水文科普丨水文科学的基本问题及当代前沿

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水文科学作为一门学科, 其对学科发展具有基础性、引领性的基本问题主要包括本学科的研究对象、基本理论、方法论和应用技术等。立足水文科学的至高点, 俯视和梳理水文科学的主要内容，大致可以归纳为以下几个基本问题。

1.3 水圈与地球其他圈层界面过程及全球问题

环顾我们面临的全球问题, 几乎无不发生在水圈与地球其他圈层的界面上。例如:洪涝、干旱和极端水文气象事件发生在水圈与大气圈的界面上；山洪、泥石流、地震引起的水文地质灾害发生在水圈与岩石圈的界面上；大范围热带雨林消失、草原荒漠化、一些水生和陆生生物灭绝等生态环境问题发生在水圈与生物圈的界面上；而当今面临的水资源短缺、水环境恶化等问题, 则是人类对水圈(主要是陆地水体)无度无序扰动引起的, 也可称其为发生在水圈与“人类圈”的界面上。把人类面临的全球问题统一归纳在水圈与地球其他圈层的界面上, 并通过对界面过程异常变化的分析, 揭示各种全球问题发生的机制, 是水文科学研究一个全新的思路与领域。

1.4 水文学知识之应用

所有的科学与技术, 都是为了满足人类与时俱进的各种需求。满足需求的方式, 就是把从科学实验和生产实践中获得的经验凝练成为知识, 并将知识应用于满足人类的需求中。正是基于这样的认识, 水文科学的终极目的, 就是提供充分的水文科学知识, 并将其应用于满足人类对于水的需求实践中。人类须臾不能离开对水的需求, 因此水文科学知识的获取与应用也永无止境。正因如此, 水文科学才具有其永恒的生命力。水文科学知识的应用十分广泛, 但主要是为人们提供有足够可信度和精度并具有多种预见期的水文情势预测和预报服务。例如, 为大中型水利工程建设提供其未来运行期间的径流与洪水预测, 为水资源开发利用与保护提供中长期旱涝预测, 为城市规划与建设提供未来可能出现的水环境变化, 为江河防汛提供实时洪水预报, 为水库调度提供实时来水预报等。可见, 水文科学在应用层面, 其实质就如同天气气候学那样, 是一门以预测、预报为宗旨的学科。充分认识和把握这一点, 对引领和推动应用水文学的发展, 有着重要的导向意义。

1.5 水文观测与水文学方法论

水文科学不能像物理学、化学那样, 可以在实验室观测和揭示物理、化学现象和机理, 而必须通过对大自然水文现象的直接观测来获取地球水体及其运动、变化的信息, 并通过对所获取信息的分析, 形成水文知识, 以回答水文学的基本问题。因此, 水文观测是进行水文科学研究的基础。原始的水文观测在公元前2000多年的埃及尼罗河已经出现, 但科学、定量且较普遍的水文观测, 于18至19世纪才在欧洲陆续兴起。中国近代水文观测始于20世纪初的黄河。综观世界现代水文观测, 其技术与获取信息的能力尚不及气象学、地理学等地球科学学科, 这在相当程度上制约着水文科学的发展。水文观测追求的目标, 在于实时获得地球水文循环及多种尺度水体分布、运动与变化的完整信息, 如同医学B超, 可以实时、全面观观测到人体的血液循环系统, 或如遥感卫星系统可以实时观测地表不同尺度物体的状态那样。唯此才能为构建全面、系统的水文学知识提供基础信息, 回答水文学基本问题, 满足社会发展对水文知识的需求。水文科学自17世纪以来, 其方法论就建立在还原论的基础上, 并广泛吸取其他学科的方法与技术。自20世纪40年代以来, 水文科学对水文现象的分析与研究, 主要沿着两个方向发展。其一, 视水文现象为确定性事件, 以经典牛顿力学作为分析工具, 以创建水文循环动力学为理论目标。其二, 视水文现象为随机事件, 以概率论与数理统计作为分析工具, 以创建随机水文学为理论目标。实践表明, 这两方面的发展满足了这一时期社会发展对水文科学的需求。进入21世纪, 人们对全球资源、环境等问题的关注, 推动了全球变化研究, 也激起了水文学者对于水文研究方法论的思考:将水文现象割裂为确定性和随机性进行研究, 这样的方法是否反映了水文现象内在统一性？是否能系统、完整、深刻地揭示水文循环系统及其与地球其他圈层界面的过程和机制？是否应当把水文现象作为一个整体进行研究？一个明显的实例是, 东亚季风区的河流, 每年都会有汛期和洪水, 是一个在年尺度上的确定性事件, 然而汛期何时起讫, 洪水出现的时日、洪峰、洪量和洪水过程等却完全是随机的, 可见汛期和洪水这一水文现象, 既具有确定性, 也含有随机性。其确定性是由行星因素和大气环流所决定的, 其随机性则包含外随机性和内随机性两类。外随机性是河流水情受多种外部环境不确定因素的影响而产生的；内随机性则是确定性系统固有的行为特征, 即使最简单的确定性系统, 在其运行的过程中也会自发产生随机性。内随机性的存在和描述已由美国气象学家劳伦兹(Lorenz)于1963年在其提出的劳伦兹动力学方程中得到证实[2], 并为物理学界所公认。因此, 如何研究集确定性与随机性于一体的水文现象与过程, 成为当代水文科学方法论面临新的挑战。值得庆幸的是, 20世纪80年代混沌理论的兴起, 物理学者称其为20世纪以来物理学的第三次革命。混沌理论对于方法论的贡献在于, 它使描述自然界的两种方法—决定论(描述确定性事件)和概率论(描述随机性事件)实现了和谐的统一。混沌理论所描述的混沌运动特征, 例如劳伦兹“蝴蝶效应”[2]所表现出的运动范围的有限性、运动过程的准周期性、运动轨迹的随机性以及系统内在非线性等, 皆与水文现象和过程的特征相契合。可见, 混沌理论以及与其相提并论的分形理论等为水文科学研究的方法论打开了一扇充满魅力之门。水文科学将在继续发展基于还原论的研究方法的同时, 向着基于整体论的非线性科学领域进行探索。中青年水文学者将担起此重任。

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基于当代面临的全球资源、环境问题主要发生在水圈与地球其他圈层界面上的认识, 从满足社会需求、牵引学科发展和推动技术进步3个方面进行识别, 认为水文科学当代前沿可包括以下领域。

其实这是发生在水圈与大气圈界面上的现象与过程, 因其对水资源与生态环境的深刻影响, 并受到当代全球变化研究的特别关注, 故而列为水水文科学的当代前沿之一。

众所周知, 地球上的气候从来就是在变化着的, 并深刻影响着地球环境, 第四纪冰期与间冰期的交替便是其显著的表现。自从18世纪中叶工业革命以来, 尤其是20世纪中叶以来, 人类排放到大气中的温室气体不断积累, 这一积累过程也是导致现代气候变化的原因之一。可见, 现代气候变化是气候的自然演变趋势(下称“自然分量”)与人类排放温室气体(下称“人类分量”)叠加的结果。因此, 气候变化研究的理论内涵和科学目标, 当在于分别揭示“自然分量”和“人类分量”对气候变化的贡献率, 而不仅仅是笼统或含糊地谈论气候变化。只有揭示了“人类分量”的贡献, 才能为改善人类活动、减轻其对气候的影响提供依据, 而“自然分量”是人类所不能控制的。显然, 水文循环对气候变化的响应研究, 也当相应地分别进行描述, 而这一点在现代的水文、水资源研究中并未充分体现。

在水文循环对气候变化的响应的研究中, 有研究者将一个不足够大的地区或流域水文要素在一定时期内的异常变化, 与某些气候模式的输出(如气温、降水等)做相关分析, 得出很高的相关系数；或者对水文要素时间序列进行统计诊断, 得出某些偏离正常值的统计特征值, 于是据此将该地区或流域水文要素的异常变化, 归因为其对气候变化的响应。这样的结论很可能并不客观和真实, 因为某些并不排放温室气体的人类活动, 例如水利工程和土地利用方式改变等, 其对水文要素的影响远大于气候变化对水文要素的影响。

20世纪下半叶以来, 剧烈的人类活动对大气、水土、生态与环境产生了巨大的影响。这些影响多出现在水圈与大气圈、岩石圈、生物圈和“人类圈”的界面上, 导致水文循环系统发生偏离常态的变化。事实上, 剧烈的人类活动已无处不在地渗透并深刻干扰了水圈与地球其他圈层界面上的自然过程。在水文循环的陆面过程中, 人类活动的影响尤为显著。例如:城市化和大规模土地利用方式的改变, 使产汇流现象和机制与之前的天然情况下迥然不同；作为水文统计分析基础的江河水文要素系列已失去了其原有的代表性和一致性；自然水系已大多变为人工控制的水网, 等等。这些变化使得在未被人类活动干扰的天然情况下获得的水文知识已难以解释今天的水文现象与过程, 而面临需重新认识的挑战。因此, 把人类活动作为最活跃的因素加入到新时期的水文科学研究中, 揭示在剧烈人类活动影响下, 水文现象的新特点、新机制、新规律, 构建基于自然因素与人文因素共同影响下的水文科学知识, 应当是当代水文学研究的前沿课题。

无论在水文科学研究中和实际水文工作中, 通常要构建复杂的水文模型, 进行海量数据处理和快速的分析计算。例如, 在对长江上游干流30余座大型水库实行联合实时优化调度时, 就需要构建包含由数十个重要目标组成的目标集和同样庞大约束集的复杂数学模型, 并需在很短时间内对模型进行解析和运算, 实时优选出安全和效益最佳的实时调度方案, 这显然是现有水文分析技术难以实现的。有幸的是, 我们从围棋阿尔法-狗(Alpha Go)的胜利得到了启示:围棋高手李世石凭借其丰富的经验和判断力, 在预判了十余种落子可能出现的棋局后, 选择出了他认为最优的落子位置；而阿尔法-狗凭借其每秒上亿次的运算速度和学习记忆能力, 在枚举了上千种落子的棋局中选择出了最优落子位置, 棋手终因其计算分析的能力远不如阿尔法-狗的运算速度和学习记忆力而败北, 而继后的Alpha Zero更为出色。显然, 人工智能这种极高的运算速度和处理海量数据的能力, 正是水文分析寻优计算与预报中所需要的。毫无疑问, 开拓人工智能在水文科学研究和实际工作中的应用, 将带来水文科学技术的重大突破, 水文科学家们必须把握这一当代技术前沿。

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