工程水文学在中国的发展

芮孝芳

（河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098）

水文学是研究地球系统中水文循环和陆地水体中水文现象的学科。地球可视为圈层结构，大气圈、生物圈、水圈和岩石圈构成了地球系统。水圈是地球水体的总称，它渗透于地球其他圈层之中，是地球各圈层联系的重要纽带。水体是指地球系统中的储水空间。陆地水体主要有河流、湖泊、水库、湿地、包气带、含水层、冰川等。水文循环发生在地球的不同区域，有不同的空间尺度，水文现象则林林总总，它们都与人类的生存与发展息息相关。水文学将揭示水文循环演化规律和水文现象的发生机理及时空变化，以及与生态环境的相互作用作为研究任务；将为防治水旱灾害、开发利用水资源、保护生态环境提供必须的水文依据作为服务对象。地球上不同区域的水文循环和不同水体的水文现象既有共性，又有区域特点。水文学因此而具有地学特征，属于地球物理学的一个分支。水工程的兴建和运行管理都必须遵循水文规律，并且又会对水文规律产生反馈作用。水文学因此而成为经济社会可持续发展的支撑学科，属于水利科学的组成部分。本文试图论述水文学在中国的发展和中国水文学者对水文学的主要贡献，阐述中国水文学者对水文学未来愿景的展望。

1 古代水文

中国是世界四大文明古国之一，它所拥有的960万km2万水千山是一方水文学生长的沃土。考古发掘证明，距今5000多年前浙江余姚河姆渡已有了地下水井，说明先祖们对地下水现象已有一定认识［1］。广泛流传于民间的大禹治水故事表明，距今4000多年前先民们就认识到“水性就下”和“水来土挡”的道理。大禹利用这些道理疏导排洪，使治水获得了成功。出土的商代甲骨文显示，距今3000多年前已经有了描写雨、泉、洪水等的象形文字。成书于2500多年前的《黄帝内经·素问》对“成云致雨”就有了详细的描述：“地气上为云，天气下为雨。雨出地气，云出天气。”成书于2400多年前的《庄子·徐无鬼》更有了对蒸发影响因子和水量平衡的仔细观察：“风之过河也有损焉，日之过河也有损焉。请只风与日相与守河，而河以为未始其樱也，恃源而往者也。”意即蒸发是河水的一种损失，与风和日照有关，人们之所以觉察不出河水因蒸发而损失，是因为河流的上游不断有来水补充。成书于670多年前的《宋史·河渠志》曾指出植物生长期与自然界来水情况有一定关系，故用“桃花水”、“菜花水”、“麦黄水”等来形象地表达一年中不同时期的汛情，并认识到“自立春之后，东风解冻，河边人候水，初至凡一寸，则夏秋当至一尺，颇为信验。”故而“信水”就成为“春汛”的古名了。

用五官感知自然现象是人类的本能，欲进一步认识自然现象还须对其进行超越感知的定量观测。据《尚书·禹贡》记载，早在大禹治水时期就有了用“随山刊木”来观测水位的方法。《水经注》记载的黄河支流伊河龙门崖壁上水位“举高四丈五尺”的刻记距今已有2300多年［2］。更为可观的是通过调查考证发现长江重庆至宜昌河段至今仍保存着1153年至1870年期间发生的6次特大洪水的114处最高水位的刻记［3］。重庆白鹤梁至今仍保存着自唐大历三年（768）以来发生的72个枯水年的163条石鱼图形刻记［1］。张戎是距今2000多年的西汉人士，据《汉书·沟洫志》记载［2］，当时他就已认识到黄河下游易决溢的主要原因是泥沙淤积，并开创了“束水攻沙”的治黄思想的先河。他所提出的“河水重浊，号为一石水而六斗泥”，不仅表明黄河泥沙含量甚高，而且给出了含沙率的定义和测定方法。明嘉靖十四年（1535），刘天和研制了一种称为“乘沙量水器”的泥沙采样器［2］。宋开庆元年（1259）在浙江宁波甬江的平桥旁设立了水尺，并已懂得视河中水位变化来控制水闸闸门，以满足灌溉要求的道理。李好文于1344年至1346年间著述的《长安图志》［2］一书提出可用“缴”作为流量的计量单位。“量彻入渠水头，深广方一尺谓之一缴。”就是说，在渠口断面处立一水尺，将水深与断面平均宽度相乘即得入渠水量的“缴”数。从现代观点看，因流速变化与水深有关，故过水断面面积的变化能反映流量的变化。秦代在《田律》中规定［1］：在农作物生长季必须随时向朝廷报告降水量、水旱灾害、受灾田亩等情况。表明中国早在秦代就开始了降水的定量观测。宋代秦九韶所著《数学九章》就有全国“州群都有天地盆以测雨水”的记载，而且给出了将竹笼量雪器中积雪换算成平地降雪深和将天地盆中雨水深换算成平地降雨深的计算方法［2］。明永乐二十二年（1424）就能用统一制作的标准测雨器测量雨量了［1］。

在定性观察、进而定量观测水文现象的过程中，人们自然会产生一些好奇心。距今2400多年前的屈原在《天问》［2］一文中就发问道“东流不溢，孰知其故？”对自古以来百川归海而海水并不溢出提出疑问，寻求答案。由此开启了中国古代长达千年的关于水文学基本科学问题之一水文循环的讨论。成书于2300年前的《吕氏春秋·圜道》［2］是这样回答这个问题的：“云气西行云云然，冬夏不辍，水泉东流，日夜不休，上不竭，下不满，小为大，重为轻。圜道也。”就是说，水汽从海洋不断随风吹向西方，在大陆上空周转回旋、凝结，降落为雨；地上、地下的水流向东方，日夜运动，川流不息，海洋也注不满；涓滴汇合成河海，河海之水蒸发为浮云。这就提出应该用水文循环概念来回答屈原的疑问。嗣后，南朝宋元嘉十九年（442），何承天在其所著《宋书·天文志》［2］一书的“论浑天象体”篇中指出：“百川发源，皆自山出，由高趋下，归注于海。日为阳精，光耀炎炽，一夜入水，所经燋竭。百川归注，足以相补。故旱不为减，浸不为溢。”认为太阳是水文循环的巨大能源，使海水蒸发，而众多河流的注入又足以补偿其损耗，以致海水不增不减。唐元和元年（806），柳宗元在《天对》［2］一文中对屈原疑问的回答就十分接近现代关于水文循环的论述了，他说：“东穷归墟，又环西盈。脉穴土区，而浊浊清清。坟垆燥疏，渗渴而升。充融有余，泄漏复行。器运浟浟，又何溢为？”意思是：水向东流归大海，海水蒸发为云，又回到大陆上空降落为雨。填充在土壤孔隙里的水有浊有清。高处的土壤干燥，水渗入后土壤中水份增加。土壤水份达到饱和后就会产生径流，水流从不同的途径运行，最终注入大海。如此循环不已，海洋怎会漫溢呢？

上述通过考古发掘、典籍记载、民间传说等资料梳理出的中国古代对水文现象的观察、观测和推理，虽不够全面，但与文献［4］所报道的世界其他国家和地区的古代水文比较，已是领先了，尤其是关于降水形成、蒸发影响因子、水文循环等的论述已经与现代的认识颇为接近。

2 定量水文学时期

发生于14世纪至16世纪的欧洲文艺复兴运动的重要意义在于使人类从相信神转变到相信科学，迎来了此后的现代科学技术大发展。伽利略的比萨斜塔自由落体实验开启了科学研究的实验范式。希腊哲学家创立的形式逻辑学导致了科学研究的理论范式。从17世纪到19世纪，这两种科学范式的结合揭示了一系列科学奥秘，产生了许多科学理论。牛顿力学体系的建立就是实验范式和理论范式完美结合的典型事件。西方定量水文学就是在这样的背景下兴起的。文献［4］认为西方定量水文学始于17世纪后半叶，主要标志有三：一是法国人P.Perranlt于1674年根据观测资料证实了塞纳河流域多年平均降水量的1/6就能维持塞纳河终年常流；二是法国人E.Meriott于1686年用科学方法讨论了水流运动和流量问题；三是英国人E.Halley于1687、1691、1694和1715年相继4次发表有关蒸发实验和泉水起源的论文，证明海洋蒸发产生的水汽以降水形式回到地面，指出凡存在河流的区域一定是降水量能维持河流水量的地方。联合国教科文组织将1674年定为定量水文学诞生之年就是基于此。在实验范式和理论范式完美结合的推动下，定量水文学在西方取得了很大的成就。1856年在实验基础上得出了描写渗流运动的Darcy定律［5］，1871年根据质量守恒定律和能量守恒定律从理论上导出了描写明渠缓变不稳定水流运动的St.Venant方程组［5］。前者为究研下渗、产流、地下水运动奠定了基础，后者则成为研究坡面汇流和河湖洪水波运动的基础。1914年W.E.Fuller［6］和A.Hazn［7］先后将概率引入水文学，创立了水文频率计算。1921年C.N.Ross［8］提出面积-时间曲线，并用于坡面汇流计算。1930年美国波士顿土木工程协会建立了瞬时单位线概念［9］。1932年L.K Shermam［10］创立了单位线理论。1935年R.E.Horton［11］建立了均质包气带的降雨下渗模式和产流理论。1938年G.T.McCarthy［12］发明了Muskingum洪水演算法。到1940年代，为水工程兴建提供水文依据的定量水文学即工程水文学已经基本上满足了当时经济社会发展的需要。

但在这一时期，中国水文学的发展基本上仍然走着古代水文发展之老路，基本上仍停留在观察、观测和定性推理上，直到20世纪初才开始引进一些西方水文学的研究成果。1637年至1685年平民出身的陈潢将计算土方的方法引入流量计算，称水体“纵横一丈高一丈为一方”水，以一昼夜河流中流过多少方水“计此河能行水几方”［2］。据《东华录》记载［2］，到了清康熙三十一年（1692），康熙皇帝提出了更为明确的流量计算方法：“先量闸口阔狭，计一秒所流几何，积至一昼夜，则所流多寡可以数计矣。”这里“闸口阔狭”是指过水断面之大小，“一秒所流几何”是指流速，两者相乘即得流量。雍正三年（1725）出现了用浮标测流速的方法［1］。18世纪后，全国各州县陆续开始记录降雨、降雪的起止时间，测量降水深，称之为“雨雪分寸”。宫博物院至今仍保存有清乾隆元年（1736）至宣统元年（1909）一些地方的雨雪分寸记录［1］。乾隆元年（1736）诞生了中国第一张等雨量线图［1］。乾隆十一年（1746），在黄河老坝口、洪泽湖古沟坝等处设立了水位站，时称“立水志”［1］；自清同治四年（1865）起则先后在长江、松花江、珠江等设立多处水位站。20世纪初，随着一批赴欧美留学的知识分子学成回国，引进西方定量水文学成就成为一种潮流。1925年徐世大进行了永定河水文泥沙计算［1］。1928至1929年，顾世楫主持制定了中国最早的《水文测验规范》，又于1931年撰写“水面蒸发量之测验”一文，倡导全国统一使用直经为80 cm、高为40 cm带套盆的蒸发器［1］。1933年须恺利用淮河蚌埠等站的实测洪水资料进行了频率分析［1］。1934年在进行黄河流域水文网站规划时提出的水文站布设原则至今仍有参考价值［1］。

不难看出，在定量水文学时期，由于中国水文学未能及时融入以实验与理论范式相结合为特征的科学研究方法，几乎没有产生对世界有较大贡献或有较大世界影响力的水文学成果。

3 现在水文学发展

如果对水文循环演化和水文现象形成及变化的关注是出于人类的好奇心，那么水文学的发展是与经济社会发展密不可分的。1949年新中国成立标志着中国经济社会发展历史揭开了新的一页。1945年世界上第一台电子计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生则标志着世界科学技术发展进入了以计算机科学为代表的信息化时代。受经济社会发展，尤其是大规模水利建设和现代生态文明建设的驱动，在日新月异的科学技术成就支撑下，70年来水文学在中国得到快速和深入的发展。逐步建立了布局比较合理的水文站网，制定了国家标准《水文测验规范》［13］，统一了全国水文测验技术标准，出版了《水文年鉴》，发展了自动化采集、传递、整编水文信息的技术，借助数据库技术和网络技术实现了水文信息共享。截止2010年，全国已建成各类水文测站42 682处，其中国家基本水文站3193处、水位站1467处、雨量站17 245处、地下水监测站12 991处、水质站6535处［14］。基于大量水文观测资料，结合有关水文实验探索了流域降雨径流形成机理，发展了产汇流理论，发现在湿润地区降雨产流以蓄满产流为主，而在干旱地区以超渗产流为主的事实，对流域降雨径流关系、等流时线、单位线、相应水位、流量演算等理论和方法作了一定的改进或创新，研制了流域水文模型［5，15-16］。又在大量实践基础上应用现代技术研发了许多结合中国江河洪水特点的洪水预报方法［17］，提高了预报精度，增长了有效预见期，在墒情预报、冰情预报、泥沙预报、水质预报、风暴潮预报、水资源量预报等方面也有一定建树［18-21］。制定了国家标准《水文情报预报规范》［22］。截止2010年，全国共有10 294处水文站拍报水情，1110处水文站发布水文预报［23］。对中国暴雨、洪水、干旱等发生情况、特点或规律进行了系统研究，《中国历史大洪水》［3］《中国暴雨》［24］《中国水旱灾害》［25］《中国历史干旱》［26］《中国历史大洪水调查资料汇编》［27］《中国水文图集》［28］等专著的出版集中反映了中国水文学者在中国暴雨、洪水、干旱和水文区域规律方面的研究成果。提出了一系列能较好解决中国水工程建设中所涉及的设计洪水和其他水文计算问题的理论和方法，主要有实测与调查洪水资料相结合的洪水频率计算［29］、小流域设计洪水的推理公式［30］、可能最大洪水推算［31-32］、古洪水探测［33］等，发现了“入库洪水变形”问题［34］，制定了国家标准《水利水电工程设计洪水计算规范》［34］。中国于1979年至1985年间进行了全国水资源评价［35］，探明了中国水资源的总量及时空分布特点。21世纪初又进行了第二次全国水资源评价，进一步明确了中国水资源并不富裕，重视水资源的合理开发利用和保护十分必要。

20世纪后半叶也是世界上水文学欣欣向荣时期，研究领域不断延拓和深入，科学研究范式与时俱进，技术手段日新月异。1951年M.A.Kohler和R.K.Linsley［36］研制发表了五变数降雨径流相关图。1957年加里宁和米留柯夫创立了特征河长理论［5］，同年J.E.Nash［37］推导出了根据“线性水库”串联假设的瞬时单位线的数学表达式。1974年T.Dunne［38］通过实验揭示了壤中水径流和饱和地面径流的形成机理，对Horton产流理论作了重要补充。1979年，I.Rodriguze-Iturb等人［39］利用统计力学思想，创立了地貌瞬时单位线性理论。这期间，V.Yevjevich等人［40-41］的一系列研究工作将统计水文学推进到随机水文学阶段；在美国还先后进行了可能最大降水、可能最大洪水和古洪水的研究。1960年代以后，随着计算机仿真模拟技术导致的流域水文模型的兴起，雷达、GIS、卫星遥感、互联网、无人机、大数据、人工智能等技术也相继引入水文学，大大促进了水文学的发展。大约从1970年代开始，一些国家和地区相继出现了水资源紧缺和水环境污染，甚至出现了水危机，水文学向水资源开发利用和水环境保护修复领域拓展己刻不容缓，水资源水文学、环境水文学、生态水文学［42］等因此而应运而生。为探讨旱涝规律，水文学家对大气、海洋和陆地的相互作用产生了研究兴趣。

这一时期，尤其是1978年以后，中国水文学的发展基本上与世界同步，而且在引进、吸收的基础上进行了许多创新，在流域水文模型、设计洪水等领域［43］，对水文学的发展做出了一定的贡献。

4 新安江模型

在1960年代之前，水文学家处理流域降雨径流形成问题都是分成产流和汇流两个阶段进行的。在汇流阶段有时再分成坡面汇流、河网汇流等阶段。至1960年代中期，中国水文学家［44］提出了考虑流域蓄水容量空间分布不均对产流影响的流域蓄水曲线；在实验基础上构建了流域蒸散发计算的三层模式；吸取Horton产流理论，提出了用稳定下渗率划分地面径流和地下水径流的方法；吸取Dunne产流理论，提出了用带有侧、底孔的线性水库概念来划分地面径流、壤中水径流和地下水径流；根据特征河长理论探讨了Muskingum法的物理意义，创造了Muskingum法连续演算，导出了连续演算公式；发展了Sherman单位线法，提出了一些能处理降雨空间分布不均对流域汇流影响的经验方法；在划分单元流域的基础上将流域汇流和洪水演算结合起来，发展了所谓“成因汇流理论”［15］。流域水文模型作为计算机科学与经典水文学相结合的产物，不仅将传统的产流和汇流计算程序化，达到快速计算的目的，而且为解决降雨径流形成中一些复杂问题提供了重要工具。1970年代初，因新安江水电站开展洪水预报调度之急需，以赵人俊为首的水文学者和工程师，将上述成果整合成体现“流域分单元、蒸散发分土层、产流分水源、汇流分阶段”的产流和汇流计算方法，并通过程序设计在计算机上得到实现，获得了令人满意的防洪发电调度效果。当时，流域水文模型在国外的应用已比较普遍，为了与国际接轨。赵人俊毅然将这一学术成果命名为“新安江模型”。1980年在英国牛津召开的国际水文预报学术讨论会上，新安江模型走向了世界［45］。1989年被国家遴选为建国40年100项重大科技成果之一［46］。

与国外大多数流域水文模型比较［47］，新安江流域水文模型具有如下特点或优势［15］：

（1）模型的产流结构明确适用于蓄满产流模式。“蓄满产流”是新安江模型区别于其他模型的基本标志。均质包气带和具有一个相对不透水层的不均质包气带分别为二水源新安江模型和三水源新安江模型适用的包气带结构。

（2）采用三层蒸散发计算模式。新安江模型采用的蒸散发计算模式来自对土壤蒸散发实验的认知和升华。早先采用“二层”蒸散发计算模式，后来普遍采用“三层”蒸散发计算模式。但无论哪种蒸散发计算模式，蒸散发能力都是重要的模型输入，而土壤蒸散发能力是难以直接观测的。新安江模型采用的以实测水面蒸发为基础再经流域水量平衡验证的方法，可以避免用经验公式计算蒸散发能力的缺陷。这种处理蒸散发能力的思路和方法是国外模型所没有的。

（3）用流域蓄水容量曲线考虑包气带缺水量空间分布不均匀对蓄满产流的影响；用自由水容量曲线考虑包气带自由水蓄量空间分布不均匀对饱和地面径流形成的影响。由于认识到除了下垫面条件空间分布不均影响产流面积变化外，还有降雨空间分布的不均，故指出这种具有统计意义的曲线只适用于分析降雨空间分布均匀情况下产流面积变化问题。虽然Stanford模型中也设置有下渗容量面积分配曲线，以考虑下垫面条件不均匀对超渗地面径流形成的影响，但是，在流域水文模型中设置流域蓄水容量曲线和自由水容量曲线是新安江模型的特点。

（4）必须设置分水源的计算结构。分水源或划分径流成份是为了使模型计算出的洪水过程能更好地符合实测过程。因为组成流域产流量的不同径流成份具有不同的汇流速度，只有对不同的径流成份采用不同的汇流速度才能使流域汇流计算更合理。二水源新安江模型按稳定下渗率将蓄满产流模式求得的流域产流量划分为地表径流和地下径流。三水源新安江模型是按线性水库的“溢出”、“侧孔流”和“底孔流”将按蓄满产流模式求得的流域产流量划分为地面径流、壤中水径流和地下水径流。新安江模型分水源采用的是“向下（Downward）”的分析思路，而国外模型几乎无一例外地采用“向上（Upward）”的分析思路。

（5）模型的汇流结构具有较好的包容性。将流域汇流分成子流域汇流和河网汇流两个阶段，子流域通过河网串并联就体现了流域汇流。子流域汇流一般采用Shermen单位线法，但也可以采用其他方法。河网汇流一般采用分段连续演算的Muskingum法，但也可以采用其他方法。

（6）采用“客观优选法”确定模型参数。新安江模型包含的参数，按参数的意义可分为几何参数、物理参数和经验参数；按确定参数的方法可分为直接量测、物理推算和率定；按对模拟结果的影响可分为敏感参数和不敏感参数。客观优选法的含义是［48］：对那些不敏感参数和物理概念明确的参数，先根据以往的经验或通过有关分析计算给出其值或合理范围，然后通过微调定出，再将需要率定的参数分成产流参数和汇流参数两组，分别拟定其目标函数和约束条件，再通过最优化方法确定。这样可使每个目标函数包括的待定参数尽可能少一些，从而尽可能避免由于参数互补性带来的“异参同效”问题。

新安江模型不但在国内得到广泛应用，成为国内最具影响力的流域水文模型，而且为世界气象组织所推荐，成为其水文业务综合系统（HOMS）的一个分件。美国国家天气局也在采用，爱尔兰国立大学Galway学院还将其编入研究生用教材。

5 设计洪水

世界上任何一项工程都是为效益而兴，都必须从安全着想。兴建水工程也不例外。水工程的运行环境主要是水体，故洪水是威胁其安全的主要因素。对于防洪工程，其防洪效益也必然与洪水有关。洪水每年不同，每年为保障工程安全或获取防洪效益所需的工程规模也不同。由此，可将工程规模作为工程安全或防洪效益的指标，对于无调蓄洪水功能和有调蓄洪水功能的水工程，这又分别取决于年最大流量和年最大调洪库容。如果有调蓄洪水功能的水工程的控制运用方式已经确定，那么年最大调洪库容又只与造成该年最大调洪库容的洪水过程或一定时段洪量有关。水文学家将一定控制运用方式下工程规模与洪水的关系称为功能函数。洪水每年不同是自然现象，工程一旦建成其规模却是确定不变的。这就产生了一个问题：该用怎样的工程规模去应对每年不同的洪水呢？设计洪水就是因此而产生的水文学的一个重要研究领域。70年来，设计洪水在中国的发展曾经历了将实测大洪水或历史大洪水或将其适当加成作为设计洪水，到通过频率计算确定设计洪水，到试图寻找极限洪水或可能最大洪水作为设计洪水，又回到主要通过频率计算并综合其他方法确定设计洪水的发展历程［31，49-50］。在这个发展历程中，中国水文学家完善了设计洪水理论，发展了洪水频率计算方法，主要贡献可归纳如下：

（1）认为洪水的年际演变是不确定性水文现象，在科学发展的现阶段，将其视作有统计规律可遵循的随机事件是合适的。用概率论与数理统计理论和方法来揭示其统计规律，并用分布函数或频率曲线描写这种统计规律是顺理成章的。中国水文学家指出，设计洪水是指“水利工程规划、设计、施工中符合指定设计标准的洪水”［34］。这就是说，如果将能使水工程的安全或防洪效益达到与经济社会发展基本适应的工程标准作为设计标准，那么符合设计标准的洪峰或时段洪量或洪水过程就是设计洪水。由功能函数可以看出，推求设计洪水的目的并不是直接推求洪水频率曲线，而是要寻求功能函数频率曲线。理论上这是两个不同的概念，但存在转换关系。将洪水频率曲线转换成功能函数频率曲线才是确定设计洪水，这属于概率论中求随机变量函数的分布函数问题［51-53］。

（2）证明了现行设计洪水计算方法能够较好地实现将洪水频率曲线转换为功能函数频率曲线［52-53］。不同类型的水工程，其工程规模与洪水的关系即功能函数并不相同。对于无调蓄洪水功能的水工程，因工程规模只与年最高水位有关，功能函数较为简单，只要获得年最大流量频率曲线就可转换成相应的年最高水位频率曲线。但对于有调蓄洪水功能的水工程，因工程规模一般取决于洪水过程，只在特殊情况下才可能取决于一定历时的洪量，功能函数就要复杂一些。这时，对特殊情况是将一定历时的洪量的频率曲线转换成功能函数频率曲线，而对一般情况是将描写洪水过程统计规律的多维分布函数转换成功能函数频率曲线。事实上，对于无调蓄洪水功能的水工程，由于功能函数即为水位-流量关系，故转换是容易的；对于有调蓄洪水功能的水工程，因功能函数复杂且不易获得，转换就困难一些了。典型洪水过程同倍比放大法和同频率放大法正是可以分别将一定时段洪量频率曲线和洪水多维分布函数转换成功能函数频率曲线的方法。

（3）改进了由小样本推估稀遇事件频率的方法。洪水作为一种随机现象，其发生概率不是先验的，而是后验的，故只能运用数理统计理论和方法，通过样本来推断总体的分布函数。但是洪水总体是无限的，由有限的几十年乃至百余年观测资料构成的洪水样本对一个无限总体来说仅是一个小样本。因此，中国水文学家认为洪水频率计算面临的科学问题主要就是如何以一个有限样本来推断无限总体的统计特性。为了尽可能增加样本容量，中国水文学家提出将调查考证到的历史大洪水［29，54］，甚至将考古发掘得到的比调查考证到的历史洪水更久远的古洪水加入洪水样本［33］，导出了用矩法确定这种“不连续样本”统计参数的公式［55］，将目估适线法转化为最优化适线法以减少目估适线的主观性，并证明了以期望值经验频率公式为基础的适线法，其有效性不仅好于矩法，而且好于其他类型的经验频率公式［56］。

（4）发现洪水现象虽是随机的，但描写其统计规律的统计参数在空间分布上却具有一定的确定性规律。例如由于主要受到气候条件的支配，统计参数在空间上具有非区性的特点。因此，中国水文学家提出了可以通过分析统计参数的等值线规律检查其合理性。在缺乏洪水资料的地区，还可利用这种等值线推求其洪水频率曲线。这种所谓“统计参数地区协调”［57］，对增加洪水频率计算成果的合理性和可靠性起到了重要作用，也为无资料地区推出设计洪水提供了一种方法。

（5）认为发展由暴雨资料，甚至气象资料推求设计洪水的理论和方法十分必要［58］。这个问题的实质也属于频率曲线的转换。中国水文学家研究表明，对于下垫面条件基本不变的流域，暴雨与洪水的发生基本是同频率的。通过设计暴雨推求设计洪水，不仅可以为那些有雨量资料而缺乏流量资料情况提供一个推求设计洪水的方法，而且也是受人类活动严重影响情况下推求设计洪水的主要方法。中国水文学家认为，水文学与气象学的深度交叉有可能赋予可能最大暴雨相应的频率，使其成为一种由气象资料推求设计洪水的方法。在现阶段，可能最大暴雨分析将有助于增加设计洪水成果的合理性，尤其对重大水工程，这也许是必须的［32］。

截止2011年底，中国（不含香港特别行政区，澳门特别行政区和台湾地区）已建成水库97 246座、装机容量大于等于500 kW的水电站20 866座、过闸流量大于等于5 m3/s的水闸96 226座、装机流量大于等于1 m3/s或者装机功率大于等于50 kW的泵站88 365座、河湖堤防267 532 km、农村供水工程5 887 460处。这些对我国经济社会发展起着保驾护航作用的水工程，经过建成后长达十几年到70年的运行表明，当面临特大洪水时，它们的安全之所以能得到保障、防洪兴利效益之所以得到发挥，上述中国水文学者发展并改进的设计洪水理论和方法功不可没。

6 展望未来的水文学

现代科学发展之路就是科学研究范式与时俱进之路。水文学就是在这样的背景中赢得自身发展的。17世纪中叶就有了基于实验范式和理论范式的水文学研究，并逐步形成了基于确定性思维的水文学。这一时期的水文学由于主要利用实验来认识和揭示水文现象形成机理、通过物理定律和数学推导来导出其动态规律、借助观测数据来验证结果的正确性，故称为物理水文学，或确定性水文学。物理水文学在发展中遇到的困难主要是面对时空变异十分复杂的水文现象，不能以满意的精度来揭示其动态规律，甚至无法揭示其动态规律。1920年代开始引入概率概念来寻求水文现象的统计规律，从而逐步形成了以概率论、数理统计、随机过程、时间序列分析等为基础的不确定思维的水文学，即统计水文学和随机水文学。但这种不确定性思维在揭示水文现象统计规律时都有必须的前提：频率计算要求样本独立、同分布；时间序列分析要求其具有各态历经性。由于至今仍无法直接精确验证水文现象是否满足这些前提，因此所得结果常常使人们在相信与疑惑之间犹豫。时至今日仅在确定水工程设计标准和风险分析中得到应用。仿真即模拟范式的出现与计算机的出现和计算机科学的发展分不开。仿真范式问世后，许多学科纷纷将本学科的成就与计算机科学相结合，解决了一些依靠实验范式和理论范式不易解决、甚至不能解决的问题。旨在阐述流域水文模型的研制和应用的仿真水文学即模型水文学就是在这样的背景下诞生的。由于模型毕竟是原型的概化或近似，因此它不可能将原型的一切特征都精细、精确地刻画出来，尤其像流域降雨径流形成和水文特征值年际演变这样复杂的水文现象。在模型研制和应用中遇到的问题，许多都属于反问题，反问题一般是不适定的，如何将反问题转换成正问题求解，困难甚多。这样就使得仿真水文学的发展道路并不平坦［59-60］。

任何一种科学研究范式都要用一定的思维和方法来解释世界、揭示自然现象形成机理、寻找其时空变化特点或规律的。在观测技术和方法落后的情况下，要想通过观测数据对自然现象进行客观、正确的认识是困难的，此时人们只能对那些不需要太多观测数据就能予以认识的简单现象，采用实验与理论相结合的范式或者仿真范式来揭示其形成机理及时空变化特点或规律，少量的观测数据主要用于对所得到的结果进行验证。但自然界总会存在一些更复杂的现象，仅依靠实验、理论和仿真范式是难以、甚至不可能揭示其形成机理和时空变化特点或规律的。对这类复杂自然现象，一旦观测技术和方法先进到能够采集到它们全面、精确、密集的观测数据时，那么凭借这样的观测数据也能达到正确认识它们的目的。事实上，观测数据原本就是现象形成机理和时空变化特点或规律留下的痕迹或印记，因此只要记录积累了全面、完整、精确、密集的对现象的观测数据，利用这样的数据就能够认识、揭示现象的形成机理和时空变化特点或规律。在水文学的未来发展中，当采用实验、理论、仿真等范式遇到困难时，可以选择的也许就是正在蓬勃兴起的科学研究的数据密集范式。这就预示着数据水文学在不久的将来也许会诞生［61-62］。

世界是物质的，也是数据的，密集的观测数据就是自然现象形成机理和时空变化规律不失真的描述。但是，仅凭人类的感官和四肢来感知和获得这样的数据几乎是不可能的。今天，与百年前、十几年前相比，观测技术方法已有了很大的进步，可以代替或延伸人类感官和四肢功能、高精度的科学仪器仪表层出不穷；搭载这些仪器仪表运载工具不仅已经进入太空，而且正在进入地球的各个角落；观测数据正在呈爆炸式增加。直接凭借密集数据精细、精确地描述水文现象，揭示水文现象的形成机理和时空变化规律，也许不再是遥远的梦想。数据密集范式在当代出现，是科学的进步，也是方法的回归。曾经有一种观点，认为一门学科如果强烈地依赖于观测数据，那么将被认为是缺乏理论或理论水平不高，甚至被说成是经验性学科。现在看来这是一种偏见。唯有实验、理论、仿真和数据密集范式的互补和融合，才可能揭示更复杂的自然规律，才可能解决经济社会发展中提出的更复杂的科学问题。笔者乐观地认为，水文学的发展已进入佳境，未来的水文学将是物理水文学、随机水文学、仿真水文学和数据水文学相互补充、融合发展的水文学，水文学对经济社会发展的支撑作用将会越来越重要。