水文學(xué)發(fā)展困境與變革

□胡鳳啟

（河南省開封水文水資源勘測局）

水文學(xué)發(fā)展困境與變革

□胡鳳啟

（河南省開封水文水資源勘測局）

水文過程復(fù)雜性的根源，在于循環(huán)路徑“組合（整合）”的多樣性及其變動性。由于背景環(huán)境的變化和不確定性干擾，傳統(tǒng)的水文學(xué)途徑的基礎(chǔ)受到了動搖，學(xué)科擺脫困境之路是強化對組合的研究。計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進入云計算時代，有助于直接觀測復(fù)雜多變的“組合”情勢和構(gòu)建、模擬和預(yù)測“組合”的模型，必將深刻地改變水文學(xué)科的進展。引入風(fēng)險模擬分析理念，轉(zhuǎn)變確定性思維模式，構(gòu)建“風(fēng)險文化”，對于走出困境也是必不可少的。

水文學(xué)；困境；變革；組合；風(fēng)險文化

1 水文學(xué)及傳統(tǒng)水文學(xué)的研究途徑

水文學(xué)是一門研究地球上各種水體的發(fā)生、循環(huán)、分布、水的化學(xué)和物理性質(zhì)、水對環(huán)境的作用以及水與生命體關(guān)系的科學(xué)，通過對水文學(xué)的研究，可為洪澇、干旱災(zāi)害的防治、水資源的開發(fā)利用和水生態(tài)與環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)。

“水文學(xué)”的研究對象是地球表層中的水，其研究內(nèi)容涵蓋水的存在、循環(huán)和分布，水的物理和化學(xué)性質(zhì)，以及水與環(huán)境包括生物之間的相互作用。水循環(huán)是由太陽輻射提供動力，通過水的蒸散發(fā)過程，再由水流帶動物質(zhì)流循環(huán)運動變化，理論支撐就是水量和能量、動量平衡，其基本方程組是非常簡單的，而現(xiàn)實水文情勢千變?nèi)f化，水文過程的演變卻異常復(fù)雜。

傳統(tǒng)的水文學(xué)研究方法是“構(gòu)建模型”，通過“模擬”或“預(yù)測”特定流域出口處的水文變量過程來實現(xiàn)對水文運動變化規(guī)律的研究。運用這種方法的條件是：雖然水文過程是由眾多途徑組合（整合）而成的，但我們認(rèn)為對于一個特定的流域，其水文過程的“組合（整合）”態(tài)勢是相對穩(wěn)定的，包括過程的邊界條件以及其背景環(huán)境。

在建模過程中，通過合理性分析，剔除個別受到不確定性因素干擾，而明顯偏離的特殊點據(jù)資料。另外傳統(tǒng)上采取“試錯法”的建模，即：收集資料；構(gòu)建描述流域水文主要特性的概念模型；將概念模型轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)模型；用部分歷史資料來率定，通過調(diào)整模型參數(shù)來適配；用余下的歷史資料來檢驗?zāi)Ｐ?。如果檢驗不合格，則需調(diào)整模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)，重復(fù)上述步驟，經(jīng)過反復(fù)，使模擬值充分接近觀測值。模型建成后，只要輸入各項基本數(shù)據(jù)，就可以依據(jù)所得到的模型，模擬和預(yù)測出該流域的水文過程，或用模型的理念來描述有關(guān)的水文規(guī)律性。

從水文學(xué)科發(fā)展的歷程，有很多具有預(yù)測實用功能的建模成功先例，例如：水位流量關(guān)系曲線、降雨徑流關(guān)系曲線、河道匯流單位線、水文極值頻率曲線等等。也不難舉出兼?zhèn)淇茖W(xué)研究和預(yù)測實用兩種功能的模型，如：模擬小流域洪峰流量的推理公式、地下水運動的達西公式和雨洪徑流形成的新安江模型等，都在水文實踐中發(fā)揮著重要的作用。

2 水文學(xué)發(fā)展面臨的困境

幾十年來，雖然傳統(tǒng)水文學(xué)為水文以及水利工作提供了強大的理論支撐，為水文事業(yè)發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。但必須指出的是傳統(tǒng)水文研究途徑獲得成功的背后，隱含有兩個假設(shè)，一是水循環(huán)背景條件是穩(wěn)定的，即要求用來建模時段的環(huán)境背景條件和檢驗時段以及預(yù)測時段的背景條件具有一致性。二是不確定性干擾作用應(yīng)當(dāng)是相對較小的，可以忽略不計。但是，上世紀(jì)九十年代以來特別是進入新世紀(jì)以來，我們也不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的水文工作模式面臨越來越多的困難和挑戰(zhàn)，因為現(xiàn)實已經(jīng)與傳統(tǒng)水文途徑的兩個假設(shè)嚴(yán)重偏離。主要表現(xiàn)在以下幾點：大量的公路、橋梁、水利工程等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)改變了天然的流域狀況，已經(jīng)很難找到一個傳統(tǒng)水文學(xué)意義上的完整水文閉合流域；人類活動極大改變了流域下墊面條件和水循環(huán)參數(shù)，使得流域水循環(huán)的產(chǎn)流、匯流、蒸散發(fā)特征發(fā)生重大變化；過度無序的水資源開發(fā)利用（包括地下水）和流域進出水量的龐雜失控，給水量還原平衡計算帶來了巨大障礙；市場經(jīng)濟條件下流域狀況變化的快速和隨機性，使獲取環(huán)境背景條件一致下長序列的水文資料失去了可能；經(jīng)濟社會快速發(fā)展過程中不確定干擾因素的增加，使各種組合（整合）情勢的決定作用在不斷上升。

因此，由于以上五種情況的出現(xiàn)，已經(jīng)嚴(yán)重偏離了傳統(tǒng)水文途徑構(gòu)建模型的兩個假設(shè)，使得應(yīng)用傳統(tǒng)方法研究水文的途徑失去了重要理論基礎(chǔ)；另外，隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，水利建設(shè)和管理部門面臨一系列亟待解決的新課題：如氣候變化對我國水安全影響，包括預(yù)測水安全情勢的變化、近期的趨勢及擬定適應(yīng)性策略和對策；流域及河道內(nèi)的人類活動對防洪安全和水資源開發(fā)的影響；小河流的流域開發(fā)和治理；中小水庫除險加固；山洪與地質(zhì)災(zāi)害的防治；城市防洪問題等等。這一系列課題的共同特點是沒有通用模型，缺少適用的觀測資料，且受眾多不確定性因素干擾，從根本上動搖了傳統(tǒng)水文學(xué)途徑（“概念-模擬-檢驗-理念”）的基礎(chǔ)，使水文學(xué)科陷入了困境。

3 水文學(xué)發(fā)展機遇與變革

水文學(xué)科要突破障礙走出困境，水量和能量、動量平衡等核心理念仍然適用，但是必須考慮兩項假設(shè)條件的變化：一是必須考慮水循環(huán)背景環(huán)境的變化；二是必須考慮人為的和不確定性的日益增強因素的影響。全球氣候變化的趨勢是不可逆轉(zhuǎn)的，流域下墊面和河道內(nèi)的人類活動的干擾，流域產(chǎn)匯流條件的變化，都是無法回避的。這些因素的客觀存在使我們已經(jīng)很難再獲得具有一致性的觀測資料系列。對于山丘區(qū)突發(fā)性洪水，地質(zhì)災(zāi)害和城市防洪，則根本缺乏直接觀測資料。水文學(xué)科的發(fā)展必需另辟蹊徑，迫切需要找到走出困境之路。

3.1 面臨的機遇

如上所述，水利規(guī)劃、設(shè)計和管理面臨一系列亟待解決的新問題，如：全球的氣候的變化，流域下墊面和河道內(nèi)的產(chǎn)匯流條件的深刻變化，突發(fā)性山洪和城市洪澇的防治等，這些問題的解決，都是與水文研究有著密切聯(lián)系的。這些問題已經(jīng)引起了國家決策部門的高度重視，正在以前所未有的力度向水文行業(yè)投入資源，為水文學(xué)科的發(fā)展創(chuàng)造了機遇，這種強大的社會需求也必將促進水文學(xué)科的快速發(fā)展。

現(xiàn)代科技的進步，尤其是計算機技術(shù)的飛速發(fā)展是水文學(xué)科發(fā)展的又一重要機遇。當(dāng)今社會已進入“云計算時代”，這種信息技術(shù)就是通過互聯(lián)網(wǎng)的資訊搜尋、檢索、傳遞功能，把分散的PC機聯(lián)系成一體，可以完成PC機單兵作戰(zhàn)所無法完成的任務(wù)。甚至可以通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)動廣大用戶直接參與。云計算的突出特點是，信息資源和處理信息的能力都可以從互聯(lián)網(wǎng)上獲得共享，用戶的范圍和參與的深度可以無限擴大，只要用戶提出需求，就可以得到滿足。國外已開始構(gòu)建水文云計算的途徑，拓展研究的廣度和深度，有理由相信云計算將深刻改變水文學(xué)科的未來。

3.2 水文學(xué)核心理念的變革

水文過程復(fù)雜性的根源，在于循環(huán)路徑“組合（整合）”的多樣性及其變動性。由于背景環(huán)境的變化和不確定性干擾，傳統(tǒng)的水文學(xué)途徑的基礎(chǔ)受到了動搖，水文學(xué)的核心理念面臨巨大挑戰(zhàn)和變革。強化對組合（整合）的研究，把“組合（整合）”作為水文學(xué)的核心理念是水文學(xué)科擺脫困境的必然之路。為此，我們需要從以下三個方面來實現(xiàn)對“組合（整合）”情勢進行模擬和預(yù)測的目標(biāo):組合（整合）信息的獲取和處理加工。水文學(xué)科的發(fā)展長期受到觀測能力的約束，如降水量、陸面蒸散發(fā)量、地面徑流量、河網(wǎng)中的流量、土壤含水量等信息，一般很難取得時空域中指定點的第一手信息，特別是它們時空分布變化過程的信息。對于水質(zhì)過程和地下水過程更為突出，無論是物理的、化學(xué)的和生物的信息，都是很難觀測得到的?，F(xiàn)代科技的進步，地理信息系統(tǒng)、遙感遙測系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)的不斷完善，云計算系統(tǒng)的快速發(fā)展，使適時獲取和高效處理加工信息成為可能。同時，政府必須充分保證水文部門及時掌握社會各部門、各行業(yè)、各水利工程管理單位的供用水狀況，獲取各種水量實時數(shù)據(jù)，參與各種水循環(huán)“組合（整合）”水文過程的計算和分析。也就是說要保證水文部門具有獲取各種水信息的能力。從這個角度來說，水文學(xué)就是研究開發(fā)和利用來自不同系統(tǒng)的、不同尺度的、不同精度的海量水信息的科學(xué)，其實質(zhì)是水文信息學(xué)。

水信息跨尺度的變換。無論是水信息整合還是模型構(gòu)建的全過程，都是與時空尺度密切相關(guān)的。為研究背景環(huán)境變化條件下的水文過程，就必須強化對不同尺度模型來模擬和預(yù)測“組合（整合）”變化情勢的考察和研究，同時探索水文過程的微觀尺度“組合（整合）”的模型與宏觀尺度的流域模型之間的聯(lián)系，掌握水信息跨尺度變換方法和規(guī)律。

不確定性和風(fēng)險的模擬分析。從事水文模擬研究的學(xué)者會發(fā)現(xiàn)模擬的逼真程度是有限制的，這些限制意味著所有的環(huán)境模擬模型其預(yù)測能力都存在固有的不確定性，也就是說存在預(yù)測失誤的風(fēng)險。在運用組合（整合）理念對水文過程進行研究時，由于存在有多種不同的組合（整合）方式，同樣會帶來可觀的不確定性。組合方式略有不同，就會影響水文過程時空變化的特性。在各種可能的情況下，這些不確定性應(yīng)當(dāng)是可以計算的，而且根據(jù)預(yù)測所作的決策應(yīng)當(dāng)考慮其不確定性而導(dǎo)致失誤的風(fēng)險。

3.3 防洪減災(zāi)與風(fēng)險文化構(gòu)建

防洪減災(zāi)過程是一個海量因子，時空復(fù)雜組合（整合）的過程。由于每次洪水過程的產(chǎn)流、匯流、分水、河床演變等環(huán)境條件都在變化，如雨量時空分布、水位～流量關(guān)系、控制河段河床變化、堤防潰口狀況等，都存在有可觀的不確定性，還會受到?jīng)Q策人的價值取向、偏好、認(rèn)知水平和掌握的信息數(shù)量等限制，一般是很難精確預(yù)測和無法控制的。

國內(nèi)外傳統(tǒng)的防洪思維模式，都是屬于確定性范疇，將洪水事件劃分為超過或低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的兩個部分，防洪體系只需應(yīng)對低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的洪水事件，設(shè)計洪水過程相當(dāng)于臨界的洪水事件，是規(guī)劃、設(shè)計、管理、運作各種防洪措施的重要依據(jù)。但是，國內(nèi)外發(fā)生的一些大洪水事件，充分暴露出這種傳統(tǒng)思維模式的局限性。

工程師和科研人員有時會碰到在不確定的條件下、缺少認(rèn)知條件下，甚至是無知條件下作出決策的情形，這就必須依賴對不確定性和風(fēng)險的分析和處理。目前可行的發(fā)展途徑在于充分利用一切可以利用的信息，運用最有效的手段，模擬演算雨洪過程可能的發(fā)展和演變，考慮各種可能的防洪減災(zāi)措施，并給出發(fā)生各種后果的風(fēng)險。引入風(fēng)險理念對于傳統(tǒng)防洪思維模式是具有顛覆性的，意味著在方向、戰(zhàn)略和方法的各個層面上，都要作出重大的變革。引入風(fēng)險模擬分析理念，轉(zhuǎn)變確定性思維模式，構(gòu)建“風(fēng)險文化”，對于走出困境也是必不可少的。

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1673-8853（2017）07-0032-02

2017-06-05

編輯：劉長垠韋詩佳

胡鳳啟（1973-），高級工程師，主要從事水文、水資源調(diào)查評價、分析計算及水文與水資源工程研究。