水文科學(xué)的基本問題與發(fā)展趨勢(shì),水利水電論文

水文科學(xué)的基本問題與發(fā)展趨勢(shì),水利水電論文摘要：回首了新中國70年來水文科學(xué)的發(fā)展歷程。闡述了水文科學(xué)的基本問題及其現(xiàn)代前沿：水圈及其與地球其他圈層的界面經(jīng)過；水文循環(huán)及人類活動(dòng)對(duì)水文循環(huán)的擾動(dòng)；水文學(xué)研究的特點(diǎn)以及其方式方法論；水文知識(shí)的應(yīng)用等。提出了劃分水文科學(xué)分支學(xué)科的科學(xué)基礎(chǔ)，建議將水文科學(xué)劃分為普通水文學(xué)，水文氣象學(xué)，陸地水文學(xué)，生態(tài)水文學(xué)和應(yīng)用水文學(xué)五個(gè)分支學(xué)科。本文關(guān)鍵詞語：水文科學(xué);水圈;水文循環(huán);地球圈層;人類活動(dòng)影響;水文學(xué)方式方法論;Abstract：Inthisarticle,wereviewedthehistoryofthedevelopmentofhydrologicalscienceinPeoplesRepublicofChinaforthepast70years.Wealsodiscussedthebasicscientificquestionsofhydrologyanditscurrentfrontier,whichincludethehydrosphereanditsinterfacewithotherspheresoftheearth，thehydrologicalcyclesystemandthedisturbanceofhumanactivitiestoit,thehydro-observationandthemethodologyofhydrologyresearch,theapplicationofhydrologicalknowledge,etc.Basedonthesestudies,wesuggesttodividethehydrologicalscienceintofivesub-disciplines:Generalhydrology,Hydro-meteorology,Land-hydrology,Eco-hydrology,andAppliedhydrology.Keyword：hydrologyscience;hydrosphere;hydrologicalcycle;sphereoftheearth;effectsofhumanactivities;methodologyofhydrology;1957年秋，筆者背著行囊走進(jìn)了華東水利學(xué)院水文系，開場(chǎng)了自個(gè)的水文人生。在這60多年的光陰里，水文科學(xué)給了我人生的事業(yè)追求，自個(gè)也有幸見證了新中國水文科學(xué)的發(fā)展歷程。20世紀(jì)5060年代，新中國大興水利，可是當(dāng)時(shí)既沒有系統(tǒng)的水文資料，也沒有合適中國自然環(huán)境的水文計(jì)算、水文預(yù)報(bào)方式方法。于是，關(guān)于水文站網(wǎng)布設(shè)與水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)、設(shè)計(jì)洪水與設(shè)計(jì)暴雨、河道洪水演進(jìn)與預(yù)報(bào)方式方法等研究蓬勃興起，到60年代末，已基本完成了工程水文學(xué)在中國的奠基性工作。7080年代，中國已建成七大江河水文觀測(cè)站網(wǎng)，研發(fā)了合適中國河流水文特性的水文觀測(cè)設(shè)備與技術(shù)，廣泛吸收了當(dāng)時(shí)國際先進(jìn)的水文分析、水文計(jì)算和水文預(yù)報(bào)方式方法，并根據(jù)中國自然地理特點(diǎn)進(jìn)行改良，制定了中國水文觀測(cè)、水文計(jì)算、水文預(yù)報(bào)等國家規(guī)范，工程水文學(xué)在中國步入成熟時(shí)期。8090年代，國家面臨水資源短缺的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。水文科學(xué)面對(duì)新的需求，開展了旨在摸清全國水資源稟賦的水資源調(diào)查，為水資源開發(fā)、利用與保衛(wèi)提供水文學(xué)理論、方式方法與資料支撐。在這一進(jìn)程中，豐富了水文科學(xué)的內(nèi)涵，也催生了水資源水文學(xué)逐步興起。同時(shí)，環(huán)境水文學(xué)、城市水文學(xué)、農(nóng)業(yè)水文學(xué)、地下水文學(xué)等應(yīng)用水文學(xué)分支學(xué)科也雨后春筍般興起。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著國家改革開放的推進(jìn)，中國水文科學(xué)步入了與世界同步發(fā)展的進(jìn)程。研究的視野從流域尺度向全球尺度拓展，全球變化研究遭到廣泛關(guān)注，系統(tǒng)分析、熵、復(fù)雜性科學(xué)、多尺度耦合等新概念、新理論、新技術(shù)不斷引入水文科學(xué)研究中。最突出的進(jìn)展是水文科學(xué)進(jìn)入了計(jì)算機(jī)時(shí)代，帶動(dòng)了水文模型的興起和蓬勃發(fā)展。當(dāng)今，中國水文學(xué)者在為保障國家水安全做出奉獻(xiàn)的同時(shí)，正積極關(guān)注全球資源、環(huán)境中的水文科學(xué)問題，高屋建瓴地對(duì)水文科學(xué)的基本問題和將來的發(fā)展進(jìn)行深切進(jìn)入考慮。1、水文科學(xué)的基本問題水文科學(xué)的基本問題，是指水文科學(xué)作為一門學(xué)科必須回答的，對(duì)學(xué)科發(fā)展具有基礎(chǔ)性、引領(lǐng)性的問題，主要包括本學(xué)科的研究對(duì)象、基本理論、方式方法論和應(yīng)用技術(shù)等。立足水文科學(xué)的至高點(diǎn)，俯視和梳理水文科學(xué)的主要內(nèi)容。大致能夠歸納為下面幾個(gè)基本問題。1.1、當(dāng)代水圈及其構(gòu)成與演變地球水圈作為水文科學(xué)研究的客體，將其列為水文科學(xué)研究的基本問題，是再自然不過的了。關(guān)于水圈的研究，大體包括：地球上水的起源，水圈的構(gòu)成經(jīng)過，第四紀(jì)以來水圈的演變，水圈的將來。這些問題的時(shí)間尺度看似長達(dá)百萬、千萬甚至億年，而人類文明史缺乏萬年，但這并非表示清楚上述問題的研究是不必要的。這就好像地質(zhì)科學(xué)研究6000萬年前的燕山運(yùn)動(dòng)和340萬年以來的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，對(duì)于今天的地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是不可或缺的那樣。其實(shí)，關(guān)于地球水圈的研究，對(duì)于人類探尋求索其它星球上水的存在及其環(huán)境，也是很有價(jià)值的。在這個(gè)意義上，地球水圈的研究可以列為天文學(xué)中行星研究的一個(gè)課題。1.2、水文循環(huán)及其環(huán)境意義。地球由于處在太陽系中的獨(dú)特位置，使其地表平均溫度為15℃，正是這一溫度環(huán)境，使地球上的水具有了在自然條件下進(jìn)行液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)三相轉(zhuǎn)換的可能。太陽熱能和地球勢(shì)能驅(qū)動(dòng)著水的三相轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成了地球上的水文循環(huán)。關(guān)于水文循環(huán)的探尋求索，幾乎貫穿人類文明史。在17世紀(jì)以前的4000多年里，東西方先哲們?yōu)榱颂綄で笏骱恿鞯钠鹪春秃楹尾粷M之謎，提出太多種思辨意義上的水文循環(huán)概念[1]。17世紀(jì)后半葉，法國人佩羅特〔Pierre.Perraut〕和馬里奧特〔Mariott〕通過對(duì)塞納河降水與徑流的觀測(cè)分析，英國人哈雷〔Ednmond.Halley〕通過對(duì)地中海蒸發(fā)進(jìn)行的估算，并與降雨和流入地中海的河流水量相聯(lián)絡(luò)，才在科學(xué)意義上確立了水文循環(huán)的概念。1798年，英國人道爾頓〔John.Dalton〕通過對(duì)英格蘭和威爾士地區(qū)降雨、徑流、蒸發(fā)和區(qū)域蓄水量變化的分析，提出了水量平衡方程，由此開場(chǎng)了對(duì)水文循環(huán)的定量研究。然而，自那時(shí)以來直到20世紀(jì)末，關(guān)于水文循環(huán)的研究多局限于對(duì)水文循環(huán)各別要素，如降水、徑流、蒸發(fā)、入滲等進(jìn)行孤立的觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)和給出某些計(jì)算公式，而缺少對(duì)水文循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行完好、統(tǒng)一的理論描繪敘述。在進(jìn)入了21世紀(jì)的今天，這一責(zé)任天經(jīng)地義地落在現(xiàn)代水文學(xué)者們的肩上。水文循環(huán)作為聯(lián)絡(luò)地球水圈諸水體的紐帶和地球能量與化學(xué)物質(zhì)輸移的機(jī)制，其研究內(nèi)容特別豐富，大致能夠概括為下面兩個(gè)主要方面。〔1〕水文循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)造與動(dòng)態(tài)研究。該項(xiàng)研究的目的，旨在揭示全球水文循環(huán)系統(tǒng)中，不同時(shí)空尺度的子系統(tǒng)是怎樣構(gòu)成、演變及相互耦合的動(dòng)態(tài)經(jīng)過和機(jī)制，以期作為對(duì)水文情勢(shì)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的根據(jù)。這顯然是一個(gè)特別棘手的課題。華而不實(shí)，尺度轉(zhuǎn)換與耦合機(jī)制是關(guān)鍵與難點(diǎn)之所在。復(fù)雜性科學(xué)的理論和方式方法，或許是進(jìn)行這方面探尋求索的途徑。〔2〕水文循環(huán)動(dòng)力學(xué)研究。水文循環(huán)是一個(gè)以水為介質(zhì)的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行完好的數(shù)學(xué)力學(xué)描繪敘述，開創(chuàng)建立水文循環(huán)動(dòng)力學(xué)，建立全球與區(qū)域水文循環(huán)動(dòng)力學(xué)模型，是水文循環(huán)研究的理論追求，也是水文科學(xué)擺脫其半經(jīng)歷體驗(yàn)半理論狀態(tài)，成長為具有堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)的學(xué)科的關(guān)鍵。當(dāng)代水文學(xué)知識(shí)表示清楚：水從海洋和陸地蒸發(fā)，其經(jīng)過能夠由熱力學(xué)描繪敘述；水汽進(jìn)入大氣層后的分布、輸移、輻合和輻散能夠由動(dòng)力氣象學(xué)描繪敘述；水汽成云致雨的經(jīng)過能夠由云物理學(xué)描繪敘述；水文循環(huán)的陸面經(jīng)過能夠由水動(dòng)力學(xué)描繪敘述。可見，對(duì)于水文循環(huán)全經(jīng)過中的不同階段或環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)力學(xué)描繪敘述，已具有較成熟的理論與方式方法，如今是在已有研究成果的基礎(chǔ)上，開創(chuàng)建立水文循環(huán)動(dòng)力學(xué)的時(shí)候了。1.3、水圈與地球其它圈層界面經(jīng)過及全球問題環(huán)顧我們面臨的全球問題，幾乎無不發(fā)生在水圈與地球其它圈層的界面上。例如：洪澇、干旱和極端水文氣象事件，發(fā)生在水圈與大氣圈的界面上；山洪、泥石流、地震引起的水文地質(zhì)災(zāi)禍發(fā)生在水圈與巖石圈的界面上；大范圍熱帶雨林消失、草原荒漠化、一些水生和陸生生物滅絕等生態(tài)環(huán)境問題，發(fā)生在水圈與生物圈的界面上；而當(dāng)今面臨的水資源短缺、水環(huán)境惡化等問題，則是人類對(duì)水圈〔主要是陸地水體〕無度無序擾動(dòng)引起的，可以稱其為發(fā)生在水圈與人類圈的界面上。把人類面臨的全球問題統(tǒng)一歸納在水圈與地球其它圈層的界面上，并通過對(duì)界面經(jīng)過異常變化的分析，揭示各種全球問題發(fā)生的機(jī)制，是水文科學(xué)研究一個(gè)全新的思路與領(lǐng)域。1.4、水文學(xué)知識(shí)之應(yīng)用所有的科學(xué)與技術(shù)，都是為了知足人類與時(shí)俱進(jìn)的各種需求。知足需求的方式，就是把從科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中獲得的經(jīng)歷體驗(yàn)?zāi)毘蔀橹R(shí)，并將知識(shí)應(yīng)用于知足人類的需求中。正是基于這樣的認(rèn)識(shí)，水文科學(xué)的終極目的，就是提供充分的水文科學(xué)知識(shí)，并將其應(yīng)用于知足人類對(duì)于水的需務(wù)實(shí)踐中。人類須臾不能離開對(duì)水的需求，因而水文科學(xué)知識(shí)的獲取與應(yīng)用也永無止境。正因如此，水文科學(xué)才具有其永遠(yuǎn)恒久的生命力。水文科學(xué)知識(shí)的應(yīng)用特別廣泛，但主要是為人們提供有足夠可信度和精度并具有多種預(yù)見期的水文情勢(shì)預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)服務(wù)。例如，為大中型水利工程建設(shè)提供其將來運(yùn)行期間的徑流與洪水預(yù)測(cè)，為水資源開發(fā)利用與保衛(wèi)提供中長期旱澇預(yù)測(cè)，為城市規(guī)劃與建設(shè)提供將來可能出現(xiàn)的水環(huán)境變化，為江河防汛提供實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)，為水庫調(diào)度提供實(shí)時(shí)來水預(yù)報(bào)等?？梢姡目茖W(xué)在應(yīng)用層面，其本質(zhì)就好像天氣-氣候?qū)W那樣，是一門以預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)為宗旨的學(xué)科。充分認(rèn)識(shí)和把握這一點(diǎn)，對(duì)引領(lǐng)和推動(dòng)應(yīng)用水文學(xué)的發(fā)展，有著重要的導(dǎo)向意義。1.5、水文觀測(cè)與水文學(xué)方式方法論水文科學(xué)不能像物理學(xué)、化學(xué)那樣，能夠在實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)和揭示物理、化學(xué)現(xiàn)象和機(jī)理，而必須通過對(duì)大自然水文現(xiàn)象的直接觀測(cè)，獲取地球水體及其運(yùn)動(dòng)、變化的信息，并通過對(duì)所獲取信息的分析，構(gòu)成水文知識(shí)，以回答水文學(xué)的基本問題。因而，水文觀測(cè)是進(jìn)行水文科學(xué)研究的基礎(chǔ)。原始的水文觀測(cè)在公元前2000多年的埃及尼羅河已經(jīng)出現(xiàn)，但科學(xué)、定量且較普遍的水文觀測(cè)，于18至19世紀(jì)才在歐洲陸續(xù)興起[1]。中國近代水文觀測(cè)始于20世紀(jì)初的黃河。綜觀世界當(dāng)代水文觀測(cè)，其技術(shù)與獲取信息的能力，尚不及氣象學(xué)、地理學(xué)等地球科學(xué)學(xué)科，這在相當(dāng)程度上制約著水文科學(xué)的發(fā)展。水文觀測(cè)追求的目的，在于實(shí)時(shí)獲得地球水文循環(huán)及多種尺度水體分布、運(yùn)動(dòng)與變化的完好信息，好像醫(yī)學(xué)B超，能夠?qū)崟r(shí)、全面觀觀測(cè)到人體的血液循環(huán)系統(tǒng)，或如遙感衛(wèi)星系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)地表不同尺度物體的狀態(tài)那樣。唯此才能為構(gòu)建全面、系統(tǒng)的水文學(xué)知識(shí)提供基礎(chǔ)信息，回答水文學(xué)基本問題，知足社會(huì)發(fā)展對(duì)水文知識(shí)的需求。水文科學(xué)自17世紀(jì)以來，其方式方法論就建立在復(fù)原論的基礎(chǔ)上，并廣泛汲取其他學(xué)科的方式方法與技術(shù)。自20世紀(jì)40年代以來，水文科學(xué)對(duì)水文現(xiàn)象的分析與研究，主要沿著兩個(gè)方向發(fā)展。其一，視水文現(xiàn)象為確定性事件，以經(jīng)典牛頓力學(xué)作為分析工具，以開創(chuàng)建立水文循環(huán)動(dòng)力學(xué)為理論目的。其二，視水文現(xiàn)象為隨機(jī)事件，以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)作為分析工具，以開創(chuàng)建立隨機(jī)水文學(xué)為理論目的。實(shí)踐表示清楚，這兩方面的發(fā)展知足了這一時(shí)期社會(huì)發(fā)展對(duì)水文科學(xué)的需求。進(jìn)入21世紀(jì)，人們對(duì)全球資源、環(huán)境等問題的關(guān)注，推動(dòng)了全球變化研究，也激起了水文學(xué)者對(duì)于水文研究方式方法論的考慮：將水文現(xiàn)象割裂為確定性和隨機(jī)性進(jìn)行研究，這樣的方式方法能否反映了水文現(xiàn)象內(nèi)在統(tǒng)一性？能否能系統(tǒng)、完好、深入地揭示水文循環(huán)系統(tǒng)及其與地球其他圈層界面的經(jīng)過和機(jī)制？能否應(yīng)當(dāng)把水文現(xiàn)象作為一個(gè)整體進(jìn)行研究？一個(gè)明顯的實(shí)例是，東亞季風(fēng)區(qū)的河流，每年都會(huì)有汛期和洪水，是一個(gè)在年尺度上確實(shí)定性事件，然而汛期何時(shí)起訖，洪水出現(xiàn)的時(shí)日，洪峰、洪量和洪水經(jīng)過等卻完全是隨機(jī)的，可見汛期和洪水這一水文現(xiàn)象，既具有確定性，也含有隨機(jī)性。其確定性是由行星因素和大氣環(huán)流所決定的，其隨機(jī)性則包含外隨機(jī)性和內(nèi)隨機(jī)性兩類。外隨機(jī)性是河流水情受多種外部環(huán)境不確定因素的影響而產(chǎn)生的；內(nèi)隨機(jī)性則是確定性系統(tǒng)固有的行為特征，即便最簡單確實(shí)定性系統(tǒng)，在其運(yùn)行的經(jīng)過中也會(huì)自發(fā)產(chǎn)生隨機(jī)性。內(nèi)隨機(jī)性的存在和描繪敘述已由美國氣象學(xué)家愛德華.勞倫茲〔EdwardN.Lorenz〕于1963年在其提出的勞倫茲動(dòng)力學(xué)方程中得到證實(shí)[2]，并為物理學(xué)界所公認(rèn)。因而，怎樣研究集確定性與隨機(jī)性于一體的水文現(xiàn)象與經(jīng)過，成為現(xiàn)代水文科學(xué)方式方法論面臨新的挑戰(zhàn)。值得慶幸的是，20世紀(jì)80年代混沌理論的興起，物理學(xué)者稱其為20世紀(jì)以來物理學(xué)的第三次革命[3]?；煦缋碚搶?duì)于方式方法論的奉獻(xiàn)在于，它使描繪敘述自然界的兩種方式方法決定論〔描繪敘述確定性事件〕和概率論〔描繪敘述隨機(jī)性事件〕實(shí)現(xiàn)了和諧的統(tǒng)一?；煦缋碚撍枥L敘述的混沌運(yùn)動(dòng)特征，例如愛德華.勞倫茲蝴蝶效應(yīng)[2]所表現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)范圍的有限性，運(yùn)動(dòng)經(jīng)過的準(zhǔn)周期性，運(yùn)動(dòng)軌跡的隨機(jī)性，以及系統(tǒng)內(nèi)在非線性等，皆與水文現(xiàn)象和經(jīng)過的特征相契合?？梢?，混沌理論以及與其相提并論的分形理論等，為水文科學(xué)研究的方式方法論打開了一扇充滿魅力之門。水文科學(xué)將在繼續(xù)發(fā)展基于復(fù)原論的研究方式方法的同時(shí)，向著基于整體論的非線性科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行探尋求索[4]。中青年水文學(xué)者將擔(dān)起此重任。2、水文科學(xué)現(xiàn)代前沿筆者基于現(xiàn)代面臨的全球資源、環(huán)境問題主要發(fā)生在水圈與地球其他圈層界面上的認(rèn)識(shí)，從知足社會(huì)需求、牽引學(xué)科發(fā)展和推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步三個(gè)方面進(jìn)行辨別，以為水文科學(xué)現(xiàn)代前沿可包括下面領(lǐng)域。2.1、水文循環(huán)對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究其實(shí)這是發(fā)生在水圈與大氣圈界面上的現(xiàn)象與經(jīng)過，因其對(duì)水資源與生態(tài)環(huán)境的深入影響，并遭到現(xiàn)代全球變化研究的十分關(guān)注，故而列為水水文科學(xué)的現(xiàn)代前沿之一。眾所周知，地球上的氣候從來就是在變化著的，并深入影響著地球環(huán)境，第四紀(jì)冰期與間冰期的交替便是其顯著的表現(xiàn)。自從18世紀(jì)中葉工業(yè)革命以來，尤其是20世紀(jì)中葉以來，人類排放到大氣中的溫室氣體不斷積累，這一積累經(jīng)過也是導(dǎo)致當(dāng)代的氣候變化的原因之一?？梢?，當(dāng)代氣候變化是氣候的自然演變趨勢(shì)〔下稱自然分量〕與人類排放溫室氣體〔下稱人類分量〕疊加的結(jié)果。因而，氣候變化研究的理論內(nèi)涵和科學(xué)目的，當(dāng)在于分別揭示自然分量和人類分量對(duì)氣候變化的奉獻(xiàn)率，而不僅僅僅是籠統(tǒng)或含糊地議論氣候變化。只要揭示了人類分量的奉獻(xiàn)，才能為改善人類活動(dòng)，以減輕其對(duì)氣候的影響提供根據(jù)，而自然分量是人類所不能控制的。顯然，水文循環(huán)對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究，也當(dāng)相應(yīng)地分別進(jìn)行描繪敘述，而這一點(diǎn)在當(dāng)代的水文、水資源研究中并未充分具體表現(xiàn)出。值得指出的是，在水文循環(huán)對(duì)氣候變化的響應(yīng)的研究中，有研究者將一個(gè)缺乏夠大的地區(qū)或流域水文要素在一定時(shí)期內(nèi)的異常變化，與某些氣候形式的輸出〔如氣溫、降水等〕做相關(guān)分析，得出很高的相關(guān)系數(shù)；或者對(duì)水文要素時(shí)間序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)診斷，得出某些偏離正常值的統(tǒng)計(jì)特征值，于是據(jù)此將該地區(qū)或流域水文要素的異常變化，歸由于其對(duì)氣候變化的響應(yīng)。這樣的結(jié)論很可能并不是客觀和真實(shí)的，由于某些并不排放溫室氣體的人類活動(dòng)，例如水利工程和土地利用方式改變等，其對(duì)水文要素的影響遠(yuǎn)大于氣候變化對(duì)水文要素的影響。2.2、江河治理的地學(xué)基礎(chǔ)研究水圈與巖石圈界面經(jīng)過的基本特征和機(jī)制是侵蝕與堆積。沒有河流侵蝕與襲奪，就沒有今天的黃河與長江；沒有面上的侵蝕，就不會(huì)有泥石流和廣布的水土流失；沒有堆積就沒有今天的長江中下游平原和黃淮海平原；沒有侵蝕與堆積的共同作用，就沒有千姿百態(tài)的地貌，更不會(huì)有河流的演變。全球河水平均每周更新一次，是水圈與巖石圈界面上最活潑踴躍的因素。因而，關(guān)于河流的構(gòu)成、演變與地學(xué)屬性的研究，天經(jīng)地義地成為水圈與巖石圈界面經(jīng)過研究的重大課題。江河治理是人與河流的對(duì)話，只要尊重河流的地學(xué)屬性，對(duì)話才可能是和諧的。[5]由此可見，江河治理是推動(dòng)河流地學(xué)屬性研究的動(dòng)力，因此江河治理地學(xué)基礎(chǔ)研究，便符合邏輯地成為現(xiàn)代水文科學(xué)的前沿課題。等待基于該項(xiàng)目研究，樹立起江河治理的地學(xué)觀，只爭朝夕地開展七大江河及其支流地學(xué)基礎(chǔ)的研究實(shí)踐，為江河治理開發(fā)提供充分的地學(xué)根據(jù)。2.3、人類活動(dòng)對(duì)水文循環(huán)系統(tǒng)的影響研究如前所述，20世紀(jì)下半葉以來，劇烈的人類活動(dòng)對(duì)大氣、水土、生態(tài)與環(huán)境產(chǎn)生了宏大的影響。這些影響多出如今水圈與大氣圈、巖石圈、生物圈和人類圈的界面上，導(dǎo)致水文循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生偏離常態(tài)的變化。事實(shí)上，劇烈的人類活動(dòng)已無處不在地浸透并深入干擾了水圈與地球其他圈層界面上的自然經(jīng)過。在水文循環(huán)的陸面經(jīng)過中，人類活動(dòng)的影響尤為顯著。例如：城市化和大規(guī)模土地利用方式的改變，使產(chǎn)匯流現(xiàn)象和機(jī)制與之前的天然情況下迥然不同；作為水文統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)的江河水文要素系列已失去了其原有的代表性和一致性；自然水系已大多淪為人工控制的水網(wǎng)，等等。這些變化使得在未被人類活動(dòng)干擾的天然情況下獲得的水文知識(shí)，已難以解釋今天的水文現(xiàn)象與經(jīng)過，而面臨需重新認(rèn)識(shí)的挑戰(zhàn)。因而，把人類活動(dòng)作為最活潑踴躍的因素參加到新時(shí)期的水文科學(xué)研究中，揭示在劇烈人類活動(dòng)影響下，水文現(xiàn)象的新特點(diǎn)，新機(jī)制，新規(guī)律，構(gòu)建基于自然因素與人文因素共同影響下的水文科學(xué)知識(shí)，應(yīng)當(dāng)是現(xiàn)代水文學(xué)研究的前沿課題。2.4、開拓基于人工智能的水文分析技術(shù)無論在水文科學(xué)研究中和實(shí)際水文工作中，通常要構(gòu)建復(fù)雜的水文模型，進(jìn)行海量數(shù)據(jù)處理和快速的分析計(jì)算。例如，在對(duì)長江上游干流30余座大型水庫實(shí)行聯(lián)合實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度時(shí)，就需要構(gòu)建包含由數(shù)十個(gè)重要目的組成的目的集和同樣龐大約束集的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型，并需在很短時(shí)間內(nèi)對(duì)模型進(jìn)行解析和運(yùn)算，實(shí)時(shí)優(yōu)選出安全和效益最佳的實(shí)時(shí)調(diào)度方案，這顯然已是現(xiàn)有水文分析技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。有幸的是，我們從圍棋阿爾法-狗〔AlphaGo〕的勝利得到了啟示：圍棋高手李世石憑借其豐富的經(jīng)歷體驗(yàn)和判定力，在預(yù)判了十余種落子可能出現(xiàn)的棋局后，選擇出了他以為最優(yōu)的落子位置；而阿爾法-狗憑借其每秒上億次的運(yùn)算速度和學(xué)習(xí)記憶能力，在枚舉了上千種落子的棋局中選擇出了最優(yōu)落子位置，棋手終因其計(jì)算分析的能力遠(yuǎn)不如阿爾法-狗的運(yùn)算速度和學(xué)習(xí)記憶力而敗北，而繼后的AlphaZero更為出色。顯然，人工智能這種極高的運(yùn)算速度和處理海量數(shù)據(jù)的能力，正是我們水文分析,尋優(yōu)計(jì)算與預(yù)報(bào)中所需要的。毫無疑問，開拓人工智能在水文科學(xué)研究和實(shí)際工作中的應(yīng)用，將帶來水文科學(xué)技術(shù)的重大突破，水文科學(xué)家們必須把握這一現(xiàn)代技術(shù)前沿。3