水文地理研究发展若干问题商榷

doi:10.11821/dlxb202201001

水文地理研究发展若干问题商榷

刘昌明^,¹^,², 刘璇², 杨亚锋², 王红瑞^,²

1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101

2.北京师范大学水科学研究院城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室,北京 100875

A discussion on some issues of hydro-geographical research

LIU Changming^,¹^,², LIU Xuan², YANG Yafeng², WANG Hongrui^,²

1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China

2. Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycel and Sponge City Technology, College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

通讯作者: 王红瑞(1963-), 男, 河南新乡人, 教授, 主要从事水文学与水资源研究。E-mail: henrywang@bnu.edu.cn

收稿日期: 2021-08-30 修回日期: 2021-12-22

基金资助:

国家重点研发计划(2019YFC0408902)
国家自然科学基金项目(51879010)

Received: 2021-08-30 Revised: 2021-12-22

Fund supported:

National Key R&D Program of China(2019YFC0408902)
National Natural Science Foundation of China(51879010)

作者简介 About authors

刘昌明(1934-), 男, 湖南汨罗人, 研究员, 中国科学院院士, 博士生导师, 主要从事水文学与水资源研究。E-mail: liucm@igsnrr.ac.cn

摘要

水问题研究一直是我们国家最重要的课题之一,关系到社会稳定、民生福祉、经济发展等一系列国家重大需求。水文地理是水文学与地理学交叉学科,主要采用地理学原理、观点和方法。陆地表层系统的提出对水文地理的系统性研究具有重要的启发作用。首先,对水文地理学的交叉关联、研究内容、全球水系统和生态水文研究的兴起进行阐述;其次,在总结陆地表层系统论思想的主要倡导者及其观点后,讨论了地理研究综合性和区域性的关系,提出综合性、区域性和时空动态过程机理等“三性”应是水文地理系统的研究思想;再次,基于学科基础理论的扩展,给出深化水文地理时空动态过程机理的系统科学技术的几个案例;最后,讨论了中国水文地理研究的几个重点发展方向,主要包括气候变化与人类活动对水循环过程的影响、生态水文四大平衡动态演变过程机理、水资源可再生性维护、“蓝绿水”的认知意义、水文地理区划与制图技术及智能技术等。

关键词： 水文地理; 水循环; 系统论; 生态水文; 时空动态过程机理

Abstract

Water-related issues have long been one of the most important topics in China, and these issues are related to a series of major national requirements, including social stability, people's livelihood and welfare, and economic development. Hydro-geography is an interdisciplinary subject of hydrology and geography that adopts the principles, perspective and methodologies of geography. The theory of the terrestrial surface system has an important enlightening effect on the systematic research of hydro-geography. First, this study discusses the cross-relationship and research content in hydro-geography, as well as the rise of research on global water systems and the ecohydrology. After summarizing the main advocates of terrestrial surface system theory and their viewpoints, this study explores the relationship between the comprehensive and regional aspects of geographic research, while proposing that the "three characteristics" (i.e., comprehensive, regional and orderly characteristics of processes) should be the research thought for hydro-geographical system. Furthermore, based on the expansion of the basic theories of the subject, this study presents several cases of systems science and technology that can deepen the spatiotemporal dynamic process mechanism (orderliness) of hydro-geography. Finally, several key development and research directions of hydro-geographic research in China are discussed, mainly including: research on the impact of climate change and impacts of human activities on the water cycle process; research on the dynamic evolution mechanism of the four major balances in ecohydrology; research on renewability of water resources; the process of evapotranspiration of plants (crops) and water-saving control; hydro-geographic zoning, mapping technology and intelligence technology applications.

Keywords： hydro-geography; water cycle; system theory; ecohydrology; orderliness

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本文引用格式

刘昌明, 刘璇, 杨亚锋, 王红瑞. 水文地理研究发展若干问题商榷. 地理学报, 2022, 77(1): 3-15 doi:10.11821/dlxb202201001

LIU Changming, LIU Xuan, YANG Yafeng, WANG Hongrui. A discussion on some issues of hydro-geographical research. Acta Geographica Sinice, 2022, 77(1): 3-15 doi:10.11821/dlxb202201001

1 引言

水文地理学是研究地表各类水体的性质、形态特征、变化和时程分配与地域分异规律的学科,侧重于从地理学视野研究水体的变化规律、演变趋势以及与其它地理要素之间的相互作用关系^[1]。水文学是研究在大气层中、地球表面和地球内部各种形态水在水量和水质上的运动、变化和分布。自然地理学重点研究地表物质与能量的转化规律,而地表各类水体（河、湖、海洋及冰川等）本身就是地理环境的组成单元,因此对自然地理的研究与对水文的研究始终是密不可分、相互交织的。

水圈与地理圈是集合关系,二者交集的部分称为地理水文学和水文地理学^[2]（图1）,只是水文地理靠近地理学,而地理水文学靠近水文学。地理水文学的提出是对水文地理学的一种发展,两者的研究对象是一致的,具有相同的根基^[3],且随着研究内容的不断扩展,两者进一步融合,并吸纳相关学科技术与方法。简言之,水文地理方向在水文科学的研究体系中不可或缺,思路基于地理学的区域过程变化性和综合性。

图1

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图1 地理科学与水文科学的关系

Fig. 1 The relationship between geography and hydrology

水文地理学隶属水文科学的研究范畴,其研究对象或问题与水文科学同出一辙,即水资源、水环境、水生态、水灾害和水管控,分别对应不同的问题,既相互区别又相互联系（表1）。其综合研究是水文科学的要务,要求对地学的认知不可或缺,从而促进水文学与地理科学其他分支的横向科学发展,拓宽传统水文学的研究方向和内涵。

表1 研究对应的主要问题和内容

Tab. 1 Corresponding main problems and contents of the research

研究问题	研究内容
水资源/资源水	地表、地下各种水体的科学分析、检测、评价、计算预报、设计规划
水环境/环境水	保护、水质监测、评价、污染防治与修复
水生态/生态水	维护、生态需水检测、评价、退化防治与修复
水灾害/灾害水	防治、洪涝与干旱监测、预报与预警、设计规划
水管控/工程水	合理配置、优化调度、一体化管理(IWRM)与流域综合管理(IRBM)

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水文学的研究一般可以归纳为3个相互联系的方向,即工程学、地理学和地球物理学^[4]。早期水文学孕育在地理研究和水利工程研究中^[5],从自然科学来看,更多是与地理研究有关,如早期《山海经》《水经注》《吕氏春秋·圜道》《徐霞客游记》对中国地理水文现象进行了较为详细的记录;从应用方面上讲,它与早期水利工程的开发不可分开,如都江堰和京杭大运河等水利工程修建;近代时期,以地球物理为代表的地球科学的兴起使得水文学加强了它的自然科学性质。

现代水文学的发展是迅速的,地球系统科学伙伴计划、全球水系统研究计划、国际水文十年（IHD）、国际水文计划（IHP）和国际水文协会（IASH）等国际重要研究计划和组织促进了全球水文水资源知识的交流和积累,使得水文研究在3种方向并存的基础上,其广度和深度都得以扩展,水文科学愈来愈多地与其它自然、环境、经济及社会等学科交叉^[4]。随着全球气候变化和全球水系统研究的深入,特别是对生态与环境保护的要求,水文地理学的内涵也处在不断变化和发展中,并且更加注重环境水文、生态水文方面的问题。早在1979年,Chorley就论述了水文地理学研究在空间层面上的水循环与人类活动之间的相互作用关系^[6],其中水资源管理更加向着环境敏感型的方向转变。由于全球变化的综合性,水文学研究进一步增强了与地貌学、气象学、气候学、土壤学、植物地理学以及人文地理学等相关地理学分支学科的交叉融合,形成现代水文地理学研究体系。水文地理学或地理学的水文方向研究,其地位和作用更加重要,其研究更能适应时代的发展形势。因此,水文学研究的综合趋势是以水循环为纽带,发展整个水圈中水体的交换与联系,面向地球系统科学（陆地表层系统）研究。本文在简要回顾全球水系统中水文循环相关研究进展后,重点阐述水文地理的系统研究思想并给出若干案例。

2 全球水系统的提出和生态水文研究的兴起

2.1 全球水系统/地球系统科学伙伴计划的提出

全球水系统计划（GWSP）是地球系统科学联盟（ESSP）合作项目之一。2001年以来,ESSP包括国际科学理事会的4个基础研究项目：世界气候研究计划（WCRP）、国际地圈生物圈计划（IGBP）、国际全球变化人文因素计划（IHDP）和生物多样性计划（DIVERSITAS）联合规划的项目^[7]（图2）。2003年10月在全球水资源公开科学会议上筹备了GWSP项目,指出GWSP是一项研究全球范围内与水相关的人类、物理、生物和生物地球化学成分及其相互作用的项目^[8]。GWSP采用系统综合的方法,从全球和广泛时间角度研究全球淡水资源,其核心议题是人类活动如何影响全球水系统以及全球水系统中人类活动引发环境、社会、经济的反馈。这个核心议题衍生出来3个核心问题：全球变化中人类活动和环境变化的强度及诱发的核心机理（变化的幅度和机制）;全球水系统变化诱发地球系统内部的主要关联与反馈状况（联系与反馈）;全球水系统对变化的弹性和适应能力以及可持续管理对策（弹性与适应）。全球水系统的提出是对全球水循环中的相互联系、相互依存认识的增强。人类和非人类方面的水构成了全球水系统,全球水系统中的水与地球系统各圈层发生着各种各样的相互耦合作用,在全球变化和人类活动影响下,这种作用日益深刻^[9]。现代水文学需要沿着地球系统科学的方向发展,需要跨向生物地球化学循环和能量循环的研究。

图2

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图2 地球系统联盟组成及全球水系统的3个核心问题

Fig. 2 Composition of ESSP and three core issues of GWSP

2.2 地球系统各圈层的示意—水圈—水循环纽带

水循环是水文学的核心理论,水循环或水圈是一个复杂的系统,水圈与地球各圈层是集合关系（图3）,在不同强度和范围内相互作用。水循环的动力过程贯穿各圈层系统,是地球系统各圈层的纽带,使各圈层之间相互联系、相互转化形成统一、复杂和开放的系统。水循环不仅对地球系统的过程、相互作用和反馈至关重要,而且在全球范围内社会系统与地球系统交织在一起,人类活动成为改变水循环的驱动力^[10],形成一个更加复杂、动态的水循环系统。水及水体是地理环境中的客观存在,水在各圈层中循环是地球上物质、能量交换最为活跃的过程,其变化牵一发而动全身,涉及人类未来生态、环境或全球变化的应对。

图3

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图3 圈层相互作用示意图

Fig. 3 Diagram of the circles of the Earth system

水循环是整个地球系统物质循环的子系统,与所处的空间环境要素关联不可分割,主要涉及物理因子、人文因子、生物与生物地球化学因子3个方面^[8]（图4）,而且它们之间又存在相互作用和相互反馈的复杂关系。其中物理因子主要包括水分传输、蒸散发、降雨、径流和蓄水量等;人文因子涉及人水关系,包括水体制、水工程和用水;由于人类社会对自然水循环的影响和虚拟水在人类智能圈中循环的客观存在被发现,水循环系统进一步扩张了它的内涵,形成更加复杂的人类—自然二元水循环系统;生物和生物地球化学因子注重环境和生态,主要包括物种、质量和水质等。

图4

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图4 全球水系统空间要素关系

Fig. 4 Spatial element relationship of global water system

水循环在地球系统中处于核心地位,通过调节能量、碳和水的平衡来调节地球气候系统,是水生生态系统和陆地生态系统蓬勃发展的先决条件^[10],水循环变化是水科学领域面临的23个悬而未决的问题之一^[11]。将水循环作为一个更广泛尺度上的动态弹性系统研究,是以系统论角度研究水文地理最基本的理论,对人类未来生态环境变化的应对具有重要作用,是需要迎接的重大科学问题。

2.3 生物地球化学循环

生物地球化学循环作为水循环的伴生循环,发生物质能量转换,成为全球水系统的功能之一,与水文循环通过水文通量的物理过程紧密耦合^[12]。生物地球化学循环是一个封闭的地球系统内循环,其过程贯穿地球表层系统。生物地球化学循环使得地球各圈层中水、碳和营养物质等元素在地球子系统间循环传递,主要表现在3个方面,即非生物与生物之间、自养生物与异养生物之间、水圈—大气圈—岩土圈之间。

水循环作为各种物质能量的主要驱动力和载体,在特定的时空尺度上为生物地球化学循环的物质平衡提供了基础。生物地球化学循环相关的环境问题是当今世界上许多地区面临的重要问题之一。以碳、氮、硫、磷为代表的元素通过许多生物、化学和物理转化途径在陆地系统、水生系统和大气之间循环和相互作用^[13],共同导致了全球变暖^[14]、水体富营养化^[15]。当前重点研究陆地表层系统中碳、氮、硫、磷等要素的生物地球化学循环与水文循环耦合机制,从而促进生态、环境保护和可持续发展。

2.4 生态水文兴起

国际生态水文研究可以回溯到20世纪70年代。1998年英国水文研究所更名为“英国国家生态与水文中心（The Centre for Ecology and Hydrology, CEH）”是生态水文学研究的里程碑事件,代表了生态水文学正式成为新世纪新兴学科之一。国内生态水文自20世纪80年代开始萌芽,至今发展迅速^[16,17,18]。

早期生态水文学研究专注于特定领域,其中包括湿地^[19]、土壤水分动态^[20]、植被生态水文^[21],更加注重描述性生态学、水生态系统限制性保护和水环境管理措施。随着可持续发展概念的认知发展,当下生态水文更加注重广泛和跨学科方法研究水文过程与生物群之间的相互作用,例如土壤—植物—气候动态水文循环过程及其效应^[22],变化环境下的植被演变及其水分循环^[23],人类活动影响下的流域生态水文^[24]和城市生态水文研究^[25]等。2018年7月,联合国教科文国际水文计划的最新文件将生态水文定义为：“河流生态系统是由水文过程调控的超有机体”,生态水文学是“从分子到流域尺度的整体科学”。宏观尺度上,生态水文是水文系统与生态系统的耦合作用;微观尺度上,是微生物级别生物个体水质代谢过程。研究水与生态系统的关系成为生态水文学研究的核心内容。2019年IHP认为生态水和水生态研究是一个水与生态之间双向控制的过程,既表现在生态系统的服务（如食品生产和生物多样性）与自适应（富营养化对气候变化的适应）,也表现在水的可用性和水质与生物多样性,其中生物多样性决定生态多样性和水生态多样性^[26]。

可以预见的是,生态水文学可以作为可持续利用水资源的工具,是具有分析和功能性的生态学,对淡水资源综合性、创造性地保护、前瞻性规划和健全的生态管理意义重大。生态水文学的未来也有望帮助我们理解生物圈、水圈和“人类圈”等地球系统圈层之间复杂的相互作用,生态水文研究要求从整体的角度对生态水文过程有一个完整的理解,其与涉及全球变化不同学科之间的协同耦合仍是研究重点。生态水文研究的兴起使水文地理的内涵进一步扩展。可以看出,在整个水文地理发展过程中,贯穿地球各圈层的水循环一直进行着动态时空变化,系统论的思想贯穿始终。

3 地理科学综合性与区域性特色研究与中国水文地理学的系统论思想方法

3.1 主要倡导者与理念

恩格斯早在19世纪末为我们展现了未来自然图景：“依靠经验自然科学本身提供的事实,以近乎系统的形式描绘出一幅自然界联系的清晰图画。”在科学技术发展的里程中,20世纪初的物理学革命使人类在宏观和微观上打开了新天地,人类认识到一个更加复杂、非线性、基元性的世界^[27],系统科学应运而生（图5）。系统思维最早出现在1921年,奥地利生物学家贝塔朗菲（Von Bertalanffy L）被看作是一般系统论的创始人。在系统科学的发展形势下,国内外许多学者致力于综合各种系统理论的研究。从20世纪80年代开始,中国许多学者将系统论应用到地理科学领域,取得了大量的成果。

图5

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图5 系统的特征分类

Fig. 5 Systematic feature classification

钱学森在对系统论的研究^[28]中指出：“系统科学的建立,必将影响其他现代科学的发展,并促进较早建立的科学技术部门,如自然科学和社会科学。”钱学森是将系统论应用到地理学的主要倡导者之一,1983年建议创立“地球表层学”,1985年2月又提出建立“地球表层学”下的新学科“数量地理学”设想,认为地理科学是自然科学和社会科学的融合,地理科学是一个科学体系,倡导基于系统论思想方法的地球表层学^[29]。钱学森的这一学术思想对于中国地学,特别是地理学、环境科学等有关科学研究有很大指导意义。并且,他认为“系统科学的建立是一场变革,这种变革蕴育着一场21世纪初科学新飞跃,即一次科学革命”。因此,系统论涵盖广泛的科学领域,特别是地理科学综合性研究的发展。

竺可桢认为应将定量与定性相结合,用最新的科学成就和仪器设备,把地理学武装起来,强调地理学研究的综合性、区域性特色,即水文科学地理方向的引导^[30]。黄秉维与钱学森思想相同,均非二元论,统一自然要素与人文要素的研究,含人地关系,强调研究地球表层自然要素与人文要素相互作用及其形成演化的特征、结构、格局、过程、地域分异与人地关系等^[31],认为地理学研究主要特点是“综合与区域（其中包含形成过程）”,提出了“在综合指导下分解,在分解基础上综合”,倡导自然地理研究的地球系统科学方向^[32]。水利部前水文局长谢家泽强调要有地球表层系统观,也就是把地球表层作为一个系统并用系统论的观点（结构观、功能观和历史观）来看待和研究它。所谓系统观,就是系统的结构观、功能观与历史观的辩证统一^[33]。

作为地理学的一个分支,水文地理综合气候、地质、地貌、土壤、植被等自然地理要素,需要用地理学的原理、观点和方法系统地研究水文现象的一般规律,一言以蔽之,系统论思想是研究水文地理的一个重要途径。

3.2 综合性与系统性之间相互关系的认知

所谓系统,就是由相互联系、相互作用、相互依赖和相互制约的若干要素或部分组成的具有特定功能的有机整体。贝塔朗菲在《一般系统论》中认为“当我们讲到‘系统’,我们指的是‘整体’或‘统一体’”。系统论是一种综合性理论,具有整体性、相关性、动态性、有序性和层次性等五种基本特征^[34],其中动态性指系统内部各元素都随时间不断发生变化,有序性指系统有机关联性所表现的结构层次以及动态性所表现的渐进分异的方向性。系统性要求先全局后局部,先过程后分段,先长远再当前,保持整体研究,并运用科学方法和数学工具进行定量研究;综合性即统筹兼顾、不可顾此失彼,要求理解多要素之间的相互作用过程,并把握系统表现的整体特征。在系统的分析研究过程中,综合性和系统性是相互融合的关系。

地理科学是一门介于自然科学和人文科学之间的综合性边缘科学。从前人的研究中可以看出,地理学的科学体系可以概括为系统性、综合性、区域性、开放性和实践性。地球表层系统是由岩土圈、大气圈、水圈、生物圈和人类圈所构成的地表自然社会综合体,是人类圈与地球相互作用的复合物质系统,与周围的地球圈层其他部分存在物质能量交换关系,是一个开放的复杂巨系统。

现代水文地理研究是以全新的体系和结构阐述地球表层系统中的水,主要环绕大气圈、岩土圈、水圈、生物圈的水循环运动、结构与功能特征,以及各圈层之间的相互关系和相互作用,包括人与环境的关系等。至于大面积包绕大陆的海洋,则归属在水圈的研究中。

3.3 水循环时空动态形成过程研究

对地理现象时空变化研究的一般认识主要围绕着综合性和区域性,即“两性”。笔者认为“两性”的提法忽略了时空变化这一不可或缺的形成过程与机制的实际研究,其理应包涵在“两性”中,实为“三性”。地理现象的外在客观表现实际是由地理系统内部多种要素相互作用的结果,这种作用体现在无时无刻千变万化的动态格局中,随着时间和空间尺度的变化构成了地理区域过程^[35]。地理现象的形成机制也在不断地变化,从基本的自然驱动机制,到日益增强的人类活动对陆地表层的驱动机制,都使地理过程变化的机制更加复杂。竺可桢与黄秉维在20世纪50年代已经在中国科学院地理所组建了一批野外定位与半定位试验站,旨在研究地理要素的形成过程的机理,已确定了研究过程机理的内涵,包涵了综合性、区域性、时空过程形成机理等“三性”,其中时空过程形成机理亦为系统动态有序性特征。在“三性”研究中,综合性与时空动态过程有序性的相互关系密切。

地理科学与水文科学的研究思想方法都具备“三性”。地理科学是横跨自然与人文二元的研究领域,社会水文学（Socio-Hydrology）的研究涉及自然与社会之间耦合作用的水文问题,人视为水循环的内生部分^[36]（人与水）;地理科学注重区域研究与综合研究并重和不同时空尺度过程的分异,水文科学注重水圈与地球圈层交互作用中水的系统综合研究和生态水文研究;地理科学需要加强研究要素时空动态变化过程的形成机理（动态有序性）,水文科学研究水循环要素时空动态变化不同尺度过程机理。作为地理科学和水文科学的交叉学科,水文地理学研究思想方法应当与它们殊途同归,即具备综合性、区域性和时空过程的动态有序性。

4 基于学科基础理论的扩展：深化水文地理时空动态过程机理的系统科学方法案例

4.1 水文地理系统论的认知

按照系统的定义,水文地理系统应该是由两个或者两个以上相互联系、相互作用的要素按一定方式构成的整体。水文地理系统的整体性要求系统要素在时间、空间和逻辑上具有不可分割的关联性。考虑到水文地理系统的不同时空尺度过程动态性研究,水文地理系统可进行整体综合与分解为不同层次的“子系统”,这从全球和区域的不同时空尺度水文要素的动态变化形成水循环过程中体现出来。宏观尺度的全球水循环构成地球上水分与能量交换的一个如同闭合回路般的复杂动态有序巨系统;大陆尺度的局部性水循环实现了蓝水和绿水之间的转化^[37];微观尺度水循环中,水循环则是一个开放的系统,在其循环流动过程中与其他地学过程及生物学过程相互作用,发生物质能量交换,包括物理化学生物学的一系列过程,可视为伴生的循环过程。

应当指出水循环过程是多要素、多尺度、多学科、跨学科的认识。水循环系统涉及地球系统科学的多学科知识,包括自然要素：土壤、气候和生物;人文要素：政治、经济、文化,及其时空过程与分布差异等。综合性考虑多因素的交互作用、正负反馈的增益作用,存在内部关联性。水循环系统的连锁效应包括从初阶到高阶的各种连锁响应,后者密切关系到社会水文学的发展。当今气候变化与人类活动影响交叉、错综复杂地交织,其中包括宏观微观多维尺度效应与非线性问题。因此简单理解,水文地理系统是若干要素的集合体,应以要素、要素群和系统作为研究对象,研究要素与要素、要素与系统、系统与环境（系统开放与闭合）三方面的关系。

4.2 水圈中的五水交换过程：系统论演绎耦合研究命题

地理系统本身及其各个子系统之间属于开放系统,彼此之间每时每刻都发生着活跃的物质与能量交换,包括信息传输,这些过程在系统界面上展现出来。系统界面的研究有助于确定系统输入与输出以及为系统的耦合与综合提供途径。作为自然地理系统的子系统,水文系统不仅向其他地理子系统开放,发生物质与能量的交换,而且其自身也在不断转化,有一系列的过程,包括相态等理化性质变化,这是地理系统动态性在水文系统上的体现。水文水资源系统中包括降水（P）、生物水（E）、土壤水（S）、地表水（R）及地下水（G）等5种独立要素（包括相态）,其要素间的转换过程就是“五水循环”（图6）^[38]。

图6

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图6 “五水交换”关系

Fig. 6 "Five water exchange" relationship

按照水的5种水分贮存形式,可以演绎的耦合研究命题数为： $C_{m (j)}^{n (i)} = \frac{m (j)!}{n (i) (m (j) - n (i)!}$ 。以j = 5、i = 2演绎分解,可以形成 $C_{5}^{2}$ =10个命题数,而这10个命题数之间发生的转化过程具有双向运动性质,包涵了整个水文过程,包括相态变化,例如蓝—绿水（液态变汽态）的转化。而对于2个以上系统耦合的水文过程是一个有序或者分层次的联接过程。“五水”交换过程扩大了水文系统的内涵,加深了对水文动态过程系统关系与有序性的理解,深化我们对一些新问题的认知,如水量转化的“蒸发悖论”问题。

4.3 水资源—社会经济—生态环境各要素交互研究命题

水文地理系统内部耦合过程包含了水文学与自然地理和人文地理诸要素间的关系。与“五水”研究命题相似,水资源、社会经济与生态环境涉及更多的要素,如人口（P）、社会（S）、生态（B）、环境（E）、水资源（R）与经济（$）。若各要素相互独立,自成系统的情况下,交互研究命题数为： $C_{m (j)}^{n (i)} = \frac{m (j)!}{n (i) (m (j) - n (i)!}$ 。对于简单（或两个子元素）耦合情况（ $j = 6, i = 2$ ）,可以用一个矩阵表格来演绎（表2）。

表2 水资源、社会与环境复杂系统耦合

Tab. 2 Water resources, society and environment complex system coupling

	人口(P)	经济($)	社会(S)	水资源(R)	生态(B)	环境(E)
人口(P)	1	P/$	P/S	P/R	P/B	P/E
经济($)	$/P	1	$/S	$/R	$/B	$/E
社会(S)	S/P	S/$	1	S/R	S/B	S/E
水资源(R)	R/P	R/$	R/S	1	R/B	R/E
生态(B)	B/P	B/$	B/S	B/R	1	B/E
环境(E)	E/P	E/$	E/S	E/R	E/B	1

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对于多系统（3个或3个以上地理要素）的复杂耦合,可能的命题比简单耦合更多。因此包涵多种因素的水文地理系统是一个巨系统,这个巨系统的研究必然具有综合性和复杂性。综上,系统各元素交互作用有巨大的探索空间去开展过程机制研究。

4.4 水文地理发展过程中的部门学科

水文地理发展过程从20世纪60年代的河流与区域水文分布规律的研究,进一步扩宽到陆地湖泊、沼泽、冰川、冻土以及陆地—海洋交接的河口研究,基本覆盖中国大陆各类水体。随着社会发展与科技水平的提升,水文学的研究与更多相关学科交叉。事实上,陆地表层是一个无法分割的有机整体,水文地理多要素的研究就是将陆地表层的自然人文多个要素作为整体开展研究^[39]。将陆地表层系统中自然、人文要素与水文学结合,产生越来越多的部门学科。例如,按照地理、地貌区域性划分,有海洋水文学、陆地水文学、河流水文学、河口水文学、山坡水文学与山地水文学、平原水文学等;人文要素与水文学产生社会水文学。水文学科在水资源、水环境、水生态、水灾害和水管控等领域研究问题方面有更大的发展空间,尤其是在与新兴学科的结合,如遥感水文学、卫星水文学、城市水文学、农业水文学、气候水文学、以及包括山水林田湖草沙在内的人类活动水文学等不断发展的新兴部门学科。随着诸学科研究的深入,将会有更多的交叉研究出现,水文地理系统的内涵将更加丰富,其“三性”中时空动态变化过程将进一步整装待发,涌现出来。

4.5 地下水的重要意义：地表水与地下水相互交换与作用的水文地理研究

地下水系统是水循环的一个重要且相当复杂的亚系统,因此,地下水与地表水水分时空动态交换机制研究是理解水文地理系统研究的题中之义。粗略地算,地下水的储量比河湖大几十倍^[40],因此在河流水源不足的情况下,就要发掘地下水。深层地下水一般是通过千年、万年以上的时间补给形成的,可用同位素（如¹⁴C）等测年方法测定地下水的年龄。由于地下水能够稳定地补给河流,在无雨时节维持河道基流,才使得河流在干旱无雨的季节不至于枯竭而水流不断,这是地下水水量交换的一个方面。从地理学的观点看山区与平原河流的基流计算并不相同：前者采用流量过程线方法,后者则采用均衡计算方法,显然地貌分区的概念是十分重要的。不同流域面积河流河道的下蚀深度不同,大流域河流河道切割岩层深度大,河流受地下水补给的基流量多且稳定,小流域河流则与之相反。此外,对大流域来说,因地貌分布的格局或因地下水与地表水汇水面积差异,对河流补给水量有重大影响。例如黄河为什么只有长江年径流量5%而能够细水长流,源远流长^[41],成为世界排名第五的长河（5464 km）。

4.6 水文水资源中系统论综合研究主要技术方法

陆地表层系统是一个多尺度耦合、组织结构复杂、驱动关系交织、演化具有高度不确定性的复杂系统,对水循环与各地理要素之间的有序性研究是复杂的。系统论方法可以帮助我们建立完整的系统,并将其逐个分解。系统论在水资源上的运用,可以演绎出不同的任务类型求解（表3）。

表3 系统方法在水文水资源中的应用

Tab. 3 Application of system method in hydrology and water resources

系统方法应用	系统输入	作用机制	系统输出
分析—鉴别	已知	?	已知
预测—预报	已知	已知	?
反馈—控制	?	已知	已知

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应当指出,系统方法可以由系统的输入与输出识别系统作用,如线性还是非线性的系统作用;识别系统后建立定量关系,进而由输入与系统的作用做出系统的预测与预报;识别系统后可以鉴别系统输入对输出的影响,根据输出目标调节或控制输入。系统论方法在水文水资源领域早有应用：纳什根据线性系统推导的纳什曲线,周文德根据水量平衡和蓄泄关系导出了线性水文系统模型等。数理统计方法在水文地理系统分析中有重要的应用意义,所谓数理统计方法,就是利用收集到的观测数据,建立系统变量及其影响因素间的统计模型。例如主成分分析、聚类分析、判别分析等用于水文地理分类与分区;时间序列分析用于水文地理动态分析;多元回归用于水文地理要素的关联分析。20世纪70年地理信息系统（GIS）的研发为地理学研究提供重大的技术支持,使水文地理方法更多应用3S技术、计算机仿真技术和水文实验等方法,加强了水文地理研究,能从不同尺度揭示水文地理的时空过程变异性。

5 结论与讨论

5.1 结论

地理科学的综合性确定了水文地理发展的思想与方法。水文地理发展过程中的研究方法主要来源于水文学和地理学,在任何尺度地理空间都是由多个要素共同组合作用的系统,理解不同尺度地理区域要素之间的相互作用以及在空间上表现与整体特征都是地理学研究责无旁贷的任务。水文地理学实际上是水文科学问题的研究方向,有多种多样的人文—自然地理类型的区分,表现为研究问题的区域性。区域水文学着重研究独特地理单元的水文现象及水循环模式,例如中国拥有上百万平方千米的石灰岩分布区域,显然喀斯特区域的水文研究不容忽视。因此特别需要加强对具有各类独特地理单元的水文水资源进行研究,全面发展区域水文地理学。

地球圈层间的水联系研究是必要的,水文科学包括水文地理的发展最终都应融合至地球系统科学中。水循环是地球各圈层间物质、能量交换最活跃的过程,是地球各圈层的纽带,而人类智能圈的加入使得水在各圈层之间的联系更加复杂。水循环研究的重要意义在于其使陆表与各圈层之间物质能量交换有了最活跃的载体,维持着地球陆地表层生态系统中森林、草地、湿地、湖泊及生物等系统的生存与繁衍。因此,水与地理各要素之间的耦合研究既是水文科学研究的重要部门,也是地球系统科学的研究部门。

基于系统论的江河治理地学原理,陆地表层系统的提出使得对水文地理研究还原论与系统论并存,地理学的区域性和综合性为水文现象的研究提供了另一种有效的利用方式,动态过程不可跨越的有序性研究要求对时空演化过程机理进行探索。需要指出,融合水文科学与地理科学的理论与方法的基础上,水文地理学的研究将更适应生态环境保护与绿色发展的需要,为生态文明社会的建设服务。

5.2 讨论

（1）气候变化与人类活动对水循环过程影响研究

对水循环系统的认识是水文地理学研究的基础。气候变化和人类活动使得流域环境不断发生变化,改变了自然气候形成下水文过程的固有情景,是对水文研究一些传统概念、理论和方法的挑战;另外,农业灌溉、城镇工业、生活和生态多部门用水规模、方式及管理制度等经济社会活动与水循环、气候变化构成了一个极其复杂联动的巨系统。水文现象—气候变化—人类活动三者分离和相互纽带关系问题的研究尚未完善,而且有待深入。

（2）生态水文四大平衡过程动态变化机理研究

生态水文学从生态水文过程入手,研究水环境系统演化和演变对生态系统的影响和作用,以期实现经济社会可持续发展的目的。生态水文四大平衡即水热（能）平衡、水盐平衡、水沙平衡与综合平衡（包涵供需平衡与流域空间上中下、左右岸的平衡）。对生态水文四大平衡过程机理的研究,是对地理科学其综合性与区域性（两性）的补充,或称为“三性”。

（3）水资源可再生性维护研究

由于水循环的不断运转与积极的水交换,水资源是一种可再生资源（包括数量与质量）。维持其可再生性是人类水利可持续最基本的科学问题^[42],成为水利工作的终极目标。水循环速度是水资源更新周期的重要指标,需要从多圈层演化的角度探讨不同时空尺度水循环及地表过程的控制因素,包括界面宏微观尺度和区域乃至全球的水流通量。例如湿润热带、干旱半干旱区水文研究与水资源管理战略等。

（4）“蓝绿水”认知的重要意义

“蓝绿水”最简单的定义：蓝水是液体水（作为常规水资源）,绿水是汽态水。固态的冰通过凝华与升华相变加入“蓝绿水”。从全国范围来看,“绿水”所占降雨总量的比例高于蓝水,多年平均在2/3以上,数量可观。而中国各流域水资源量分布极不均衡,北方各流域,如黄河流域、海河流域、西北诸河流域等,绿水所占比重大,水资源总量利用潜力已经很小,人类生产生活和自然生态系统用水矛盾突出。因此,绿水利用和管理具有十分重要的意义。对于节水调控研究,以节水农业为例,灌溉水不是灌地而是应灌作物,绿水的主要作用体现在土壤水的利用与调控上,节水农业中心问题是提高绿水或由降水形成的土壤水和蓝水而来的灌溉水的利用效率。蓝绿水之和是广义的水资源概念,其中绿水转化是海洋蒸发形成的大量水汽。大陆蒸散发形成的水汽虽少,但多种多样的下垫面蒸散发,其观测与计算及定量十分复杂,这也是黄秉维院士最早提出“攻破蒸发关”的原因。

（5）水文地理区划与制图技术及智能技术研究

地理信息系统是地理科学研究主要技术,其作为地理研究者的基础方法,成为研究水文地理最重要的手段之一。当前多种多样的高新技术,如大数据、人工智能等也都可为水文地理学研究提供新的武装,将推动传统的水文地理研究,特别是水文区划、规划与水文地理制图技术的新发展。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

Liu

Changming

, Zhou

Chenghu

, Yu

Jingjie

, et al. Hydrogeology of China. Beijing: Science Press, 2014.