湖泊水文学
水文学的分支
湖泊水文学是水文学的一个分支。研究湖泊水文现象和湖水资源利用。1938年国际科学水文协会执行委员会瑞士会议确认limnology一词指湖泊水文学。主要研究湖泊中的水量变化和运动,湖水的物理特性和化学成分、湖泊沉积湖泊的利用等。
发展简史
湖泊水文现象的研究始于古代的定性描述。中国清代《古今图书集成》和
《行水金鉴》记载了中国许多湖泊湖水的来源及去路、泥沙水位涨落、河湖调节关系和湖泊变迁过程等。湖泊水文的定量研究,始于17世纪的水文观测。死海从1650年起,已有水位资料。19世纪盛行湖泊测深工作。1891年 F.-A.福雷尔完成了日内瓦湖的研究,出版了《日内瓦湖湖泊志》 3卷,系统地论述了该湖的地质气候,湖水运动,化学热学光学声学特点,湖泊成因和形态,为近代湖泊学确定了基本的研究领域。1909年R.威廷提出湖流流速与风速经验关系式。1910年前后,E.M.韦德伯恩致力于湖水温度观测,提出了温度振动流体动力学理论。1915年E.A.伯奇根据热量平衡原理开始计算湖泊热量收支和蓄热量。 20世纪20年代以后,由于建筑大型水库,推动了湖泊水文研究,广泛应用水量平衡沙量平衡盐量平衡、能量平衡、热量平衡等原理和流体动力学理论,定量分析湖泊水资源;推算水库淤积年限;预估库水的矿化度;改进风浪要素的计算方法;研究湖水温度和确定湖冰厚度等问题。20世纪50年代,电子计算机、同位素及遥感技术等的应用和精密测量仪器的研制,为湖泊水文研究提供了新的手段。60年代以后,国际水文十年 (IHD)把湖泊水文列入研究计划,开始了湖泊水文学研究的国际合作。中国自50年代起,在长江中下游和云南等地陆续开展了湖泊的综合调查。
学科内容
现代湖泊水文学研究的主要内容,可归纳为:
湖泊水量和水位
研究湖泊蓄水量及其变化规律。在一定时段,进出湖泊的水量不同,引起湖泊蓄水量的变化。入湖水量包括湖面降水量,入湖的地面、地下径流量。出湖水量则有湖面蒸发量,出湖的地面、地下径流量和工农业自湖泊的引水量。运用湖泊水量平衡方程可以确定湖泊蓄水量的变化,评价湖泊水资源,阐明湖泊对江河的调蓄能力。湖泊蓄水量的变化,直接决定着湖水水位的升降,但
在蓄水量不变的情况下,湖泊增减水湖泊波漾等作用也会引起水位的变化。湖泊水位资料是估算湖泊水量的依据。最高水位的确定,为湖泊的堤防设计,提供科学依据。
湖水运动
研究湖水各种运动方式、相互关系及其发生、发展和停息的机制。湖水有进退运动和升降运动;湖水运动有的发生在湖面,有的在内部;有的有周期性,有的为非周期性。湖水运动除受外部因素影响外,还受湖水面积、深度、成层结构、密度分布等内部因素的制约。研究湖水运动可以解说湖岸演变、湖中泥沙运动、湖水物理性质变化和化学成分分布等规律,并为船舶航行作出预报,为护岸工程设计提供资料。湖水运动的研究,以流体动力学为基础,同时采取野外观测与室内模型试验相结合的方法。
湖水热动态
研究湖泊中的热量收支状况。通过湖水热量平衡计算,可以确定湖泊蓄热量的变化。水温升降反映湖中蓄热量的增减。湖水温度随空间而异。较深湖泊的水温在垂向有分层现象。研究温度成层,可以解释湖水运动、化学成分、水生生物变化和分布的原因。
湖水光学现象
研究湖面辐射平衡,探讨光线在湖面的反射,湖水对各种波长光线的吸收、散射和折散等光学特性。研究湖水光学特性,可以了解湖水中光线透射的深度和照度的大小,阐明浮游生物、水生高等植物等生长和分布规律。
湖水化学
研究湖水化学成分形成特点和湖泊富营养化等问题。湖水中有各种离子、生物营养元素、溶解气体有机物质微量元素有毒物质等。湖水水质参数有矿化度、总硬度、总碱量、pH值等指标。湖水的化学成分的形成和变化特点与湖水流动滞缓、湖泊的大小深浅和气候条件等有关。应用盐量平衡原理可以确定湖泊内盐量变值,查明湖泊、水库矿化度的变化。湖水化学的研究为湖泊水质评价和湖水污染的防治提供依据。
湖泊沉积
研究湖中物质的沉积过程及其演变规律。应用沙量平衡原理,即根据时段内进出湖泊的沙量收支状况,可以确定某一时段湖泊淤积量,推算淤积厚度。研究泥沙淤积、化学沉积和生物沉积,可以预测沉积演变趋势和湖泊寿命。在湖泊沉积研究中也应用遥感技术、同位素技术、孢子花粉和古地磁等方法,测定沉积物年代,推测历史气候变迁情况,预测沉积数量和位置。
湖盆的形态、大小和深浅,影响湖水运动、湖泊沉积、湖中热量交换和湖水的化学特性等,因此,湖泊水文学也研究湖盆和湖泊的形态特征。
水库是人工湖泊,与天然湖泊既有共同之点也有一些特殊研究内容,如水库淤积、水库库岸演变异重流防治和利用等问题。
与其他学科的关系
湖泊水量平衡和水位变化的研究要运用气象学水文地质学水文计算的知识和方法;流体力学热力学水化学等是研究湖水运动、湖水热动态和湖泊水质等水文物理现象和化学过程的基础。湖盆的研究则要借助地质学、地貌学的理论和方法。
研究手段
湖泊水文学的新手段有:①模型技术,其中包括物理模型数学模型,用以进行湖泊水文现象的物理和数值模拟,建立湖水动力模型、湖泊水温模型、湖水化学模型、湖泊沉积模型等;②
遥感技术,用于探测湖界、水温、冰情,识别湖水污染和浅水湖泊泥沙运动;③核技术,用于示踪泥沙运动,分析湖泊沉积,探测水库渗漏;④电子技术,用于湖泊调查和测量等。 现代湖泊水文学要加强水文混合与水文平衡基础理论研究,以阐明湖泊水文现象内部联系;提高水量平衡要素观测和计算精度;推广应用新技术;将湖泊作为系统,了解其中所有因素之间相互关系,研究湖泊的环境效应,湖水资源的保护、开发和利用。
利用资源卫星图像,进行湖泊、水库的分析之图,可以建立湖泊信息系统,这是湖泊遥感多元分析的新途径,也是湖泊数据更新的重要保证,具有多方面的应用功能。
湖泊水库等地理分布调查,不论高山高寒地区,或是浩瀚无际的沙漠地带以及人烟稀少的边境区域,都能通过卫星像片的地学分析,标出湖泊等水体的位置、形状、大小等基本特征。有目的地建立湖泊数据库,为水资源调查,开创新技术途径。
湖泊水化学成分、矿化度水质水温等,都能从卫星影像特征中进行定性研究,同时也可结合地面有关调查数据作定量分析,还可对地图上湖泊、水库、沼泽洼地等水文要素作更新修正。它们在湖泊信息系统的支持下,利用资源卫星像片修编地图是一条多、快、好、省的途径。这对地物变化快的要素,如湖泊的退缩消长,水库的兴修扩建等图面订正补充,都有很好的效果。
卫星遥感图像具有其周期性、宏观性和现势性特点,因此,运用遥感技术进行湖泊、水库等调查制图,有着快速、实时性的优势。所以,开展湖泊地理信息系统的研制,实时监测湖泊水体,具有广阔的应用前景。
资源卫星对湖泊资源的保护和开发利用,能发挥独特的作用。湖泊是一个多功能的资源库,人们不断地开发索取,其结果引起湖泊生态环境的变化,乃至恶化。而资源卫星获取的像片,能不时地将湖区被围垦,湖面缩小,直至湖泊生态系统的破坏等信息传递给人们,进而可引起有关部门的重视,采取措施积极保护湖泊资源。
80年代后期以来,中国科学院南京地理与湖泊研究所开展了一系列湖泊数据库--湖泊信息系统的研究,积累了丰富的湖泊信息,并于90年代后期上网发布。
相关学科
参考资料
最新修订时间:2022-11-23 19:43
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