水文科學的基本問題與發(fā)展趨勢,水利水電論文

水文科學的基本問題與發(fā)展趨勢,水利水電論文摘要：回首了新中國70年來水文科學的發(fā)展歷程。闡述了水文科學的基本問題及其現(xiàn)代前沿：水圈及其與地球其他圈層的界面經過；水文循環(huán)及人類活動對水文循環(huán)的擾動；水文學研究的特點以及其方式方法論；水文知識的應用等。提出了劃分水文科學分支學科的科學基礎，建議將水文科學劃分為普通水文學，水文氣象學，陸地水文學，生態(tài)水文學和應用水文學五個分支學科。本文關鍵詞語：水文科學;水圈;水文循環(huán);地球圈層;人類活動影響;水文學方式方法論;Abstract：Inthisarticle,wereviewedthehistoryofthedevelopmentofhydrologicalscienceinPeoplesRepublicofChinaforthepast70years.Wealsodiscussedthebasicscientificquestionsofhydrologyanditscurrentfrontier,whichincludethehydrosphereanditsinterfacewithotherspheresoftheearth，thehydrologicalcyclesystemandthedisturbanceofhumanactivitiestoit,thehydro-observationandthemethodologyofhydrologyresearch,theapplicationofhydrologicalknowledge,etc.Basedonthesestudies,wesuggesttodividethehydrologicalscienceintofivesub-disciplines:Generalhydrology,Hydro-meteorology,Land-hydrology,Eco-hydrology,andAppliedhydrology.Keyword：hydrologyscience;hydrosphere;hydrologicalcycle;sphereoftheearth;effectsofhumanactivities;methodologyofhydrology;1957年秋，筆者背著行囊走進了華東水利學院水文系，開場了自個的水文人生。在這60多年的光陰里，水文科學給了我人生的事業(yè)追求，自個也有幸見證了新中國水文科學的發(fā)展歷程。20世紀5060年代，新中國大興水利，可是當時既沒有系統(tǒng)的水文資料，也沒有合適中國自然環(huán)境的水文計算、水文預報方式方法。于是，關于水文站網布設與水文測驗技術、設計洪水與設計暴雨、河道洪水演進與預報方式方法等研究蓬勃興起，到60年代末，已基本完成了工程水文學在中國的奠基性工作。7080年代，中國已建成七大江河水文觀測站網，研發(fā)了合適中國河流水文特性的水文觀測設備與技術，廣泛吸收了當時國際先進的水文分析、水文計算和水文預報方式方法，并根據(jù)中國自然地理特點進行改良，制定了中國水文觀測、水文計算、水文預報等國家規(guī)范，工程水文學在中國步入成熟時期。8090年代，國家面臨水資源短缺的嚴峻挑戰(zhàn)。水文科學面對新的需求，開展了旨在摸清全國水資源稟賦的水資源調查，為水資源開發(fā)、利用與保衛(wèi)提供水文學理論、方式方法與資料支撐。在這一進程中，豐富了水文科學的內涵，也催生了水資源水文學逐步興起。同時，環(huán)境水文學、城市水文學、農業(yè)水文學、地下水文學等應用水文學分支學科也雨后春筍般興起。進入21世紀，隨著國家改革開放的推進，中國水文科學步入了與世界同步發(fā)展的進程。研究的視野從流域尺度向全球尺度拓展，全球變化研究遭到廣泛關注，系統(tǒng)分析、熵、復雜性科學、多尺度耦合等新概念、新理論、新技術不斷引入水文科學研究中。最突出的進展是水文科學進入了計算機時代，帶動了水文模型的興起和蓬勃發(fā)展。當今，中國水文學者在為保障國家水安全做出奉獻的同時，正積極關注全球資源、環(huán)境中的水文科學問題，高屋建瓴地對水文科學的基本問題和將來的發(fā)展進行深切進入考慮。1、水文科學的基本問題水文科學的基本問題，是指水文科學作為一門學科必須回答的，對學科發(fā)展具有基礎性、引領性的問題，主要包括本學科的研究對象、基本理論、方式方法論和應用技術等。立足水文科學的至高點，俯視和梳理水文科學的主要內容。大致能夠歸納為下面幾個基本問題。1.1、當代水圈及其構成與演變地球水圈作為水文科學研究的客體，將其列為水文科學研究的基本問題，是再自然不過的了。關于水圈的研究，大體包括：地球上水的起源，水圈的構成經過，第四紀以來水圈的演變，水圈的將來。這些問題的時間尺度看似長達百萬、千萬甚至億年，而人類文明史缺乏萬年，但這并非表示清楚上述問題的研究是不必要的。這就好像地質科學研究6000萬年前的燕山運動和340萬年以來的新構造運動，對于今天的地震預測預報是不可或缺的那樣。其實，關于地球水圈的研究，對于人類探尋求索其它星球上水的存在及其環(huán)境，也是很有價值的。在這個意義上，地球水圈的研究可以列為天文學中行星研究的一個課題。1.2、水文循環(huán)及其環(huán)境意義。地球由于處在太陽系中的獨特位置，使其地表平均溫度為15℃，正是這一溫度環(huán)境，使地球上的水具有了在自然條件下進行液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)三相轉換的可能。太陽熱能和地球勢能驅動著水的三相轉換的實現(xiàn)，構成了地球上的水文循環(huán)。關于水文循環(huán)的探尋求索，幾乎貫穿人類文明史。在17世紀以前的4000多年里，東西方先哲們?yōu)榱颂綄で笏骱恿鞯钠鹪春秃楹尾粷M之謎，提出太多種思辨意義上的水文循環(huán)概念[1]。17世紀后半葉，法國人佩羅特〔Pierre.Perraut〕和馬里奧特〔Mariott〕通過對塞納河降水與徑流的觀測分析，英國人哈雷〔Ednmond.Halley〕通過對地中海蒸發(fā)進行的估算，并與降雨和流入地中海的河流水量相聯(lián)絡，才在科學意義上確立了水文循環(huán)的概念。1798年，英國人道爾頓〔John.Dalton〕通過對英格蘭和威爾士地區(qū)降雨、徑流、蒸發(fā)和區(qū)域蓄水量變化的分析，提出了水量平衡方程，由此開場了對水文循環(huán)的定量研究。然而，自那時以來直到20世紀末，關于水文循環(huán)的研究多局限于對水文循環(huán)各別要素，如降水、徑流、蒸發(fā)、入滲等進行孤立的觀測、實驗和給出某些計算公式，而缺少對水文循環(huán)系統(tǒng)進行完好、統(tǒng)一的理論描繪敘述。在進入了21世紀的今天，這一責任天經地義地落在現(xiàn)代水文學者們的肩上。水文循環(huán)作為聯(lián)絡地球水圈諸水體的紐帶和地球能量與化學物質輸移的機制，其研究內容特別豐富，大致能夠概括為下面兩個主要方面?！?〕水文循環(huán)系統(tǒng)的構造與動態(tài)研究。該項研究的目的，旨在揭示全球水文循環(huán)系統(tǒng)中，不同時空尺度的子系統(tǒng)是怎樣構成、演變及相互耦合的動態(tài)經過和機制，以期作為對水文情勢預測、預報的根據(jù)。這顯然是一個特別棘手的課題。華而不實，尺度轉換與耦合機制是關鍵與難點之所在。復雜性科學的理論和方式方法，或許是進行這方面探尋求索的途徑?！?〕水文循環(huán)動力學研究。水文循環(huán)是一個以水為介質的動力學系統(tǒng)。對該系統(tǒng)進行完好的數(shù)學力學描繪敘述，開創(chuàng)建立水文循環(huán)動力學，建立全球與區(qū)域水文循環(huán)動力學模型，是水文循環(huán)研究的理論追求，也是水文科學擺脫其半經歷體驗半理論狀態(tài)，成長為具有堅實理論基礎的學科的關鍵。當代水文學知識表示清楚：水從海洋和陸地蒸發(fā)，其經過能夠由熱力學描繪敘述；水汽進入大氣層后的分布、輸移、輻合和輻散能夠由動力氣象學描繪敘述；水汽成云致雨的經過能夠由云物理學描繪敘述；水文循環(huán)的陸面經過能夠由水動力學描繪敘述?？梢?，對于水文循環(huán)全經過中的不同階段或環(huán)節(jié)的數(shù)學力學描繪敘述，已具有較成熟的理論與方式方法，如今是在已有研究成果的基礎上，開創(chuàng)建立水文循環(huán)動力學的時候了。1.3、水圈與地球其它圈層界面經過及全球問題環(huán)顧我們面臨的全球問題，幾乎無不發(fā)生在水圈與地球其它圈層的界面上。例如：洪澇、干旱和極端水文氣象事件，發(fā)生在水圈與大氣圈的界面上；山洪、泥石流、地震引起的水文地質災禍發(fā)生在水圈與巖石圈的界面上；大范圍熱帶雨林消失、草原荒漠化、一些水生和陸生生物滅絕等生態(tài)環(huán)境問題，發(fā)生在水圈與生物圈的界面上；而當今面臨的水資源短缺、水環(huán)境惡化等問題，則是人類對水圈〔主要是陸地水體〕無度無序擾動引起的，可以稱其為發(fā)生在水圈與人類圈的界面上。把人類面臨的全球問題統(tǒng)一歸納在水圈與地球其它圈層的界面上，并通過對界面經過異常變化的分析，揭示各種全球問題發(fā)生的機制，是水文科學研究一個全新的思路與領域。1.4、水文學知識之應用所有的科學與技術，都是為了知足人類與時俱進的各種需求。知足需求的方式，就是把從科學實驗和生產實踐中獲得的經歷體驗凝練成為知識，并將知識應用于知足人類的需求中。正是基于這樣的認識，水文科學的終極目的，就是提供充分的水文科學知識，并將其應用于知足人類對于水的需務實踐中。人類須臾不能離開對水的需求，因而水文科學知識的獲取與應用也永無止境。正因如此，水文科學才具有其永遠恒久的生命力。水文科學知識的應用特別廣泛，但主要是為人們提供有足夠可信度和精度并具有多種預見期的水文情勢預測和預報服務。例如，為大中型水利工程建設提供其將來運行期間的徑流與洪水預測，為水資源開發(fā)利用與保衛(wèi)提供中長期旱澇預測，為城市規(guī)劃與建設提供將來可能出現(xiàn)的水環(huán)境變化，為江河防汛提供實時洪水預報，為水庫調度提供實時來水預報等。可見，水文科學在應用層面，其本質就好像天氣-氣候學那樣，是一門以預測、預報為宗旨的學科。充分認識和把握這一點，對引領和推動應用水文學的發(fā)展，有著重要的導向意義。1.5、水文觀測與水文學方式方法論水文科學不能像物理學、化學那樣，能夠在實驗室觀測和揭示物理、化學現(xiàn)象和機理，而必須通過對大自然水文現(xiàn)象的直接觀測，獲取地球水體及其運動、變化的信息，并通過對所獲取信息的分析，構成水文知識，以回答水文學的基本問題。因而，水文觀測是進行水文科學研究的基礎。原始的水文觀測在公元前2000多年的埃及尼羅河已經出現(xiàn)，但科學、定量且較普遍的水文觀測，于18至19世紀才在歐洲陸續(xù)興起[1]。中國近代水文觀測始于20世紀初的黃河。綜觀世界當代水文觀測，其技術與獲取信息的能力，尚不及氣象學、地理學等地球科學學科，這在相當程度上制約著水文科學的發(fā)展。水文觀測追求的目的，在于實時獲得地球水文循環(huán)及多種尺度水體分布、運動與變化的完好信息，好像醫(yī)學B超，能夠實時、全面觀觀測到人體的血液循環(huán)系統(tǒng)，或如遙感衛(wèi)星系統(tǒng)能夠實時觀測地表不同尺度物體的狀態(tài)那樣。唯此才能為構建全面、系統(tǒng)的水文學知識提供基礎信息，回答水文學基本問題，知足社會發(fā)展對水文知識的需求。水文科學自17世紀以來，其方式方法論就建立在復原論的基礎上，并廣泛汲取其他學科的方式方法與技術。自20世紀40年代以來，水文科學對水文現(xiàn)象的分析與研究，主要沿著兩個方向發(fā)展。其一，視水文現(xiàn)象為確定性事件，以經典牛頓力學作為分析工具，以開創(chuàng)建立水文循環(huán)動力學為理論目的。其二，視水文現(xiàn)象為隨機事件，以概率論與數(shù)理統(tǒng)計作為分析工具，以開創(chuàng)建立隨機水文學為理論目的。實踐表示清楚，這兩方面的發(fā)展知足了這一時期社會發(fā)展對水文科學的需求。進入21世紀，人們對全球資源、環(huán)境等問題的關注，推動了全球變化研究，也激起了水文學者對于水文研究方式方法論的考慮：將水文現(xiàn)象割裂為確定性和隨機性進行研究，這樣的方式方法能否反映了水文現(xiàn)象內在統(tǒng)一性？能否能系統(tǒng)、完好、深入地揭示水文循環(huán)系統(tǒng)及其與地球其他圈層界面的經過和機制？能否應當把水文現(xiàn)象作為一個整體進行研究？一個明顯的實例是，東亞季風區(qū)的河流，每年都會有汛期和洪水，是一個在年尺度上確實定性事件，然而汛期何時起訖，洪水出現(xiàn)的時日，洪峰、洪量和洪水經過等卻完全是隨機的，可見汛期和洪水這一水文現(xiàn)象，既具有確定性，也含有隨機性。其確定性是由行星因素和大氣環(huán)流所決定的，其隨機性則包含外隨機性和內隨機性兩類。外隨機性是河流水情受多種外部環(huán)境不確定因素的影響而產生的；內隨機性則是確定性系統(tǒng)固有的行為特征，即便最簡單確實定性系統(tǒng)，在其運行的經過中也會自發(fā)產生隨機性。內隨機性的存在和描繪敘述已由美國氣象學家愛德華.勞倫茲〔EdwardN.Lorenz〕于1963年在其提出的勞倫茲動力學方程中得到證實[2]，并為物理學界所公認。因而，怎樣研究集確定性與隨機性于一體的水文現(xiàn)象與經過，成為現(xiàn)代水文科學方式方法論面臨新的挑戰(zhàn)。值得慶幸的是，20世紀80年代混沌理論的興起，物理學者稱其為20世紀以來物理學的第三次革命[3]?；煦缋碚搶τ诜绞椒椒ㄕ摰姆瞰I在于，它使描繪敘述自然界的兩種方式方法決定論〔描繪敘述確定性事件〕和概率論〔描繪敘述隨機性事件〕實現(xiàn)了和諧的統(tǒng)一?；煦缋碚撍枥L敘述的混沌運動特征，例如愛德華.勞倫茲蝴蝶效應[2]所表現(xiàn)出的運動范圍的有限性，運動經過的準周期性，運動軌跡的隨機性，以及系統(tǒng)內在非線性等，皆與水文現(xiàn)象和經過的特征相契合?？梢?，混沌理論以及與其相提并論的分形理論等，為水文科學研究的方式方法論打開了一扇充滿魅力之門。水文科學將在繼續(xù)發(fā)展基于復原論的研究方式方法的同時，向著基于整體論的非線性科學領域進行探尋求索[4]。中青年水文學者將擔起此重任。2、水文科學現(xiàn)代前沿筆者基于現(xiàn)代面臨的全球資源、環(huán)境問題主要發(fā)生在水圈與地球其他圈層界面上的認識，從知足社會需求、牽引學科發(fā)展和推動技術進步三個方面進行辨別，以為水文科學現(xiàn)代前沿可包括下面領域。2.1、水文循環(huán)對氣候變化的響應研究其實這是發(fā)生在水圈與大氣圈界面上的現(xiàn)象與經過，因其對水資源與生態(tài)環(huán)境的深入影響，并遭到現(xiàn)代全球變化研究的十分關注，故而列為水水文科學的現(xiàn)代前沿之一。眾所周知，地球上的氣候從來就是在變化著的，并深入影響著地球環(huán)境，第四紀冰期與間冰期的交替便是其顯著的表現(xiàn)。自從18世紀中葉工業(yè)革命以來，尤其是20世紀中葉以來，人類排放到大氣中的溫室氣體不斷積累，這一積累經過也是導致當代的氣候變化的原因之一?？梢?，當代氣候變化是氣候的自然演變趨勢〔下稱自然分量〕與人類排放溫室氣體〔下稱人類分量〕疊加的結果。因而，氣候變化研究的理論內涵和科學目的，當在于分別揭示自然分量和人類分量對氣候變化的奉獻率，而不僅僅僅是籠統(tǒng)或含糊地議論氣候變化。只要揭示了人類分量的奉獻，才能為改善人類活動，以減輕其對氣候的影響提供根據(jù)，而自然分量是人類所不能控制的。顯然，水文循環(huán)對氣候變化的響應研究，也當相應地分別進行描繪敘述，而這一點在當代的水文、水資源研究中并未充分具體表現(xiàn)出。值得指出的是，在水文循環(huán)對氣候變化的響應的研究中，有研究者將一個缺乏夠大的地區(qū)或流域水文要素在一定時期內的異常變化，與某些氣候形式的輸出〔如氣溫、降水等〕做相關分析，得出很高的相關系數(shù)；或者對水文要素時間序列進行統(tǒng)計診斷，得出某些偏離正常值的統(tǒng)計特征值，于是據(jù)此將該地區(qū)或流域水文要素的異常變化，歸由于其對氣候變化的響應。這樣的結論很可能并不是客觀和真實的，由于某些并不排放溫室氣體的人類活動，例如水利工程和土地利用方式改變等，其對水文要素的影響遠大于氣候變化對水文要素的影響。2.2、江河治理的地學基礎研究水圈與巖石圈界面經過的基本特征和機制是侵蝕與堆積。沒有河流侵蝕與襲奪，就沒有今天的黃河與長江；沒有面上的侵蝕，就不會有泥石流和廣布的水土流失；沒有堆積就沒有今天的長江中下游平原和黃淮海平原；沒有侵蝕與堆積的共同作用，就沒有千姿百態(tài)的地貌，更不會有河流的演變。全球河水平均每周更新一次，是水圈與巖石圈界面上最活潑踴躍的因素。因而，關于河流的構成、演變與地學屬性的研究，天經地義地成為水圈與巖石圈界面經過研究的重大課題。江河治理是人與河流的對話，只要尊重河流的地學屬性，對話才可能是和諧的。[5]由此可見，江河治理是推動河流地學屬性研究的動力，因此江河治理地學基礎研究，便符合邏輯地成為現(xiàn)代水文科學的前沿課題。等待基于該項目研究，樹立起江河治理的地學觀，只爭朝夕地開展七大江河及其支流地學基礎的研究實踐，為江河治理開發(fā)提供充分的地學根據(jù)。2.3、人類活動對水文循環(huán)系統(tǒng)的影響研究如前所述，20世紀下半葉以來，劇烈的人類活動對大氣、水土、生態(tài)與環(huán)境產生了宏大的影響。這些影響多出如今水圈與大氣圈、巖石圈、生物圈和人類圈的界面上，導致水文循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生偏離常態(tài)的變化。事實上，劇烈的人類活動已無處不在地浸透并深入干擾了水圈與地球其他圈層界面上的自然經過。在水文循環(huán)的陸面經過中，人類活動的影響尤為顯著。例如：城市化和大規(guī)模土地利用方式的改變，使產匯流現(xiàn)象和機制與之前的天然情況下迥然不同；作為水文統(tǒng)計分析基礎的江河水文要素系列已失去了其原有的代表性和一致性；自然水系已大多淪為人工控制的水網，等等。這些變化使得在未被人類活動干擾的天然情況下獲得的水文知識，已難以解釋今天的水文現(xiàn)象與經過，而面臨需重新認識的挑戰(zhàn)。因而，把人類活動作為最活潑踴躍的因素參加到新時期的水文科學研究中，揭示在劇烈人類活動影響下，水文現(xiàn)象的新特點，新機制，新規(guī)律，構建基于自然因素與人文因素共同影響下的水文科學知識，應當是現(xiàn)代水文學研究的前沿課題。2.4、開拓基于人工智能的水文分析技術無論在水文科學研究中和實際水文工作中，通常要構建復雜的水文模型，進行海量數(shù)據(jù)處理和快速的分析計算。例如，在對長江上游干流30余座大型水庫實行聯(lián)合實時優(yōu)化調度時，就需要構建包含由數(shù)十個重要目的組成的目的集和同樣龐大約束集的復雜數(shù)學模型，并需在很短時間內對模型進行解析和運算，實時優(yōu)選出安全和效益最佳的實時調度方案，這顯然已是現(xiàn)有水文分析技術難以實現(xiàn)的。有幸的是，我們從圍棋阿爾法-狗〔AlphaGo〕的勝利得到了啟示：圍棋高手李世石憑借其豐富的經歷體驗和判定力，在預判了十余種落子可能出現(xiàn)的棋局后，選擇出了他以為最優(yōu)的落子位置；而阿爾法-狗憑借其每秒上億次的運算速度和學習記憶能力，在枚舉了上千種落子的棋局中選擇出了最優(yōu)落子位置，棋手終因其計算分析的能力遠不如阿爾法-狗的運算速度和學習記憶力而敗北，而繼后的AlphaZero更為出色。顯然，人工智能這種極高的運算速度和處理海量數(shù)據(jù)的能力，正是我們水文分析,尋優(yōu)計算與預報中所需要的。毫無疑問，開拓人工智能在水文科學研究和實際工作中的應用，將帶來水文科學技術的重大突破，水文科學家們必須把握這一現(xiàn)代技術前沿。3