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□ 芮孝芳
一、水文学发展的回顾 水文学作为地球科学的一个分支，主要研究地球系统中水的存在、分布、运动和循环变化规律，水的物理、化学特性，以及水圈与大气圈、岩石圈和生物圈的相互关系。水文学作为水利科学的重要组成部分，主要研究水资源、洪水与干旱的形成、时空分布，预测预报，以及水利工程及其有关工程的规划、设计、施工、管理中的水文水利计算方法，为水资源合理开发利用保护和水旱灾害防治提供科学的水文数据。水文学发展到今天，大体上经历了下列发展过程：19世纪受到了牛顿力学的影响，水文学奠定了初步的理论基础。20世纪初至50年代，由于生产力的发展，人们期望能更科学地掌握河流洪水与枯水的变化规律，以便预测预报洪水和枯水的未来，建造水利工程控制洪水和调节枯水，这种与洪水和干旱作斗争的客观需要，导致了工程水文学的兴起与发展。到了20世纪60～80年代，由于现代科学技术突飞猛进，经济迅速发展和人口快速增长，使得一些国家和地区出现了水危机和水污染，加强对水资源形成变化规律、水资源合理开发利用和保护的研究已成为刻不容缓的任务。水资源水文学、环境水文学和生态水文学就在这种背景下兴起并得到发展。近10多年来，波及许多国家和地区的洪涝灾害的水危机与全球气候变化异常有关，从而导致一门新的水文学分支——大尺度水文学正在兴起。从上述水文学的发展轨迹可以看出，水文学的研究领域越来越宽广，其与人类的关系越来越密切，在经济社会发展中的地位越来越重要。 二、水文学面临的机遇 自20世纪90年代以来，“只有水资源的可持续利用，才能保障经济社会可持续发展”这一科学论断已成为有识之士的共识。水文学因此而面临着前所未有的大好机遇。根据我国经济社会发展的长远和近期目标以及我国的自然地理条件，下列一些问题将会对水文学的发展产生深远的影响，既是机遇也是挑战，因而值得关注： (1)防洪减灾：包括实时洪水预报调度模型，防洪减灾决策支持系统，国家防汛指挥系统。 (2)水资源开发保护与合理配置：包括水资源评价及供需平衡评价，水资源保护与水生态环境的修复，水资源时空合理配置及其与经济社会可持续发展的关系。 (3)开发西部和振兴东北：包括西部和东北的水灾害问题，西部和东北的生态环境问题，西部和东北的水资源问题，西部水电开发问题。 (4)南水北调：包括长距离调水的输水渠道的防洪问题，长距离调水的供水保障问题，长距离调水的水质保障问题，长距离调水系统的运行管理问题。 (5)长江的合理开发利用与保护：包括长江的洪水灾害及防洪问题，长江的水资源问题；长江的水污染和水环境问题，长江航道问题，长江河口拦门沙和盐水上溯问题，长江水电开发问题，大规模水利、交通工程对长江的影响。 (6)黄河的合理开发利用与保护：包括黄河水患与防洪、防凌问题，黄河水沙关系问题，黄河水资源开发利用程度与断流问题，黄河流域水土保持和生态环境问题，气候变化与黄河水资源时空演变的关系，黄河水电梯级开发问题，大规模水利、水保工程对黄河的影响。 (7)城市水利：包括城市防洪问题，城市水资源及水环境问题，水景观与生态城市的关系，城市水务管理系统。 (8)人类活动对水文水资源水环境的影响：包括人类活动对洪水的影响，人类活动对水资源的影响，人类活动对水质和生态环境的影响，人类活动对河流、湖泊等水体“寿命”的影响，人类活动对湿地和生物多样性的影响。 三、对水文学若干基础研究领域的展望 水文科学的进步离不开水文的基础理论研究和多学科的交叉及相互渗透。水文科学发展的动力与其他学科一样，一靠经济社会发展的推动，二靠人类对科学真理的追求。这两者既有区别又有联系，就是说，水文科学的创新与发现的动力一方面来自生产需求，由此得到的结论一般能立即为生产所用；另一方面来自人类对科学真理的追求，由此得到的结论不一定立即为生产所用，但最终一定会用于生产实践，推动生产的发展。根据多年研究，笔者提出当前急需要开展研究的水文基础理论问题： 1．气候变化对水文循环时空分布的影响 全球气候变化将影响到大气、海洋和陆地的相互作用过程。近20年来波及许多国家和地区的水危机和洪涝灾害与此有相当密切的关系，这是因为由此引起的地球上太阳辐射分布的改变将影响到自然的蒸发、大气中的水汽输送和降水时空分布。水文学应当对这种被称为大尺度水文学的科学问题研究作出贡献。 2．水文时间序列演变机理及影响因子 水文时间序列的长期演变既有确定性的一面，又有不确定性的一面，目前无论从哪方面分析，都至多只能识别水文时间序列的局部特性，而不能识别其全部特性，因此水文时间序列的长期演变规律至今无法在实用精度范围内予以揭示。这也是水文中长期预测预报精度仍不能满足实际生产需要的原因。这是一个世界性难题，我们必须一步一步地、一点一滴地努力解决这一难题。 3．产汇流理论和分布式水文模型 揭示降雨径流形成即产汇流机理，并寻找根据降雨时空分布计算流域出口断面流量过程的方法，是水文学研究的核心问题之一。应该说，水文学发展到今天，产汇流理论是水文学理论中较为成熟的部分，在生产中得到了广泛的应用。但是产汇流理论中仍有许多未被完全揭示的领域，因此，现有的产汇流计算方法的精度还不能在任何情况下都能很好地满足实际生产的需要。目前国内外水文学家对产汇流理论的研究仍十分活跃，且每年都有新进展。 自17世纪水量平衡理论创立以来的300余年中，水文学基本上都是将流域作为一个整体来进行研究的，这样势必忽略了气候因子和下垫面因子均呈现空间分布不均匀的事实。根据这种观点建立起来的集总式水文模型显然只能用于模拟气候和下垫面因子空间分布均匀的虚拟状态，只能给出空间均化的模拟结果，这样，必然使集总式水文模型的结构和参数的物理意义模糊，使其在模拟现实世界的流域降雨径流形成过程时必然存在较大的局限性，精度也常常不尽如人意。这种局限性还可能将一些学者的研究注意力引向寻找如何解算模型参数的纯数学方法上，试图用某些最优化算法来解决其中出现的问题，而忽略了对模型结构和参数物理意义的进一步探讨。只有分布式水文模型才能为真实地模拟现实世界的流域降雨径流形成的物理过程提供有力的工具，因为分布式水文模型能客观地反映气候和下垫面因子的空间分布对流域降雨径流形成的影响。虽然分布式水文模型的建模思想早在20世纪60年代就已萌芽，但其长足的进步和广泛的研制和应用只有在计算机技术、地理信息系统技术、遥感技术、雷达测雨技术和水文理论有了进一步发展的今天才可能成为水文学研究的长期热点课题之一。 4．水文尺度问题及水文相似性问题 在不同的时空尺度下，水文现象一般具有不同的规律。在这种情况下，水文学家寻求水文规律总是先认识一定尺度的水文规律，然后通过揭示不同尺度之间的联系，再把这个规律推论到其他尺度上去。近20年来，水文学十分重视这方面的研究，认为水文尺度问题是水文学基础研究的一个前沿课题和难题。 水文尺度问题与水文相似性问题密切相关，因为如果能寻找出水文相似性，那么就可以通过这种相似性来处理水文尺度伺题。例如，近些年来研究发现，有些水文现象受到分形理论的影响。按照分形理论，在一定尺度范围内，具有自相似性的水文现象，其不同尺度的规律性之间的关系取决于一种称为标度变换的简单变换。因此，对于具有自相似性的水文现象，通过标度变换就可以将该水文现象从一种尺度下获得的规律变换成另一种尺度的规律。由于水文现象的复杂性，水文学家目前对水文相似性了解还相当初步，亟待深入探讨。 可以看出，水文尺度和水文相似性的研究，对从理论上解决无实测水文资料情况下水文规律的探求问题具有深远的理论意义和重大的应用价值。 5．数字水文学 数字化是信息革命时代最具代表性的特征，它不仅使水文信息的采集、传输、储存、处理和显示方法发生了根本性的改变，而且也使揭示和探索水文规律的手段发生了巨大变化，从而导致了数字水文学的创立。在现阶段，暂可将数字水文学定义为“基于数字化技术描述水文现象时空变化，探索、揭示水文规律”的水文学分支学科。 在数字化技术支持下，水文信息采集将从目测、器测发展到遥测遥感，从点测发展到面测，从静态观测发展到动态观测。水文信息的传输、储存、处理、显示将从人工、机械辅助发展到自动化、智能化。 数字化技术给揭示和探索水文规律或机理带来的影响更值得关注。相当长时间以来，水文学通常只能通过对现象的直接观测，然后借助于物理模型试验或数学模拟来揭示水文规律或机制。事实证明，用这种牛顿开创的研究方法来揭示十分复杂的水文现象的规律或机理一般具有较大的局限性。但如在数字化平台上作水文研究，则可以在一定程度上克服其中某些局限性，得到用传统研究方法几乎无法得到的结论。例如：流域瞬时单位线可视为流域汇流机理的一种表达，以往获得流域瞬时单位线的方法主要由实测降雨径流资料间接推求，因为那时只能从数学上来定义它。20世纪70年代末，根据统计物理学理论从水滴汇集的机理上获得流域瞬时单位线是同时注入流域的无数水滴的汇流时间的概率密度函数的重要结论，根据这个结论，水文学家已能根据数字高程模型(DEM)构建的数字流域平台直接从机理上求得流域的瞬时单位线。 数字水文学和产汇流理论可看作分布式水文模型的两个“翅膀”，分布式水文模型有了这两个“翅膀”，必将在水文学这块“蓝天”中胰程万里。 6．同位素水文学 水文学中有一些发现长期停留在由分析现有的实测降雨径流资料得到的一些猜测上，似是而非，莫衷一是。例如：降雨和径流的一一对应关系，径流成分形成机制及分割方法，流域汇流速度的计算公式，坡面水流的存在形式，以及水流在多孔介质中的运移形态等。多年研究认为，要获得这些水文基本现象的真实规律，必须使用水文示踪技术，尤其是同位素示踪技术。可以这样认为，现存于水文学中若干不同见解，或似是而非的见解很可能要依靠同位素水文学才能“正本清源”，而对于水文学理论中至今仍为未知的若干领域，也可能要依靠同位素水文学才能有所发现。 同位素水文学在发达国家已普遍受到重视，我国水文学应在同位素水文学研究方面作出重要贡献。 7．生态水文学 近20年来，生态学家已越来越认识到水文过程对生态系统功能有重要影响。水文学家也深刻认识到植物对水文过程的不可忽视的影响。一个明显的例子是在干旱、半干旱环境中，水文学家发现植物的分布对地表径流和地表侵蚀的影响巨大，反过来水分的可获得性也严重地制约着植物的分布和覆盖度。此外，约从20世纪80年代开始，水文学家又注意到自然与人造景观中水与生态过程的相互关系问题。基于这样的背景，一门以生态过程和生态格局的水文机制为核心，以植物与水分关系为理论基础，研究对象涉及早地、湿地、森林、草地、山地、湖泊、河流等的生态水文学就以独立的分支出现在水文学科中了。 长期以来，那些无序的人类活动已造成地球陆地生态系统以前所未有的速度退化。我们相信，对生态水文学的深入研究，可以使这些退化了的生态系统得到恢复，甚至更新，实现水资源的可持续利用。 8．人类活动与水文学的关系 在水文学中，人类活动是指人类从事建造工程、改变土地利用方式和影响气候条件的生产、生活和经营活动。人类活动会对流域的水资源和洪水的形成产生一定的影响。经典水文学主要是通过对各种水文气象要素的观测，积累资料，来探求流域水资源和洪水的变化规律的，一旦下垫面条件或气候条件因受到人类活动影响而发生了变化，以往积累的观测资料就不再能说明改变了下垫面和气候条件以后的流域水资源和洪水的特点和变化规律，而新条件下的观测资料的积累又需一定的时日，因此，探索人类活动对水资源和洪水影响实际上是一个在缺乏资料情况下如何探求流域水资源和洪水形成与变化规律的问题。基于流域水文模型分析人类活动对流域水资源和洪水的影响是近代水文学发展的一个重要成就，这种研究方法具有综合性、通用性和便于推广的特点，随着分布式流域水文模型的不断成熟和昔遍使用，这种分析研究人类活动对水资源和洪水影响的方法，将会越来越受到重视。 ■ 1 芮孝芳．资源水利与水文科学．水利水电科技进展，2000．20 (作者为河海大学水资源环境学院教授) |