水文學原理與水文水資源學科的發(fā)展

歐陽芬，吳立峰

(南昌工程學院水利與生態(tài)工程學院，南昌 330099)

水文學原理與水文水資源學科的發(fā)展

歐陽芬，吳立峰

(南昌工程學院水利與生態(tài)工程學院，南昌 330099)

在闡明水文水資源學的概念、內涵、發(fā)展以及相互關系的基礎上，分析西北旱區(qū)宏觀上水資源匱乏，但人均、耕地占有水量不低和水資源時空分布不均，利用難度大的顯著特征，剖析了旱區(qū)水資源開發(fā)利用的主要問題。在分析國內外水文水資源學科發(fā)展動態(tài)以及特點的基礎上，闡述了西北旱區(qū)水文水資源學科的發(fā)展方向。

水文學；水資源學；研究方向

1 水文水資源學的含義與發(fā)展

1.1 水文資源學的含義

水是一切生命賴以存在的基礎，也是人類生活和社會經(jīng)濟生產活動中不可缺少與不可替代的資源。為了開發(fā)利用水資源以及為避免、減少水所帶來的災害，人們長期從多個方面對水進行系統(tǒng)觀測、實驗和分析中，逐步形成并不斷豐富了水文水資源學科。

水文水資源學包括水文學和水資源學兩方面。二者自成體系，相互獨立，相互聯(lián)系，密不可分。雖然其發(fā)展各不相同，但卻共同構成了水資源可持續(xù)利用的科學基礎。

水文學研究自然界各種水體的存在、運動、循環(huán)及其分布、水體的物理化學性質，以及水體與環(huán)境的相互作用和影響，包括與生物、特別是人類的相互作用和影響。它既是地球科學的一個分支，也是水利科學的一個領域；水文學的兩個主要分支——陸地水文學和應用水文學，既具有理論科學的特征，又具有應用科學的性質。

在長期解決生產實際問題的過程中，水文學研究的內容不斷豐富，研究范疇不斷拓展，已形成一門系統(tǒng)完整的科學體系。

水資源安全是人類社會面臨的重要問題之一。隨著人口增加和經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源供求矛盾已經(jīng)成為制約經(jīng)濟社會發(fā)展的瓶頸。在氣候變化和人為活動影響下，自然界水資源賦存環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了明顯改變，應運而生的水資源學科，其主要任務是研究水資源調查評價、開發(fā)利用及保護的理論和方法體系，為經(jīng)濟社會發(fā)展提供水量和質量保證，協(xié)調水資源和社會經(jīng)濟發(fā)展及環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)之間的關系，對水資源進行科學調配和綜合管理。此外，本學科還要在探求水資源在地球自然資源體系中的位置、作用以及與其他自然資源間的相互關系中，揭示水資源形成和演化機理及時空變化規(guī)律，研究在自然和人為活動——特別是人類水事活動引起的環(huán)境變化及其對水資源賦存運動規(guī)律的影響，進行水旱災害模擬及其預測預報，實現(xiàn)協(xié)調經(jīng)濟、社會發(fā)展與水的數(shù)量、質量的供求關系及解決途徑。

水資源學屬于技術科學范疇。盡管水資源學還是一門年輕的科學，尚未形成以知識為紐帶的完整的科學體系，水資源的自然屬性的研究是水文學在水文循環(huán)領域的延伸。水文學是水資源可持續(xù)利用的科學基礎，是解決生產實際水資源問題的前提。而水資源社會屬性的研究綜合了水文學、工程科學、環(huán)境科學、管理科學、經(jīng)濟學等學科在水資源領域的應用和拓展。當前，人類對水資源的需求愈來愈迫切，水文學的研究領域正向著為水資源開發(fā)利用提供依據(jù)的方向發(fā)展。

1.2 水文學的發(fā)展

國內外學者按照水文學研究內容與方法，以及相關里程碑事件的發(fā)生，將水文學的發(fā)展歷史分為三個階段：奠基時期、發(fā)展時期和崛起時期。17世紀是水文學發(fā)展的奠基時期，該時期的研究焦點主要集中于水力學基礎理論、基礎水文測量、水文循環(huán)機理和基礎水文實驗；使用的研究方法有實地測量、實驗和簡單的定量計算；流速儀問世，雨量計出現(xiàn)，水量平衡的提出，定量觀測蒸發(fā)、水文循環(huán)的概念形成標志著水文學的發(fā)展已經(jīng)具備了良好的基礎。18、19世紀是水文學的發(fā)展時期，人們通過實地考察、水文實驗和公式化描述充實了地表水水文學和地下水水文學的理論和內容，水文測量儀器的改進、河川徑流的系統(tǒng)觀測和對已有成果的系統(tǒng)整理總結，導致謝才公式、伯努利方程、“全面匯流” 的概念、達西定理和曼寧公式等問世。20世紀則為水文學的崛起時期，水文循環(huán)機理、水文統(tǒng)計方法、水文模擬技術和水文學交叉領域等均吸引著眾多學者，多學科的交叉與滲透、計算機數(shù)值模擬方法、確定性與隨機性相結合、信息技術的應用使得該學科領域的成果更加豐富，該階段不僅有皮爾遜-Ⅲ型頻率曲線、單位線、DEM、分布式水文模型和生態(tài)水文學的相繼出現(xiàn)，還發(fā)現(xiàn)了“蒸發(fā)悖反”現(xiàn)象。

水文學理論發(fā)展的主線逐步從地表水、土壤水與地下水、下滲、蒸發(fā)到整個流域水文循環(huán)，1900年后相繼問世的理論有： Green- Ampt下滲模型，Taylor紊流擴散理論，Taylor紊流擴散理論、Sherman單位線、Horton入滲曲線、Penman方程、Jacob非穩(wěn)定流方程、Bouchet蒸發(fā)互補理論、分布式模型的概念、Priestley-Taylor蒸發(fā)方程、水文線性系統(tǒng)理論、Budyko水熱耦合平衡假設、Dunne地面飽和徑流概念、蓄滿產流概念、地貌單位線概念。

隨著水文學理論的豐富與發(fā)展，出現(xiàn)了現(xiàn)代的應用水文學，其主要內容包括洪水監(jiān)測及預報、流域水文模型與預測、農業(yè)灌溉、生態(tài)保護和水資源的演變。應用水文學的發(fā)展歷程是： Thiessien多邊形法、皮爾遜-Ⅲ型曲線、Theis井流方程、馬斯京根法、Horton河流定律、Nash匯流模型、斯坦福模型、水箱模型、森林水文學、河道水力演算模型、遙感技術應用、數(shù)字高程模型、薩克拉門托模型、地下水模型、地下水水質模型、SHE模型、陸面過程模型、流域生態(tài)水文學。

水文測量技術和水文學理論一直在相互制約和相互促進中發(fā)展。17世紀前水文測量以定性觀測為主，由觀測者的經(jīng)驗主導，為重大工程、重大災害服務，留存的資料多為比較散碎的描述性文獻。18世紀到19世紀上半葉，大量測量儀器出現(xiàn)，出現(xiàn)了萌芽狀態(tài)的水文觀測，從觀測中發(fā)現(xiàn)了水文循環(huán)規(guī)律，第一批有科學意義的觀測數(shù)據(jù)，為科學水文學的產生奠定了基礎。19世紀下半葉到20世紀上半葉，水文儀器實用化，水文測量向業(yè)務化發(fā)展，水文測量主要為水利工程服務，其工程性大于科學性。20世紀下半葉至今，人們開始反思原有觀測方法并提出質疑，軍用技術民用化帶來了水文量測技術的“第二次創(chuàng)業(yè) ”，新技術促進了水文科學的發(fā)展，使得該階段水文測量的科學性大于工程性。水文測量技術從常規(guī)量測技術轉變新技術的應用。如水位、流量測量由水位計、水尺、流速儀測量到水文自動測報技術；降水測量從雨量器、雪量計到雷達測雨、衛(wèi)星測雨、多種傳感器估測雨量；蒸發(fā)測量從蒸發(fā)皿、蒸發(fā)池、蒸滲儀到渦度相關法、大孔徑閃爍儀、遙感蒸發(fā)；土壤水地下水測量由土壤濕度儀、中子儀、入滲儀到同位素測量和衛(wèi)星遙感測量。水文測量的未來發(fā)展趨勢必然，一是數(shù)據(jù)上的一致性保持、面觀測取代點觀測、實時觀測取代日觀測；二是方法上測量與計算聯(lián)系緊密、參數(shù)的反演、測量與水文模型結合、數(shù)據(jù)同化；三是理論和模型向陸-氣耦合模型和全球水量、能量平衡發(fā)展。

水文實驗的發(fā)展則是由單項要素實驗發(fā)展到流域水文實驗和室內水文實驗。19世紀初，水文實驗主要觀察水文現(xiàn)象、完善水文理論和總結計算公式；人們用工程實踐(觀測)、歸納總結和簡單定量計算做了大量的實驗，如道爾頓蒸發(fā)實驗、地表水流實驗、地下水滲透實驗、霍頓下滲實驗等。19世紀90年代，通過研究水文過程機理、人類活動的影響、水質和生態(tài)的研究、氣候變化的影響，利用模型實驗、觀測與水文模型結合和觀測與衛(wèi)星遙感結合等方法，人們進行了瑞士艾蒙達流域森林水文效應對比研究，建立了科威塔水文實驗站和中國岔巴溝實驗流域，并進行了國際同期觀測實驗。20世紀40年代著手地表水與地下水轉換、水文過程實驗、水文參數(shù)測定、水土保持和環(huán)境保護，應用比尺模型實驗和原型系統(tǒng)實驗、坡面降雨徑流模型實驗得出坡面出流公式等。

同時，水文模擬從最早水文統(tǒng)計，歷經(jīng)集總式和分布式模型，到了現(xiàn)在普遍應用的綜合性模型。常用的經(jīng)驗性模型有蓄槽關系和單位線，概念性模型有斯坦福模型、新按江模型和水箱模型等，物理性模型有SHE、IHDM、SWAT、GBHM等模型。

1.3 水資源學的發(fā)展

相對水文學，水資源學是一門年輕的學科。20世紀中期之前，水資源的知識和經(jīng)驗還未形成專門的學科,還屬于水文學或水利學的一部分。其后，由于氣候變化和人類活動等原因，全球水資源問題日益突出，其重要性逐漸被人們所認識。在其后的50年里，在全球范圍內以水資源為主體的研究日益增多，并且開展對水資源的系統(tǒng)研究和評價活動，作為實現(xiàn)水資源合理開發(fā)利用的重要依據(jù)。專門以水資源為對象的研究和實踐在很大范圍內得到快速發(fā)展，逐漸形成自己的理論體系，可以分為水資源評價、水資源管理、水資源調度和利用、水資源價值等。

2 西北旱區(qū)水資源及其態(tài)勢

西北旱區(qū)系指我國西北地區(qū)的干旱、半干旱地區(qū)及半濕潤易旱地區(qū)，其范圍為橫亙我國東西的秦嶺-昆侖山系以北的遼闊區(qū)域，包括陜西和甘肅省大部，內蒙古西部以及新疆、寧夏和青海的全部地區(qū)。

2.1 西北旱區(qū)水資源總量

西北旱區(qū)深居內陸，氣候干旱，多年平均降水量不足240mm，特別是內陸河流域降水量普遍不足200mm，水面蒸發(fā)量甚至高達2 000mm。這種降水量遠低于蒸發(fā)量的態(tài)勢，造成了區(qū)內的水分稀缺程度遠高于國內其他地區(qū)。山地冰川是西北旱區(qū)水資源存在的一種重要形式。區(qū)內冰川總面積32萬km2，構成了區(qū)內最重要的固態(tài)水資源，是各內陸河的主要補給來源，其年冰川融水徑流量達22×108m3，受冰川融水滋潤形成的肥沃綠洲，成為該區(qū)經(jīng)濟文化中心。

2.2 西北旱區(qū)水資源特點

全區(qū)國土面積占全國的31.7%，而水資源量僅占全國的8%左右。年產水模數(shù)全區(qū)平均為8.88×103m3/km2，不足全國平均值的1/3，且區(qū)內分布也不均勻，最小的寧夏僅1.9×103m3/km2。干旱缺水，導致區(qū)內生態(tài)極其脆弱，是中國土地沙漠化、水土流失、草原旱化、土壤次生鹽漬化的重災區(qū)。該區(qū)水資源一般集中于水源條件較好的現(xiàn)代綠洲，故水資源的人均占有量和耕地單位面積水資源占有量并不少。

2.2.2 水資源分布不均，開采難度大

西北旱區(qū)徑流量和降水量不但全國最少，而且時空變率也最大。有限的降水主要集中在夏秋季節(jié)，且多暴雨，春季缺水十分嚴重，水資源難以滿足農業(yè)灌溉和工業(yè)生產的需要，更有甚者，許多地方人畜用水都很困難。因此，該區(qū)水資源的利用受到了很大限制，災害頻繁，還造成工農業(yè)生產極不穩(wěn)定。

2.3 西北旱區(qū)水資源開發(fā)利用問題

2.3.1 水資源利用方式落后、利用效率差

旱區(qū)農業(yè)用水比重過大。寧夏、內蒙古西部、新疆農業(yè)占國民經(jīng)濟總用水量的比例超過90%，而工業(yè)用水均低于7%。充分說明水資源利用方式落后、利用效率差；旱區(qū)總供水構成中，地表水占一半以上，而新疆、寧夏高達90%以上。全區(qū)除內蒙古西部和陜西地下水開采率在40%左右，其他地區(qū)地下水利用率不足1/4。

2.3.2 經(jīng)濟發(fā)展擠占生態(tài)用水

經(jīng)濟發(fā)展擠占生態(tài)用水在西北旱區(qū)具有很強的慣性，從而導致生態(tài)環(huán)境不斷惡化。如旱區(qū)的生命河——黃河干流呈納了沿河七省區(qū)主要城市排放的廢污水，從而導致了黃河干流嚴重的水污染；區(qū)內日益加重的土地沙(荒)漠化和草場退化現(xiàn)象、湖泊萎縮乃至消失及其河道斷流問題，充分反映了旱區(qū)愈演愈烈的生態(tài)環(huán)境問題。

2.3.3 灌區(qū)土壤鹽漬化和土地荒漠化問題

一些企業(yè)在與客戶簽訂購銷合同時，并沒有按照嚴格的規(guī)范來執(zhí)行，尤其是一些較小的企業(yè)，客戶較少且比較穩(wěn)定，他們之間經(jīng)常以口頭的形式來購銷貨物，當這些客戶采取賒銷的方式時，這些企業(yè)只是口頭答應，并沒有簽訂一份有效的賒銷證明，給企業(yè)財務帶來了極大的風險，當應收賬款無法收回時，這些企業(yè)甚至沒有證據(jù)來證明應收賬款沒有收回，也不受法律的保護，這將給企業(yè)資金帶來巨大的困難。因此，企業(yè)在賒銷時，一定要與客戶按照規(guī)范的程序，簽訂規(guī)范有效的購銷合同，給應收賬款多一點保障，提高企業(yè)資金的安全性。

旱區(qū)不合理的農田灌溉導致了區(qū)內灌區(qū)土壤次生鹽漬化問題嚴重，無論是寧蒙河套灌區(qū)、陜甘的引黃灌區(qū)，還是新疆及青海海東灌區(qū)，這一問題已經(jīng)成為制約農業(yè)生產和危害生態(tài)環(huán)境的主要問題。人類經(jīng)濟活動導致天然水循環(huán)關系改變，支流與干流間的聯(lián)系明顯減弱，特別是內流河上中下游之間的聯(lián)系明顯增強，且水量一般主要消耗在中游段，致使下游的天然綠洲萎縮，加劇了土地的沙漠化。

2.3.4 水資源管理滯后

缺乏對水資源的開發(fā)利用和宏觀控制，為充分注重經(jīng)濟布局和結構調整與水資源的關系，重視水資源的開發(fā)，而對水資源的節(jié)約、配置與保護重視不夠；一些地區(qū)水資源管理不順，或未能充分發(fā)揮經(jīng)濟杠桿對資源的合理配置作用。

3 水文水資源學科發(fā)展動態(tài)

為研究變化環(huán)境下的水文循環(huán)演變規(guī)律，解決日益嚴重的水問題，內外學界實施了許多研究計劃，其核心集中在氣候變化對水文水資源、需水量和水文極端事件的影響，熱點在于水文水資源對環(huán)境變化的響應。第一，研究中應用各種水文模型，分析河川徑流和地下水響應問題及地下水和地表水相互作用、潛在水資源量的季節(jié)動態(tài)預測問題，研究下墊面變化對水文循環(huán)和洪水影響及其城市化、水土保持和水利工程的水文效應等。第二，從環(huán)境學的角度，進行面源污染物預測和水體水質演化模擬，開展水文循環(huán)過程與水生態(tài)及水環(huán)境演變相互作用機制研究。第三，關于大氣過程-陸地水文過程耦合研究，主要體現(xiàn)在，一是預測環(huán)境變化對水資源和生態(tài)環(huán)境的影響，二是通過耦合陸面過程模型或分布式水文模型，結合地面觀測與遙測來實現(xiàn)大氣過程-陸地水文過程的耦合。

我國水文水資源學科針對水資源短缺、水土環(huán)境惡化和生態(tài)環(huán)境脆弱等嚴重影響國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大問題，以中國北方干旱、半干旱地區(qū)為背景，堅持地表水資源和地下水資源并重，強化水環(huán)境綜合治理，研究領域集中在以下方面：一是以水資源的可持續(xù)利用為目標，研究揭示水資源形成、賦存、運動特征，可再生性維持機理及時空變化規(guī)律、水資源可持續(xù)利用的方式和對策研究。二是跟蹤歷史變化的軌跡，揭示氣候變化和人類活動強力干擾下流域區(qū)域水資源變化成因、變化特征、預測模擬未來變化趨勢。三是研究水與生態(tài)系統(tǒng)之間相互作用的模式、機理及過程響應，流域尺度上解決水資源-生態(tài)-社會等系統(tǒng)要素之間相互作用的定量描述和多維調控。四是研究解決與水資源調配密切相關的水權、水價、水市場理論體系。經(jīng)過長期的研究積淀，已經(jīng)形成了具有鮮明區(qū)域特色和地緣優(yōu)勢的北方旱區(qū)水文水資源科學體系。

4 旱區(qū)水文水資源學科發(fā)展

資源性缺水與水質性缺水是中國水問題典型性特征。資源性缺水屬于自然原因，而水質型缺水大多可歸于人為因素。北方旱區(qū)因自然原因多屬資源性缺水，但在人類相對集中集聚的平原或流域下游地區(qū)，由于污染導致的水質型缺水問題也已凸顯。為緩解水危機，在建立節(jié)水型社會的同時，加強水資源管理，提高水的利用效率，促進水資源可持續(xù)利用已成為保證國家水安全、糧食安全、生態(tài)安全的重大戰(zhàn)略措施和實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。

4.1 西北旱區(qū)水量轉化機理與水文規(guī)律研究

進行變化環(huán)境和人類活動強力影響下的水文與水資源演變規(guī)律研究，包括不同時間和空間尺度上大氣水、地表水和地下水的水量轉化及其關系；水資源合理開發(fā)、科學分配和高效利用中的水文分析計算理論和技術；區(qū)域水資源工程系統(tǒng)調度運行的水文預報理論和技術；水文干旱及洪澇災害發(fā)生規(guī)律及預測技術；人類活動對水文生態(tài)系統(tǒng)的影響；水文及水資源信息管理現(xiàn)代化理論與技術；非線性科學等理論與技術在水資源水文學中的應用以及學科間的交叉與融合途徑等。通過研究，揭示大氣水、地表水和地下水的水量轉化與演變規(guī)律，探索高強度人類活動作用下的水循環(huán)過程及其調控技術，通過不同尺度觀測實驗分析和數(shù)值模擬等手段，建立干旱地區(qū)、半干旱地區(qū)水資源調控模式。本研究方向設置可以為研究我國流域(區(qū)域)水資源管理、水資源開發(fā)利用中急需解決的關鍵問題提供支持。

4.2 水資源可持續(xù)利用與管理

以西北干旱、半干旱地區(qū)為背景，結合可持續(xù)發(fā)展與現(xiàn)代管理理論，研究環(huán)境變化和人類活動強力影響下的水資源評價理論和方法、技術體系，水資源可持續(xù)利用與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的水資源規(guī)劃理論與技術；水資源系統(tǒng)調度運行與水量水質調控技術；水資源高效利用與節(jié)水技術；區(qū)域水資源承載能力；區(qū)域水資源合理配置；水資源可持續(xù)利用與社會經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展的宏觀信息決策理論與技術等。

5 建議

第一，加強水文水資源遙測技術應用研究。我國水文水資源學科在實驗技術以及方法方面還比較原始，與21世紀形勢要求形成較大反差, 許多舊的野外實驗基地荒廢了，新的實驗基地缺乏系統(tǒng)規(guī)劃,亟待加強遙感和雷達等遙測技術應用。第二，水文水資源學科應與大氣科學、生態(tài)學科、環(huán)境科學交叉合作，發(fā)展水文過程模擬和預測預報、進行生態(tài)水文和城市水文方面的研究，在水資源配置、調度和管理研究中重視水環(huán)境問題。第三，加強與經(jīng)濟學、管理學及社會學等學科研究的交叉合作, 支撐水資源綜合管理。第四，加強西北旱區(qū)地表水和地下水科學聯(lián)合運用的技術研究。

[1] 沈冰，黃紅虎. 水文學原理[M]. 北京：中國水利水電出版社，2008.

[2] 胡四一. 水文學及水資源的學科前沿和研究需求[J]. 水文，2006，26(03)：1-4.

[3] 錢正英，陳志愷. 西北地區(qū)水資源及其供需發(fā)展趨勢分析[M]. 北京：科學出版社，2004.

[4] 周瑩，尚志強，賈彪. 西北地區(qū)水資源現(xiàn)狀及存在的問題[J]. 內蒙古水利, 2012，(04)：37-39.

Hydrology and the development of water resource subject

OUYANG Fen, WU LI-feng

(School of Hydraulic and Ecological Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China)

On the basis of discussion on concepts, connotation, development and their relationships of the hydrology and water resource subject, it analyzed the main problems of water resource about development and usage in arid areas: macroscopic shortage of water resource, high quantity of plough water occupation, uneven distribution of water resource in time-space, and difficulty in the usage of local water resource. Through the analysis of the tendency and traits of the subject′s development both at home and abroad, it illuminated the main directions of the subject in arid areas.

Hydrology; Water resource subject; Research direction

2016-10-24

江西省教育廳科學技術研究項目

歐陽芬(1987-)，女，博士，講師。

P332.4

B

1674-8646(2016)22-0128-04