水文学的发展及其所面临的若干前沿科学问题

'第27卷第1期水利水电科技进展2007年2月Vol.27No.1AdvancesinScienceandTechnologyofWaterResourcesFeb.2007水文学的发展及其所面临的若干前沿科学问题芮孝芳,刘方贵,邢贞相(河海大学水资源环境学院,江苏南京210098)摘要:通过回顾水文学的发展史,指出客观上总是存在着两条相辅相成、互相促进、不断提高的水文学发展轨迹。通过归纳水文学已取得的主要学术成就,认为物理学的渗透和本构关系的揭示是水文学理论进步的重要条件。当今水文学面临的若干困惑,主要来自对其本构关系的研究相对薄弱,由此凝炼出水文学的前沿科学问题主要是:非线性问题、尺度转换问题、空间变异性问题、坡面流速问题、确定性与随机性互补问题、水文时间序列长期演变规律问题、“异参同效”问题、预测模型问题、时空探源问题和误差问题等。加强或重视对这些前沿科学问题的研究,将会有力地促进水文学的理论和应用水平不断提高。关键词:水文学;本构关系;非线性;尺度转换;空间变异性;确定性;随机性;异参同效中图分类号:P33文献标识码:A文章编号:1006O7647(2007)01O0075O05Advancesinhydrologyandsomefrontierproblems//RUIXiao2fang,LIUFang2gui,XINGZhen2xiang(CollegeofWaterResourcesandEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)Abstract:Basedonareviewofsomeadvancesinhydrologyandmainachievementsfromtheresearch,itispointedoutthattherearetwodevelopmentlinesintheresearch,whichsupplementeachother,anditisconsideredthattheintroductionofphysicsandtherevealingoftheconstitutiverelationshipintheresearchprovideimportantconditionsforthedevelopmentofhydrologicaltheory.Atpresent,theresearchonhydrologyisfacingwithsomedifficulties,mainlycomingfromtherelativelyweakresearchontheconstitutiverelationship.Themainproblemslayonthenon2linearity,scaletransformation,spatialvariability,velocityofoverlandflow,complementationbetweendeterminacyandrandomness,long2termchangeofhydrologytimeseries,“equifinalityfordifferentparameters”,predictionmodel,spatio2temporaloriginofwaterresources,anderroranalysis.Payingmuchattentiontotheseproblemswillgreatlypromotethedevelopmentofhydrologicaltheoriesandimprovetheleveloftheirapplication.Keywords:hydrology;constitutiverelationship;nonlinearity;scaletransformation;spatialvariability;determinacy;randomness;equifinalityfordifferentparameters[1]水文学的现状如何?它正处在什么发展阶段?与丰富。在人类社会发展的早期,人们试图通过是什么阻碍着它的进一步发展?如何减少水文学方建造水利工程来防治水害,获取水利,因而工程水文法对资料的依赖程度,即在资料短缺的情况下如何方面的内容得到了发展,并于20世纪30年代至60使用水文计算方法或水文模型(这也是国际上当前年代得到快速发展,形成了分支学科———工程水文开展PUB计划的初衷)?突破点在哪里?换言之,学。当人类社会进入20世纪70年代以后,由于经水文学的前沿科学问题是哪些?这不仅关系到对水济迅猛发展和人口快速增长,各种自然资源出现了文现象规律性的进一步探索揭示,而且也影响到对不同程度的紧张局面,水资源的供需矛盾显得更加实际生产中所遇到的难题的进一步解决。这显然是突出,于是一个专事水资源供需预测、合理开发、优科学家和工程师都十分关注的问题。化配置和有效管理的水资源水文研究方向因此而迅速发展起来。与此同时,由于经济发展模式上的不1水文学的发展轨迹合理,出现了严重的环境污染问题,水环境污染首当水文学的发展与人类对水的认识和需求密切相其冲。这不仅进一步加深了水资源的紧缺程度,而关。人类对水的认识的不断加深,以及对水的需求且危及经济社会的可持续发展。在此背景下,旨在方式的不断拓展,使得水文学的研究领域不断延伸为水环境保护和修复寻找良策的环境水文研究方向基金项目:国家自然科学基金资助项目(50309002)作者简介:芮孝芳(1939—),男,江苏溧阳人,教授,从事水文学及水资源研究。水利水电科技进展,2007,27(1)Tel:025O83786335E2mail:jz@hhu.edu.cnhttp://kkb.hhu.edu.cn·75· 应运而生。水文学的分支学科“水资源水文学”和的长期演变,以及水文过程与生态环境、人类活动之“环境水文学”几乎在20世纪70年代同时形成。长间的相互作用等,通过认识自然界水文规律,为人类期以来,由于呈加剧趋势的水污染和水资源紧缺,已控制洪水与干旱、开发利用水资源和保护生态与环越来越明显地影响到一些地方的生态系统和安全,境提供科学基础和技术方法,达到人与自然和谐之保护生态系统安全和生物多样性已成为人类面临的目的。经过300余年的发展,水文学无论在理论上[2]重要任务,与之相应,近10年来生态水文学得到还是在应用上均有了长足的进步。是什么理论支撑较快发展,并成为水文学新的分支学科。着水文学发展到今天这样的水平呢?或者说,现有如果说人类对水的认识和需求支撑着上述应用的水文学理论是建立在什么样的基础上的呢?可初[1,12]水文学的发展轨迹,那么科学和技术的发展为人们步归纳如下:探索、揭示自然界水文现象的规律性和解决应用水a.质量守恒定律———水量平衡和其他物质,如文学中各种实际问题提供了理论和方法。事实必然泥沙、氮、磷、碳等平衡的基础。这种平衡关系既可表是,人们欲通过上述应用水文学认识自然、改造自达成微分方程式,也可针对有限空间和时间来建立。然,达到与自然和谐共处的目的,就必须借助于科学b.能量守恒定律———能量平衡和热量平衡的理论和技术来探索、揭示水文现象的规律性。因此,基础。这种平衡关系既可表达成微分方程式,也可在水文学的发展过程中必定存在着与上述应用水文针对有限的空间和时间来建立。学发展轨迹相辅相成、互相促进的另一条理论水文c.牛顿三大定律———描述和分析不同介质中学的发展轨迹。19世纪牛顿力学体系的确立为水水流运动的基础。[1]文学奠定了力学基础。此后,科学和技术的进步d.叠加性和均匀性原理———线性系统输入与[3]都会对水文学的发展产生影响。动力水文学是应输出之间定量表述的基础。用水动力学和热力学揭示水文规律的水文学分支学e.“门槛”效应———分析下渗、蒸散发和产流等[4]科。系统水文学是借助于系统论和控制论处理水水文现象,寻求其定量计算方法的基础。[5]文问题的水文学分支学科。随机水文学是依赖概f.统计综合———定量分析各种因果关系最初率论、随机过程论和时间分析技术探讨水文规律的等的方法,直观、简单而常用。[6]水文学分支学科。数字水文学是基于数字化技术g.随机独立性假设———现行水文频率分析和分析水文规律和进行水文模拟的水文学分支学科。地貌瞬时单位线理论的前提,也是使用统计试验法[7]实验水文学是应用科学实验方法揭示水文规律的分析本构关系的前提。水文学分支学科。尤其值得一提的是,物理学对水h.平稳性假设———利用水文时间序列自身演文学的渗透是近30年来水文学发展的一个亮点。变规律推测其未来变化的基础。物理学对水文学的每次渗透都会对水文学理论创新i.重现性假设———以历史上发生的大洪水作为产生重要影响,典型的例子有:1979年Rodriguez2设计标准和以长系列操作结果作为设计依据的基础。[8]Iturbe等借助于统计物理学理论建立了地貌瞬时j.空间分布均匀性假设———将流域作为整体[9]单位线理论;1986年Abbott等应用连续介质力学研究即不考虑气象条件和下垫面条件空间分布不均理论建立了一个具有物理基础的分布式水文模型,匀影响的基础,也是由“点”水文要素通过简单方法[10]即SHE模型;1991年Rinaldo等基于扩散理论构换算成“面”水文要素的依据。建了新的地貌瞬时单位线表达式。1998年k.相似性假设———假设气候条件相似和几何[11]Reggiani将热力学系统理论引入水文学,建立了相似即水文过程相似。这是将一个流域的水文规律基于代表性单元流域(REW)的水文模型,强调了物如何移用至另一个流域的基础。理定律和流域水文本构关系在水文建模中各自的重上述所列之前3项,属于已经证明的物理学规要作用。律,表明了物理学对水文学的深刻影响。可以预示,水文学始终沿着上述两条相互关联的轨迹处于随着科学的发展,物理学必然会更加广泛而深刻地不断的发展之中,其总和就是一部水文学的发展史。影响着水文学。其余各项则属于现行对水文本构关系的认识。从哲学观点看,这些项几乎都是线性思2现行水文学的理论支撑维的产物。事实反复证明,它们只有在一定条件下水文学作为一门独立的学科,旨在探索和揭示才是正确的,而对于其他情况则是近似的,甚至是必自然界水文现象的规律性,即水文循环各子过程及须有所突破才能使水文学获得进一步的发展。这些其相互关联、陆地水体中水的运动和变化、水文要素有待突破的方面就应是水文学的前沿科学问题。·76·水利水电科技进展,2007,27(1)Tel:025O83786335E2mail:jz@hhu.edu.cnhttp://kkb.hhu.edu.cn 相互转换吗?一个流域的点产流量对流域面积的积3水文学的前沿科学问题分能等于该流域的总产流量吗?它们之间存在何种311非线性问题定量关系呢?科学发展到今天,非线性至少有3种含义:c.即使对均匀介质,由不同尺度得到的同一水a.数学上的含义。在代数学中称变量之间的文参数相同吗?相互之间可以转换吗?例如,实践直线函数关系为线性关系,对这种关系的偏离称为已揭示,即使对于均质土壤,由小尺度土块测得的水非线性。在数学物理方程中,称未知变量及其导数力传导度与由大尺度土块测得的水力传导度并不相为一次方且其系数与未知变量无关的微分方程为线同,在相同的土湿条件下,前者则远大于后者。性微分方程,否则为非线性微分方程。在概率论中,上述列举的尺度转换问题对水文学是一种严重若随机变量之间相互独立,则表现为线性关系,否则挑战。由于我们解释水文规律总是首先针对一定尺表现为非线性关系。度的流域的,而不可能对地球上所有的大大小小流b.系统论中的含义。凡既满足均匀性又满足域都设站进行水文观测,因此,这种挑战必然给我们叠加性的系统称为线性系统,否则为非线性系统,其探求无资料流域的水文规律和计算方法带来极大的中不满足均匀性但满足叠加性的称为第一类非线性困难。系统;两者均不满足的成为第二类非线性系统。313空间变异性问题c.非线性科学中的含义。相互联系的事物之对于“点”与“面”水文过程之间存在差异的问间不只是存在着一方受到来自其他方的影响,而是题,除了上述尺度转换关系外,还由于降雨和下垫面[14]相互影响、相互制约、相互依存,这就是非线性科学特征空间分布的不均匀。例如,产流面积的变化的实质。非线性科学是一个正在发展的科学体系,就是由于存在降雨和下垫面特征的空间分布不均目前主要包括:研究自相似性的分形理论,研究内随匀;一个流域的流域单位线不唯一,除了非线性作用机性的混沌理论和研究耗散结构的熵原理等。外,由流域单位线定义可知显然还与净雨的空间变从非线性如此多的含义足见其极端的复杂性。异性有关。在现代科学中,非线性似乎已成为复杂性的同义词。水文要素或特征值或参数的空间变异性通常表水文过程存在非线性的根源之一是其内部的相现为分区性、非分区性和空间随机性。分区性是指互作用,包括发生在同一介质中和不同介质中各种区域性或地带性,区域与区域或地带与地带之间的现象之间的相互作用;根源之二是外部条件如流域变化是不连续的。非分区性是指随空间位置呈连续水系、地形地貌、地表覆盖、气候要素和人类活动等变化的特性。空间随机性是指空间分布具有随机的复杂影响,至于其余的根源还有待人们进一步去性。不同表现形式的空间变异性,应该使用不同的解释。处理方法。312尺度转换问题遥感、雷达和GIS等新技术虽为探测降雨、地这个问题的实质是如何揭示不同尺度条件下发形、地貌、土壤、地面覆盖等空间变异性提供了有效生的同一水文现象之间的相互关系,诸如数学关系,工具,但仍有许多具体问题有待解决。例如:如何使[13]统计关系,或物理关系等。具体地说,就是:这些新技术所测与直接测定法所测精度相同就是一a.流域面积及其他流域地形地貌参数有真值个值得探讨的问题。吗?这个问题的起因类似于“英国的海岸线有多314坡面流速问题长?”这样一个问题。由于对同一比例尺的地形图,坡面流速问题的核心是如何确定流速公式的形采用不同分划单位,所得的结果不一样;对相同的分式。对于明渠水流,如河流、湖泊、水库中的水流,其划单位,采用不同比例尺的地形图,所得结果也不一运动主要受来自其内部的相互作用的支配,现已建样。这样就会提出一个问题:在推求流域面积和其立了一套可用于解决实际问题的理论和方法,例如他流域地貌参数时应拟定一个作为基准的地形图比Chezy公式或Manning公式。但对于多孔介质水流,例尺,并应给出由其他比例尺地形图得到的数值订例如土壤孔隙中的水流,其运动主要不是受来自其正到该基准的方法。内部的相互作用的支配,而是受其周围固体边界之b.在相同气候条件下,同一水文要素在不同流影响。Darcy的试验证明,在这种情况下Chezy公式域上的表现是否存在转换关系呢?例如:两个形状、或Manning公式不再适用,而必须采用Darcy公式。水系、坡度分布、覆盖情况完全相同、仅面积大小不坡面水流则具有特殊性。由于微地形和地面覆盖的相同的流域,它们的瞬时单位线或时段单位线可以复杂性,坡面好似不平整的“地毯”,一定坡面水深以水利水电科技进展,2007,27(1)Tel:025O83786335E2mail:jz@hhu.edu.cnhttp://kkb.hhu.edu.cn·77· 下的水流与多孔介质水流相似,而一定坡面水深以人类活动影响两方面入手。上的水流则表现为明渠水流。坡面水流的这种复杂遗憾的是,人们至今还未掌握水文时间序列的性使得坡面流速的问题至今悬而未决,以致一定程自然演化的驱动因子或其演化规律,就连人类自身度地阻碍了流域汇流理论的发展与实用化。引起的问题,也因为其相当无序而无法确切地掌握。此外,多孔介质水流扩散机理与明渠水流扩散例如人们在地球上许多地方不约而同地发现,近10机理的区别也是值得探讨的问题。多年来,气温虽有所上升,但水面蒸发却在减少,这315确定性与随机性互补问题一“蒸发悖论”正说明了解释水文时间序列的长期演在过去相当长的时期内,人们总是将确定性与变规律是极其困难的。随机性看作是对立的。统计力学的出现第一次对此长期以来,水文学家试图用趋势性、周期性、随提出了挑战!通过物理实验得出的气体状态方程是机性、模糊性、灰色性、混沌性,或者它们之间的某种一个确定性定律,统计力学则在考察气体分子的独组合来描述水文时间序列的规律,但都不能奏效。立随机运动的基础上,借助于概率论中的大数定律因此,水文时间序列长期演变有无规律,可否预测,等也导出了这一气体状态方程。这一事实说明了一或者说在什么条件下才可以预测,至今仍是一个个现象所表现出的确定性一面和随机性一面不是对“谜”!立的,而是互补的。317“异参同效”和预测模型问题半个世纪以来,水文学中出现了3件值得重视所谓“异参同效”,严格地说是指对于相同的模的事件:一是根据流域水系形成的随机模型证明了型结构和相同的模型输入,会有多个最优参数组使从实践中总结出的Horton地貌定律;二是地貌瞬时所获得的模型输出具有相同的拟合精度。出现“异[8]单位线理论的出现;三是“参数水文学”与“随机水参同效”的原因至少有:目标函数是多极值的;模型[16]文学”关系的揭示。这3件事改变了人们认为水中包含的参数之间存在相互补偿作用;模型参数具文确定性和水文随机性是对立的看法。有随机性。研究表明,水文确定性与随机性的互补至少可尽管有人将水文模型评价得很高,但现行流域以体现在下列几个方面:水文模型,由于其对水文物理过程的描写与定量计a.从微观上考虑表现出随机性,但从宏观上考算过于粗略和概化,实际上只具有“模拟”功能,属于量却表现出确定性。“模拟模型”。这种模型容易做到模拟或复演过去已b.确定性现象也包含着内随机性,即具有“蝴经发生过的水文现象,利用计算机的“长处”,只要不蝶效应”的混沌性。断地调整模型的结构和参数,这是不难做到的。但c.大量随机性之总和可表现出确定性,这就是在科学上和应用中,最具有价值、能预测未来的“预大数定律所揭示的。测模型”或“分析模型”的构建就不那么容易了!因随机微分方程理论、随机系统理论和贝叶斯理为这只有在人们对水文过程的物理规律有了足够精[18O19]论的出现,为人们处理确定性与随机性的互补确的认识和揭示的基础上才有可能实现!关系,或者说统一处理一个事物在发展过程中所表避免“异参同效”和构建“预测模型”或“分析模现的确定性一面和随机性一面提供了有力的工具。型”都必先加强对水文模型结构的物理机理的研究,由此还不难看出所谓误差实时校正技术在理论其次才是对模型参数率定技术的研究。上存在的缺陷,随着研究的深入,对这一“过渡性”的318时空探源问题技术将可能与上述理论归于统一。随着人们越来越关注水资源和水安全问题,探316水文时间序列的长期演变规律问题索水资源的来源问题不仅具有科学意义,而且具有支配水文时间序列的长期演变的原因,或者说实际价值。某地或某水体的水资源从何补给?是降驱动力是什么?这是水文学家长期不得而知的一个水、冰川还是地下水?是何处的降水、冰川、地下水?问题,也是中长期水文预报理论和方法长期没有实人类的文明史大约只有5000年,在人类没有记载或质性进展的根本原因。因某种原因缺失记载的年代里有没有发生过极值水虽然人们早就认识到水文要素是气候条件和下文现象?它发生在什么时候?数量有多大?垫面条件的综合产物,但由于这两个条件既存在自同位素技术的出现为解决上述问题提供了可然演化过程,又存在受到人类活动影响的一面,尤其能。因为根据稳定同位素的性质,可探测水体的补是下垫面条件极易受到人类活动的影响。因此,解给类型及来源;根据放射性同位素的性质,可测定过释水文时间序列演变必须从探索其自然演化规律和去极值水文事件发生的年代。可见,发展同位素技·78·水利水电科技进展,2007,27(1)Tel:025O83786335E2mail:jz@hhu.edu.cnhttp://kkb.hhu.edu.cn 术在水文中的应用是有必要的。andWaterResources.Pittsburgh:UniversityofPittsburgh,319误差问题1978.误差是指近似值与真值之差值。在水文学中具[6]芮孝芳,石朋.数字水文学的萌芽及前景[J].水利水电科技进展,2004,24(6):55O58.体是指观测值或计算值(模拟)值与其真值之间的差[7]KIRKBYMJ.Hillslopehydrology[M].Chichester:JohnWiley值。在进行水文观测时,真值一般是无法得知的,因andSons,1978.此,真正的误差值是未知的,而在进行水文计算或模[8]RODRIGUEZ2ITURBEI,VALDESJB.Thegeomorphologic拟时,因通常以实测值代表真值,故误差就是计算structureofhydrologicalresponse[J].WaterResources(模拟)值与实测值之差值,可认为是已知的。Research,1979,15(6):1409O1420.水文观测误差与观测仪器的性能和外界环境如[9]ABBOTTMB,BATHURSTJC,CUNGEJA,etal.An温度、湿度、气压、风速等有关,其中既有系统误差,introductiontotheEuropeanHydrologicSystem2System也有偶然误差。水文计算(模拟)误差,除了源于参HydrologiqueEuropean,SHE[J].JofHydrol,1986,87:45O77.与计算的资料的观测误差外,还与计算公式、模型、[10]RINALDOA,MARANIA,RIGONR.Geomorphologicaldispersion[J].WaterResourcesResearch,1991,27(2):3041O参数和计算方法的正确性或合理性有关。3049.水文学家认为,在当前科学水平下,对误差进行[11]REGGIANIP,SIVAPALANM,HASSANIZADEHSM.A一定修正是提高水文观测和水文计算(模拟)精度的unifyingframeworkforwatershedthermodynamics:balance重要手段之一,而且认为,修正方法与误差的特性有equationsformass,momentum,energyandentropy,andthe[20]关。对于计算或模拟误差,虽然提出了一些修正secondlawofthermodynamics[J].AdvancesinWater方法,例如:卡尔曼滤波法、递推最小二乘法、误差自Resources,1998,22(4):367O398.回归分析法和交互式修正技术等,但对它们的理论[12]芮孝芳.水文学的研究方法与理论创新[J].水利水电科基础仍是值得讨论的。而对于观测误差,由于连误技进展,2003,23(2):46O50.差多大、什么是粗差、什么是错误、“冒大数”是不是[13]WOODEF.Scaledependenceandscaleinvariancein粗差或错误都无法或难以识别,那么对其进行修正hydrology[M].Cambridge:CambridgeUniversityPress,1998.[14]ROSSOR,PEANOA,BECCHII,etal.Advancesin必然仍是一个悬而未决的问题了!distributedhydrology[M].Colorado:WaterResources4结语Publications,1994.[15]芮孝芳.产汇流理论[M].北京:水利电力出版社,1995.近20年来,在我国水文学的研究中似乎存在着[16]QUIMPORG.Linkbetweenstochasticandparametric一种注重新技术应用的倾向。基于下列原因,这是hydrology[J].JHydraulDivAmSocCivilEng,1973,99:461无可厚非的:一是在20世纪70年代之前我国的水O470.文技术相对落后,深受技术落后之苦;二是水文学现[17]孙颖娜.随机汇流模型及基于随机理论确定Nash模型在所涉及的新技术,实际上都是当今世界成熟的技参数研究[D].南京:河海大学,2006.术,比较容易做到立竿见影;三是水文学理论研究相[18]KRZYSZTOFOWICZR.Bayesiantheoryofprobabilistic对艰难,即使一点小进步也可能要付出巨大的努力,forecastingviadeterministichydrologicmodel[J].WaterResourcesResearch,1999,35(9):2739O2750.甚至付出了也可能“颗粒无收”!笔者认为这种倾向[19]芮孝芳.中国的主要水问题及水文学的机遇[J].水利水不应该再继续下去了!这也许就是笔者写作本文的电科技进展,1999,19(3):18O21.初衷吧![20]芮孝芳.流域水文模型研究中的若干问题[J].水科学进参考文献:展,1997,8(1):94O98.[21]芮孝芳,蒋成煜,张金存.流域水文模型的发展[J].水[1]芮孝芳.水文学原理[M].北京:中国水利水电出版社,文,2006,26(3):22O26.2004.(收稿日期:2006O09O26编辑:马敏峰)[2]BAIRDAJ,WILBYRL.生态水文学[M].赵文智,王根绪,译.北京:海洋出版社,2002.[3]EANLESONPS.Dynamichydrology[M].NewYork:McGraw2HillBookCompeny,1970.[4]DOOGEJCI.Lineartheoryofhydrologicsystems[R].Washington,D.C.:USDATechBull,1468,1973.[5]CHOWVT.Evolutionofstochastichydrology[C]//CHINChao2Lin.ApplicationofKalmanFiltertoHydrology,Hydraulics水利水电科技进展,2007,27(1)Tel:025O83786335E2mail:jz@hhu.edu.cnhttp://kkb.hhu.edu.cn·79·'