水文科學(xué)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(guān)鍵保障因素，因此水科學(xué)將為人類社會(huì)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(guān)聯(lián)的歷史和人類發(fā)展史一樣久遠(yuǎn)。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(guān)系貫穿整個(gè)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(guān)注的焦點(diǎn)。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(guān)：水循環(huán)的變化影響著人類社會(huì)與整個(gè)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(xué)。眾所周知，地球上的淡水總量可滿足當(dāng)前以及未來的人類需求。然而，由于水資源的時(shí)空分布不均勻，在每年的某幾個(gè)月，全球范圍內(nèi)仍有相當(dāng)多的地區(qū)面臨水資源短缺問題。水資源分配不均會(huì)造成糧食短缺、矛盾沖突，并最終導(dǎo)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(shí)際耗水量)有助于實(shí)施水資源的時(shí)空分配，然而由于水文、經(jīng)濟(jì)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(shí)際水問題為根本的水文科學(xué)逐漸成為地球科學(xué)的重要領(lǐng)域之一。如今，水科學(xué)擴(kuò)展到與地理學(xué)、社會(huì)科學(xué)、公共衛(wèi)生學(xué)、工程學(xué)和先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)等領(lǐng)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(yīng)對這些挑戰(zhàn)，水科學(xué)需要制定新的發(fā)展方向，充分利用計(jì)算技術(shù)、先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)、信息共享科技的發(fā)展以及國際跨學(xué)科合作日益加強(qiáng)帶來的新機(jī)遇。20 a前，大多數(shù)常規(guī)的研究方法都未被應(yīng)用，也沒有如今的監(jiān)測設(shè)備和手段，合作和信息交流也比現(xiàn)在少得多。

為了實(shí)現(xiàn)水科學(xué)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(xué)將在學(xué)科傳承的基礎(chǔ)上，以新的動(dòng)力和激情，努力為未來水科學(xué)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(jìn)了水文科學(xué)的發(fā)展，解決了一些重要問題，實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科研究發(fā)展。過去50 a內(nèi)，水文學(xué)已經(jīng)成為地球科學(xué)的中心學(xué)科，取得了豐碩的研究成果，促進(jìn)了人類對水文科學(xué)的認(rèn)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(shí)。對于水資源這一與人類社會(huì)發(fā)展密切相關(guān)的重要因素，未來水文學(xué)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(jì)念?？?，對水文科學(xué)近50 a的發(fā)展進(jìn)行了簡要回顧，共分為3個(gè)章節(jié)：①水文科學(xué)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(huì)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(lǐng)域的不斷變化，水文學(xué)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(diǎn)，關(guān)注的空間范圍從局部擴(kuò)展到全球，時(shí)間范圍從短期到長期，研究重點(diǎn)從單個(gè)水文過程轉(zhuǎn)變?yōu)閷λh(huán)的綜合分析，且正在加強(qiáng)研究者之間的跨學(xué)科聯(lián)系和國際合作。

2.1 水文科學(xué)的傳承

在這一章節(jié)收集了一些關(guān)于過去成就和未來研究為關(guān)鍵主題的綜述性文章?？ǖ录{斯(Cardenas)提出了研究潛流帶水文學(xué)的觀點(diǎn)。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(xué)發(fā)展的愿景。布魯克斯(Brooks)等回顧了流域水文學(xué)近期的發(fā)展，其與水質(zhì)化學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)和生態(tài)水文學(xué)密切相關(guān)，特別強(qiáng)調(diào)了該項(xiàng)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(xué)、水文過程進(jìn)行了物理模擬，對地下有機(jī)污染物遷移以及飽和多孔介質(zhì)中膠體運(yùn)移的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。 科塔尼迪斯(Kitanidis)等為淺層地下水流動(dòng)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(jìn)行了評述，認(rèn)為野外觀測工作大都有助于重要假設(shè)和方法的提出。

2.2 水文過程闡釋和模擬

這一章介紹了關(guān)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(rèn)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(guān)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(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)與模擬徑流生態(tài)系統(tǒng)生物地質(zhì)化學(xué)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(jì)得出點(diǎn)雨量。丘奇(Church)等重點(diǎn)討論了河流地貌學(xué)、河口動(dòng)力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)方面的內(nèi)容。倫克爾(Runkel)和希普塞(Hipsey)等分別研究了流體動(dòng)力學(xué)和水生態(tài)系統(tǒng)。哈維(Harvey)和古瑟夫(Gooseff) 專注于河流動(dòng)力學(xué)研究，如小范圍的物理驅(qū)動(dòng)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(guān)生態(tài)效應(yīng)。萊頓梅耶(Lettenmaier)等概述了水文遙感技術(shù)帶來的創(chuàng)新研究機(jī)遇。倫德奎斯特(Lundquist)等介紹了數(shù)據(jù)誤差及誤差檢驗(yàn)。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(xué):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(guān)的氣候模型預(yù)測，以及其與地質(zhì)觀測結(jié)果的一致性?？ɡ祭锼?Calabrese) 提出了一種新的理論，將隨機(jī)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(yīng)。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(diǎn)是滲流帶水文學(xué)，包括新技術(shù)在加強(qiáng)土壤水文過程研究方面的作用，Richards方程式在毛細(xì)水流研究方面的應(yīng)用。費(fèi)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(yùn)移的模擬。

2.3 水資源與社會(huì)發(fā)展及其面臨的挑戰(zhàn)

這一章涉及人水關(guān)系，鑒于人類活動(dòng)引起的環(huán)境變化對水文循環(huán)的影響，這種關(guān)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(dòng)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(diǎn)。威特(Wheater)等重點(diǎn)研究了水安全，水文研究需要對傳統(tǒng)的以物理實(shí)體為基礎(chǔ)的水資源系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，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(jì)了對水和土地資源的需求。 庫馬爾(Kumar)關(guān)注于水文復(fù)雜性，提出了一個(gè)概念框架，將探索科學(xué)與工程技術(shù)，觀測系統(tǒng)與信息系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通信系統(tǒng)以及社會(huì)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(dāng)代水資源管理結(jié)合自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)在學(xué)術(shù)研究和實(shí)踐中取得的成果進(jìn)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(huì)發(fā)展，在不同的時(shí)間尺度，水文系統(tǒng)發(fā)生演變，是一個(gè)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(huì)、經(jīng)濟(jì)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(fù)原能力，需要弄清人類在各種自然物理過程中的活動(dòng)足跡以及其長期共同演變的過程。布朗(Brown)等從20世紀(jì)60年代的哈佛水資源計(jì)劃開始，介紹了水資源系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)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(jìn)行了收集和分析，以掌握使水資源保護(hù)進(jìn)一步發(fā)展的主要特征。波波拉圖(Porporato)等研究的重點(diǎn)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(jìn)行評估。剛伯拉帝(Gambolati)等研究了與水文過程相關(guān)的巖土力學(xué)，在過去100 a，通過水文過程可以預(yù)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(chǔ)現(xiàn)狀。曾(Tsang)等分析了地下核廢料存儲(chǔ)涉及的關(guān)鍵水文問題。戈?duì)柪?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(dāng)前水力壓裂問題的模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了回顧。沃爾(Wohl)等對河流修復(fù)方面的研究和實(shí)踐進(jìn)行了綜合回顧與展望。多伊爾(Doyle)等建議將科學(xué)、法規(guī)、經(jīng)濟(jì)條件、市場需求和從業(yè)人員的社會(huì)期望結(jié)合起來，實(shí)施河流修復(fù)工作。梅爾茲(Merz)等討論了意外事件對洪水風(fēng)險(xiǎn)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(xué)發(fā)展的新思路和前景，這些思想和方法都能推動(dòng)水文學(xué)的進(jìn)步，歸納起來主要有以下幾點(diǎn)。

(1)遙感數(shù)據(jù)等新的監(jiān)測技術(shù)為大范圍、長期的水文觀測提供了發(fā)展機(jī)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(yàn)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(yàn)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(yàn)，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(jìn)行預(yù)測，需要進(jìn)一步研究水文過程的共同演變。

(4)對非均質(zhì)性進(jìn)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(xué)的每個(gè)分支學(xué)科都只側(cè)重于水循環(huán)的一個(gè)特定部分，而如今的水文學(xué)發(fā)展為多學(xué)科交叉的系統(tǒng)性研究學(xué)科，集中于研究更大范圍以及更長時(shí)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(xué)對確保人類和地球可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展至關(guān)重要。21世紀(jì)的水文科學(xué)發(fā)展目標(biāo)遠(yuǎn)大——解決全球性水問題，確保人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。要通過獲得必要的知識(shí)來解決新時(shí)代所面臨的科學(xué)挑戰(zhàn)，水科學(xué)才會(huì)獲得長足發(fā)展。希望水科學(xué)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。