1　绪论（原著第一章）

1.1　研究人类活动对水文水资源影响的重要意义和主要内容

迅速的经济发展和人口增长对水文循环已经产生了巨大的影响，并且这种影响正在加速进行，致使人们在作水文站网规划、水文计算、水文预报、水资源评价等有关的工作时，许多情况下都不可避免地要考虑这种影响。表1-1是河北省1984年统计的几个水文站在不同年代灌溉用水与同期实测径流量资料的例子[1]，从中可以看到农业用水增长的速度是何等迅速。例如其中的石匣里站，流域面积23944km2，20世纪50年代、60年代、70年代的灌溉用水量与同期实测径流量之比的增长情况是17.7%、36.4%、117.3%，其增长以惊人的加速方式进行。如果仍然死守断面观测记录，盲目地统计计算，就会非常错误地估计流域可能提供的水量及其变化，使人类进一步改造自然的活动失去科学依据，甚至造成失败，该流域灌溉对径流年际变化及年内分配的影响也是显著的。由于枯水年份灌溉用水大，使本来就小的年径流大大减小；丰水年份灌溉用水少，使该年本来就多的水量减少不多，故丰、枯年份的水量更为悬殊，从而使CV比天然情况增加了80%。径流年内分配方面，由于水利工程的调蓄作用，常使汛期的河川径流减小，枯季则可能有所提高，故年内分配趋于均匀。

人类活动对径流的影响，在经济发达的国家，情况比我国更为严重。例如苏联的咸湖是一个巨大的内陆湖，1969—1973年共13年间，流域内灌溉用水量的增长，使入湖径流减少，湖水位下降了2.8m，若不设法控制，预计2000年将下降9～13m。苏联另一个巨大的内陆湖里海，由于流域内年消耗性用水由10km3增加到35km3（其中51%耗于灌溉），使海水位继续下降，这迫使许多经济部门，如航海、渔业、石油开采、娱乐休养、市政服务等不得不花巨额投资，采取一系列措施，以图维持目前的水位。

人类活动不仅对水量发生巨大影响，而且对水质的影响将越来越严重，例如毁林开荒，普遍大量地使用农药、化肥等，将使径流的含沙量、含氯化物量、含氮量、含硫量等大大增加。表1-2是美国、加拿大对Great湖污染情况的调查资料（Son Sogin等，1980）[2]，表明谷物地、城市来的径流比森林区来的径流的泥沙、氯化物、总含氮量和总含硫量要大数倍至数百倍。这将严重地恶化了人类赖以生存的生态平衡条件。

人类活动的影响，一是随着人口的增加而加强，世界人口20世纪初为19亿人，1950年为25亿人，现在为44亿人，20世纪末将为60亿人（Hololgate等，1982），要为这样多的人口提供衣、食和越来越优良的生活环境，就需要去直接、间接地增加以水的利用为基础的日用品生产；再是随着人类改造自然的能力和手段的高速发展，加速了人类对自然的干预，过去连想都不大敢想的巨型水利措施，现在几年之内就可实现，从而引起一地区的自然地理条件完全改观。产、汇流条件的巨大变化，招致水文系列抽样的非随机性和非一致性，使原来广泛采用的许多水文统计计算方法不能继续使用，于是便产生了考虑人类活动影响下如何正确估计水资源的数量和时空分布的问题，以及预估的新条件下的年径流、洪水和水质等问题，以便在我们采取某种措施之前，就能估计到它们的有利方面和不利方面，权衡利弊，择取最优的措施方案，并减少和防止不利的影响。因此研究人类活动影响下的水文计算原理和方法，不仅在实践上而且在理论上都具有十分重要的意义。

人类改造自然的措施是多种多样的和不断发展的，就它们对径流过程的影响看，当前主要的是直接影响，例如水库，一般情况下拦蓄雨水，减少径流，使洪量变小，其调节作用又使洪水比较缓和，但在特大洪水时也可能起反作用，垮库反使下游洪水更为加剧。再是间接影响，例如水库拦蓄径流，大规模的灌溉，增加了流域蒸散发，促进了水文循环，可能使降水有所增加，这反过来又影响河川径流，即反馈作用。就目前的人类活动水平说，一般认为后者的影响是次要的，尤其局部较小范围的地区更是如此。由于这个问题较前者更为复杂，研究的更少，故本书主要是论述人类活动措施对径流直接影响的估算问题。主要内容为森林植物等措施的水文效应，农业及水土保持措施的水文效应，水利工程的水文效应，径流还原计算等，都市化的水文效应，也是一个重要课题，但限于篇幅，本书未能论述。

1.2　有关人类活动水文学的发展简况

人类生产的发展，越来越快地改变着自然环境，从而也改变着水文循环状况和产、汇流条件。因此，如何科学地估计已经采取的和将要采取的措施对水文情势产生怎样的影响，也就自然而然地被提到议事日程上来了。国际水文十年（IHD）和国际水文计划（IHP）从20世纪60年代起就将这一课题列为重要项目，组织各国的水文专家进行研究。农业的发展，把大片大片的森林变为耕地，导致水土流失和频繁的水旱灾害，因此，最先是森林水文效应的研究。1889年，在瑞士埃门塔尔（Emmental）试验区开始了世界上第一个比较现代化的流域研究，探讨森林流域和牧场流域水文特性的不同，发现森林流域的洪水和年径流都比牧场的小。1910年，美国林务局在科罗拉多州设立了瓦贡惠尔加普（Wagon Wheel Gap）试验流域，这是早期流域研究中最著名的，它首先采用“控制流域法”研究森林效应和提出选择实验流域的准则。1911年，日本山林局在茨城县的太田试验流域首次用“单独流域法”探讨森林水文效应。1935年在南非的Jonkershoek森林水文学研究站设了6个对比流域系统深入地研究森林的水文效应。20世纪30年代，苏联设立瓦尔达依（Valday）水文实验流域，试图全面系统地研究流域水平衡要素的变化规律和各种农业、森林措施的水文效应。20世纪60年代电子计算机的广泛应用，使水文学家能够借助比较详细准确的实验流域的水文资料建立流域水文模型，以估算某种因素的改变所带来的影响。但是，限于对径流形成的许多机制的认识不够深刻，使建立的模型尚不能充分反映径流形成的规律，所以在成果的移用上和外延上都要存在不少问题。1972年美国发射第一颗地球资源卫星以来，为流域情况提供了丰富的资料，1976年开始将卫星遥感应用于流域模型中。随着都市化的发展，在50年代联合国开始了都市水文学的研究，1971年、1976年、1977年先后成立了都市化对水文环境影响、城市水文学的社会——经济问题、都市化和工业化对水资源规划和管理的影响三个研究小组推进都市水文效应的研究，1979年正式出版了《都市水文学》一书。近些年来，由于工业大量排污，农业大量地使用农药、化肥，使不少地方的水质严重污染，从而影响生态平衡，威胁人类的生存。因此，研究人类活动对水质的影响已经受到高度的重视，不少先进的国家都制定了环境保护法，规定排污标准和治理措施。总之，人类活动对水量、水质、水文循环的影响，随着社会的发展越来越广泛地受到重视和研究。

我国新中国成立前经济上非常落后，生产发展极为缓慢，基本上处于停滞状态，根本谈不上人类活动的水文效应问题。新中国成立后，为了发展农业生产，1951年首先对淮河进行大规模的治理，1958年又在全国掀起群众性的水利化高潮，使有些地区的自然面貌发生了巨大的变化，促使水文工作者不得不研究水利化对径流的影响。为此，各省在1958年前后设了一大批径流实验站和径流站，其中比较著名的有安徽省的青沟、湖北省的石桥铺、浙江省的姜湾、辽宁省的叶柏寿、湖南省的宝盖洞、黄委在山西省设的子洲、长办在四川省设的凯江、在河南省设的祁仪等实验站，为研究无资料地区的水文计算方法和水利化效应提供了大量资料。在我国，水利工程建设是影响水文情势的一个重要内容，例如长江流域，到1979年止建了大中型水库933座，小型水库45800余座，大、中、小型引排水涵闸7000多座。又如湖北省到1981年共建大中型水库267座，小型水库5948座，涵闸2281座。加上农业措施和森林措施等，其影响已经达到不容忽视的程度。因此，我国在1979年颁布的《水利水电工程设计洪水计算规范》（SDJ 22—79）和1983年颁布的《水利水电工程水文计算规范》（SDJ 214—83）中都明确规定要考虑水利、水保等人类活动措对径流的影响。为此，1983年水电部水文局曾责成武汉水利电力学院牵头与全国有关单位一道就“人类活动对水文要素影响”的课题进行研究，并于1984年召开了一次经验交流会。另外，由于人类活动的影响，不少水文站网都面临着是否还能继续存在和今后如何考虑这种影响进行布站观测的问题，这也迫使站网规划部门对这一问题进行专题研究。1980—1986年我国开展第一次水资源评价工作投入人力达千人之多，其中大半工作是研究计算人类活动影响后的径流还原。森林水文效应和都市化水文效应以及水污染问题，近年来受到了越来越大的重视，现在正在开始这方面的研究。

1.3　研究人类活动对水文水资源影响的基本途径

人类活动改变了水文循环的状态和流域的产汇流条件，但并没有改变径流形成的原理和基本规律。因此，解决这一问题的根本途径，是通过一切手段，充分揭示水文要素变化的原理和规律，然后用以预计新情况下的水文情势，即人类活动影响后的水文状况。目前一般采用下述三种途径定量估算人类活动措施对径流的影响。

1.3.1　对比实验途径

对比实验途径，分为两个流域平行实验和单个流域实验两种。前者称“控制流域—处理流域”试验分析法，系在两个平行对比流域上同时观测若干年（一般在7年以上）的降雨、径流等，以建立两个流域径流间可靠而密切的相关关系，这时在一个流域上施加某种人类活动措施（称此为处理流域），另一流域保持原状，称控制流域。对这两个流域继续观测，通过上述相关关系，可由控制流域的观测值推算出处理流域若保持在原来状态时的径流，它与观测量的差值，即是施加措施的影响程度。如此进行多年之后，便可逐步找到该流域上这一措施影响径流的指标和规律。这种结果对于处理流域是适用的和有效的，但要移用于其他流域，就目前来说还是很困难的，因为移用流域与处理流域之间总有这样那样的不同。这种试验方法的成果是可靠的，但要很长时间，例如单单对两个流域进行标定就花去了大约7年。为了抢时间，我国多采用平行对比的实验方法，即同时选择两个完全相同的流域，对一个施加某种措施，平行进行观测，分别建立降雨径流关系，由此分析出同样降雨条件下两者径流的差异，即施加措施的影响。这种方法获得成果快，但不够可靠，因为很难保证选择的对比流域完全相同，因此对比流域间径流的差异就不一定完全是施加措施的影响。后者称单独流域实验分析法；系一个流域在施加措施前保持稳定状态若干年，用这些年观测的降雨、径流、蒸发等资料建立可靠而密切的降雨径流关系，然后施加某一措施，并继续观测，由降雨径流关系推算的径流与实测的径流之差，即是该项措施的影响程度。这种方法的难处是，有时难以建立良好的降雨径流模型，当模型模拟径流的误差较大时，计算的措施影响成果就不可靠了。

将以上实验分析方法求得的各种单项措施的影响进行综合，找到它们随自然地理条件的变化规律，即可移用于其他流域，预计那里的人类活动影响和进行径流还原。

1.3.2　流域水文模拟途径

若在人类活动措施比较显著之前，流域已有若干年的降雨、径流等观测资料，则可建立人类活动措施前的流域水文模型，例如第五章介绍的降雨径流多元回归模型、新安江流域水文模型。然后，将措施后的降雨、蒸发等输入模型，模拟出没有施加措施下的径流过程，与措施后实测的径流过程比较，即可分析得某种措施或综合措施的影响。由于比较大的流域的认为措施往往不止一种，并且是逐步施加的，因此这种情况下，要分析某一项措施的影响是困难的。但这种方法不需要作昂贵的流域实验，也不要花很多时间，故在条件基本适合的流域，应尽可能地应用这种方法。这一途径的关键，是建立合格的流域水文模型。

1.3.3　物理成因分析途径

该途径是以降雨、蒸散发、下渗、产流、汇流等物理机制和变化规律的实验分析为基础，结合水量平衡原理和能量平衡原理估算各种措施的影响。本书主要是介绍这种途径。我国近些年来的水文实验已经不着重于某些措施效果的简单对比，而把主要精力放在有关因素物理机制的研究上。无疑，这是非常正确的，当我们真正掌握了各种人类活动措施的水文机制的时候，我们就能相当有把握地预计它们的效应，计算各种情况下的水文情势。

以上三种途径并非孤立的，而是相辅相成，相互渗透，各自有所侧重。由于目前关于人类活动对径流影响的研究还相当不成熟，以后介绍的计算方法尚有相当大的局限性，因此使用时，应根据情况，同时采用多种可能的方法计算，最后分析比较，合理选定。