水文学发展困境与变革

□胡凤启

（河南省开封水文水资源勘测局）

水文学发展困境与变革

□胡凤启

（河南省开封水文水资源勘测局）

水文过程复杂性的根源，在于循环路径“组合（整合）”的多样性及其变动性。由于背景环境的变化和不确定性干扰，传统的水文学途径的基础受到了动摇，学科摆脱困境之路是强化对组合的研究。计算机和网络技术进入云计算时代，有助于直接观测复杂多变的“组合”情势和构建、模拟和预测“组合”的模型，必将深刻地改变水文学科的进展。引入风险模拟分析理念，转变确定性思维模式，构建“风险文化”，对于走出困境也是必不可少的。

水文学；困境；变革；组合；风险文化

1 水文学及传统水文学的研究途径

水文学是一门研究地球上各种水体的发生、循环、分布、水的化学和物理性质、水对环境的作用以及水与生命体关系的科学，通过对水文学的研究，可为洪涝、干旱灾害的防治、水资源的开发利用和水生态与环境保护提供科学依据。

“水文学”的研究对象是地球表层中的水，其研究内容涵盖水的存在、循环和分布，水的物理和化学性质，以及水与环境包括生物之间的相互作用。水循环是由太阳辐射提供动力，通过水的蒸散发过程，再由水流带动物质流循环运动变化，理论支撑就是水量和能量、动量平衡，其基本方程组是非常简单的，而现实水文情势千变万化，水文过程的演变却异常复杂。

传统的水文学研究方法是“构建模型”，通过“模拟”或“预测”特定流域出口处的水文变量过程来实现对水文运动变化规律的研究。运用这种方法的条件是：虽然水文过程是由众多途径组合（整合）而成的，但我们认为对于一个特定的流域，其水文过程的“组合（整合）”态势是相对稳定的，包括过程的边界条件以及其背景环境。

在建模过程中，通过合理性分析，剔除个别受到不确定性因素干扰，而明显偏离的特殊点据资料。另外传统上采取“试错法”的建模，即：收集资料；构建描述流域水文主要特性的概念模型；将概念模型转换成数学模型；用部分历史资料来率定，通过调整模型参数来适配；用余下的历史资料来检验模型。如果检验不合格，则需调整模型结构和参数，重复上述步骤，经过反复，使模拟值充分接近观测值。模型建成后，只要输入各项基本数据，就可以依据所得到的模型，模拟和预测出该流域的水文过程，或用模型的理念来描述有关的水文规律性。

从水文学科发展的历程，有很多具有预测实用功能的建模成功先例，例如：水位流量关系曲线、降雨径流关系曲线、河道汇流单位线、水文极值频率曲线等等。也不难举出兼备科学研究和预测实用两种功能的模型，如：模拟小流域洪峰流量的推理公式、地下水运动的达西公式和雨洪径流形成的新安江模型等，都在水文实践中发挥着重要的作用。

2 水文学发展面临的困境

几十年来，虽然传统水文学为水文以及水利工作提供了强大的理论支撑，为水文事业发展发挥了巨大作用。但必须指出的是传统水文研究途径获得成功的背后，隐含有两个假设，一是水循环背景条件是稳定的，即要求用来建模时段的环境背景条件和检验时段以及预测时段的背景条件具有一致性。二是不确定性干扰作用应当是相对较小的，可以忽略不计。但是，上世纪九十年代以来特别是进入新世纪以来，我们也不难发现，传统的水文工作模式面临越来越多的困难和挑战，因为现实已经与传统水文途径的两个假设严重偏离。主要表现在以下几点：大量的公路、桥梁、水利工程等工农业生产设施建设改变了天然的流域状况，已经很难找到一个传统水文学意义上的完整水文闭合流域；人类活动极大改变了流域下垫面条件和水循环参数，使得流域水循环的产流、汇流、蒸散发特征发生重大变化；过度无序的水资源开发利用（包括地下水）和流域进出水量的庞杂失控，给水量还原平衡计算带来了巨大障碍；市场经济条件下流域状况变化的快速和随机性，使获取环境背景条件一致下长序列的水文资料失去了可能；经济社会快速发展过程中不确定干扰因素的增加，使各种组合（整合）情势的决定作用在不断上升。

因此，由于以上五种情况的出现，已经严重偏离了传统水文途径构建模型的两个假设，使得应用传统方法研究水文的途径失去了重要理论基础；另外，随着我国经济社会的发展，水利建设和管理部门面临一系列亟待解决的新课题：如气候变化对我国水安全影响，包括预测水安全情势的变化、近期的趋势及拟定适应性策略和对策；流域及河道内的人类活动对防洪安全和水资源开发的影响；小河流的流域开发和治理；中小水库除险加固；山洪与地质灾害的防治；城市防洪问题等等。这一系列课题的共同特点是没有通用模型，缺少适用的观测资料，且受众多不确定性因素干扰，从根本上动摇了传统水文学途径（“概念-模拟-检验-理念”）的基础，使水文学科陷入了困境。

3 水文学发展机遇与变革

水文学科要突破障碍走出困境，水量和能量、动量平衡等核心理念仍然适用，但是必须考虑两项假设条件的变化：一是必须考虑水循环背景环境的变化；二是必须考虑人为的和不确定性的日益增强因素的影响。全球气候变化的趋势是不可逆转的，流域下垫面和河道内的人类活动的干扰，流域产汇流条件的变化，都是无法回避的。这些因素的客观存在使我们已经很难再获得具有一致性的观测资料系列。对于山丘区突发性洪水，地质灾害和城市防洪，则根本缺乏直接观测资料。水文学科的发展必需另辟蹊径，迫切需要找到走出困境之路。

3.1 面临的机遇

如上所述，水利规划、设计和管理面临一系列亟待解决的新问题，如：全球的气候的变化，流域下垫面和河道内的产汇流条件的深刻变化，突发性山洪和城市洪涝的防治等，这些问题的解决，都是与水文研究有着密切联系的。这些问题已经引起了国家决策部门的高度重视，正在以前所未有的力度向水文行业投入资源，为水文学科的发展创造了机遇，这种强大的社会需求也必将促进水文学科的快速发展。

现代科技的进步，尤其是计算机技术的飞速发展是水文学科发展的又一重要机遇。当今社会已进入“云计算时代”，这种信息技术就是通过互联网的资讯搜寻、检索、传递功能，把分散的PC机联系成一体，可以完成PC机单兵作战所无法完成的任务。甚至可以通过互联网发动广大用户直接参与。云计算的突出特点是，信息资源和处理信息的能力都可以从互联网上获得共享，用户的范围和参与的深度可以无限扩大，只要用户提出需求，就可以得到满足。国外已开始构建水文云计算的途径，拓展研究的广度和深度，有理由相信云计算将深刻改变水文学科的未来。

3.2 水文学核心理念的变革

水文过程复杂性的根源，在于循环路径“组合（整合）”的多样性及其变动性。由于背景环境的变化和不确定性干扰，传统的水文学途径的基础受到了动摇，水文学的核心理念面临巨大挑战和变革。强化对组合（整合）的研究，把“组合（整合）”作为水文学的核心理念是水文学科摆脱困境的必然之路。为此，我们需要从以下三个方面来实现对“组合（整合）”情势进行模拟和预测的目标:组合（整合）信息的获取和处理加工。水文学科的发展长期受到观测能力的约束，如降水量、陆面蒸散发量、地面径流量、河网中的流量、土壤含水量等信息，一般很难取得时空域中指定点的第一手信息，特别是它们时空分布变化过程的信息。对于水质过程和地下水过程更为突出，无论是物理的、化学的和生物的信息，都是很难观测得到的。现代科技的进步，地理信息系统、遥感遥测系统、全球定位系统的不断完善，云计算系统的快速发展，使适时获取和高效处理加工信息成为可能。同时，政府必须充分保证水文部门及时掌握社会各部门、各行业、各水利工程管理单位的供用水状况，获取各种水量实时数据，参与各种水循环“组合（整合）”水文过程的计算和分析。也就是说要保证水文部门具有获取各种水信息的能力。从这个角度来说，水文学就是研究开发和利用来自不同系统的、不同尺度的、不同精度的海量水信息的科学，其实质是水文信息学。

水信息跨尺度的变换。无论是水信息整合还是模型构建的全过程，都是与时空尺度密切相关的。为研究背景环境变化条件下的水文过程，就必须强化对不同尺度模型来模拟和预测“组合（整合）”变化情势的考察和研究，同时探索水文过程的微观尺度“组合（整合）”的模型与宏观尺度的流域模型之间的联系，掌握水信息跨尺度变换方法和规律。

不确定性和风险的模拟分析。从事水文模拟研究的学者会发现模拟的逼真程度是有限制的，这些限制意味着所有的环境模拟模型其预测能力都存在固有的不确定性，也就是说存在预测失误的风险。在运用组合（整合）理念对水文过程进行研究时，由于存在有多种不同的组合（整合）方式，同样会带来可观的不确定性。组合方式略有不同，就会影响水文过程时空变化的特性。在各种可能的情况下，这些不确定性应当是可以计算的，而且根据预测所作的决策应当考虑其不确定性而导致失误的风险。

3.3 防洪减灾与风险文化构建

防洪减灾过程是一个海量因子，时空复杂组合（整合）的过程。由于每次洪水过程的产流、汇流、分水、河床演变等环境条件都在变化，如雨量时空分布、水位～流量关系、控制河段河床变化、堤防溃口状况等，都存在有可观的不确定性，还会受到决策人的价值取向、偏好、认知水平和掌握的信息数量等限制，一般是很难精确预测和无法控制的。

国内外传统的防洪思维模式，都是属于确定性范畴，将洪水事件划分为超过或低于设计标准的两个部分，防洪体系只需应对低于设计标准的洪水事件，设计洪水过程相当于临界的洪水事件，是规划、设计、管理、运作各种防洪措施的重要依据。但是，国内外发生的一些大洪水事件，充分暴露出这种传统思维模式的局限性。

工程师和科研人员有时会碰到在不确定的条件下、缺少认知条件下，甚至是无知条件下作出决策的情形，这就必须依赖对不确定性和风险的分析和处理。目前可行的发展途径在于充分利用一切可以利用的信息，运用最有效的手段，模拟演算雨洪过程可能的发展和演变，考虑各种可能的防洪减灾措施，并给出发生各种后果的风险。引入风险理念对于传统防洪思维模式是具有颠覆性的，意味着在方向、战略和方法的各个层面上，都要作出重大的变革。引入风险模拟分析理念，转变确定性思维模式，构建“风险文化”，对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

编辑：刘长垠韦诗佳

胡凤启（1973-），高级工程师，主要从事水文、水资源调查评价、分析计算及水文与水资源工程研究。