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1、水文研究中的方法学探 讨,水文学方法研讨会，中国水科院，2007.6.17,楊大文清华大学水利系,报告内容,一、哲学方法二、思维方法三、研究手段四、发展历史五、发展趋势六、总结,一、哲学方法,1.1 实践论的方法,水文学是从生产实践中发展起来的一门应用科学。我们对一个流域水文规律的认识首先来自于的生产实践。,现代数字仿真技术让人有身临其境的感受，因而在水文学中得到广泛应用。,实践,达尔文的科学巨著物种起源就是来自对自然的观测，它为生物进化论奠定了基础。,生物进化论：生存斗争是物种进化的前提，自然选择是物种进化的途径，在生存斗争中的自然选择是物种进化的机制，适者生存是自然选择的标准也是选择的结果
2、。,1.2 现象规律理论,工程水文学中一个主要的研究方法：采用数学统计方法来描述随机水文现象的规律。,但是，随机水文方法没有形成现代水文学的理论。基于水动力学机理的确定性数学描述方法成为现代水文学的主流。,然而，基于水动力学机理的现代水文学理论面临流域下垫面不均一性的挑战。,因此，近年来随机统计动力学方法愈来愈受到重视。,1.3 简单复杂简单,对流域水文响应（如降雨径流响应）的认识是从简单线性系统开始的，后来又发展了非线性系统、灰色系统、智能神经网络系统等。（集总式模型方法）,对流域水循环机理的认识是从单一的过程开始的，如入渗过程等。现代水文学试图同时描述所有过程，以期更好地模拟或预测流域的水
3、文响应。（分布式模型方法）,还原论（reductionism）：强调认识整体必须认识部分，认识了局部特征可以据之把握整体特性。还原论方法最大的成功之处在于，用这种方法建立起来的科学理论，不仅具有精确严密的逻辑，还具有强大的预测能力，这种预测经得起实验的检验。还原论的另一个优点是，每当预测失败时，或者理论计算与实验结果发生重大偏差时，人们能够根据逻辑和理论推导上溯到起点，调整理论假定，从而建立起新的理论，做出新的预测，实现理论创新。,1.4 还原论与整体论,整体论（holism）：还原论的科学所能够认识的世界，只是世界的一部分，而且是一小部分。于是，科学开始补充整体的观念。首先，系统科学提供了一
4、种从整体出发思考和解决问题的观点，引导人们将事物视为一个有机的整体，充分考虑它所有的因素之间那种相互关联、不断变化的复杂关系。其后，研究复杂性现象的混沌学更是通过“蝴蝶效应”这样生动的比喻，强调混沌系统中充满活力的相互作用，强调系统与环境的复杂关系。,整体论方法发展形成的新概念：-系统的自组织性：如河网的自组织性-代表性单元流域（REW）：直接针对一个单元流域来构建水文响应的数学物理方程，而不需要描述其中水文过程的细节。,二、思维方法,2.1 归纳推理,在对大量水文现象（数据）的分析中，归纳推理方法对提炼一般性规律具有重要作用。,数据分析方法，如线性回归、相关分析、趋势分析等在归纳推理中起到重
5、要作用。,归纳推理可以帮助我们从宏观规律（如水量平衡、能量平衡、水热耦合平衡等）来认识流域水文循环的机理，这是目前国际上称为“Top-down”的研究方法。,气候水文学：采用归纳推理方法建立了气候水文分类，如湿润、半湿润、半干旱、干旱等生态学：采用归纳推理建立了生态（动物和植物）分类体系；Dunne（1978）对流域的产流进行了分类：超渗产流和蓄满产流。,归纳推理的应用实例,超渗产流为主,蓄满产流为主,Dunne（1978）,2.2 演绎推理,我们所熟悉的经典数学、力学等理论体系都是在演绎推理逻辑框架下建立起来的。,演绎推理方法在水文学研究中不如归纳推理那样普遍，然而近年来由演绎推理提出了不少
6、新的水文学假设，如Budyko水热耦合平衡假设、Eagleson的生态水文最优性假设等。,演绎推理和归纳推理相结合将为水文学基础理论研究开辟更广阔的前景。,流域的降雨径流响应函数Budyko水热耦合平衡假设：流域水循环同时受到水量平衡与能量平衡的双重控制，因此存在一个普适的水热耦合平衡方程，即：Eagleson的生态水文最优性原理：进化压力驱使植被达到生物气候的最优状态，从而使植物形成一定的形态和功能。,演绎推理的应用实例,光学最优性原理 植冠的形状力学最优性原理 叶面积、叶倾角热力学最优性原理 叶片温度等于光合作用的最适宜温度 水文最优性原理 包含气候、土壤和植被状况的水量平衡方程生态最优性
7、原理：自然选择使植被达到生物气候的最优状态。,Eagleson的生态水文最优性原理,生态学研究对水文学的启发,研究内容：流域的形态（如地形地貌、土壤和植被等）和功能（如水量平衡、降雨径流等）。,2.3 创造性思维方法,麻省理工学院Eagleson教授在生态水文学前言中说：生物就是自然最优化的表现，这已在达尔文之后成为共识，自然选择形成了植被的形态和功能，由此去寻找解析表达式。然而，从如此复杂性中探求自然选择的表达模式，必然需要大量具有真知灼见的推测，正像“空中楼阁的建筑是无规则可言的”。,普林斯顿大学Ignacio Rodriguez-Iturbe教授在给生态水文学著作的序中说：“该书告诉我们
8、杰出的科学是如何创立的：这就是知识和想象力的完美结合。”,三、研究手段,3.1 实验研究手段,模型实验研究对建立现代水力学与河流动力学的理论体系起到了关键性作用；相比而言，模型实验研究在水文学发展中的作用要小许多。,水循环概念是现代水文学的基础，是在对流量、降雨、蒸散发等主要水文过程的观测基础上建立起来的。,水文学中的实验研究更强调在现场对流域水循环过程的观测（原型观测）。,室内模型实验(如土柱中降雨入渗、土壤水运动实验等)的确为建立水循环过程的动力学控制方程提供了支撑。,现代水文观测与实验技术,水热通量观测技术：对水文过程的直接观测；示踪剂、同位素观测技术：对水文过程的间接观测，多用于验证关
9、于水循环的假说；卫星遥测技术：对水文过程及状态的间接观测，通过辐射传播模型建立与水文变量之间的关系来反演出水文过程。,Remote Sesing for Water&Energy Cycle,River discharge monitored globally;Snow water equivalent observations,EOS/in-situ observations of land surface state variables,Improved precipitation forecasts that support:Water supply Decision Support S
10、ystem with 7-10 day lead time&seasonal water supply forecasting ability,Vertical profiles of cloud structure and properties(Cloudsat/Calipso),Ongoing model improvementsEnhancements in computing resources,Improved latent heating profiles and convective parameterizations within weather and climate mod
11、els,Observations of tropical rainfall/energy release(TRMM),Assessments of natural variability in atmospheric,surface and subsurface moisture stores,Unfunded,Partnership,NASA,=field campaign,Knowledge Base,Cloud parameterization and precipitation/water-vapor assimilation enabling more reliable short-
12、term precipitation forecasts and accurate role of clouds in climate predictions,Quantify and elucidate mechanisms of the mean state and variability of the water cycle,including quantification of precipitation,evaporation,runoff and water storages,Global estimates of ocean evaporation(Aquarius)and la
13、nd evaporation,NASA Energy-and Water-cycle Study,Global precipitation measurements(GPM),GOAL:Models capable of predicting the water cycle,including floods and droughts,down to 10s of kms,Systematic measurements of precipitation,SST,land cover&snow,Reservoirs and tropical rainfall well quantified Dif
14、ficulty balancing the water budget on any scale Inability to observe and predict precipitation globally,IPCC Report,IPCC Report,T=Technology development required,Detection of gravity perturbations due to water distribution(GRACE),T,Data assimilation of precipitation and water vapor,Global Soil Moist
15、ure(HYDROS),3.2 计算机数值模拟手段,计算机技术的发展，使数值模拟方法在水文学研究中占有愈来愈重要的地位。,水文数值模拟的一个发展趋势：试图通过最大程度（采用最小的时间和空间尺度）模拟流域（甚至全球）水循环的各个过程，以期得到对流域（或全球）水文响应规律、水资源时空分布规律的正确认识。,但是，目前对水文科学的认识还不能让我们有足够的信心：这样做能够达到我们的目标。,3.3 卫星遥感和地理信息系统,水文学发展成为地球科学的一个分支，与卫星遥感技术和地理信息系统的发展具有密切的关系。,一方面，卫星遥感技术和地理信息系统的发展使传统水文地理从定性走到定量；另一方面，使传统的工程水文由应
16、用走到理论。,定量遥感分析方法将是未来水文学发展的一个重要领域；地理统计方法不同于传统的水文数据分析方法，可为水文科学研究提供新的手段。,四、发展历史,4.1 水文科学的发展,4.2 水文科学的变化,Population density,1.1-6.4 in 2100IPCC Report 2007,Typhoon in 2004：16&17,不可见 可见,不显著 显著,随着科学的发展水文科学中的灰色地带不断增多，水文观测能够减少科学中的灰色地带。,五、发展趋势,科学兴趣驱动的基础理论研究-长期的观测和基础数据积累-不同地区的比较-学科交叉研究,5.1 重视逻辑思维的同时更需要创造性思维,原创
17、性理论的建立需要创造性思维，科学需要兴趣。,社会需求驱动的应用研究-发现生产中存在的关键科学问题-结合水文科学发展的最新理论-提出解决问题的可行方案,5.2 工程科学与自然科学的融合,发现科学问题本身就是科学研究的组成部分，工程科学与自然科学的融合将是今后的一个发展趋势之一。,社会需求驱动的应用基础研究-对水文科学的要求更高：如洪水预报的精度和预见期-全球变化提出的新问题：如气候变化的水文和生态响应,流域生态景观学的兴起既反映了社会的需求，也是学科融合的结果。,5.3 建立水文学新理论的机遇,统计分析方法：从历史资料中探求宏观规律现场观测手段：水循环过程的机理水文数值模拟：将机理与观测资料结合未来机遇：建立统一微观机理（水动力学过程）与宏观规律（水量平衡）的数学物理表达。,5.4 全球水循環研究的趋势,综合的研究手段：地面观测、卫星遥感、以及计算机模拟相结合；跨学科的研究领域：大气科学与地球科学，气象与水文，生态与水文、结合等；满足社会需求：预测和应对气候变化的生态、水文响应，提高自然灾害预测和防范能力等。,六、总结,流域系统的复杂性与水循环的规律性微观机理与宏观规律之间的关系水文现象随机性与水文过程描述中的确定性方法,水文学方法需要创新：逻辑性和创造性的结合,科学来自于生产实践，创新型科学理论的建立需要兴趣、智慧、灵感、，更需要默默无闻地耕耘。,谢谢大家！,
