水资源系统的要素及及特征

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二章,水资源系统的要素及特征,10/16/2024,1,系统论于,20,世纪,40,年代提出，,50-60,年代应用系统工程解决复杂问题。目前，系统思想与系统方法广泛地渗透到各学科领域。,随着社会的进步和经济的发展，水资源的利用程度越来越高，规模越来越大，结构越来越复杂，只用传统的、常规的方法难于完美地解决如此庞大而复杂的问题，因而，将系统思想、概念、理论与方法应用于水资源系统的研究和实践，就构成了水资源系统分析。,10/16/2024,2,讲授内容,第一节 系统的概念,第二节 水资源系统的构成与变化,第三节 地表水资源系统,第四节 地下水资源系统,10/16/2024,3,第一节,系统的概念,一 系统的定义及其结构要素,二 系统的类别,三 系统的特性,10/16/2024,4,简单的说，系统思想与方法的核心是把所有研究的对象看作一个有机的整体（系统），并从整体的角度去考察、分析和处理事物。,10/16/2024,5,一 系统的定义及其结构要素,关于系统的定义，比较通用的提法为：,凡是在一定环境下，为实现某一目标，有若干相互联系、相互制约、相互作用的因素（部分）而组成的具有特定功能的集合体，称为系统。,系统方法认为，不应当将系统理解为各组成部分（要素）的简单集合，而应将其理解为诸要素以一定规则组织起来，并共同行动的整体系统,内部各要素相互联系和作用的方式便是系统的结构。因此，我们也可以将系统理解为“有结构的集合”。,10/16/2024,6,任何一个系统均包括两部分：,10/16/2024,7,系统与环境的界限称为,系统边界,。,系统的相互联系、相互制约、相互作用的组成部分，称为,系统结构,。,环境对系统的作用是系统输入，系统对环境的作用是系统输出；在动态条件下，输出可反作用于输入，即为反馈。,把输入转换为输出,就是系统的功能。系统状态随时间的变化称为,系统行为,。,10/16/2024,8,在工程体系中的系统，可描述为：在给定时间内，使物质（原料、能量、信息）的输入与物质（产品、能量、效益）的输出相互联系起来，在一定环境条件下，具有一定功能的任何结构、装置、设计方案和运行程序的有机体，,均称为,系统,。,而且这个系统本身是它所从属的一个大系统的组成部分（子系统），即为,系统的相对性。,10/16/2024,9,以分析为主的近代自然科学长期以来采用的方法是，将所研究的事物精细地分为各个互不联系的独立部分、分别加以研究，把各部分研究结果之和作为对所研究事物整体的认识。这样做,实质上是将研究对象当作诸要素简单累加而成的集合，而没有将其如实地看成一个有机整体。,10/16/2024,10,一个系统，不仅内部诸要素存在着相互作用，而且还与外部环境发生相互作用。,系统接受环境的物质、能量或信息的输入，经过系统的变换，再向环境产生物质、能量或信息的输出,系统的输入与输出,10/16/2024,11,环境对系统的作用也称之为,激励,，系统在接受激励后对环境的反作用称之为,响应,系统的激励和响应,10/16/2024,12,在同等降水条件下，不同的地下水系统，由于其岩层、构造、地貌乃至分布范围大小不同,泉流量的变化各不相同。,在不同的地下水系统中，以同种方式开采同样数量的地下水,地下水位的降低也有很大差别。,分析系统输入与输出（激励与响应）的对应关系有助于了解系统结构；,对系统结构的了解有助于我们预测激励,-,响应关系。,10/16/2024,13,二 系统的类别,在自然界和人类社会中，系统是普遍存在的。从不同的角度，可将系统分成不同的类别，可分为三类：,10/16/2024,14,1.,自然系统,自然系统是由自然物质组成的系统，如生物系统、生态系统、水文系统等。,10/16/2024,15,2.,人工系统,人工系统是为达到人类需求的目的人为建立起来的系统，如水利、交通等。,10/16/2024,16,3.,自然,-,人工复合系统,由人工系统与自然系统组合起来的复合系统。它既有自然系统的特征，有具备人工系统的特性，如航天导航系统等。,10/16/2024,17,三 系统的特性,10/16/2024,18,1.,集合性,系统由两个或两个以上可以相互区分的要素（或子系统）组成。一个系统常常是由若干子系统有机结合起来，子系统又是由更小的系统构成，形成一个多层次结构。,10/16/2024,19,2.,关联性,组成系统的各部分之间及系统与环境之间相互联系、相互制约、相互作用，即为系统的关联性。,10/16/2024,20,3.,目的性,系统的目的性是指系统都均有特定的功能，即既定的目的。,10/16/2024,21,4.,整体性,系统的整体性是因为系统的各个组成部分构成了一个有机整体。各构成要素的独立功能及其相互间的有机联系，只能在一定的协调关系下统一与系统整体之中。脱离了整体性，各构成要素的功能及要素间的作用就失去意义,10/16/2024,22,5.,不确定性,系统的不确定性是因为系统中某些不能用确定性方法描述其状态构成要素。其组成部分的活动或者由于人们的认识尚未完全掌握其规律，或者由于活动带有一定的随机性，而只能用统计手段反应其活动状态和进程，这就使系统具有不确定性。,10/16/2024,23,6,.,环境适应性,任何系统都存在于一定的环境之中，必定与外部环境发生物质的能量的和信息的交换，以适应外部环境的变化，这就构成系统的环境适应性。,10/16/2024,24,第二节 水资源系统的构成与变化,一 水资源系统的构成,二 水资源系统的影响因素,10/16/2024,25,一、水资源系统的构成,将系统思想、概念、理论与方法应用于水资源系统的研究与实践，就构成了水资源系统分析。,地表水资源和地下水资源是人类开发利用的主要对象，也是迄今为止唯一可实施人为控制、水量分配调度和科学管理的水资源形式。所以，在供水工程学中主要侧重于地表水资源和地下水资源，把具有相互联系的这两类水资源视为一个有机整体,水资源系统，进行综合评价、水量开发利用调度和科学管理。,10/16/2024,26,水资源系统结构框图,10/16/2024,27,考虑到地表水、地下水的运动方式、赋存条件差异明显，且以不同的结构形式组成各自的实体系统（地表水系统、地下水系统），而且无论地表水系统还是地下水系统，可供开发利用的水与不能列入资源范畴的水总是共处于同一河系或渗流场之中，两者之间在水量、水质上有着不可分割的关系。,因此，在进行适量评价和制定开采方案之前，必须分别查明地表水系统和地下水系统的结构特性、系统与外界环境的物能交换关系，即查明地表水、地下水的分布特征及补给、径流、排泄规律。,10/16/2024,28,二 水资源系统的影响因素,1.,自然条件下水资源的变化,2.,人类活动对水资源质与量的影响,3.,水资源自然系统与人工系统的协调发展,10/16/2024,29,1.,自然条件下水资源的变化,水资源的质与量及其分布状况是自然历史发展的产物，它们既有历史继承性的一面，又有不断变化发展新生性的一面。地史学、地貌学、古水文地质及古气候的研究成果证明了水文循环是个不断演化的过程，而且也提供了追溯宏观演化轨迹的重要线索和有力证据，为研究水资源自然变化打下了基础。,10/16/2024,30,古气候的研究表明，第四纪全球气候变化的基本特征是：地球高纬度地区是冰期与间冰期的交替；中低纬度地区则是干旱期与湿润器的交替。由于这种交替变化，不同地区的降水、蒸发都有明显的差异。,除受全球气候变化的影响外，自晚新世开始到上新世,-,更新世强烈隆升的青藏高原对我国气候的变化、地形地貌的再造、生态的演替以及水文循环的重组都具有极深远的影响，直接关系到我国水资源的分布格局和今后长期的演化趋势。,10/16/2024,31,气候、地质、植被的演化最终形成了现今的水资源分布状况，其标志为：我国的四大水文循环系统的形成（太平洋水文循环系统、印度洋水文循环系统、北冰洋水文循环系统和鄂霍次克海水文循环系统）；黄河、长江等几条东西向大河在最近,100,万年间相继贯通入大海，确定了我国以及流域的分布格局；新构造运动促使了地形的分异，山地、盆地、平原（高原）称为三大阶梯中次一级的地貌单元，它们的组合使地表水、地下水分布埋藏形态多样化。,10/16/2024,32,作为自然系统的一个局部或过程片段，水资源中小时空尺度的变化总是伴随自然条件的宏观改变，以十分活跃的方式表现出来。,有资料表明，受气候变化的影响，近百年来我国西北的山地冰川有进有退，总的趋势是退缩。,10/16/2024,33,2.,人类活动对水资源质与量的影响,人类活动直接影响着水资源的数量、质,量及时空分布。人类活动对水资源影响的方,式可分为两种：,一种是对水资源的间接干预，即通过环,境的变化影响水资源系统的输入输出过程；,另一种是以改变水资源系统结构方式直,接干扰，改变水资源的自然状态。,10/16/2024,34,10/16/2024,35,人类活动的间接,干预,可发生在全球性的宏观层次上，也可仅限于区域上。人类活动在全球性宏观层次上的间接干预，如人工废气排放导致的温室效应；过度采伐及垦殖使水土流失,加剧,、沙漠化日趋严重等。,这些问题相互关联相互影响，可能引起全球变暖、大气环流受到干扰、气候异常，从而使一些国家和地区降水过多出现洪涝灾害，而另一些国家和地区连年干旱、水资源匮乏，甚至会因生态退化导致区域水文循环过程的永久性变异。,人类活动在区域层次上的间接干预，主要是指那些规模较小、仅限于小区域内的各种人为活动，如封山育林小流域治理、都市建设等。,10/16/2024,36,10/16/2024,37,开发利用水资源是人类对水资源时空分布干预的直接方式。,修建水库就是把天然河流的线状源变为面状源，引水渠系则完全是人工的线源或网状的源以及开采地下水必然使自然系统的结构以及物能传输过程发生改变，形成新的水文情势。,10/16/2024,38,例如，拦截地表水有可能使下游河段过水量减少，甚至干枯，导致河流对地下水补给量的锐减，区域地下水位降低，如海水量减少。,从地表水体引水或跨流域调水，会加大地表水的分支流程，使水的周转期延长，水流的分散性增强，有可能影响到地表水的更新周期和运动节律，形成新的水量、盐分的收支关系。,10/16/2024,39,地下水的开发利用也产生类似的问题，不同的是，地下水是以“场”的方式存在的，地下水渗流场和水化学场的人为变异一般较缓慢，延迟效应却更为突出，而且抽水井的位置、开采强度和抽水历时过程对渗流场、水化学场最终形态的塑造是关键性的。,10/16/2024,40,总之，,水既是一种自然资源，又是重要的环境要素,。水资源系统的变化会影响环境，而环境的变化又导致水资源系统的变异。正因为两者具有相互依存互为因果的联系，人类任何不适当的活动都将使双方受到损害。,尤其是水资源开发利用策略的失误，不仅水资源的质、量及其时空分布朝着背离人们愿望的方向发展，而且还可能通过环境的反馈给水资源的长远利用留下难以逆转的苦果。这方面的范例在国内外屡见不鲜。,10/16/2024,41,3.,水资源自然系统与人工系统的协调发展,人类面临水资源短缺的严峻挑战，为了生存环境并持续发展，应寻找一条能使水资源开发利用得以持续的道路。由于水资源具有特定的本质，其时空变化既有一定的因果性、周期性，又带有一定的随机不确定性，对其未来的估计只能是大概的，不可能准确无误地进行预测、评价。此外，水还兼有资源与环境的二重性，即可开发利用为人类造福，又会因开发利用导致水资源自身的变化和环境的变异，给水资源的永续利用和人类生存条件带来不利影响。,10/16/2024,42,在水资源永续利用的问题上，人们始终面对几个基本矛盾：,水资源的有限性与用水量不断增长、供不应求的矛盾；,水资源的开发利用与环境保护的矛盾；,水资源系统供水功能时变性与人们对其稳定性的期望之间矛,盾。,10/1