簡述現代水文學的現狀及展望

廖 翔

(重慶交通大學 重慶 400074)

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簡述現代水文學的現狀及展望

廖 翔

(重慶交通大學 重慶 400074)

本文通過介紹現代水文學的發展進程，討論了現代水文學的一些不足之處，闡述了現代水文學未來的發展方向，為研究自然水文過程以及水文在工程中的應用提供科學依據。

現代水文學；水文基礎理論研究；水文預測和預報

一、引言

水文學作為地球物理科學的一個重要分支，在自然科學及水利工程中都具有重要的地位。其發展過程直接或間接影響著環境改變和社會經濟效益。因此，水文學在經濟社會可持續發展戰略中占有重要的地位[1]，探索其現狀及進展具有重要意義。

二、水文學的發展階段

水文學歷經了幾個發展階段，由傳統水文學發展到現代水文學。1856年提出了描寫滲流運動規律的達西(Darcy)定律。1871年提出了描寫明渠流緩變不穩定流運動規律的圣維南(St.Venant)方程組。由此可知，前者為地下水動力學和地下水資源的形成變化奠定了基礎；后者為研究河道和坡面洪水運動，以及流域匯流奠定了基礎。其次是工程水文學的發展,1914年黑增提出了水文頻率計算的方法；1921年羅斯(Ross)提出了面積—時間曲線；1932年謝爾曼(Sherman)單位線；1935年霍頓(Horton)提出了著名的產流理論[2]。這段時間里各種理論和方法的提出，不僅為各類水利工程的設計、施工、運行和管理提供了比較合理的計算方法，而且也奠定了工程水文學的基本內容。

20世紀70年代以后，隨著工業時代的到來，工業生產引起的“三廢”造成了環境的污染，水污染尤為嚴重。河湖面積的縮小、水體富營養化、水體重金屬污染、污水對生態環境及人體健康的影響已經成為國際話題，國際對環境保護的呼吁也大大增強。如何保護水環境，治理水污染，已經涉及到了水文學層面，生態水文學和環境水文學的提出也因此成為必然[3]。

以上敘述為水文學發展的大致三個階段。這些發展是現代水文學的基本內容。現代水文學涉及到的層面廣闊，不僅涵蓋了水文學基本的理論和方法，還包含了應用現代科學技術對經典的理論和方法進行進一步的提升和實踐。簡言之，水文學的理論和方法是框架，現代科學技術是建造師，由它們來對前者進行進一步的詮釋與應用。

三、現代水文學的不足

現代水文學的發展方向大致與社會發展方向相關，但也具有某些不足之處，是我們未來關注和解決的方面[4]。

(1)霍頓提出的均質包氣帶“產流理論”對水文學的發展產生了重要的影響。但是，在不同的下墊面條件中其產流機制不同，可能有一種或者幾種產流機制同時出現。由于人類對下墊面和地下水的認識并不相對熟知，以至于在判斷產流機制的時候只能判斷出主要的產流機制而忽略次要的產流機制，這種情況會對流域的產流和匯流產生一些影響。因此，如何正確判斷產流機制也稱為重要的問題。

(2)人們在進行洪水演算時，并不能完整地劃分其運動形態，實踐中運用圣維南方程組計算出的結果與理論有一定的偏差。運用不同的演算方法計算出的結果也不盡相同。此時需要計算者進行抉擇，則在一定程度上涉及到誤差。因此，如何降低誤差的大小也是現代水文學發展的基本內容之一。

(3)隨機水文學的產生使得現代水文學進一步發展。其將隨機過程理論和時間序列分析技術引入水文學領域，彌補了確定性水文學和概率學水文學的缺陷[5]。然而，即使隨機水文學具有明顯的優點，其同時具有不完善之處。首先，線性參數隨機模型認為兩個概率密度函數相同，因此它描述的水文序列是一個時間可逆過程，而水文序列是不可逆的，故其難以客觀地反映真實水文序列的變化規律；其次，水文系統是一個高度復雜、動態的非線性系統，其概率密度函數復雜且未知，某一指定的概率分布和真實分布存在著差異性；同時，水文序列的相依關系隨變量的大小不同而不同，是一種狀態相依關系，而大多是線性參數隨機模型中的相依結構是固定的[5]。因此，為了彌補不足，新型隨機模型的產生，比如門限自回歸模型、基于核密度的非參數模型、基于小波分析的組合隨機模型[6-8]等等。但是這些非參數隨機模型也具有各自的優缺點，單一的模型不能全面的表征水文現在的各種特征。因此，將數學方法應用于水文學也是現代水文學發展的方向之一。

四、研究展望

基于水文學發展的演變過程和其不足之處，未來一段時期之內現代水文學發展趨勢應集中于以下幾個方面[4]：

(1)現代水文基礎理論研究。現代水文的基礎理論是建立在自然水循環動力學機理的理論上的，人類活動影響的加劇了水循環的二元性特性。因此，迫切需要在原有的水文學基礎上，引入社會水循環和人類活動影響兩個因素，形成符合現代水循環的二元認知模式及其理論基礎。

(2)現代環境下的水文響應及其規律研究。一是全球變化和人類活動影響的水文響應，比如溫室效應的水文學響應、土地利用變化的水文學響應和人工取用水的水文學響應；二是水循環過程的耦合模擬；三是現代環境下的水文規律認知，包括水文過程的量質演變、時空分特性以及特征值變化等。

(3)水文循環系統邊界問題研究。由于水問題通常是兩大系統相互作用的表現，因此水文學今后在重視水循環規律及其演變機理研究的同時，要更加注重系統邊界問題的研究，包括交互系統之間的反饋與響應機理等。

(4)水文預測和預報研究。由于水文過程固有的隨機特性，以及變化環境下的水文過程所具有非重復特性，基于傳統水文學的方法往往不能有效指導未來水文調控實踐需求。因此在一定預見期內利用數學方法進行科學的水文預測預報是現代水文學發展的基礎內容之一。

(5)現代水文觀測和實驗技術研究。一是水熱通量觀測技術[9]，包括新型的降水、蒸散發和徑流觀測技術；二是示蹤劑同位素觀測技術[10]；三是衛星遙感技術，包括基于GIS平臺的水文空間信息的處理和挖掘技術。

五、結語

由此可見，現代水文學在理論上還存在很多缺陷與不足，人們對水文學的認識還存在一定的階段，對研究現代水文學的新技術新方法才剛剛起步。因此，在未來的水文學發展中，應該對理論知識進行研究，對目前出現的水文現狀進行研究，對針對水文而提出的新方法新技術進行研究和應用，讓現代水文學進入一個嶄新的階段。

[1]芮孝芳.水文學原理[M].高等教育出版社,2013.

[2]詹道江.工程水文學[M].中國水利水電出版社,2010.

[3]芮孝芳.環境水文學的產生與發展前景[J].河海大學科技情報,1990,1):95-9.

[4]王浩,王建華.現代水文學發展趨勢及其基本方法的思考[J].中國科技論文,2007,2(9):617-20.

[5]丁晶,高榮松,鄧育仁.隨機水文學[J].四川水力發電,1984,(2)

[6]王文圣,袁鵬,丁晶,et al.門限自回歸模型及其在水文隨機模擬中的應用[J].四川水力發電,2001,20(b07):47-50.

[7]王文圣,丁晶.非參數解集模型及其在水文隨機模擬中的應用[J].四川水力發電,1999,1):60-2.

[8]王文圣,丁晶,向紅蓮.小波分析在水文學中的應用研究及展望[J].水科學進展,2002,13(4):515-20.

[9]孫睿,劉昌明.地表水熱通量研究進展[J].應用生態學報,2003,14(3):434-8.

[10]宋獻方,柳鑒容,孫曉敏,et al.基于CERN的中國大氣降水同位素觀測網絡[J].地球科學進展,2007,22(7):738-47.

廖翔(1994-)，男，碩士研究生，主要從事水文水資源研究。