水文学的科学前沿与研究需求

口 胡四一 刘国纬 吴永祥

　　一、研究现状与发展趋势

　　水文学发展的历史表明，社会需求是水文学发展最基本的动力，它决定了水文学发展的方向和进程。进入20世纪90年代以来，社会发展对水文学的需求主要表现在为防灾减灾、水资源可持续利用、生态环境保护和社会与经济可持续发展等方面提供水文学依据。当前，我国水文科技存在的主要问题是不能适应新时期社会经济发展对水文的新要求，与世界水文科技的先进水平相比，仍有一定差距。主要表现在以下几方面：①水旱灾害的监测和预报技术相对落后，能力较低，与我国繁重的防洪、抗旱、减灾任务不相适应。②对为国家制定与水有关的重大宏观决策提供科学依据的大尺度水文问题研究较少。对全球尺度的水文问题、环境变迁中的水文问题等则更少涉及，而全球变化研究正是当前和今后相当长时期内国际合作研究的重大课题。③区域性水文研究和关于不同水体的研究很不平衡。关于干旱区、寒区、森林和牧区水文问题研究相对薄弱，关于大气水、地表水、地下水和土壤水的研究深度不一致，关于生态系统中的水的研究则刚刚起步。④水文基础研究薄弱，新技术新方法开发和推广应用比较缓慢。⑤水文基础信息匮乏，信息获取、传输以及测报服务手段较为落后，信息完整性差，信息交换平台缺乏，难以共享。

　　当前水文学研究的发展趋势是：在水资源研究需求的牵引下，把研究水文循环全过程问题提上议事日程，就是说水文学不仅要研究水文现象的陆面过程，对陆面一大气界面上的水分和能量的交换问题，陆面地表水、土壤水和地下水量的交换问题，陆地水与海洋水的交换问题，海面和大气界面上的水分和能量交换问题，水在大气中的运动和转化问题等等，也要进行研究。水文学不能像过去只侧重研究水在运动、转化中的物理过程，还要研究自然界的水作为溶剂和载体在水文循环中对水中各种化学成分的输移、合成、分解、储散的化学过程。除此之外，由于地表生物圈中动植物及其他形态的生物在生长、繁殖、死亡过程中与水的相互作用，以及动植物群在陆面和大气水分及能量交换中的影响，需要加强水在水文循环和运动中生物过程的研究。这些问题的提出，使水文学必须以崭新的面目出现，向全球水文学和生态水文学的方向前进。

　　二、水文学的科学前沿与研究需求

　　1．防洪减灾中的水文学问题

　　气候变化引起的水旱灾害将更加频繁，人口增长使人水争地的局面将难以缓解且可能更为紧张，因此，防洪减灾将是国家发展进程中一项长期而艰巨的任务。水文科技在防灾减灾中有着巨大的作用，在防灾减灾中要回答的重大水文问题是：

　　(1)我国洪水特点与规律研究
　　我国地处东亚季风区，70%以上的山地和自西向东倾斜的地势有利于洪水的形成与汇集，植被覆盖度不足国土面积的16%，再加上严重的水土流失，使我国洪水问题严重而复杂，这就要求对洪水的特点与规律有深刻的认识，才能为防洪减灾提供正确、宏观的依据。

　　50多年来，我国对洪水特点与规律已进行了大量的和有深度的研究。需进一步研究的重点问题是特大洪水的形成条件、特点与规律。这是根据防洪规划的总目标和防洪战略安排提出来的。防洪战略目标指出，“在发生特大洪水情况下，不致影响国家可持续发展进程”(《全国防洪规划》送审稿)，因此加强特大洪水规律的研究是十分必要和迫切的。

　　(2)现代水灾孕灾环境形成与演变的水文机理研究
　　现代水灾的孕灾环境与半个世纪以前相比发生了重大的变化。现代孕灾环境的特点是，人类自身不仅仅只是承灾体，同时也是最活跃的致灾因素。为缓解现代严峻的孕灾环境，最重要的是正确处理和协调入水关系。防灾减灾非工程措施就是基于这一背景而提出来的。在现代孕灾环境的特点和形成机制方面存在着大量新的水文学课题。

　　(3)人水关系及其调控的水文学基础研究
　　流域入水关系及其调控，归根结底是揭示人类活动怎样影响甚至改变流域内水体的分布、运动与循环，以及这种改变如何反作用于人类。同时，只有充分认识人水关系的水文学机理，才能为建立和谐的人水关系提供水文学依据。

　　(4)灾害性水文气象形势监测、预报与防洪调度现代化研究
　　以水情自动监测与传输系统、实时洪水预报调度系统、防洪减灾决策支持系统和国家防汛抗旱指挥系统共同组成的防洪减灾系统在我国已基本形成，极大地改善了我国防洪减灾能力，提高其精确度、可靠性和效率是一下步应当抓紧的课题。在这一总课题下，如何提高水文测验技术、开发水文模型和洪水调度模型是两个最关键的基础水文学课题。

　　2.水资源开发利用中的水文学问题

　　水文学为水资源评价、规划、开发、利用、管理和保护全过程提供水文学基础，为保障水资源安全，进而为保障粮食安全和生态环境安全提供水文信息和水文科学依据。根据国家发展目标，在水资源领域的重大水文学课题可归纳如下：

　　(1)水资源形成演化的水文学背景
　　为实现水资源可持续利用，必须保证水资源开发利用总量不超过水资源可再生能力，否则将因为水资源不可持续利用而破坏社会经济的可持续发展。因此，必须开展水资源形成与演化机理的研究。

　　水资源形成演化机理的研究，将着重以下方面：提高大气水利用率的研究——水分内循环研究，土壤水-地下水-地表水-大气降水相互转换关系的研究，蒸发与蒸腾研究。

　　(2)旱涝规律及大面积长历时干旱预测与监测研究
　　我国干旱造成的农业损失远大于洪涝造成的农业损失，大面积长历时干旱事实上已经成为我国可持续发展的威胁，因此干旱研究与洪涝灾害研究同样重要，并成为我国水资源安全的重大课题。

　　我国在干旱发生发展机理研究方面已做了大量的工作，但成效远不如洪涝研究显著，至今进行干旱预测仍然是一个棘手的课题。我国过去的旱涝规律研究多着眼于水文气象因子长期变化规律的分析，这样的研究方法由于把干旱形成机制割裂为彼此关联度小的诸因子，因而难以揭示干旱形成的物理机制。20世纪80年代以来物理气候学的兴起，把旱涝视为大气-海洋-陆地-冰雪圈-热带雨林等物理气候因子形成的大系统的现象，甚至还考虑太阳等宇宙因子的影响。因此，我国关于旱涝规律与干旱预测研究，应当在已进行的统计预测的基础上，更加强物理气候学途径的研究。

　　(3)水资源可持续利用的水文学研究
　　如何实现水资源可持续利用，是我国水资源领域当前和未来最重大的课题。其中以下一些研究内容尤其重要：

　　①水资源承载能力的水文学基础研究。水资源承载能力由水资源秉赋条件、社会经济条件、科学技术水平、生态环境条件四部分组成，因此没有水文学基础的支持，不可能进行水资源承载能力的评价进而提高水资源承载能力。目前我国在这一方面的研究仍十分薄弱。

　　②水资源合理配置、调度和水文学基础研究。区域性水资源短缺的重要原因是水资源地区分布不平衡和时程分配与人类需求不匹配，因此必须进行水资源合理配置与科学调度。在我国实现水资源合理配置与科学调度中有许多关键的水文学问题需要回答。例如，跨流域调水中的可调水量问题、输水安全问题、调水引起的生态环境效应问题、调水系统的运行管理问题等，都必须获得水文信息与水文知识的支持，我国目前尚没有一套跨流域调水的技术指南或技术规范，而实现这一目标必须进行跨流域调水的水文学基础研究。

　　(4)洪水资源利用的水文学基础
　　我国汛期河川径流占年径流的70%-80%，其中又以洪水形式占大部分，因此洪水资源利用是充分利用我国水资源的必由之路。然而，洪水是河流的基本属性之一，是维持河流正常发育的重要营力，因此并不是所有洪水都可以作为水资源加以利用。为了估计一条河流洪水资源的理论可利用量和实际可利用量，必须揭示洪水资源利用所引起的水文效应、生态效应和环境效应，而这一切正是河流水文学应当研究的基本课题。

　　3．生态环境保护的水文学基础

　　从现在至2030年，我国生态环境问题将难以缓解，因此生态环境领域的水文学问题仍是今后重要的研究课题。调研结果显示，有迫切性和前瞻性的研究课题有：

　　(1)生态环境演变的水文学背景与机理研究
　　应进一步研究的是：揭示人类是怎样影响水的分布、运动和水的质量，进而引起生态与环境的变化，以及这种变化对自然水体和人类自身的反馈效应和作用机理。

　　(2)生态环境需水量计算的理论与方法研究
　　水资源承载能力评价、水资源配置、洪水资源利用等最关键的问题是如何估计生态环境需水量。由于生态环境的继承性和地域性，因此生态环境需水量研究拟依流域或不同地域进行。

　　(3)水土流失和沙漠化、荒漠化防治和西部生态环境保护的水文学基础研究
　　这些是我国水文学研究较薄弱的领域。我国现有的基于东部地区自然地理条件的水文分析方法和概念难以满足上述地区水文分析的要求，而资料短缺使这些地区的水文研究更为困难。因此应当加强这些特定环境条件下的水文学基础研究。

　　4．江河治理中的水文学研究

　　河流以其资源、生态与地学环境支撑着人类文明的发展。然而，在近100年来的江河治理中，未能充分从这样的高度和视角制定江河治理的策略和研究其重大问题，只是从经济与工程角度，着眼于局部河段进行治理实践，以致未能取得十分理想的成效，甚至出现严重失误。因此，在未来的江河治理中，应当加强地学、生态环境和资源利用与保护等方面的研究。

　　江河治理地学基础研究。江河治理是人与河流相互作用的过程。江河治理的地学基础是指在江河治理过程中人与河流相互作用的地学方面，包括地质地貌、水文气候、流域自然地理等地学因素。新构造运动形成的原始地形特征奠定了我国河流走向和比降沿程变化的基础，河流地貌既是河流发育的历史记录，更是河流今天和未来发育的控制因素，水文气候决定了河道物质流(水流、泥沙、溶质)的通量特性，而流域自然地理则决定了河流发育的环境背景。这些地学因素共同决定了河流的地学属性。在江河治理中，人总是居于主动地位的，人们根据自己的意愿以各种方式和不同程度作用于河流，这种作用正与日俱增。地学因素随时间的变化相对较小，然而其对河流发育演变的影响却是稳定、持久和起控制作用的。例如，黄河下游蜿蜒于新构造运动形成的华北凹陷盆地，自第四纪以来那里一直处于沉积过程中，而其中游为处于强烈侵蚀过程中的黄土高原，这样的地学环境决定了黄河下游是一条淤积型河流，这一地学特征决定了黄河下游发育的基本形态与趋势。

　　综上所述，地学因子犹如河流的“基因”，它决定了河流的地学属性，这一属性不以人的意志为转移，尊重江河的地学属性是客观、正确、有效治理江河所不可缺少的。因此河流的地学属性应当成为江河治理的地学基础。

　　5．水工程规划设计中的水文学问题

　　主要是设计洪水计算方法的研究。新中国成立50年来，虽然水文系列延长达到30-50年，但由于剧烈的人类活动，水文系列的代表性严重丧失，从而背离了其依据的数理统计学基础。目前各大流域采用“还原”方法试图将受人类活动影响的资料系列还原成原始状态下的系列，或将20世纪50-80年代未受严重人类活动影响的系列“还现”成现代水文条件下的系列，这实际是做不到的。因此现行设计洪水计算方法已失去了资料基础，进行人类活动影响下设计洪水计算方法的研究是十分必要和迫切的。

　　三、结论

　　根据上述需求分析，对我国水文水资源领域关于水文科技需求和对象，有以下初步认识。

　　一是为实现全面建设小康社会的国家目标，实施人口、资源、环境相协调的可持续发展战略，加强水文科学技术研究是非常必要的，十分迫切的。

　　二是在未来30年内，国家对水文科技发展的需求主要有以下方面：

　　(1)为防洪减灾提供水文信息和知识支撑。在理论层面上，应加强特大洪水形成规律研究；在技术层面上，要加强水文信息采集、传输和预报、调度、决策现代化研究；在减灾措施上，要加强非工程措施的水文学依据(如洪水风险管理等)研究。

　　(2)为水资源可持续利用提供水文学基础。在理论层面上，要加强水资源形成、演化机理研究和全球变化条件下对水资源的影响的研究；在应用层面上，要加强水资源评价与规划、水资源承载能力评价、水资源开发利用与保护的水文学基础研究。

　　(3)为生态安全和环境保护提供水文知识服务。在理论层面上，要揭示水对于生态安全的控制机理和水作为环境要素的基础作用；在应用层面上，要研制不同自然地理条件下生态需水量计算方法，制定描述河流健康状态的评价体系；制定人类-生态-环境系统中水分配策略。

　　(4)为大江大河治理提供水文学依据。在理论层面上，要揭示各河流发育演变的地学基础，把江河治理置于河流地学背景下，而不仅仅是置于经济与工程背景下进行规划，并充分考虑河流的资源与环境功能。水文应作为一种重要的地学因素在江河治理中予以考虑。

　　(5)面对人类活动对生态环境与水体的剧烈干扰，在流域规划、工程设计中，要加强人类活动对水文条件的影响研究，加强新的水文分析计算途径与方法研究。

　　三是建议加强以下几方面的基础研究：①全球和区域气候变化的水文学响应——水文气候学研究，②水文循环的生态学方面——生态水文学研究，③水文循环及其界面过程研究——水文循环动力学研究，④水文现象中自然驱动力与人文驱动力识别理论与方法研究——人水关系及其调控理论与方法，⑤水资源可持续利用的水文学基础研究，⑥工程水文学的新理论、新方法研究。　■

(作者单位：水利部南京水利科学研究院)
责任编辑 李计初