水文学科发展与思考_夏军

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1、水文学科发展与思考 夏军 (武汉水利电力大学 ,武汉 4 3 ( X )72) 摘 要 水是人类和一切生物生存所不可缺少 的 自然物质 , 也是国民经济建设 、 工农业 发展 、人 民生活娱乐 、 发展航运交通必不可少的自然资源 。 水对人类和社会有利 , 同时也会 带 来灾害 , 如洪水泛滥和干早水资源短缺等 。 水文学是地球科学的一个分支学科和基础学科 , 它主要研究 自然界水的运动变化 , 涉及地球水圈 一生物圈一大气圈各种 尺度的水文循环过程 及 其对自然环境和人类社会影响的相互作用关系 。 自然界 中发生的洪水 与干早灾害及全球变 化影响 , 与人类生存社会经济可持续发展有着密切联系

2、的水资源 、 水环境 等 “水” 的问题 , 是水 文学研究与应用的主要对象 。 本文基于最近参加第2 2届国际大地测量及地球物理学联合大 会(I UG G)暨国际水文学协会学术交流机遇 , 回顾了水文科学的发展 , 概述了近年来国际水文 科学的研究与进展 , 中国的水文学研究问题 , 并对水文学科发展提出了几点认识和体会 。 1 月 l J胃 水文学是地球科学的一个重 要分支 , 它 是一门研究地球上水的起源 、 存在 、 分布 、 循环 和运动等变化规律 , 并运 用这些规律为人类 服务 的知识体系 。 自从科学界公认水圈 、 岩石 圈和大气圈都从地 圈中分离 出来 , 并作为地球的 独立

3、 圈层存在后 , 水文科学的形成就有了 其基础和地位 。 当今国 际水文科学协会(认H S)设立 了9个委员会 , 涉及地表水 、地 下 水 、 陆地侵蚀 与泥 沙 、 冰雪 、水质、 水资源系统 、 水文 遥感及资料传输 、 大气 一土壤一植被关 系和 水文示踪各个分支 , 说明 了水文科学研究的领域与应用的方面 “刘 。 从水文学服务和应 用 的实际问题看 , 它关系到与社会经济发 展 和人类生存密切相关的水多了(洪水灾害) 、 水少了(干旱缺水 ) 、 水脏了(水环境及生 态环境)和水资源是 否 可持续利用 的水文学基础 和对策管理问题 。 其覆盖面之广 、联系领域之 多 , 说明了它

4、的重要性和应用价值 一61。 但是 , 水文 现象的复杂性和水文资料信息的不足 , 在一定程度上限制了水文学理论发 展 。 水文现象的复杂性 不仅表现在 时 间尺度 和 时间方向上的不 可逆(不重复性) , 而 且体 现在 空间上的变异性 。 从系统论观点看 , 流域 、 区域或全球的水循环是一个高度的非线 性 、 开 放性 系统 , 其边界条件和初始条件十分复杂 。 从信息论观点看 , 水文循环系统存在 诸多 的未知或非确知 问题 , 其中不仅包括时间 、空 间水 文信息观测 不完全 间题 , 而 且还包 括很多水文 环节尚缺乏有充分依据的第一原理即水文 学定律 。 例如 , 大气与陆面水分

5、 、 能 量交换的尺度问题方 面 , 以及水文循环 在生物圈 一大气圈一 地圈联系 的相互作用及 流域蒸 国家重点基础项目研究发展规划G l笑从只3印5资助 。 18 散发等方 面 , 都尚未提 出有充分依据的水文学 定律 。 目前 , 宏观和中观尺度 水文 系统研究 主要采用半经验或概念性或随机性理论描述 , 而 客观世 界中的水文 过程 则 是确定性与不 确定性各种成分交织 的复杂现象卜 6 。 尽管近4 0年来 , 水文学领域取得了令人鼓舞的进 展 , 但至今学科本身仍有许多 重大问题需 要探讨 。 换一句话说 , 水文学远不如自动控制理 论等其他学科那样成熟 。 因此 , 在强 调充分

6、利用现代科学技术广泛收集水文信息(包括 水文物理过程监 测信息)的同时 , 如何结合中国的实际开 展既有中国特色又是 国际水文科 学前沿及热点的水文学基 础理论与方法实践应 用研究 , 是富有 时代特点 的挑战性问题 。 2 国际水文学科的发展 在过 去 的几十年里 , 国际水文 学科的发展比较快而 且十分活跃 。 8 0 年代以后 , 联合 国教科文组织(UNESCo ) 、 国际科学 联盟理事会(I CS U) 、 国际水文学协会(IA HS)和世 界气 象组织(WMO)等实施了一系 列 国 际水科学计划 , 如 国 际水文 十年(I HD) 、 国际水文计划 (IHP) 、 世界气候研究

7、计划(WCR P) 、全球能量 和水循 环试验项目(GEWE X) 、 国 际地圈生物 圈计划(IG B P)等 。 另外 , 每隔 4 年召 开 一 次 国际 大地测 量 及地球 物理学联合大会(IU - CG) , 会上各国都要提交有关水文学进展 的 国家报告 , 并对水文 学发展方 向进行评述 , 这 些报告反 映 了当代国际水文学进展 的前沿问题 L 7 一川。 19 91年8月 , 在奥地利 维也纳召开了第2 0届I UG G大会 。 走在国际水文学研究前列 的美国提交了198 7 一 19如 年的水文 学 国家报 告 。 此次主题是 “ 水文 学研究的进展与机 遇 ”。 该报告以较

8、大的篇幅 , 从全球尺度水文学 、流域水 文学 、地表 水动力学 、 雪冰研究 、 非 饱和层的水流与传输 、地下 水系统 、破 碎岩石 层水流与传输 、 非均匀有孔介质传输的分层 方法 , 以及表层水文学的物理量测等9个方面进行了综述 , 指出 了水文学面临的新的挑战 和机 遇 。 报告指出 , 国际水文 学者们得到的共识是 , 在水文学研究及其许多领域应用 的未 来发 展中 , 要求更多的交叉学科方 法 , 而 且这种交叉的边缘愈来愈分不清了 。 因此 , 需要 积极鼓励新思想 、 新方法论的开拓 , 以适应新 的发展形势 。 值得一提的是 , 在第2 0 届 I U - 以大会的活动中

9、, 水文学协会举办 了一次水文水资源管理的统计理论及不确定性研究讨 论会(HWS) 。 其目的是倡导对水文不确定性研究 的方法论进行新的探讨 。 针对如何从分 散信息源(包括人的经验与知识)提出信息和进行统计或决策的问题 。 会上交流了运 用贝 叶斯统计 、模糊 统计和作者在大会报告 的灰色统计等三个不同的方法 6。 19 91年 , 美国国家研究 院水科学局 出版 了水文学的机遇专著t川 。 它 是198 8 年美 国设立水文学机 遇委员会以来的 工作总结 。 通过分析 , 该书得到的结论是 :“水文 学是一 门资料贫乏或不完全 的学科 ”, 因此 , 需 要长期努力不懈地收集各种资料信息

10、, 并需要采用 一些假设和交叉学科的研究方法 。 在该书中 , 美国水文科学机遇委员会列举了若干他们 认为当前水文学中巫待解决的 问题 , 亦即要抓住机遇的问题 。 例如 , 在自然界存在很大非 均匀性情况下 , 采用什么方法论可以把处于 不 同空间和 时 间尺度上 的水文 过程 的动态特 征集合起来?从水分状态 的平衡和稳定以及从植物的类型中能学到什么? “ 混沌学 ”的特 性是否可能?水文 的确定性和随机性模型之间怎样能建立起必要 的联系 和桥梁?等等 。 从该书提出的尖锐问题看 , 尽管没 有直接涉及到水文 系统方法 的讨论 , 但指 出了水文学是 19 . 一 门资料信息不完全或贫信息

11、的科学 , 这个难题需要对水文学新 的方法论 的思索 。 19 93年7月在日本横滨召开 了第6届 国际气象及大气物理科学和第4届 国际水文学 联合大会(I AMAP 一认H S 9 3 ) 。 此次大会的主题是 , 鼓励全世界范围的气象及大气物理科 学工作者与水文学 工作者 联合起来 , 共同研究当今面 临的全球 环境问题 , 特别是 全球能量 与水循环 , 陆面和大气之间的相 互作用关系 , 气候变化 , 水资源 和环境污染问题 , 以及在全 球环境中占十分重要地位的自然灾害问题等 。 需要提及 的是 , 在该次联合大会举行的水 文学前沿问题5个专题讨论会 中 , 有2个专题 是探讨水文学

12、方法 论 , 一个是 “ 水文地貌学 的概念与方法 论 ” , 另 一个 是 “ 水文学中非线性 、 分形 和混 沌 ”。 作者在研讨会中提出灰色 系统水文学方 法论 的学术思想 , 引起 不少学者的兴 趣L 3。 9 0 年代以后 , 可持续发展的观念被广泛接受 , 并成 为各国政府2 1世纪行动纲领 的重 要 承诺 。 可持续水的管理及其水文学基础也成为国际水科学研究的热点之一 。 可持续水 资源系统管理(Ma n a g e m e n io f S u st a ina b l e W a t e r R es o u 二e s Sy s te m )是指在国家和地方水的政 策制定 ,

13、 水资源的规划 、开 发和管理中 , 寻求经济发展 、环 境保护和人类社会福利之 间 的最 佳联系与协调 。 与传统的水资源系统概念相比较有新发展的是 , 它要求水资源利用从长 远 的观点看有最佳经济效率 , 即把水资源管理纳人到人类生存的环境要求和未来的变化 中考虑 , 纳人 到整个社会经 济为良性发展的 战 略地位中考虑 。 19 96 年 , 联合国教科文组 织 国际水文计划 工作组将可持续水资源 管理定义为 “支撑从 现 在到 未来社会及其福利而 不破坏它们赖以生存的水文循环 和生 态系统完整性 的水的管理与使用 ”赶一 gJ。 简言之 , 它是 “ 使未来遗憾可能性达最小化的管理决策

14、 ”。 从目前的 国 际学术讨论看 , 可持续水资 源管理有三个基本目标 , 它们是环境的完整性(E n v ir o n 以i n t e g h t y) 、 经济效率(E c o - c e f f ic i e n c y )和衡平(Eq ui t v ) 。 这里所说的可持续的水资源系统管理 , 除了考虑水量 的变化分配管理外还 要求考虑水质水环境问题 , 亦即水量水质并重 , 具有环境的完整性 ; 要求水资源 的利用从长远的观点看有最佳经济效率 ; 为了处理好追求经济效益与环境保 护之间的矛盾 , 要求水资源 可持续发展 , 衡平便成为一个重要 的 目标 。 实现这些目标的 挑战是

15、时间 , 即要考虑水资源系统未来长期变化的影响和需求 。 这给水文水资源 的不确 定性问题的研究提出 了更高的要求 。 199 ()年国际水文科协(认H S )在 波兰 召开了 “水 文水 资源中新 的不确定性概念学术研 讨会 ” ; 同年在我 国北京 召开 了 “ 水资源管理 的水文学基础 学术讨论会 ”。 19 93 年在奥地 利 召开 了国际非精确资料统计研讨会 。 传统的不确定性概念受到了冲击和挑战川 。 19 94 年 6月在德国K址l sr t t h e , 由联合国教科文组织主持和 国际水资源协会(】 W RA)与 国际水文学协会(I AHS ) 协办 , 召开 了国际 “ 变

16、化世界中的水资源规划学术大会 ”, 会上确 定的4个可持续水资源管理专题 , 其中之一就是水资源开发中的风险和不确定性 0 。 19 95 年在美国科罗拉多州召开 的第2 1 届 国际大地测量 及地球物理学联合大会(IU - (;G)上 , 在 国际水文学协会举办的专题学术讨论会中 , 许多学者交流了流域尺度可持续水 资源系统的模拟 和管理的研究成果 , 其中涉及 到可持续水质水量管理 的应用实例 、 风险和 不确定性 、 模型的检验 、 地理信息系统(G ls )的应用 、 专家系统和支持系统的应用等川 。 19 96 年r o月底在日本京都大学召开 了国际水资源及 环境研究大会 。 大会分1 1个专 题进行了学术交流 , 其中水资源与环境管理中的多种不确定性问题 , 是一个重 要 的交流内 容 。 1997 年4月 , 在摩洛哥召开 的第5届 认HS科学大 会上举 办 了 “不 确定 性增加下 的水 资源 可持续性管理 ” 专题学术会 , 会议内容涉及 洪水与干旱(含干 旱 规 划)的 预测与管理 、 水资源开发 、