芮孝芳

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098)

任何一門學(xué)科都會不失時機(jī)地為著自身的發(fā)展去尋找合適之路，水文學(xué)也不例外。伴隨著現(xiàn)代科學(xué)逐步成長起來的水文學(xué)，經(jīng)過300多年的吐故納新，在認(rèn)識水文現(xiàn)象，揭示其形成機(jī)理，探索水文現(xiàn)象和水文特征值時空變化(演變)特點(diǎn)和規(guī)律，解決經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中出現(xiàn)的水文問題等方面都取得了豐碩的成果，已形成擁有眾多分支學(xué)科的學(xué)科群[1]。然而，這只是“回頭看”得到的印象。如果“往前看”，那么結(jié)論就不是這樣了。水文學(xué)發(fā)展到現(xiàn)在面臨的主要困難是：歷經(jīng)了半個多世紀(jì)轟轟烈烈歲月的流域水文模型為什么沒有多少實質(zhì)性進(jìn)步？為什么提高短期洪水預(yù)報精度如此困難？經(jīng)過若干年努力，為什么江河流域仍主要使用經(jīng)驗相關(guān)法而不使用流域水文模型作洪水預(yù)報？為什么近代發(fā)展起來的時間序列分析理論和方法用于揭示水文特征值年際演變特點(diǎn)和規(guī)律難以奏效？為什么中長期水文預(yù)報的發(fā)展舉步維艱？對認(rèn)識、揭示水文現(xiàn)象形成機(jī)理起過重要作用的水文實驗為什么“輝煌”不再？即使愿意花費(fèi)巨資為什么還是沒有讓它再次“火”起來？為什么至今仍不能通過水文實驗來揭示水文特征值年際演變特點(diǎn)和規(guī)律？世界科技發(fā)展，一日千里，日新月異，先進(jìn)的觀測技術(shù)和方法像雨后春筍般涌現(xiàn)，人類觀測自然現(xiàn)象的能力迅速增強(qiáng)，科學(xué)研究范式也在與日俱進(jìn)。筆者認(rèn)為，水文學(xué)家只有盡力將人類科技寶庫中積累的豐富資源為我所用，才可能使水文學(xué)從困境中走出來。本著這樣的信念，本文試圖通過“水文實驗客觀上的局限性”、“提升水文觀測技術(shù)的重要性”、“呼之欲出的數(shù)據(jù)密集范式”、“值得期待的數(shù)據(jù)水文學(xué)”、“從范式融合中尋求未來之路”等問題的討論，闡述水文學(xué)未來的愿景。

1 水文實驗客觀上的局限性

“實驗”開啟了現(xiàn)代科學(xué)之門，是科學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)問題、認(rèn)識機(jī)理、探索和驗證規(guī)律的基本而重要的手段。它對物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)等的發(fā)展，貢獻(xiàn)巨大而持久。水文實驗對水文學(xué)早期發(fā)展也曾起過重要的作用。明渠水流的Chezy公式和Manning公式、地下水運(yùn)動的Darcy定律、植物截留、下滲和蒸散發(fā)的機(jī)理等都是經(jīng)過無數(shù)次實驗總結(jié)出來的。20世紀(jì)中葉，水文實驗曾經(jīng)有過持續(xù)數(shù)十年的輝煌，例如：20世紀(jì)50～60年代水利化、水土保持、城市化等水文效應(yīng)的揭示；1963年Hewlett等[2]根據(jù)土槽試驗證明非飽和側(cè)向流的存在，并指出這是維持河流枯水期水流的主要機(jī)制；1970年Zaslausky等[3]通過野外試驗也證實了非飽和側(cè)向流的存在。這些都是水文實驗的閃光點(diǎn)。1974年出版的《山坡水文學(xué)》[4]曾詳細(xì)給出了Dunne設(shè)計的具有相對不透層的包氣帶的產(chǎn)流實驗裝置，記載了Dunne發(fā)現(xiàn)壤中徑流和飽和地面徑流的精彩片斷。Dunne通過實驗對壤中水徑流和飽和地面徑流形成機(jī)理的揭示使Horton[5]1935年提出的產(chǎn)流理論得到了完善，也導(dǎo)致了新安江流域水文模型[6]的產(chǎn)流結(jié)構(gòu)從“二水源”結(jié)構(gòu)發(fā)展到“三水源”結(jié)構(gòu)。但自20世紀(jì)80年代以來，試圖通過水文實驗推動水文學(xué)發(fā)展變得越來越困難，希望通過振興水文實驗破解水文學(xué)發(fā)展中遇到的一些難題未能如愿，水文實驗似乎到了寸步難行的境地。借助實驗發(fā)現(xiàn)問題、認(rèn)識機(jī)理、探索和驗證規(guī)律的難度越來越大。雖然這是許多學(xué)科面臨的問題，帶有一定的普通性，但像水文實驗?zāi)菢訋缀醯搅舜绮诫y行的境地卻并不多見。

自然界發(fā)生的水文現(xiàn)象，林林總總，其中有的比較單純，例如降水、植物截留、填洼、蒸散發(fā)、下滲、地面水流、地下水流、洪水波等，一般稱之為基本水文現(xiàn)象。有的水文現(xiàn)象涉及到兩個或兩個以上基本水文現(xiàn)象，例如流域產(chǎn)流、流域匯流、流域降雨徑流形成等，一般稱之為復(fù)合水文現(xiàn)象。年徑流量、年最大流量、年最小流量、年最高水位、年最低水位、時段洪量、時段枯水量、年降水量、時段雨量、年蒸發(fā)量、流域(區(qū)域)平均降雨量、流域(區(qū)域)平均蒸散發(fā)量、流域(區(qū)域)平均土壤含水量等，則是從基本水文現(xiàn)象或復(fù)合水文現(xiàn)象的時間變化或空間分布中提取的特征，一般稱之為水文特征值。基本水文現(xiàn)象的形成機(jī)理，一般雖能通過水文實驗予以認(rèn)識或得以驗證，但將所揭示的規(guī)律或獲得的參數(shù)移用于自然界，由于影響因素的復(fù)雜性，轉(zhuǎn)換就十分困難了。用水文實驗揭示復(fù)合水文現(xiàn)象形成機(jī)理，難度則遠(yuǎn)大于基本水文現(xiàn)象，而且將這樣的實驗結(jié)論推廣到實際流域更是困難重重。至于試圖通過水文實驗揭示水文特征值的年際演變特點(diǎn)和規(guī)律，就幾乎不可能了。

水文實驗難以推動水文學(xué)深入發(fā)展的根本原因是承載水文現(xiàn)象的介質(zhì)十分復(fù)雜。許多水文現(xiàn)象都要受到下墊面的作用，例如暴雨洪水，具有一定時空分布的暴雨只有在流域下墊面的作用下才能形成流域出口斷面的洪水過程，假設(shè)沒有下墊面作用，那就沒有洪水，或者說洪水過程就是暴雨過程，可見下墊面對許多水文現(xiàn)象的形成和變化有著重要的影響。下墊面是地形、地貌、土壤、植被、河湖、濕地、地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、土地利用等的總稱。下墊面的復(fù)雜性不僅表現(xiàn)在它的組成多樣，而且表現(xiàn)在它的空間變異極其復(fù)雜。對于有一定空間范圍的下墊面，例如流域，總可以設(shè)想它是由無窮多個空間點(diǎn)集合而成(圖1)。容易理解，在水文現(xiàn)象形成過程中每個空間點(diǎn)對它的影響將不可能完全相同，而且空間點(diǎn)之間還可能存在一定的相互作用。由于水文實驗不可能做到覆蓋每個空間點(diǎn)，也無法考慮空間點(diǎn)之間的相互作用，因此，試圖通過空間范圍內(nèi)少數(shù)一些點(diǎn)的水文實驗達(dá)到精細(xì)、精準(zhǔn)揭示流域中發(fā)生的水文現(xiàn)象的機(jī)理和時空變化特點(diǎn)或規(guī)律，幾乎是不可能的。對于水文特征值的年際演變，由于是一個時間上無限延伸的問題，至今連進(jìn)行水文實驗的基本思路都還沒有找到。

圖1 由無窮空間點(diǎn)集合而成的流域

水文學(xué)的發(fā)展需要實驗支持，這已為事實所證明，但水文現(xiàn)象的特殊復(fù)雜性又使得依賴水文實驗發(fā)展水文學(xué)十分困難。

2 提升水文觀測技術(shù)的重要性

水文學(xué)的研究對象是自然界發(fā)生的水文現(xiàn)象和從中提取的水文特征值。水文學(xué)的研究任務(wù)是揭示水文現(xiàn)象形成機(jī)理，尋求水文現(xiàn)象和水文特征值的時空變化特點(diǎn)及規(guī)律。因此，對自然界發(fā)生的水文現(xiàn)象進(jìn)行觀測，取得其時空變化數(shù)據(jù)，然后設(shè)法去揭示其形成機(jī)理，尋求水文現(xiàn)象和水文特征值時空變化特點(diǎn)和規(guī)律，也必然成為水文學(xué)研究途徑之一。這與天文學(xué)、大氣科學(xué)、海洋學(xué)等十分類似。這種研究途徑與水文實驗之不同在于，根據(jù)水文觀測認(rèn)識、研究水文現(xiàn)象是“被動”的，而通過水文實驗認(rèn)識、研究水文現(xiàn)象往往是“主動”的。天文學(xué)為什么常有新發(fā)現(xiàn)？數(shù)值天氣預(yù)報為什么近年來進(jìn)步較快？海洋學(xué)為什么也比水文學(xué)有起色？這都與天文、氣象、海洋等的觀測技術(shù)和方法的顯著進(jìn)步分不開。

其實，很早以前人們就知道水文觀測對認(rèn)識水文現(xiàn)象的重要性了。例如中國在距今4 000多年前的大禹治水時期就有“隨山刊木”的記載。所謂“隨山刊木”，就是在水中立木進(jìn)行水深測量，這是一種原始測量水深的方法。但長期以來，水文觀測技術(shù)和方法的發(fā)展遲緩于天文、氣象、海洋等觀測。直到今天，水文觀測項目仍主要局限于雨量、水位、流量、含沙量、蒸發(fā)器(皿)蒸發(fā)等；對下墊面條件的觀測或者缺乏，或者粗糙；而且獲取空間分布的手段仍主要建立在對有限離散點(diǎn)觀測的基礎(chǔ)上。像水文學(xué)這樣較強(qiáng)依賴于觀測數(shù)據(jù)的學(xué)科，觀測技術(shù)和方法的落后，掌握到的觀測數(shù)據(jù)不完整、不充分、不密集，以及處理海量數(shù)據(jù)能力的薄弱，就如“巧媳婦難為無米之炊”，幾乎很難得到進(jìn)一步的發(fā)展和提高。

鑒于提升水文觀測技術(shù)的必要性、重要性和迫切性，筆者提出如下幾點(diǎn)建議：①應(yīng)著力研制直接觀測蒸散發(fā)量的技術(shù)和方法?，F(xiàn)在的實際情況是：由水位站、流量站、雨量站、氣(地)溫觀測點(diǎn)、土壤含水量觀測點(diǎn)等測得的均為所在地點(diǎn)的實際出現(xiàn)值，唯獨(dú)蒸發(fā)站測得的不是所在地點(diǎn)的蒸散發(fā)量，而是放置在此處的蒸發(fā)器(皿)的蒸散發(fā)量。由于這個緣故，人們有理由對水文學(xué)的某些結(jié)論提出質(zhì)疑。例如在水體或區(qū)域或流域水量平衡分析中，因為蒸散發(fā)量沒有直接觀測值，故平衡結(jié)果必然將所有的誤差統(tǒng)統(tǒng)計入蒸散發(fā)量之中，這樣不僅不能正確評價降雨量和流量的觀測誤差和計算誤差，而且影響水量平衡的真實性，也不利于對水體或區(qū)域或流域蒸散發(fā)量的時空變化規(guī)律進(jìn)行客觀揭示。設(shè)想如果有了觀測水體或區(qū)域或流域上空輸入和輸出水汽量的技術(shù)和方法，那么直接測定水體或區(qū)域或流域蒸散發(fā)量就有了可能。②應(yīng)著力研制能在空間上實現(xiàn)連續(xù)觀測的技術(shù)和方法。很多水文現(xiàn)象不僅隨時間變化，而且在空間上也呈連續(xù)變化。對水文現(xiàn)象時間上連續(xù)變化的觀測已由“自記”技術(shù)和方法解決。但對水文現(xiàn)象空間上連續(xù)變化的觀測，長期以來主要沿用布設(shè)站網(wǎng)或觀測點(diǎn)來獲取的思路，試圖通過所謂“代表性”較好，甚至是“最優(yōu)”的站網(wǎng)或采樣點(diǎn)來達(dá)到掌握水文現(xiàn)象空間連續(xù)變化的目的。這種傳統(tǒng)的獲取水文現(xiàn)象空間連續(xù)變化的思路和方法現(xiàn)在幾乎陷入困境，因為依賴站網(wǎng)或采樣點(diǎn)加密來達(dá)到掌握水文現(xiàn)象空間連續(xù)變化的思路和方法本質(zhì)是一個極限問題，而不是一個“最優(yōu)”問題，只有當(dāng)站點(diǎn)的空間分布沒有間隙時才能得到水文現(xiàn)象真實的空間分布，而這是布設(shè)站網(wǎng)或采樣點(diǎn)的方法不可能做到的。③應(yīng)將下墊面條件的時間變化和空間變異作為必須的水文觀測項目。以流域降雨徑流形成為例，降雨的時空分布是驅(qū)動因子，而流域下墊面條件時空變化是影響因子。兩者對流域降雨徑流形成都很重要。只掌握了降雨的時空分布，而不知流域下墊面當(dāng)時的情況，也就不可能對未來產(chǎn)生的洪水情況作出合理或正確的預(yù)報。在水文觀測中亟待改變那種只有“雨、水、流、含”，沒有下墊面信息的局面。④應(yīng)著力發(fā)展水文遙感，開發(fā)遙感理論和技術(shù)在水文觀測中的應(yīng)用。遙感的優(yōu)勢在于能頻繁而持久地提供地表特征和發(fā)生于地表的一些水文現(xiàn)象的面狀信息，這對于傳統(tǒng)的以稀疏離散點(diǎn)為基礎(chǔ)的對地觀測手段是一場革命性變化。實現(xiàn)水文現(xiàn)象和下墊面條件空間連續(xù)變化的觀測，最好的選擇也許就是大力發(fā)展水文遙感[7],而對于流域范圍，采用無人機(jī)作為遙感搭載平臺也許具有更明顯的優(yōu)勢[8]。

3 呼之欲出的數(shù)據(jù)密集范式

自然科學(xué)與技術(shù)發(fā)展史是一部記載人類認(rèn)識自然、理解自然、尋求自然規(guī)律的歷史，也是一部科學(xué)研究范式的發(fā)展史[9]。“范式”是指成為一種模式，可以直接套用的特定方案或路線?？茖W(xué)研究范式就是可以用于進(jìn)行科學(xué)研究的套路。

眾所周知，歐洲文藝復(fù)興是人類從相信神到相信科學(xué)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。伽利略在這一時期所做的著名的自由落體實驗開創(chuàng)了“實驗范式”的先河。得益于希臘哲學(xué)家創(chuàng)立的形式邏輯，差不多在同一時期，“理論范式”應(yīng)運(yùn)而生。在科學(xué)發(fā)展的早期，實驗范式與理論范式結(jié)合得如此完美，以致給人一種印象，不僅通過實驗可以發(fā)現(xiàn)理論，而且任一理論的提出都能容易地被實驗證實。牛頓力學(xué)定律就是這種完美結(jié)合的典型例子。實驗范式和理論范式的雙雙出現(xiàn)使17世紀(jì)至19世紀(jì)末自然科學(xué)得到空前繁榮。20世紀(jì)初由理論范式創(chuàng)立的量子力學(xué)和相對論直到很久以后才被所設(shè)計的復(fù)雜的實驗裝置證實的事實，使科學(xué)家開始意識到用實驗驗證和發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律的艱巨性。隨著科學(xué)研究的深入，用實驗驗證和發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律的難度必然越來越大。僅依靠實驗范式和理論范式的結(jié)合去認(rèn)識、揭示更加復(fù)雜的自然現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理和變化特點(diǎn)及規(guī)律已越來越力不從心。電子計算機(jī)的發(fā)明和迅速發(fā)展，使人們看到超凡的電腦已超越了實驗，從而在20世紀(jì)中葉產(chǎn)生了科學(xué)研究的“仿真范式”。仿真范式的基本思想就是利用電子計算機(jī)對自然現(xiàn)象的形成和變化進(jìn)行仿真模擬，通過對自然現(xiàn)象的建模和模擬，將自然現(xiàn)象的變化解釋為一種計算過程，或者將對物理性質(zhì)的研究視為一種計算結(jié)果。由于仿真范式具有通用、靈活、省時、投入少等特點(diǎn)，現(xiàn)在在許多情況下已替代了實驗范式而成為一種常用的科學(xué)研究范式。在進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時代的今天，由先進(jìn)的觀測技術(shù)和方法獲取的關(guān)于自然現(xiàn)象形成機(jī)理和時空變化的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式的增長，密集的數(shù)據(jù)既能精細(xì)、精確地描述現(xiàn)象之“因”，也能精細(xì)、精確刻劃現(xiàn)象之“果”，于是一種由仿真范式發(fā)展而來，但仿真范式又不能替代的新的科學(xué)研究范式即“數(shù)據(jù)密集范式”悄然而至，呼之欲出。

數(shù)據(jù)密集范式的基本理念是認(rèn)為對自然現(xiàn)象觀測獲得的數(shù)據(jù)是其形成與時空變化的記錄。因此，通過對觀測數(shù)據(jù)的分析將能認(rèn)識其形成機(jī)理，探索其時空變化特點(diǎn)或規(guī)律。令X為密集數(shù)據(jù)，Y為自然現(xiàn)象的形成機(jī)理或時空變化特點(diǎn)或規(guī)律，則數(shù)據(jù)密集范式可表達(dá)為：

Y=ψ(X)

(1)

式中：ψ(·)表示一種算法。

由式(1)可知，利用數(shù)據(jù)密集范式進(jìn)行科學(xué)研究必須具備兩個條件：①必須擁有全面、豐富、精確、密集的關(guān)于自然現(xiàn)象“因”與“果”的觀測數(shù)據(jù)；②必須具有能夠從海量數(shù)據(jù)中挖掘出自然現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理和時空變化特點(diǎn)或規(guī)律的算法。對于數(shù)據(jù)密集范式，“數(shù)據(jù)”是基礎(chǔ)，是主體，必須用科學(xué)的方法獲取、分析和存儲數(shù)據(jù)?！八惴ā币埠苤匾惴ǜ簧?，數(shù)據(jù)的價值就會大打折扣。

數(shù)據(jù)密集范式法與仿真范式雖然都是由于電子計算機(jī)的發(fā)明和發(fā)展而產(chǎn)生的科學(xué)研究范式，但兩者具有本質(zhì)上的區(qū)別。仿真范式是先提出可能的理論，并構(gòu)建模型，再收集有關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過計算仿真對提出的理論進(jìn)行驗證。借助流域水文模型揭示流域降雨徑流形成機(jī)理和時空變化特點(diǎn)或規(guī)律就是典型的仿真范式。數(shù)據(jù)密集范式則不同，它是先有了大量、完備的對自然現(xiàn)象的觀測數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)挖掘，得出未知的理論。仿真范式主要利用電子計算機(jī)的計算仿真功能，而數(shù)據(jù)密集范式則主要發(fā)揮電子計算機(jī)強(qiáng)大的存儲數(shù)據(jù)、精細(xì)識別的功能。

自然現(xiàn)象的發(fā)生總是有原因的，越是復(fù)雜的現(xiàn)象，發(fā)生的原因就越復(fù)雜。揭示自然現(xiàn)象發(fā)生的因果關(guān)系，除了一些簡單情況外，都不容易，甚至困難重重。為揭示并導(dǎo)出自然現(xiàn)象發(fā)生的因果關(guān)系，一般根據(jù)先前對它的認(rèn)識，盡可能對發(fā)生原因進(jìn)行分析、分解，然后建立一些定律或經(jīng)驗公式，并進(jìn)行必要的推導(dǎo)。但先前的認(rèn)識，也許并不完善，甚至可能有意無意地忽略了一些比較重要的原因。因此，只有更全面、完整、時空密集的觀測數(shù)據(jù)才能將精確的因果關(guān)系隱含于其中，也只有根據(jù)這樣的數(shù)據(jù)挖掘出的規(guī)律，才有可能對現(xiàn)象作出科學(xué)的預(yù)測。這就是相對于實驗范式、理論范式和仿真范式而言，數(shù)據(jù)密集范式的重要意義之所在。

盡管實驗范式、理論范式、仿真范式和數(shù)據(jù)密集范式都屬于因果論范疇，但具體的思維方式是有區(qū)別的。實驗、理論和仿真范式的思維方式是“由因求果”，而數(shù)據(jù)密集范式是“由果倒因”?！坝梢蚯蠊保裱蚬樞?，是“順向思維”，在數(shù)學(xué)物理上屬于解“正問題”?！坝晒挂颉保捎谀嬉蚬樞?，故稱為“逆向思維”，在數(shù)學(xué)物理上屬于解“反問題”。在不同范式中數(shù)據(jù)起的作用并不相同。對于實驗、理論和仿真范式，數(shù)據(jù)主要用于驗證，一般不需海量數(shù)據(jù)；而對于數(shù)據(jù)密集范式，因要依賴數(shù)據(jù)揭示現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理和時空變化規(guī)律，故只有密集的海量數(shù)據(jù)，才能保證從觀測數(shù)據(jù)中捕捉到現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理和時空變化特點(diǎn)或規(guī)律的完整痕跡。

數(shù)據(jù)密集范式表明，隨著觀測自然現(xiàn)象的技術(shù)和方法不斷進(jìn)步，一場新的科學(xué)思維方式的變革必將到來。

4 值得期待的數(shù)據(jù)水文學(xué)

數(shù)據(jù)密集范式給正感到有點(diǎn)迷茫的水文學(xué)帶來了新的機(jī)遇。筆者曾在“水文學(xué)與大數(shù)據(jù)”[10]一文中指出：人們通過觀測得到的自然現(xiàn)象時空變化數(shù)據(jù)，實際上是描述其時空變化規(guī)律的微分方程在一定初始條件和邊界條件下的解。雖然根據(jù)迄今為止人們所積累的知識還不能導(dǎo)出這個微分方程式，也不知道精確的初始條件和邊界條件是什么，甚至永遠(yuǎn)無法導(dǎo)出這個微分方程及精確的初始條件和邊界條件，但它的解卻被人們真真切切地捕捉到了，這就是觀測數(shù)據(jù)。由此，人們是否應(yīng)當(dāng)改變一下思維方式，從觀測到的現(xiàn)象的時空變化數(shù)據(jù)入手，也就是從描寫現(xiàn)象時空變化所遵循的微分方程在一定初始條件和邊界條件下的一個個解入手，達(dá)到描述其時空分布，揭示其時空變化規(guī)律，預(yù)測預(yù)報其未來狀態(tài)的目的。大數(shù)據(jù)也許是實現(xiàn)這種逆向思維，由果尋因的有效途徑之一。建立微分方程原本不是目的，而是揭示現(xiàn)象時空變化規(guī)律的一種手段。大數(shù)據(jù)將會成為解決傳統(tǒng)科學(xué)思維方式難以解決，甚至無法解決的復(fù)雜自然現(xiàn)象規(guī)律問題的方法。筆者還嘗試提出了一些應(yīng)用大數(shù)據(jù)方法揭示流域降雨徑流形成機(jī)理的具體方法[11-12]。

由水文學(xué)知，一個流域積累的降雨、蒸發(fā)、流量、土壤含水量等觀測數(shù)據(jù)，以及所掌握的下墊面特征和人類活動信息是該流域過去和現(xiàn)在降雨徑流形成的因果關(guān)系的真實記錄。如果流域已經(jīng)積累了n場完整的降雨及其所形成的出口斷面流量過程的觀測數(shù)據(jù)，那么就是得到了描寫該流域降雨徑流形成規(guī)律的微分方程在n種初始條件和邊界條件下的解。n越大，所掌握的該流域降雨徑流形成的信息就越豐富，未來將發(fā)生的情況就越有可能從歷史觀測數(shù)據(jù)中找到。當(dāng)n大到大數(shù)據(jù)級別時，這種可能性就幾乎接近必然性了。

在科學(xué)實驗中，只要實驗條件完全相同，實驗結(jié)果是能重現(xiàn)的。同樣，在對自然現(xiàn)象的長期觀測中發(fā)現(xiàn)，在完全相同的條件下，現(xiàn)象也是能重現(xiàn)的。這似乎是一個自然法則。因此，對于流域降雨徑流形成，只要降雨、蒸發(fā)等的時空分布相同，下墊面情況、人類活動影響、初始條件等也相同，其所形成的出口流量過程也會相同；如果所有的條件只是近似相同，那么形成的出口斷面流量過程也近似相同。據(jù)此，可將基于數(shù)據(jù)密集范式求解流域降雨徑流問題的基本思路設(shè)想為：首先將一個流域歷史上發(fā)生的所有場次洪水的降雨時空分布、蒸發(fā)時空分布等，以及相應(yīng)的出口斷面流量過程從觀測資料中提取出來；其次將每場洪水發(fā)生時的下墊面情況、人類活動信息、初始條件分析整理出來；第三，建立專門數(shù)據(jù)庫，將所提取的每場洪水的全部數(shù)據(jù)編輯加工后存儲在其中。如果要進(jìn)行洪水預(yù)報，那么只要給出面臨的實測暴雨和蒸發(fā)的時空分布，或者預(yù)報暴雨和蒸發(fā)的時空分布，以及面臨的下墊面情況、人類活動信息、初始條件等就可從數(shù)據(jù)庫中找到答案。如果所有歷史數(shù)據(jù)和信息均可以圖形或影像的形式存儲，那么不僅直觀，而且可以避免遙感反演的麻煩和所引起的誤差。

將相同或近似相同條件形成的流域出口斷面流量過程的相同或近似相同說成是水文相似性是不合適的。圖2以流域出口斷面流量過程為例給出了“相似性”與“近似性”兩個概念的區(qū)別，即相似不一定近似(圖2(a))，近似不一定相似(圖2(b))，既相似又近似則比較罕見。數(shù)據(jù)密集范式追求的結(jié)果顯然是相同或滿足一定精度的近似，而非以相似性唯是。

圖2 同一流域兩次洪水過程的比較

與仿真范式相比，用數(shù)據(jù)密集范式處理流域降雨徑流形成問題，既不需要模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)，也不必率定模型參數(shù)，幾乎完全避開了構(gòu)建或選擇模型結(jié)構(gòu)的糾纏和率定參數(shù)的困擾，而且這樣得到的結(jié)果在物理上具有直觀性，對誤差來源的認(rèn)識也更為直接。

5 從范式融合中尋求未來之路

科學(xué)研究范式的與時俱進(jìn)，使水文學(xué)能從中吸取養(yǎng)分，贏得自身的發(fā)展。早在17世紀(jì)中葉就有了基于實驗范式和理論范式的水文學(xué)研究成果出現(xiàn)，并逐步形成基于確定性思維的水文學(xué)。這一時期的水文學(xué)，主要以實驗來認(rèn)識和揭示水文現(xiàn)象形成機(jī)理，以物理歸納、數(shù)學(xué)推導(dǎo)來導(dǎo)出動態(tài)規(guī)律，以觀測數(shù)據(jù)來驗證結(jié)果的正確性，故稱為物理水文學(xué)，也有稱確定性水文學(xué)的。Eagleson撰寫的《Dynamic Hydrology》[13]是物理水文學(xué)的代表性著作之一。物理水文學(xué)在發(fā)展中遇到的困難主要是面對空間變異十分復(fù)雜的水文現(xiàn)象不能以滿意的精度揭示其規(guī)律。20世紀(jì)20年代，Hazen將概率引入水文學(xué)，試圖通過觀測數(shù)據(jù)揭示水文現(xiàn)象和水文特征值的統(tǒng)計規(guī)律，從而逐步形成以概率論、數(shù)理統(tǒng)計、隨機(jī)過程、時間序列分析等為基礎(chǔ)，基于不確定性思維的水文學(xué)即統(tǒng)計水文學(xué)和隨機(jī)水文學(xué)。Yevjevich撰寫的《Probability and Statistics in Hydrology》[14]和《Stochastic Processes in Hydrology》[15]是這方面的代表性著作。這種建立在概率基礎(chǔ)上的不確定性思維，在揭示水文現(xiàn)象和水文特征值的統(tǒng)計規(guī)律時都有必需的假設(shè)：頻率計算要求樣本獨(dú)立、同分布；時間序列分析要求一次現(xiàn)實應(yīng)具有各態(tài)歷經(jīng)性。由于至今仍無法驗證這些假設(shè)是否能滿足，因此所得結(jié)果常常使人們在相信與疑惑之間猶豫。目前僅在確定水利工程和其他涉水工程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中得到廣泛應(yīng)用。仿真范式的出現(xiàn)與電子計算機(jī)的誕生和發(fā)展密切相關(guān)。仿真范式問世后，許多學(xué)科紛紛將本學(xué)科的成就與計算機(jī)科學(xué)結(jié)合起來，從而產(chǎn)生了形形色色可應(yīng)用于本學(xué)科的仿真模型，解決了一些依靠實驗范式和理論范式不易解決的問題。在這種背景下，1966年在美國Stanford大學(xué)誕生了世界上第一個流域水文模型即Stanford流域水文模型[16]。這是一種將有關(guān)基本水文現(xiàn)象組裝成可以仿真模擬流域降雨徑流形成的結(jié)構(gòu)。原型中發(fā)生的現(xiàn)象可通過驅(qū)動模型復(fù)現(xiàn)是仿真范式的基本特點(diǎn)。為適應(yīng)流域水文模型的研制和應(yīng)用，仿真水文學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。仿真水文學(xué)又稱模型水文學(xué)。但模型畢竟是原型的概化或近似，它不可能將原型的一切特征都精細(xì)、精確地刻畫出來，尤其像流域降雨徑流形成這樣復(fù)雜的水文現(xiàn)象，而且在模型研制和應(yīng)用中遇到的問題許多都屬于反問題，例如模型參數(shù)率定就是一個典型的反問題。反問題一般是不適定的，而不適定就會帶來求解的困難[17-18]。凡此種種，就使得流域水文模型的發(fā)展道路并不平坦。

不同的科學(xué)研究范式是用不同的思維和方法揭示自然現(xiàn)象形成機(jī)理及時空變化特點(diǎn)或規(guī)律的。在觀測技術(shù)和方法落后的情況下，要想通過觀測數(shù)據(jù)對自然現(xiàn)象進(jìn)行客觀、正確的認(rèn)識是困難的，因此，人們只能對那些不需要太多觀測數(shù)據(jù)就能予以認(rèn)識的簡單、直觀的現(xiàn)象，采用實驗與理論相結(jié)合的范式或者仿真范式來揭示其形成機(jī)理及時空變化特點(diǎn)或規(guī)律，少量的觀測數(shù)據(jù)主要用于對所獲得的結(jié)論進(jìn)行驗證。但是，自然界總會存在一些復(fù)雜的現(xiàn)象，僅依靠實驗、理論和仿真范式是難以、甚至不可能揭示其形成機(jī)理及時空變化特點(diǎn)或規(guī)律的。之所以出現(xiàn)這種情況，是因為人們對這類自然現(xiàn)象的觀測還不夠全面、不夠密集、不夠精確。設(shè)想一旦觀測技術(shù)和方法的進(jìn)步能獲得自然現(xiàn)象的全面、密集、精確的觀測數(shù)據(jù)，人們借助這樣的觀測數(shù)據(jù)就能加深對自然現(xiàn)象的認(rèn)識，進(jìn)而達(dá)到揭示其形成機(jī)理及時空變化特點(diǎn)或規(guī)律的目的。通過對自然現(xiàn)象的觀測獲得的數(shù)據(jù)原本就是其形成機(jī)理及時空變化特點(diǎn)或規(guī)律的記錄，因此，只要積累了全面、密集、精確的對自然現(xiàn)象的觀測數(shù)據(jù)，利用這樣的數(shù)據(jù)來認(rèn)識、揭示自然現(xiàn)象的形成機(jī)理和時空變化特點(diǎn)或規(guī)律是順理成章的。在水文學(xué)研究中，當(dāng)采用實驗、理論、仿真等范式遇到困難時，選擇數(shù)據(jù)密集范式是一種必然。據(jù)此產(chǎn)生的新水文學(xué)可稱為數(shù)據(jù)水文學(xué)。

在水文學(xué)的發(fā)展歷史上，曾經(jīng)有一種觀點(diǎn)，一門學(xué)科的發(fā)展如果強(qiáng)烈地依賴于觀測數(shù)據(jù)，一般就認(rèn)為它缺乏理論性或理論水平不高?，F(xiàn)在看來，這是一種偏見。在觀測技術(shù)和方法越來越先進(jìn)、觀測數(shù)據(jù)呈爆炸式增加的時代，唯有在海量數(shù)據(jù)的支持下，實驗、理論、仿真、數(shù)據(jù)密集等范式的互補(bǔ)融合，才能解決更復(fù)雜的科學(xué)問題，才是最高的理論水平。這應(yīng)該是水文學(xué)發(fā)展可選擇之路。

6 結(jié) 語

世界是物質(zhì)的，也是數(shù)據(jù)的。自然現(xiàn)象的形成和變化都會留下蹤跡，并可被觀測，最終都可以用數(shù)據(jù)的形式記錄下來。因此，密集的觀測數(shù)據(jù)本質(zhì)上是自然現(xiàn)象形成機(jī)理和時空變化特點(diǎn)或規(guī)律的精細(xì)且不失真的描述，其中必然隱藏著自然現(xiàn)象形成機(jī)理和時空變化特點(diǎn)或規(guī)律。但僅憑人類的感官來感知并獲得這樣的數(shù)據(jù)是十分有限的，一般不可能對復(fù)雜自然現(xiàn)象進(jìn)行深入認(rèn)識。科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，人們對自然現(xiàn)象進(jìn)行觀測的技術(shù)和方法有了巨大的進(jìn)步，可以替代或延伸人類感官的科學(xué)儀器儀表不斷發(fā)明，精度不斷提高；搭載這些儀器儀表的工具不僅已進(jìn)入太空，而且正在進(jìn)入地球的每個角落；觀測數(shù)據(jù)呈爆炸式增加。因此，直接借助密集數(shù)據(jù)精細(xì)、精確地描述自然現(xiàn)象時空分布，揭示自然現(xiàn)象形成機(jī)理和時空變化特點(diǎn)或規(guī)律已不再是遙遠(yuǎn)的夢想。從這個意義上說，數(shù)據(jù)密集范式出現(xiàn)在當(dāng)代，既是必然，是進(jìn)步，也是回歸。

水文現(xiàn)象的復(fù)雜性，使得實驗范式受到極大限制，理論和仿真范式也面臨一些難以克服的困難，但卻能與數(shù)據(jù)密集范式對上號。事實上，水文學(xué)發(fā)展史中已有這方面的記載，例如：世界上兩大自然災(zāi)害帶的揭示[19],胡煥庸[20]線及其與中國400 mm等雨量線基本一致的發(fā)現(xiàn)，蓄滿產(chǎn)流模式的發(fā)明[21],Mushingum法理論的建立[22]等無不閃耀著數(shù)據(jù)密集范式的光輝。水文學(xué)遇上數(shù)據(jù)密集范式實屬千載難逢，抓住這個機(jī)遇，發(fā)展數(shù)據(jù)水文學(xué)，是當(dāng)代水文學(xué)家的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

水文學(xué)的發(fā)展已入佳境。未來的水文學(xué)將是物理水文學(xué)、隨機(jī)水文學(xué)、仿真水文學(xué)和數(shù)據(jù)水文學(xué)相互補(bǔ)充、融合發(fā)展的水文學(xué)。