现代水文学研究的新方向有哪些

作者：蒋宪伟
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自二十世纪五十年代以来，各式各样的同位素技术被引入到水文研究领域，为水循环特征的研究，提供了一种不同于以往的，十分快捷而有效的途径，从而在获取地下水的年龄、估算地下水滞留时间、不同水体间相互的混合比例及水力联系等信息方面，发挥了传统方法无可替代的重要作用。
为了针对研究区开发利用中所面临的种种问题与挑战，为了更全面地研究探索所研究区域的水循环特征，可以利用同位素技术对所研究区域的地表-地下水系统进行调查分析，从而知晓了解系统中各水体的起源、消耗、补给、循环速度、不同水体间的水力联系和相互转化关系，为更好地进行水循环研究提供更加良好和精确的信息。
二十世纪五十年代初，水科学领域中初步引入同位素技术，此时的同位素技术主要以人工同位素示踪技术为主，并成功解决了一些存在于水文学和水文地质学中的问题[1]，比如运用单孔同位素示踪法在地下水渗流场中测量水的流速与流向。然而人工示踪法的操作受场地条件、设备仪器等限制，且可能造成水体污染，从而使生态环境受损，另一方面，人工示踪法的成本昂贵，并难以实现连续动态监测[2]，因此应用的范围十分有限，并未较大规模地应用。
六十年代后，从主要运用人工同位素的方法渐渐转向运用环境同位素技术的方法。环境同位素方法的出现改变了传统水文研究方法的格局，使得对水文过程的研究有了新的方向。这种方法是根据测定稳定同位素在自然界的变化来研究水文过程，从而可以获得传统方法无法获取的一些关键数据[3]，继而其成为水科学领域中一种重要的、有别于传统的研究方法[4]。一般而言，氘（D）和18O这两种氢和氧的同位素，是稳定环境同位素中最常用到的，主要因为它们是自然界中水分子构成中的组成部分，并于自然界中有着良好的化学稳定性，正是这些优点，使得这两种同位素成为十分理想的示踪剂[5]。自1961 年国际原子能机构（International Atomic Energy Agency，IAEA）和世界气象组织（World Meteorological
Organization，WMO）建立了全球降水同位素监测网（Global Network of Isotopes in Precipitation，GNIP）后，有关于氢氧同位素的研究发展迅速，所应用得领域不断得被拓宽和拓展，比如，依据大气降水中所蕴含的同位素信息来预估并寻找河流、湖泊、以及各类地下水的转化关系和补给源区[6]。
七十年代后和八十年代，由于同位素技术的迅猛发展，同位素技术被逐渐地运用于与流量过程线和降雨径流过程的划分中，而随着这两项技术的应用，标志着同位素技术正式成为建立水文模型的一种重要方法。同位素技术在降水径流过程中的应用，其主要是利用氘（D）和18O作为示踪剂，分析研究再一次降水径流中，降水和基流分别所占的比重。而在流量过程线的划分方面，同位素技术主要提供了物理基础，并且此物理基础十分完善。Pearce等于1986年将流量过程线进行划分，将其划分为降水和地下水这两项成分，同时根据水量的质量守恒原理，从而建立两项流混合模型。在此后，Dewalle等于1988年，利用与上文相同的原理和方法，将壤中流从地下水中独立出来，作为单独的一项，然后同样根据质量守恒对流量过程线进行划分，这样就建立了三项流混合模型。随后，各类基于同位素技术的应用与模型层出不穷，从稳定同位素至放射性同位素都有了极其迅猛的发展[7]。
随着同位素分析技术的提高与分析成本的下降，同位素在水文学中的应用也越来越广泛，与此同时，我国也有越来越多的人将同位素技术运用于水文研究中。在我国，同位素技术的应用主要集中于研究径流分割，不同水体（或含水层）之间水力联系与补给关系、混合比，研究地下水的起源与形成，其中包括地下水的循环深度、补给来源、补给高程，还有许多着眼于咸水和地热水成因的研究，另外还有有关于地下水污染的示踪、污染源在水中的储运过程，以及通过环境同位素来研究库区或坝体的渗漏、进行古气候与古环境至今是如何演化的研究等。
基于质量守恒定律和瑞利分馏定律这两条定律，可以分别推导在静止的水体中，随时间动态变化的稳定同位素组成的微分方程模型，以及在运动水体中，随时间和空间变化的未定同位素组成的偏微分方程模型。并通过数学的方法，从理论上论证在上述各模型之间中所存在的内部联系，进而得出于河道的运动水体中稳定同位素组成与各类因素的定量关系，这些因素主要包括了流量、流速、分流系数、蒸发率等，为通过以数值模拟水体中的稳定同位素组成信息，提供了良好的确定的数学基础。
在我国，临近太平洋的东南部地区，由于常年并且长期的受到季风水汽的影响，在近年来，通过测定降水以及其他各类水体中的氢氧稳定同位素信息，来追踪大气水循环路径，已经成为了十分常用的方法。在降水过程中，蒸发和凝结都会导致降水同位素组成发生变化。