公众科学在水文领域的应用现状与未来

邱顺添，王 佳*，王明娜

(1.天津大学 环境科学与工程学院，天津 300072；2.天津大学 建筑工程学院，天津 300072)

20世纪初水文学理论的建立，开启了人类对地球环境中水的运动和分布的研究。数据作为水科学认知的支柱，亟需提升监测技术的水平和泛在感知能力，构建高时空分辨率的监测网络。由于传统的水文监测网络通常在安装、检测、管理、维护和人力方面投入成本较大，同时近年来世界各地对水文监测网络的投资逐步减少，导致了监测数据不足和监测频率不固定等问题，尤其在偏远地区或需要特殊水文要素监测的流域[1-2]。为了避免水文信息的流失，有必要探索具有成本效益比的数据采集方法，尤其是在资源减少的条件下迫切需要寻找新的可靠的水文数据采集手段，以保证获得广泛且持续的数据集。

过去20年间，通信技术和芯片技术的飞速进步，打通了水文系统和公众相互间的信息流隔阂，推动了公众科学的发展，使其在自然科学研究中日益发挥作用[3]。尤其是互联网、云计算、便携式传感器、智能手机等简化了数据采集手段，扩大了数据覆盖率，加强了信息质量控制，提升了信息反馈速度，降低了监测成本，为公众参与水文信息收集和水科学研究提供了便利[4]。同时，公众的科学素养日趋提高与科学研究的热情不断高涨，使公众科学在水文领域中的发展和应用得到进一步促进。

基于公众科学的广泛性、科普性、实时性等特点，越来越多的科研人员将其引入到水文领域。本文概述了公众科学在水文领域中的研究与应用现状，指出该研究方向的热点与前沿问题，以期为未来公众科学在水文学研究中的应用和跨学科的研究指明方向。

1 公众科学概述

公众科学（citizen science）是指公众借助自身的知识体系或周边的资源和工具，参与科研活动，积极为科学做出贡献[5]。公众科学最早可追溯到1890年，美国国家气象局（National Weather Service）发动1 000名志愿者监测每日气温和降雨量[6]；1989年，Kerson号召了225名志愿者搜集雨水样本协助开展酸雨意识提升活动，首次提出了“公众科学”[7]。公众科学作为公众参与科学的新形式，已经被广泛应用于科研领域，成为了多学科未来发展的趋势[8]。

公众科学在水文学中的应用属于跨学科交叉研究领域，随着公众科学的体系不断完善，在水文学领域研究中的发起人、参与形式及涉及的研究阶段越来越丰富。其中，公众参与程度从最基层的众包形式、数据贡献，深入到协作、合作，甚至独立完成研究，如图1所示[9]。同时，公众可对设计实验、收集数据、分析结果、解决问题、评价成果等不同的科研阶段给予帮助和支撑。

图1 公众参与水文科研领域程度进阶图（改编自Njue等[9]）Fig.1 Advanced chart of public participation in hydrological research (adapted from Njue et al[9])

公众科学对公众和水文科学发展的作用是相互的，一方面，公众可为水文领域的科研人员提供实验数据和设施，提出水文学新问题和解决思路，共同创造新的科学文化；另一方面，公众在参与的过程中又可获得新的技能，并加深对水文科学工作的理解。公众科学具有开放性、网络化和跨学科的特性，使科学、社会与政策的相互作用得到了加强，从而使决策制定过程更为民主[5]。

2 公众科学在水文学的应用进展

2.1 公开发表的文献及相关项目分析

本文通过检索关键词（（“citizen science” “crowdsourcing” “public participation”）和（“water resource”“hydrology”）），统计了Web of Science核心数据库截至2020年底关于公众科学与水文学相关的154篇文献。从文章发表数量可以看出，公众科学在水文领域的研究日益受到关注（图2）：相关论文成果自20世纪90年代末出现后一直处于平稳发展态势，直至2016年出现转折性发展，随后4年快速增长；但2020年可能由于年初新冠疫情暴发，文章发表数量有所减少。根据文献高频关键词图谱（图3）可知：该领域研究对象主要集中于水质、流量、水位、地下水、饮用水安全、生态环境、土地利用等；研究方向包括如何服务于水资源管理、公众数据的同化、数据质量与收集、相关影响与挑战等；研究手段包括各类传感器、雷达等。

图2 1998—2020年基于公众科学的水文文献数量统计Fig.2 Number of literature based on citizen science in hydrological research from 1998 to 2020

图3 1998—2020年基于公众科学的水文学相关研究文献高频关键词图谱Fig.3 High frequency keywords map of literature based on citizen science in hydrological research for 1998 to 2020

同时，本文根据全球公众科学项目平台scistarter、公众科学项目的AРР汇总平台spotteron和国内互联网搜索，汇总了公众科学项目中水相关的37个项目（表1）。从表1中的项目内容上看，公众科学在水相关领域中得到了较为成功的应用，尤其是河流、湖泊水文和水质数据的公众监测项目，提供了高覆盖面、长期连续监测的数据集，为水资源保护和管理工作奠定了重要的基础信息。在美国，公众科学接受度较高：如Texas Stream团队培训了多个州的11 000余名公众科学家，共同参与191 000英里的Texas水道保护；佛罗里达州的湖泊水生生态系统观测项目共有1 800名志愿者。同时，借助于互联网的便捷，基于公众科学的水监测项目趋向全球性发展，美国、英国、欧盟、瑞士均发起了全球范围的公众监测水信息项目。这些项目一方面促进了流域管理以改善水质和公共卫生；另一方面也提高了公众对水环境的重视程度，培养了公众的科研兴趣。

表1 全球水相关领域中公众科学项目Tab.1 Citizen science projects of water related fields in global

通过统计文献和相关项目主要作者和发起者的全球分布情况，不难看出公众科学在水文领域的研究成果主要集中在科技最为发达的美国。从文献方面看：超过1/4的文献来自于美国；其次是以英国为首的欧洲国家和加拿大；相较之下，澳大利亚、中国、日本、南美洲一些国家对此研究成果较少。项目的全球分布也存在相似结论，64%的项目发起者来自于美国；22%的项目由欧洲国家或欧盟发起。该现象主要原因是成熟高效的信息网络和公众参与是该研究必要条件，国家的经济状况、科学家的认知与开放程度，以及公众活跃度等因素均对公众科学的发展有一定影响[10]。同时，根据已有研究不难发现，公众科学在水文学中的研究更倾向于降雨和水质的监测，其次是流量、水位、洪水及其他类型的水文要素。

在中国，公众科学在水文学的研究还处于初级尝试阶段，发表的文献和发起的项目有限。现有文献主要集中于：利用智能手机、监控摄像头作为传感器，分析公众科学在降雨监测方面的潜力[11]；开发监测平台并培训公众科学家监测水质数据，以识别水体富营养化问题，服务于水环境管理[12-13]；利用公众公开发布的社交媒体信息，搜集中国不同城市暴雨洪涝灾害的相关数据，作为分析城市内涝脆弱性的有用工具，促进公众科学有效帮助洪水管理和规划，控制和缓解城市内涝现象[14-16]。相关项目有“蔚蓝地图”和“黑臭水监测”：2014年，公众环境研究中心（IРE）上线了具有公众科学背景的综合环境质量实时监测和信息公开软件“蔚蓝地图”，其目的是推动环境信息公开和公众参与，促进环境治理机制的完善；另一款“黑臭水监测”应用程序由中国生态环境部及住房和城乡建设部于2016年推出，该应用程序让公众通过微信平台记录潜在污染水体的位置，上传照片和描述，并根据其腐烂程度，异色或垃圾量进行排名。

现有研究表明，公众在问题识别、数据共同创建、信息处理分析、知识生成和决策等方面还具有很大的潜力。而中国在公众参与水文学研究方面仍处于利用网络的被动信息获取或短期的主动参与信息获取阶段，在未来发展应用中仍有较大的空间。

2.2 公众科学在水文领域的研究

2.2.1 降雨

降雨监测无需高等气象学背景，简易的设计、易于安装和操作的雨量计即可满足监测需求，故公众参与降雨数据收集方面具有巨大的潜力[17]，也是公众科学最早在水文学领域开展的工作。自1980年起，美国国家气象局就开展了志愿者参与降雨量监测的工作，并已持续了100多年[6]；此外1998年发起的“社区合作雨、冰雹和雪网络（CoCoRaHS）”项目已是公众科学网络中最大和最有效的例子，公众通过拍照、短信、网络等方式记录上传每日降雨量[18]。

随着传感器技术的提升，降雨监测手段日益经济、可靠，如雨滴谱仪的广泛应用、蜂窝通信干扰分析以及汽车雨刷、鱼竿、雨伞声学等各类传感器监测手段[19-20]，为公众参与科学研究提供了更多可能性。物联网的发展也为广泛获取气象数据提供了新的机会，越来越多私人自动气象站监测数据与在线平台连接起来[21]，有利于提高降雨监测网络覆盖率，协助解决降雨的空间异质性问题。此外，利用公众获取的数据与其他数据源进行多源数据融合得到高时空分辨率和高精度的数据源也是发展趋势之一，如融合雷达、降雨站和众包形式的实时降雨数据可更准确地估计地面真实降雨场[22]。

2.2.2 流量和水位

河道流量监测相对复杂，一般采用流速、横截面积或水位转化的数学关系开展间接监测。常规的水位、流速监测受周边环境影响，需要长期维护，监测点有限[23]。随着移动电话的普及，即使在偏远地区公众也可以利用短信发送监测到的流量信息，如：Crowd-Hydrology项目在美国纽约州西部的3个流域根据捕鱼点和徒步旅行的路线安装了9个水位计供游客随时监测河流水位，以手机短信形式发送数据至网络数据库补充水文观测数据[24]；Weeser等[25]通过对比肯尼亚地区Sondu-Miriu河流的路人主动监测水位计数据与雷达传感器水位数据，结果表明公众数据具有高质量、高时间分辨率的特点；Mazzoleni等[1]充分发挥公众分散式的特点，通过众包形式监测洪水水位，结合物理传感器的流量数据对洪水进行预报，提高了洪水预报的精度。

新兴方法和技术在推动公众科学的发展中起到至关重要的作用。例如，使用智能手机内置摄像头配合加速计可以光学测量河道水位和水流速度，进而估算河道的流量，研究表明该方法与传统设备相比具有良好的一致性[26]；卫星遥感技术的发展有利于获取高分辨率数据高程和河床数据，有效提高了流量估算精度[27]；从社交软件中获取预先存在的、公众生成的数据，如Michelsen等[28]利用YouTube视频分析出水位时间序列。

2.2.3 水质

公众科学已被广泛用于河流、湖泊、湿地、水井、池塘的水质监测工作中。由于水质分析成本和技术较为复杂，需要专业的背景知识和设备进行检测，故公众参与水质监测往往局限于水质样本采集、基本物理/化学参数或宏观指标检定的形式获取数据，如：公众采集当地水样，邮寄给研究人员对水样进行进一步处理分析[29]；通过视觉和嗅觉评估水的颜色、气味和周围条件[29]；利用温度计测量水温[13]；使用简单比色法测量硝酸盐和磷酸盐水平[30]；利用Secchi圆盘和浊度管测定水的浊度[31]；开发移动应用程序，利用智能手机摄像头和辅助传感器测量水体遥感反射率[32]等。

近年来，传感器技术的飞速发展为更广泛的水质参数搜集开辟了广阔的应用前景。如：水生生物传感器越来越多地应用于温度、溶解氧、浊度、电导率/盐度、压力、氧化还原电位和pH值等水质相关数据的测量；多参数监测的集成传感系统大大提高了水质监测能力；互联网连接低成本、便携式传感设备，有助于公众参与水质数据监测和数据的及时上传[10]。

2.2.4 其他

除了常规的水流监测，公众在河流泛滥、山洪、城市内涝等不同的洪涝灾害评估和防控研究中具有重要的作用，如：对暴露出的洪涝灾害时空特征及受损程度情况的及时提取，有助于决策者做出更为准确和有利的判断，从而减少人民群众生命财产损失[9]。Zeng等[16]利用互联网媒体上非科学家（主流媒体和公众）观测数据，准确捕捉了2016年武汉市洪灾的空间分布，该成果可用于决策者规划和设计预防性排水策略。

公众科学在水生态方面的贡献主要集中于生物多样性调查和水环境数据搜集工作。水生生物多样性调查主要依靠非专业爱好者进行，调查对象非固定。如：一些训练有素的潜水爱好者在1997—2011年期间志愿调查了加利福尼亚州的鱼类种群，项目开发了鱼类数据库，并报告了18种不同鱼类的密度变化[33]。水环境数据搜集常具有一定的目的性，目标明确，采用智能拍照设备记录水面的藻类、泡沫、油或塑料垃圾分布[34]。芬兰发起了公民参与式湖泊表层藻类水华现象监测项目，结果表明，与传统卫星遥感方法相比，公民可提供更可靠的水华的频率和强度数据[35]。

土壤湿度作为水文模型的重要参数，测量技术越来越自动化，其成本和稳健性也不断提升，可用于捕捉降水事件后土壤的水分波动[10]。受监测人力物力成本限制，土壤湿度监测范围局限且不连续，公众参与可有效降低监测人力成本，同时有利于对相关知识的科普。例如：2005年，公众参与每周对Рotshini流域的土壤含水量进行监测，一方面，使得公众进一步理解如何量化土壤水分及不同耕作制度对土壤水分的影响；另一方面，监测数据的分析结果有利于解决当地旱季缺水问题[36]。

土地利用和植被覆盖类型对水文通量及其分布具有重要的影响，包括降水截留、冠层蒸发、下渗、坡面汇流等过程。水文模型往往依赖于高度概化的下垫面参数，虽然遥感下垫面特征化方法的普及很好地改善了这个问题，但仍有必要对植被类型、土地利用变化和生态系统稳定性等进行实地勘测和验证。使用地理标记摄影等触手可得的技术为公众参与当地遥感数据的评估提供了机会。例如，Zhang等[12]通过手机拍照功能记录黄浦江周边土地利用变化情况，数据精度较高，将此用于分析该河流水体富营养化的驱动因子。

3 前沿问题与未来展望

3.1 水文数据市场扩张

随着信息技术的发展，水文数据获取逐步从简易计量发展至智能监测、卫星遥感等科技化手段。但受监测成本和技术手段的限制，数据缺乏、信息不足仍是水文学研究的热点问题，阻碍了相关的水文决策[37]。公众科学发展对水文数据的补充带来了新的希望，但由于数据来源不稳定且质量不可控等因素，在实际水文研究工作中仍较少使用[38]。同时，如何拓展水文数据感知市场、提升水文数据质量及数据管理的有效性，充分发挥公众科学在水文学的作用仍有待深入研究。

因此，需要拓展水文数据市场，推进数据获取趋向于多源化和多元化发展：开源获取数据是未来发展方向之一，如：物联网、公共系统、新基建给未来的水文学数据观测带来了的新契机；监测设备趋向于多元化、日常化，如通过多传感器集成设备、3D激光扫描识别技术、智能手机等搜集多元、广泛、动态的数据。同时，数据处理能力也需进一步增强（如数据质量控制、数据管理、数据同化等），以实现水文数据的实时更新、同步校正。

3.2 水文分析技术推进

一方面，公众科学为水文领域的研究提供了数据支撑；另一方面，也会给水文学研究带来新的技术问题：如何融合公众科学、监测站点、遥感等多源多元的水文数据；单纯利用公众水文大数据而无视数据结构和含义，盲目使用数据导致结果分析的不合理；异构的公众数据具有较大噪音，增加了不确定性研究的复杂度以及伴生了新的多时空尺度嵌套等问题值得思考。

如此看来，未来要在水文领域广泛而深入地应用公众科学，其相应的技术还有较大的改善空间。如：发展多源异构数据融合技术，实现有效水文信息的最大化识别和提取；采用深度学习、大数据等技术，挖掘公众数据潜藏的水文规律；深入探究各类公众数据的不确定性及对水文过程的影响；针对泛在感知数据时空不均匀性，开展相应的多时空嵌套研究，逐步向精细化水文仿真及模拟方向发展。

3.3 水文知识深层次探索

在数据的有效使用方面，Aceves-Bueno等[39]总结了83篇相关文献研究，结果表明公众科学可有效补充传统水文监测数据，有利于水文学向精细化发展。同时新技术的引入，可不断提升水文过程仿真模拟和预报的精度。然而，现有的水文理论及模型方法基于原有的常规水文监测数据发展而来，面对公众科学带来的水文数据激增，现有的水文学理论框架是否可以承载和适用，值得进一步考量。另外，如何科学处理公众与水文学的关系也成为长期面临的一大科学挑战。

根据上述问题，有必要基于公众科学获取的泛在感知数据，开展对水文学的研究基础、技术方法、理论框架等方面的优化及重构研究[40]。如：评价水文学模型和方法对公众数据承载力和适用性；融合公众数据改善现有水文模型，提升水文预报精度，提取水文学新规律、发掘新要素，重构水文学理论等。在水文学研究已从单一自然现象的研究转向水文学与社会学相结合的时代背景下，一门新兴的研究领域—“公众水文学”被提出[40]。该领域桥接公众与水文科学的鸿沟，充分发挥公众科学的特点，形成全新的研究体系，促进水文学学科突破性发展。

4 结 论

公众科学发展依赖广泛的群众基础，借助公众分布范围广、主观能动性强等特点参与水科学研究，将推进水文学进一步发展。利用集体智慧重塑更传统的科学实践，汇集公众的想法，推动理解和创新的界限，从而促进学科的包容性。本文通过文献和项目统计总结了公众科学在水文领域的研究进程，分析表明：公众科学在水文学中应用与日俱增，尤其在发达国家关注度较高，中国也已在此领域有了初步发展；目前，公众科学对水文领域的贡献仍集中于水文相关数据的获取，在降雨量、径流、水位、水质、土壤湿度、洪涝灾害、水生态、土地利用/植被覆盖等方面都取得了一些应用成果。然而，公众科学在水文学应用方面还存在一定的局限性，未来可在数据市场扩张、水文分析技术推进、水文知识深层次探索方面深入研究。