水文学演进历程的特征剖析

任立良,刘和远,袁 飞

(河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京 210098)

0 引 言

水文学是地球科学的一个重要分支。它是探求地球上水的起源、存在、分布、循环和运动等规律,并运用这些规律为人类服务的一门学问和知识体系。它与许多自然科学关系密切,要研究降水、蒸发,就需要了解气象学、气候学、植物学方面的知识;入渗与土壤科学有关,地下径流与地质学有关,地表径流与地貌学有关,河川径流与流体力学有关。除了水的流动之外,还要掌握物理、化学等方面的知识,计算各种成分的输移、衰减、扩散、沉淀。由于水文现象的影响因素十分复杂,许多水文过程难以用严格的演绎推理来处理。同时,人们在长期实践中积累的大量规律性的认识,大都不能用数学物理方程表示出来,因而只能视为局部经验(王国安,2002)。

水文学涉及的是自然现象的内在美,其技术的复杂性和重要性激励着人类的工作和实践活动。水文学作为一门科学,已有300多年的历史。60多年来,水文科学在实践的推动下发生较大变化,主要是由于水利、土木、交通、能源工程建设和环境保护的需要;特别是近40年来,水文学发展更快,主要是由于经济社会可持续发展的需要,加上新技术、新的观测手段和新信息的涌现以及全球变化研究的深入展开。我国地域辽阔,人口众多,拥有不同气候和不同水文特征的地带,洪旱灾害和水资源问题十分突出,很多的水文问题有待研究解决。只有高度重视水文科学研究的方法论问题,才能 “免除经过无穷尽的歧途以及在错误方向下浪费无限的时间和劳力”(恩格斯),使水文科学更好地为国家经济社会建设服务。

1 水文学定义及内涵

水文学的英文名称是Hydrology,前缀Hydro -是水的意思,词干-log是研究的意思,所以研究地球上水的学问称为水文学,这与研究天体运动规律的学问称作天文学、研究地球表层物质运动规律的学问称作地文 (即地球科学,包括地理、地质、气象气候、海洋)、研究人类社会各种文化现象的学问称作人文、研究中(英、外)国语言的学问称作中(英、外)文相一致,由此可见中国的水科学祖先为水文学所起的名称是具有深厚的学术和人文底蕴的。北齐的刘昼 《新论◦慎言》:“日月者天之文也,山川者地之文也,言语者人之文也。天文失则有谪蚀之变,地文失必有崩竭之灾,人文失必有伤身之患。”

水文学是研究地球表面水文循环和水量平衡的科学,目的是揭示和量化水文循环的物理、化学和生物过程、原理及其规律。国际著名水文学家Dooge(1986)给水文学下了这样的定义:The business of Hydrology is to solve the water balance equation,即水文学的本质是求解水量平衡方程。从定量的角度来看,研究地球上的水的水文学方法体现在水量平衡方程里。Lee(1992)将水文学定义为探求诠释和定量化任何给定的时间、空间尺度内水平衡动力学过程以及水文循环与地球生态系统之间的物理的、化学的、生物的传输关系的一门科学,时间尺度可以从秒至年(际),空间尺度可从点尺度到全球尺度。因此,水循环是水文科学的基本原理,水量平衡是水文科学的基本准则。

成立于1922年的国际水文科学协会IAHS (International Association of Hydrological Sciences)下设9个国际委员会 (Commissions):国际地表水委员会、国际地下水委员会、国际大陆侵蚀委员会、国际冰雪水文委员会、国际水质委员会、国际水资源系统委员会、国际陆气耦合系统委员会、国际遥感委员会、国际示踪水文委员会。由此看来,水文学涵盖的范围很广,涉及水文循环、水的自然属性和社会属性及相关技术。

2 大物理学背景下水文学演进

乍看起来,水文学知识的增长和物理学、生物学这样一些经典科学的发展毫无相似之处。首要的问题是,在水文学中是否像代数、运动学或遗传学那样存在一个基本原理或基本方程,或者说水文学是否存在像水力学那样的雷诺数。国际著名水文学家Dooge(1988)认为,水文学中从连续介质的一个质点到行星的所有尺度上都能应用的连续方程,应该算是水文学的一个基本方程。

将连续方程的建立过程和天体运动知识的增长过程进行对照(表1),也是十分有益的。在天体运动方面,从所知道的最早的太阳中心说(Aristarchus,270 B.C.)到爱因斯坦对牛顿理论作出相对论的改变,经历了漫长的2 000 a;而连续方程的发展,从Hero(60 A.D.)将水流表达为单位时间的水量到Exner(1920)用连续方程与简单动力方程结合计算动床变形,也经历了大体相同的年代。Hero在公元60年提出流量的概念后很长时间没有被人们重视,等人们重新发现流量概念的重要性时还对流量的定义争论了好久,有的认为流量就是过水断面面积,有的认为流量应该等于流速;当伽里略的学生Castelli(1628)推导出流量的数学公式Q=Area×Velocity,才停止了那场长时期的争论。其间,天才艺术家达◦芬奇曾研究河道流速分布的状况,图1是一位画家构想的达◦芬奇用浮标法测量流速之场景 (Biswas,1970)。

表1 天体运动认知和连续方程建立过程的比照(Dooge,1988)Table 1 Comparison between movement knowledge of space and celestial bodies and the establishment of continuity equation(Dooge,1988)

说到哥白尼的革命时,好像它只是一个单独的事件。其实,从哥白尼 (1473～1543)对托勒密的抨击开始,经过第谷◦布拉赫 (1546～1601)的精密观测和开普勒 (1571～1630)的大量分析计算,到牛顿(1642～1726)给出哥白尼的假说和开普勒的经验定律的动力学方程,差不多经历了一个半世纪的时间。在连续性概念的发展方面,也有类似的情形。从Castelli对恒定流建立连续性方程到今天水文学中所用的非恒定流方程,也跨越了两个世纪。

因此,借鉴其它科学分支的发展历史来研究水文学的历史,对作为一门科学的水文学的今后发展无疑是有益的。

图1 达◦芬奇测流速[取自History ofHydrology,Biswas(1970)著,刘国纬(2007)译] Fig.1 Measurement of velocity by Leonardo da Vinci (after the Book“History of Hydrology”written by Biswas in 1970,translated into Chinese by Guowei Liu in 2007)

3 水文学发展历程的特征

水文科学的发展动力是来自社会的需要,因而必须结合每个社会发展时期或阶段的特点,承担起解决各个时期国民经济建设和社会发展中出现的、并要求水文学回答的问题的任务,通过在实践运用中的检验,不断将水文科学提高到新的水平。当前水文科学的任务是不仅要为防洪减灾工程措施与非工程措施提供科学基础和技术支撑,而且要为水资源的开发、利用、管理和保护提供水文科学基础及信息服务。独特的地理位置和复杂多样的气候特征决定了中国是一个洪旱灾害频发的国度,真正意义上体现大陆季风气候特征、具有中国特色的水文学发展方向和发展脉络,还是新中国成立以后几代人经过60多年的不懈努力,我国水文学的理论方法、科学研究、学科建设才取得长足的进步和丰硕的成果。

按照描述性—解释性—人本性的思路,梳理出水文学发展沿革的两条主线(图2):

地理水文学—工程(应用)水文学—水资源水文学 (水文学所回答或解决的问题,即问题维度,陈家琦,1986)

物理水文—化学(环境)水文—生态水文(不同时期水文学重点研究的内容和研究方法,即学科维度)

图2 水文学发展沿革的两条主线及其特征Fig.2 Two main routes of evolution course in hydrology and their Characteristics

陈家琦教授 (1986)将水文学的发展历史沿革分成3个阶段:地理水文学、工程水文学和水资源水文学,并指出环境水文学是水资源水文学占主要地位的内容。

地理水文学阶段:研究水文科学的发展沿革不能脱离其历史环境。水文科学从其发展历程来看,起初是作为地理科学的一个分支学科——自然地理学而产生,侧重于认识水文现象作为地学的一个方面,逐渐形成地理水文学,和地理学一样,属于自然科学的范畴。在该阶段,主要是以古代、近代的旅行家、探险家的科学考察、成因探究、定性描述、游途记实为主要内容。譬如明代伟大的地理学家、大旅行家、中国古代历史上地学探险家之第一人徐霞客(1587～1641)从小博览群书,尤其喜欢读奇书,喜欢地理和游记之类的书籍。

工程水文学阶段:新中国成立之初,百废待兴。为此,我国开展了大规模的江河治理和水利工程建设,急需大量的水文技术人才,1952年在华东水利学院(河海大学前身)设立了我国第一个陆地水文专业,为满足不同层次的人才需求,1955年开始招收本学科研究生,成为新中国第一批培养研究生的学科点之一。在长期为防洪减灾、发电航运和供水灌溉等涉水工程建设服务的过程中,“工程水文学”应运而起,并很快成为水文学的主要组成部分,不仅为中国的水利建设事业做出了突出贡献,而且带动了水文学科和水文事业的迅速发展。这个以工程水文学为主体的水文学发展阶段既继承了地理水文学的有关内容,又大大丰富了水文学的功能,既属于自然科学,又属于技术科学的范畴。

水资源水文学阶段:20世纪中叶,由于新技术在水文领域的应用和广大范围内水资源问题的突出,相当部分地区水资源开发程度不断深入以及河流上拦蓄工程的日益增多,要求水文学回答水资源的合理开发作用及由此带来的有关问题,水文学从资料收集手段、要求回答的问题及其自身的内涵都发生了较大的变化,即突出了水资源的方向,该方向还十分明显地反映在近40多年来重要的国际水文活动中。党的十四大以后,明确水利是国民经济和社会可持续发展的基础设施和基础产业,并把水利摆在国民经济基础设施建设的首位,水文学科抓住机遇,积极投入水利建设主战场,针对实践中水文水资源的科学技术问题,开展了多层次的基础性研究、应用研究、技术开发研究和软科学研究,水文学科步入全面、综合发展阶段。

公元前4世纪古希腊人创造了 “地理学”名词:Geography,前缀Geo-是地、地球的意思,词干-graph是描述、作图的意思,水文学中的流量过程线、水文过程线就是hydrograph,因此从Geography字面来看地理学乃描述地球之学问。早先地理学偏文科,现在我国属理科,以定性研究方法为主,地理水文学多多少少带有地球科学方法的色彩;工程水文学虽属于工科,但为解决水利工程实际问题,工程水文学需要经济学的知识,且以定量研究方法为主;水资源水文学是一门综合交叉学科,既属于自然科学、技术科学,又与经济、社会有关,不仅需要理科、工科知识,还需要经济学、管理学的知识,采取定量和定性相结合的方法进行研究,可归纳为:理工融合、经管支撑。

按照水文学不同时期的重点研究内容、研究方法,水文学发展历程可归纳为:

物理水文:探索物理规律,重点研究:量,以水量或径流为核心的学科体系,从洪水到干旱、从降水到径流,这是20世纪中叶水文学科体系 “测、报、算”研究的主要范畴。

化学水文:追寻化学过程,主要关注:质,故亦称环境水文,自20世纪70～80年代开始。

生态水文:认知生物作用,尤其关注:生命,包括动植物、人类自身以及与食物供给有关的粮食生产,HELP(Hydrology for Environment,Life and Policy)计划,自20世纪90年代开始。

起初,生态水文学和生态水力学的研究都局限于水生生态系统。生态水文学与生态水力学的区别就如同水文学与水力学的区别一样,水力学侧重于常年有水的河道、港湾,水文学则是以流域为研究对象,包含陆地表面、河流等。现今的生态水文学则从水体转向陆地生态系统,也应该这样,否则两者就无区别;不仅要研究自然界陆地表面生物与水文循环过程的作用机理和相互关系,而且要研究人类社会与水循环过程的相互作用。人是地球的主宰,是地球生态系统的最高级消费者,在现今的全球变化过程中扮演着十分重要的作用,从这个意义上说生态水文应该涵盖人类各种经济社会活动对不同时空尺度层次上水循环过程的作用与反作用,也就是说社会水文属于生态水文的范畴。

4 结 语

一个时代的科学成就是与前人奠定的知识基础、采用的方法论、技术的支撑以及时代的需求密切相关的,科学研究的价值在于推陈出新,科技的发展总是在不断创新的过程中实现。

从农业社会的防洪、灌溉等传统水问题,发展成为水资源、水环境、水生态、水灾害四大问题并存的多重危机与挑战;各类问题的空间格局已从局地或部分河段扩展为流域性、区域性乃至全球性;每类问题内部也都存在不同的转型,使问题更加复杂化。上述问题相互影响、彼此叠加,构成了未来中国长期、复杂、多样的水危机综合图景,中国正以相对稀缺的水资源、相对有限的水环境容量和十分脆弱的水生态系统,承载着不断扩张的庞大人口规模和高增长、高强度的经济社会活动,面临着前所未有的水压力。为了解决人类面临的水危机,世界各国都在探索新的治水理念和治水模式,实施水系流域综合管理 IRBM(Integrated River Basin Management)和水资源综合管理IWRM(Integrated Water Resources Management)已经逐渐成为人们的共识,各国均尝试采用立法、规划、经济激励等综合措施实现相关涉水目标(中科院可持续发展战略研究组,2007)。我国复杂水问题的解决和治水理念的变革,需要科技创新和科技支撑,需要科学的解决方法和先进的技术平台,其中流域管理的观念、内涵、结构、体系需要审视和完善。

由于人类对水循环的上边界(大气环流、气候变化)和下边界(流域下垫面)的影响剧烈,人们企图集成不同时空尺度下生态、经济、社会的动态过程于一体的愿望愈来愈强烈,需要准确知悉哪里的影响最严重、是由哪里的哪个因素引起的。现实世界需要回答的问题是:水体富营养化与土地利用变化的关系如何?最好的恢复和缓解措施是什么?在流域内种植什么作物才能在农业利润达到最大的同时对河道水质的影响最小?改变的水文条件和水质状况组合使得生态特征退化到什么程度?在美国,20世纪90年代要求城市化后不能增加下游河道两岸的洪水风险;2000年以来要求城市化后不仅不能增加下游河道两岸的洪水风险,还要保持原有的局地水平衡要素(水循环要素:降水、蒸发、径流、土壤水蓄量)不变!那么原有的水循环要素是多少?所有这些问题的回答都需要生态水文学的新途径、新方法。如果说水文学以前着重于水体的物理规律、化学性质的研究,那么发展到今天的水文学愈来愈注重生物特性的研究。以生态水文学的理论和方法来重新审视人类的经济社会活动,能够为人类解决日益严重的水问题提供一个新的思路和途径。因此,生态水文是水文科学的前沿方向,也是解决全球变化以及由此引发的各类水问题的新途径和新方法。

[1] Beven Keith J.Streamflow Generation Processes, Benchmark Papers in Hydrology[M].IAHS Press, 2006.

[2]Biswas Asit K.水文学史 (History of Hydrology) [M].刘国纬译.北京:科学出版社,2007.

[3]陈家琦.现代水文学发展的新阶段——水资源水文学[J].自然资源学报,1986,1(2):46-53.

[4]Dooge J.C.I.Hydrology in Perspective(水文学展望,刘新仁 译)[C]//梁瑞驹等,河海大学邀请科学讨论会——水文学的回顾与展望论文集.南京:河海大学出版社,1988:106-117.

[5]Falkenmark M.&Rockströ m J.人与自然和谐的水需求-生态水文学新途径 (Balancing Water for Humans and Nature-The New Approach in Eco-hydrology) [M].任立良,束龙仓译.北京:中国水利水电出版社,2006.

[6]Maidment David R.水文学手册 (Handbook of Hydrology)[K].张建云,李纪生译.北京:科学出版社,2002.

[7]V.P.Singh&D.K.Frevert.Watershed Models [M].Taylor&Francis Group,USA,2006:179-208.

[8]王国安.水文定理、定律和假说初探[M].郑州:黄河水利出版社,2002.

[9]徐弘祖(明).徐霞客游记[M].禾 乃译.上海:上海社会科学院出版社,2003.

[10]《赵人俊水文预报文集》编辑整理工作小组.赵人俊水文预报文集[M].北京:水利电力出版社,1994.

[11]中国科学院可持续发展战略研究组.2007中国可持续发展战略报告——水:治理与创新[M].北京:科学出版社,2007.