日本水文学与水资源研究进展

'　　日本水文学与水资源研究进展|第1　1.日本水资源概况1.1.水资源开发为了解决水资源和水环境问题，日本国土交通省下设水资源局、河川局和污水及废水管理局。水资源局负责制定全国长期水需求计划。在人口密集和工业集中的地区，以及跨行政辖区的河段，对水资源的开发应持谨慎态度。水资源局与政府其它部门和相关辖区行政长官共同协商，制定水资源开发的总体规划。在这个规划的基础上，河川局、农林水产省、水资源开发公团和当地政府共同进行水资源开发设施的建设。河川局负责A级河流的管理，包括防洪、水利工程设施建设、河流取水许可等。污水和废水管理局负责生活污水系统的建设和管理。根据取水口资料统计，1994年日本全国的耗水量为890亿立米。其中，农业用水为总耗水量的2/3。生活用水略呈上升趋势，而工业用水略呈下降趋势，农业用水无甚变化。（见图1）。在可利用的水资源中，有河流水（包括湖泊和沼泽地）、地下水、泉水、水库蓄水、废水再利用和海水淡化。其中主要是河流水和地下水。尤其需要指出的是河流水占很大份额并呈逐年上升趋势。自1955年以来的经济高速增长导致了工业的快速发展和城区人口的密集，城市的需水量大幅度增加。经济的增长需要水资源作为支撑，而水资源的开发需要大量的投资。中央政府应协调不同地区的利益，并对水资源的开发进行大量投资。因此，1961年诞生了“水资源开发保护法”和“水资源开发公团法”。“水资源开发保护法”规定，只有在水是一个亟待解决的问题的河流流域，一个河流系统才被赋予“水资源开发河流系统”。“水资源开发总体规划”包括以下三个部分：第一是所有功能和供水目标的未来水需求；第二是满足供水目标所需的基础设施建设的主要内容；第三是有关水资源开发和利用的其它主要内容。因此，根据“水资源开发公团法”，水资源开发公团于1962年成立。这个公团根据“水资源开发总体规划”进行大坝、拦河坝和运河的建设，并负责已建工程的运行管理。1.2环境保护 水资源开发工程建设不可避免地将对自然环境造成影响。对于拟建工程，必须对工程可能对自然环境造成的损害进行调研；在工程建设过程中，应采取适当的措施避免或减小对环境造成的破坏；在工程完工以后，应维持良好的自然环境。由于大坝蓄水将对库区水质产生各种影响，应采取多种措施保证良好水质。对于生态系统的保护来说，可将建坝前的坝区原有本地物种移植另处，并专门保护起来。此外，如果在河流上修建拦河坝将水流完全阻断，则将设渔道以保证洄游鱼类的生存环境。如果修建蓄水面积超过100公顷的水库，应在项目建设之前，进行环境评价。“环境评价法”于1997年6月9日颁布。评价的内容包括水污染、土地占用、地质特征、植物、动物以及景观等。为水资源保护来说，控制水质恶化并改善水质非常重要。自1975年以来，日本的河流水质以BOD指标衡量，有了明显改善。此后，环境质量标准逐年得以提高。但与之形成对照的是，标准中湖泊和沼泽地水体的COD指标要求仍然较低。地下水主要用于生活用水和工业用水。地下水由于取用方便和费用较低，是用水户的首选。同时地下水水质有保障、水温变化小。但是地下水过量开采导致了地下水位的下降，造成如地面沉陷、海水入侵等问题。而这些问题出现后，解决起来很困难。大坝的建设造成土地和房屋低于河流水面，社区财产遭受损失，并对当地社会经济造成影响。库区居民需要搬迁，同时在大多数情况下，还面临重新寻找就业机会的问题。在六十年代，解决这一问题主要靠补偿金的方式。但进入七十年代后，除补偿金的方式外，还开展了生活区和社区的重建。因此，为了大坝建设的顺利开展，1973年出台了“库区开发特殊措施法案”。根据这一法案，人们采取了各种各样的措施与方法。此外，“库区居民搬迁法”出台，同时建立了“库区开发基金”，用以扶持淹没地区居民区的重建。虽然水库库容的设计足以抵御十年一遇的旱灾，但近年来干旱频繁发生。由于人们生活水平的提高和工业的不断发展，加之六十年代以来频繁出现的小降雨年份，水需求量已经超过了水供给量。根据1956年至1975年的降雨资料，十年一遇的潜在年水资源量为3350亿立米。另一方面，1976至1995年，同等的水量对应的是4年一遇的频率。这一潜在水资源量的降低可能是近年水资源短缺的原因之一。在发生旱灾的年份，一些水利设施就要实施取水限制。具体的取水限制条件由旱灾咨询委员会制定，同时有河流管理部门和水权持有者的参与。若发生全国范围的严重干旱，将召开政府各部门参加的会议，通过采取地区性的和全国范围的各项措施，减缓灾害损失。2.日本水文和水资源学术领域的有关活动2.1.日本水文与水资源学会（JSHWR） 日本水文水资源学会成立于1988年，它是一个集气象、水文、林业、农业、土木工程、水资源、生态、社会、经济、与水相关的法律法规以及其它相关领域的跨学科的学术组织，旨在促进研究者和实践者之间跨学科的和综合性的研究和创新/非传统的研究，加强对话与合作，促进新技术的应用；同时从自然科学与社会学相结合的更广泛的视角开展水文和水资源领域的国际交流与合作。会员中不但包括大学里的研究人员，同时还有政府部门的决策者和实施者，共同探讨水文和水资源领域面临的问题和今后的发展方向。　到2001年12月，定期会员1155，其中学生会员174，支持人员74。为向会员提供各项服务及组织各项活动，协会由理事会和董事会组成，设一名主席和数名副主席，以及2名监事。董事会负责学会的重要事务，并负责在各委员会之间进行协调，讨论学会提出的问题并代表全体大会作出适宜的决策。学会设有七个委员会，包括学术奖励、研究协调、计划、出版、国际交流、财务和总部，以及其它特别委员会。学术奖励委员会的日常工作是遴选国内外有突出学术成绩的候选人；研究协调委员会负责研究项目的协调和决定研究基金的使用；计划委员会负责研讨会和培训项目的安排，并为一些专题活动申请外渠道基金；出版委员会负责6个国内期刊的出版和一个国际期刊水文过程专题的编辑；国际交流委员会致力于促进国际交流项目的开展，支持年轻学者参加国际交流活动；财务委员会负责管理协会的资金；总部负责协调各委员会之间的重大事项。此外，信息处理专门委员会主要负责管理学会的网页。学会现任主席是Kyushu大学的T.Kusuda教授，总部的现任主任是京都大学的K.Takara教授，任期为2002年8月至2004年8月。上一任（2000年8月至2002年8月）的主要任务是促进政府和企业部门的研究人员与工程师之间的对话与合作，并支持成立亚太水文水资源协会的工作。2.2亚太水文水资源协会（APHW）水文过程取决于物理、化学和生物过程，这已是全世界的共识。但是，不同地区的水文现象本身却表现出相当大的差异性，并很大程度地取决于具体的地理条件。通常，水文和水资源领域的研究者和实践者仅关心他们各自所在地区的情况。从这点来说，水文学研究是与具体的地点联系起来的。因此，根据某一地区研究开发出的学术概念或方法不一定适用于其它地区。此外，某一具体地区的研究目标也可能不同于其它地区。 为了鼓励和促进位于季风区的亚太地区的合作研究活动的开展，2001年12月13日在东京成立了亚太水文水资源协会（APHW）预备委员会，经过预备委员会的广泛深入的讨论，APHW于2002年9月1日成立。在成立大会上，通过了协会的工作框架。协会的宗旨包括：根据亚太地区的地理和气候条件，促进区域内水资源管理以及研究活动的开展。主要的活动有促进亚太地区的水文学研究、水资源利用的方法论研究、大型会议和小型研讨会的组织、教育项目的开展、数据和信息的共享等。为实现上述目标，并考虑协会组织结构的特点，协会同时接受个人会员和团体会员，并免收会员费，但接受个人和团体的捐赠。因此，协会的组织机构很简单，仅设一位专职秘书长负责协会的管理，秘书长可在任期内根据需要任命助手，秘书长还可根据需要通过设立专门委员会来完成任期内的职责，秘书长同时可以确定工作框架、任命专门委员会的主席，专门委员会主席又可以在征得秘书长的同意下任命委员会的成员。为了与2003年3月16日至23日于东京召开的第三届世界水论坛相衔接，APHW的第一次大会定于2003年3月13日至15日在东京召开。会议的议题将集中关注亚太地区的水文和水资源问题，包括：区域特征和水问题、已有经验的总结、明智的管理、水资源开发、水资源合理利用、气候变化和灾害等。3.水资源统一管理3.1.水资源和水环境的新对话近来，根据社会和经济的发展，对于河流流域，提出了多种的观点和多重的标准，尤其是生活环境以及生活舒适度已经成为了一个重要的方面。日本政府提出了一个称为“健全的水循环”的新的河流规划，其中包括流域内的水量、水质和生态系统。同时，许多研究者利用地理信息系统、数字高程图、土地利用图、人口分布图等建立了各种分布式径流模型。通过这些信息，能够较容易地获得流域内的长期或短期的水量和水质状况。以下将介绍流域水资源统一管理与径流模拟和方法的优化相结合的一些成果，包括流域管理的概念表述，考虑洪水、干旱、河流景观、舒适度等因子的目标函数的公式表达，最后是由混合优化法与模糊评价和遗传算法优化相结合的“健全的河流流域”一个案例。3.2.评价函数的形成 流域管理可以表述为1）考虑全流域的长期和短期的环境；2）评价切实可行的和可以改进的参数；3）改进不合乎需要的地点或参数，以保护生命系统的可持续性。不同的河流流域由于其地理位置和流域内土地利用方式的差异，呈现出不同的特征和状况。评价因子是由时间、空间、目的和地区的重要性等广泛的视角中抽象出来的。在此提出的考虑评价流域环境的主要的因子有如下9个：高水、低水、流量过程、水质、河岸结构、城市化程度、河流景观、沿河人口分布、和亲水性。对于防洪来说，高水位是根据设计洪水位来评价的，而低水位是根据干旱的风险来评价的。流量过程对于河道的冲刷、动植物栖息环境和取水有着重要影响。对于水资源利用和水环境保护来说，河流水质必须控制在一定的标准范围内。长期以来，在城市河段，由于防洪的标准较高，大堤为混凝土结构或组合结构。山区河段的河岸由于其各不相同的特征，为游客提供了欣赏自然风景的场所。以上功能应通过简单的方程来描述。土地利用方式的不同不仅影响径流渗透率，而且影响作为环境因子之一的生活废水的扩散过程。这一指标将对景观和水的舒适度产生很大影响。每一具体地点的河流景观的评价将根据不同的利用目的，如自然生命系统或水的舒适度来进行。沿河人口分布对河流的利用也有很大的影响，其影响途径有饮用水、废水排放、休闲空间和活动区等。道路和停车场是衡量游客接近河流的难易度的因子，用人口和距离的联合函数来表达。这些方程可表达为：lunperature,LectureSeriesofHydrology,No.10,KyorituPublishingpany,1984.[2]Kojiri,T.andIkebuchi,S.,GIS-BasedEnvironmentAssessmentModelforp.onHydrologyentDevelopment,Keynote,11-23,1997.'