水文科學近50年來的傳承與發(fā)展

1 背景概述

未來幾十年，水資源將成為人類獲得充足食物和能源的關鍵保障因素，因此水科學將為人類社會的發(fā)展發(fā)揮越來越重要的作用。眾所周知，人類與水相互關聯(lián)的歷史和人類發(fā)展史一樣久遠。很早以前，古希臘人就將水視為4種基本要素之一。人與水之間的斗爭關系貫穿整個人類史，且在未來幾年將在全球范圍內(nèi)越來越凸顯其重要性。近年來，全球生態(tài)環(huán)境不斷惡化，可持續(xù)發(fā)展問題成為各方關注的焦點。氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性以及人類和其他物種的疾病都與水密切相關：水循環(huán)的變化影響著人類社會與整個地球自然生態(tài)系統(tǒng)之間的聯(lián)系。

自然環(huán)境的加速變化，需要更深入地研究和理解水文科學。眾所周知，地球上的淡水總量可滿足當前以及未來的人類需求。然而，由于水資源的時空分布不均勻，在每年的某幾個月，全球范圍內(nèi)仍有相當多的地區(qū)面臨水資源短缺問題。水資源分配不均會造成糧食短缺、矛盾沖突，并最終導致發(fā)展不均衡、不全面，造成大范圍的人口遷徙。盡管虛擬水貿(mào)易(指物質(zhì)生產(chǎn)的實際耗水量)有助于實施水資源的時空分配，然而由于水文、經(jīng)濟和政治的相互聯(lián)系愈加緊密，上述水資源短缺問題仍未得到徹底解決。

因此，在過去的50 a，以解決實際水問題為根本的水文科學逐漸成為地球科學的重要領域之一。如今，水科學擴展到與地理學、社會科學、公共衛(wèi)生學、工程學和先進監(jiān)測技術等領域相結(jié)合，以解決越來越多的水資源可持續(xù)性問題。

為了應對這些挑戰(zhàn)，水科學需要制定新的發(fā)展方向，充分利用計算技術、先進監(jiān)測技術、信息共享科技的發(fā)展以及國際跨學科合作日益加強帶來的新機遇。20 a前，大多數(shù)常規(guī)的研究方法都未被應用，也沒有如今的監(jiān)測設備和手段，合作和信息交流也比現(xiàn)在少得多。

為了實現(xiàn)水科學的新發(fā)展，需要新的理論和方法，最重要的是要有新的思想和積極為未來謀劃的能力。水文科學將在學科傳承的基礎上，以新的動力和激情，努力為未來水科學的發(fā)展提供有效的方法和手段。

2 傳承與發(fā)展

在過去50 a，通過不斷拓展新的研究前沿，促進了水文科學的發(fā)展，解決了一些重要問題，實現(xiàn)了跨學科研究發(fā)展。過去50 a內(nèi)，水文學已經(jīng)成為地球科學的中心學科，取得了豐碩的研究成果，促進了人類對水文科學的認知，對于涉水問題的研究開發(fā)了許多新的方法和途徑并積累了必要的知識。對于水資源這一與人類社會發(fā)展密切相關的重要因素，未來水文學家將繼續(xù)努力為人類更好地了解地球、掌握氣候變化、合理利用和分配水資源發(fā)揮重要作用。

2015年，《水資源研究》雜志(《Water Resources Research》)創(chuàng)刊50周年，出版了《水資源研究》50周年紀念專刊，對水文科學近50 a的發(fā)展進行了簡要回顧，共分為3個章節(jié)：①水文科學的傳承，包括12篇論文；②水文過程闡釋和模擬，包括21篇論文；③水資源與社會發(fā)展及其面臨的挑戰(zhàn)，包括23篇論文。

該回顧表明，隨著研究范圍和領域的不斷變化，水文學的框架體系也發(fā)生著演變。研究人員不再專注單一過程或單一站點，關注的空間范圍從局部擴展到全球，時間范圍從短期到長期，研究重點從單個水文過程轉(zhuǎn)變?yōu)閷λh(huán)的綜合分析，且正在加強研究者之間的跨學科聯(lián)系和國際合作。

2.1 水文科學的傳承

在這一章節(jié)收集了一些關于過去成就和未來研究為關鍵主題的綜述性文章。卡德納斯(Cardenas)提出了研究潛流帶水文學的觀點。賓利(Binley)等記錄了過去20 a地球物理勘探方法的發(fā)展，以闡釋淺層地下水的水文過程，還提出了水文地球物理學發(fā)展的愿景。布魯克斯(Brooks)等回顧了流域水文學近期的發(fā)展，其與水質(zhì)化學、水文地質(zhì)學和生態(tài)水文學密切相關，特別強調(diào)了該項研究在量化臨界區(qū)域降水量占比方面仍然存在空白。薩圖恩(Sturn)等對冰雪水文學、水文過程進行了物理模擬，對地下有機污染物遷移以及飽和多孔介質(zhì)中膠體運移的研究進展進行了綜述。 科塔尼迪斯(Kitanidis)等為淺層地下水流動的非均勻性、不確定性和規(guī)模的研究提供了重要思路。伯特(Burt)對一批基于野外觀測工作的論文進行了評述，認為野外觀測工作大都有助于重要假設和方法的提出。

2.2 水文過程闡釋和模擬

這一章介紹了關于水文過程闡釋和模擬方面的創(chuàng)新性思想、原理和方法，為認知水文循環(huán)系統(tǒng)和過程提供了新的視角。范(Fan)討論了地下水在關鍵區(qū)域發(fā)揮的作用，可在很大程度上改變水流流態(tài)和循環(huán)過程。邁克奈特(McKnight)等提出未來將實時觀測數(shù)據(jù)與模擬徑流生態(tài)系統(tǒng)生物地質(zhì)化學過程相結(jié)合的發(fā)展方向。D.熱蘇斯(Del Jesus)等討論了通過衛(wèi)星觀測的降雨量統(tǒng)計得出點雨量。丘奇(Church)等重點討論了河流地貌學、河口動力學、河流動力學方面的內(nèi)容。倫克爾(Runkel)和希普塞(Hipsey)等分別研究了流體動力學和水生態(tài)系統(tǒng)。哈維(Harvey)和古瑟夫(Gooseff) 專注于河流動力學研究，如小范圍的物理驅(qū)動因素如何引起大規(guī)模的地形地貌變化過程，以及其產(chǎn)生的相關生態(tài)效應。萊頓梅耶(Lettenmaier)等概述了水文遙感技術帶來的創(chuàng)新研究機遇。倫德奎斯特(Lundquist)等介紹了數(shù)據(jù)誤差及誤差檢驗。特洛奇(Trouch)等討論了流域演變問題。拜爾肯斯(Bierkens)和羅德里克(Roderick)等采用全球視角研究水文學:前者著重探討了全球水文現(xiàn)狀、變化趨勢和方向；后者則討論解釋了與未來干旱相關的氣候模型預測，以及其與地質(zhì)觀測結(jié)果的一致性。卡拉布里斯(Calabrese) 提出了一種新的理論，將隨機降雨輸入到水文系統(tǒng)水資源的年代分布中，并討論由此產(chǎn)生的概率效應。馬克斯維爾(Maxwell)研究了地形地貌變化對地下水流以及地下水位的影響。維里肯(Vereecken)等的研究重點是滲流帶水文學，包括新技術在加強土壤水文過程研究方面的作用，Richards方程式在毛細水流研究方面的應用。費奧里(Fiori)等研究了非均質(zhì)含水層和多孔介質(zhì)中溶質(zhì)運移的模擬。

2.3 水資源與社會發(fā)展及其面臨的挑戰(zhàn)

這一章涉及人水關系，鑒于人類活動引起的環(huán)境變化對水文循環(huán)的影響，這種關系變得越來越重要。 西奧拉(Ceola)等分析了在全球范圍內(nèi)人類活動對水資源造成的壓力。科斯格羅夫(Cosgrove)等介紹了變化環(huán)境下水資源規(guī)劃和管理的新觀點。威特(Wheater)等重點研究了水安全，水文研究需要對傳統(tǒng)的以物理實體為基礎的水資源系統(tǒng)進行改進，將人類作為新的維度引入水資源系統(tǒng)。麥克勞林(McLaughlin)等研究以可持續(xù)方式保障糧食安全的方案，并估計了對水和土地資源的需求。 庫馬爾(Kumar)關注于水文復雜性，提出了一個概念框架，將探索科學與工程技術，觀測系統(tǒng)與信息系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)與通信系統(tǒng)以及社會方法與體制方法相結(jié)合，以求得到創(chuàng)新而全面的保障水資源安全的解決方案。隆德(Lund)對當代水資源管理結(jié)合自然科學和社會科學在學術研究和實踐中取得的成果進行了綜述。希瓦帕蘭(Sivapalan)等提出隨著自然環(huán)境的變化和社會發(fā)展，在不同的時間尺度，水文系統(tǒng)發(fā)生演變，是一個多種因素共同演變的過程。沃格爾(Vogel)等的研究表明，水、氣候、能源、食品、工業(yè)、社會、經(jīng)濟和環(huán)境將不可避免地相互影響，為了有可持續(xù)性發(fā)展復原能力，需要弄清人類在各種自然物理過程中的活動足跡以及其長期共同演變的過程。布朗(Brown)等從20世紀60年代的哈佛水資源計劃開始，介紹了水資源系統(tǒng)科學領域的研究歷史。霍恩伯格(Hornberger)等對美國城市的大型數(shù)據(jù)庫進行了收集和分析，以掌握使水資源保護進一步發(fā)展的主要特征。波波拉圖(Porporato)等研究的重點包括水資源、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和耕作地形地貌。里奇(richey)等側(cè)重于在區(qū)域和全球?qū)用鎸Φ叵滤M行評估。剛伯拉帝(Gambolati)等研究了與水文過程相關的巖土力學，在過去100 a，通過水文過程可以預測人為地面沉降和地面抬升。西里亞(Celia)等討論了地下咸水層的碳存儲現(xiàn)狀。曾(Tsang)等分析了地下核廢料存儲涉及的關鍵水文問題。戈爾利克(Gorelick)等概述了全球變化對地下水管理的影響。伯德賽(Birdsell)等對當前水力壓裂問題的模型試驗結(jié)果進行了回顧。沃爾(Wohl)等對河流修復方面的研究和實踐進行了綜合回顧與展望。多伊爾(Doyle)等建議將科學、法規(guī)、經(jīng)濟條件、市場需求和從業(yè)人員的社會期望結(jié)合起來，實施河流修復工作。梅爾茲(Merz)等討論了意外事件對洪水風險評估和管理的影響。

3 未來展望

從以上研究可以明確看出目前水文科學發(fā)展的新思路和前景，這些思想和方法都能推動水文學的進步，歸納起來主要有以下幾點。

(1)遙感數(shù)據(jù)等新的監(jiān)測技術為大范圍、長期的水文觀測提供了發(fā)展機遇，需要有創(chuàng)新思路，建立新模型來利用所獲取的信息。

(2)全球范圍的模擬試驗有助于全面了解和描繪可用水資源和水資源短缺威脅的分布。雖然全球范圍模型試驗仍然存在不確定性，但隨著獲取的數(shù)據(jù)越來越多，這種不確定性正在逐步減小。因此，可以在更大空間尺度上開展試驗，為解決全球性水問題提供新的途徑。

(3)為更好地了解水文系統(tǒng)特性并對未來情景進行預測，需要進一步研究水文過程的共同演變。

(4)對非均質(zhì)性進行研究并量化其影響，以便更好了解水文變化過程。

(5)需要從新的角度分析人與水文系統(tǒng)間的相互作用，全面了解內(nèi)在反饋和共同演變過程和情景。

綜上可知，傳統(tǒng)水文學的每個分支學科都只側(cè)重于水循環(huán)的一個特定部分，而如今的水文學發(fā)展為多學科交叉的系統(tǒng)性研究學科，集中于研究更大范圍以及更長時空尺度以及水、地球和生物系統(tǒng)的相互作用。

水一直是人類賴以生存的重要元素，水科學對確保人類和地球可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展至關重要。21世紀的水文科學發(fā)展目標遠大——解決全球性水問題，確保人類社會的可持續(xù)發(fā)展。要通過獲得必要的知識來解決新時代所面臨的科學挑戰(zhàn)，水科學才會獲得長足發(fā)展。希望水科學能在全球范圍內(nèi)獲得更大發(fā)展，并盡量減少性別、各大洲以及各種族之間的發(fā)展不平衡問題。