人水關系學的時空觀及研究方法

左其亭

(1.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學水科學研究中心，河南 鄭州 450001)

人水關系的作用過程、演變規律、調控措施等的研究涉及兩大要素：一是時間要素。人水關系研究的對象需具體到某一時刻或某一時間段，其變化又是隨著時間的變化而變化，其關注的時間尺度大小也不同，比如到年統計值還是到月或日統計值；二是空間要素。同樣的道理，人水關系研究的對象需具體到某一空間范圍，其變化也可能在空間上是變化的，其關注的空間尺度大小也不同，比如到全國統計值還是到省級行政區或地級行政區統計值。因此，研究人水關系需要明確時間、空間要素的特征。人水關系科學不可回避時間、空間屬性問題，但如何對待這一問題呢？筆者認為，人水關系學在形成之初就應該形成一套比較科學的觀點，來指導這一問題的解決。

關于時空觀的問題，不同學科有不同的理解和論述。比如，從哲學角度的理解，比較有代表性的是關于馬克思時空觀的論述[1]，還有亞里士多德的樸素時空觀、牛頓的絕對時空觀、愛因斯坦的相對時空觀[2]等。在自然科學中，與時空觀比較接近的內容有時間尺度問題、空間尺度問題。關于尺度問題的研究已有大量成果，比如，在地學[3]、遙感[4]、地理信息[5]、水文氣象[6]、生態環境[7]、土地利用[8]、河流健康[9]、政策模擬[10]等方面，已經持續半個多世紀的研究。但缺少更深一步、更宏觀一步對時間和空間尺度問題的哲學思維的總結，很少形成本學科統一的時空觀。當然，造成這一局面的主要原因是，時空尺度問題一直是學術難點問題[11]。

為了系統研究人水關系科學問題、有效應對人類活動帶來的人水關系變化、合理制定人水關系調控方案、積極培養人水關系學科專業人才，筆者于2021年首次提出人水關系學的概念與學科體系[12]，隨后論述了人水關系學的基本原理及理論方法[13-14]。本文在此基礎上，系統總結該學科的時空觀，介紹其主要研究方法。

1 人水關系研究的時空尺度問題

1.1 問題的提出：基于2個例子

例1：水庫建設對河流年徑流量的影響分析。某水文站觀測的年徑流量(單位：億m3/年)見圖1，在該水文站上游建設一大型水庫，1988年建成運行。假如只觀測到1984—2005年共12年徑流量數據(圖1中粗黑色線)，也就是說，僅從1984—2005年變化趨勢看，很容易得出“因為水庫修建，導致徑流量快速下降”的結論。當然，這一結論是基于相同或相似降水條件下得出的。但如果把所有觀測值(1922—2005年)放在一個系列看，歷史上也出現更低的年徑流量數值，至少無法說明因水庫修建導致徑流量快速下降。而現實中，從2006年開始，又觀測到年徑流量值有顯著抬升的趨勢。因此，由于研究的時間范圍不同，就有可能得到不同的結論，當然也可能是錯誤的結論。

圖1 某水文站年徑流量變化曲線

例2：跨流域調水工程的效益和影響分析。如圖2，示意一般跨流域調水的分區結構，由調出區、輸水區、調入區組成。一般情況下，針對調入區，調水工程的正效益很顯然，是正面評價；針對調出區，肯定會因河流水量減少而帶來一定的影響，是負面評價。因此，如果站在調入區的角度，肯定都說調水工程好；但如果站在全系統的層面，是利大于弊還是弊大于利？顯然有2種不同的結果。比如，對南水北調工程的宣傳，多數都在羅列其帶來華北地區的重大效益，而很少提其帶來的負面影響，盡管可能這種負面影響較小。這就是，由于所關注的空間范圍不同，就有可能得到不同的結論，當然也可能是錯誤的結論。

圖2 跨流域調水工程效益論證空間范圍示意

1.2 人水關系研究的時空尺度

尺度問題是水文學、地理學、遙感、資源等學科研究客觀存在且普遍認知的難點問題，已有大量的論述和研究途徑[5，7]，但至今還是困擾學者的難題。本文所指的時間和空間尺度問題包括時間和空間研究的范圍、尺度大小兩大類問題。

針對人水關系研究，有明顯的不同時空研究視角，在學科分類中包括宏觀人水關系學、微觀人水關系學，這其中就包括不同的時間、空間尺度視角。宏觀人水關系學是針對宏觀空間范圍(如全國、省級行政區)、時間范圍(年、多年范圍)，研究其總體問題，采用的是總量指標(比如，水資源總量、人口總數)。微觀人水關系學是針對微觀空間范圍(如某一個單位、行業)、時間范圍(日、月范圍)，研究其單個問題，采用的是單一度量指標(比如河川徑流量、流量、流速)[13]。

人水關系學的空間尺度可以是全球、洲、國家、國家下轄行政區、更小行政區、城市區、分單元等；時間尺度可以是地質時代、年代、年、月、日、小時、分鐘、秒等。為了說明問題，分別從人水關系相互作用的兩方面，列舉了幾個具體研究事件供參考，見表1。

表1 人水關系研究的時空尺度舉例一覽

續表1 人水關系研究的時空尺度舉例一覽

人類活動對水系統的作用舉例。①洪水演進與防洪調度：因洪水演進變化快，時間尺度經常采用小時、分鐘甚至秒，空間范圍包括洪水影響到的區域，比如河道、水庫、防護對象、低洼處等，空間尺度可以是1、100、1 000 m等不同尺度；②水庫、水庫群調度：針對水庫防洪、發電、供水等多種目的的單個水庫調度和多個水庫群聯合調度，時間尺度可以是分鐘、小時、日、旬、月、年、多年，空間尺度可以是1、100、1 000 m等，空間范圍為水庫或水庫群及其影響范圍；③水利工程建設對水文條件和水生態系統的影響：攔河大壩、水庫等工程建設帶來水文條件和水生態系統的變化，時間尺度可以是月、年、10年、50年等，空間尺度可以是10、100、1 000、10 000 m等，空間范圍為工程建設和運行的影響范圍；④調水工程的作用：在其調出區、輸水區、調入區發生不同的變化，時間尺度可以是月、年、10年、50年，空間尺度可以是10、100、1 000 m，其空間范圍應是調水工程建設、運行以及影響的范圍；⑤污水排放影響水質及污染控制：需要研究污水排放影響水質作用機理以及污染控制措施，時間尺度可以是小時、日、旬、月、年，空間尺度可以是1、10、100、1 000 m等，其空間范圍為污水產生區域和影響水體的區域；⑥退耕還林還草政策的作用：退耕還林還草是國家政策，涉及區域廣，時間尺度可以是月、年、10年等，空間尺度可以是100、1 000、10 000 m等，其空間范圍為退耕還林還草范圍以及其影響的范圍。

水系統變化對人類社會的影響舉例。①干旱缺水對生產的制約作用：時間尺度可以是日、旬、月、年，空間尺度可以是10、100、1 000 m等，其空間范圍為干旱缺水波及到的區域范圍；②水生態系統變化及影響調控：時間尺度可以是日、月、年、10年、50年等，空間尺度可以是10、100、1 000 m等，其空間范圍為水生態系統變化及影響范圍；③飲用水污染對人體健康的影響：時間尺度可以是小時、日、月、年、10年等，空間尺度可以是1、10、100、1 000 m等，其空間范圍為飲用水受污染范圍及其對人體健康影響的范圍；④水資源格局變化帶來土地利用變化：時間尺度可以是月、年、10年等，空間尺度可以是10、100、1 000 m等，其空間范圍為水資源格局變化及其帶來的土地利用變化范圍；⑤水能資源開發利用的作用：時間尺度可以是日、旬、月、年等，空間尺度可以是10、100、1 000 m等，其空間范圍為水能資源所在河流、以及開發利用受益范圍；⑥氣候變化帶來用水影響：時間尺度可以是月、年、10年、100年等，空間尺度可以是100、1 000、10 000、100 000 m等，其空間范圍為全球范圍或氣候變化的影響范圍。

2 人水關系學的時空觀

2.1 時間觀的主要論點

a)人水關系是動態的，隨時都在變化之中，時間是永恒的、無限的。按照辯證唯物主義的觀點，運動是絕對的，靜止是相對的；絕對運動和相對靜止是辯證統一。基于這一論點，在分析人水關系時，需要從長系列進行分析，如果只節選其中一段變化過程進行分析，所得的結果可能存在片面性。比如，在上文列舉的例1中，選擇不同的時間段就可能會得出不同甚至相反的結論。

b)人水關系存在相對平衡，可以從一平衡狀態轉移到另一平衡狀態。辯證唯物主義觀點承認“相對靜止”，具體到人水關系問題，其存在相對平衡狀態。由于外界條件或內因發生變化，平衡狀態會發生轉移，形成新的平衡狀態。基于這一論點，在分析人水關系時，可以針對某一時間段的狀態進行分析，同時也應適應人水關系的平衡狀態變化。比如，對氣候變化和人類活動影響帶來的水系統變化，人類應主動適應這一條件帶來的變化。

c)人水關系時間范圍的選擇，以獲得唯一解、辨析演變規律為準則。如果達不到這一準則，所得結果的可靠性降低。比如，如果有4種結果，目前只是其中1種結果，則該結果的可靠度(μ)=1/4。針對同一個問題(例1)，選擇的時間范圍越小，所得結果的可靠性會越低，反之會越高。因此，應盡可能選擇的時間長，觀測清晰的演變規律，了解比較可靠的變化趨勢。但是，往往因為條件限制或研究投入的限制，只能選擇有限的時間范圍，當觀察的時間不夠長，需要謹慎下結論，如果下了結論，一定要告訴大家其存在的不確定性，可能會有不同的結果。

d)人水關系時間尺度的選擇，綜合考慮演變過程、觀測數據和參數。在表1中列舉了幾個研究事件，并給出了可供選擇的時間尺度，比如，研究調水工程的作用，時間尺度可選擇月、年、10年、50年等；研究水資源格局變化帶來土地利用變化，時間尺度可選擇月、年、10年等。這里所說的時間尺度是指時間分辨率、時間步長，不包括其他更廣泛的概念和內涵。關于時間尺度的研究已經非常多，但至今也是難以解決的難點問題，本文不再詳細論述。

2.2 空間觀的主要論點

a)人水關系都處在一定空間上，其所在空間是客觀存在的、無限的。按照馬克思的時空觀點，任一物質運動的時間和空間都是客觀存在的，都是無限的、無始無終的。基于這一論點，在分析人水關系時首先要明確其空間范圍，不恰當的空間范圍必然會得出不科學的結論。比如，在列舉的例2中，就是因為對空間范圍認識上的問題可能會帶來錯誤的結論。

b)人水系統廣泛存在空間變異性，要充分認識和調控空間的不均衡。水系統、人文系統、人水系統以及人水關系特性都廣泛存在空間變異性，不可能要求其空間上是完全均衡的。同時也正是因為這種空間變異性，導致人水關系在空間上的復雜性和水資源調控的艱巨性。比如，中國提出的“空間均衡”治水思路和“國家水網”戰略，就是在一定程度上為了解決水資源空間的不均衡問題。

c)人水關系空間范圍的選擇，以反映全空間特性、看到全貌為準則。要避免“管中窺豹”，實現“眼觀六路”“縱覽全局”。站在本區域視角，所得的結論只能代表本區域，代表全區域事件的結果就需要站在全區域上。比如，在列舉的例2中，站在不同空間角度就會得到不同甚至相反的結論。當然，往往因為條件限制、視野局限、立場局限或研究投入的不足，只選擇有限的空間范圍，這時得到的結論可能會存在不全面、不可靠問題。

d)人水關系空間尺度的選擇，綜合考慮空間變異、數據單元和參數。在表1中列舉了幾個研究事件，同樣給出了可供選擇的空間尺度，比如，研究水利工程建設對水文條件和水生態系統的影響，空間尺度可選擇10、100、1 000、10 000 m等；研究飲用水污染對人體健康的影響，空間尺度可選擇1、10、100、1 000 m等。與時間尺度類似，這里所說的空間尺度是指空間分辨率、空間變化步長，不包括其他更廣泛的概念和內涵。與時間尺度一樣，關于空間尺度的研究已經非常多，但至今也是難以解決的難點問題，本文不再詳細論述。

3 人水關系時空分析的研究方法與展望

3.1 研究方法

歸納起來，主要有三大類，分別是：時間序列分析方法、空間演變分析方法、時間空間耦合分析方法。

a)時間序列分析方法。這是自然科學中非常常見的一類分析方法，就是基于時間序列(數據或認知)，分析其隨時間變化的過程。其具體的方法有多種，在不同學科也有多種應用，包括在人水關系研究中的應用。①以定性和定量結合的歷史演繹方法。為了分析人類活動對水系統的影響作用，人類觀測的數據多數不到100年，很難有幾百年的觀測數據，這種時間長度的分析顯然不足以分析歷史演變規律。為了解決這一問題，可以把人類活動的表象(歷史記載、活動古跡)納入到歷史長河中進行定量和定性相結合分析，再現人類歷史的發展脈絡，有助于分析人水關系的演變過程。比如，分析黃河流域人類活動對生態環境演變的作用，可能要追溯到人類社會早期到現在的發展過程[15]。②通過構建時間序列模型，來定量模擬人水關系的演變過程。比如，通過構建回歸方程模型、系統動力學模型、系統演變模型等[16]，建立河川徑流量隨時間變化的方程，建立用水量與人口數量、工業產值、農業灌溉面積等之間的動態演進關系等。③研究時間序列的趨勢、周期性、變異性、突變點、均衡程度等方法。基于時間序列，采用不同方法進行分析。比如，采用趨勢線方法分析發展態勢，采用周期分析方法判別序列周期性，采用水文變異聯合分級方法識別時間序列變異性和突變點[17]，采用泰爾指數等方法計算時間序列的均衡程度[18]。

b)空間演變分析方法。這類方法是基于空間信息，采用某種模型或工具，對空間上的變化特征或規律進行分析。①采用空間數據聚類、空間回歸、區域差異等方法，分析空間演變趨勢。目前關于空間分析的方法比較多，比如，采用空間數據聚類方法，可以分析土地利用變化趨勢、水資源空間變化趨勢[19]；采用空間回歸模型，分析區域數字化土壤分布規律[20]；以及采用區域差異分析等手段，分析水系統空間變化等[21]。②通過構建模擬模型，對空間演變規律進行分析。可用于空間演變分析的模型，有些是專門針對空間分析建立的模型，有些是包含空間分析這一功能。比如，構建的空間轉移矩陣模型就是專門針對空間分析構建的模型[22]；通過構建人水系統的系統動力學模型、分布式模型、單元系統模型等，不僅可以用于分析空間變化也可以分析其他變化規律，不是專門針對空間變化構建的模型。③基于GIS工具、MIKE軟件、MATLAB工具箱等，直接進行空間分析。目前已有一些常用的工具或軟件可以應用于空間分析。比如，地理信息系統(GIS)具有強大的空間分析功能，已廣泛應用于不同空間分析的研究中[23]；MIKE軟件和MATLAB工具箱也包含強大的空間分析功能模塊。

c)時間空間耦合分析方法。除以上單獨針對時間序列、空間演變進行分析外，較多情況是同時針對時間、空間的分析。時間、空間屬性是人水系統的基本屬性，分析和調控人水關系一般需要明確時間和空間變量，針對一定的時間和空間范圍開展研究。①時間空間耦合回歸分析。其思路與單獨開展時間或空間回歸分析一致，采用回歸方程進行擬合建立模型，所不同的是其參變量同時包括時間、空間變量，建立同時包括時間、空間參變量的耦合回歸方程模型。②通過構建模擬模型，對時間空間進行耦合分析。上文提到的系統動力學模型、分布式模型、單元系統模型等，可以同時用于模擬分析時間、空間變化。③基于GIS工具、MIKE軟件、MATLAB工具箱等，進行時間空間耦合分析。上文提到的GIS、MIKE、MATLAB這幾個工具或軟件，都可以同時進行時間、空間耦合分析。

3.2 研究展望

a)人水關系的時空屬性研究一直是熱點問題，仍需不斷探索。人水系統具有鮮明的時間和空間屬性，揭示人水關系特征的重要內容是闡明其時間和空間屬性。雖然目前關于這方面的研究較多，但因為其極其復雜，內容非常廣泛，仍需加強研究，也一直是研究的熱點問題。

b)基于科學的時空觀，研究人水關系具體問題，任重而道遠。上文介紹了人水關系時空分析的研究方法，實際上，只是列舉了這些方法，但每個方法的局限性、存在的問題沒有進行深入討論。科研工作者在具體使用中常常會遇到認識上的問題，可能會帶來結果和結論的偏差，甚至是相反的結論。比如，上文給出的例1和例2，假如通過分析，得到的不是唯一解，其結果的可靠性就要打折扣，如果有n種結果，目前只是其中1種結果，則該結果的可靠度(μ)=1/n；如果真實結果是區間范圍[a,b]，范圍寬=b-a，計算結果的范圍是[c,d]，范圍寬=d-c,[c,d]∈[a,b]，則該結果的可靠度(μ)=(d-c)/(b-a)。究其原因，主要是對時空觀的認識以及所站視角可能存在著差異，不能簡單地理解“采用相關方法分析就行”，需要從深層次分析時空觀以及研究結果和結論的科學性、合理性。目前關于這方面的研究還遠遠不夠。

c)時空尺度問題一直是學術上的難點問題，需要進一步研究。時間、空間的尺度選擇、尺度轉化以及結果分析等許多尺度問題，都是學者關注的熱點問題，也是學術上的難點問題。比如，尺度選擇的大了，可能會漏掉有些信息，所得結果比較粗，但計算量和需要的信息就小的多；相反，尺度選擇的小了，計算量和需要的信息大增，貌似所得結果較細，反映的信息較多，但是所得結果并不一定就好。

4 結語

本文從人水關系學的視角，基于實例分析和理論分析，重點闡述了人水關系學的時間觀和空間觀，介紹了人水關系時空分析的研究方法，并對其進一步研究給出展望，為人水關系學處理時間尺度和空間尺度問題奠定基礎。

盡管目前針對時間和空間分析的研究較多，但是由于時空尺度問題的復雜性，其研究難度很大，本文只作簡單介紹，不是本文探討之重點。本文提出的時間觀和空間觀，只是作者的初步思考，還有待進一步分析和討論。