我國(guó)水文科學(xué)發(fā)展歷程探析,水文學(xué)論文

我們國(guó)家水文科學(xué)發(fā)展歷程探析,水文學(xué)論文摘要：2021年,(水資源研究〕雜志((WaterResourcesResearch〕)創(chuàng)刊50周年,出版了(水資源研究〕50周年紀(jì)念專(zhuān)刊,對(duì)21世紀(jì)水文科學(xué)的傳承與發(fā)展前景進(jìn)行了討論,描繪了將來(lái)水文科學(xué)可能的發(fā)展途徑。新的監(jiān)測(cè)和模型試驗(yàn)技術(shù)、越來(lái)越多的水文研究數(shù)據(jù)和愈加廣泛的知識(shí)分享將為改善水資源管理和促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供創(chuàng)新性手段。對(duì)水文科學(xué)發(fā)展的梳理可為將來(lái)的水文學(xué)家提供啟示,并為不斷加強(qiáng)科學(xué)家之間的國(guó)際合作提供支持。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：水資源;水文科學(xué);傳承發(fā)展;1、背景概述將來(lái)幾十年,水資源將成為人類(lèi)獲得充足食物和能源的關(guān)鍵保障因素,因而水科學(xué)將為人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。眾所周知,人類(lèi)與水互相關(guān)聯(lián)的歷史和人類(lèi)發(fā)展史一樣長(zhǎng)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(zhēng)關(guān)系貫穿整個(gè)人類(lèi)史,且在將來(lái)幾年將在全球范圍內(nèi)越來(lái)越凸顯其重要性。近年來(lái),全球生態(tài)環(huán)境不斷惡化,可持續(xù)發(fā)展問(wèn)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(lèi)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(lèi)社會(huì)與整個(gè)地球自然生態(tài)系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)。自然環(huán)境的加速變化,需要更深切進(jìn)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知足當(dāng)下以及將來(lái)的人類(lèi)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(wèn)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)展不平衡、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)有助于施行水資源的時(shí)空分配,然而由于水文、經(jīng)濟(jì)和政治的互相聯(lián)絡(luò)愈加嚴(yán)密,上述水資源短缺問(wèn)題仍未得到徹底解決。因而,在過(guò)去的50a,以解決實(shí)際水問(wèn)題為根本的水文科學(xué)逐步成為地球科學(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(cè)技術(shù)等領(lǐng)域相結(jié)合,以解決越來(lái)越多的水資源可持續(xù)性問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)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(cè)技術(shù)、信息分享科技的發(fā)展以及國(guó)際跨學(xué)科合作日益加強(qiáng)帶來(lái)的新機(jī)遇。20a前,大多數(shù)常規(guī)的研究方式方法都未被應(yīng)用,也沒(méi)有如今的監(jiān)測(cè)設(shè)備和手段,合作和信息溝通也比如今少得多。為了實(shí)現(xiàn)水科學(xué)的新發(fā)展,需要新的理論和方式方法,最重要的是要有新的思想和積極為將來(lái)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,努力為將來(lái)水科學(xué)的發(fā)展提供有效的方式方法和手段。2、傳承與發(fā)展在過(guò)去50a,通過(guò)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(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科研究發(fā)展。過(guò)去50a內(nèi),水文學(xué)已經(jīng)成為地球科學(xué)的中心學(xué)科,獲得了豐富的研究成果,促進(jìn)了人類(lèi)對(duì)水文科學(xué)的認(rèn)知,對(duì)于涉水問(wèn)題的研究開(kāi)發(fā)了很多新的方式方法和途徑并積累了必要的知識(shí)。對(duì)于水資源這一與人類(lèi)社會(huì)發(fā)展密切相關(guān)的重要因素,將來(lái)水文學(xué)家將繼續(xù)努力為人類(lèi)更好地了解地球、把握氣候變化、合理利用和分配水資源發(fā)揮重要作用。2021年,(水資源研究〕雜志((WaterResourcesResearch〕)創(chuàng)刊50周年,出版了(水資源研究〕50周年紀(jì)念專(zhuān)刊,對(duì)水文科學(xué)近50a的發(fā)展進(jìn)行了扼要回首,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)水文經(jīng)過(guò)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。該回首表示清楚,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(zhuān)注單一經(jīng)過(guò)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(zhǎng)期,研究重點(diǎn)從單個(gè)水文經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)水循環(huán)的綜合分析,且正在加強(qiáng)研究者之間的跨學(xué)科聯(lián)絡(luò)和國(guó)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(guò)去成就和將來(lái)研究為關(guān)鍵主題的綜述性文章。卡德納斯(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(guò)去20a地球物理勘探方式方法的發(fā)展,以闡釋淺層地下水的水文經(jīng)過(guò),還提出了水文地球物理學(xué)發(fā)展的愿景。布魯克斯(Brooks)等回首了流域水文學(xué)最近的發(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),十分強(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(duì)冰雪水文學(xué)、水文經(jīng)過(guò)進(jìn)行了物理模擬,對(duì)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?？扑岬纤?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(duì)一批基于野外觀測(cè)工作的論文進(jìn)行了評(píng)述,以為野外觀測(cè)工作大都有助于重要假設(shè)和方式方法的提出。2.2、水文經(jīng)過(guò)闡釋和模擬這一章介紹了關(guān)于水文經(jīng)過(guò)闡釋和模擬方面的創(chuàng)新性思想、原理和方式方法,為認(rèn)知水文循環(huán)系統(tǒng)和經(jīng)過(guò)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)經(jīng)過(guò)。邁克奈特(McKnight)等提出將來(lái)將實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬徑流生態(tài)系統(tǒng)生物地質(zhì)化學(xué)經(jīng)過(guò)相結(jié)合的發(fā)展方向。D.熱蘇斯(DelJesus)等討論了通過(guò)衛(wèi)星觀測(cè)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(zhuān)注于河流動(dòng)力學(xué)研究,如小范圍的物理驅(qū)動(dòng)因素怎樣引起大規(guī)模的地形地貌變化經(jīng)過(guò),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(lái)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(wèn)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):前者著重討論了全球水文現(xiàn)在狀況、變化趨勢(shì)和方向;后者則討論解釋了與將來(lái)干旱相關(guān)的氣候模型預(yù)測(cè),以及其與地質(zhì)觀測(cè)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(duì)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)土壤水文經(jīng)過(guò)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?tīng)可嫒怂P(guān)系,鑒于人類(lèi)活動(dòng)引起的環(huán)境變化對(duì)水文循環(huán)的影響,這種關(guān)系變得越來(lái)越重要。西奧拉(Ceola)等分析了在全球范圍內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水資源造成的壓力?？扑垢窳_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(duì)傳統(tǒng)的以物理實(shí)體為基礎(chǔ)的水資源系統(tǒng)進(jìn)行改良,將人類(lèi)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(duì)水和土地資源的需求。庫(kù)馬爾(Kumar)關(guān)注于水文復(fù)雜性,提出了一個(gè)概念框架,將探尋求索科學(xué)與工程技術(shù),觀測(cè)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)方式方法與體制方式方法相結(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(duì)現(xiàn)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)踐中獲得的成果進(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經(jīng)過(guò)。沃格爾(Vogel)等的研究表示清楚,水、氣候、能源、食品、工業(yè)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境將不可避免地互相影響,為了有可持續(xù)性發(fā)展復(fù)原能力,需要弄清人類(lèi)在各種自然物理經(jīng)過(guò)中的活動(dòng)足跡以及其長(zhǎng)期共同演變的經(jīng)過(guò)。布朗(Brown)等從20世紀(jì)60年代的哈fo水資源計(jì)劃開(kāi)場(chǎng),介紹了水資源系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域的研究歷史?；舳鞑?Hornberger)等對(duì)美國(guó)城市的大型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了收集和分析,以把握使水資源保衛(wèi)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?duì)地下水進(jìn)行評(píng)估。剛伯拉帝(Gambolati)等研究了與水文經(jīng)過(guò)相關(guān)的巖土力學(xué),在過(guò)去100a,通過(guò)水文經(jīng)過(guò)能夠預(yù)測(cè)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)在狀況。曾(Tsang)等分析了地下核廢料存儲(chǔ)牽涉的關(guān)鍵水文問(wèn)題。戈?duì)柪?Gorelick)等概述了全球變化對(duì)地下水管理的影響。伯德賽(Birdsell)等對(duì)當(dāng)下水力壓裂問(wèn)題的模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了回首。沃爾(Wohl)等對(duì)河流修復(fù)方面的研究和實(shí)踐進(jìn)行了綜合回首與瞻望。多伊爾(Doyle)等建議將科學(xué)、法規(guī)、經(jīng)濟(jì)條件、市場(chǎng)需求和從業(yè)人員的社會(huì)期望結(jié)合起來(lái),施行河流修復(fù)工作。梅爾茲(Merz)等討論了意外事件對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理的影響。3、將來(lái)瞻望從以上研究能夠明確看出當(dāng)前水文科學(xué)發(fā)展的新思路和前景,這些思想和方式方法都能推動(dòng)水文學(xué)的進(jìn)步,歸納起來(lái)主要有下面幾點(diǎn)。(1)遙感數(shù)據(jù)等新的監(jiān)測(cè)技術(shù)為大范圍、長(zhǎng)期的水文觀測(cè)提供了發(fā)展機(jī)遇,需要有創(chuàng)新思路,建立新模型來(lái)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。固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(lái)越多,這種不確定性正在逐步減小。因而,能夠在更大空間尺度上開(kāi)展試驗(yàn),為解決全球性水問(wèn)題提供新的途徑。(3)為更好地了解水文系統(tǒng)特性并對(duì)將來(lái)情景進(jìn)行預(yù)測(cè),需要進(jìn)一步研究水文經(jīng)過(guò)的共同演變。(4)對(duì)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經(jīng)過(guò)。(5)需要從新的角度分析人與水文系統(tǒng)間的互相作用,全面了解內(nèi)在反應(yīng)和共同演變經(jīng)過(guò)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)