現(xiàn)代水文學(xué)-第三章水文學(xué)前沿科學(xué)問題

1、第三章 水文學(xué)前沿科學(xué)問題第三章 水文學(xué)前沿科學(xué)問題如前所述，水文學(xué)是人類長期生產(chǎn)實踐過程中不斷總結(jié)形成的一門比較完善的科學(xué)體系。這里所說的“完善”并不是說“不用發(fā)展”了，相反，隨著新技術(shù)、新理論的不斷涌現(xiàn)，水文學(xué)表現(xiàn)出十分活躍的研究領(lǐng)域。本章列舉當(dāng)前水文學(xué)上比較前沿的三方面科學(xué)問題，即水文不確定性問題、水文非線性問題、水文尺度問題。這些問題的研究將對水文學(xué)的發(fā)展起到重要的推動作用。3.1 水文不確定性問題3.1.1 客觀存在的不確定性及其處理方法隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類所要求達到的目標(biāo)越來越高，所涉及的系統(tǒng)越來越復(fù)雜，對數(shù)學(xué)方法的要求越來越苛刻。由于不確定性的廣泛存在，人們正在尋求處理不確定

2、性的數(shù)學(xué)方法。到目前為止，人們已認(rèn)識到四種不確定性（左其亭等，1994；王清印，1993）：（1） 由于條件提供的不充分和偶然因素的干擾，使幾種人們已經(jīng)知道的確定結(jié)果的出現(xiàn)呈現(xiàn)偶然性，在某次試驗中不能預(yù)料哪一個結(jié)果發(fā)生。這種不確定性即為“隨機性”；（2） 由于事物的復(fù)雜性，事物的界線不分明，使其概念不能給出確定的描述，不能給出確切的評定標(biāo)準(zhǔn)。這種不確定性即為“模糊性”；（3） 由于事物的復(fù)雜性、信道上噪音干擾和接收系統(tǒng)能力（含人的辯識能力）的限制，人們只知系統(tǒng)的部分信息或信息量所呈現(xiàn)的大致范圍。這種部分已知、部分未知的不確定性即稱為“灰色性”；（4） 純主觀上的、認(rèn)識上的不確定性稱為“未確知性

3、”。與灰色性相比，它具有較多的信息量，不但知道信息量的取值范圍，還知道所求量在該區(qū)間的分布狀態(tài)。處理各種不確定性已有了各自的數(shù)學(xué)方法。處理隨機性的數(shù)學(xué)方法是隨機理論與概率統(tǒng)計；處理模糊性的數(shù)學(xué)方法是模糊數(shù)學(xué)；處理灰色性的數(shù)學(xué)方法是灰色數(shù)學(xué)；處理未確知性的數(shù)學(xué)方法是未確知數(shù)學(xué)。但在實踐中常常遇到在同一個系統(tǒng)中幾種不確定性同時出現(xiàn)或交叉出現(xiàn)的情況。因此，研究綜合處理不確定性的數(shù)學(xué)方法不確定性數(shù)學(xué)是非常必要的。不確定性數(shù)學(xué)是以概率統(tǒng)計、模糊數(shù)學(xué)、灰色數(shù)學(xué)、未確知數(shù)學(xué)為主體，四方面密切相關(guān)、互相滲透組成的數(shù)學(xué)體系。然而，如何把這四方面有機地聯(lián)系在一起，組成一個完整的、能綜合處理各種不確定性的數(shù)學(xué)體系呢

4、？（王清印等，1993）。這是研究“不確定性”學(xué)者一直探討的問題，至今尚未很好解決。3.1.2 水文系統(tǒng)廣泛存在著不確定性從水文系統(tǒng)的輸入、輸出以及系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)三方面組成來看，既存在確定性一面，又存在不確定性一面。一般來講，水文系統(tǒng)的不確定性來自三個方面：其一是系統(tǒng)輸入存在的不確定性，引起系統(tǒng)的不確定性；其二是系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)本身存在的不確定性；其三是系統(tǒng)輸出存在的不確定性。以水文生態(tài)模擬研究為例，一方面，水文生態(tài)模型的輸入，往往包括來自大氣環(huán)流模式（GCMs）或中尺度區(qū)域模式的輸出，存在明顯的不確定性。且水文生態(tài)模型對這種不確定性十分敏感；一方面，水文生態(tài)模型本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)眾多與變化多端，表

5、現(xiàn)出水文生態(tài)模型本身的不確定性；一方面，通過水文生態(tài)模型的運算，輸出結(jié)果也常常存在一定的偏差，即也是不確定的。所以，無論是水文生態(tài)模擬本身還是與大氣系統(tǒng)模式耦合以及系統(tǒng)模型的輸出，均需要研究上述種種不確定性問題。下面就來簡單說明水文系統(tǒng)中存在的四種不確定性。（1）水文系統(tǒng)中存在的隨機性從系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系來看，由于系統(tǒng)環(huán)境的變化可能會影響系統(tǒng)功能的變化，這種變化常常表現(xiàn)為隨機性。比如，流域降雨徑流量的大小會隨著降雨的隨機變化而變化，從而表現(xiàn)為隨機性。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部狀態(tài)來看，由于水結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得人們對水文規(guī)律的認(rèn)識和參數(shù)的獲得常常帶有隨機性。比如，對地下水水文地質(zhì)參數(shù)的試驗，常常是隨機地

6、選擇鉆探點和抽水試驗點，得到的水文地質(zhì)參數(shù)當(dāng)然也存在一定的隨機性。（2）水文系統(tǒng)中存在的模糊性水文系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，在系統(tǒng)輸入與輸出、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與狀態(tài)等方面，很多有關(guān)的概念界限不分明。比如，我們常說的“洪水季節(jié)”與“枯水季節(jié)”、“穩(wěn)定流”與“非穩(wěn)定流”、“含水層”與“隔水層”等等，都是界限不分明的模糊概念。（3）水文系統(tǒng)中存在的灰色性從水質(zhì)點的運移機理、流速狀態(tài)以及介質(zhì)結(jié)構(gòu)來看，人們不可能對其完全清清楚楚，即永遠(yuǎn)是灰的。從建立的系統(tǒng)模型來看，由于人類認(rèn)識能力的限制、測試手段的限制，使得我們獲取的資料或精度不高或殘缺不全。當(dāng)然，在這種條件下建立的系統(tǒng)模型也是灰的。從系統(tǒng)的功能來看，由于我們對系

7、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部狀態(tài)以及系統(tǒng)邊界都不可能完全清楚，因此對系統(tǒng)功能的了解和認(rèn)識也不完全清楚和精確。比如，對降雨徑流量的計算，由于種種原因，常常計算結(jié)果誤差較大，即所得的結(jié)論也應(yīng)該是灰的。（4）水文系統(tǒng)中存在的未確知性由于水文系統(tǒng)是一個龐大的復(fù)雜系統(tǒng)，對系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)以及輸入輸出關(guān)系等的了解，一方面不可能完全清楚；一方面也不需要百分之百地清楚。比如，對“隔水層”的了解，隔水層是否完全隔水，是否存在導(dǎo)水通道，導(dǎo)水通道又在何處。雖然，這一判斷可能對我們很有用，但如果要準(zhǔn)確做出這一判斷，必然要耗費很大的人力、物力。也就是說，我們總可以在一定程度上做得到。但實際中不需要我們完完全全了解，只需要通過某些

8、手段較準(zhǔn)確地估計或計算出隔水層的滲透量即可。這就是未確知性。3.1.3 水文系統(tǒng)不確定性研究方法我國水文水資源專家學(xué)者對水文不確定性問題進行了廣泛深入的研究，也取得了一些帶有理論開創(chuàng)性和獨具特色的研究成果。如，以河海大學(xué)、四川大學(xué)、西安理工大學(xué)等為代表提出的隨機水文學(xué)理論與方法，以大連理工大學(xué)等為代表提出的模糊水文學(xué)理論與方法，以武漢水利電力大學(xué)為代表提出的灰色水文學(xué)理論與方法等等。為現(xiàn)代水文學(xué)不確定性研究開拓了新的思路和新的途徑。系統(tǒng)的不確定性十分復(fù)雜，假定以某個半量化的數(shù)值區(qū)間來表達。比如, 假定某天氣或水文特征量的真值為Xture，采用動力學(xué)模擬總是存在一定的誤差，對Xture模擬的平均

9、值記為Xavg , 則模擬過程不確定性來源有：系統(tǒng)偏差(Xavg- Xture )； 模型模擬值相對Xavg的誤差Uprec；由于采用的模型或者觀測技術(shù)不同，在它們之間反映的誤差Uprot； 由于時間和空間尺度的不同所反映的不確定性誤差Uscale等。它們的不確定性數(shù)值區(qū)間總和為：(Xavg- Xture ) Uprec Uprot Uscale。目前需要研究的問題是：如何在水文循環(huán)模擬和系統(tǒng)耦合中描述、量化和運算這些數(shù)值區(qū)間？如何將輸入輸出的不確定性與水文循環(huán)模擬的確定性關(guān)系耦合在一起，認(rèn)識水文的復(fù)雜性和模擬的不確定性？這是水文模擬不確定性量化研究比較困難的問題。需要采用不同的研究途徑與方法

10、（夏軍，1999）。目前，可行的研究方法之一是隨機統(tǒng)計理論，通過隨機動力學(xué)的系統(tǒng)模擬，識別水文循環(huán)模擬和耦合中的不確定性。其面臨的問題是：推求隨機動力學(xué)系統(tǒng)模擬的解十分困難，在實際應(yīng)用中往往缺乏足夠的系統(tǒng)觀測（如大氣降水量）和系統(tǒng)狀態(tài)（如土壤含水量）樣本資料。另一種研究途徑是模糊數(shù)學(xué)和灰色系統(tǒng)區(qū)間分析的不確定性理論方法。例如， 針對水文模擬信息不完善的問題，可以把前述的系統(tǒng)不確定性數(shù)值區(qū)間定義為一種特定的灰數(shù)Xg() = Xd, Xo , Xu ，其中Xd 是下界值，Xu是上界值。為了減少參數(shù)，定義灰數(shù)的白化值為Xo = ( Xd + Xu) /2。區(qū)間灰半徑為dX = (Xu - Xd)/2

11、。則數(shù)值區(qū)間只需用兩個參數(shù)描述Xg() = , 其中Xo可描述系統(tǒng)確定性或趨勢的變化項, 而 dX 反映了系統(tǒng)不確定性信息。夏軍教授研究并提出了滿足灰區(qū)間四則封閉運算的運算法則，較現(xiàn)行區(qū)間分析有較大改進。利用它可以將描述系統(tǒng)不確定性的數(shù)值區(qū)間，納入到水文循環(huán)動力學(xué)系統(tǒng)方程中參加運算，既可以獲得系統(tǒng)模擬確定性的解，又可以量化系統(tǒng)不確定性的數(shù)值區(qū)間解。下面，僅以夏軍教授于1996年提出的一種與大氣動力學(xué)模式相聯(lián)系的灰色聚解系統(tǒng)方法為例。其間轉(zhuǎn)化的不確定性系統(tǒng)之一可表達為：式中，是大氣動力學(xué)模式輸出的灰變量累加變換(AGO)；是聚解到地面第個測站的水文變量累加變換；是天氣發(fā)生器聚解模型的灰參數(shù)。一種

12、數(shù)值灰區(qū)間等價關(guān)系模型為：式中，是數(shù)值區(qū)間灰色系統(tǒng)模型白化值，即模擬確定性變化的變量和參數(shù)；是數(shù)值區(qū)間半徑。應(yīng)用灰區(qū)間運算法則，數(shù)值區(qū)間灰色聚解模型可進一步轉(zhuǎn)化為等價的兩個模型方程：一個是與確定性聚解部分聯(lián)系的白化方程，即：一個是與模型白化值有聯(lián)系表達聚解不確定性的灰區(qū)間半徑方程，即：依據(jù)大氣動力學(xué)的輸出和陸面水文生態(tài)變量的觀測和系統(tǒng)辯識方法，可識別出模型參數(shù)，獲得兩組聚解子模型的解：量化聚解的確定性項和數(shù)值區(qū)間的不確定性項。由于水文系統(tǒng)中不確定性存在的廣泛性、復(fù)雜性，再加上目前處理各種不確定性問題的研究方法還處于探索階段，使得水文不確定性問題研究成為當(dāng)今水文科學(xué)研究的前沿課題之一。3.2 水

13、文非線性問題自然界中的水文現(xiàn)象是一種復(fù)雜的過程，促使人們運用各種有效的途徑，來探索水文現(xiàn)象的科學(xué)規(guī)律，解決生產(chǎn)實踐中面臨的眾多問題。其中，水文系統(tǒng)方法是運用系統(tǒng)理論方法解決水文分析、計算與建模，進行預(yù)報、決策的一門分支學(xué)科。它的特色在于運用系統(tǒng)分析的原理和方法建立可以定量描述水文過程的數(shù)學(xué)模型。本節(jié)在簡單介紹水文系統(tǒng)概念的基礎(chǔ)上，探討水文非線性問題。部分內(nèi)容引用水文系統(tǒng)識別原理與方法一書（葉守澤、夏軍，1989）。3.2.1 系統(tǒng)的涵義與系統(tǒng)方法“系統(tǒng)”這個詞是“混亂”的反義詞，它意味著為實現(xiàn)某個目標(biāo)而建立起來的秩序、組織、系列、體系、制度、方法等。它是由若干個既相互區(qū)別、又相互聯(lián)系和相互作用

14、的元素所組成，且處在一定的環(huán)境中為實現(xiàn)同一目標(biāo)而存在的有機整體。系統(tǒng)包括兩個部分：一個是系統(tǒng)本身；一個是系統(tǒng)所處的環(huán)境。而系統(tǒng)本身又由三個元素所構(gòu)成，即輸入、系統(tǒng)和輸出。系統(tǒng)環(huán)境就是系統(tǒng)工作的限制條件。這樣，系統(tǒng)在特定環(huán)境下對輸入進行工作，就產(chǎn)生輸出。把輸入變?yōu)檩敵?，這就是系統(tǒng)的功能。所謂系統(tǒng)方法，就是把對象放在系統(tǒng)中加以考察的一種方法論。它是著眼于從整體與部分（要素）之間，整體與外部環(huán)境的相互聯(lián)系、相互作用、相互制約的關(guān)系中綜合地、精確地考察對象，以達到最佳地處理問題的一種方法和途徑。在技術(shù)上，系統(tǒng)方法充分利用運籌學(xué)、概率論、信息論以及控制論中豐富的數(shù)學(xué)語言，定量地描述對象的運動狀態(tài)和規(guī)律。

15、它為運用數(shù)理邏輯和電子計算機來解決各種復(fù)雜性問題提供了條件，為認(rèn)識、研究、構(gòu)想系統(tǒng)的模型，確立了必要的方法論，其特點就是整體性、綜合性、最優(yōu)化。近些年來，系統(tǒng)理論本身也在不斷地發(fā)展，一些研究大系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)的新學(xué)說應(yīng)運而生。如普里高津提出的旨在研究系統(tǒng)從有序到混沌、從混沌到有序基本現(xiàn)象的耗散結(jié)構(gòu)理論；哈肯的協(xié)同論；查德首創(chuàng)的模糊數(shù)學(xué)方法；以及我國學(xué)者鄧聚龍?zhí)岢龅幕疑到y(tǒng)理論等。他們基于不同角度提出的新觀念新方法，更加豐富了系統(tǒng)論的內(nèi)容。3.2.2 水文系統(tǒng)的概念及分類水文系統(tǒng)是地球大氣圈環(huán)境內(nèi)由相互作用和相互依賴的若干水文要素組成的具有水文循環(huán)（演變和轉(zhuǎn)換）功能的整體。從系統(tǒng)觀點出發(fā)，水文系統(tǒng)

16、包括三個部分，即；輸入、輸出和系統(tǒng)狀況。系統(tǒng)狀況是一個綜合、復(fù)雜的過程。一個流域的降雨徑流過程，按水源可以劃分為地面徑流、壤中流和地下徑流三個部分。但是，實際上難以嚴(yán)格劃分此三種類型的水源，因此，在系統(tǒng)方法中，往往把降雨分為兩個部分：一是凈雨，作為系統(tǒng)的輸入，能產(chǎn)生直接徑流；二是下滲及其他損失，下滲補充地下蓄水，一部分通過蒸散發(fā)返回大氣，另一部分滿足土壤蓄水后的多余下滲補給地下水，形成地下徑流。系統(tǒng)的特性可以從不同的方面加以分類，主要有線性與非線性、時變與非時變、集總參數(shù)與分散參數(shù)、確定性與不確定性等。當(dāng)一個系統(tǒng)的輸入與輸出之間的關(guān)系滿足齊次性和疊加性，這個系統(tǒng)就是線性系統(tǒng)。反之，即為非線性系

17、統(tǒng)。從數(shù)學(xué)觀點看，線性系統(tǒng)是服從線性方程的系統(tǒng)。例如，無時間變量的線性系統(tǒng)可用線性代數(shù)方程描述；離散時間變量的線性系統(tǒng)則用線性差分方程表征；連續(xù)時間變量的線性系統(tǒng)則用線性微分方程模擬。當(dāng)一個系統(tǒng)具有非線性特征，在數(shù)學(xué)上就需要用非線性的微分方程（或差分方程或代數(shù)方程）描述。3.2.3 水文非線性問題基于系統(tǒng)分析的觀點，如果系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系或者與內(nèi)部狀態(tài)變量的聯(lián)系不滿足線性疊加原理，這個系統(tǒng)就是一個非線性系統(tǒng)。對水文循環(huán)而言，由于天然流域的下墊面十分復(fù)雜，坡面、溝道交錯相間，加之降雨時空變化與流域上洪水非恒定流動特性，使得水文過程的非線性現(xiàn)象比較普遍，促使人們注意研究水文系統(tǒng)的非線性問題。早在

18、20世紀(jì)30年代一些水文學(xué)者就認(rèn)識到雨洪的非線性問題。如RE霍頓（Horton）、CF伊澤德（Izzard）等曾指出，地表徑流的漲洪段依賴于有效降雨強度。20世紀(jì)50年代中期，我國水文工作者在生產(chǎn)實踐中已發(fā)現(xiàn)雨強不同引起單位線非線性變化的現(xiàn)象，并提出利用雨強與暴雨中心為參量的單位線改正方法。1958年，水利電力部淮河水利委員會在治淮工作中直接建立了單位線峰頂qm，以及洪峰滯時tp。與凈雨Ri的非線性經(jīng)驗公式。1960年，NE明歇爾（Minshall）在一個1.093105m2的天然實驗流域上利用觀測資料，詳細(xì)地推求了5次雨強不同的洪水單位線明顯變化規(guī)律。以后，J阿莫若契（Amorocho）（1

19、961）和DE奧弗頓（Overton）（1967）用多種途徑作了檢查。RE明歇爾的資料已成為說明天然流域存在非線性匯流現(xiàn)象的有力證據(jù)之一，并引起國內(nèi)外水文學(xué)者對水文非線性問題的注意。例如我國在1980年后開展了一項規(guī)模較大的編制全國暴雨徑流查算圖表技術(shù)工作。全國絕大多數(shù)省份實測雨洪資料分析說明：暴雨洪水的非線性問題比較突出。自20世紀(jì)60年代后，不少人在水文實驗研究中，也證實了水流運動的非線性現(xiàn)象。1963年，J阿莫若契為了認(rèn)識單位線理論固有的誤差和適用范圍，他基于沃爾特拉非線性系統(tǒng)方程，定義了一個流域系統(tǒng)的線性度量函數(shù)，并利用實驗室人工降雨設(shè)備，研究了入流x（t）分別為階躍函數(shù)、矩形輸入和矩

20、形序列輸入三種情況下的流量過程。實驗表明，除洪水過程退水段基本符合線性關(guān)系之外，凈雨與直接徑流之間存在不可忽略的非線性問題。1975年，VP辛格（Singh）在室內(nèi)實驗流域上，對非線性的運動波模型和線性的納希模型作了實驗分析。他在對210次試驗資料作過分析后指出：地表徑流過程具有高度的非線性，它可以用運動波理論加以描述，而線性理論只能給出它的近似解；在預(yù)測徑流過程線的比較中，非線性模型優(yōu)于納希線性模型。1980年，中國科學(xué)院地理所利用室內(nèi)人工降雨設(shè)備，在2.777.63m2不透水單坡和河槽上，進行了均勻條件下的降雨徑流關(guān)系試驗。結(jié)果表明流域的徑流調(diào)節(jié)特征是非線性的，降雨徑流關(guān)系也是非線性的。1

21、981年，中國鐵道部科學(xué)研究院西南研究所的峨嵋徑流實驗站吳學(xué)鵬等，利用170m2自動調(diào)節(jié)人工降雨試驗設(shè)備，做了不同概化流域形狀和不同雨強的800多場徑流試驗。觀測與分析表明，線性系統(tǒng)匯流曲線的三條基本假定與實際情況出入較大；流域匯流曲線不僅因雨強而變，而且隨下墊面條件、水力因素的變化而改變。實驗數(shù)據(jù)證實，降雨徑流關(guān)系既不滿足比例性，也不滿足線性疊加性，即是非線性的。1983年，THF旺格（Wong）和EM勞倫森（Laureson）利用澳大利亞三條河流的六個河段實測資料，直接點繪出洪水波速與流量之間的非線性關(guān)系。由此可見，水文過程的非線性是客觀存在的，其變化機理比較復(fù)雜（象流域的調(diào)蓄關(guān)系、洪水波

22、速的變化等），它們在整體上表現(xiàn)為降雨徑流的關(guān)系不滿足線性疊加原理這一特點，即水文系統(tǒng)的非線性。3.2.4 水文非線性描述如上所述，國內(nèi)外水文學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識和驗證了水文系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象。因此，在研究水文系統(tǒng)理論及水文模型時，要考慮固有的非線性。這也已成為生產(chǎn)建設(shè)中亟待解決的新課題，而越來越引起國內(nèi)外水文學(xué)者的關(guān)注。一個流域可視為一個水文系統(tǒng)。流域上的降雨可看作系統(tǒng)輸入x(t)，出口斷面的徑流可看作系統(tǒng)輸出y(t)。如果主要注重的是降雨徑流的因果關(guān)系，二者的轉(zhuǎn)換過程可視為系統(tǒng)的運用或響應(yīng)。相互聯(lián)系可寫為y(t)=Hx(t)，H為系統(tǒng)的運用算子（圖3.2.1）。y(t)x(t)流域輸出輸入H算子環(huán)境

23、圖3.2.1 輸入、輸出與系統(tǒng)算子關(guān)系圖眾所周知，在線性系統(tǒng)理論中，確定性、非時變、整體的模型是由卷積方程來表達：y(t)=式中為瞬時單位線，亦稱線性核函數(shù)。就確定性、非時變、整體系統(tǒng)的非線性理論來說，目前處在探討的大體上有兩類途徑：一類是變動核函數(shù)的方法，其系統(tǒng)方程為y(t)=由于核函數(shù)不滿足比例性，系統(tǒng)輸出相對輸入是非線性的。另一類則是Volterra泛函級數(shù)方法，亦稱響應(yīng)函數(shù)法。一般的非線性系統(tǒng)方程是：y(t)=+式中h1，h2，稱為一階、二階、核函數(shù)，其階數(shù)表示系統(tǒng)的非線性響應(yīng)程度。關(guān)于水文系統(tǒng)非線性問題的研究，不少國內(nèi)外水文學(xué)者給予高度的重視，并積極地運用和發(fā)展。由于非線性理論固有的

24、復(fù)雜性，使得它仍是目前水文學(xué)研究的前沿問題。3.3 水文尺度問題3.3.1 水文尺度問題水文學(xué)研究的前沿水文學(xué)的研究對象包括了地球水圈范圍內(nèi)所有尺度水文現(xiàn)象及過程。從這種意義上講，水文學(xué)研究具有不同尺度問題。尺度問題，是“國際地圈生物圈計劃”（IGBP）核心項目之一水文循環(huán)的生物圈方面(BAHC)中的第四個重點探討內(nèi)容。也是國際上關(guān)于水文學(xué)研究的前沿性課題。原因是水文學(xué)研究范圍廣泛，小到水質(zhì)點，大到全球氣候變化與水循環(huán)模擬。水文學(xué)的物理方法，主要應(yīng)用在微觀尺度，隨著向流域和全球的中或宏觀尺度擴展，原來的“理論”模型需均化和再參數(shù)化，并產(chǎn)生新的機理。這導(dǎo)致相鄰尺度間的水文聯(lián)系太復(fù)雜，關(guān)系很不清楚

25、。為了尋求水文學(xué)規(guī)律。似乎首先要認(rèn)識不同尺度的水文規(guī)律或特征；然后設(shè)法找出它們之間的聯(lián)系或某種新的過渡規(guī)律，只有達到后一種階段，水文科學(xué)理論或許能真正建立在普適性基礎(chǔ)上。問題在于怎樣去認(rèn)識不同尺度的水文規(guī)律? 如何發(fā)現(xiàn)它們之間的聯(lián)系呢? 除了堅持水文科學(xué)實踐外，還有很重要的科學(xué)方法論問題（夏軍，1999）。水文的理論研究與實踐表明：不同時間和空間尺度的水文系統(tǒng)規(guī)律通常有很大的差異。一個典型的例子是微觀尺度水文實驗獲得的“物理”參數(shù)，如土壤飽和含水率(Ks)往往不能直接應(yīng)用到流域尺度的水文模擬。反過來，宏觀尺度的水文氣象背景值變化也不能直接套用到時空變異性十分突出的微觀水文模擬預(yù)報。目前存在的問

26、題是：在漫長的演變過程中，選擇多大的時間尺度來研究？近代人類活動較多，需要更高的時間分辨率（即時間尺度較?。Ｄ敲?，如何實現(xiàn)不同時間尺度研究成果的連接？全球氣候變化、區(qū)域水文特性變化，如何與小單元水文模擬連接？大尺度與小尺度研究思路、方法如何協(xié)調(diào)？等等，這些都是人們十分關(guān)注的尺度問題。由于“尺度問題”目前仍處于不斷的研究過程中，本節(jié)僅介紹作者提出的部分內(nèi)容和不成熟的觀點，以供參考。3.3.2 尺度分類及研究目標(biāo)水文學(xué)研究，在時間和空間上是范圍很廣泛的領(lǐng)域。空間上，大到全球氣候變化及其引起的水文過程變化研究，小到一個具體研究單元或更小的分子量級；時間上，大到萬年以上的地質(zhì)時代，小到按秒甚至按1/

27、n秒進行的研究。從水文學(xué)研究范圍上劃分，可把尺度劃分為六個類表3.3.1 水文尺度類型及研究目標(biāo)分 類空間尺度時間尺度研究目標(biāo)特征量級特征量級超宏觀尺度全球107km2地質(zhì)時期104年地質(zhì)時期全球氣候變化及水文過程宏觀尺度大區(qū)域105km2歷史時期102年區(qū)域水文特性百年尺度變化過程中觀尺度流域102km2年際變化1年流域水文特性年際變化過程中微觀尺度小單元1km2年內(nèi)變化1月單元內(nèi)水文特性年內(nèi)變化分析與建模微觀尺度試驗點10-6km2試驗過程1秒試驗過程變化超微觀尺度分子10-20km2試驗過程10-10秒水文機理試驗與理論研究型或量級，即超微觀尺度、微觀尺度、中微觀尺度、中觀尺度、宏觀尺度

28、、超宏觀尺度。初步劃分方案如表3.3.1，這是作者總結(jié)水文學(xué)不同研究目的對尺度大小的需求，而列出的。這種劃分不是唯一的，也可能存在很多值得探討的方面。3.3.2.1空間尺度在空間尺度上，（1）超宏觀尺度，是以全球變化為主要研究對象，尺度量級在107km2以上，適應(yīng)于全球氣候變化和全球水文循環(huán)模擬研究等；（2）宏觀尺度，是以較大區(qū)域為主要研究對象，尺度量級在105km2，適應(yīng)于研究區(qū)域水文特性變化過程模擬，如國家范圍、板塊范圍、中國西部干旱半干旱區(qū)、中國東部環(huán)太平洋區(qū)域等等。這種空間尺度是站在區(qū)域的高度來研究水文學(xué)問題。也是目前常常使用的空間尺度；（3）中觀尺度，是以一般流域為主要研究對象，尺度

29、量級在102km2。這種尺度的基本思路是，把流域視為一個系統(tǒng)，研究流域水文現(xiàn)象及過程變化，并進行流域統(tǒng)一規(guī)劃與管理；（4）中微觀尺度，是以較小的研究單元（如地貌單元、人類活動單元、水文循環(huán)研究單元等）為對象，尺度量級在1km2。對于水文學(xué)研究來說，這是尺度比較小的研究單元，常用作試驗研究或用作中觀尺度研究劃分的計算單元。如，基于遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)條件下的流域分布式水文模型研究，可以把流域分成間隔1km或400m甚至更小的柵格，進行模擬研究；（5）微觀尺度，是專門針對試驗點，尺度量級在10-6km2。主要是在試驗階段，研究水文變化過程、建模、計算參數(shù)。為較大尺度研究提供實驗基礎(chǔ)

30、。（6）超微觀尺度，是專門針對分子及以下水平，尺度量級在10-20km2或更小。主要是在水文學(xué)機理試驗與理論研究階段，從更深層次上，研究水文變化機理、過程、建模、計算參數(shù)。為較大尺度研究提供理論基礎(chǔ)。3.3.2.2 時間尺度在時間尺度上，（1）超微觀尺度，是針對水文學(xué)機理試驗與理論研究階段、以10-10秒為時間尺度進行的機理研究。包括建立模型、獲得參數(shù)、認(rèn)識基本規(guī)律等，為更大尺度研究奠定理論基礎(chǔ)；（2）微觀尺度，是針對試驗過程，以秒為時間尺度，研究試驗過程變化及試驗階段基礎(chǔ)理論；（3）中微觀尺度，是針對年內(nèi)變化，以1月為時間尺度，進行研究。比如，研究年內(nèi)氣候周期變化、水文特性年內(nèi)變化等；（4）

31、中觀尺度，是針對年際變化，以1年為時間尺度，進行研究。如，研究年際或豐、平、枯水年水文特性周期變化等；（5）宏觀尺度，是針對人類歷史時期，特別是人類活動的影響，帶來的水文特性變化問題；（6）超宏觀尺度，是站在“地質(zhì)變化時期”這種更長的時間尺度上來研究問題。它不僅要考慮有歷史記載的水文現(xiàn)象變化過程，而且要通過地質(zhì)事件記錄下的各種跡象來反演水文現(xiàn)象變化過程。從而在更大的尺度上來研究問題。這是研究水文現(xiàn)象變化過程常采用的方法。3.3.3 不同尺度轉(zhuǎn)換問題先從不同空間尺度研究分析，比如，在模擬全球氣候變化所建的模型中（如大氣環(huán)流模式(GCMs)），所采用的空間分辨率是幾百km，甚至更大。而在中尺度或更

32、小尺度的水文系統(tǒng)研究中，需要的分辨率遠(yuǎn)比這高的氣候信息。顯然，小尺度所需的氣候信息從全球氣候模型中得不到估計。再從不同時間尺度研究來看，比如，以地質(zhì)時期為時間尺度建立的水文系統(tǒng)氣候變化模型，只能為較小時間尺度的氣候變化模型提供一個“大背景”，無法提供所需的更詳細(xì)（即小分辨率）的信息。這些都是人們常說的“大尺度向小尺度的轉(zhuǎn)化問題”。這種大尺度向小尺度的轉(zhuǎn)化，稱為“順尺度”轉(zhuǎn)化（downscaling），其算法稱為“順尺度”算法。相反，小尺度向大尺度的轉(zhuǎn)化，稱為“逆尺度”轉(zhuǎn)化（upscaling），其算法稱為“逆尺度”算法。無論是“順尺度”算法，還是“逆尺度”算法，都不是一件容易的事情。這正是目前

33、廣泛關(guān)注的尺度問題的關(guān)鍵所在。下面就國際上對這一問題的處理思路概括如下：在對待“順尺度”問題上，一種觀點認(rèn)為，隨著計算機的發(fā)展，計算速度和容量的提高，在大尺度模型中，可以把網(wǎng)格尺度減小得更小，以滿足小尺度模型的銜接需要；第二種觀點，把尺度較小的網(wǎng)格僅用于感興趣的那些區(qū)域或那些時段，而對其它區(qū)域或其它時段仍采用較大尺度的網(wǎng)格；第三種觀點，是把那些感興趣的區(qū)域或時段所建立的小尺度模型嵌套到較大尺度的模型中，實現(xiàn)不同尺度的模型混合計算。雖然這些處理會在一定程度上改善不同尺度間的復(fù)雜運算，但很難完全滿足尺度問題處理的需要。這也正是“國際地圈生物圈計劃”（IGBP）一直積極探討的問題。在對待“逆尺度”問題上，也并非是小尺度向大尺度的簡單相加。正