清华大学水利水电工程系教授田富强：注重应用达尔文范式和前沿技术推动水文科技进步

水文被称为水旱灾害防御的“耳目”“尖兵”，也是一门传统的、与经济社会发展密切相关的学科。随着近年我国突破历史记录、颠覆传统认知的洪涝灾害频繁发生，传统的水文监测预报手段越来越难以满足当前防御需求。如何提高水文科技水平并及时精准提供雨水情监测预报信息，至关重要。近日，清华大学水利水电工程系教授田富强当选为国际水文科学协会副主席。田富强教授长期开展水文变化与预报研究，在水文变化机理与模拟、跨境河流水-能-粮耦合系统分析与水利益共享、干旱区灌溉可持续发展、山洪预警等方面取得了突出的学术成绩。8月4日，本刊聚焦水文科技、水文预报预警及洪水防御等话题采访了田富强教授。

中国水利：祝贺您当选为国际水文科学协会副主席，您还是国际水文十年研究计划（2013—2022）的第四届主席。请问如何认识水文学的发展趋势和特点？目前我国水文科技在国际上处于什么水平？

田富强：这两个问题都很大，我个人认识也有限。水文学是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律，以及运用这些规律为人类服务的知识体系。作为一门学科，现代水文学经历了不同的发展阶段。自20世纪30年代开始，国际上开展了一系列关于产汇流、蒸发、入渗规律的研究。比如谢尔曼提出单位线，霍顿提出均值包气带的产流理论，麦卡锡提出马斯京根洪水演算方法等，这些研究成果奠定了水文学的理论基础。20世纪60—90年代是应用水文学时期，这一时期的代表作是1988年由旅美华人Ven Te Chow等撰写的《Applied Hydrology》。1990—2010年是科学水文学时期。这一时期的标志性著作是1991年美国国家科学院出版的《Opportunities in the Hydrologic Sciences》，认为水文学是地球科学的一个分支，更强调水文的科学性和理论研究。2010年至今，水文学注重理论与应用相结合。理论上，大气环流、生物地球化学物质循环等是由水驱动的，因此水文学在地球科学中占据重要位置。应用上，水文与人们生活息息相关，需要解决兴水利除水害中的实际问题，比如近期海河流域洪水、城市洪涝灾害、山洪灾害等。从理论到实践再到理论，最后到如今的理论与应用并重，可以看出水文学发展呈现一个螺旋式上升的过程。

需要实事求是地评价我国水文科技的发展，既不能妄自菲薄也不能妄自尊大。个人认为，我国水文科技总体上仍处于“跟跑”和“并跑”的阶段，从0到1的创新突破还不多。从水文学最基本的三个问题来看：一是关键水文过程的机理，比如产汇流、蒸发、入渗等，我国缺少原创性的理论成果；二是水文模型，其中新安江模型用蓄水容量曲线描述下垫面变异性，属于原创性贡献，除此之外我国自主开发的水文模型软件不少，却缺乏在国际上得到广泛应用的模型，我国水文科技工作者仍在大量使用国外的SWAT、MIKE等模型；三是水文预报，目前实际水文预报业务主要还是靠第二和第三道防线，即雨量站网和水文站网，预见期受到很大的限制，而国际先进的水文预报已经与气象雷达、气象卫星、气象模式紧密结合。总之，我国水文科技要真正做到“领跑”，还有很长的路要走。

中国水利：您认为应该如何提升我国水文科技水平？通过国际交流合作，我们可以做什么？

田富强：水文学研究面临一些基础性问题，创新突破的难度很大，比如产汇流理论和主导产流机制、宏观尺度实际蒸发计算方法、人-水耦合系统演化理论等，需要长期监测积累和多学科交叉。我国水文地质条件复杂、气候类型多样，水问题的复杂程度高且规模大，与此同时，我国水利科技队伍庞大、科技投入也在不断增加，这为我国水文理论方法的原创性突破奠定了基础。当前阶段，在大问题、大队伍、大投入的条件下，如何实现原创性突破，是我们必须深入思考、认真探索的问题。

从方法论来说，科学研究有两种范式：牛顿范式和达尔文范式。牛顿范式是把世界还原成微观质点，通过研究质点的运动规律来认识世界。水文学应用牛顿范式，就需要研究水滴的运动规律，难点在于水落下来经过植被截留、土壤下渗等，面临着极端复杂的、动态的自然条件，甚至树林里小动物在地上挖个洞，水的边界条件都会发生变化。在极端复杂的流域尺度上，几乎不可能准确还原出水的运动情况。因此水文学研究应用牛顿范式难度很大。

达尔文范式是参照达尔文通过大量观察比较研究得出进化论的过程。水文学应用达尔文范式可通过降雨产流现象的比较集成研究，探寻产汇流规律。比如我们在密云水库源头的西台子小流域做了10年的小流域实验观测，积累了一些数据，发现在场次降雨量小于50 mm的条件下几乎不产流，雨再大一点则会有水从石缝里大量流出。这并不符合“南方蓄满产流，北方超渗产流”的普遍认知，我们仍然需要探索这些最基础的理论问题。不同流域的差别是多维度的，气候、植被、地形、地质条件等都存在差异，某一流域的水文规律并不一定符合其他流域实际。水文学研究需要通过大量现场观察、实验监测等开展比较集成分析，总结不同气候、植被、地形和地质条件下的产流机理，最终找到普遍性规律。

水文学研究目前多采用牛顿范式，今后应更加重视运用达尔文范式。仅依靠单一科研力量难以实现比较集成研究，这需要发挥我国集中力量办大事的举国体制优势，创新机制、有序高效地组织我国水文研究，从更大尺度上发现新机理、新规律，建立新理论、新方法，由此带来水文基础研究的新突破。

除了国内的比较集成研究，国际交流合作也是必要的。国际水文科学协会是水文科学领域的权威国际学术组织，为我国水文工作者和国际同行深入交流提供了平台。水文规律一般是在特定区域总结出来的，那么在不同国家或区域经济社会、自然地理条件下适应性如何？这些需要在国际范围内进行比较研究，综合集成形成理论。

中国水利：建设数字孪生流域作为推动新阶段水利高质量发展的重要路径，成为近年水利领域的研究热点。水文模型是其中的关键环节。请问我国水文模型发展现状如何？与构建数字孪生流域要求相比还存在哪些问题或差距？在加强行业指导、开展科技攻关等方面您有何建议？

田富强：数字孪生的概念最初来自飞机制造，通过传感器和数学物理模型实现飞机实时动态仿真模拟。对水利行业而言，数字孪生技术是非常重要且必要的方向性指引。如今信息技术发展迅猛，需要“借船出海”，推动水利行业进步。

田富强团队在怀柔西台子流域开展了10年观测实验，发现半湿润森林山区的主导产流机制是浅层地下水产流。2021年8月，北京北部山区出现强降雨，西台子实验流域发生较大洪水，田富强在洪水期开展现场观察，进一步证实理论分析结论。

数字孪生工程建设，可以通过安装各种传感器实现工程状态实时监测。相比而言，数字孪生流域建设难度更大，需要理论方法创新与进步。数字孪生流域需要模拟的是流域水文过程，比如流域中的水如何流动，未来24小时或者72小时会不会出现洪水等。这就意味着，一是要构建现实流域的数字化场景，为水文过程模拟提供准确的边界条件。但目前对于影响水文过程的土壤、水文地质等还缺乏有效的精细化监测手段，亟待实现技术突破。二是要优化完善水文模型。近20年，国际上关于水文模型的理论和模拟方法没有实质性进步。我国自主开发了很多水文模型，有些甚至达到了国际先进水平，但却缺乏具有自主品牌的、行业广泛应用的模型软件。这其中原因很多，比如对于水文过程机理的认识还不够深入，虽然百花齐放但尚未触及最深层的规律；关于水文模型在不同流域的适用性，缺乏系统细致的分析研究，难以在不同流域的数字孪生系统建设中进行推广；发达国家具有先发优势，且软件天然具有垄断性，国产水文模型如果没有实质性突破，实现替代的难度大；国内水文研究长期“跟跑”，甚至形成倾向使用国外软件的思维惯性，等等。

党的十八大以来，党中央实施创新驱动发展战略，把提升原始创新能力摆在更加突出的位置。解决水利科技及水文模型“卡脖子”的难题，推动水文科技创新取得突破性进展，需要在完善知识产权保护的前提下，组织行业力量开展协同攻关。

建议行业主管部门：一是应用达尔文范式，组织开展对全国水文模型的比较集成研究，摸清楚各个水文模型在不同流域、气候和地形地质条件下的准确性，进而总结提升，揭示普遍适用的水文规律；二是水文模型开发方面，可以在行业内组织开源水文模型研发，针对概念性、物理性等不同类型的水文模型，分别提出切实可行的技术路线，实现自主品牌的行业软件突破；三是通过行业组织，可以定期开展水文模型的比选和竞赛，激发行业创新创造活力，促进水文科技进步。

中国水利：提升预报、预警、预演、预案“四预”能力，对于做好水旱灾害防御工作至关重要。请问目前提升水文预报精度、延长预见期，需要破解哪些关键科技问题？

田富强：水文预报精度和预见期是一对矛盾，需要针对具体问题分析其主要矛盾或矛盾的主要方面。对于流域洪水防御，我国大江大河已经建立了包括水库、堤防、蓄滞洪区等在内比较完备的工程体系和水文监测预报非工程措施体系，水文预报主要解决梯级水库是蓄还是泄的问题，需要比较长的预见期和较高的预报精度，主要矛盾在于预见期。实现长预见期的水文预报，需要地球系统科学、气象学、水文学等多学科交叉融合。城市洪涝和山洪均有致灾历时短、灾害影响大的特征，预报的主要矛盾在于预报精度。

提升水文预报精度、延长预见期，从降水、产流、汇流、演进的链条看，各环节都存在影响因素，需要解决一系列关键科学问题。

一是降雨预报和监测。降雨预报主要来自各种短中期数值天气预报模式和中长期气候预测模式。对于预报精度，特别是极端降雨，降雨强度和点位的预报精度一直是国际难题，需要加强国际科研合作交流，共同破解难题。降雨监测数据主要来自雨量站、雷达、卫星监测。其中，雨量站是目前主要监测手段，但监测代表性较低，设备易损坏且管护困难；降雨卫星如GPM卫星适用于大尺度研究，其对降雨的监测精度目前难以满足水文预报的需要；测雨雷达则具有明显优势，覆盖面积大、空间分辨率高，结合卫星监测和天气模式等还可以开展临近预报，1～2小时的预报精度可达80%，为提前转移人员赢得宝贵时间，可最大限度避免人员伤亡，对于城市洪涝和山洪的临近预报具有明显应用潜力，短期内有望取得突破，最大限度发挥雨水情监测预报的第一道防线作用。

二是产流汇流过程。流域地表地形条件可以通过现有的激光雷达、无人机实现精确获取，但对地表以下复杂的土壤、地质条件以及土壤水分情况，尚缺乏有效的精细化监测手段。由此，模型产汇流参数的估算导致产流及汇流预报产生误差。在这一环节，摸清不同气候、植被和地形地质条件的产流汇流机制及其变化，以及升尺度规律和本构关系，是亟待突破的地方。

三是洪水演进过程。这需要有准确的河道地形信息，当前应用先进的激光雷达、无人机等技术可实现厘米级的精准测绘。结合水文站网径流数据的实时监测，河道汇流演进计算及预报相对比较成熟。关键问题在于大尺度流域预报中，精细化水文水动力模型的加速技术有待突破。

以上关键科技问题也是我本人承担的国家重点研发计划项目“山洪灾害信号早期识别与准确预警技术装备”的核心研究内容。在2023年7月底至8月初“杜苏芮”台风带来的特大暴雨洪水灾害中，项目团队与北京市水文总站、北京市水科学技术研究院、北京市智慧水务发展研究院等单位合作研发的北京模型和预报系统，针对北京市137条山洪沟给出了较为准确的预报成果，有力支持了北京市的防汛抢险工作。

中国水利：受气候变化影响，近年极端暴雨频发，尤其城市暴雨内涝灾害和山洪灾害成为社会热点话题，也是水旱灾害防御的薄弱环节。对于提升城市韧性及其应对极端暴雨能力，请问需要破解哪些科技前沿问题，您对此有何意见建议？

田富强：人多地少的基本国情决定了洪涝风险暴露增加将是我国城市化发展必然面对的主要挑战之一。在坚持完善城市发展空间规划的基础上，必须提升城市极端雨洪灾害的预报能力，推动韧性城市建设。

一是精准化降雨临近预报。超标准降雨是诱发城市洪涝灾害的重要因素，其出现概率受气候变化、城市扩张等因素影响而呈现显著增大的趋势。考虑到基于降雨量阈值的预警指标是当前开展雨洪灾害防御工作的重要依据，如何降低降雨中心落区与降雨强度变化的预报误差，努力实现2～3小时精准化降雨临近预报，是当前亟待攻破的前沿科学问题。

二是精细化城市洪涝模拟。城市具有空间异质性大、人类活动干预显著等特征，表现出复杂的产汇流过程。现有的城市洪涝模型模拟还存在一些问题，如主要使用自然流域的水文分析方案，无法有效反映典型气象驱动与下垫面条件下的单元产流特征；对城市地下空间、雨洪调蓄设施等关键环节进行简化处理，无法全面反映城市水循环系统，易导致雨洪风险管理出现盲点区域。城市暴雨洪水预报研究的重要任务是研究典型城市下垫面的产汇流机理，发展多过程耦合、多尺度嵌套的精细化智能模拟技术；需要建立完善基于卫星监测、视频监控、公众参与等多源数据的城市洪涝观测系统，发展面向典型城市水循环过程的要素反演技术，并借助精细化观测数据，结合统计学习模型来识别控制城市流域暴雨洪水致灾链条发展的关键驱动因子，利用数据同化方法来降低参数化模型预报的不确定性，推动精细化城市洪涝模拟落实落地。

中国水利：从洪涝灾害发生及其防御可以看出，人与水的关系变得越来越密切。作为目前水文学的分支，社会水文学成为研究热点，您在这一领域开展了大量研究，请您介绍一下社会水文的内涵、研究范畴和当前研究进展。

田富强：自人类诞生起就存在着人与水的互动关系，比如远古时期人类逐水而居，这是水对人的限制。自然水文过程对人类社会的影响是全方位、长期、深刻、潜移默化的，以至于我们很多时候反而忘记了这种影响和限制。反过来，人类活动对水的影响是更加直接、明显的，比如下垫面变化导致产流机制变化，上游取用水就会导致下游水量减少等。已经有越来越多的学者意识到人和水之间存在复杂互馈作用，但在传统水文学研究中水文系统和社会系统相互独立，它们之间的相互作用以一种简单的方式加以刻画，缺乏人-水系统互馈关系和协同演化过程的理论分析和耦合模拟与预测。基于人与水之间越来越复杂频繁的相互影响，2013年，国际水文科学协会（IAHS）启动了新的水文十年科学计划（2013—2022年）“Panta Rhei”。“Panta Rhei”来自古希腊哲学家赫拉克利特的名言“人不能两次踏进同一条河流”，意思是一切都在变化，水系统在变化，社会系统也在变化，研究的核心是变化中的社会系统与水系统的相互作用（Change in hydrology and society）。社会水文学应运而生，将社会-水耦合系统作为研究对象，理解并预测人-水耦合系统的协同演化过程。

比如在洪水防御中我们常讲“宁可十防九空，不可失防万一”，这种理念是重要且必要的。但一旦洪水预警预报频繁又不准确，就会对人的行为及洪水防御产生影响。再比如灌溉，西北地区开展节水灌溉，原本是期望节水后可以还水于河、保护生态，结果人们一度用节约出的水继续扩大灌溉面积。新的灌溉面积形成后，又会对人产生影响，从而形成新的问题。从水对人的影响、人对水的作用，再到人水互馈及类似链条式的后续反应，目前理论研究和有意识的实践应用还比较少。

洪涝灾害防御和韧性城市建设是社会水文学研究的重要方面，比如开展应对极端暴雨洪水情况下的风险管理，正确引导典型个体在灾害中的决策行为。伴随着如社交媒体信息、群体移动轨迹等众源数据的数量及种类日益丰富，研究建立社会与公众层面对暴雨洪水的风险感知范式，深入挖掘社会系统与雨洪灾害间的宏观统计规律及微观作用机制，是城市暴雨洪水风险管理的重要议题。在此基础上，还需要建立暴雨洪水风险评价与承载个体间的响应机制，确保预警精准送达、预案有效实施。与之相应，提升每个承载个体防范暴雨洪水灾害的知识和能力，对于提升全社会防御暴雨洪水的素质水平具有显著意义。