水文學(xué)的現(xiàn)狀及未來

1、水文學(xué)的現(xiàn)狀及未來芮孝芳 梁霄(河海大學(xué) 水文與水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098 )摘要：水文學(xué)已發(fā)展成為具有眾多分支學(xué)科的博大精深的學(xué)科體系。分析了水文現(xiàn)象的復(fù)雜性及還原論的缺陷，探討了水文學(xué)發(fā)展的動力，總結(jié)了現(xiàn)行水文學(xué)的理論基礎(chǔ)及局限性，指出了流域水文模型的發(fā)展中可能的誤區(qū)。最后，對水文學(xué)必須從“線性”向“非線性”拓展作了初步討論。關(guān)鍵詞：水文現(xiàn)象；水文學(xué)方法；還原論；非線性流域；水文模型1 水文現(xiàn)象的復(fù)雜性與還原論的缺陷 水文現(xiàn)象是大氣過程與下墊面條件共同作用的產(chǎn)物1。相同時(shí)空分布的降雨降落在不同下墊面條件的流域，以及不同時(shí)空分布的降雨降落在相同下墊面條件的流域，都會形成不同的洪水過

2、程和不同的時(shí)間序列。根據(jù)現(xiàn)有的認(rèn)識水平，水文現(xiàn)象的復(fù)雜性主要表現(xiàn)為：·水文現(xiàn)象的時(shí)空變化既有確定性表現(xiàn)，又有不確定性表現(xiàn)，而且許多水文現(xiàn)象不確定性方面的表現(xiàn)更為強(qiáng)烈。·水文現(xiàn)象的確定性表現(xiàn)既有周期性表現(xiàn)，又有非周期性表現(xiàn)。非周期性表現(xiàn)又有因果性和趨勢性之分。·水文現(xiàn)象的不確定性表現(xiàn)可能有隨機(jī)性、灰性、模糊性、突變性、混沌性等不同形式。隨機(jī)性又有純隨機(jī)性、平穩(wěn)隨機(jī)性和非平穩(wěn)隨機(jī)性之分。·水文現(xiàn)象時(shí)空跨度很大，時(shí)空變異性大多數(shù)表現(xiàn)十分強(qiáng)烈。·不同尺度的水文現(xiàn)象之間非相似性表現(xiàn)十分強(qiáng)烈。·水文現(xiàn)象與天氣現(xiàn)象比較，更易受到人類活動的影響?？梢?/p>

3、水文現(xiàn)象已經(jīng)夠復(fù)雜了！但由于受到人類認(rèn)識自然能力的限制，我認(rèn)為水文現(xiàn)象的復(fù)雜性可能還沒有被充分揭示出來。正因?yàn)樗默F(xiàn)象如此復(fù)雜，所以當(dāng)人們用“還原論”2討論水文的規(guī)律時(shí)，有時(shí)就會碰壁。還原論認(rèn)為，通過將事物分解成越來越精細(xì)的組成部分就能最終對其做出徹底的理解。將這種“還原論”用于分析河道中洪水波運(yùn)動可以說相當(dāng)成功，用于分析降雨徑流形成也基本成功，而用于分析水文循環(huán)時(shí)空變化和徑流長期演變就碰壁了。因?yàn)樗难h(huán)是一個(gè)由多路徑、多尺度構(gòu)成的及其復(fù)雜的系統(tǒng)，企圖用還原論對其做出徹底的理解幾乎是不可能的，因此，有必要另辟蹊徑來解決此類問題。此時(shí)遇到的最大挑戰(zhàn)就是，應(yīng)該用什么樣的數(shù)學(xué)物理工具來恰如其分、完

4、整地描述如此復(fù)雜的系統(tǒng)呢？2水文學(xué)的分支及發(fā)展動力地球系統(tǒng)是由四大圈層構(gòu)成的。研究大氣圈的是為大氣科學(xué)，研究巖石圈的是為地質(zhì)科學(xué)，研究生物圈的是為生物科學(xué)，研究水圈的是為由水文學(xué)和海洋學(xué)組成的水科學(xué)。作為一種獨(dú)立學(xué)科，水文學(xué)也許是一個(gè)后字輩，但在近半個(gè)世界里卻得到了快速發(fā)展，已經(jīng)與其他學(xué)科交叉形成了龐大的學(xué)科體系和眾多的分支學(xué)科3。按研究水體分（圖1），有流域水文學(xué)、河流水文學(xué)、湖泊水庫水文學(xué)、地下水水文學(xué)、河口水文學(xué)、濕地水文學(xué)、冰川水文學(xué)和全球水文學(xué)等。按服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會分（圖2），有工程水文學(xué)、橋涵水文學(xué)、城市水文學(xué)、農(nóng)業(yè)水文學(xué)、森林水文學(xué)、水資源水文學(xué)、環(huán)境水文學(xué)等。按交叉學(xué)科或研究方法

5、分（圖3），有物理水文學(xué)、動力水文學(xué)、系統(tǒng)水文學(xué)、隨機(jī)水文學(xué)、確定性水文學(xué)、計(jì)算水文學(xué)、數(shù)字水文學(xué)、氣象水文學(xué)、地理水文學(xué)、地貌水文學(xué)、生態(tài)水文學(xué)、水文測量學(xué)、水文信息學(xué)和同位素水文學(xué)等。圖1 水文學(xué)按照研究水體的分類 全球水文學(xué) 流域水文學(xué) 河流水文學(xué) 湖泊水庫水文學(xué) 地下水水文學(xué) 冰川水文學(xué) 水文氣象學(xué) 生態(tài)水文學(xué) 濕地水文學(xué) 河口海岸水文學(xué)圖2 水文學(xué)按照服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會的分類 工程水文學(xué) 農(nóng)業(yè)水文學(xué) 森林水文學(xué) 城市水文學(xué) 橋涵水文學(xué) 環(huán)境水文學(xué) 水資源水文學(xué)圖3 水文學(xué)按照交叉學(xué)科或研究方法的分類 動力水文學(xué) 系統(tǒng)水文學(xué) 計(jì)算水文學(xué) 水文統(tǒng)計(jì)學(xué) 隨機(jī)水文學(xué) 水文地理學(xué) 同位素水文學(xué) 實(shí)

6、驗(yàn)水文學(xué) 水文測驗(yàn)學(xué) 數(shù)字水文學(xué)與任何一門學(xué)科發(fā)展一樣，驅(qū)動水文學(xué)發(fā)展之力也來自三個(gè)方面：一是好奇心。這是人類天生的潛質(zhì)。人們對水文現(xiàn)象的好奇心歷來有之。我國唐代柳宗元就對產(chǎn)匯流現(xiàn)象產(chǎn)生好奇心，他在天對一文就寫道：“墳壚燥疏，滲渴而升。充融有余，泄漏復(fù)行?！边@可能是對蓄滿產(chǎn)流最早期的描述。1674年，法國人Perreault4就對塞納河流域的年降雨量與年徑流量的定量關(guān)系產(chǎn)生了好奇心，并得出該流域年徑流量等于1/6年降雨量的結(jié)論。1961年英國人Penman5曾用“What happens to the rain?（降雨后將發(fā)生什么？）”這樣一句設(shè)問表達(dá)了他對降雨徑流產(chǎn)生的好奇心?？梢哉f，沒有好

7、奇心就沒有科學(xué)的起源。二是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求。為什么工程水文學(xué)在20世紀(jì)3040年代發(fā)展很快，為什么水資源水文學(xué)和環(huán)境水文學(xué)到了20世紀(jì)70年代以后才開始大力發(fā)展起來，為什么近20年來有興起了生態(tài)水文學(xué)的研究熱潮，這都是因?yàn)榻?jīng)濟(jì)社會發(fā)展的要求。三是對科學(xué)真理的追求。在科學(xué)研究過程中追求真理是源于科學(xué)研究中的學(xué)術(shù)討論及科學(xué)批判精神。因?yàn)榭茖W(xué)討論和批判的過程就是去偽存真、追求真理的過程。Dunne6為什么在20世紀(jì)70年代提出新產(chǎn)流理論，就是基于他對原先的Horton產(chǎn)流理論的“批判”。Cunge7為什么能在1969年發(fā)現(xiàn)Muskingum法的水力學(xué)基礎(chǔ)，就是因?yàn)樗钚藕樗菟銌栴}既然可用水文學(xué)和

8、水力學(xué)兩條途徑去解決，那么這兩條途徑之間就可能有理論上的聯(lián)系。這些例子無不體現(xiàn)了人們在追求科學(xué)真理的過程中確實(shí)推動了科學(xué)的發(fā)展。上述三種推動水文學(xué)發(fā)展的驅(qū)動力是客觀存在的，相輔相成的。目前在我國的水文學(xué)研究中經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求十分強(qiáng)勁，項(xiàng)目多得做不完，在這種情況下我們應(yīng)當(dāng)注意可能出現(xiàn)的負(fù)面影響，你如果能在保持強(qiáng)勁的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求之下，充分發(fā)揮另外兩種驅(qū)動力的作用，那么你獲得創(chuàng)新成果的可能性就會大大增加，也就是說，如果你能處理好“做課題”和“做學(xué)問”之間的辯證關(guān)系，那么你就會有更多的獲得創(chuàng)新成果甚至是原創(chuàng)新成果的機(jī)會。3水文學(xué)方法及現(xiàn)有理論的局限性學(xué)科的發(fā)展，除了要有驅(qū)動力外，有效、巧妙的方法

9、也是不可缺少的，學(xué)科方法與學(xué)科繁榮發(fā)展相互促進(jìn)，學(xué)科的繁榮發(fā)展在很大程度上得益于學(xué)科方法的創(chuàng)新，反過來又會有力地促進(jìn)學(xué)科方法的深化和更奇妙的方法的涌現(xiàn)。水文學(xué)發(fā)展到今天，水文學(xué)方法我認(rèn)為可從思維方法和研究方法兩個(gè)層面來進(jìn)行總結(jié)。所謂思維方法是指是指用什么樣的思想來考察水文現(xiàn)象并揭示其規(guī)律性。水文學(xué)的思維方法主要體現(xiàn)在宏觀與微觀、統(tǒng)計(jì)與成因、聚集與解集、線性與非線性、物理規(guī)律與本構(gòu)關(guān)系、物理過程與應(yīng)用數(shù)學(xué)過程、模擬與預(yù)測等辯證關(guān)系的應(yīng)用上。所謂研究方法是指用什么樣的手段來表達(dá)所揭示的水文規(guī)律并達(dá)到使用的目的。水文學(xué)的具體研究方法一般包括如何考察水文現(xiàn)象的觀測方法，以及如何表達(dá)其規(guī)律的分析方法。水

10、文學(xué)中的“觀察”一般包括野外設(shè)站觀測、科學(xué)考察和科學(xué)實(shí)驗(yàn)。水文學(xué)中的“分析”主要有演釋推理和數(shù)學(xué)建模。“假設(shè)”、“猜想”、“比擬”就是水文學(xué)研究中常用的一些分析手段。在水文學(xué)的歷史長河中，曾經(jīng)出現(xiàn)過許多引人入勝、體現(xiàn)了研究方法對推動學(xué)科發(fā)展起著重要作用的研究事例8，對其進(jìn)行發(fā)掘和提煉，不僅可以啟發(fā)人們的科學(xué)創(chuàng)新精神，而且也是對自然辯證法的弘揚(yáng)。回顧水文學(xué)的發(fā)展過程，人們不難發(fā)現(xiàn)，支撐現(xiàn)行水文學(xué)的一些理論主要是在近百年，尤其是20世紀(jì)30年代以來形成的，除了基本的物理定律，如質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、動量守恒定律、熱力學(xué)定律、擴(kuò)散定律等以外，主要就是9：·假設(shè)全球水文循環(huán)是一個(gè)閉合系

11、統(tǒng)；·假設(shè)水文要素在一定空間范圍內(nèi)分布均勻；·假設(shè)有限時(shí)段內(nèi)水文要素變化均勻；·滿足疊加性和均勻性；·認(rèn)為存在“門檻”效應(yīng)；·假設(shè)隨機(jī)獨(dú)立性；·假設(shè)為平穩(wěn)時(shí)間序列；·假設(shè)存在重現(xiàn)性和相似性。對于上述所列各項(xiàng)的合理性與適用性，不可一概而論。有的可以獲得一定實(shí)驗(yàn)或?qū)崪y資料的近似驗(yàn)證，例如：疊加性、倍比性、“門檻”效應(yīng)、時(shí)空分布均勻性等在一定條件下是可以近似得到滿足的，但在另一些條件下則會造成較大的誤差，甚至不可以使用，有的則主要來自推測，例如獨(dú)立隨機(jī)性、平穩(wěn)隨機(jī)性、重現(xiàn)性和相似性的假設(shè)等，應(yīng)該說至今仍難以用實(shí)踐來直接驗(yàn)證之?，F(xiàn)有

12、水文學(xué)理論盡管存在上述問題，但基本上能滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對水文學(xué)的要求。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對水文學(xué)的要求越來越高，以及不斷高漲的對科學(xué)真理的追求，人們對現(xiàn)有水文學(xué)理論的合理性，以及所能夠達(dá)到的精度，提出了越來越多的質(zhì)疑，要求改進(jìn)水文學(xué)理論的呼聲也越來越高。4流域水文模型的發(fā)展趨勢及可能的誤區(qū)流域水文模型是水文學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在水文學(xué)發(fā)展歷史中，流域水文模型的出現(xiàn)在水文學(xué)發(fā)展歷史中是一件帶有劃時(shí)代意義的事件。早在20世紀(jì)80年代，國際有一些水文學(xué)家就曾預(yù)言：21世紀(jì)將是“模型世紀(jì)”?，F(xiàn)在的事實(shí)證明，這個(gè)預(yù)言基本上已成為現(xiàn)實(shí)。根據(jù)Singh5統(tǒng)計(jì)，目前全世界已有數(shù)以百計(jì)的流域水文模型，

13、其中有較大實(shí)用價(jià)值的有70個(gè)，而比較流行的也有15個(gè)之多，我國趙人俊先生研制的新安江模型屬于其中之一。流域水文模型已逐步成為探索水文規(guī)律、解決經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展中遇到的水問題的重要工具。對流域水文模型的研究始終是圍繞著提高精度，更好地模擬和預(yù)測“降雨后發(fā)生了什么”這一水文學(xué)基本科學(xué)問題而展開的。從近30年流域水文模型發(fā)展的事實(shí)看，其發(fā)展的總趨勢大體上是：·從集總式、分散式向分布式發(fā)展；·從“黑箱子”、“概念性”向“具有物理基礎(chǔ)”發(fā)展；·從僅考慮確定性或隨機(jī)性向既能考慮確定性又能考慮隨機(jī)性發(fā)展；·從僅模擬降雨徑流形成向集成模擬產(chǎn)流、匯流、產(chǎn)沙、輸沙和水質(zhì)遷

14、移轉(zhuǎn)化發(fā)展；·從傳統(tǒng)的研制方式向在數(shù)字流域平臺上研制發(fā)展。但在流域水文模型的研究和應(yīng)用中，的確存在一些值得注意的問題，在此我愿意提出來與大家商榷：·將構(gòu)建或使用流域水文模型看作是水文學(xué)研究的唯一追求，夸大其作用，不重視對水文物理過程機(jī)理的研究；·將在某種特定條件下研制出來的流域水文模型“萬能化”。只要國外有什么模型，就會有追隨者生搬硬套的到處使用。而不認(rèn)真考慮它的具體使用條件。·盲目使用最優(yōu)化方法率定模型參數(shù)，迷信數(shù)學(xué)方法，而幾乎不顧及模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的物理意義，對“異參同效”現(xiàn)象有點(diǎn)熟視無睹。·只注意擬合歷史資料的效果，不注重模型的預(yù)測檢驗(yàn)。不

15、少研究報(bào)告或?qū)W術(shù)論文僅對一次或少數(shù)幾次洪水模擬合格就宣布成功，而對所采用的模型參數(shù)不愿公布模擬結(jié)果更不愿做任何合理性分析。·人為地制造擬合效果好的假象。例如有人竟不用順時(shí)序過程而改成歷時(shí)曲線來判斷模型的模擬效果，甚至以經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果作為率定參數(shù)的判據(jù)！5水文學(xué)應(yīng)從“線性”向“非線性”拓展在哲學(xué)上，思維方法可以分為線性思維和非線性思維兩大類。線性思維是建立在機(jī)械論世界觀基礎(chǔ)上的一種思維方法，而非線性思維是建立在復(fù)雜性世界觀基礎(chǔ)上的一種思維方法。線性思維就是線性系統(tǒng)思維。線性系統(tǒng)的基本性質(zhì)是：系統(tǒng)初始狀態(tài)的變化將導(dǎo)致任何后續(xù)狀態(tài)成比例地變化。是隨著非線性科學(xué)10而產(chǎn)生的非線性思維則是

16、從總體、過程和演化來考察世界，在非線性思維中人們看到的將不是牛頓、愛因斯坦等創(chuàng)立的決定性的、簡單和諧的模式，而是一個(gè)開放的、演化的、復(fù)雜的世界，一幅更接近真實(shí)的圖景，也就是事物被看作是一個(gè)具有整體性的復(fù)雜系統(tǒng)，其中部分功能之和并不等于整體功能，諸多相互關(guān)聯(lián)的因素也不滿足疊加原理，具有非平衡、非均勻、非周期、非對稱、不可積、不可逆、不連續(xù)等特征。在科學(xué)發(fā)展的歷史長河中，線性思維在人們探求自然規(guī)律，并利用這些規(guī)律解決實(shí)際生產(chǎn)問題中起了重要的作用，有效地促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會生產(chǎn)力的提高。但是在科學(xué)研究正逐步深入到生態(tài)系統(tǒng)、地球系統(tǒng)、宇宙系統(tǒng)和社會系統(tǒng)的今天，線性思維就顯得力不從心了。這是因?yàn)榫€

17、性思維并不是“理解事實(shí)，解決問題”的最佳思維。事實(shí)上，許多自然現(xiàn)象并不像線性思維所認(rèn)為和描寫的那樣簡單，而是一個(gè)既可以找到?jīng)Q定性成分，又可找到不確定性成分；即可找到可逆過程，又可找到不可逆過程的復(fù)雜系統(tǒng)。跟蹤水文學(xué)的發(fā)展軌跡，一路走來，我們所看到的正是這樣的現(xiàn)實(shí)。我們用線性思維雖然基本上解決了河道洪水波運(yùn)動和流域降雨徑流形成這樣一些科學(xué)問題，但卻解決不了揭示全球水文循環(huán)時(shí)空變化所引起的旱澇規(guī)律問題。當(dāng)然，從“線性”走向“非線性”并不是說要拋棄“線性”，相反我們應(yīng)當(dāng)將“線性”的基礎(chǔ)打得更加扎實(shí)，因?yàn)榫€性思維與非線性思維之間并不存在不可逾越的鴻溝。線性思維不僅仍是今后一些水文問題的有效工具，而且是

18、用于逐步逼近非線性思維的重要工具。從“線性”走向“非線性”是水文學(xué)向更高級階段發(fā)展的需要，也可以說是歷史的必然。讓水文學(xué)研究走“非線性”之路，一定非常艱辛，但這畢竟是前途無量的。參 考 文 獻(xiàn)1 芮孝芳，蔣成煜. 流域水文與地貌特征關(guān)系研究的回顧與展望J. 水科學(xué)進(jìn)展，2010，21（4）：444-449.2 常紹舜.從整體與部分的辯證關(guān)系看系統(tǒng)論與還原論的適用范圍J. 系統(tǒng)科學(xué)學(xué)報(bào)，2008,16（1）：87-893 芮孝芳.水文學(xué)原理M.北京：中國水利水電出版社，2004.4 Biswas A K. 水文學(xué)史，（劉國緯譯） M.北京：中國科學(xué)出版社，2007. 5 Singh V P, Woolhiser D A. Mathematical modeling of watershed hydrology J. J of Hydrologic Engineering, 2002, 7(4):270-292.6 Kirkby M J. Hillslope hydrology M. John Wiley and S