现代水文学发展方向和基础方法思考

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随着经济社会的发展,水文学无论是研究对象和服务对象均发生了深刻演变,水文基础理论、变化环境下的水文响应及其规律、水文循环系统边界问题、水文预测与预报以及水文观测和实验新技术成为现代水文学研究的重点。现代水文学的基本方法也必须相应进行创新,在思维方法要强化整体论的指导,在逻辑方法上实现归纳与演绎推理的综合与突破、在描述方法上实现集总式与分布式的统一、在分析方法上实现物理认知与数学描述的协同。

1. 现代水文学发展方向

上世纪50年代以来,国际上设立了一系列重大的水文学研究计划或项目,如国际水文计划(IHP)、世界气候研究计划(WCRP)、国际地圈生物圈计划(IGBP)等,关注的焦点包括气候变化的水文响应问题、无资料区的水文预报(PUB)问题、参数的不确定性问题、尺度问题、水文信息获取技术问题、生态-水文反馈问题等等,基于水文学发展基础演变分析,未来一个时期现代水文学发展的重点主要集中在五方面。

(1) 现代水文基础理论研究。现有的水文学基础理论建立在自然水循环动力学机理的基础上,随着人类活动影响的加剧,水循环的二元化特性日益突出,迫切需要在原有的水文学的基础上,将社会水循环和人类活动的影响在基础层面显式地考虑进去,形成符合现代水循环实际的二元认知模式及其基础理论,当前首要重点就是要建立社会水循环物理范式及其与自然水循环耦合本构关系的系统描述。

(2) 现代环境下的水文响应及其规律研究。重点包括三个方面内容,一是全球变化和人类活动影响的水文响应,如温室效应的水文学响应、土地利用变化的水文学响应和人工取用水的水文学响应;二是水循环分过程的耦合模拟,主要是流域尺度水循环的地表过程、土壤过程、地下过程的整体模拟及其与大气过程的耦合模拟;三是现代环境下的水文规律认知,包括水文过程的量质演变、时空分布特性以及特征值变化等。

(3) 水文循环系统边界问题研究。由于水问题通常是两大系统相互作用的表现,如洪水和缺水问题是社会圈和水圈通量不匹配的体现,生态问题则是水圈和生物圈,因此水文学今后在重视水循环规律及其演变机理研究的同时,要更加注重系统边界问题的研究,包括交互系统之间的反馈与响应机理,如水圈与生物圈之间的生态水文学机理以及水循环演变条件下生态演化的突变临界点等,此外还要深入研究系统界面交互过程与通量问题。

(4) 水文预测和预报研究。由于水文过程固有的随机特性,以及变化环境下的现代水文过程所具有非重复特性,基于统计和随机的水文学方法往往不能有效指导未来水文调控实践需求,因此在一定的预见期内进行科学的水文预测预报是现代水文学发展的基础内容之一,具体包括长期预测和短期预报两方面内容,长期预测要求我们能够构建有物理机制的预测模型,短期预报则要求将水文预报与气象预报紧密结合起来。

(5) 现代水文观测和实验技术研究。一是水热通量观测技术,包括新型的降水、蒸散发和径流观测技术;二是示踪剂和同位素观测技术;三是卫星遥感遥测技术,包括基于GIS平台的水文空间信息的处理和挖掘技术。

2. 水文学基本方法演变

为顺应现代水文学研究内容的变化,必须创新水文学科的研究视角和方法,在基本方法层面关键要实现四方面的创新。

一是还原论与整体论思维方法的均衡与发展。与四百多年以大物理学为中心的近代科学史相一致的是,当代水文学知识认知途径的方法基础是还原论(reductionism),强调的是分析、分解和还原。以分析-重构为基本方法的传统水文学不仅难以描述水循环系统整体演进机制和规律,同时由于分支领域信息孤岛的形成,对于单一水文循环环节的描述也会出现偏差。有理由预见的是,在传统的还原分析基础上,21世纪的水文学研究方法的一个基本取向就是以整体论的角度来研究水循环,包括单个水文环节综合,分项水文过程的综合以及水循环与其伴生过程的综合,逐渐形成以还原论与整体论均衡为基本特征的现代水文学研究的基本视角和方法模式。

二是归纳与演绎推理逻辑方法的综合与突破。归纳和演绎是水文学两大基本的逻辑方法,数据分析方法,如线性回归、相关分析、趋势分析等归纳方法从大量水文信息中提炼出一般的规律性结论,帮助我们从宏观规律中辨识出水文循环内在机理。演绎推理采用的是“假设-推理-验证”的逻辑过程,近年来由于演绎推理提出了不少新的水文学假设,如Budyko热水耦合平衡假设,Eagleson的生态水文最优性假设等。现代水文学的基本逻辑方法的突破有两个发展方向,一是归纳推理与演绎推理的综合,借助大量原型样本形成更多的科学假设和推理,或是在科学推测的基础上探求水文复杂性表达模式;二是归纳推理与演绎推理之外的第三种推导逻辑思维的创新,以实现不同主体偏好的有效权衡。

三是集总式与分布式描述方法的统一。对于水文循环过程的基本描述方法有两种,即集总式描述和分布式描述。早期的水文描述多为集总式描述,由于水文过程的时空分异特性,分布式描述方法一度兴起,但人们又发现,综合利用了时空信息的分布式描述方法在精度并不一定比集总式描述更高一些,从而使目前水文循环描述方法的发展陷入两难境地,因此现代水文学的发展重点之一就是要解决水文循环过程的描述方法问题。事实上,所谓分布式描述是相对的,集总式描述是绝对的。描述方法突破的核心就是要寻找出集总式描述与分布式描述在流域尺度的结合点,即解决在描述基本单元尺度问题,在这一标准下采取聚集(upward)或是解集(downward)的途径实现两种描述方法的统一。当然这对于自然水循环和社会水循环耦合描述种也是适用的。

四是物理认知与数学描述的协同。按照基本的物理定律实现对水文过程有效的地形物理认知,然后借助物性方程对水文循环的物理过程进行定量描述,是水文分析方法的一般过程,正是因为这一点,基于水动力学机理的确定性数学描述方法才成为现代水文学的主流。缺乏有效物理认知的数学描述是没有基础并存在巨大风险,但同时不借助水文过程本构关系的构建,物理认知就不可能得到定量化表达,因此现代水文学的分析应当建立在水文现象及其过程的物理认知和数学描述协同的基础上。纵观水文学的发展过程,物理认知和数学描述的发展存在时期的不平配问题,因此现代水文学要在统一微观机理与宏观规律的数学物理综合表达基本方法取得创新性突破。



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