我國(guó)水文科學(xué)發(fā)展歷程探析

1、我國(guó)水文科學(xué)發(fā)展歷程探析關(guān)鍵詞：水資源; 水文科學(xué); 傳承發(fā)展;1、 背景概述未來(lái)幾十年, 水資源將成為人類獲得充足食物和能源的關(guān)鍵保障因素, 因此水科學(xué)將為人類社會(huì)的發(fā)展發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。眾所周知, 人類與水相互關(guān)聯(lián)的歷史和人類發(fā)展史一樣久遠(yuǎn)。很早以前, 古希臘人就將水視為4種基本要素之一。人與水之間的斗爭(zhēng)關(guān)系貫穿整個(gè)人類史, 且在未來(lái)幾年將在全球范圍內(nèi)越來(lái)越凸顯其重要性。近年來(lái), 全球生態(tài)環(huán)境不斷惡化, 可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)。氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性以及人類和其他物種的疾病都與水密切相關(guān):水循環(huán)的變化影響著人類社會(huì)與整個(gè)地球自然生態(tài)系統(tǒng)之間的聯(lián)系。自然環(huán)境的加速變化,

2、 需要更深入地研究和理解水文科學(xué)。眾所周知, 地球上的淡水總量可滿足當(dāng)前以及未來(lái)的人類需求。然而, 由于水資源的時(shí)空分布不均勻, 在每年的某幾個(gè)月, 全球范圍內(nèi)仍有相當(dāng)多的地區(qū)面臨水資源短缺問(wèn)題。水資源分配不均會(huì)造成糧食短缺、矛盾沖突, 并最終導(dǎo)致發(fā)展不均衡、不全面, 造成大范圍的人口遷徙。盡管虛擬水貿(mào)易 (指物質(zhì)生產(chǎn)的實(shí)際耗水量) 有助于實(shí)施水資源的時(shí)空分配, 然而由于水文、經(jīng)濟(jì)和政治的相互聯(lián)系愈加緊密, 上述水資源短缺問(wèn)題仍未得到徹底解決。因此, 在過(guò)去的50a, 以解決實(shí)際水問(wèn)題為根本的水文科學(xué)逐漸成為地球科學(xué)的重要領(lǐng)域之一。如今, 水科學(xué)擴(kuò)展到與地理學(xué)、社會(huì)科學(xué)、公共衛(wèi)生學(xué)、工程學(xué)和先

3、進(jìn)監(jiān)測(cè)技術(shù)等領(lǐng)域相結(jié)合, 以解決越來(lái)越多的水資源可持續(xù)性問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn), 水科學(xué)需要制定新的發(fā)展方向, 充分利用計(jì)算技術(shù)、先進(jìn)監(jiān)測(cè)技術(shù)、信息共享科技的發(fā)展以及國(guó)際跨學(xué)科合作日益加強(qiáng)帶來(lái)的新機(jī)遇。20a前, 大多數(shù)常規(guī)的研究方法都未被應(yīng)用, 也沒(méi)有如今的監(jiān)測(cè)設(shè)備和手段, 合作和信息交流也比現(xiàn)在少得多。為了實(shí)現(xiàn)水科學(xué)的新發(fā)展, 需要新的理論和方法, 最重要的是要有新的思想和積極為未來(lái)謀劃的能力。水文科學(xué)將在學(xué)科傳承的基礎(chǔ)上, 以新的動(dòng)力和激情, 努力為未來(lái)水科學(xué)的發(fā)展提供有效的方法和手段。2、 傳承與發(fā)展在過(guò)去50a, 通過(guò)不斷拓展新的研究前沿, 促進(jìn)了水文科學(xué)的發(fā)展, 解決了一些重要問(wèn)題

4、, 實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科研究發(fā)展。過(guò)去50a內(nèi), 水文學(xué)已經(jīng)成為地球科學(xué)的中心學(xué)科, 取得了豐碩的研究成果, 促進(jìn)了人類對(duì)水文科學(xué)的認(rèn)知, 對(duì)于涉水問(wèn)題的研究開(kāi)發(fā)了許多新的方法和途徑并積累了必要的知識(shí)。對(duì)于水資源這一與人類社會(huì)發(fā)展密切相關(guān)的重要因素, 未來(lái)水文學(xué)家將繼續(xù)努力為人類更好地了解地球、掌握氣候變化、合理利用和分配水資源發(fā)揮重要作用。2015年, 水資源研究雜志 (Water Resources Research) 創(chuàng)刊50周年, 出版了水資源研究50周年紀(jì)念?？? 對(duì)水文科學(xué)近50a的發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要回顧, 共分為3個(gè)章節(jié): (1) 水文科學(xué)的傳承, 包括12篇論文; (2) 水文過(guò)程闡釋和模

5、擬, 包括21篇論文; (3) 水資源與社會(huì)發(fā)展及其面臨的挑戰(zhàn), 包括23篇論文。該回顧表明, 隨著研究范圍和領(lǐng)域的不斷變化, 水文學(xué)的框架體系也發(fā)生著演變。研究人員不再專注單一過(guò)程或單一站點(diǎn), 關(guān)注的空間范圍從局部擴(kuò)展到全球, 時(shí)間范圍從短期到長(zhǎng)期, 研究重點(diǎn)從單個(gè)水文過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)水循環(huán)的綜合分析, 且正在加強(qiáng)研究者之間的跨學(xué)科聯(lián)系和國(guó)際合作。2.1、 水文科學(xué)的傳承在這一章節(jié)收集了一些關(guān)于過(guò)去成就和未來(lái)研究為關(guān)鍵主題的綜述性文章?？ǖ录{斯 (Cardenas) 提出了研究潛流帶水文學(xué)的觀點(diǎn)。賓利 (Binley) 等記錄了過(guò)去20a地球物理勘探方法的發(fā)展, 以闡釋淺層地下水的水文過(guò)程, 還

6、提出了水文地球物理學(xué)發(fā)展的愿景。布魯克斯 (Brooks) 等回顧了流域水文學(xué)近期的發(fā)展, 其與水質(zhì)化學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)和生態(tài)水文學(xué)密切相關(guān), 特別強(qiáng)調(diào)了該項(xiàng)研究在量化臨界區(qū)域降水量占比方面仍然存在空白。薩圖恩 (Sturn) 等對(duì)冰雪水文學(xué)、水文過(guò)程進(jìn)行了物理模擬, 對(duì)地下有機(jī)污染物遷移以及飽和多孔介質(zhì)中膠體運(yùn)移的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述?？扑岬纤?(Kitanidis) 等為淺層地下水流動(dòng)的非均勻性、不確定性和規(guī)模的研究提供了重要思路。伯特 (Burt) 對(duì)一批基于野外觀測(cè)工作的論文進(jìn)行了評(píng)述, 認(rèn)為野外觀測(cè)工作大都有助于重要假設(shè)和方法的提出。2.2、 水文過(guò)程闡釋和模擬這一章介紹了關(guān)于水文過(guò)程闡

7、釋和模擬方面的創(chuàng)新性思想、原理和方法, 為認(rèn)知水文循環(huán)系統(tǒng)和過(guò)程提供了新的視角。范 (Fan) 討論了地下水在關(guān)鍵區(qū)域發(fā)揮的作用, 可在很大程度上改變水流流態(tài)和循環(huán)過(guò)程。邁克奈特 (McKnight) 等提出未來(lái)將實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬徑流生態(tài)系統(tǒng)生物地質(zhì)化學(xué)過(guò)程相結(jié)合的發(fā)展方向。D.熱蘇斯 (Del Jesus) 等討論了通過(guò)衛(wèi)星觀測(cè)的降雨量統(tǒng)計(jì)得出點(diǎn)雨量。丘奇 (Church) 等重點(diǎn)討論了河流地貌學(xué)、河口動(dòng)力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)方面的內(nèi)容。倫克爾 (Runkel) 和希普塞 (Hipsey) 等分別研究了流體動(dòng)力學(xué)和水生態(tài)系統(tǒng)。哈維 (Harvey) 和古瑟夫 (Gooseff) 專注于河流動(dòng)力學(xué)

8、研究, 如小范圍的物理驅(qū)動(dòng)因素如何引起大規(guī)模的地形地貌變化過(guò)程, 以及其產(chǎn)生的相關(guān)生態(tài)效應(yīng)。萊頓梅耶 (Lettenmaier) 等概述了水文遙感技術(shù)帶來(lái)的創(chuàng)新研究機(jī)遇。倫德奎斯特 (Lundquist) 等介紹了數(shù)據(jù)誤差及誤差檢驗(yàn)。特洛奇 (Trouch) 等討論了流域演變問(wèn)題。拜爾肯斯 (Bierkens) 和羅德里克 (Roderick) 等采用全球視角研究水文學(xué):前者著重探討了全球水文現(xiàn)狀、變化趨勢(shì)和方向;后者則討論解釋了與未來(lái)干旱相關(guān)的氣候模型預(yù)測(cè), 以及其與地質(zhì)觀測(cè)結(jié)果的一致性?？ɡ祭锼?(Calabrese) 提出了一種新的理論, 將隨機(jī)降雨輸入到水文系統(tǒng)水資源的年代分布中,

9、并討論由此產(chǎn)生的概率效應(yīng)。馬克斯維爾 (Maxwell) 研究了地形地貌變化對(duì)地下水流以及地下水位的影響。維里肯 (Vereecken) 等的研究重點(diǎn)是滲流帶水文學(xué), 包括新技術(shù)在加強(qiáng)土壤水文過(guò)程研究方面的作用, Richards方程式在毛細(xì)水流研究方面的應(yīng)用。費(fèi)奧里 (Fiori) 等研究了非均質(zhì)含水層和多孔介質(zhì)中溶質(zhì)運(yùn)移的模擬。2.3、 水資源與社會(huì)發(fā)展及其面臨的挑戰(zhàn)這一章涉及人水關(guān)系, 鑒于人類活動(dòng)引起的環(huán)境變化對(duì)水文循環(huán)的影響, 這種關(guān)系變得越來(lái)越重要。西奧拉 (Ceola) 等分析了在全球范圍內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)水資源造成的壓力?？扑垢窳_夫 (Cosgrove) 等介紹了變化環(huán)境下水資源規(guī)劃

10、和管理的新觀點(diǎn)。威特 (Wheater) 等重點(diǎn)研究了水安全, 水文研究需要對(duì)傳統(tǒng)的以物理實(shí)體為基礎(chǔ)的水資源系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn), 將人類作為新的維度引入水資源系統(tǒng)。麥克勞林 (McLaughlin) 等研究以可持續(xù)方式保障糧食安全的方案, 并估計(jì)了對(duì)水和土地資源的需求。庫(kù)馬爾 (Kumar) 關(guān)注于水文復(fù)雜性, 提出了一個(gè)概念框架, 將探索科學(xué)與工程技術(shù), 觀測(cè)系統(tǒng)與信息系統(tǒng), 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通信系統(tǒng)以及社會(huì)方法與體制方法相結(jié)合, 以求得到創(chuàng)新而全面的保障水資源安全的解決方案。隆德 (Lund) 對(duì)當(dāng)代水資源管理結(jié)合自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)在學(xué)術(shù)研究和實(shí)踐中取得的成果進(jìn)行了綜述。希瓦帕蘭 (Sivapala

11、n) 等提出隨著自然環(huán)境的變化和社會(huì)發(fā)展, 在不同的時(shí)間尺度, 水文系統(tǒng)發(fā)生演變, 是一個(gè)多種因素共同演變的過(guò)程。沃格爾 (Vogel) 等的研究表明, 水、氣候、能源、食品、工業(yè)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境將不可避免地相互影響, 為了有可持續(xù)性發(fā)展復(fù)原能力, 需要弄清人類在各種自然物理過(guò)程中的活動(dòng)足跡以及其長(zhǎng)期共同演變的過(guò)程。布朗 (Brown) 等從20世紀(jì)60年代的哈佛水資源計(jì)劃開(kāi)始, 介紹了水資源系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域的研究歷史。霍恩伯格 (Hornberger) 等對(duì)美國(guó)城市的大型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了收集和分析, 以掌握使水資源保護(hù)進(jìn)一步發(fā)展的主要特征。波波拉圖 (Porporato) 等研究的重點(diǎn)包括水資源、

12、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和耕作地形地貌。里奇 (richey) 等側(cè)重于在區(qū)域和全球?qū)用鎸?duì)地下水進(jìn)行評(píng)估。剛伯拉帝 (Gambolati) 等研究了與水文過(guò)程相關(guān)的巖土力學(xué), 在過(guò)去100a, 通過(guò)水文過(guò)程可以預(yù)測(cè)人為地面沉降和地面抬升。西里亞 (Celia) 等討論了地下咸水層的碳存儲(chǔ)現(xiàn)狀。曾 (Tsang) 等分析了地下核廢料存儲(chǔ)涉及的關(guān)鍵水文問(wèn)題。戈?duì)柪?(Gorelick) 等概述了全球變化對(duì)地下水管理的影響。伯德賽 (Birdsell) 等對(duì)當(dāng)前水力壓裂問(wèn)題的模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了回顧。沃爾 (Wohl) 等對(duì)河流修復(fù)方面的研究和實(shí)踐進(jìn)行了綜合回顧與展望。多伊爾 (Doyle) 等建議將科學(xué)、法規(guī)

13、、經(jīng)濟(jì)條件、市場(chǎng)需求和從業(yè)人員的社會(huì)期望結(jié)合起來(lái), 實(shí)施河流修復(fù)工作。梅爾茲 (Merz) 等討論了意外事件對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理的影響。3、 未來(lái)展望從以上研究可以明確看出目前水文科學(xué)發(fā)展的新思路和前景, 這些思想和方法都能推動(dòng)水文學(xué)的進(jìn)步, 歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)。(1) 遙感數(shù)據(jù)等新的監(jiān)測(cè)技術(shù)為大范圍、長(zhǎng)期的水文觀測(cè)提供了發(fā)展機(jī)遇, 需要有創(chuàng)新思路, 建立新模型來(lái)利用所獲取的信息。(2) 全球范圍的模擬試驗(yàn)有助于全面了解和描繪可用水資源和水資源短缺威脅的分布。雖然全球范圍模型試驗(yàn)仍然存在不確定性, 但隨著獲取的數(shù)據(jù)越來(lái)越多, 這種不確定性正在逐步減小。因此, 可以在更大空間尺度上開(kāi)展試驗(yàn), 為解決全球性水問(wèn)題提供新的途徑。(3) 為更好地了解水文系統(tǒng)特性并對(duì)未來(lái)情景進(jìn)行預(yù)測(cè), 需要進(jìn)一步研究水文過(guò)程的共同演變。(4) 對(duì)非均質(zhì)性進(jìn)行研究并量化其影響, 以便更好了解水文變化過(guò)程。(5) 需要從新的角度分析人與水文系統(tǒng)間的相互作用, 全面了解內(nèi)在反饋和共同演變過(guò)程和情景。綜上可知, 傳統(tǒng)水文學(xué)的每個(gè)分支學(xué)科都只側(cè)重于水循環(huán)的一個(gè)特定部分, 而如今的水文學(xué)發(fā)