可能造成比沒有水庫更大的洪峰。有關水庫調洪演算方法見水庫調洪計算。水庫在調節徑流的同時，由於庫中流速小、泥沙淤積，亦改變河流中泥沙的時間和空間分配。修建水庫後，水面面積擴大，蒸發量增加，其值為水面與陸面蒸發差值與水庫增加的水面面積的乘積。由於庫水位抬高，使庫區及周邊地下水位升高，並增加了包氣帶土壤含水量。如果修建水庫後使下游洪泛平原變為耕地， 則應將其減少的蒸發量在流域的蒸發變數中扣除。一般水庫修建後10～20年庫底包氣帶可達到飽和，庫區周邊地下水升高的範圍視水文地質條件而異， 一般可擴散到水庫周邊10～20公里。水庫調節的水文效應可根據實測水庫出流進行反調節計算，還原成為天然的徑流系列。

2.2 灌溉

灌溉耗水在水資源利用中的比例最大，特別在乾旱、半乾旱地區的大規模灌溉，對河川徑流輸沙的時、空變化、年內分配水量、熱量、沙量及鹽量平衡、流域蒸散發和地下水位以及灌區氣溫、濕度等都會帶來顯著的變化，影響範圍常不限於灌區，對鄰近地區的水、熱、鹽量平衡及蒸發，下滲與地下水位等亦有一定的影響。灌溉可使土壤鹽分排入河流、泥沙沉入耕地而改善土質，由於上壤濕度增大而增加土壤吸熱量，有利於作物生長;但所有的沙量鹽量與熱量變化都由於水的媒介作用引起，因而以水量平衡為主，套用系統分析方法，進行多因素的水文效應研究，仍然是可解的。可以分成若干子系統，套用水量、沙量、鹽量及能量平衡的數學方程求解。為了求定數學模型中的參數，必須進行面上的水文、水文地質、含沙量、水化學、土壤化學等觀測、取樣、及泥沙分析與化學分析，取得必要的數據; 再與灌區主要的引水、配水工程的觀測數據結合起來，就可以進行灌溉後引起的水量、沙量、鹽量和熱量因素變化的定量估算。

2.3 沼澤排水

估計沼澤排水的水文效應常用的方法是實驗流域對比法和水量平衡法。對比實驗流域是對兩個其他條件相似，但一個有排水系統另一個沒有排水系統的流域的水情要素進行對比， 找出沼澤改良中水文情勢變化的控制因素及其與工程條件 (如排水溝之間的間距及排水溝深度等) 的關係。建立對比實驗流域投資較大，且對比流域之間總有某些自然條件的差異，已較少套用。水量平衡法主要用於估算排水面積上蒸發、下滲及徑流特性的變化。沼澤排水前、後，其蒸發量及土壤蓄水量將產生明顯變化，設降雨量不受排水的影響， 則

ΔQ=(-E′+ΔM′)-(-E+ΔM)

式中ΔQ為排水前後徑流量變化：E，E′為沼澤排水前、後的蒸發量：ΔM， ΔM′為沼澤排水前、後的土壤蓄水變數。一般以地表以下一米深表層土壤含水量的蓄水變數為指標。上述E，EΔM，ΔM′均依靠實驗數據而定，也可用經驗公式推求。

2.4 林業及水土保持

原始森林的採伐，山坡開荒種地，在荒坡、草原及沙漠地帶種草植樹等活動對水文情勢都將產生影響。高緯度地區森林，因林地積雪，而積雪對太陽輻射的反射率高達80～90%，故積雪期蒸發量小，加之在林區冬季常有水平降雨，從而使林區的徑流模數(每平方公里的平均徑流深)大於非林區。緯度較低的林區，積雪少，旱季林區蒸發量大於非林區，其徑流模數反而比非林區為小。故森林對徑流的水文效應將視具體的氣候及下墊麵條件而變，既可能增加，也可能減少。

林區土壤下滲率一般都大於非林區， 故林區的表層土壤含水量大，壤中流及地下徑流比重大，而地表徑流比重小，在一次相同暴雨下，林區的洪峰流量模數要小於非林區，有一定的削減河流洪峰的作用。但是在連續大雨的情況下，土壤處於超飽和狀態，已無削減地表徑流的能力，相反，在局部土質疏鬆的陡坡林地。在地表流、壤中流和重力等外力作用下，可引起山洪暴發，加重洪水的災害;當然這種山洪一般都是小範圍的，次數也不多見。森林的水文效應，可用對比實驗流域法，即對兩個相似的林區小流域同時觀測若干年，然後將一個小流域內樹木全部採伐繼續進行觀測，既有本流域的採伐前、後期對比觀測資料又有同步的相似流域的對比觀測資料;通過對比流域的水量平衡沙量平衡分析，就可定量估算林區與非林區的徑流、蒸發、輸沙以及地表流、壤中流及地下徑流比例的變化。坡地是發生地表侵蝕即水土流失的主要來源區，地表植被愈差，地表徑流的比重愈大，坡面流速愈快，洪峰模數增大，含沙量亦增大。而封山育林(在山坡上植樹種草)，陡坡地退耕還林，或將緩坡耕地改成水平梯田等水土保持措施，可以起到保水，保土的作用。高標準的水土保持措施將降低坡面水流的流速及含沙量，減少洪峰徑流模數及地表水的比重。一般也用對比實驗流域的資料通過水沙平衡計算， 估算水土保持對徑流及地表侵蝕的水文效應。

2.5 城市化和工業化

城市化和工業化的發展，將使城區水循環的數量和質量產生新的變化。城市人口密集、工廠林立、交通運輸頻繁，工業用水和居民生活用水量大，廢氣和廢水不斷向城市上空及鄰近河流大量排放，使空氣和河流水質發生污染等，都是城市化及工業化的必然結果。據研究，由於大規模群居生活和工業、交通的頻繁活動，不斷地向空氣散發大量熱量和向空中排放大量煙塵，形成了獨特的城市微氣候，城市年平均地面溫度要比郊區高出0.5～2.0℃，人口工業特別集中的城市如上海市，溫差可達3.0～6.0℃。由於煙塵為空中水汽凝結創造了有利條件，城區降雨機會增多，一般城區比郊區降水量可增加5～10%。由於城市的發展、天然植被及農田為大面積建築和不透水路面所取代，地表滯留和下滲能力都大大降低，從而減少了地下水補給而大大增加了地表徑流，一般徑流係數達到60～70%，由於地面糙率變小，宅基和路面抬高使排水坡度增加，縮短了地表水匯流時間，從而使洪峰流量模數增大。據資料統計，接納城市排洪的中等河流，發生2～5年一遇的常遇洪水，城市化可使洪峰流量增加50～80%。隨著城市和工業用水量的不斷增長，如果因地表水供應不足而大量抽取地下水時，過渡開採地下水將使地下水位急劇下降，引起市區地面沉降，中國天津市及上海市從1949年以來平均地面沉降都在1米以上，其他國家大城市也有類似情況。沿海城市地面沉降後，進一步加劇了城市洪水、暴潮的威脅。城市的工業廢水和居民生活污水數量大，直接或間接排入河流、湖泊、窪地、地下和海洋，引起這些水體的嚴重污染，惡化了天然水域自然環境，使居民健康和工業產品質量下降。城市化和工業化的水文效應的估算方法，目前採用較多的是城市水量和水質數學模型。

1949年以後，中國在河流上修建了數以萬計的水庫，大量的機電排灌站和河流節制閘，新修和加高了堤防，開闢了分洪區和蓄洪墾殖區，擴大了灌溉的面積，出現了許多新的工業城市，土地利用狀況也發生了很大變化，這些人類活動對河流水文情勢的變化——即水文效應，產生了巨大的影響。特別是京廣鐵路以東的河流，人類活動的水文效應更加明顯，在進行這些河流的水資源綜合利用規劃時，必須充分考慮人類活動的水文效應，才能獲得最優的開發利用規劃方案。