人水關(guān)系學(xué)的時空觀及研究方法

左其亭

(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學(xué)水科學(xué)研究中心，河南 鄭州 450001)

人水關(guān)系的作用過程、演變規(guī)律、調(diào)控措施等的研究涉及兩大要素：一是時間要素。人水關(guān)系研究的對象需具體到某一時刻或某一時間段，其變化又是隨著時間的變化而變化，其關(guān)注的時間尺度大小也不同，比如到年統(tǒng)計值還是到月或日統(tǒng)計值；二是空間要素。同樣的道理，人水關(guān)系研究的對象需具體到某一空間范圍，其變化也可能在空間上是變化的，其關(guān)注的空間尺度大小也不同，比如到全國統(tǒng)計值還是到省級行政區(qū)或地級行政區(qū)統(tǒng)計值。因此，研究人水關(guān)系需要明確時間、空間要素的特征。人水關(guān)系科學(xué)不可回避時間、空間屬性問題，但如何對待這一問題呢？筆者認(rèn)為，人水關(guān)系學(xué)在形成之初就應(yīng)該形成一套比較科學(xué)的觀點，來指導(dǎo)這一問題的解決。

關(guān)于時空觀的問題，不同學(xué)科有不同的理解和論述。比如，從哲學(xué)角度的理解，比較有代表性的是關(guān)于馬克思時空觀的論述[1]，還有亞里士多德的樸素時空觀、牛頓的絕對時空觀、愛因斯坦的相對時空觀[2]等。在自然科學(xué)中，與時空觀比較接近的內(nèi)容有時間尺度問題、空間尺度問題。關(guān)于尺度問題的研究已有大量成果，比如，在地學(xué)[3]、遙感[4]、地理信息[5]、水文氣象[6]、生態(tài)環(huán)境[7]、土地利用[8]、河流健康[9]、政策模擬[10]等方面，已經(jīng)持續(xù)半個多世紀(jì)的研究。但缺少更深一步、更宏觀一步對時間和空間尺度問題的哲學(xué)思維的總結(jié)，很少形成本學(xué)科統(tǒng)一的時空觀。當(dāng)然，造成這一局面的主要原因是，時空尺度問題一直是學(xué)術(shù)難點問題[11]。

為了系統(tǒng)研究人水關(guān)系科學(xué)問題、有效應(yīng)對人類活動帶來的人水關(guān)系變化、合理制定人水關(guān)系調(diào)控方案、積極培養(yǎng)人水關(guān)系學(xué)科專業(yè)人才，筆者于2021年首次提出人水關(guān)系學(xué)的概念與學(xué)科體系[12]，隨后論述了人水關(guān)系學(xué)的基本原理及理論方法[13-14]。本文在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)該學(xué)科的時空觀，介紹其主要研究方法。

1 人水關(guān)系研究的時空尺度問題

1.1 問題的提出：基于2個例子

例1：水庫建設(shè)對河流年徑流量的影響分析。某水文站觀測的年徑流量(單位：億m3/年)見圖1，在該水文站上游建設(shè)一大型水庫，1988年建成運行。假如只觀測到1984—2005年共12年徑流量數(shù)據(jù)(圖1中粗黑色線)，也就是說，僅從1984—2005年變化趨勢看，很容易得出“因為水庫修建，導(dǎo)致徑流量快速下降”的結(jié)論。當(dāng)然，這一結(jié)論是基于相同或相似降水條件下得出的。但如果把所有觀測值(1922—2005年)放在一個系列看，歷史上也出現(xiàn)更低的年徑流量數(shù)值，至少無法說明因水庫修建導(dǎo)致徑流量快速下降。而現(xiàn)實中，從2006年開始，又觀測到年徑流量值有顯著抬升的趨勢。因此，由于研究的時間范圍不同，就有可能得到不同的結(jié)論，當(dāng)然也可能是錯誤的結(jié)論。

圖1 某水文站年徑流量變化曲線

例2：跨流域調(diào)水工程的效益和影響分析。如圖2，示意一般跨流域調(diào)水的分區(qū)結(jié)構(gòu)，由調(diào)出區(qū)、輸水區(qū)、調(diào)入?yún)^(qū)組成。一般情況下，針對調(diào)入?yún)^(qū)，調(diào)水工程的正效益很顯然，是正面評價；針對調(diào)出區(qū)，肯定會因河流水量減少而帶來一定的影響，是負(fù)面評價。因此，如果站在調(diào)入?yún)^(qū)的角度，肯定都說調(diào)水工程好；但如果站在全系統(tǒng)的層面，是利大于弊還是弊大于利？顯然有2種不同的結(jié)果。比如，對南水北調(diào)工程的宣傳，多數(shù)都在羅列其帶來華北地區(qū)的重大效益，而很少提其帶來的負(fù)面影響，盡管可能這種負(fù)面影響較小。這就是，由于所關(guān)注的空間范圍不同，就有可能得到不同的結(jié)論，當(dāng)然也可能是錯誤的結(jié)論。

圖2 跨流域調(diào)水工程效益論證空間范圍示意

1.2 人水關(guān)系研究的時空尺度

尺度問題是水文學(xué)、地理學(xué)、遙感、資源等學(xué)科研究客觀存在且普遍認(rèn)知的難點問題，已有大量的論述和研究途徑[5，7]，但至今還是困擾學(xué)者的難題。本文所指的時間和空間尺度問題包括時間和空間研究的范圍、尺度大小兩大類問題。

針對人水關(guān)系研究，有明顯的不同時空研究視角，在學(xué)科分類中包括宏觀人水關(guān)系學(xué)、微觀人水關(guān)系學(xué)，這其中就包括不同的時間、空間尺度視角。宏觀人水關(guān)系學(xué)是針對宏觀空間范圍(如全國、省級行政區(qū))、時間范圍(年、多年范圍)，研究其總體問題，采用的是總量指標(biāo)(比如，水資源總量、人口總數(shù))。微觀人水關(guān)系學(xué)是針對微觀空間范圍(如某一個單位、行業(yè))、時間范圍(日、月范圍)，研究其單個問題，采用的是單一度量指標(biāo)(比如河川徑流量、流量、流速)[13]。

人水關(guān)系學(xué)的空間尺度可以是全球、洲、國家、國家下轄行政區(qū)、更小行政區(qū)、城市區(qū)、分單元等；時間尺度可以是地質(zhì)時代、年代、年、月、日、小時、分鐘、秒等。為了說明問題，分別從人水關(guān)系相互作用的兩方面，列舉了幾個具體研究事件供參考，見表1。

表1 人水關(guān)系研究的時空尺度舉例一覽

續(xù)表1 人水關(guān)系研究的時空尺度舉例一覽

人類活動對水系統(tǒng)的作用舉例。①洪水演進(jìn)與防洪調(diào)度：因洪水演進(jìn)變化快，時間尺度經(jīng)常采用小時、分鐘甚至秒，空間范圍包括洪水影響到的區(qū)域，比如河道、水庫、防護(hù)對象、低洼處等，空間尺度可以是1、100、1 000 m等不同尺度；②水庫、水庫群調(diào)度：針對水庫防洪、發(fā)電、供水等多種目的的單個水庫調(diào)度和多個水庫群聯(lián)合調(diào)度，時間尺度可以是分鐘、小時、日、旬、月、年、多年，空間尺度可以是1、100、1 000 m等，空間范圍為水庫或水庫群及其影響范圍；③水利工程建設(shè)對水文條件和水生態(tài)系統(tǒng)的影響：攔河大壩、水庫等工程建設(shè)帶來水文條件和水生態(tài)系統(tǒng)的變化，時間尺度可以是月、年、10年、50年等，空間尺度可以是10、100、1 000、10 000 m等，空間范圍為工程建設(shè)和運行的影響范圍；④調(diào)水工程的作用：在其調(diào)出區(qū)、輸水區(qū)、調(diào)入?yún)^(qū)發(fā)生不同的變化，時間尺度可以是月、年、10年、50年，空間尺度可以是10、100、1 000 m，其空間范圍應(yīng)是調(diào)水工程建設(shè)、運行以及影響的范圍；⑤污水排放影響水質(zhì)及污染控制：需要研究污水排放影響水質(zhì)作用機(jī)理以及污染控制措施，時間尺度可以是小時、日、旬、月、年，空間尺度可以是1、10、100、1 000 m等，其空間范圍為污水產(chǎn)生區(qū)域和影響水體的區(qū)域；⑥退耕還林還草政策的作用：退耕還林還草是國家政策，涉及區(qū)域廣，時間尺度可以是月、年、10年等，空間尺度可以是100、1 000、10 000 m等，其空間范圍為退耕還林還草范圍以及其影響的范圍。

水系統(tǒng)變化對人類社會的影響舉例。①干旱缺水對生產(chǎn)的制約作用：時間尺度可以是日、旬、月、年，空間尺度可以是10、100、1 000 m等，其空間范圍為干旱缺水波及到的區(qū)域范圍；②水生態(tài)系統(tǒng)變化及影響調(diào)控：時間尺度可以是日、月、年、10年、50年等，空間尺度可以是10、100、1 000 m等，其空間范圍為水生態(tài)系統(tǒng)變化及影響范圍；③飲用水污染對人體健康的影響：時間尺度可以是小時、日、月、年、10年等，空間尺度可以是1、10、100、1 000 m等，其空間范圍為飲用水受污染范圍及其對人體健康影響的范圍；④水資源格局變化帶來土地利用變化：時間尺度可以是月、年、10年等，空間尺度可以是10、100、1 000 m等，其空間范圍為水資源格局變化及其帶來的土地利用變化范圍；⑤水能資源開發(fā)利用的作用：時間尺度可以是日、旬、月、年等，空間尺度可以是10、100、1 000 m等，其空間范圍為水能資源所在河流、以及開發(fā)利用受益范圍；⑥氣候變化帶來用水影響：時間尺度可以是月、年、10年、100年等，空間尺度可以是100、1 000、10 000、100 000 m等，其空間范圍為全球范圍或氣候變化的影響范圍。

2 人水關(guān)系學(xué)的時空觀

2.1 時間觀的主要論點

a)人水關(guān)系是動態(tài)的，隨時都在變化之中，時間是永恒的、無限的。按照辯證唯物主義的觀點，運動是絕對的，靜止是相對的；絕對運動和相對靜止是辯證統(tǒng)一?；谶@一論點，在分析人水關(guān)系時，需要從長系列進(jìn)行分析，如果只節(jié)選其中一段變化過程進(jìn)行分析，所得的結(jié)果可能存在片面性。比如，在上文列舉的例1中，選擇不同的時間段就可能會得出不同甚至相反的結(jié)論。

b)人水關(guān)系存在相對平衡，可以從一平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一平衡狀態(tài)。辯證唯物主義觀點承認(rèn)“相對靜止”，具體到人水關(guān)系問題，其存在相對平衡狀態(tài)。由于外界條件或內(nèi)因發(fā)生變化，平衡狀態(tài)會發(fā)生轉(zhuǎn)移，形成新的平衡狀態(tài)?；谶@一論點，在分析人水關(guān)系時，可以針對某一時間段的狀態(tài)進(jìn)行分析，同時也應(yīng)適應(yīng)人水關(guān)系的平衡狀態(tài)變化。比如，對氣候變化和人類活動影響帶來的水系統(tǒng)變化，人類應(yīng)主動適應(yīng)這一條件帶來的變化。

c)人水關(guān)系時間范圍的選擇，以獲得唯一解、辨析演變規(guī)律為準(zhǔn)則。如果達(dá)不到這一準(zhǔn)則，所得結(jié)果的可靠性降低。比如，如果有4種結(jié)果，目前只是其中1種結(jié)果，則該結(jié)果的可靠度(μ)=1/4。針對同一個問題(例1)，選擇的時間范圍越小，所得結(jié)果的可靠性會越低，反之會越高。因此，應(yīng)盡可能選擇的時間長，觀測清晰的演變規(guī)律，了解比較可靠的變化趨勢。但是，往往因為條件限制或研究投入的限制，只能選擇有限的時間范圍，當(dāng)觀察的時間不夠長，需要謹(jǐn)慎下結(jié)論，如果下了結(jié)論，一定要告訴大家其存在的不確定性，可能會有不同的結(jié)果。

d)人水關(guān)系時間尺度的選擇，綜合考慮演變過程、觀測數(shù)據(jù)和參數(shù)。在表1中列舉了幾個研究事件，并給出了可供選擇的時間尺度，比如，研究調(diào)水工程的作用，時間尺度可選擇月、年、10年、50年等；研究水資源格局變化帶來土地利用變化，時間尺度可選擇月、年、10年等。這里所說的時間尺度是指時間分辨率、時間步長，不包括其他更廣泛的概念和內(nèi)涵。關(guān)于時間尺度的研究已經(jīng)非常多，但至今也是難以解決的難點問題，本文不再詳細(xì)論述。

2.2 空間觀的主要論點

a)人水關(guān)系都處在一定空間上，其所在空間是客觀存在的、無限的。按照馬克思的時空觀點，任一物質(zhì)運動的時間和空間都是客觀存在的，都是無限的、無始無終的?；谶@一論點，在分析人水關(guān)系時首先要明確其空間范圍，不恰當(dāng)?shù)目臻g范圍必然會得出不科學(xué)的結(jié)論。比如，在列舉的例2中，就是因為對空間范圍認(rèn)識上的問題可能會帶來錯誤的結(jié)論。

b)人水系統(tǒng)廣泛存在空間變異性，要充分認(rèn)識和調(diào)控空間的不均衡。水系統(tǒng)、人文系統(tǒng)、人水系統(tǒng)以及人水關(guān)系特性都廣泛存在空間變異性，不可能要求其空間上是完全均衡的。同時也正是因為這種空間變異性，導(dǎo)致人水關(guān)系在空間上的復(fù)雜性和水資源調(diào)控的艱巨性。比如，中國提出的“空間均衡”治水思路和“國家水網(wǎng)”戰(zhàn)略，就是在一定程度上為了解決水資源空間的不均衡問題。

c)人水關(guān)系空間范圍的選擇，以反映全空間特性、看到全貌為準(zhǔn)則。要避免“管中窺豹”，實現(xiàn)“眼觀六路”“縱覽全局”。站在本區(qū)域視角，所得的結(jié)論只能代表本區(qū)域，代表全區(qū)域事件的結(jié)果就需要站在全區(qū)域上。比如，在列舉的例2中，站在不同空間角度就會得到不同甚至相反的結(jié)論。當(dāng)然，往往因為條件限制、視野局限、立場局限或研究投入的不足，只選擇有限的空間范圍，這時得到的結(jié)論可能會存在不全面、不可靠問題。

d)人水關(guān)系空間尺度的選擇，綜合考慮空間變異、數(shù)據(jù)單元和參數(shù)。在表1中列舉了幾個研究事件，同樣給出了可供選擇的空間尺度，比如，研究水利工程建設(shè)對水文條件和水生態(tài)系統(tǒng)的影響，空間尺度可選擇10、100、1 000、10 000 m等；研究飲用水污染對人體健康的影響，空間尺度可選擇1、10、100、1 000 m等。與時間尺度類似，這里所說的空間尺度是指空間分辨率、空間變化步長，不包括其他更廣泛的概念和內(nèi)涵。與時間尺度一樣，關(guān)于空間尺度的研究已經(jīng)非常多，但至今也是難以解決的難點問題，本文不再詳細(xì)論述。

3 人水關(guān)系時空分析的研究方法與展望

3.1 研究方法

歸納起來，主要有三大類，分別是：時間序列分析方法、空間演變分析方法、時間空間耦合分析方法。

a)時間序列分析方法。這是自然科學(xué)中非常常見的一類分析方法，就是基于時間序列(數(shù)據(jù)或認(rèn)知)，分析其隨時間變化的過程。其具體的方法有多種，在不同學(xué)科也有多種應(yīng)用，包括在人水關(guān)系研究中的應(yīng)用。①以定性和定量結(jié)合的歷史演繹方法。為了分析人類活動對水系統(tǒng)的影響作用，人類觀測的數(shù)據(jù)多數(shù)不到100年，很難有幾百年的觀測數(shù)據(jù)，這種時間長度的分析顯然不足以分析歷史演變規(guī)律。為了解決這一問題，可以把人類活動的表象(歷史記載、活動古跡)納入到歷史長河中進(jìn)行定量和定性相結(jié)合分析，再現(xiàn)人類歷史的發(fā)展脈絡(luò)，有助于分析人水關(guān)系的演變過程。比如，分析黃河流域人類活動對生態(tài)環(huán)境演變的作用，可能要追溯到人類社會早期到現(xiàn)在的發(fā)展過程[15]。②通過構(gòu)建時間序列模型，來定量模擬人水關(guān)系的演變過程。比如，通過構(gòu)建回歸方程模型、系統(tǒng)動力學(xué)模型、系統(tǒng)演變模型等[16]，建立河川徑流量隨時間變化的方程，建立用水量與人口數(shù)量、工業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)灌溉面積等之間的動態(tài)演進(jìn)關(guān)系等。③研究時間序列的趨勢、周期性、變異性、突變點、均衡程度等方法。基于時間序列，采用不同方法進(jìn)行分析。比如，采用趨勢線方法分析發(fā)展態(tài)勢，采用周期分析方法判別序列周期性，采用水文變異聯(lián)合分級方法識別時間序列變異性和突變點[17]，采用泰爾指數(shù)等方法計算時間序列的均衡程度[18]。

b)空間演變分析方法。這類方法是基于空間信息，采用某種模型或工具，對空間上的變化特征或規(guī)律進(jìn)行分析。①采用空間數(shù)據(jù)聚類、空間回歸、區(qū)域差異等方法，分析空間演變趨勢。目前關(guān)于空間分析的方法比較多，比如，采用空間數(shù)據(jù)聚類方法，可以分析土地利用變化趨勢、水資源空間變化趨勢[19]；采用空間回歸模型，分析區(qū)域數(shù)字化土壤分布規(guī)律[20]；以及采用區(qū)域差異分析等手段，分析水系統(tǒng)空間變化等[21]。②通過構(gòu)建模擬模型，對空間演變規(guī)律進(jìn)行分析?？捎糜诳臻g演變分析的模型，有些是專門針對空間分析建立的模型，有些是包含空間分析這一功能。比如，構(gòu)建的空間轉(zhuǎn)移矩陣模型就是專門針對空間分析構(gòu)建的模型[22]；通過構(gòu)建人水系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學(xué)模型、分布式模型、單元系統(tǒng)模型等，不僅可以用于分析空間變化也可以分析其他變化規(guī)律，不是專門針對空間變化構(gòu)建的模型。③基于GIS工具、MIKE軟件、MATLAB工具箱等，直接進(jìn)行空間分析。目前已有一些常用的工具或軟件可以應(yīng)用于空間分析。比如，地理信息系統(tǒng)(GIS)具有強(qiáng)大的空間分析功能，已廣泛應(yīng)用于不同空間分析的研究中[23]；MIKE軟件和MATLAB工具箱也包含強(qiáng)大的空間分析功能模塊。

c)時間空間耦合分析方法。除以上單獨針對時間序列、空間演變進(jìn)行分析外，較多情況是同時針對時間、空間的分析。時間、空間屬性是人水系統(tǒng)的基本屬性，分析和調(diào)控人水關(guān)系一般需要明確時間和空間變量，針對一定的時間和空間范圍開展研究。①時間空間耦合回歸分析。其思路與單獨開展時間或空間回歸分析一致，采用回歸方程進(jìn)行擬合建立模型，所不同的是其參變量同時包括時間、空間變量，建立同時包括時間、空間參變量的耦合回歸方程模型。②通過構(gòu)建模擬模型，對時間空間進(jìn)行耦合分析。上文提到的系統(tǒng)動力學(xué)模型、分布式模型、單元系統(tǒng)模型等，可以同時用于模擬分析時間、空間變化。③基于GIS工具、MIKE軟件、MATLAB工具箱等，進(jìn)行時間空間耦合分析。上文提到的GIS、MIKE、MATLAB這幾個工具或軟件，都可以同時進(jìn)行時間、空間耦合分析。

3.2 研究展望

a)人水關(guān)系的時空屬性研究一直是熱點問題，仍需不斷探索。人水系統(tǒng)具有鮮明的時間和空間屬性，揭示人水關(guān)系特征的重要內(nèi)容是闡明其時間和空間屬性。雖然目前關(guān)于這方面的研究較多，但因為其極其復(fù)雜，內(nèi)容非常廣泛，仍需加強(qiáng)研究，也一直是研究的熱點問題。

b)基于科學(xué)的時空觀，研究人水關(guān)系具體問題，任重而道遠(yuǎn)。上文介紹了人水關(guān)系時空分析的研究方法，實際上，只是列舉了這些方法，但每個方法的局限性、存在的問題沒有進(jìn)行深入討論?？蒲泄ぷ髡咴诰唧w使用中常常會遇到認(rèn)識上的問題，可能會帶來結(jié)果和結(jié)論的偏差，甚至是相反的結(jié)論。比如，上文給出的例1和例2，假如通過分析，得到的不是唯一解，其結(jié)果的可靠性就要打折扣，如果有n種結(jié)果，目前只是其中1種結(jié)果，則該結(jié)果的可靠度(μ)=1/n；如果真實結(jié)果是區(qū)間范圍[a,b]，范圍寬=b-a，計算結(jié)果的范圍是[c,d]，范圍寬=d-c,[c,d]∈[a,b]，則該結(jié)果的可靠度(μ)=(d-c)/(b-a)。究其原因，主要是對時空觀的認(rèn)識以及所站視角可能存在著差異，不能簡單地理解“采用相關(guān)方法分析就行”，需要從深層次分析時空觀以及研究結(jié)果和結(jié)論的科學(xué)性、合理性。目前關(guān)于這方面的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

c)時空尺度問題一直是學(xué)術(shù)上的難點問題，需要進(jìn)一步研究。時間、空間的尺度選擇、尺度轉(zhuǎn)化以及結(jié)果分析等許多尺度問題，都是學(xué)者關(guān)注的熱點問題，也是學(xué)術(shù)上的難點問題。比如，尺度選擇的大了，可能會漏掉有些信息，所得結(jié)果比較粗，但計算量和需要的信息就小的多；相反，尺度選擇的小了，計算量和需要的信息大增，貌似所得結(jié)果較細(xì)，反映的信息較多，但是所得結(jié)果并不一定就好。

4 結(jié)語

本文從人水關(guān)系學(xué)的視角，基于實例分析和理論分析，重點闡述了人水關(guān)系學(xué)的時間觀和空間觀，介紹了人水關(guān)系時空分析的研究方法，并對其進(jìn)一步研究給出展望，為人水關(guān)系學(xué)處理時間尺度和空間尺度問題奠定基礎(chǔ)。

盡管目前針對時間和空間分析的研究較多，但是由于時空尺度問題的復(fù)雜性，其研究難度很大，本文只作簡單介紹，不是本文探討之重點。本文提出的時間觀和空間觀，只是作者的初步思考，還有待進(jìn)一步分析和討論。