我国水文科学发展历程探析

　　摘    要：　2015年, 《水资源研究》杂志 (《Water Resources Research》) 创刊50周年, 出版了《水资源研究》50周年纪念专刊, 对21世纪水文科学的传承与发展前景进行了讨论, 描绘了未来水文科学可能的发展路径。新的监测和模型试验技术、越来越多的水文研究数据和更加广泛的知识共享将为改善水资源管理和促进社会可持续发展提供创新性手段。对水文科学发展的梳理可为未来的水文学家提供启示, 并为不断加强科学家之间的国际合作提供支持。

　　关键词：　水资源; 水文科学; 传承发展;
 

　　1、 背景概述

　　未来几十年, 水资源将成为人类获得充足食物和能源的关键保障因素, 因此水科学将为人类社会的发展发挥越来越重要的作用。众所周知, 人类与水相互关联的历史和人类发展史一样久远。很早以前, 古希腊人就将水视为4种基本要素之一。人与水之间的斗争关系贯穿整个人类史, 且在未来几年将在全球范围内越来越凸显其重要性。近年来, 全球生态环境不断恶化, 可持续发展问题成为各方关注的焦点。气候变化、生态系统、生物多样性以及人类和其他物种的疾病都与水密切相关:水循环的变化影响着人类社会与整个地球自然生态系统之间的联系。

　　自然环境的加速变化, 需要更深入地研究和理解水文科学。众所周知, 地球上的淡水总量可满足当前以及未来的人类需求。然而, 由于水资源的时空分布不均匀, 在每年的某几个月, 全球范围内仍有相当多的地区面临水资源短缺问题。水资源分配不均会造成粮食短缺、矛盾冲突, 并最终导致发展不均衡、不全面, 造成大范围的人口迁徙。尽管虚拟水贸易 (指物质生产的实际耗水量) 有助于实施水资源的时空分配, 然而由于水文、经济和政治的相互联系愈加紧密, 上述水资源短缺问题仍未得到彻底解决。

　　因此, 在过去的50a, 以解决实际水问题为根本的水文科学逐渐成为地球科学的重要领域之一。如今, 水科学扩展到与地理学、社会科学、公共卫生学、工程学和先进监测技术等领域相结合, 以解决越来越多的水资源可持续性问题。

　　为了应对这些挑战, 水科学需要制定新的发展方向, 充分利用计算技术、先进监测技术、信息共享科技的发展以及国际跨学科合作日益加强带来的新机遇。20a前, 大多数常规的研究方法都未被应用, 也没有如今的监测设备和手段, 合作和信息交流也比现在少得多。

　　为了实现水科学的新发展, 需要新的理论和方法, 最重要的是要有新的思想和积极为未来谋划的能力。水文科学将在学科传承的基础上, 以新的动力和激情, 努力为未来水科学的发展提供有效的方法和手段。

　　2、 传承与发展

　　在过去50a, 通过不断拓展新的研究前沿, 促进了水文科学的发展, 解决了一些重要问题, 实现了跨学科研究发展。过去50a内, 水文学已经成为地球科学的中心学科, 取得了丰硕的研究成果, 促进了人类对水文科学的认知, 对于涉水问题的研究开发了许多新的方法和途径并积累了必要的知识。对于水资源这一与人类社会发展密切相关的重要因素, 未来水文学家将继续努力为人类更好地了解地球、掌握气候变化、合理利用和分配水资源发挥重要作用。

　　2015年, 《水资源研究》杂志 (《Water Resources Research》) 创刊50周年, 出版了《水资源研究》50周年纪念专刊, 对水文科学近50a的发展进行了简要回顾, 共分为3个章节: (1) 水文科学的传承, 包括12篇论文; (2) 水文过程阐释和模拟, 包括21篇论文; (3) 水资源与社会发展及其面临的挑战, 包括23篇论文。

　　该回顾表明, 随着研究范围和领域的不断变化, 水文学的框架体系也发生着演变。研究人员不再专注单一过程或单一站点, 关注的空间范围从局部扩展到全球, 时间范围从短期到长期, 研究重点从单个水文过程转变为对水循环的综合分析, 且正在加强研究者之间的跨学科联系和国际合作。

　　2.1、 水文科学的传承

　　在这一章节收集了一些关于过去成就和未来研究为关键主题的综述性文章。卡德纳斯 (Cardenas) 提出了研究潜流带水文学的观点。宾利 (Binley) 等记录了过去20a地球物理勘探方法的发展, 以阐释浅层地下水的水文过程, 还提出了水文地球物理学发展的愿景。布鲁克斯 (Brooks) 等回顾了流域水文学近期的发展, 其与水质化学、水文地质学和生态水文学密切相关, 特别强调了该项研究在量化临界区域降水量占比方面仍然存在空白。萨图恩 (Sturn) 等对冰雪水文学、水文过程进行了物理模拟, 对地下有机污染物迁移以及饱和多孔介质中胶体运移的研究进展进行了综述。科塔尼迪斯 (Kitanidis) 等为浅层地下水流动的非均匀性、不确定性和规模的研究提供了重要思路。伯特 (Burt) 对一批基于野外观测工作的论文进行了评述, 认为野外观测工作大都有助于重要假设和方法的提出。

　　2.2、 水文过程阐释和模拟

　　这一章介绍了关于水文过程阐释和模拟方面的创新性思想、原理和方法, 为认知水文循环系统和过程提供了新的视角。范 (Fan) 讨论了地下水在关键区域发挥的作用, 可在很大程度上改变水流流态和循环过程。迈克奈特 (McKnight) 等提出未来将实时观测数据与模拟径流生态系统生物地质化学过程相结合的发展方向。D.热苏斯 (Del Jesus) 等讨论了通过卫星观测的降雨量统计得出点雨量。丘奇 (Church) 等重点讨论了河流地貌学、河口动力学、河流动力学方面的内容。伦克尔 (Runkel) 和希普塞 (Hipsey) 等分别研究了流体动力学和水生态系统。哈维 (Harvey) 和古瑟夫 (Gooseff) 专注于河流动力学研究, 如小范围的物理驱动因素如何引起大规模的地形地貌变化过程, 以及其产生的相关生态效应。莱顿梅耶 (Lettenmaier) 等概述了水文遥感技术带来的创新研究机遇。伦德奎斯特 (Lundquist) 等介绍了数据误差及误差检验。特洛奇 (Trouch) 等讨论了流域演变问题。拜尔肯斯 (Bierkens) 和罗德里克 (Roderick) 等采用全球视角研究水文学:前者着重探讨了全球水文现状、变化趋势和方向;后者则讨论解释了与未来干旱相关的气候模型预测, 以及其与地质观测结果的一致性。卡拉布里斯 (Calabrese) 提出了一种新的理论, 将随机降雨输入到水文系统水资源的年代分布中, 并讨论由此产生的概率效应。马克斯维尔 (Maxwell) 研究了地形地貌变化对地下水流以及地下水位的影响。维里肯 (Vereecken) 等的研究重点是渗流带水文学, 包括新技术在加强土壤水文过程研究方面的作用, Richards方程式在毛细水流研究方面的应用。费奥里 (Fiori) 等研究了非均质含水层和多孔介质中溶质运移的模拟。

　　2.3、 水资源与社会发展及其面临的挑战

　　这一章涉及人水关系, 鉴于人类活动引起的环境变化对水文循环的影响, 这种关系变得越来越重要。西奥拉 (Ceola) 等分析了在全球范围内人类活动对水资源造成的压力。科斯格罗夫 (Cosgrove) 等介绍了变化环境下水资源规划和管理的新观点。威特 (Wheater) 等重点研究了水安全, 水文研究需要对传统的以物理实体为基础的水资源系统进行改进, 将人类作为新的维度引入水资源系统。麦克劳林 (McLaughlin) 等研究以可持续方式保障粮食安全的方案, 并估计了对水和土地资源的需求。库马尔 (Kumar) 关注于水文复杂性, 提出了一个概念框架, 将探索科学与工程技术, 观测系统与信息系统, 计算机系统与通信系统以及社会方法与体制方法相结合, 以求得到创新而全面的保障水资源安全的解决方案。隆德 (Lund) 对当代水资源管理结合自然科学和社会科学在学术研究和实践中取得的成果进行了综述。希瓦帕兰 (Sivapalan) 等提出随着自然环境的变化和社会发展, 在不同的时间尺度, 水文系统发生演变, 是一个多种因素共同演变的过程。沃格尔 (Vogel) 等的研究表明, 水、气候、能源、食品、工业、社会、经济和环境将不可避免地相互影响, 为了有可持续性发展复原能力, 需要弄清人类在各种自然物理过程中的活动足迹以及其长期共同演变的过程。布朗 (Brown) 等从20世纪60年代的哈佛水资源计划开始, 介绍了水资源系统科学领域的研究历史。霍恩伯格 (Hornberger) 等对美国城市的大型数据库进行了收集和分析, 以掌握使水资源保护进一步发展的主要特征。波波拉图 (Porporato) 等研究的重点包括水资源、农业生态系统和耕作地形地貌。里奇 (richey) 等侧重于在区域和全球层面对地下水进行评估。刚伯拉帝 (Gambolati) 等研究了与水文过程相关的岩土力学, 在过去100a, 通过水文过程可以预测人为地面沉降和地面抬升。西里亚 (Celia) 等讨论了地下咸水层的碳存储现状。曾 (Tsang) 等分析了地下核废料存储涉及的关键水文问题。戈尔利克 (Gorelick) 等概述了全球变化对地下水管理的影响。伯德赛 (Birdsell) 等对当前水力压裂问题的模型试验结果进行了回顾。沃尔 (Wohl) 等对河流修复方面的研究和实践进行了综合回顾与展望。多伊尔 (Doyle) 等建议将科学、法规、经济条件、市场需求和从业人员的社会期望结合起来, 实施河流修复工作。梅尔兹 (Merz) 等讨论了意外事件对洪水风险评估和管理的影响。

　　3、 未来展望

　　从以上研究可以明确看出目前水文科学发展的新思路和前景, 这些思想和方法都能推动水文学的进步, 归纳起来主要有以下几点。

　　(1) 遥感数据等新的监测技术为大范围、长期的水文观测提供了发展机遇, 需要有创新思路, 建立新模型来利用所获取的信息。

　　(2) 全球范围的模拟试验有助于全面了解和描绘可用水资源和水资源短缺威胁的分布。虽然全球范围模型试验仍然存在不确定性, 但随着获取的数据越来越多, 这种不确定性正在逐步减小。因此, 可以在更大空间尺度上开展试验, 为解决全球性水问题提供新的途径。

　　(3) 为更好地了解水文系统特性并对未来情景进行预测, 需要进一步研究水文过程的共同演变。

　　(4) 对非均质性进行研究并量化其影响, 以便更好了解水文变化过程。

　　(5) 需要从新的角度分析人与水文系统间的相互作用, 全面了解内在反馈和共同演变过程和情景。

　　综上可知, 传统水文学的每个分支学科都只侧重于水循环的一个特定部分, 而如今的水文学发展为多学科交叉的系统性研究学科, 集中于研究更大范围以及更长时空尺度以及水、地球和生物系统的相互作用。

　　水一直是人类赖以生存的重要元素, 水科学对确保人类和地球可持续协调发展至关重要。21世纪的水文科学发展目标远大———解决全球性水问题, 确保人类社会的可持续发展。要通过获得必要的知识来解决新时代所面临的科学挑战, 水科学才会获得长足发展。希望水科学能在全球范围内获得更大发展, 并尽量减少性别、各大洲以及各种族之间的发展不平衡问题。