水文學(xué)演進(jìn)歷程的特征剖析

任立良,劉和遠(yuǎn),袁 飛

(河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098)

0 引 言

水文學(xué)是地球科學(xué)的一個(gè)重要分支。它是探求地球上水的起源、存在、分布、循環(huán)和運(yùn)動(dòng)等規(guī)律,并運(yùn)用這些規(guī)律為人類服務(wù)的一門學(xué)問(wèn)和知識(shí)體系。它與許多自然科學(xué)關(guān)系密切,要研究降水、蒸發(fā),就需要了解氣象學(xué)、氣候?qū)W、植物學(xué)方面的知識(shí);入滲與土壤科學(xué)有關(guān),地下徑流與地質(zhì)學(xué)有關(guān),地表徑流與地貌學(xué)有關(guān),河川徑流與流體力學(xué)有關(guān)。除了水的流動(dòng)之外,還要掌握物理、化學(xué)等方面的知識(shí),計(jì)算各種成分的輸移、衰減、擴(kuò)散、沉淀。由于水文現(xiàn)象的影響因素十分復(fù)雜,許多水文過(guò)程難以用嚴(yán)格的演繹推理來(lái)處理。同時(shí),人們?cè)陂L(zhǎng)期實(shí)踐中積累的大量規(guī)律性的認(rèn)識(shí),大都不能用數(shù)學(xué)物理方程表示出來(lái),因而只能視為局部經(jīng)驗(yàn)(王國(guó)安,2002)。

水文學(xué)涉及的是自然現(xiàn)象的內(nèi)在美,其技術(shù)的復(fù)雜性和重要性激勵(lì)著人類的工作和實(shí)踐活動(dòng)。水文學(xué)作為一門科學(xué),已有300多年的歷史。60多年來(lái),水文科學(xué)在實(shí)踐的推動(dòng)下發(fā)生較大變化,主要是由于水利、土木、交通、能源工程建設(shè)和環(huán)境保護(hù)的需要;特別是近40年來(lái),水文學(xué)發(fā)展更快,主要是由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要,加上新技術(shù)、新的觀測(cè)手段和新信息的涌現(xiàn)以及全球變化研究的深入展開。我國(guó)地域遼闊,人口眾多,擁有不同氣候和不同水文特征的地帶,洪旱災(zāi)害和水資源問(wèn)題十分突出,很多的水文問(wèn)題有待研究解決。只有高度重視水文科學(xué)研究的方法論問(wèn)題,才能 “免除經(jīng)過(guò)無(wú)窮盡的歧途以及在錯(cuò)誤方向下浪費(fèi)無(wú)限的時(shí)間和勞力”(恩格斯),使水文科學(xué)更好地為國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)服務(wù)。

1 水文學(xué)定義及內(nèi)涵

水文學(xué)的英文名稱是Hydrology,前綴Hydro -是水的意思,詞干-log是研究的意思,所以研究地球上水的學(xué)問(wèn)稱為水文學(xué),這與研究天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)問(wèn)稱作天文學(xué)、研究地球表層物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)問(wèn)稱作地文 (即地球科學(xué),包括地理、地質(zhì)、氣象氣候、海洋)、研究人類社會(huì)各種文化現(xiàn)象的學(xué)問(wèn)稱作人文、研究中(英、外)國(guó)語(yǔ)言的學(xué)問(wèn)稱作中(英、外)文相一致,由此可見(jiàn)中國(guó)的水科學(xué)祖先為水文學(xué)所起的名稱是具有深厚的學(xué)術(shù)和人文底蘊(yùn)的。北齊的劉晝 《新論?慎言》:“日月者天之文也,山川者地之文也,言語(yǔ)者人之文也。天文失則有謫蝕之變,地文失必有崩竭之災(zāi),人文失必有傷身之患?！?/p>

水文學(xué)是研究地球表面水文循環(huán)和水量平衡的科學(xué),目的是揭示和量化水文循環(huán)的物理、化學(xué)和生物過(guò)程、原理及其規(guī)律。國(guó)際著名水文學(xué)家Dooge(1986)給水文學(xué)下了這樣的定義:The business of Hydrology is to solve the water balance equation,即水文學(xué)的本質(zhì)是求解水量平衡方程。從定量的角度來(lái)看,研究地球上的水的水文學(xué)方法體現(xiàn)在水量平衡方程里。Lee(1992)將水文學(xué)定義為探求詮釋和定量化任何給定的時(shí)間、空間尺度內(nèi)水平衡動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及水文循環(huán)與地球生態(tài)系統(tǒng)之間的物理的、化學(xué)的、生物的傳輸關(guān)系的一門科學(xué),時(shí)間尺度可以從秒至年(際),空間尺度可從點(diǎn)尺度到全球尺度。因此,水循環(huán)是水文科學(xué)的基本原理,水量平衡是水文科學(xué)的基本準(zhǔn)則。

成立于1922年的國(guó)際水文科學(xué)協(xié)會(huì)IAHS (International Association of Hydrological Sciences)下設(shè)9個(gè)國(guó)際委員會(huì) (Commissions):國(guó)際地表水委員會(huì)、國(guó)際地下水委員會(huì)、國(guó)際大陸侵蝕委員會(huì)、國(guó)際冰雪水文委員會(huì)、國(guó)際水質(zhì)委員會(huì)、國(guó)際水資源系統(tǒng)委員會(huì)、國(guó)際陸氣耦合系統(tǒng)委員會(huì)、國(guó)際遙感委員會(huì)、國(guó)際示蹤水文委員會(huì)。由此看來(lái),水文學(xué)涵蓋的范圍很廣,涉及水文循環(huán)、水的自然屬性和社會(huì)屬性及相關(guān)技術(shù)。

2 大物理學(xué)背景下水文學(xué)演進(jìn)

乍看起來(lái),水文學(xué)知識(shí)的增長(zhǎng)和物理學(xué)、生物學(xué)這樣一些經(jīng)典科學(xué)的發(fā)展毫無(wú)相似之處。首要的問(wèn)題是,在水文學(xué)中是否像代數(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)或遺傳學(xué)那樣存在一個(gè)基本原理或基本方程,或者說(shuō)水文學(xué)是否存在像水力學(xué)那樣的雷諾數(shù)。國(guó)際著名水文學(xué)家Dooge(1988)認(rèn)為,水文學(xué)中從連續(xù)介質(zhì)的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)到行星的所有尺度上都能應(yīng)用的連續(xù)方程,應(yīng)該算是水文學(xué)的一個(gè)基本方程。

將連續(xù)方程的建立過(guò)程和天體運(yùn)動(dòng)知識(shí)的增長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行對(duì)照(表1),也是十分有益的。在天體運(yùn)動(dòng)方面,從所知道的最早的太陽(yáng)中心說(shuō)(Aristarchus,270 B.C.)到愛(ài)因斯坦對(duì)牛頓理論作出相對(duì)論的改變,經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的2 000 a;而連續(xù)方程的發(fā)展,從Hero(60 A.D.)將水流表達(dá)為單位時(shí)間的水量到Exner(1920)用連續(xù)方程與簡(jiǎn)單動(dòng)力方程結(jié)合計(jì)算動(dòng)床變形,也經(jīng)歷了大體相同的年代。Hero在公元60年提出流量的概念后很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有被人們重視,等人們重新發(fā)現(xiàn)流量概念的重要性時(shí)還對(duì)流量的定義爭(zhēng)論了好久,有的認(rèn)為流量就是過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,有的認(rèn)為流量應(yīng)該等于流速;當(dāng)伽里略的學(xué)生Castelli(1628)推導(dǎo)出流量的數(shù)學(xué)公式Q=Area×Velocity,才停止了那場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)期的爭(zhēng)論。其間,天才藝術(shù)家達(dá)?芬奇曾研究河道流速分布的狀況,圖1是一位畫家構(gòu)想的達(dá)?芬奇用浮標(biāo)法測(cè)量流速之場(chǎng)景 (Biswas,1970)。

表1 天體運(yùn)動(dòng)認(rèn)知和連續(xù)方程建立過(guò)程的比照(Dooge,1988)Table 1 Comparison between movement knowledge of space and celestial bodies and the establishment of continuity equation(Dooge,1988)

說(shuō)到哥白尼的革命時(shí),好像它只是一個(gè)單獨(dú)的事件。其實(shí),從哥白尼 (1473～1543)對(duì)托勒密的抨擊開始,經(jīng)過(guò)第谷?布拉赫 (1546～1601)的精密觀測(cè)和開普勒 (1571～1630)的大量分析計(jì)算,到牛頓(1642～1726)給出哥白尼的假說(shuō)和開普勒的經(jīng)驗(yàn)定律的動(dòng)力學(xué)方程,差不多經(jīng)歷了一個(gè)半世紀(jì)的時(shí)間。在連續(xù)性概念的發(fā)展方面,也有類似的情形。從Castelli對(duì)恒定流建立連續(xù)性方程到今天水文學(xué)中所用的非恒定流方程,也跨越了兩個(gè)世紀(jì)。

因此,借鑒其它科學(xué)分支的發(fā)展歷史來(lái)研究水文學(xué)的歷史,對(duì)作為一門科學(xué)的水文學(xué)的今后發(fā)展無(wú)疑是有益的。

圖1 達(dá)?芬奇測(cè)流速[取自History ofHydrology,Biswas(1970)著,劉國(guó)緯(2007)譯] Fig.1 Measurement of velocity by Leonardo da Vinci (after the Book“History of Hydrology”written by Biswas in 1970,translated into Chinese by Guowei Liu in 2007)

3 水文學(xué)發(fā)展歷程的特征

水文科學(xué)的發(fā)展動(dòng)力是來(lái)自社會(huì)的需要,因而必須結(jié)合每個(gè)社會(huì)發(fā)展時(shí)期或階段的特點(diǎn),承擔(dān)起解決各個(gè)時(shí)期國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中出現(xiàn)的、并要求水文學(xué)回答的問(wèn)題的任務(wù),通過(guò)在實(shí)踐運(yùn)用中的檢驗(yàn),不斷將水文科學(xué)提高到新的水平。當(dāng)前水文科學(xué)的任務(wù)是不僅要為防洪減災(zāi)工程措施與非工程措施提供科學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐,而且要為水資源的開發(fā)、利用、管理和保護(hù)提供水文科學(xué)基礎(chǔ)及信息服務(wù)。獨(dú)特的地理位置和復(fù)雜多樣的氣候特征決定了中國(guó)是一個(gè)洪旱災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)度,真正意義上體現(xiàn)大陸季風(fēng)氣候特征、具有中國(guó)特色的水文學(xué)發(fā)展方向和發(fā)展脈絡(luò),還是新中國(guó)成立以后幾代人經(jīng)過(guò)60多年的不懈努力,我國(guó)水文學(xué)的理論方法、科學(xué)研究、學(xué)科建設(shè)才取得長(zhǎng)足的進(jìn)步和豐碩的成果。

按照描述性—解釋性—人本性的思路,梳理出水文學(xué)發(fā)展沿革的兩條主線(圖2):

地理水文學(xué)—工程(應(yīng)用)水文學(xué)—水資源水文學(xué) (水文學(xué)所回答或解決的問(wèn)題,即問(wèn)題維度,陳家琦,1986)

物理水文—化學(xué)(環(huán)境)水文—生態(tài)水文(不同時(shí)期水文學(xué)重點(diǎn)研究的內(nèi)容和研究方法,即學(xué)科維度)

圖2 水文學(xué)發(fā)展沿革的兩條主線及其特征Fig.2 Two main routes of evolution course in hydrology and their Characteristics

陳家琦教授 (1986)將水文學(xué)的發(fā)展歷史沿革分成3個(gè)階段:地理水文學(xué)、工程水文學(xué)和水資源水文學(xué),并指出環(huán)境水文學(xué)是水資源水文學(xué)占主要地位的內(nèi)容。

地理水文學(xué)階段:研究水文科學(xué)的發(fā)展沿革不能脫離其歷史環(huán)境。水文科學(xué)從其發(fā)展歷程來(lái)看,起初是作為地理科學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科——自然地理學(xué)而產(chǎn)生,側(cè)重于認(rèn)識(shí)水文現(xiàn)象作為地學(xué)的一個(gè)方面,逐漸形成地理水文學(xué),和地理學(xué)一樣,屬于自然科學(xué)的范疇。在該階段,主要是以古代、近代的旅行家、探險(xiǎn)家的科學(xué)考察、成因探究、定性描述、游途記實(shí)為主要內(nèi)容。譬如明代偉大的地理學(xué)家、大旅行家、中國(guó)古代歷史上地學(xué)探險(xiǎn)家之第一人徐霞客(1587～1641)從小博覽群書,尤其喜歡讀奇書,喜歡地理和游記之類的書籍。

工程水文學(xué)階段:新中國(guó)成立之初,百?gòu)U待興。為此,我國(guó)開展了大規(guī)模的江河治理和水利工程建設(shè),急需大量的水文技術(shù)人才,1952年在華東水利學(xué)院(河海大學(xué)前身)設(shè)立了我國(guó)第一個(gè)陸地水文專業(yè),為滿足不同層次的人才需求,1955年開始招收本學(xué)科研究生,成為新中國(guó)第一批培養(yǎng)研究生的學(xué)科點(diǎn)之一。在長(zhǎng)期為防洪減災(zāi)、發(fā)電航運(yùn)和供水灌溉等涉水工程建設(shè)服務(wù)的過(guò)程中,“工程水文學(xué)”應(yīng)運(yùn)而起,并很快成為水文學(xué)的主要組成部分,不僅為中國(guó)的水利建設(shè)事業(yè)做出了突出貢獻(xiàn),而且?guī)?dòng)了水文學(xué)科和水文事業(yè)的迅速發(fā)展。這個(gè)以工程水文學(xué)為主體的水文學(xué)發(fā)展階段既繼承了地理水文學(xué)的有關(guān)內(nèi)容,又大大豐富了水文學(xué)的功能,既屬于自然科學(xué),又屬于技術(shù)科學(xué)的范疇。

水資源水文學(xué)階段:20世紀(jì)中葉,由于新技術(shù)在水文領(lǐng)域的應(yīng)用和廣大范圍內(nèi)水資源問(wèn)題的突出,相當(dāng)部分地區(qū)水資源開發(fā)程度不斷深入以及河流上攔蓄工程的日益增多,要求水文學(xué)回答水資源的合理開發(fā)作用及由此帶來(lái)的有關(guān)問(wèn)題,水文學(xué)從資料收集手段、要求回答的問(wèn)題及其自身的內(nèi)涵都發(fā)生了較大的變化,即突出了水資源的方向,該方向還十分明顯地反映在近40多年來(lái)重要的國(guó)際水文活動(dòng)中。黨的十四大以后,明確水利是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),并把水利擺在國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的首位,水文學(xué)科抓住機(jī)遇,積極投入水利建設(shè)主戰(zhàn)場(chǎng),針對(duì)實(shí)踐中水文水資源的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題,開展了多層次的基礎(chǔ)性研究、應(yīng)用研究、技術(shù)開發(fā)研究和軟科學(xué)研究,水文學(xué)科步入全面、綜合發(fā)展階段。

公元前4世紀(jì)古希臘人創(chuàng)造了 “地理學(xué)”名詞:Geography,前綴Geo-是地、地球的意思,詞干-graph是描述、作圖的意思,水文學(xué)中的流量過(guò)程線、水文過(guò)程線就是hydrograph,因此從Geography字面來(lái)看地理學(xué)乃描述地球之學(xué)問(wèn)。早先地理學(xué)偏文科,現(xiàn)在我國(guó)屬理科,以定性研究方法為主,地理水文學(xué)多多少少帶有地球科學(xué)方法的色彩;工程水文學(xué)雖屬于工科,但為解決水利工程實(shí)際問(wèn)題,工程水文學(xué)需要經(jīng)濟(jì)學(xué)的知識(shí),且以定量研究方法為主;水資源水文學(xué)是一門綜合交叉學(xué)科,既屬于自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué),又與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)有關(guān),不僅需要理科、工科知識(shí),還需要經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)的知識(shí),采取定量和定性相結(jié)合的方法進(jìn)行研究,可歸納為:理工融合、經(jīng)管支撐。

按照水文學(xué)不同時(shí)期的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容、研究方法,水文學(xué)發(fā)展歷程可歸納為:

物理水文:探索物理規(guī)律,重點(diǎn)研究:量,以水量或徑流為核心的學(xué)科體系,從洪水到干旱、從降水到徑流,這是20世紀(jì)中葉水文學(xué)科體系 “測(cè)、報(bào)、算”研究的主要范疇。

化學(xué)水文:追尋化學(xué)過(guò)程,主要關(guān)注:質(zhì),故亦稱環(huán)境水文,自20世紀(jì)70～80年代開始。

生態(tài)水文:認(rèn)知生物作用,尤其關(guān)注:生命,包括動(dòng)植物、人類自身以及與食物供給有關(guān)的糧食生產(chǎn),HELP(Hydrology for Environment,Life and Policy)計(jì)劃,自20世紀(jì)90年代開始。

起初,生態(tài)水文學(xué)和生態(tài)水力學(xué)的研究都局限于水生生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)水文學(xué)與生態(tài)水力學(xué)的區(qū)別就如同水文學(xué)與水力學(xué)的區(qū)別一樣,水力學(xué)側(cè)重于常年有水的河道、港灣,水文學(xué)則是以流域?yàn)檠芯繉?duì)象,包含陸地表面、河流等?，F(xiàn)今的生態(tài)水文學(xué)則從水體轉(zhuǎn)向陸地生態(tài)系統(tǒng),也應(yīng)該這樣,否則兩者就無(wú)區(qū)別;不僅要研究自然界陸地表面生物與水文循環(huán)過(guò)程的作用機(jī)理和相互關(guān)系,而且要研究人類社會(huì)與水循環(huán)過(guò)程的相互作用。人是地球的主宰,是地球生態(tài)系統(tǒng)的最高級(jí)消費(fèi)者,在現(xiàn)今的全球變化過(guò)程中扮演著十分重要的作用,從這個(gè)意義上說(shuō)生態(tài)水文應(yīng)該涵蓋人類各種經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)對(duì)不同時(shí)空尺度層次上水循環(huán)過(guò)程的作用與反作用,也就是說(shuō)社會(huì)水文屬于生態(tài)水文的范疇。

4 結(jié) 語(yǔ)

一個(gè)時(shí)代的科學(xué)成就是與前人奠定的知識(shí)基礎(chǔ)、采用的方法論、技術(shù)的支撐以及時(shí)代的需求密切相關(guān)的,科學(xué)研究的價(jià)值在于推陳出新,科技的發(fā)展總是在不斷創(chuàng)新的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)。

從農(nóng)業(yè)社會(huì)的防洪、灌溉等傳統(tǒng)水問(wèn)題,發(fā)展成為水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水災(zāi)害四大問(wèn)題并存的多重危機(jī)與挑戰(zhàn);各類問(wèn)題的空間格局已從局地或部分河段擴(kuò)展為流域性、區(qū)域性乃至全球性;每類問(wèn)題內(nèi)部也都存在不同的轉(zhuǎn)型,使問(wèn)題更加復(fù)雜化。上述問(wèn)題相互影響、彼此疊加,構(gòu)成了未來(lái)中國(guó)長(zhǎng)期、復(fù)雜、多樣的水危機(jī)綜合圖景,中國(guó)正以相對(duì)稀缺的水資源、相對(duì)有限的水環(huán)境容量和十分脆弱的水生態(tài)系統(tǒng),承載著不斷擴(kuò)張的龐大人口規(guī)模和高增長(zhǎng)、高強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng),面臨著前所未有的水壓力。為了解決人類面臨的水危機(jī),世界各國(guó)都在探索新的治水理念和治水模式,實(shí)施水系流域綜合管理 IRBM(Integrated River Basin Management)和水資源綜合管理IWRM(Integrated Water Resources Management)已經(jīng)逐漸成為人們的共識(shí),各國(guó)均嘗試采用立法、規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)激勵(lì)等綜合措施實(shí)現(xiàn)相關(guān)涉水目標(biāo)(中科院可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究組,2007)。我國(guó)復(fù)雜水問(wèn)題的解決和治水理念的變革,需要科技創(chuàng)新和科技支撐,需要科學(xué)的解決方法和先進(jìn)的技術(shù)平臺(tái),其中流域管理的觀念、內(nèi)涵、結(jié)構(gòu)、體系需要審視和完善。

由于人類對(duì)水循環(huán)的上邊界(大氣環(huán)流、氣候變化)和下邊界(流域下墊面)的影響劇烈,人們企圖集成不同時(shí)空尺度下生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的動(dòng)態(tài)過(guò)程于一體的愿望愈來(lái)愈強(qiáng)烈,需要準(zhǔn)確知悉哪里的影響最嚴(yán)重、是由哪里的哪個(gè)因素引起的?，F(xiàn)實(shí)世界需要回答的問(wèn)題是:水體富營(yíng)養(yǎng)化與土地利用變化的關(guān)系如何?最好的恢復(fù)和緩解措施是什么?在流域內(nèi)種植什么作物才能在農(nóng)業(yè)利潤(rùn)達(dá)到最大的同時(shí)對(duì)河道水質(zhì)的影響最小?改變的水文條件和水質(zhì)狀況組合使得生態(tài)特征退化到什么程度?在美國(guó),20世紀(jì)90年代要求城市化后不能增加下游河道兩岸的洪水風(fēng)險(xiǎn);2000年以來(lái)要求城市化后不僅不能增加下游河道兩岸的洪水風(fēng)險(xiǎn),還要保持原有的局地水平衡要素(水循環(huán)要素:降水、蒸發(fā)、徑流、土壤水蓄量)不變!那么原有的水循環(huán)要素是多少?所有這些問(wèn)題的回答都需要生態(tài)水文學(xué)的新途徑、新方法。如果說(shuō)水文學(xué)以前著重于水體的物理規(guī)律、化學(xué)性質(zhì)的研究,那么發(fā)展到今天的水文學(xué)愈來(lái)愈注重生物特性的研究。以生態(tài)水文學(xué)的理論和方法來(lái)重新審視人類的經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng),能夠?yàn)槿祟惤鉀Q日益嚴(yán)重的水問(wèn)題提供一個(gè)新的思路和途徑。因此,生態(tài)水文是水文科學(xué)的前沿方向,也是解決全球變化以及由此引發(fā)的各類水問(wèn)題的新途徑和新方法。

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