科技水文继往开来

葛维亚

       水文学是研究水的宏观运动规律及其数量和质量物理化学特性的水理科学。水文学物理特性当中，包括河水位、流量、降雨量、流输沙率、含沙量、河床演变、泥沙淤积等项目的水沙特性，而水文学化学特性当中，包括水质、水源保护等项目的环境特性。

水循环、水平衡、水文实验和数理分析构成了它的基础理论核心。野外现场测验和调查所获得的水体特征项目资料又是检验理论研究和应用技术的唯一依据。在河流水文学研究中，径流成因及其洪枯水设计标准的估算与产、汇流规律，常常成为研究的重点。

水文现象作为一种必然性的动态表征，它的研究常常采用水文气象学或水力学方法，揭示其成因机制，从而找出变化规律，这是水文研究中的重中之重，难度极大。水文现象作为一种偶然性的随机表征与模糊的不确定性，它的研究常常采用不确定性数学方法，揭示其统计规律。

       回忆世界近百年来水文研究所走过的道路，以及新中国成立以来，水文研究和应用。从领导、规划、人员、设备、课题、交流、奖惩等各方面促进了水文的飞跃发展。成绩显著，战果辉煌。在第一种研究途径方面，一些研究者首先瞄准了描述水流运动规律的圣维南方程，如果求解成功，对水文学发展，无疑是一大贡献。遗憾的是圣维南方程组是一个双曲面偏微分方程组，就目前认识而言，很难求得解析解，过去不少人的尝试均无功而返。只能采用近似求解方法。例如瞬态法、特征线法、有限差分法（显格式差分法、隐格式差分法）、有限單元法以及水文學方法（如“馬斯京根”法，水量平衡法，槽蓄曲线法，水面线法，水位流量关系单值化法）等。通过水文实验观察，研究降雨、蒸发、下渗与河川径流相互关系，探讨成因规律，这种方法在二十世纪三十年代至六十年代的苏联和我国达到鼎盛时期。在第二种研究途径方面，对于水文特征值（例如年径流量、洪峰流量、瞬时流量）及其时空分布，几十年来采用了一维概率统计、多维概率分布、随机过程、二项式分布、最小二乘法、自回归分析、拉普拉斯变换、不完全伽玛分布、蒙特卡洛统计检验、最优化方法、线性逐步回归、线性规划、数学物理方程及模型、随机模拟、拓扑关系分析、线性与非线性系统、随机模拟、分布式系统及模拟、灰色系统、决策支持系统、模糊识别和控制、风险信息系统、神经网络系统、GIS技术等等。上述这些方法和技术在水文范畴内的应用，全面反映了水文研究借鉴《应用数学》、《计算数学》、《概率论》、《统计数学》、《控制论》、《系统论》、《信息论》、《模糊集合》理论方法的深度、广度及其学术水平。

       就研究成果的数量和深度而言，第一种研究途径取得的成果远远少于第二种研究途径, 而且差距越来越大。究其原因，一方面由于成因机理研究的难度太大，所能参考借鉴的文献资料相对较少，记得一位古典天文物理大师曾经说过：“我可以预知天体运行，但对一滴水运动规律的了解却无能为力”，可见难度之大，超出人们的想象。研究者很难为后来人的崛起忍受一生寂寞，甚至“无为”，这是原因之一； 水文学本来具有工科和理科两种属性，当年的苏联列宁格勒水文气象学院和中国华东水利学院水文专业培养工科人才，莫斯科大学和南京大水文专业学培养理科人才。但由于师资力量和水平的重大差异，更重要的是为了国家水利水电建设、防汛抗旱、水资源评价和利用的迫切需要，长期存在重工轻理，重技术轻理论的倾向，而学生在报考专业和院校时，急功近利，优先考虑就业问题，这是原因之二；根据本人几十年的观察, 从20世纪50年代开始, 在水文界就有一种“数学物理”情结, 水文研究不与数学物理“联姻”，就不能称其为科研成果，更不能列入高水平论文著作之列，于是出现重数理轻水文，重数学推演，轻成因分析的倾向。水文科技工作者生怕自己论文或成果数学太少，太浅，而被人瞧不起，这是原因之三；在科研中学习国外先进理论技术时，钟情于数理类、概念模型类成果，生搬硬套，缺少创新，总是跟着别人的后面跑，这是原因之四；纵观世界近几十年来水文科学的发展，也出现重数理模型轻成因机理的偏废现象，钟情“黑箱操作”，自然对我国有着很大影响，这是原因之五。

要真正振兴水文科研事业，就要加强水文基本理论研究和实用技术的普及推广工作，分层次造就不同的科研梯队，锁定以下不同的目标加以实施。

尽管存在上述一些问题，水文研究与应用的发展仍是主要方面，发展历史完全证明了这一点。

公元前3000多年前，当时古埃及已开始在尼罗河观测水位，也是最早的水文测验实践；

公元前1400年前后，我国殷墟甲骨文中已出现关于降雨和洪水的记载;

公元前251年，我国李冰在都江堰用石人小尺观测水位;

公元前88 年前后，我国王充提出了关于水文循环成因的科学解释;

公元1424年，我国开始采用测雨器观测雨量;

公元1663年，英国科学家雷恩发明自记雨量计;

公元1736年，我国首次绘制降水量等值线图;

公元1775年，法国水文学家薛齐（Chezy）发表明渠均匀流公式;

公元1790年，德国水文学家沃尔特曼发明流速仪；

公元1851 年，爱尔兰科学家Mulvaney提出了汇流时间的概念，并提出了最初的推理公式计算小流域最大洪峰流量，设计制作了原始雨量器;

公元1856年，法国科学家达西（Darcy）基于牛顿力学创立地下水渗流理论的基本定理—达西定律；

公元1865年，我国在武汉长江设立水位站，开创了中国现代水位观测的新纪元；

公元1871年，法国科学家圣维南（Saint-Venant） 提出水流偏微分方程组—圣维南方程组；

公元1889年，爱尔兰科学家曼宁（Manning） 提出了著名的水力学计算公式—曼宁公式；

公元1914年，美国水文学家Hazen首先用概率正态分布格纸选配流量频率曲线，把概率理论引入水文计算；

公元1924 年，美国水文学家福斯特提出皮尔逊Ⅲ型频率曲线分析方法；

公元1931年，苏联水文学家М.А.韦利卡诺夫（M.V.elikanov）提出等流时线的概念；

公元1932年，美国水文学家谢尔曼（Sherman ）提出了单位线的概念；

公元1935年，美国水文学家霍顿（Horton）提出下渗理论曲线—霍顿下渗公式；

公元1935年，美国水文学家马斯京根（MaCarthy）提出用于河道流量演算的马斯京根法；

公元1945年，美国水文学家克拉克（Clark）首先提出瞬时单位线的概念；

公元1950年，美国的H.A.爱因斯坦提出了从含沙量分布求悬移质输沙率的公式，他还根据统计法则建立了理论上较为完善、具有重要实用价值的推移质输沙率公式；

公元1950年起我国每年刊印水文年鉴，全国分为10卷、每年74册；

公元1951年，美国的M.A.柯勒和林斯雷根据非线性多元回归的图解分析法原理，提出暴雨径流多变数合轴相关图，

公元1954年，H.艾迪生提出用放射性元素作示踪剂测河川流量。其后用同位素测量河流含沙量的仪器也相继研制成功。

公元1955年，M.S.汉图什和C.E.雅各布提出的越流条件下的非稳定流方程等，是地下水水文学理论的重要进展；

公元1956年，日本的菅原正巳提出的水箱模型;

公元1957年，爱尔兰水文学家纳什（Nash）深入分析了瞬时单位线的物理机制，并用数学语言描述流域汇流过程；

公元1958年，美国H.W.海泽等人开始研究用雷达观测降雨量。这些新技术的采用，推进了水文、水资源的研究；

公元1958年，日本富士会社研制的水文自动测报系统运行成功；

公元1958年,美国的SSARR模型;

公元1962年，美国H.A.小托马斯和M.B.菲林提出的随机水文模型；

公元1966年，美国天气局和美国地质调查局在波托马克河流域建立了最早的水文自动遥测系统；

公元1971年，美国建立全国集中式水文资料贮存、检索系统水文资料库(WATSTORE)；

公元1974年，长江委水文局韩福道等人在我国第一代电子计算机DJS-6上，使用ALGOL60语言编写整编水文资料程序，对水文资料进行整编和刊印，并在全国水文系统推广，成为全国水文资料电算整编的开拓者；

  公元1976年，葛维亚通过数学解析证明，国内外当时的一些汇流方法，包括谢尔曼单位线、纳什瞬时单位线、马斯京根洪流演进、长办汇流曲线、华水汇流曲线以及水文计算中频率计算的皮尔逊3型曲线，在数学上均属于不完全伽玛函数, 即同属于同一类数学模型, 相容相包,，例如纳希汇流模型（即瞬时单位线）就是马斯京根汇流模型在X=0时的特例；

公元1979年，葛维亚提出“水位流量单值化”分析系统，彻底改变了水文测验技术，在水文领域获得广泛应用；

       公元1981年，美国天气局通过联合国VCP (即自愿合作计划)，向长江陆水流域及黄河陆浑小曲区各提供无偿援助，用于建立水文自动测报系统，以此作为试点，向全国推广。此后二十年间，在我国利用超短波，甚至卫星系统在主要河流流域基本建成了水文自动测报系统。

       上世纪末期90年代以来。随着计算机网络的广泛应用，启动了数字化水文研究工作。对统计分析、随机分析，模糊分析、灰色理论等新理论在水文领域推广应用，予以探讨。我国结合水文科学技术主要研究内容水循环、水平衡、径流特性、潜水动态等理论以及水文信息技术、传输技术、整编技术、水资源可持续利用，以及水资源保护方面，组织精英，刻苦攻关，取得一些进展。

       另外二十世纪后期，在数字水文、水文云存储、云计算开始攻关，对各种水文课题进行大数据分析，为抗洪、排涝、抗旱，同时也为水利水电建设提供规划、设计、施工以及管理应用等阶段提供科学依据。

 进入21世纪，水文科技发展方兴未艾。科技创新，水文现代化，独树一帜，是21世纪水文发展的重要使命。

在短短的20多年，水文高精尖成果不少。

河流泥沙运动统计理论和非均匀悬移质不平衡输沙理论体系，达到国际领先水平，推动了该学科发展。

流域下垫面及人类活动对河川径流的影响研究，在深度、广度和力度方面，处于世界领先水平。

水文非线性研究。在径流形成与转化的时变非线性理论与实践方面取得系统的研究成果。提出了水文非线性系统识别理论与方法，解决了如何求解降雨径流非线性响应关系的难题，获得国际奖励。过程处于世界领先水平。

水文数据库表结构设计的高级版本，我国独创，处于国际领先水平。

水文单值化使全国水文测验的改革由精简测流次数，发展到间测、巡测，推广面迅速加大，取得显著的经济效果，处于世界领先水平。

我国研制的超声波悬沙测量仪、振动式测沙仪、光学测沙仪、激光衍射粒度分析仪精度高，操作简单，使用寿命长，达到国际水平。

创建了GPS水文控制网。把水底、水面、陆地三个要素连接起来，使水文信息遥控化，立体化。

提出了人工智能（explainable AI）研究流域洪水产生机制的新方法。

中国水资源开发利用在国土整治中的地位与作用”的研究取得进展。

随着随机理论、模糊数学、信息论、系统论、控制论、灰色系统理论、人工神经网络系统方法的长期探讨，，使水文学相继出现许多新的研究和新学科，形成百花齐放的局面。

美国水文科学机遇委员会的报告中列举了他们认为是当前水文学科中亟待解决的问题，这就是挑战，就是机遇。

      （1）在大自然中存在很大非均匀性的情况，如何把处于不同的空间和时间尺度上的水文过程的动态性征集合起来。

      （2）大气动力学和气候改变地表水文学的反馈灵敏度是什么?这一切又如何随季节和地理而变化 ？

      （3）我们能从土壤、泥沙、植被和河流形态得到的关于河流流域的发展史是什么 ?  对未来气候变迁会带来的水文响应是什么 ?

（4）我们能从水分状态的平衡和稳定以及从植物的类型中学到什么 ?“混乱学”的特性是否有可能成立 ?

（5）在河道和洪泛平原间，水、泥沙和养分如何交换 ?

（6）全球水储量及其伴随的水能量时空变化状态是怎样 ?

（7）对降雨区的确定性和随机性模型之间怎样能建立起必要的基础联系 ?

（8）控制雪覆盖与气候反馈过程的物理因素是什么 ?  这个反馈过程如何起动气候变迁的放大作用 ?

（9）如何应用现代地球化学技术示踪水的通路 ?  如何理解人类社会发达产生的酸类自然缓冲现象，以及揭示古代水文气候学是怎样的 ?

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