[科普中国]-系统水文学

系统水文学是借助于系统理论及方法来研究流域、河段或区域水文过程的学科。系统是相对于外部环境而独立存在的集合体，集合体内部属于系统，外部为环境。环境对系统的影响称为输入，系统对环境的作用称为输出。将流域、河段或区域作为一个水文系统，用系统方法研究其输入、输出和系统运转间的关系，并建立相应的数学模型。在建立数学模型时，根据其水文系统蓄泄的线性或非线性关系，分为线性水文系统和非线性水文系统。直接用水文系统的输入和输出过程来进行模型鉴别和确定水文系统模型的参数，而不必研究水文系统内部复杂的物理过程。

系统水文学简介1957年纳希（J.E.Nash）将流域概化成N个相等水库的串联，导出著名的纳希瞬时单位线。1972年周文德将流域或河段概化成若干个演算单元。根据其水量平衡和蓄泄关系导出一般线性水文系统模型。

水文学研究地球大气层、地表及地壳内水的分布、运动和变化规律，以及水与环境相互作用的学科，属于地球物理科学范畴。通过测验、分析计算和模拟，预报自然界中水量和水质的变化和发展，为开发利用水资源、控制洪水和保护水环境等方面提供科学依据。属于地球物理学和自然地理学的分支学科。

水文学与气象学、海洋学、地质学、自然地理学等学科关系密切。广义的水文学可分为水文气象学、海洋水文学和陆地水文学。水文气象学主要研究大气中水汽的变化规律，包括大气中的水循环和水量平衡，以蒸发、凝结、降水为主要方式的大气与下垫面的水分交换，是水文学与气象学的边缘学科。海洋水文学主要研究海洋的水文现象，包括波浪、潮汐和海流等，属海洋学的内容之一。陆地水文学主要研究陆地上各种水体的水文现象和运动规律。随着生产发展的需要和研究工作的深入，已形成河流水文学、湖泊水文学、冰川水文学、地下水水文学等分支。陆地水文学中直接为工业、农业、交通等生产部门服务的内容称为应用水文学。狭义的水文学通常指陆地水文学和应用水文学。

生态水文学由来早在联合国教科文组织国际水文计划10年(IHD)(1965～ 1974年)的末期,生态水文学是一个集地表水文学、地下水文学、植物生理学、生态学、土壤学、气象学和自然地理学等于一体1。过去单纯水文物理学过程的研究逐渐有了环境和生态方面内容,尤其来自其他学科知识的溶入和交叉,如自然地理学、生态学、水文地质学、河流地貌学、土壤物理学等,他们对水文学自身的发展起到了重要推动作用。生态水文科学研究是区域生态系统研究和区域水文科学研究的交叉领域2。这些都归结为环境水文学的范畴。因为在这些分支学科中都对水分平衡、营养物质和沉积物质量平衡的物理过程感兴趣,研究的热点是从Kirkby(1978)编著的山坡水文学开始。

20世纪70年代,Hynes试图结合生态过程和水文过程。但在过去10～ 20年间,绝大多数的研究都集中在特定方面,例如无脊椎动物生态和生物监测、鱼类科学,沉积物等方面。20世纪70年代和80年代,发展起来的径流过程数字地形模型提供了土地利用变化对径流、侵蚀、沉积以及水质等影响的空间观点。同时,80年代对酸雨问题的研究激发了相关工作的进展,如在北美和欧洲对水文学和化学之间关系的研究,进一步促进了环境水文学的发展,即使在南半球,水文学团体也在向这一领域接近。

生态水文学的发展生态水文学的提出最早是从水陆缓冲带开始的。在世界的许多地区,淡水资源正在成为生态系统和经济发展的限制性因素。但同时对淡水生态系统的各种负面影响仍在不断扩大。

根据Popper(1980)对未来的预测,现有的方法已不能解决环境问题。在1992年于都柏林召开的水和环境国际会议上,提出了寻求新的方式解决环境问题,这就是生态学和水文学结合的原因。那么,为什么生态学和水文学的结合能够建立一种新的模式呢?流域的可持续发展不是一种自发的过程,而是基于深刻理解水文学、生物机制和流域经济关系基础上的一种策略。

在世界的绝大部分地区,这一策略谈论的很多,但具体落实存在许多问题与困难。生态水文学能够满足决策论成功策略行为的二个基本条件:排除威胁和扩大机会。作为提高淡水资源质量的工具,生态水文过程应用的目标之一是减少费用、增加保护和恢复的有效方式,进一步提高系统的可持续性。另一目标就是建立科学家、政策制定者和决策者之间新的关系。因此,在未来应该设立一个项目生态水文学(EH),用以综合大尺度、长时间水文过程和生态过程的研究。

水资源短缺、水质恶化和生物多样性锐减等环境问题的出现,使得生态水文学的研究成为热点问题。早期的生态水文学概念只用于湿地、沼泽、水陆过渡带等水生生态系统。大约从20世纪80年代初期以来,水文学家开始关注其他景观中水与生态过程的相互关系,研究范围不再局限于水生生态系统。国际知名的英国水文研究所在80年代末开始了生态水文学方面的科学研究。90年代末,英国水文研究所正式改名为“生态水文学研究中心”。

在生态水文学或水文生态学的研究领域,活跃着一大批科学团体,使得这一领域的研究有了很大的进展。由Maciej Zalewski提出的联合国教科文组织国际水文计划(UNESCO IHP)-V(2.3/2.4)的实施,是生态水文学出版物发行的一个里程碑。当时的主要出版物有Zalewski等人发表的“生态水文学水生资源可持续利用的一个新范例”;发表在“生态工程杂志”中的生态水文学专刊;以Zalews-ki为特约主编致力于生态水文学研究的新期刊等。另外,其他相互独立的专家组也在生态水文学的研究领域中做出了重要贡献,其中包括由Baird&Wilby以生态水文学和Acreman以水文生态学为书名编著的2本书。

尽管出现了大量涉及生态水文学方面的文章,但生态水文学或水文生态学还没有一个统一的概念。迄今为止,生态水文学和水文生态学的定义都涉及到生态学和水文学2个学科,一种理解是2个学科的交叉,而另一种理解则认为是一个学科对另一个学科的影响(水文系统对生态系统的影响,反之亦然)。在Eco-hydrology一词中,生态一词是用于修饰Hydrology的,概念更多地强调水文学而不是生态学;而在Hydro-ecology一词中,Hydro-是ecology的修饰语,关注的生态学问题多于水文学问题,主要描述的是水文对生态的影响。

生态水文学的定义还处于十分混乱的状态,不仅对生态水文学这一术语有不同的解释,而且对生态水文学和水文生态学的认识也令人迷惑。生态水文学的概念首先由Zalewski等人提出,是指对地表环境中水文学和生态学相互关系的研究。在他后来的文章中认为生态水文学是在流域的尺度上,研究水文和生物相互功能关系的科学,是实现水资源可持续管理的一种新方法[8]。同时指出气候、地形、植物群落和动态、人类活动的影响这4个因素决定了环境中水的动态变化,表明在不同的环境中生态过程和水文过程之间的相互关系各不相同。Rodriguez[9]认为生态水文学作为一门学科,是指在生态模式和生态过程的基础上,寻求水文机制的一门科学。在这些过程中,土壤水是时空尺度内连接气候变化和植被动态的关键因子。在他后来的研究中认为植物是生态水文学的核心内容。Nuttle[10]认为生态水文学是生态学和水文学的亚学科,它所关心的是水文过程对生态系统配置、结构和动态的影响,以及生物过程对水循环要素的影响。这一定义聚焦于水文过程在生态系统中所起的作用上,这与Rodriguez所提到的在生态模式和生态过程上研究水文机制的概念相一致。Hatton认为生态水文学需要在质量守恒和能量守恒定律的基础上,在周围环境不同的情况下,研究环境过程的机制。Acreman关于应用水文生态学的定义:是指运用水文学,水力学、地形学和生物学(生态学)的综合知识,来预测不同时空尺度范围内,淡水生物和生态系统对非生物环境变化的响应。另外,水文生态学侧重研究河流及洪泛平原区的水文与生态过程以及建立模拟这二个过程相互作用的模型。

本词条内容贡献者为:

王宁 - 副教授 - 西南大学