水文學發展困境與變革

□胡鳳啟

（河南省開封水文水資源勘測局）

水文學發展困境與變革

□胡鳳啟

（河南省開封水文水資源勘測局）

水文過程復雜性的根源，在于循環路徑“組合（整合）”的多樣性及其變動性。由于背景環境的變化和不確定性干擾，傳統的水文學途徑的基礎受到了動搖，學科擺脫困境之路是強化對組合的研究。計算機和網絡技術進入云計算時代，有助于直接觀測復雜多變的“組合”情勢和構建、模擬和預測“組合”的模型，必將深刻地改變水文學科的進展。引入風險模擬分析理念，轉變確定性思維模式，構建“風險文化”，對于走出困境也是必不可少的。

水文學；困境；變革；組合；風險文化

1 水文學及傳統水文學的研究途徑

水文學是一門研究地球上各種水體的發生、循環、分布、水的化學和物理性質、水對環境的作用以及水與生命體關系的科學，通過對水文學的研究，可為洪澇、干旱災害的防治、水資源的開發利用和水生態與環境保護提供科學依據。

“水文學”的研究對象是地球表層中的水，其研究內容涵蓋水的存在、循環和分布，水的物理和化學性質，以及水與環境包括生物之間的相互作用。水循環是由太陽輻射提供動力，通過水的蒸散發過程，再由水流帶動物質流循環運動變化，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，而現實水文情勢千變萬化，水文過程的演變卻異常復雜。

傳統的水文學研究方法是“構建模型”，通過“模擬”或“預測”特定流域出口處的水文變量過程來實現對水文運動變化規律的研究。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，但我們認為對于一個特定的流域，其水文過程的“組合（整合）”態勢是相對穩定的，包括過程的邊界條件以及其背景環境。

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資料。另外傳統上采取“試錯法”的建模，即：收集資料；構建描述流域水文主要特性的概念模型；將概念模型轉換成數學模型；用部分歷史資料來率定，通過調整模型參數來適配；用余下的歷史資料來檢驗模型。如果檢驗不合格，則需調整模型結構和參數，重復上述步驟，經過反復，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據，就可以依據所得到的模型，模擬和預測出該流域的水文過程，或用模型的理念來描述有關的水文規律性。

從水文學科發展的歷程，有很多具有預測實用功能的建模成功先例，例如：水位流量關系曲線、降雨徑流關系曲線、河道匯流單位線、水文極值頻率曲線等等。也不難舉出兼備科學研究和預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，都在水文實踐中發揮著重要的作用。

2 水文學發展面臨的困境

幾十年來，雖然傳統水文學為水文以及水利工作提供了強大的理論支撐，為水文事業發展發揮了巨大作用。但必須指出的是傳統水文研究途徑獲得成功的背后，隱含有兩個假設，一是水循環背景條件是穩定的，即要求用來建模時段的環境背景條件和檢驗時段以及預測時段的背景條件具有一致性。二是不確定性干擾作用應當是相對較小的，可以忽略不計。但是，上世紀九十年代以來特別是進入新世紀以來，我們也不難發現，傳統的水文工作模式面臨越來越多的困難和挑戰，因為現實已經與傳統水文途徑的兩個假設嚴重偏離。主要表現在以下幾點：大量的公路、橋梁、水利工程等工農業生產設施建設改變了天然的流域狀況，已經很難找到一個傳統水文學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參數，使得流域水循環的產流、匯流、蒸散發特征發生重大變化；過度無序的水資源開發利用（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；市場經濟條件下流域狀況變化的快速和隨機性，使獲取環境背景條件一致下長序列的水文資料失去了可能；經濟社會快速發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，已經嚴重偏離了傳統水文途徑構建模型的兩個假設，使得應用傳統方法研究水文的途徑失去了重要理論基礎；另外，隨著我國經濟社會的發展，水利建設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，包括預測水安全情勢的變化、近期的趨勢及擬定適應性策略和對策；流域及河道內的人類活動對防洪安全和水資源開發的影響；小河流的流域開發和治理；中小水庫除險加固；山洪與地質災害的防治；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水文學途徑（“概念-模擬-檢驗-理念”）的基礎，使水文學科陷入了困境。

3 水文學發展機遇與變革

水文學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條件的變化：一是必須考慮水循環背景環境的變化；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的，流域下墊面和河道內的人類活動的干擾，流域產匯流條件的變化，都是無法回避的。這些因素的客觀存在使我們已經很難再獲得具有一致性的觀測資料系列。對于山丘區突發性洪水，地質災害和城市防洪，則根本缺乏直接觀測資料。水文學科的發展必需另辟蹊徑，迫切需要找到走出困境之路。

3.1 面臨的機遇

如上所述，水利規劃、設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的產匯流條件的深刻變化，突發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系的。這些問題已經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投入資源，為水文學科的發展創造了機遇，這種強大的社會需求也必將促進水文學科的快速發展。

現代科技的進步，尤其是計算機技術的飛速發展是水文學科發展的又一重要機遇。當今社會已進入“云計算時代”，這種信息技術就是通過互聯網的資訊搜尋、檢索、傳遞功能，把分散的PC機聯系成一體，可以完成PC機單兵作戰所無法完成的任務。甚至可以通過互聯網發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網上獲得共享，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科的未來。

3.2 水文學核心理念的變革

水文過程復雜性的根源，在于循環路徑“組合（整合）”的多樣性及其變動性。由于背景環境的變化和不確定性干擾，傳統的水文學途徑的基礎受到了動搖，水文學的核心理念面臨巨大挑戰和變革。強化對組合（整合）的研究，把“組合（整合）”作為水文學的核心理念是水文學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對“組合（整合）”情勢進行模擬和預測的目標:組合（整合）信息的獲取和處理加工。水文學科的發展長期受到觀測能力的約束，如降水量、陸面蒸散發量、地面徑流量、河網中的流量、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。對于水質過程和地下水過程更為突出，無論是物理的、化學的和生物的信息，都是很難觀測得到的?，F代科技的進步，地理信息系統、遙感遙測系統、全球定位系統的不斷完善，云計算系統的快速發展，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、各水利工程管理單位的供用水狀況，獲取各種水量實時數據，參與各種水循環“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，水文學就是研究開發和利用來自不同系統的、不同尺度的、不同精度的海量水信息的科學，其實質是水文信息學。

水信息跨尺度的變換。無論是水信息整合還是模型構建的全過程，都是與時空尺度密切相關的。為研究背景環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系，掌握水信息跨尺度變換方法和規律。

不確定性和風險的模擬分析。從事水文模擬研究的學者會發現模擬的逼真程度是有限制的，這些限制意味著所有的環境模擬模型其預測能力都存在固有的不確定性，也就是說存在預測失誤的風險。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，這些不確定性應當是可以計算的，而且根據預測所作的決策應當考慮其不確定性而導致失誤的風險。

3.3 防洪減災與風險文化構建

防洪減災過程是一個海量因子，時空復雜組合（整合）的過程。由于每次洪水過程的產流、匯流、分水、河床演變等環境條件都在變化，如雨量時空分布、水位～流量關系、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，還會受到決策人的價值取向、偏好、認知水平和掌握的信息數量等限制，一般是很難精確預測和無法控制的。

國內外傳統的防洪思維模式，都是屬于確定性范疇，將洪水事件劃分為超過或低于設計標準的兩個部分，防洪體系只需應對低于設計標準的洪水事件，設計洪水過程相當于臨界的洪水事件，是規劃、設計、管理、運作各種防洪措施的重要依據。但是，國內外發生的一些大洪水事件，充分暴露出這種傳統思維模式的局限性。

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險的分析和處理。目前可行的發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展和演變，考慮各種可能的防洪減災措施，并給出發生各種后果的風險。引入風險理念對于傳統防洪思維模式是具有顛覆性的，意味著在方向、戰略和方法的各個層面上，都要作出重大的變革。引入風險模擬分析理念，轉變確定性思維模式，構建“風險文化”，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、水資源調查評價、分析計算及水文與水資源工程研究。