人水关系学的时空观及研究方法

2022-12-02左其亭

人民珠江 2022年11期

左其亭

(1.郑州大学水利科学与工程学院，河南郑州 450001；2.郑州大学水科学研究中心，河南郑州 450001)

人水关系的作用过程、演变规律、调控措施等的研究涉及两大要素：一是时间要素。人水关系研究的对象需具体到某一时刻或某一时间段，其变化又是随着时间的变化而变化，其关注的时间尺度大小也不同，比如到年统计值还是到月或日统计值；二是空间要素。同样的道理，人水关系研究的对象需具体到某一空间范围，其变化也可能在空间上是变化的，其关注的空间尺度大小也不同，比如到全国统计值还是到省级行政区或地级行政区统计值。因此，研究人水关系需要明确时间、空间要素的特征。人水关系科学不可回避时间、空间属性问题，但如何对待这一问题呢？笔者认为，人水关系学在形成之初就应该形成一套比较科学的观点，来指导这一问题的解决。

关于时空观的问题，不同学科有不同的理解和论述。比如，从哲学角度的理解，比较有代表性的是关于马克思时空观的论述[1]，还有亚里士多德的朴素时空观、牛顿的绝对时空观、爱因斯坦的相对时空观[2]等。在自然科学中，与时空观比较接近的内容有时间尺度问题、空间尺度问题。关于尺度问题的研究已有大量成果，比如，在地学[3]、遥感[4]、地理信息[5]、水文气象[6]、生态环境[7]、土地利用[8]、河流健康[9]、政策模拟[10]等方面，已经持续半个多世纪的研究。但缺少更深一步、更宏观一步对时间和空间尺度问题的哲学思维的总结，很少形成本学科统一的时空观。当然，造成这一局面的主要原因是，时空尺度问题一直是学术难点问题[11]。

为了系统研究人水关系科学问题、有效应对人类活动带来的人水关系变化、合理制定人水关系调控方案、积极培养人水关系学科专业人才，笔者于2021年首次提出人水关系学的概念与学科体系[12]，随后论述了人水关系学的基本原理及理论方法[13-14]。本文在此基础上，系统总结该学科的时空观，介绍其主要研究方法。

1 人水关系研究的时空尺度问题

1.1 问题的提出：基于2个例子

例1：水库建设对河流年径流量的影响分析。某水文站观测的年径流量(单位：亿m3/年)见图1，在该水文站上游建设一大型水库，1988年建成运行。假如只观测到1984—2005年共12年径流量数据(图1中粗黑色线)，也就是说，仅从1984—2005年变化趋势看，很容易得出“因为水库修建，导致径流量快速下降”的结论。当然，这一结论是基于相同或相似降水条件下得出的。但如果把所有观测值(1922—2005年)放在一个系列看，历史上也出现更低的年径流量数值，至少无法说明因水库修建导致径流量快速下降。而现实中，从2006年开始，又观测到年径流量值有显著抬升的趋势。因此，由于研究的时间范围不同，就有可能得到不同的结论，当然也可能是错误的结论。

图1 某水文站年径流量变化曲线

例2：跨流域调水工程的效益和影响分析。如图2，示意一般跨流域调水的分区结构，由调出区、输水区、调入区组成。一般情况下，针对调入区，调水工程的正效益很显然，是正面评价；针对调出区，肯定会因河流水量减少而带来一定的影响，是负面评价。因此，如果站在调入区的角度，肯定都说调水工程好；但如果站在全系统的层面，是利大于弊还是弊大于利？显然有2种不同的结果。比如，对南水北调工程的宣传，多数都在罗列其带来华北地区的重大效益，而很少提其带来的负面影响，尽管可能这种负面影响较小。这就是，由于所关注的空间范围不同，就有可能得到不同的结论，当然也可能是错误的结论。

图2 跨流域调水工程效益论证空间范围示意

1.2 人水关系研究的时空尺度

尺度问题是水文学、地理学、遥感、资源等学科研究客观存在且普遍认知的难点问题，已有大量的论述和研究途径[5，7]，但至今还是困扰学者的难题。本文所指的时间和空间尺度问题包括时间和空间研究的范围、尺度大小两大类问题。

针对人水关系研究，有明显的不同时空研究视角，在学科分类中包括宏观人水关系学、微观人水关系学，这其中就包括不同的时间、空间尺度视角。宏观人水关系学是针对宏观空间范围(如全国、省级行政区)、时间范围(年、多年范围)，研究其总体问题，采用的是总量指标(比如，水资源总量、人口总数)。微观人水关系学是针对微观空间范围(如某一个单位、行业)、时间范围(日、月范围)，研究其单个问题，采用的是单一度量指标(比如河川径流量、流量、流速)[13]。

人水关系学的空间尺度可以是全球、洲、国家、国家下辖行政区、更小行政区、城市区、分单元等；时间尺度可以是地质时代、年代、年、月、日、小时、分钟、秒等。为了说明问题，分别从人水关系相互作用的两方面，列举了几个具体研究事件供参考，见表1。

表1 人水关系研究的时空尺度举例一览

续表1 人水关系研究的时空尺度举例一览

人类活动对水系统的作用举例。①洪水演进与防洪调度：因洪水演进变化快，时间尺度经常采用小时、分钟甚至秒，空间范围包括洪水影响到的区域，比如河道、水库、防护对象、低洼处等，空间尺度可以是1、100、1 000 m等不同尺度；②水库、水库群调度：针对水库防洪、发电、供水等多种目的的单个水库调度和多个水库群联合调度，时间尺度可以是分钟、小时、日、旬、月、年、多年，空间尺度可以是1、100、1 000 m等，空间范围为水库或水库群及其影响范围；③水利工程建设对水文条件和水生态系统的影响：拦河大坝、水库等工程建设带来水文条件和水生态系统的变化，时间尺度可以是月、年、10年、50年等，空间尺度可以是10、100、1 000、10 000 m等，空间范围为工程建设和运行的影响范围；④调水工程的作用：在其调出区、输水区、调入区发生不同的变化，时间尺度可以是月、年、10年、50年，空间尺度可以是10、100、1 000 m，其空间范围应是调水工程建设、运行以及影响的范围；⑤污水排放影响水质及污染控制：需要研究污水排放影响水质作用机理以及污染控制措施，时间尺度可以是小时、日、旬、月、年，空间尺度可以是1、10、100、1 000 m等，其空间范围为污水产生区域和影响水体的区域；⑥退耕还林还草政策的作用：退耕还林还草是国家政策，涉及区域广，时间尺度可以是月、年、10年等，空间尺度可以是100、1 000、10 000 m等，其空间范围为退耕还林还草范围以及其影响的范围。

水系统变化对人类社会的影响举例。①干旱缺水对生产的制约作用：时间尺度可以是日、旬、月、年，空间尺度可以是10、100、1 000 m等，其空间范围为干旱缺水波及到的区域范围；②水生态系统变化及影响调控：时间尺度可以是日、月、年、10年、50年等，空间尺度可以是10、100、1 000 m等，其空间范围为水生态系统变化及影响范围；③饮用水污染对人体健康的影响：时间尺度可以是小时、日、月、年、10年等，空间尺度可以是1、10、100、1 000 m等，其空间范围为饮用水受污染范围及其对人体健康影响的范围；④水资源格局变化带来土地利用变化：时间尺度可以是月、年、10年等，空间尺度可以是10、100、1 000 m等，其空间范围为水资源格局变化及其带来的土地利用变化范围；⑤水能资源开发利用的作用：时间尺度可以是日、旬、月、年等，空间尺度可以是10、100、1 000 m等，其空间范围为水能资源所在河流、以及开发利用受益范围；⑥气候变化带来用水影响：时间尺度可以是月、年、10年、100年等，空间尺度可以是100、1 000、10 000、100 000 m等，其空间范围为全球范围或气候变化的影响范围。

2 人水关系学的时空观

2.1 时间观的主要论点

a)人水关系是动态的，随时都在变化之中，时间是永恒的、无限的。按照辩证唯物主义的观点，运动是绝对的，静止是相对的；绝对运动和相对静止是辩证统一。基于这一论点，在分析人水关系时，需要从长系列进行分析，如果只节选其中一段变化过程进行分析，所得的结果可能存在片面性。比如，在上文列举的例1中，选择不同的时间段就可能会得出不同甚至相反的结论。

b)人水关系存在相对平衡，可以从一平衡状态转移到另一平衡状态。辩证唯物主义观点承认“相对静止”，具体到人水关系问题，其存在相对平衡状态。由于外界条件或内因发生变化，平衡状态会发生转移，形成新的平衡状态。基于这一论点，在分析人水关系时，可以针对某一时间段的状态进行分析，同时也应适应人水关系的平衡状态变化。比如，对气候变化和人类活动影响带来的水系统变化，人类应主动适应这一条件带来的变化。

c)人水关系时间范围的选择，以获得唯一解、辨析演变规律为准则。如果达不到这一准则，所得结果的可靠性降低。比如，如果有4种结果，目前只是其中1种结果，则该结果的可靠度(μ)=1/4。针对同一个问题(例1)，选择的时间范围越小，所得结果的可靠性会越低，反之会越高。因此，应尽可能选择的时间长，观测清晰的演变规律，了解比较可靠的变化趋势。但是，往往因为条件限制或研究投入的限制，只能选择有限的时间范围，当观察的时间不够长，需要谨慎下结论，如果下了结论，一定要告诉大家其存在的不确定性，可能会有不同的结果。

d)人水关系时间尺度的选择，综合考虑演变过程、观测数据和参数。在表1中列举了几个研究事件，并给出了可供选择的时间尺度，比如，研究调水工程的作用，时间尺度可选择月、年、10年、50年等；研究水资源格局变化带来土地利用变化，时间尺度可选择月、年、10年等。这里所说的时间尺度是指时间分辨率、时间步长，不包括其他更广泛的概念和内涵。关于时间尺度的研究已经非常多，但至今也是难以解决的难点问题，本文不再详细论述。

2.2 空间观的主要论点

a)人水关系都处在一定空间上，其所在空间是客观存在的、无限的。按照马克思的时空观点，任一物质运动的时间和空间都是客观存在的，都是无限的、无始无终的。基于这一论点，在分析人水关系时首先要明确其空间范围，不恰当的空间范围必然会得出不科学的结论。比如，在列举的例2中，就是因为对空间范围认识上的问题可能会带来错误的结论。

b)人水系统广泛存在空间变异性，要充分认识和调控空间的不均衡。水系统、人文系统、人水系统以及人水关系特性都广泛存在空间变异性，不可能要求其空间上是完全均衡的。同时也正是因为这种空间变异性，导致人水关系在空间上的复杂性和水资源调控的艰巨性。比如，中国提出的“空间均衡”治水思路和“国家水网”战略，就是在一定程度上为了解决水资源空间的不均衡问题。

c)人水关系空间范围的选择，以反映全空间特性、看到全貌为准则。要避免“管中窥豹”，实现“眼观六路”“纵览全局”。站在本区域视角，所得的结论只能代表本区域，代表全区域事件的结果就需要站在全区域上。比如，在列举的例2中，站在不同空间角度就会得到不同甚至相反的结论。当然，往往因为条件限制、视野局限、立场局限或研究投入的不足，只选择有限的空间范围，这时得到的结论可能会存在不全面、不可靠问题。

d)人水关系空间尺度的选择，综合考虑空间变异、数据单元和参数。在表1中列举了几个研究事件，同样给出了可供选择的空间尺度，比如，研究水利工程建设对水文条件和水生态系统的影响，空间尺度可选择10、100、1 000、10 000 m等；研究饮用水污染对人体健康的影响，空间尺度可选择1、10、100、1 000 m等。与时间尺度类似，这里所说的空间尺度是指空间分辨率、空间变化步长，不包括其他更广泛的概念和内涵。与时间尺度一样，关于空间尺度的研究已经非常多，但至今也是难以解决的难点问题，本文不再详细论述。

3 人水关系时空分析的研究方法与展望

3.1 研究方法

归纳起来，主要有三大类，分别是：时间序列分析方法、空间演变分析方法、时间空间耦合分析方法。

a)时间序列分析方法。这是自然科学中非常常见的一类分析方法，就是基于时间序列(数据或认知)，分析其随时间变化的过程。其具体的方法有多种，在不同学科也有多种应用，包括在人水关系研究中的应用。①以定性和定量结合的历史演绎方法。为了分析人类活动对水系统的影响作用，人类观测的数据多数不到100年，很难有几百年的观测数据，这种时间长度的分析显然不足以分析历史演变规律。为了解决这一问题，可以把人类活动的表象(历史记载、活动古迹)纳入到历史长河中进行定量和定性相结合分析，再现人类历史的发展脉络，有助于分析人水关系的演变过程。比如，分析黄河流域人类活动对生态环境演变的作用，可能要追溯到人类社会早期到现在的发展过程[15]。②通过构建时间序列模型，来定量模拟人水关系的演变过程。比如，通过构建回归方程模型、系统动力学模型、系统演变模型等[16]，建立河川径流量随时间变化的方程，建立用水量与人口数量、工业产值、农业灌溉面积等之间的动态演进关系等。③研究时间序列的趋势、周期性、变异性、突变点、均衡程度等方法。基于时间序列，采用不同方法进行分析。比如，采用趋势线方法分析发展态势，采用周期分析方法判别序列周期性，采用水文变异联合分级方法识别时间序列变异性和突变点[17]，采用泰尔指数等方法计算时间序列的均衡程度[18]。

b)空间演变分析方法。这类方法是基于空间信息，采用某种模型或工具，对空间上的变化特征或规律进行分析。①采用空间数据聚类、空间回归、区域差异等方法，分析空间演变趋势。目前关于空间分析的方法比较多，比如，采用空间数据聚类方法，可以分析土地利用变化趋势、水资源空间变化趋势[19]；采用空间回归模型，分析区域数字化土壤分布规律[20]；以及采用区域差异分析等手段，分析水系统空间变化等[21]。②通过构建模拟模型，对空间演变规律进行分析。可用于空间演变分析的模型，有些是专门针对空间分析建立的模型，有些是包含空间分析这一功能。比如，构建的空间转移矩阵模型就是专门针对空间分析构建的模型[22]；通过构建人水系统的系统动力学模型、分布式模型、单元系统模型等，不仅可以用于分析空间变化也可以分析其他变化规律，不是专门针对空间变化构建的模型。③基于GIS工具、MIKE软件、MATLAB工具箱等，直接进行空间分析。目前已有一些常用的工具或软件可以应用于空间分析。比如，地理信息系统(GIS)具有强大的空间分析功能，已广泛应用于不同空间分析的研究中[23]；MIKE软件和MATLAB工具箱也包含强大的空间分析功能模块。

c)时间空间耦合分析方法。除以上单独针对时间序列、空间演变进行分析外，较多情况是同时针对时间、空间的分析。时间、空间属性是人水系统的基本属性，分析和调控人水关系一般需要明确时间和空间变量，针对一定的时间和空间范围开展研究。①时间空间耦合回归分析。其思路与单独开展时间或空间回归分析一致，采用回归方程进行拟合建立模型，所不同的是其参变量同时包括时间、空间变量，建立同时包括时间、空间参变量的耦合回归方程模型。②通过构建模拟模型，对时间空间进行耦合分析。上文提到的系统动力学模型、分布式模型、单元系统模型等，可以同时用于模拟分析时间、空间变化。③基于GIS工具、MIKE软件、MATLAB工具箱等，进行时间空间耦合分析。上文提到的GIS、MIKE、MATLAB这几个工具或软件，都可以同时进行时间、空间耦合分析。

3.2 研究展望

a)人水关系的时空属性研究一直是热点问题，仍需不断探索。人水系统具有鲜明的时间和空间属性，揭示人水关系特征的重要内容是阐明其时间和空间属性。虽然目前关于这方面的研究较多，但因为其极其复杂，内容非常广泛，仍需加强研究，也一直是研究的热点问题。

b)基于科学的时空观，研究人水关系具体问题，任重而道远。上文介绍了人水关系时空分析的研究方法，实际上，只是列举了这些方法，但每个方法的局限性、存在的问题没有进行深入讨论。科研工作者在具体使用中常常会遇到认识上的问题，可能会带来结果和结论的偏差，甚至是相反的结论。比如，上文给出的例1和例2，假如通过分析，得到的不是唯一解，其结果的可靠性就要打折扣，如果有n种结果，目前只是其中1种结果，则该结果的可靠度(μ)=1/n；如果真实结果是区间范围[a,b]，范围宽=b-a，计算结果的范围是[c,d]，范围宽=d-c,[c,d]∈[a,b]，则该结果的可靠度(μ)=(d-c)/(b-a)。究其原因，主要是对时空观的认识以及所站视角可能存在着差异，不能简单地理解“采用相关方法分析就行”，需要从深层次分析时空观以及研究结果和结论的科学性、合理性。目前关于这方面的研究还远远不够。

c)时空尺度问题一直是学术上的难点问题，需要进一步研究。时间、空间的尺度选择、尺度转化以及结果分析等许多尺度问题，都是学者关注的热点问题，也是学术上的难点问题。比如，尺度选择的大了，可能会漏掉有些信息，所得结果比较粗，但计算量和需要的信息就小的多；相反，尺度选择的小了，计算量和需要的信息大增，貌似所得结果较细，反映的信息较多，但是所得结果并不一定就好。