工程水文學在中國的發(fā)展

芮孝芳

（河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098）

水文學是研究地球系統(tǒng)中水文循環(huán)和陸地水體中水文現(xiàn)象的學科。地球可視為圈層結(jié)構(gòu)，大氣圈、生物圈、水圈和巖石圈構(gòu)成了地球系統(tǒng)。水圈是地球水體的總稱，它滲透于地球其他圈層之中，是地球各圈層聯(lián)系的重要紐帶。水體是指地球系統(tǒng)中的儲水空間。陸地水體主要有河流、湖泊、水庫、濕地、包氣帶、含水層、冰川等。水文循環(huán)發(fā)生在地球的不同區(qū)域，有不同的空間尺度，水文現(xiàn)象則林林總總，它們都與人類的生存與發(fā)展息息相關(guān)。水文學將揭示水文循環(huán)演化規(guī)律和水文現(xiàn)象的發(fā)生機理及時空變化，以及與生態(tài)環(huán)境的相互作用作為研究任務；將為防治水旱災害、開發(fā)利用水資源、保護生態(tài)環(huán)境提供必須的水文依據(jù)作為服務對象。地球上不同區(qū)域的水文循環(huán)和不同水體的水文現(xiàn)象既有共性，又有區(qū)域特點。水文學因此而具有地學特征，屬于地球物理學的一個分支。水工程的興建和運行管理都必須遵循水文規(guī)律，并且又會對水文規(guī)律產(chǎn)生反饋作用。水文學因此而成為經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的支撐學科，屬于水利科學的組成部分。本文試圖論述水文學在中國的發(fā)展和中國水文學者對水文學的主要貢獻，闡述中國水文學者對水文學未來愿景的展望。

1 古代水文

中國是世界四大文明古國之一，它所擁有的960萬km2萬水千山是一方水文學生長的沃土。考古發(fā)掘證明，距今5000多年前浙江余姚河姆渡已有了地下水井，說明先祖?zhèn)儗Φ叵滤F(xiàn)象已有一定認識［1］。廣泛流傳于民間的大禹治水故事表明，距今4000多年前先民們就認識到“水性就下”和“水來土擋”的道理。大禹利用這些道理疏導排洪，使治水獲得了成功。出土的商代甲骨文顯示，距今3000多年前已經(jīng)有了描寫雨、泉、洪水等的象形文字。成書于2500多年前的《黃帝內(nèi)經(jīng)·素問》對“成云致雨”就有了詳細的描述：“地氣上為云，天氣下為雨。雨出地氣，云出天氣?！背蓵?400多年前的《莊子·徐無鬼》更有了對蒸發(fā)影響因子和水量平衡的仔細觀察：“風之過河也有損焉，日之過河也有損焉。請只風與日相與守河，而河以為未始其櫻也，恃源而往者也?！币饧凑舭l(fā)是河水的一種損失，與風和日照有關(guān)，人們之所以覺察不出河水因蒸發(fā)而損失，是因為河流的上游不斷有來水補充。成書于670多年前的《宋史·河渠志》曾指出植物生長期與自然界來水情況有一定關(guān)系，故用“桃花水”、“菜花水”、“麥黃水”等來形象地表達一年中不同時期的汛情，并認識到“自立春之后，東風解凍，河邊人候水，初至凡一寸，則夏秋當至一尺，頗為信驗。”故而“信水”就成為“春汛”的古名了。

用五官感知自然現(xiàn)象是人類的本能，欲進一步認識自然現(xiàn)象還須對其進行超越感知的定量觀測。據(jù)《尚書·禹貢》記載，早在大禹治水時期就有了用“隨山刊木”來觀測水位的方法?！端?jīng)注》記載的黃河支流伊河龍門崖壁上水位“舉高四丈五尺”的刻記距今已有2300多年［2］。更為可觀的是通過調(diào)查考證發(fā)現(xiàn)長江重慶至宜昌河段至今仍保存著1153年至1870年期間發(fā)生的6次特大洪水的114處最高水位的刻記［3］。重慶白鶴梁至今仍保存著自唐大歷三年（768）以來發(fā)生的72個枯水年的163條石魚圖形刻記［1］。張戎是距今2000多年的西漢人士，據(jù)《漢書·溝洫志》記載［2］，當時他就已認識到黃河下游易決溢的主要原因是泥沙淤積，并開創(chuàng)了“束水攻沙”的治黃思想的先河。他所提出的“河水重濁，號為一石水而六斗泥”，不僅表明黃河泥沙含量甚高，而且給出了含沙率的定義和測定方法。明嘉靖十四年（1535），劉天和研制了一種稱為“乘沙量水器”的泥沙采樣器［2］。宋開慶元年（1259）在浙江寧波甬江的平橋旁設立了水尺，并已懂得視河中水位變化來控制水閘閘門，以滿足灌溉要求的道理。李好文于1344年至1346年間著述的《長安圖志》［2］一書提出可用“繳”作為流量的計量單位?！傲繌厝肭^，深廣方一尺謂之一繳?！本褪钦f，在渠口斷面處立一水尺，將水深與斷面平均寬度相乘即得入渠水量的“繳”數(shù)。從現(xiàn)代觀點看，因流速變化與水深有關(guān)，故過水斷面面積的變化能反映流量的變化。秦代在《田律》中規(guī)定［1］：在農(nóng)作物生長季必須隨時向朝廷報告降水量、水旱災害、受災田畝等情況。表明中國早在秦代就開始了降水的定量觀測。宋代秦九韶所著《數(shù)學九章》就有全國“州群都有天地盆以測雨水”的記載，而且給出了將竹籠量雪器中積雪換算成平地降雪深和將天地盆中雨水深換算成平地降雨深的計算方法［2］。明永樂二十二年（1424）就能用統(tǒng)一制作的標準測雨器測量雨量了［1］。

在定性觀察、進而定量觀測水文現(xiàn)象的過程中，人們自然會產(chǎn)生一些好奇心。距今2400多年前的屈原在《天問》［2］一文中就發(fā)問道“東流不溢，孰知其故？”對自古以來百川歸海而海水并不溢出提出疑問，尋求答案。由此開啟了中國古代長達千年的關(guān)于水文學基本科學問題之一水文循環(huán)的討論。成書于2300年前的《呂氏春秋·圜道》［2］是這樣回答這個問題的：“云氣西行云云然，冬夏不輟，水泉東流，日夜不休，上不竭，下不滿，小為大，重為輕。圜道也?！本褪钦f，水汽從海洋不斷隨風吹向西方，在大陸上空周轉(zhuǎn)回旋、凝結(jié)，降落為雨；地上、地下的水流向東方，日夜運動，川流不息，海洋也注不滿；涓滴匯合成河海，河海之水蒸發(fā)為浮云。這就提出應該用水文循環(huán)概念來回答屈原的疑問。嗣后，南朝宋元嘉十九年（442），何承天在其所著《宋書·天文志》［2］一書的“論渾天象體”篇中指出：“百川發(fā)源，皆自山出，由高趨下，歸注于海。日為陽精，光耀炎熾，一夜入水，所經(jīng)燋竭。百川歸注，足以相補。故旱不為減，浸不為溢?！闭J為太陽是水文循環(huán)的巨大能源，使海水蒸發(fā)，而眾多河流的注入又足以補償其損耗，以致海水不增不減。唐元和元年（806），柳宗元在《天對》［2］一文中對屈原疑問的回答就十分接近現(xiàn)代關(guān)于水文循環(huán)的論述了，他說：“東窮歸墟，又環(huán)西盈。脈穴土區(qū)，而濁濁清清。墳壚燥疏，滲渴而升。充融有余，泄漏復行。器運浟浟，又何溢為？”意思是：水向東流歸大海，海水蒸發(fā)為云，又回到大陸上空降落為雨。填充在土壤孔隙里的水有濁有清。高處的土壤干燥，水滲入后土壤中水份增加。土壤水份達到飽和后就會產(chǎn)生徑流，水流從不同的途徑運行，最終注入大海。如此循環(huán)不已，海洋怎會漫溢呢？

上述通過考古發(fā)掘、典籍記載、民間傳說等資料梳理出的中國古代對水文現(xiàn)象的觀察、觀測和推理，雖不夠全面，但與文獻［4］所報道的世界其他國家和地區(qū)的古代水文比較，已是領(lǐng)先了，尤其是關(guān)于降水形成、蒸發(fā)影響因子、水文循環(huán)等的論述已經(jīng)與現(xiàn)代的認識頗為接近。

2 定量水文學時期

發(fā)生于14世紀至16世紀的歐洲文藝復興運動的重要意義在于使人類從相信神轉(zhuǎn)變到相信科學，迎來了此后的現(xiàn)代科學技術(shù)大發(fā)展。伽利略的比薩斜塔自由落體實驗開啟了科學研究的實驗范式。希臘哲學家創(chuàng)立的形式邏輯學導致了科學研究的理論范式。從17世紀到19世紀，這兩種科學范式的結(jié)合揭示了一系列科學奧秘，產(chǎn)生了許多科學理論。牛頓力學體系的建立就是實驗范式和理論范式完美結(jié)合的典型事件。西方定量水文學就是在這樣的背景下興起的。文獻［4］認為西方定量水文學始于17世紀后半葉，主要標志有三：一是法國人P.Perranlt于1674年根據(jù)觀測資料證實了塞納河流域多年平均降水量的1/6就能維持塞納河終年常流；二是法國人E.Meriott于1686年用科學方法討論了水流運動和流量問題；三是英國人E.Halley于1687、1691、1694和1715年相繼4次發(fā)表有關(guān)蒸發(fā)實驗和泉水起源的論文，證明海洋蒸發(fā)產(chǎn)生的水汽以降水形式回到地面，指出凡存在河流的區(qū)域一定是降水量能維持河流水量的地方。聯(lián)合國教科文組織將1674年定為定量水文學誕生之年就是基于此。在實驗范式和理論范式完美結(jié)合的推動下，定量水文學在西方取得了很大的成就。1856年在實驗基礎上得出了描寫滲流運動的Darcy定律［5］，1871年根據(jù)質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律從理論上導出了描寫明渠緩變不穩(wěn)定水流運動的St.Venant方程組［5］。前者為究研下滲、產(chǎn)流、地下水運動奠定了基礎，后者則成為研究坡面匯流和河湖洪水波運動的基礎。1914年W.E.Fuller［6］和A.Hazn［7］先后將概率引入水文學，創(chuàng)立了水文頻率計算。1921年C.N.Ross［8］提出面積-時間曲線，并用于坡面匯流計算。1930年美國波士頓土木工程協(xié)會建立了瞬時單位線概念［9］。1932年L.K Shermam［10］創(chuàng)立了單位線理論。1935年R.E.Horton［11］建立了均質(zhì)包氣帶的降雨下滲模式和產(chǎn)流理論。1938年G.T.McCarthy［12］發(fā)明了Muskingum洪水演算法。到1940年代，為水工程興建提供水文依據(jù)的定量水文學即工程水文學已經(jīng)基本上滿足了當時經(jīng)濟社會發(fā)展的需要。

但在這一時期，中國水文學的發(fā)展基本上仍然走著古代水文發(fā)展之老路，基本上仍停留在觀察、觀測和定性推理上，直到20世紀初才開始引進一些西方水文學的研究成果。1637年至1685年平民出身的陳潢將計算土方的方法引入流量計算，稱水體“縱橫一丈高一丈為一方”水，以一晝夜河流中流過多少方水“計此河能行水幾方”［2］。據(jù)《東華錄》記載［2］，到了清康熙三十一年（1692），康熙皇帝提出了更為明確的流量計算方法：“先量閘口闊狹，計一秒所流幾何，積至一晝夜，則所流多寡可以數(shù)計矣。”這里“閘口闊狹”是指過水斷面之大小，“一秒所流幾何”是指流速，兩者相乘即得流量。雍正三年（1725）出現(xiàn)了用浮標測流速的方法［1］。18世紀后，全國各州縣陸續(xù)開始記錄降雨、降雪的起止時間，測量降水深，稱之為“雨雪分寸”。宮博物院至今仍保存有清乾隆元年（1736）至宣統(tǒng)元年（1909）一些地方的雨雪分寸記錄［1］。乾隆元年（1736）誕生了中國第一張等雨量線圖［1］。乾隆十一年（1746），在黃河老壩口、洪澤湖古溝壩等處設立了水位站，時稱“立水志”［1］；自清同治四年（1865）起則先后在長江、松花江、珠江等設立多處水位站。20世紀初，隨著一批赴歐美留學的知識分子學成回國，引進西方定量水文學成就成為一種潮流。1925年徐世大進行了永定河水文泥沙計算［1］。1928至1929年，顧世楫主持制定了中國最早的《水文測驗規(guī)范》，又于1931年撰寫“水面蒸發(fā)量之測驗”一文，倡導全國統(tǒng)一使用直經(jīng)為80 cm、高為40 cm帶套盆的蒸發(fā)器［1］。1933年須愷利用淮河蚌埠等站的實測洪水資料進行了頻率分析［1］。1934年在進行黃河流域水文網(wǎng)站規(guī)劃時提出的水文站布設原則至今仍有參考價值［1］。

不難看出，在定量水文學時期，由于中國水文學未能及時融入以實驗與理論范式相結(jié)合為特征的科學研究方法，幾乎沒有產(chǎn)生對世界有較大貢獻或有較大世界影響力的水文學成果。

3 現(xiàn)在水文學發(fā)展

如果對水文循環(huán)演化和水文現(xiàn)象形成及變化的關(guān)注是出于人類的好奇心，那么水文學的發(fā)展是與經(jīng)濟社會發(fā)展密不可分的。1949年新中國成立標志著中國經(jīng)濟社會發(fā)展歷史揭開了新的一頁。1945年世界上第一臺電子計算機在美國賓夕法尼亞大學誕生則標志著世界科學技術(shù)發(fā)展進入了以計算機科學為代表的信息化時代。受經(jīng)濟社會發(fā)展，尤其是大規(guī)模水利建設和現(xiàn)代生態(tài)文明建設的驅(qū)動，在日新月異的科學技術(shù)成就支撐下，70年來水文學在中國得到快速和深入的發(fā)展。逐步建立了布局比較合理的水文站網(wǎng)，制定了國家標準《水文測驗規(guī)范》［13］，統(tǒng)一了全國水文測驗技術(shù)標準，出版了《水文年鑒》，發(fā)展了自動化采集、傳遞、整編水文信息的技術(shù)，借助數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)了水文信息共享。截止2010年，全國已建成各類水文測站42 682處，其中國家基本水文站3193處、水位站1467處、雨量站17 245處、地下水監(jiān)測站12 991處、水質(zhì)站6535處［14］?；诖罅克挠^測資料，結(jié)合有關(guān)水文實驗探索了流域降雨徑流形成機理，發(fā)展了產(chǎn)匯流理論，發(fā)現(xiàn)在濕潤地區(qū)降雨產(chǎn)流以蓄滿產(chǎn)流為主，而在干旱地區(qū)以超滲產(chǎn)流為主的事實，對流域降雨徑流關(guān)系、等流時線、單位線、相應水位、流量演算等理論和方法作了一定的改進或創(chuàng)新，研制了流域水文模型［5，15-16］。又在大量實踐基礎上應用現(xiàn)代技術(shù)研發(fā)了許多結(jié)合中國江河洪水特點的洪水預報方法［17］，提高了預報精度，增長了有效預見期，在墑情預報、冰情預報、泥沙預報、水質(zhì)預報、風暴潮預報、水資源量預報等方面也有一定建樹［18-21］。制定了國家標準《水文情報預報規(guī)范》［22］。截止2010年，全國共有10 294處水文站拍報水情，1110處水文站發(fā)布水文預報［23］。對中國暴雨、洪水、干旱等發(fā)生情況、特點或規(guī)律進行了系統(tǒng)研究，《中國歷史大洪水》［3］《中國暴雨》［24］《中國水旱災害》［25］《中國歷史干旱》［26］《中國歷史大洪水調(diào)查資料匯編》［27］《中國水文圖集》［28］等專著的出版集中反映了中國水文學者在中國暴雨、洪水、干旱和水文區(qū)域規(guī)律方面的研究成果。提出了一系列能較好解決中國水工程建設中所涉及的設計洪水和其他水文計算問題的理論和方法，主要有實測與調(diào)查洪水資料相結(jié)合的洪水頻率計算［29］、小流域設計洪水的推理公式［30］、可能最大洪水推算［31-32］、古洪水探測［33］等，發(fā)現(xiàn)了“入庫洪水變形”問題［34］，制定了國家標準《水利水電工程設計洪水計算規(guī)范》［34］。中國于1979年至1985年間進行了全國水資源評價［35］，探明了中國水資源的總量及時空分布特點。21世紀初又進行了第二次全國水資源評價，進一步明確了中國水資源并不富裕，重視水資源的合理開發(fā)利用和保護十分必要。

20世紀后半葉也是世界上水文學欣欣向榮時期，研究領(lǐng)域不斷延拓和深入，科學研究范式與時俱進，技術(shù)手段日新月異。1951年M.A.Kohler和R.K.Linsley［36］研制發(fā)表了五變數(shù)降雨徑流相關(guān)圖。1957年加里寧和米留柯夫創(chuàng)立了特征河長理論［5］，同年J.E.Nash［37］推導出了根據(jù)“線性水庫”串聯(lián)假設的瞬時單位線的數(shù)學表達式。1974年T.Dunne［38］通過實驗揭示了壤中水徑流和飽和地面徑流的形成機理，對Horton產(chǎn)流理論作了重要補充。1979年，I.Rodriguze-Iturb等人［39］利用統(tǒng)計力學思想，創(chuàng)立了地貌瞬時單位線性理論。這期間，V.Yevjevich等人［40-41］的一系列研究工作將統(tǒng)計水文學推進到隨機水文學階段；在美國還先后進行了可能最大降水、可能最大洪水和古洪水的研究。1960年代以后，隨著計算機仿真模擬技術(shù)導致的流域水文模型的興起，雷達、GIS、衛(wèi)星遙感、互聯(lián)網(wǎng)、無人機、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)也相繼引入水文學，大大促進了水文學的發(fā)展。大約從1970年代開始，一些國家和地區(qū)相繼出現(xiàn)了水資源緊缺和水環(huán)境污染，甚至出現(xiàn)了水危機，水文學向水資源開發(fā)利用和水環(huán)境保護修復領(lǐng)域拓展己刻不容緩，水資源水文學、環(huán)境水文學、生態(tài)水文學［42］等因此而應運而生。為探討旱澇規(guī)律，水文學家對大氣、海洋和陸地的相互作用產(chǎn)生了研究興趣。

這一時期，尤其是1978年以后，中國水文學的發(fā)展基本上與世界同步，而且在引進、吸收的基礎上進行了許多創(chuàng)新，在流域水文模型、設計洪水等領(lǐng)域［43］，對水文學的發(fā)展做出了一定的貢獻。

4 新安江模型

在1960年代之前，水文學家處理流域降雨徑流形成問題都是分成產(chǎn)流和匯流兩個階段進行的。在匯流階段有時再分成坡面匯流、河網(wǎng)匯流等階段。至1960年代中期，中國水文學家［44］提出了考慮流域蓄水容量空間分布不均對產(chǎn)流影響的流域蓄水曲線；在實驗基礎上構(gòu)建了流域蒸散發(fā)計算的三層模式；吸取Horton產(chǎn)流理論，提出了用穩(wěn)定下滲率劃分地面徑流和地下水徑流的方法；吸取Dunne產(chǎn)流理論，提出了用帶有側(cè)、底孔的線性水庫概念來劃分地面徑流、壤中水徑流和地下水徑流；根據(jù)特征河長理論探討了Muskingum法的物理意義，創(chuàng)造了Muskingum法連續(xù)演算，導出了連續(xù)演算公式；發(fā)展了Sherman單位線法，提出了一些能處理降雨空間分布不均對流域匯流影響的經(jīng)驗方法；在劃分單元流域的基礎上將流域匯流和洪水演算結(jié)合起來，發(fā)展了所謂“成因匯流理論”［15］。流域水文模型作為計算機科學與經(jīng)典水文學相結(jié)合的產(chǎn)物，不僅將傳統(tǒng)的產(chǎn)流和匯流計算程序化，達到快速計算的目的，而且為解決降雨徑流形成中一些復雜問題提供了重要工具。1970年代初，因新安江水電站開展洪水預報調(diào)度之急需，以趙人俊為首的水文學者和工程師，將上述成果整合成體現(xiàn)“流域分單元、蒸散發(fā)分土層、產(chǎn)流分水源、匯流分階段”的產(chǎn)流和匯流計算方法，并通過程序設計在計算機上得到實現(xiàn)，獲得了令人滿意的防洪發(fā)電調(diào)度效果。當時，流域水文模型在國外的應用已比較普遍，為了與國際接軌。趙人俊毅然將這一學術(shù)成果命名為“新安江模型”。1980年在英國牛津召開的國際水文預報學術(shù)討論會上，新安江模型走向了世界［45］。1989年被國家遴選為建國40年100項重大科技成果之一［46］。

與國外大多數(shù)流域水文模型比較［47］，新安江流域水文模型具有如下特點或優(yōu)勢［15］：

（1）模型的產(chǎn)流結(jié)構(gòu)明確適用于蓄滿產(chǎn)流模式?！靶顫M產(chǎn)流”是新安江模型區(qū)別于其他模型的基本標志。均質(zhì)包氣帶和具有一個相對不透水層的不均質(zhì)包氣帶分別為二水源新安江模型和三水源新安江模型適用的包氣帶結(jié)構(gòu)。

（2）采用三層蒸散發(fā)計算模式。新安江模型采用的蒸散發(fā)計算模式來自對土壤蒸散發(fā)實驗的認知和升華。早先采用“二層”蒸散發(fā)計算模式，后來普遍采用“三層”蒸散發(fā)計算模式。但無論哪種蒸散發(fā)計算模式，蒸散發(fā)能力都是重要的模型輸入，而土壤蒸散發(fā)能力是難以直接觀測的。新安江模型采用的以實測水面蒸發(fā)為基礎再經(jīng)流域水量平衡驗證的方法，可以避免用經(jīng)驗公式計算蒸散發(fā)能力的缺陷。這種處理蒸散發(fā)能力的思路和方法是國外模型所沒有的。

（3）用流域蓄水容量曲線考慮包氣帶缺水量空間分布不均勻?qū)π顫M產(chǎn)流的影響；用自由水容量曲線考慮包氣帶自由水蓄量空間分布不均勻?qū)︼柡偷孛鎻搅餍纬傻挠绊憽Ｓ捎谡J識到除了下墊面條件空間分布不均影響產(chǎn)流面積變化外，還有降雨空間分布的不均，故指出這種具有統(tǒng)計意義的曲線只適用于分析降雨空間分布均勻情況下產(chǎn)流面積變化問題。雖然Stanford模型中也設置有下滲容量面積分配曲線，以考慮下墊面條件不均勻?qū)Τ瑵B地面徑流形成的影響，但是，在流域水文模型中設置流域蓄水容量曲線和自由水容量曲線是新安江模型的特點。

（4）必須設置分水源的計算結(jié)構(gòu)。分水源或劃分徑流成份是為了使模型計算出的洪水過程能更好地符合實測過程。因為組成流域產(chǎn)流量的不同徑流成份具有不同的匯流速度，只有對不同的徑流成份采用不同的匯流速度才能使流域匯流計算更合理。二水源新安江模型按穩(wěn)定下滲率將蓄滿產(chǎn)流模式求得的流域產(chǎn)流量劃分為地表徑流和地下徑流。三水源新安江模型是按線性水庫的“溢出”、“側(cè)孔流”和“底孔流”將按蓄滿產(chǎn)流模式求得的流域產(chǎn)流量劃分為地面徑流、壤中水徑流和地下水徑流。新安江模型分水源采用的是“向下（Downward）”的分析思路，而國外模型幾乎無一例外地采用“向上（Upward）”的分析思路。

（5）模型的匯流結(jié)構(gòu)具有較好的包容性。將流域匯流分成子流域匯流和河網(wǎng)匯流兩個階段，子流域通過河網(wǎng)串并聯(lián)就體現(xiàn)了流域匯流。子流域匯流一般采用Shermen單位線法，但也可以采用其他方法。河網(wǎng)匯流一般采用分段連續(xù)演算的Muskingum法，但也可以采用其他方法。

（6）采用“客觀優(yōu)選法”確定模型參數(shù)。新安江模型包含的參數(shù)，按參數(shù)的意義可分為幾何參數(shù)、物理參數(shù)和經(jīng)驗參數(shù)；按確定參數(shù)的方法可分為直接量測、物理推算和率定；按對模擬結(jié)果的影響可分為敏感參數(shù)和不敏感參數(shù)?？陀^優(yōu)選法的含義是［48］：對那些不敏感參數(shù)和物理概念明確的參數(shù)，先根據(jù)以往的經(jīng)驗或通過有關(guān)分析計算給出其值或合理范圍，然后通過微調(diào)定出，再將需要率定的參數(shù)分成產(chǎn)流參數(shù)和匯流參數(shù)兩組，分別擬定其目標函數(shù)和約束條件，再通過最優(yōu)化方法確定。這樣可使每個目標函數(shù)包括的待定參數(shù)盡可能少一些，從而盡可能避免由于參數(shù)互補性帶來的“異參同效”問題。

新安江模型不但在國內(nèi)得到廣泛應用，成為國內(nèi)最具影響力的流域水文模型，而且為世界氣象組織所推薦，成為其水文業(yè)務綜合系統(tǒng)（HOMS）的一個分件。美國國家天氣局也在采用，愛爾蘭國立大學Galway學院還將其編入研究生用教材。

5 設計洪水

世界上任何一項工程都是為效益而興，都必須從安全著想。興建水工程也不例外。水工程的運行環(huán)境主要是水體，故洪水是威脅其安全的主要因素。對于防洪工程，其防洪效益也必然與洪水有關(guān)。洪水每年不同，每年為保障工程安全或獲取防洪效益所需的工程規(guī)模也不同。由此，可將工程規(guī)模作為工程安全或防洪效益的指標，對于無調(diào)蓄洪水功能和有調(diào)蓄洪水功能的水工程，這又分別取決于年最大流量和年最大調(diào)洪庫容。如果有調(diào)蓄洪水功能的水工程的控制運用方式已經(jīng)確定，那么年最大調(diào)洪庫容又只與造成該年最大調(diào)洪庫容的洪水過程或一定時段洪量有關(guān)。水文學家將一定控制運用方式下工程規(guī)模與洪水的關(guān)系稱為功能函數(shù)。洪水每年不同是自然現(xiàn)象，工程一旦建成其規(guī)模卻是確定不變的。這就產(chǎn)生了一個問題：該用怎樣的工程規(guī)模去應對每年不同的洪水呢？設計洪水就是因此而產(chǎn)生的水文學的一個重要研究領(lǐng)域。70年來，設計洪水在中國的發(fā)展曾經(jīng)歷了將實測大洪水或歷史大洪水或?qū)⑵溥m當加成作為設計洪水，到通過頻率計算確定設計洪水，到試圖尋找極限洪水或可能最大洪水作為設計洪水，又回到主要通過頻率計算并綜合其他方法確定設計洪水的發(fā)展歷程［31，49-50］。在這個發(fā)展歷程中，中國水文學家完善了設計洪水理論，發(fā)展了洪水頻率計算方法，主要貢獻可歸納如下：

（1）認為洪水的年際演變是不確定性水文現(xiàn)象，在科學發(fā)展的現(xiàn)階段，將其視作有統(tǒng)計規(guī)律可遵循的隨機事件是合適的。用概率論與數(shù)理統(tǒng)計理論和方法來揭示其統(tǒng)計規(guī)律，并用分布函數(shù)或頻率曲線描寫這種統(tǒng)計規(guī)律是順理成章的。中國水文學家指出，設計洪水是指“水利工程規(guī)劃、設計、施工中符合指定設計標準的洪水”［34］。這就是說，如果將能使水工程的安全或防洪效益達到與經(jīng)濟社會發(fā)展基本適應的工程標準作為設計標準，那么符合設計標準的洪峰或時段洪量或洪水過程就是設計洪水。由功能函數(shù)可以看出，推求設計洪水的目的并不是直接推求洪水頻率曲線，而是要尋求功能函數(shù)頻率曲線。理論上這是兩個不同的概念，但存在轉(zhuǎn)換關(guān)系。將洪水頻率曲線轉(zhuǎn)換成功能函數(shù)頻率曲線才是確定設計洪水，這屬于概率論中求隨機變量函數(shù)的分布函數(shù)問題［51-53］。

（2）證明了現(xiàn)行設計洪水計算方法能夠較好地實現(xiàn)將洪水頻率曲線轉(zhuǎn)換為功能函數(shù)頻率曲線［52-53］。不同類型的水工程，其工程規(guī)模與洪水的關(guān)系即功能函數(shù)并不相同。對于無調(diào)蓄洪水功能的水工程，因工程規(guī)模只與年最高水位有關(guān)，功能函數(shù)較為簡單，只要獲得年最大流量頻率曲線就可轉(zhuǎn)換成相應的年最高水位頻率曲線。但對于有調(diào)蓄洪水功能的水工程，因工程規(guī)模一般取決于洪水過程，只在特殊情況下才可能取決于一定歷時的洪量，功能函數(shù)就要復雜一些。這時，對特殊情況是將一定歷時的洪量的頻率曲線轉(zhuǎn)換成功能函數(shù)頻率曲線，而對一般情況是將描寫洪水過程統(tǒng)計規(guī)律的多維分布函數(shù)轉(zhuǎn)換成功能函數(shù)頻率曲線。事實上，對于無調(diào)蓄洪水功能的水工程，由于功能函數(shù)即為水位-流量關(guān)系，故轉(zhuǎn)換是容易的；對于有調(diào)蓄洪水功能的水工程，因功能函數(shù)復雜且不易獲得，轉(zhuǎn)換就困難一些了。典型洪水過程同倍比放大法和同頻率放大法正是可以分別將一定時段洪量頻率曲線和洪水多維分布函數(shù)轉(zhuǎn)換成功能函數(shù)頻率曲線的方法。

（3）改進了由小樣本推估稀遇事件頻率的方法。洪水作為一種隨機現(xiàn)象，其發(fā)生概率不是先驗的，而是后驗的，故只能運用數(shù)理統(tǒng)計理論和方法，通過樣本來推斷總體的分布函數(shù)。但是洪水總體是無限的，由有限的幾十年乃至百余年觀測資料構(gòu)成的洪水樣本對一個無限總體來說僅是一個小樣本。因此，中國水文學家認為洪水頻率計算面臨的科學問題主要就是如何以一個有限樣本來推斷無限總體的統(tǒng)計特性。為了盡可能增加樣本容量，中國水文學家提出將調(diào)查考證到的歷史大洪水［29，54］，甚至將考古發(fā)掘得到的比調(diào)查考證到的歷史洪水更久遠的古洪水加入洪水樣本［33］，導出了用矩法確定這種“不連續(xù)樣本”統(tǒng)計參數(shù)的公式［55］，將目估適線法轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化適線法以減少目估適線的主觀性，并證明了以期望值經(jīng)驗頻率公式為基礎的適線法，其有效性不僅好于矩法，而且好于其他類型的經(jīng)驗頻率公式［56］。

（4）發(fā)現(xiàn)洪水現(xiàn)象雖是隨機的，但描寫其統(tǒng)計規(guī)律的統(tǒng)計參數(shù)在空間分布上卻具有一定的確定性規(guī)律。例如由于主要受到氣候條件的支配，統(tǒng)計參數(shù)在空間上具有非區(qū)性的特點。因此，中國水文學家提出了可以通過分析統(tǒng)計參數(shù)的等值線規(guī)律檢查其合理性。在缺乏洪水資料的地區(qū)，還可利用這種等值線推求其洪水頻率曲線。這種所謂“統(tǒng)計參數(shù)地區(qū)協(xié)調(diào)”［57］，對增加洪水頻率計算成果的合理性和可靠性起到了重要作用，也為無資料地區(qū)推出設計洪水提供了一種方法。

（5）認為發(fā)展由暴雨資料，甚至氣象資料推求設計洪水的理論和方法十分必要［58］。這個問題的實質(zhì)也屬于頻率曲線的轉(zhuǎn)換。中國水文學家研究表明，對于下墊面條件基本不變的流域，暴雨與洪水的發(fā)生基本是同頻率的。通過設計暴雨推求設計洪水，不僅可以為那些有雨量資料而缺乏流量資料情況提供一個推求設計洪水的方法，而且也是受人類活動嚴重影響情況下推求設計洪水的主要方法。中國水文學家認為，水文學與氣象學的深度交叉有可能賦予可能最大暴雨相應的頻率，使其成為一種由氣象資料推求設計洪水的方法。在現(xiàn)階段，可能最大暴雨分析將有助于增加設計洪水成果的合理性，尤其對重大水工程，這也許是必須的［32］。

截止2011年底，中國（不含香港特別行政區(qū)，澳門特別行政區(qū)和臺灣地區(qū)）已建成水庫97 246座、裝機容量大于等于500 kW的水電站20 866座、過閘流量大于等于5 m3/s的水閘96 226座、裝機流量大于等于1 m3/s或者裝機功率大于等于50 kW的泵站88 365座、河湖堤防267 532 km、農(nóng)村供水工程5 887 460處。這些對我國經(jīng)濟社會發(fā)展起著保駕護航作用的水工程，經(jīng)過建成后長達十幾年到70年的運行表明，當面臨特大洪水時，它們的安全之所以能得到保障、防洪興利效益之所以得到發(fā)揮，上述中國水文學者發(fā)展并改進的設計洪水理論和方法功不可沒。

6 展望未來的水文學

現(xiàn)代科學發(fā)展之路就是科學研究范式與時俱進之路。水文學就是在這樣的背景中贏得自身發(fā)展的。17世紀中葉就有了基于實驗范式和理論范式的水文學研究，并逐步形成了基于確定性思維的水文學。這一時期的水文學由于主要利用實驗來認識和揭示水文現(xiàn)象形成機理、通過物理定律和數(shù)學推導來導出其動態(tài)規(guī)律、借助觀測數(shù)據(jù)來驗證結(jié)果的正確性，故稱為物理水文學，或確定性水文學。物理水文學在發(fā)展中遇到的困難主要是面對時空變異十分復雜的水文現(xiàn)象，不能以滿意的精度來揭示其動態(tài)規(guī)律，甚至無法揭示其動態(tài)規(guī)律。1920年代開始引入概率概念來尋求水文現(xiàn)象的統(tǒng)計規(guī)律，從而逐步形成了以概率論、數(shù)理統(tǒng)計、隨機過程、時間序列分析等為基礎的不確定思維的水文學，即統(tǒng)計水文學和隨機水文學。但這種不確定性思維在揭示水文現(xiàn)象統(tǒng)計規(guī)律時都有必須的前提：頻率計算要求樣本獨立、同分布；時間序列分析要求其具有各態(tài)歷經(jīng)性。由于至今仍無法直接精確驗證水文現(xiàn)象是否滿足這些前提，因此所得結(jié)果常常使人們在相信與疑惑之間猶豫。時至今日僅在確定水工程設計標準和風險分析中得到應用。仿真即模擬范式的出現(xiàn)與計算機的出現(xiàn)和計算機科學的發(fā)展分不開。仿真范式問世后，許多學科紛紛將本學科的成就與計算機科學相結(jié)合，解決了一些依靠實驗范式和理論范式不易解決、甚至不能解決的問題。旨在闡述流域水文模型的研制和應用的仿真水文學即模型水文學就是在這樣的背景下誕生的。由于模型畢竟是原型的概化或近似，因此它不可能將原型的一切特征都精細、精確地刻畫出來，尤其像流域降雨徑流形成和水文特征值年際演變這樣復雜的水文現(xiàn)象。在模型研制和應用中遇到的問題，許多都屬于反問題，反問題一般是不適定的，如何將反問題轉(zhuǎn)換成正問題求解，困難甚多。這樣就使得仿真水文學的發(fā)展道路并不平坦［59-60］。

任何一種科學研究范式都要用一定的思維和方法來解釋世界、揭示自然現(xiàn)象形成機理、尋找其時空變化特點或規(guī)律的。在觀測技術(shù)和方法落后的情況下，要想通過觀測數(shù)據(jù)對自然現(xiàn)象進行客觀、正確的認識是困難的，此時人們只能對那些不需要太多觀測數(shù)據(jù)就能予以認識的簡單現(xiàn)象，采用實驗與理論相結(jié)合的范式或者仿真范式來揭示其形成機理及時空變化特點或規(guī)律，少量的觀測數(shù)據(jù)主要用于對所得到的結(jié)果進行驗證。但自然界總會存在一些更復雜的現(xiàn)象，僅依靠實驗、理論和仿真范式是難以、甚至不可能揭示其形成機理和時空變化特點或規(guī)律的。對這類復雜自然現(xiàn)象，一旦觀測技術(shù)和方法先進到能夠采集到它們?nèi)妗⒕_、密集的觀測數(shù)據(jù)時，那么憑借這樣的觀測數(shù)據(jù)也能達到正確認識它們的目的。事實上，觀測數(shù)據(jù)原本就是現(xiàn)象形成機理和時空變化特點或規(guī)律留下的痕跡或印記，因此只要記錄積累了全面、完整、精確、密集的對現(xiàn)象的觀測數(shù)據(jù)，利用這樣的數(shù)據(jù)就能夠認識、揭示現(xiàn)象的形成機理和時空變化特點或規(guī)律。在水文學的未來發(fā)展中，當采用實驗、理論、仿真等范式遇到困難時，可以選擇的也許就是正在蓬勃興起的科學研究的數(shù)據(jù)密集范式。這就預示著數(shù)據(jù)水文學在不久的將來也許會誕生［61-62］。

世界是物質(zhì)的，也是數(shù)據(jù)的，密集的觀測數(shù)據(jù)就是自然現(xiàn)象形成機理和時空變化規(guī)律不失真的描述。但是，僅憑人類的感官和四肢來感知和獲得這樣的數(shù)據(jù)幾乎是不可能的。今天，與百年前、十幾年前相比，觀測技術(shù)方法已有了很大的進步，可以代替或延伸人類感官和四肢功能、高精度的科學儀器儀表層出不窮；搭載這些儀器儀表運載工具不僅已經(jīng)進入太空，而且正在進入地球的各個角落；觀測數(shù)據(jù)正在呈爆炸式增加。直接憑借密集數(shù)據(jù)精細、精確地描述水文現(xiàn)象，揭示水文現(xiàn)象的形成機理和時空變化規(guī)律，也許不再是遙遠的夢想。數(shù)據(jù)密集范式在當代出現(xiàn)，是科學的進步，也是方法的回歸。曾經(jīng)有一種觀點，認為一門學科如果強烈地依賴于觀測數(shù)據(jù)，那么將被認為是缺乏理論或理論水平不高，甚至被說成是經(jīng)驗性學科?，F(xiàn)在看來這是一種偏見。唯有實驗、理論、仿真和數(shù)據(jù)密集范式的互補和融合，才可能揭示更復雜的自然規(guī)律，才可能解決經(jīng)濟社會發(fā)展中提出的更復雜的科學問題。筆者樂觀地認為，水文學的發(fā)展已進入佳境，未來的水文學將是物理水文學、隨機水文學、仿真水文學和數(shù)據(jù)水文學相互補充、融合發(fā)展的水文學，水文學對經(jīng)濟社會發(fā)展的支撐作用將會越來越重要。