水文学及水资源学科发展动态

第卷第期年月中国水利水电科学研究院学报收稿日期基金项目国家重点基础研究发展规划项目国家自然科学基金项目作者简介贾仰文男山东成武人教授级高级工程师博士主要从事水文水资源方面研究文章编号水文学及水资源学科发展动态贾仰文王浩彭辉中国水利水电科学研究院水资源研究所北京摘要基于近几年国内外相关学术期刊学术会议论文集专著与研究报告进行了水文学和水资源学科发展动态调研研究表明面对全球气候变化强烈人类活动影响等新问题水文学和水资源学科近年来产生了一批新的研究热点领域在新的理论与现代技术手段的支撑下取得了较大进展日益明显的与其他学科的交叉合作现象是当前水文学和水资源学科发展的重要特点根据学科发展动态建议加强科学试验学科交叉等方面的研究以推动我国水文学与水资源学科的不断创新与发展关键词水文学水资源变化环境人类活动学科交叉中图分类号文献标识码学科概述水文学及水资源学科包括水文学和水资源学两个方面是研究水的性质循环运动规律水与环境相互关系以及水资源可持续利用的学科水文学是研究地球水圈的存在与运动的科学它主要研究地球上水的形成循环时空分布化学和物理性质以及水与环境的相互关系为人类防治水旱灾害合理开发和有效利用水资源不断改善人类生存和发展的环境条件提供科学依据水文学同属于地球科学和水利科学两个范畴与科学探究和工程建设实践均密切相关随着现代量测技术和计算机技术的发展以及人类活动对自然环境和生态系统影响的日益加剧现代水文学的研究对象涵盖了水文循环的物理过程伴随水文循环过程的生物化学过程以及植物生态过程等目前水文学学科方向包括水文学基础理论或理论水文学的研究如流域水循环的各要素过程产汇流原理水文变量及参数的空间变异与尺度问题分布式流域水文模拟方法水文模拟与预测的不确定性分析等应用水文学的研究如工程水文学水文计算水文统计水文预报等城市水文学农业水文学和森林水文学等水文量测与水信息技术如遥感水文学同位素水文学水文数据同化和数字流域与水信息技术学科交叉研究如水文循环过程与物质循环过程的相互作用环境水文学水文循环过程与大气过程的相互作用水文气象学水文循环过程与生态过程的相互作用生态水文学及生态需水研究流域自然水循环系统与社会水循环系统之间的相互作用二元水循环等水资源学是对水资源的量与质进行评价制定水资源综合开发利用和保护规划解决水资源供需矛盾并对水资源实行科学管理的知识体系但在相当长的一段时间里有关水资源的知识和经验常融合在其他已建立的学科如水文学水利学中没有形成水资源的专门学科从世纪中期以来水资源问题日益突出专门以水资源为对象的研究和实践在很大范围内有了发展逐渐形成了自成体系的水资源学其研究对象主要可归结为水资源的形成演化运动的机理评价地球上与不同区域上的水资源的数量与质量及其时程变化在人类经济及其社会发展中为适应用水的需要而开发利用水资源的科学途径在人类开发利用水资源过程中引起的环境与生态变化以及这种变化对水资源自然规律的影响探求在变化的环境中如何保持水资源的可持续开发利用的科学途径等学科发展动态水文学发展动态水文学近年来出现了以下几个重点研究领域和发展新方向变化环境下的水文循环机理和演变规律研究由于全球气候的变化和人类活动的加剧地球上的水文循环和水资源状况发生了深刻的改变为研究新的环境下的水文循环演变规律解决日益严重的全球水问题国际水文界实施了许多研究计划如国际水文计划世界气候研究计划国际地圈生物圈计划的水文循环的生物圈方面以及地球系统科学联盟的全球水系统计划等在气候变化对水文循环影响的研究方面主要集中在气候变化对水文水资源的影响对需水量的影响以及对水文极端事件的影响等研究热点是气候变化下的水文水资源响应包括应用全球或区域气候模式和分布式水文模型地下水模型分析气候变化下的河川径流响应问题地下水和地表水相互作用潜在水资源量的季节动态预测问题在下垫面变化对水文循环和洪水影响的研究方面森林城市水土保持和水利工程的水文效应等受到较多的关注围绕城市规模不断扩大带来的水文问题形成的城市水文学已成为新的水文学研究热点在城市水文响应定量分析计算模型模拟雨水利用等方面已取得了不少成果随着工农业的发展大量引用地表水和抽取地下水改变了大气水地表水土壤水地下水的转换机制利用水库调节河川径流大幅减小了河川径流丰枯差值引起一系列水文及环境生态效应中国水利水电科学研究院提出了天然人工二元水循环演化模式及各项人类活动包括水利措施对水循环的定量影响分析成果基于物理机制的分布式流域水文模型研究基于物理机制的分布式流域水文模型又称分布式物理模型或物理性流域水文模型从水循环的动力学机制来描述流域水文问题能够清晰反映地表土地特征如地形高程坡度形态和地貌以及气象因素如降水气温和蒸发等将土地地表特征和模型参数建立直接联系分析气候变化和流域下垫面变化后的产汇流变化规律并为其他专业应用模型提供水的流场情报具有广阔应用前景和年提出分布式物理模型的蓝图至今涌现出欧洲水文系统等许多模型其真正发展得益于近年来空间遥感技术地理信息系统技术的不断完善以及计算机技术的进一步发展分布式物理模型将水循环的各要素过程联系起来进行详细模拟地理信息系统将图形显示空间分析与数据库管理技术相结合为分布式水文模拟的大量空间信息数据处理及管理提供了强有力工具遥感技术不但能够提供土地覆盖及地形等基本空间数据也为模型参数如叶面指数等的估算提供信息同时还能对蒸发量土壤含水率及地表温度等进行演算为模型的验证创造了条件由于水文变量的空间变异和资料缺乏问题流域水文尺度问题与建模新方法成为研究热点等应用模型研究了分布式流域模拟模型对空间尺度的敏感性等研究了基于物理过程的农业流域模型的空间变异问题研究发现昀重要的参数不均匀问题是土壤物理参数在网格内的变化植被参数的变化和地下水位水文循环过程与水生态及水环境演变相互作用机制研究流域水文循环系统与生态系统相互作用机制研究已成为当前新兴交叉学科生态水文学的核心内容生态水文学是世纪年代以后逐步发展的一门新兴交叉学科其研究内容是水文过程与植物分布生长相互作用它重点研究陆地表层系统生态格局与生态过程变化的水文学机理揭示陆生环境和水生环境植物与水的相互作用关系回答与水循环过程相关的生态环境变化的成因与调控近几年生态水文学成为研究热点等通过应用卡尔漫滤波法同化土壤观测数据和叶面积指数提出了水文模型作物生长模型的耦合模型的参数优化方法等研究了生态走廊和河流水系的关系探索了有偏反应扩散模型反应率采用对数方程的特性预测了水文控制在流域物种入侵过程的作用等针对坦桑尼亚流域的东部湿地过渡放牧对国家公园的破坏和对下游经济社会的严重影响开展了基于生态水文学的湿地修复研究提出该湿地必须退牧农业灌溉至少需要向河流退水以保证四季不断流在我国生态水文学方面研究起步较晚年以后才开始受到我国学者的重视并将其介绍到国内来国水文学及水资源学科发展动态贾仰文王浩彭辉家自然科学基金委员会已将其列为其重大研究战略之中目前国内关于生态需水计算方法开展了大量研究流域水文循环演变同样改变了污染物迁移转化的载体条件和动力机制从而对伴生的水环境过程产生显著影响当前国内外相关研究主要从环境学的角度着手如进行面源污染物预测和水体水质演化模拟而在水文循环的演变对流域尺度水环境的影响研究方面较薄弱等在西澳大利亚的农业流域实地调查了水文过程与生物地球化学过程的耦合反应分析了坡度以及高地与河岸地区浅层地下水对氮循环的影响在此基础上建立了耦合水文过程与生物地球化学过程的统一智能模型和采用流域尺度调查取样和回归分析模型研究了美国西乔治亚低山地带由于城市化引起的土地利用变化对河流营养物和排泄物大肠菌的影响大气过程陆地水文过程耦合研究大气过程陆地水文过程耦合研究主要意义体现在以下两方面预测大气环境的变化对水资源和生态环境的影响对实现可持续发展具有重要价值短期降雨等气象预报和分布式水文模型相结合能够延长洪水预报的预见期对防洪减灾事业具有重要价值大气过程陆地水文过程耦合研究多通过耦合全球大气环流模型区域环流模型或小尺度大气模型暴风雨模型等与陆面过程模型或分布式水文模型并结合地面观测与遥测来实现然而各类大气模型计算网格单元大小差别较大并远大于分布式水文模型的网格单元因此需采用降尺度方法降尺度方法分为镶嵌法统计法以及两者并用的方法国际上等曾将美国陆军工程师兵团的水文模拟系统与大气模型相耦合应用于美国北加州河流域的预报洪水是水文气象耦合模拟的一个代表性研究示例在国内王庆斋等曾在黄河流域开展暴雨洪水预报耦合研究陆桂华等采用加拿大区域性中尺度大气模式和新安江模型单向耦合模型系统对年月日发生在淮河流域的暴雨洪水进行了实时预报缺乏观测资料流域的水文预测国际水文科学协会于年月在日本札幌召开的暨第六届科学大会期间通过了年科学与实施计划是对国际水文科学界及国际社会提出的昀新行动建议经过了会员在互联网和一系列会议如年月荷兰第届科学大会年月日本会议和年月会议等上的广泛讨论可以说是一项挑战性水文科学研究计划也涵盖了分布式水文模型研究及应用的所有问题年科学与实施计划分为基础研究计划和目标性研究计划两部分基础研究计划涉及大科学问题限制我们在缺乏观测资料流域进行可靠预测的关键知识缺口是什么未来减小预测不确定性的信息需求是什么支撑新知识需要哪些实验在改进预测方法上如何应用新的观测技术如何改进水文过程的表述使其包含能减小不确定性的关键知识如何在改进预测上发挥已有软硬数据的昀大科学价值目标性研究计划的着重点是减小预测的不确定性分为大中心研究目标根据在缺乏观测资料流域的预测能力合理评估预测不确定性检查和改进现有模型为开展在缺乏观测资料流域的水文预测并减少预测的不确定性开发能够捕捉水文过程时空变异性的新的创新性模型水资源学发展动态水资源学是随着人类社会发展而形成的学科其主要研究领域包括水资源评价水资源价值核算水资源高效利用评价和水资源合理配置与综合管理水资源评价水资源评价是对某一流域或区域水资源的数量质量时空分布特征开发利用条件开发利用现状和供需发展趋势做出的分析估价是合理开发利用和保护管理水资源的基础工作为水利规划提供基础依据年和年美国完成了两次国家水资源评价第一次侧重于天然水资源本底状态的评价并开展了水资源分区工作第二次侧重于水资源开发利用评价与供需预测两次评价实践初步形成了以统计为主的水资源评价方法与技术年西欧日本印度等国家相继提出了自己的水资源评价成果年联合国教科文组织和世界气象组织在澳大利亚德国加纳马来西亚巴拿马罗马尼亚和瑞典等国家开展实验项目的基础上以及在非洲亚洲和拉丁美洲进行专家审定的基础上共同制定了水资源评价活动国家评价手册促进了不同国家水资源评价方法趋向一致同时有力地推动了水资源评价工作的进程年和再次对水资源评价活动水文学及水资源学科发展动态贾仰文王浩彭辉国家评价手册进行了修订出版了水资源评价国家能力评估手册年我国开展了第一次全国水资源评价工作当时主要借鉴了美国提出和采用的水资源评价方法同时根据我国实际情况做了进一步发展包括提出了不重复的地下水资源概念及其评价方法等昀后形成了中国水资源初步评价和中国水资源评价等成果初步摸清了我国水资源的状况年国家发展改革委员会和水利部联合开展了全国水资源综合规划工作在制定的技术大纲和技术细则中对水资源评价的技术和方法做了进一步的修正和完善从水资源评价方法的发展来看水资源评价方法经历了水量平衡法到借助于工具进行平衡分析从集总式水文模型到分布式水文模型从单一水量评价到水量水质并重王浩等提出了现代环境下的流域水资源评价方法评价对象从径流性狭义水资源扩展到广义水资源既包括径流性水资源又包括土壤水资源随着人类活动影响的加剧以及计算机技术的迅猛发展借助于分布式水文模型建立新的水资源评价方法反映变化环境下的水资源量是未来发展的方向水资源价值核算近些年来世界人口激增生态破坏环境恶化资源短缺更使人们感受到资源危机的严重性年国民核算体系已明确把自然资源纳入资产负债表和积累账户形成了综合环境经济核算体系旨在研究资源环境和经济活动之间的相互关系注重寻求良性经济运行的环境承受能力并将水资源核算列为主要核算内容之一自世纪年代中期以来世界上许多国家陆续开展了水资源核算理论和方法的研究并通过制定实