簡述現(xiàn)代水文學(xué)的現(xiàn)狀及展望

廖 翔

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

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簡述現(xiàn)代水文學(xué)的現(xiàn)狀及展望

廖 翔

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

本文通過介紹現(xiàn)代水文學(xué)的發(fā)展進(jìn)程，討論了現(xiàn)代水文學(xué)的一些不足之處，闡述了現(xiàn)代水文學(xué)未來的發(fā)展方向，為研究自然水文過程以及水文在工程中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

現(xiàn)代水文學(xué)；水文基礎(chǔ)理論研究；水文預(yù)測和預(yù)報(bào)

一、引言

水文學(xué)作為地球物理科學(xué)的一個(gè)重要分支，在自然科學(xué)及水利工程中都具有重要的地位。其發(fā)展過程直接或間接影響著環(huán)境改變和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。因此，水文學(xué)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中占有重要的地位[1]，探索其現(xiàn)狀及進(jìn)展具有重要意義。

二、水文學(xué)的發(fā)展階段

水文學(xué)歷經(jīng)了幾個(gè)發(fā)展階段，由傳統(tǒng)水文學(xué)發(fā)展到現(xiàn)代水文學(xué)。1856年提出了描寫滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的達(dá)西(Darcy)定律。1871年提出了描寫明渠流緩變不穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的圣維南(St.Venant)方程組。由此可知，前者為地下水動(dòng)力學(xué)和地下水資源的形成變化奠定了基礎(chǔ)；后者為研究河道和坡面洪水運(yùn)動(dòng)，以及流域匯流奠定了基礎(chǔ)。其次是工程水文學(xué)的發(fā)展,1914年黑增提出了水文頻率計(jì)算的方法；1921年羅斯(Ross)提出了面積—時(shí)間曲線；1932年謝爾曼(Sherman)單位線；1935年霍頓(Horton)提出了著名的產(chǎn)流理論[2]。這段時(shí)間里各種理論和方法的提出，不僅為各類水利工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和管理提供了比較合理的計(jì)算方法，而且也奠定了工程水文學(xué)的基本內(nèi)容。

20世紀(jì)70年代以后，隨著工業(yè)時(shí)代的到來，工業(yè)生產(chǎn)引起的“三廢”造成了環(huán)境的污染，水污染尤為嚴(yán)重。河湖面積的縮小、水體富營養(yǎng)化、水體重金屬污染、污水對生態(tài)環(huán)境及人體健康的影響已經(jīng)成為國際話題，國際對環(huán)境保護(hù)的呼吁也大大增強(qiáng)。如何保護(hù)水環(huán)境，治理水污染，已經(jīng)涉及到了水文學(xué)層面，生態(tài)水文學(xué)和環(huán)境水文學(xué)的提出也因此成為必然[3]。

以上敘述為水文學(xué)發(fā)展的大致三個(gè)階段。這些發(fā)展是現(xiàn)代水文學(xué)的基本內(nèi)容?，F(xiàn)代水文學(xué)涉及到的層面廣闊，不僅涵蓋了水文學(xué)基本的理論和方法，還包含了應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對經(jīng)典的理論和方法進(jìn)行進(jìn)一步的提升和實(shí)踐。簡言之，水文學(xué)的理論和方法是框架，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)是建造師，由它們來對前者進(jìn)行進(jìn)一步的詮釋與應(yīng)用。

三、現(xiàn)代水文學(xué)的不足

現(xiàn)代水文學(xué)的發(fā)展方向大致與社會(huì)發(fā)展方向相關(guān)，但也具有某些不足之處，是我們未來關(guān)注和解決的方面[4]。

(1)霍頓提出的均質(zhì)包氣帶“產(chǎn)流理論”對水文學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。但是，在不同的下墊面條件中其產(chǎn)流機(jī)制不同，可能有一種或者幾種產(chǎn)流機(jī)制同時(shí)出現(xiàn)。由于人類對下墊面和地下水的認(rèn)識(shí)并不相對熟知，以至于在判斷產(chǎn)流機(jī)制的時(shí)候只能判斷出主要的產(chǎn)流機(jī)制而忽略次要的產(chǎn)流機(jī)制，這種情況會(huì)對流域的產(chǎn)流和匯流產(chǎn)生一些影響。因此，如何正確判斷產(chǎn)流機(jī)制也稱為重要的問題。

(2)人們在進(jìn)行洪水演算時(shí)，并不能完整地劃分其運(yùn)動(dòng)形態(tài)，實(shí)踐中運(yùn)用圣維南方程組計(jì)算出的結(jié)果與理論有一定的偏差。運(yùn)用不同的演算方法計(jì)算出的結(jié)果也不盡相同。此時(shí)需要計(jì)算者進(jìn)行抉擇，則在一定程度上涉及到誤差。因此，如何降低誤差的大小也是現(xiàn)代水文學(xué)發(fā)展的基本內(nèi)容之一。

(3)隨機(jī)水文學(xué)的產(chǎn)生使得現(xiàn)代水文學(xué)進(jìn)一步發(fā)展。其將隨機(jī)過程理論和時(shí)間序列分析技術(shù)引入水文學(xué)領(lǐng)域，彌補(bǔ)了確定性水文學(xué)和概率學(xué)水文學(xué)的缺陷[5]。然而，即使隨機(jī)水文學(xué)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，其同時(shí)具有不完善之處。首先，線性參數(shù)隨機(jī)模型認(rèn)為兩個(gè)概率密度函數(shù)相同，因此它描述的水文序列是一個(gè)時(shí)間可逆過程，而水文序列是不可逆的，故其難以客觀地反映真實(shí)水文序列的變化規(guī)律；其次，水文系統(tǒng)是一個(gè)高度復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的非線性系統(tǒng)，其概率密度函數(shù)復(fù)雜且未知，某一指定的概率分布和真實(shí)分布存在著差異性；同時(shí)，水文序列的相依關(guān)系隨變量的大小不同而不同，是一種狀態(tài)相依關(guān)系，而大多是線性參數(shù)隨機(jī)模型中的相依結(jié)構(gòu)是固定的[5]。因此，為了彌補(bǔ)不足，新型隨機(jī)模型的產(chǎn)生，比如門限自回歸模型、基于核密度的非參數(shù)模型、基于小波分析的組合隨機(jī)模型[6-8]等等。但是這些非參數(shù)隨機(jī)模型也具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，單一的模型不能全面的表征水文現(xiàn)在的各種特征。因此，將數(shù)學(xué)方法應(yīng)用于水文學(xué)也是現(xiàn)代水文學(xué)發(fā)展的方向之一。

四、研究展望

基于水文學(xué)發(fā)展的演變過程和其不足之處，未來一段時(shí)期之內(nèi)現(xiàn)代水文學(xué)發(fā)展趨勢應(yīng)集中于以下幾個(gè)方面[4]：

(1)現(xiàn)代水文基礎(chǔ)理論研究?，F(xiàn)代水文的基礎(chǔ)理論是建立在自然水循環(huán)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的理論上的，人類活動(dòng)影響的加劇了水循環(huán)的二元性特性。因此，迫切需要在原有的水文學(xué)基礎(chǔ)上，引入社會(huì)水循環(huán)和人類活動(dòng)影響兩個(gè)因素，形成符合現(xiàn)代水循環(huán)的二元認(rèn)知模式及其理論基礎(chǔ)。

(2)現(xiàn)代環(huán)境下的水文響應(yīng)及其規(guī)律研究。一是全球變化和人類活動(dòng)影響的水文響應(yīng)，比如溫室效應(yīng)的水文學(xué)響應(yīng)、土地利用變化的水文學(xué)響應(yīng)和人工取用水的水文學(xué)響應(yīng)；二是水循環(huán)過程的耦合模擬；三是現(xiàn)代環(huán)境下的水文規(guī)律認(rèn)知，包括水文過程的量質(zhì)演變、時(shí)空分特性以及特征值變化等。

(3)水文循環(huán)系統(tǒng)邊界問題研究。由于水問題通常是兩大系統(tǒng)相互作用的表現(xiàn)，因此水文學(xué)今后在重視水循環(huán)規(guī)律及其演變機(jī)理研究的同時(shí)，要更加注重系統(tǒng)邊界問題的研究，包括交互系統(tǒng)之間的反饋與響應(yīng)機(jī)理等。

(4)水文預(yù)測和預(yù)報(bào)研究。由于水文過程固有的隨機(jī)特性，以及變化環(huán)境下的水文過程所具有非重復(fù)特性，基于傳統(tǒng)水文學(xué)的方法往往不能有效指導(dǎo)未來水文調(diào)控實(shí)踐需求。因此在一定預(yù)見期內(nèi)利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行科學(xué)的水文預(yù)測預(yù)報(bào)是現(xiàn)代水文學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)內(nèi)容之一。

(5)現(xiàn)代水文觀測和實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究。一是水熱通量觀測技術(shù)[9]，包括新型的降水、蒸散發(fā)和徑流觀測技術(shù)；二是示蹤劑同位素觀測技術(shù)[10]；三是衛(wèi)星遙感技術(shù)，包括基于GIS平臺(tái)的水文空間信息的處理和挖掘技術(shù)。

五、結(jié)語

由此可見，現(xiàn)代水文學(xué)在理論上還存在很多缺陷與不足，人們對水文學(xué)的認(rèn)識(shí)還存在一定的階段，對研究現(xiàn)代水文學(xué)的新技術(shù)新方法才剛剛起步。因此，在未來的水文學(xué)發(fā)展中，應(yīng)該對理論知識(shí)進(jìn)行研究，對目前出現(xiàn)的水文現(xiàn)狀進(jìn)行研究，對針對水文而提出的新方法新技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用，讓現(xiàn)代水文學(xué)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。

[1]芮孝芳.水文學(xué)原理[M].高等教育出版社,2013.

[2]詹道江.工程水文學(xué)[M].中國水利水電出版社,2010.

[3]芮孝芳.環(huán)境水文學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展前景[J].河海大學(xué)科技情報(bào),1990,1):95-9.

[4]王浩,王建華.現(xiàn)代水文學(xué)發(fā)展趨勢及其基本方法的思考[J].中國科技論文,2007,2(9):617-20.

[5]丁晶,高榮松,鄧育仁.隨機(jī)水文學(xué)[J].四川水力發(fā)電,1984,(2)

[6]王文圣,袁鵬,丁晶,et al.門限自回歸模型及其在水文隨機(jī)模擬中的應(yīng)用[J].四川水力發(fā)電,2001,20(b07):47-50.

[7]王文圣,丁晶.非參數(shù)解集模型及其在水文隨機(jī)模擬中的應(yīng)用[J].四川水力發(fā)電,1999,1):60-2.

[8]王文圣,丁晶,向紅蓮.小波分析在水文學(xué)中的應(yīng)用研究及展望[J].水科學(xué)進(jìn)展,2002,13(4):515-20.

[9]孫睿,劉昌明.地表水熱通量研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2003,14(3):434-8.

[10]宋獻(xiàn)方,柳鑒容,孫曉敏,et al.基于CERN的中國大氣降水同位素觀測網(wǎng)絡(luò)[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2007,22(7):738-47.

廖翔(1994-)，男，碩士研究生，主要從事水文水資源研究。