湖泊水文學

湖泊水文學

湖泊水文學是水文學的一個分支。研究湖泊水文現象和湖水資源利用。1938年國際科學水文協會執行委員會瑞士會議確認limnology一詞指湖泊水文學。主要研究湖泊中的水量變化和運動,湖水的物理特性和化學成分、湖泊沉積湖泊的利用等。

(圖)湖泊水文學湖泊水文學
湖泊水文學是水文學的一個分支。研究湖泊水文現象和湖水資源利用。1938年國際科學水文協會執行委員會瑞士會議確認limnology一詞指湖泊水文學。主要研究湖泊中的水量變化和運動,湖水的物理特性和化學成分、湖泊沉積湖泊的利用等。

發展簡史  

(圖)湖泊觀測湖泊觀測

湖泊水文現象的研究始於古代的定性描述。中國清代《古今圖書集成》和《行水金鑒》記載了中國許多湖泊湖水的來源及去路、泥沙水位漲落、河湖調節關係和湖泊變遷過程等。湖泊水文的定量研究,始於17世紀的水文觀測。死海從1650年起,已有水位資料。19世紀盛行湖泊測深工作。1891年 F.-A.福雷爾完成了日內瓦湖的研究,出版了《日內瓦湖湖泊志》 3卷,系統地論述了該湖的地質氣候湖水運動化學熱學光學聲學特點,湖泊成因和形態,為近代湖泊學確定了基本的研究領域。1909年R.威廷提出湖流流速與風速經驗關係式。1910年前後,E.M.韋德伯恩致力於湖水溫度觀測,提出了溫度振動流體動力學理論。1915年E.A.伯奇根據熱量平衡原理開始計算湖泊熱量收支和蓄熱量。

20世紀20年代以後,由於建築大型水庫,推動了湖泊水文研究,廣泛套用水量平衡沙量平衡鹽量平衡、能量平衡、熱量平衡等原理和流體動力學理論,定量分析湖泊水資源;推算水庫淤積年限;預估庫水的礦化度;改進風浪要素的計算方法;研究湖水溫度和確定湖冰厚度等問題。20世紀50年代,電子計算機、同位素及遙感技術等的套用和精密測量儀器的研製,為湖泊水文研究提供了新的手段。60年代以後,國際水文十年 (IHD)把湖泊水文列入研究計畫,開始了湖泊水文學研究的國際合作。中國自50年代起,在長江中下游和雲南等地陸續開展了湖泊的綜合調查。

學科內容  

現代湖泊水文學研究的主要內容,可歸納為:

①湖泊水量和水位。研究湖泊蓄水量及其變化規律。在一定時段,進出湖泊的水量不同,引起湖泊蓄水量的變化。入湖水量包括湖面降水量,入湖的地面、地下徑流量。出湖水量則有湖面蒸發量,出湖的地面、地下徑流量和工農業自湖泊的引水量。運用湖泊水量平衡方程可以確定湖泊蓄水量的變化,評價湖泊水資源,闡明湖泊對江河的調蓄能力。湖泊蓄水量的變化,直接決定著湖水水位的升降,但在蓄水量不變的情況下,湖泊增減水湖泊波漾等作用也會引起水位的變化。湖泊水位資料是估算湖泊水量的依據。最高水位的確定,為湖泊的堤防設計,提供科學依據。

(圖)中國的主要湖泊水文信息中國的主要湖泊水文信息

②湖水運動。研究湖水各種運動方式、相互關係及其發生、發展和停息的機制。湖水有進退運動和升降運動;湖水運動有的發生在湖面,有的在內部;有的有周期性,有的為非周期性。湖水運動除受外部因素影響外,還受湖水面積、深度、成層結構、密度分布等內部因素的制約。研究湖水運動可以解說湖岸演變、湖中泥沙運動、湖水物理性質變化和化學成分分布等規律,並為船舶航行作出預報,為護岸工程設計提供資料。湖水運動的研究,以流體動力學為基礎,同時採取野外觀測與室內模型試驗相結合的方法。

湖水熱動態。研究湖泊中的熱量收支狀況。通過湖水熱量平衡計算,可以確定湖泊蓄熱量的變化。水溫升降反映湖中蓄熱量的增減。湖水溫度隨空間而異。較深湖泊的水溫在垂向有分層現象。研究溫度成層,可以解釋湖水運動、化學成分、水生生物變化和分布的原因。

湖水光學現象。研究湖面輻射平衡,探討光線在湖面的反射,湖水對各種波長光線的吸收、散射和折散等光學特性。研究湖水光學特性,可以了解湖水中光線透射的深度和照度的大小,闡明浮游生物水生高等植物等生長和分布規律。

湖水化學。研究湖水化學成分形成特點和湖泊富營養化等問題。湖水中有各種離子生物營養元素溶解氣體有機物質微量元素有毒物質等。湖水水質參數有礦化度、總硬度、總鹼量、pH值等指標。湖水的化學成分的形成和變化特點與湖水流動滯緩、湖泊的大小深淺和氣候條件等有關。套用鹽量平衡原理可以確定湖泊內鹽量變值,查明湖泊、水庫礦化度的變化。湖水化學的研究為湖泊水質評價和湖水污染的防治提供依據。

湖泊沉積。研究湖中物質的沉積過程及其演變規律。套用沙量平衡原理,即根據時段內進出湖泊的沙量收支狀況,可以確定某一時段湖泊淤積量,推算淤積厚度。研究泥沙淤積、化學沉積和生物沉積,可以預測沉積演變趨勢和湖泊壽命。在湖泊沉積研究中也套用遙感技術、同位素技術、孢子花粉和古地磁等方法,測定沉積物年代,推測歷史氣候變遷情況,預測沉積數量和位置。

湖盆的形態、大小和深淺,影響湖水運動、湖泊沉積、湖中熱量交換和湖水的化學特性等,因此,湖泊水文學也研究湖盆和湖泊的形態特徵。

水庫是人工湖泊,與天然湖泊既有共同之點也有一些特殊研究內容,如水庫淤積、水庫庫岸演變異重流防治和利用等問題。

與其他學科的關係  

湖泊水量平衡和水位變化的研究要運用氣象學水文地質學水文計算的知識和方法;流體力學熱力學水化學等是研究湖水運動、湖水熱動態和湖泊水質等水文物理現象和化學過程的基礎。湖盆的研究則要藉助地質學、地貌學的理論和方法。

研究手段  

(圖)湖泊水文觀測湖泊水文觀測

湖泊水文學的新手段有:①模型技術,其中包括物理模型數學模型,用以進行湖泊水文現象的物理和數值模擬,建立湖水動力模型、湖泊水溫模型、湖水化學模型、湖泊沉積模型等;②遙感技術,用於探測湖界、水溫、冰情,識別湖水污染和淺水湖泊泥沙運動;③核技術,用於示蹤泥沙運動,分析湖泊沉積,探測水庫滲漏;④電子技術,用於湖泊調查和測量等。

現代湖泊水文學要加強水文混合與水文平衡基礎理論研究,以闡明湖泊水文現象內部聯繫;提高水量平衡要素觀測和計算精度;推廣套用新技術;將湖泊作為系統,了解其中所有因素之間相互關係,研究湖泊的環境效應,湖水資源的保護、開發和利用。

利用資源衛星圖像,進行湖泊、水庫的分析之圖,可以建立湖泊信息系統,這是湖泊遙感多元分析的新途徑,也是湖泊數據更新的重要保證,具有多方面的套用功能。

湖泊水庫等地理分布調查,不論高山高寒地區,或是浩瀚無際的沙漠地帶以及人煙稀少的邊境區域,都能通過衛星像片的地學分析,標出湖泊等水體的位置、形狀、大小等基本特徵。有目的地建立湖泊資料庫,為水資源調查,開創新技術途徑。

湖泊水化學成分、礦化度水質水溫等,都能從衛星影像特徵中進行定性研究,同時也可結合地面有關調查數據作定量分析,還可對地圖上湖泊、水庫、沼澤窪地等水文要素作更新修正。它們在湖泊信息系統的支持下,利用資源衛星像片修編地圖是一條多、快、好、省的途徑。這對地物變化快的要素,如湖泊的退縮消長,水庫的興修擴建等圖面訂正補充,都有很好的效果。

衛星遙感圖像具有其周期性、巨觀性和現勢性特點,因此,運用遙感技術進行湖泊、水庫等調查製圖,有著快速、實時性的優勢。所以,開展湖泊地理信息系統的研製,實時監測湖泊水體,具有廣闊的套用前景。

資源衛星對湖泊資源的保護和開發利用,能發揮獨特的作用。湖泊是一個多功能的資源庫,人們不斷地開發索取,其結果引起湖泊生態環境的變化,乃至惡化。而資源衛星獲取的像片,能不時地將湖區被圍墾,湖面縮小,直至湖泊生態系統的破壞等信息傳遞給人們,進而可引起有關部門的重視,採取措施積極保護湖泊資源。

80年代後期以來,中國科學院南京地理與湖泊研究所開展了一系列湖泊資料庫--湖泊信息系統的研究,積累了豐富的湖泊信息,並於90年代後期上網發布。

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