简述现代水文学的现状及展望

廖 翔

(重庆交通大学 重庆 400074)



简述现代水文学的现状及展望

廖 翔

(重庆交通大学 重庆 400074)

本文通过介绍现代水文学的发展进程，讨论了现代水文学的一些不足之处，阐述了现代水文学未来的发展方向，为研究自然水文过程以及水文在工程中的应用提供科学依据。

现代水文学；水文基础理论研究；水文预测和预报

一、引言

水文学作为地球物理科学的一个重要分支，在自然科学及水利工程中都具有重要的地位。其发展过程直接或间接影响着环境改变和社会经济效益。因此，水文学在经济社会可持续发展战略中占有重要的地位[1]，探索其现状及进展具有重要意义。

二、水文学的发展阶段

水文学历经了几个发展阶段，由传统水文学发展到现代水文学。1856年提出了描写渗流运动规律的达西(Darcy)定律。1871年提出了描写明渠流缓变不稳定流运动规律的圣维南(St.Venant)方程组。由此可知，前者为地下水动力学和地下水资源的形成变化奠定了基础；后者为研究河道和坡面洪水运动，以及流域汇流奠定了基础。其次是工程水文学的发展,1914年黑增提出了水文频率计算的方法；1921年罗斯(Ross)提出了面积—时间曲线；1932年谢尔曼(Sherman)单位线；1935年霍顿(Horton)提出了著名的产流理论[2]。这段时间里各种理论和方法的提出，不仅为各类水利工程的设计、施工、运行和管理提供了比较合理的计算方法，而且也奠定了工程水文学的基本内容。

20世纪70年代以后，随着工业时代的到来，工业生产引起的“三废”造成了环境的污染，水污染尤为严重。河湖面积的缩小、水体富营养化、水体重金属污染、污水对生态环境及人体健康的影响已经成为国际话题，国际对环境保护的呼吁也大大增强。如何保护水环境，治理水污染，已经涉及到了水文学层面，生态水文学和环境水文学的提出也因此成为必然[3]。

以上叙述为水文学发展的大致三个阶段。这些发展是现代水文学的基本内容。现代水文学涉及到的层面广阔，不仅涵盖了水文学基本的理论和方法，还包含了应用现代科学技术对经典的理论和方法进行进一步的提升和实践。简言之，水文学的理论和方法是框架，现代科学技术是建造师，由它们来对前者进行进一步的诠释与应用。

三、现代水文学的不足

现代水文学的发展方向大致与社会发展方向相关，但也具有某些不足之处，是我们未来关注和解决的方面[4]。

(1)霍顿提出的均质包气带“产流理论”对水文学的发展产生了重要的影响。但是，在不同的下垫面条件中其产流机制不同，可能有一种或者几种产流机制同时出现。由于人类对下垫面和地下水的认识并不相对熟知，以至于在判断产流机制的时候只能判断出主要的产流机制而忽略次要的产流机制，这种情况会对流域的产流和汇流产生一些影响。因此，如何正确判断产流机制也称为重要的问题。

(2)人们在进行洪水演算时，并不能完整地划分其运动形态，实践中运用圣维南方程组计算出的结果与理论有一定的偏差。运用不同的演算方法计算出的结果也不尽相同。此时需要计算者进行抉择，则在一定程度上涉及到误差。因此，如何降低误差的大小也是现代水文学发展的基本内容之一。

(3)随机水文学的产生使得现代水文学进一步发展。其将随机过程理论和时间序列分析技术引入水文学领域，弥补了确定性水文学和概率学水文学的缺陷[5]。然而，即使随机水文学具有明显的优点，其同时具有不完善之处。首先，线性参数随机模型认为两个概率密度函数相同，因此它描述的水文序列是一个时间可逆过程，而水文序列是不可逆的，故其难以客观地反映真实水文序列的变化规律；其次，水文系统是一个高度复杂、动态的非线性系统，其概率密度函数复杂且未知，某一指定的概率分布和真实分布存在着差异性；同时，水文序列的相依关系随变量的大小不同而不同，是一种状态相依关系，而大多是线性参数随机模型中的相依结构是固定的[5]。因此，为了弥补不足，新型随机模型的产生，比如门限自回归模型、基于核密度的非参数模型、基于小波分析的组合随机模型[6-8]等等。但是这些非参数随机模型也具有各自的优缺点，单一的模型不能全面的表征水文现在的各种特征。因此，将数学方法应用于水文学也是现代水文学发展的方向之一。

四、研究展望

基于水文学发展的演变过程和其不足之处，未来一段时期之内现代水文学发展趋势应集中于以下几个方面[4]：

(1)现代水文基础理论研究。现代水文的基础理论是建立在自然水循环动力学机理的理论上的，人类活动影响的加剧了水循环的二元性特性。因此，迫切需要在原有的水文学基础上，引入社会水循环和人类活动影响两个因素，形成符合现代水循环的二元认知模式及其理论基础。

(2)现代环境下的水文响应及其规律研究。一是全球变化和人类活动影响的水文响应，比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，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等。

(4)水文预测和预报研究。由于水文过程固有的随机特性，以及变化环境下的水文过程所具有非重复特性，基于传统水文学的方法往往不能有效指导未来水文调控实践需求。因此在一定预见期内利用数学方法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。

(5)现代水文观测和实验技术研究。一是水热通量观测技术[9]，包括新型的降水、蒸散发和径流观测技术；二是示踪剂同位素观测技术[10]；三是卫星遥感技术，包括基于GIS平台的水文空间信息的处理和挖掘技术。

五、结语

由此可见，现代水文学在理论上还存在很多缺陷与不足，人们对水文学的认识还存在一定的阶段，对研究现代水文学的新技术新方法才刚刚起步。因此，在未来的水文学发展中，应该对理论知识进行研究，对目前出现的水文现状进行研究，对针对水文而提出的新方法新技术进行研究和应用，让现代水文学进入一个崭新的阶段。

[1]芮孝芳.水文学原理[M].高等教育出版社,2013.

[2]詹道江.工程水文学[M].中国水利水电出版社,2010.

[3]芮孝芳.环境水文学的产生与发展前景[J].河海大学科技情报,1990,1):95-9.

[4]王浩,王建华.现代水文学发展趋势及其基本方法的思考[J].中国科技论文,2007,2(9):617-20.

[5]丁晶,高荣松,邓育仁.随机水文学[J].四川水力发电,1984,(2)

[6]王文圣,袁鹏,丁晶,et al.门限自回归模型及其在水文随机模拟中的应用[J].四川水力发电,2001,20(b07):47-50.

[7]王文圣,丁晶.非参数解集模型及其在水文随机模拟中的应用[J].四川水力发电,1999,1):60-2.

[8]王文圣,丁晶,向红莲.小波分析在水文学中的应用研究及展望[J].水科学进展,2002,13(4):515-20.

[9]孙睿,刘昌明.地表水热通量研究进展[J].应用生态学报,2003,14(3):434-8.

[10]宋献方,柳鉴容,孙晓敏,et al.基于CERN的中国大气降水同位素观测网络[J].地球科学进展,2007,22(7):738-47.

廖翔(1994-)，男，硕士研究生，主要从事水文水资源研究。