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【职工讲堂】谈谈水文
发布日期:2014-06-16 字体[ ]
    上海海事测绘中心  徐汉兴
   水文科学,是古老的科学,也是新兴的科学。水文科学博大精深,它涉及当代多门高端科学,用途也很广,在防灾减灾,重大水利工程等多方面,都有重要的作用。浅谈水文,是说个人对水文的认识,只是冰山一角,很肤浅。我一生学习水文,做水文工作,与水文结缘,情有独钟,寸步不离。不管风云多变幻,60多年来,从来未离开过水文一步。所以,今天我要说的心里话,有两点体会:水文的含义是什么?水文的应用又怎样?
 一、   水文的含义
 我们每天都生活在水的世界里,有人并不知道水文是什么。我读大学的时候,很多同学不想读水文专业。他们说,有英文、法文之类,哪有什么水文呀!他们觉得专业不对,想调到河川、水港系去读。我与他们不同,却从河川系调到水文系,读了五年制陆地水文专业。因为我当时已经参加过6年治淮工作,知道一些水文数据在流域规划中的重要性,各项水利工程都要有水文数据为依据,而这些水文依据来之不易。要有许多人坚持观测,长期积累大量的水文资料,许多人从中分析研究大量工作,能得出结论性的有效数据,提供有关工程规划设计使用。由于知道水文的重要,所以我坚决要求读水文。但入学新生是不允许转系的,校方照顾我是调干生,我打报告就批准了。大学毕业以后,国家将我分配到上海航道局,一直从事潮汐水文工作。在这数十年的工作中,逐渐认识到,学校学的专业知识,尚不够用。陆地水文和海洋水文两大专业知识有相当大的区别。在工作和学习的工作中,不断加深了对水文的认识,认识到水文是一门物理学科。“水文物理”这个专业名字,现在国际上认可,在国内尚很少应用。其实,这类水文物理难题很多。回顾起来,如几年前,我国西南地区一次大面积冰凌灾害,十分严重,压倒供电线路,形成大面积停电,交通阻断,殃及名声,是由于雨雪天气遇上超低气温而引起的。这是一种与水文物理密切相关的科学难题。我国西北地区长期干旱,风沙灾难频发,是当地长期缺水所致,这是另一种不易解决的水文问题。长江1954年特大洪水灾害,大通水文站测得最大洪峰流量达92600,冲毁浦江码头。上海航道局也派人派船参加抢险,沿江两岸洪涝数月未退,居民苦不堪言。这是解放后最大的一次洪灾。沿海地区,常遭风暴潮袭击,渔业停产,冲垮提防,淹没农田,生命财产损失惨重,等等。这种防灾减灾重大问题,无一不是水文科学亟待研究的问题。水文是一门实用性很强的科学。除了要面对水灾的问题,更要研究水资源利用问题。所谓“水可载舟亦可覆舟”。水文应用在许多方面不可或缺。长江三峡水库,利用水能发电,生产无污染清洁能源,是水文科学的一种重要的应用。江河湖海水运物流,是利用水的浮力,船舶载运力大,经济又方便。其他方面,如工业与农业,生命与环境,军事与国防,等等。水文科学无论在哪一方面,都发挥着无可替代的重要作用。
 水科学是一门自然科学。水从天上来,由雨水落到地上,汇成江河,流向大海。海面和陆地上水的蒸发,水又到天上,如此即完成一次水的大循环。其原动力是来自天空太阳的辐射能。人们每天看到,潮涨潮落,是与日月、星辰等天体有关,天体的周期性运动,吸引着地球上的水,跟着天体一起运动。因此说,水科学与许多科学有关,包括天文学、气象学、地质地理、数学物理,甚至有种种高端科学:流体动力学、数理统计、现代电子设备等。现在,我们之所以能够应用这些知识,服务于水文科学解决实际问题,创造人们的幸福生活,是靠前人的努力所打下的物质基础。我们这一代人,肩负着传承历史经验与科学发展的重任。为了人类明天的幸福,创造更多的物质财富,我们要更加努力,来体现人生的意义和价值。
光阴似箭,日月如梭。我1988年离休,至今二十多年过去了。我始终抱着“生命不息,努力不止”的信念,义无反顾,迎接挑战。时届耄耋之年,发表了多篇文章,出版了专门著作。其中,关于《长江感潮河段潮洪特性的研究》和《华东海岸风暴潮最大增水变化特性的研究》两篇文章,是关于陆地水文和海洋水文两大专业水文的边缘科学难题,长期被挂着的重要课题,前者提供了改变传统观念的依据,后者解决了长江洪水对长江口影响的大小这一实际问题;而关于2010年出版的潮汐专著《潮汐计算技术》一书,则依据国内及国外的英、德、法、俄、日等文献记载的历史经验资料,结合自己的实践创新成果,以60万字的篇幅及200多幅珍贵插图与说明,全面阐述我对海洋潮汐的认知。这些文章和专著,是我一生学习水文,在实践中收获的部分成果的体现,需要时可以参考。水文科学的发展史无止境的,党的十八大提出了2020年要达到小康社会的目标,对于水文科学的发展是机遇更是挑战。这样的历史重任,就寄厚望于年轻一代身上,愿大家获得更大的成功。
二、水文的应用
水文科学涉及许多学科,其应用也是多方面的,但不外乎水灾与水利两个方面的应用。关于水灾方面的问题,前面已经讲了许多。而对于水利方面的应用,其例子也很多。例如,大家知道长江三峡水库蓄水高程为175m,这个关系库容调节与装机容量的设计水位是怎样确定的?水库今年蓄水已达到175m,考验了大坝发电稳定性与承载力,证明是安全的。这样储足了水能,为发电的安全性提供了保障,也为船闸通航及物流,有了安全保障。关键就在设计水位的确定上,而这个关键性数据,正是无数水文工作者努力的结果。是他们长期坚守岗位,调查观测流域水情,积累了大量的水文资料,为工程的规划设计,提供了重要的依据。我1958年有幸参加过长江三峡水象调查,带领三位年龄比我小十来岁的三位同班同学,一起战斗。在长江支流嘉陵江上游陕、甘、川三省交汇地区的崇山峻岭间,三个月徒步900多公里,在那金秋收获季节,一路收集当地的水文、地质及植被等第一手资料。我们组胜利完成了这个艰苦的调查任务。在农业方面的应用也很重要,没有水就没有收获。1958年扬州农业灌区规划设计,我担任泰区一个4万余亩灌区的设计组长。只见一片荒沙地,完成了干、支、毛、斗渠灌排系统设计,利用江都大型泵站灌溉与排涝。现在那里下河地区大面积丰收,人民生活幸福。当年老师和同学们艰苦奋斗,其中有他们的一份贡献。在航运方面的水利应用,长江口航道整治这样的大工程,其规划设计同样也离不开水文资料为依据。原来航道水深7.5m可通航万吨级货轮,现在水深达12.5m可让十万吨级大型船舶进出上海港。关键也在于这个12.5m水深的确定,同样是由于许多水文工作者的忘我劳动,日夜观测水情积累水文资料,甚至高瞻远瞩的前辈们不惜提出“十年一手资料,十年分析研究”,以表示一定要把长江口航道整治好的决心,为国家经济发展创造条件。现在,经过几代人的不懈努力,他们的愿望终于实现了。这是许多水文工作者长期努力,艰苦奋斗的一项重要成果。从1958年到60年代初,长江口进行了多次大规模水文测验,他们在风口浪尖与风浪搏斗,日夜难眠,坚持半月或一月连续观测,边呕吐边战斗,呕心沥血,克服困难,夺取胜利。我也曾多次参加过这样难以忍受的现场测验摇绞车的苦力工作。测验后的大量资料整编工作也常由我组织完成,每个断面各条垂线逐点观测流速、泥沙资料,都要认真检查,整编成册,归档保存。根据这些资料,采用种种手段,或物理模型试验,或数学模型计算,研究分析,最后得出航道设计水深,提供规划设计使用。1983年上海市水利局组织《黄浦江潮分析》协作课题组,由华东水利学院(现河海大学)、交通部上海航道局、市气象局、水利部华东勘测设计院等5单位,50多位代表和成员历时数年,到1986年完成报告。其中,我负责分课题《长江洪水对吴淞潮位的影响》这一课题非同小可。当时有人用相关法计算,其影响达1m左右。我则第一次采用没有人用过的,明渠不稳定流数值模型法来计算,当时也不知道结果会怎样,计算复杂,工作量大,困难很多。根据大通至长江口全长630km河段,所设计的25断面算出的潮位过程线,及其最高潮位沿程变化的趋势,确定出1954年特大洪水与1983年特大洪水,对吴淞口潮位的影响分别为13cm及18cm,再用调和分析方法算出的分别为17.0cm及17.5cm,两种方法的四种结果均在20cm以下。由于计算严谨,论据确凿,令人信服,因此就采用影响值为20cm作为设计依据。这样比相关法的数据减小了80cm左右,对黄浦江两岸防洪墙工程投资大为减少。目前的防洪墙顶高就是20cm加高潮位频率统计值确定的。由于长江感潮河段潮波遭遇洪水波相互作用,水流情况非常复杂的条件下算出的结果均在20cm以下,相互印证基本一致,是摒弃相关法计算结果的主要原因。而且大通洪峰流量1954年与1983年分别为92600和72500差别很大,对吴淞潮位的影响几乎没有差别,由于河床长距离调蓄作用,和江心沙以下河面很大放宽,得出对吴淞影响不大这样的结果,也是可以理解的。
 水文科学的应用有悠久的历史。古埃及人早在3500年前,开通尼罗河与红河的运河,那是就有了潮汐观测并用作开通运河的依据。我国早在4000多年前,大禹治平了洪水,《禹贡》是我国最早由潮汐记载的珍贵文献之一。英国海岸到公元八世纪才有系统的潮汐观测,十三世纪初,最早试编了泰晤士河伦敦桥附近的潮汐表。我国从《山海经》到(唐)徐坚等编著的《初学论》,对潮汐的成因逐渐作出了科学的解释。上海港是我国近百年来最早有精确潮汐预报的港口之一。据《长江口与黄浦江水文报告(英文版)》记载,吴淞水位站始建于1860年,1912年设自记站,采用第一台自记式水位仪。当时利用江阴、吴淞、铜沙、绿华山潮位资料,分析23个分潮作出了精确的潮汐预报,计算是到伦敦完成的。黄埔水文测验始于1911年8月14日,1913年那个测验方案,是我国第一个完整的测验方案。采用6杯旋转式流速定点测流速的方法(欧拉法),采用浮标法测定河段平均流速(拉格朗日法),欧拉法与拉格朗日法是国际通用的两种测流方法。长江口1958年从江阴到河口同步水文测验是第一次最大规模的水文测验。60年代初,我也多次参加这样的大测验。我在70年代崇明施翘河地区长江河段的一次水文测验中担任技术指导,布设了13条垂线,用6点法同步连续观测2昼夜,崇明水利局、上海航道局、农业局、华东师大和海军等五个单位合作,200多人参加。分析报告指出,由于涨落潮流顶冲大坝,掏空坝基,形成深达50多米的深潭,是大坝逐渐坍塌的原因。为防汛提供了依据,保住了危在旦夕的崇明电厂。测流设备的改进,资料表明,70年代国外有了直续式测流仪,按电磁原理及多普勒效应设计,目前国内也使用这样的仪器,可方便测定任意深度上的流速。水位观测仪器也大有改进,由遥测遥报水位计取代过去人工观测或电传水位计,比我60年代在岸边或海岛,日夜守候水尺观测水位先进多了。在潮汐预报方面,我在60年代初,系统整理出一套1927年以来的黄浦公园潮汐月度预报表。50年代海军部出版的潮汐表,载有主、副港潮汐系数和潮时差,可用差比法做长江下游一些站的预报。当时吴淞、中浚、佘山、大戢山和横沙站的预报,是按前苏联11分潮调和法“镂孔格”表格手算预报的。我在1964年11月提出第一个用电子计算机来预报的方法,与华东计算技术研究所合作,由电子计算机取代人工手算获得成功。随后十年,我经过不断学习与探索,从国外一些资料中得到启发,自己努力创新,相继提出19个电算方案,在同志们一起努力下,一一获得成功,终于建立了一套从分析到预报全部由数字计算机来完成的,高精度、高速度预报方法,一直使用至今。其按128个分潮潮高模式的预报精度,一般为 cm左右,比原来预报精度 cm左右,精度提高了一倍以上,上机时间原来需要5-6小时,而且常常发生停机事故后得从头计算,而这套新方法完成同样的工作量只需要几分钟时间,缩短上机时间达98%以上,大大提高了预报的计算速度与效率。预报站从原来5个增加到20多个(现在已增加到30多个),潮汐表发行量从1966年1500册直线上升到1985年13000册,大大改善了地区航行条件。黄浦公园潮流预报用同样的方法,根据1964年5月1965年6月,0.2H(水深)处逐时正点流速资料,作出精确预报,与1969年施测正点流速作验证,其年均方误差仅为10.6,这样的预报精度是前所未有的。
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