邱順添，王 佳，王明娜

(1. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

水文學(xué)可廣義地理解為研究地球大氣層、地表及地殼內(nèi)水的分布、運(yùn)動(dòng)和變化規(guī)律，以及水與環(huán)境相互作用的學(xué)科，屬于地球物理科學(xué)范疇．國(guó)際水文學(xué)界將其定義為：水文學(xué)是一門研究地表水和地下水、水的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)、水的物理和化學(xué)性質(zhì)，以及水與環(huán)境中的生物和物質(zhì)相關(guān)關(guān)系的科學(xué)[1]．水文學(xué)的發(fā)展與人類觀察、測(cè)量、描述、定義和假設(shè)自然界中水運(yùn)動(dòng)和變化的能力密切相關(guān)，人類在探索水害與興利的過(guò)程中，不斷觀測(cè)各種水文要素，思考和研究水文規(guī)律，豐富水文知識(shí)，逐步發(fā)展水文學(xué)科．

縱觀世界文明發(fā)展歷程，人類對(duì)水科學(xué)的認(rèn)識(shí)與社會(huì)發(fā)展階段的不同需求密切相關(guān)：穩(wěn)定的飲用水源是人類賴以生存所必須的資源，在漁獵社會(huì)時(shí)期(原始時(shí)代)，臨河而居的群居生活模式拉開了人類最原始的水文觀測(cè)序幕，從而對(duì)水有了基礎(chǔ)認(rèn)知；在農(nóng)業(yè)社會(huì)時(shí)期，受到水旱災(zāi)害的影響，人類開始關(guān)注農(nóng)田的旱、澇災(zāi)害，趨利避害，以期掌握水的習(xí)性；到了工業(yè)社會(huì)時(shí)期，基于物理、化學(xué)和生物/微生物學(xué)的理解將水文學(xué)發(fā)展為一門具有完整體系的自然學(xué)科，水力機(jī)械的發(fā)展也驅(qū)動(dòng)著水文學(xué)轉(zhuǎn)向研究河道水流、防洪及耕地保護(hù)；隨著信息社會(huì)時(shí)期的到來(lái)，計(jì)算機(jī)能力的提升帶動(dòng)水文學(xué)研究由人類生存需求轉(zhuǎn)向地球生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需求．由此可見(jiàn)，水文學(xué)由古代以自然哲學(xué)為指導(dǎo)的思辨猜想發(fā)展到以科學(xué)事實(shí)為依據(jù)，科學(xué)觀測(cè)與試驗(yàn)為支撐，進(jìn)行假設(shè)、推理規(guī)律、凝練知識(shí)，建立理論體系的新階段．

水文學(xué)作為一門自然科學(xué)，隨著人類社會(huì)的發(fā)展經(jīng)歷了直接觀測(cè)階段、測(cè)量階段、試驗(yàn)推理階段、理論階段及數(shù)字化和智能化階段．直接觀測(cè)階段，人類在尋找水源的過(guò)程中，借助周邊事物開始了對(duì)水的初步認(rèn)知：我國(guó)先秦時(shí)期的《山海經(jīng)》和戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的《尚書·禹貢》中記載了對(duì)國(guó)土版圖內(nèi)的河流及水文地理的概述[2]；先前古希臘哲學(xué)家柏拉圖對(duì)水運(yùn)動(dòng)的理解進(jìn)行了闡述[3]；公元前256年，李冰父子興修了舉世聞名的都江堰水利工程[4]；而后，《呂氏春秋》粗略解釋了水文循環(huán)過(guò)程[5]．在農(nóng)業(yè)時(shí)代，人類為了保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，趨利避害，迎來(lái)了水文要素的測(cè)量階段，達(dá)·芬奇使用浮標(biāo)測(cè)量流速，提出了水文循環(huán)觀點(diǎn)；隨后Perrault P分析了巴黎塞納河年徑流并提出了水量平衡的概念；Halley E自創(chuàng)蒸發(fā)皿開始了對(duì)蒸發(fā)量的測(cè)量[6]．基于對(duì)水文要素的測(cè)量，人們開始試驗(yàn)推理水文規(guī)律，并提出了一系列經(jīng)典的理論公式，如Bernoulli父子、de Chézy A、Mulvaney T J、Darcy H分別提出了伯努利水流能量方程、河道流速的謝才公式、計(jì)算最大洪峰流量的推理公式和滲流規(guī)律的達(dá)西公式[7]．隨著人們對(duì)水文過(guò)程的理解加深，水文學(xué)理論不斷建立，如Sherman L R K和McCarthy G T分別提出了計(jì)算匯流的經(jīng)驗(yàn)單位線法[8]和計(jì)算河道洪水演進(jìn)的馬斯京根法[9]；同時(shí)，水文學(xué)理論文獻(xiàn)如《Applied Hydrology》[10]、《Handbook of Hydrology》等[11]相繼出版，水文學(xué)逐步成為一門體系完善的學(xué)科．20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)加速了水文學(xué)發(fā)展，使其轉(zhuǎn)向模型化、數(shù)字化、智能化、精細(xì)化發(fā)展[12-13]，該階段各類水文模型如雨后春筍一般涌現(xiàn)[14]，同時(shí)隨機(jī)過(guò)程和系統(tǒng)分析的理論與方法被引入水文學(xué)，遙感、GPS、GIS技術(shù)和人工智能也給水文學(xué)帶來(lái)新的方向[15]．對(duì)比水文要素觀測(cè)能力發(fā)展的時(shí)間軸與水文學(xué)假設(shè)/理論發(fā)展的時(shí)間軸，不難發(fā)現(xiàn)，水文學(xué)與水文要素的觀測(cè)是并行發(fā)展的，水文學(xué)的每一次重大飛躍都與水文觀測(cè)、測(cè)量或試驗(yàn)技術(shù)的突破密切相關(guān)．水文學(xué)發(fā)展不同階段的代表成果見(jiàn)表1，該表改編自文獻(xiàn)[2,5,16]．

值得注意的是，水文學(xué)發(fā)展階段的范式轉(zhuǎn)移與水文數(shù)據(jù)的獲取能力是相呼應(yīng)的．現(xiàn)代水文學(xué)正走到一個(gè)發(fā)展的十字路口：是利用更精確的測(cè)量方法來(lái)精細(xì)化水文模型，深入發(fā)展傳統(tǒng)水文學(xué)的理論，還是基于不同數(shù)據(jù)搜集方法多學(xué)科共同進(jìn)化水文理論？在此背景下，本文提出了“公眾水文學(xué)”的概念，它代表了一種不同的科學(xué)途徑，基于大量的多源與多元數(shù)據(jù)，重新審視現(xiàn)有的水文模型框架，代替目前的“增加數(shù)據(jù)—提高精度—更精細(xì)的模型”水文框架，讓水文學(xué)朝著更為科學(xué)、更加持久的方向發(fā)展．

表1 水文學(xué)發(fā)展不同階段的代表成果Tab.1 Representative outcomes at different stages of hydrological development

1 公眾水文學(xué)概述

公眾水文學(xué)是一個(gè)通過(guò)獲取多源多元的泛在感知數(shù)據(jù)，識(shí)別水文相關(guān)要素和信息，利用最新技術(shù)獲取知識(shí)，并根據(jù)新知識(shí)重構(gòu)水文認(rèn)知和模型框架，從而解答水文學(xué)基本問(wèn)題，滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)水文知識(shí)需求的新興研究領(lǐng)域．公眾水文學(xué)的參與研究主體，除傳統(tǒng)的專業(yè)科研人員之外，還包含公民、公眾設(shè)施、物聯(lián)網(wǎng)等公共體系和相關(guān)決策者．隨著公共體系參與程度的不斷深化，公眾水文學(xué)的社會(huì)影響必將逐漸增強(qiáng)，具體如圖1所示．

1.1 特點(diǎn)

1.1.1 社會(huì)屬性

區(qū)別于傳統(tǒng)水文學(xué)，公眾水文學(xué)是自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的匯流，具有較強(qiáng)的社會(huì)屬性，是社會(huì)與水文科學(xué)雙向服務(wù)的新興研究領(lǐng)域．一方面，借助社會(huì)公共體系的能動(dòng)性和全面覆蓋性搜集全方位的泛在感知信息，協(xié)助水文學(xué)科建設(shè)，為學(xué)科發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；另一方面，公眾水文學(xué)遵循傳統(tǒng)水文學(xué)的服務(wù)宗旨，在滿足社會(huì)用水需求和防洪減災(zāi)管理的同時(shí)，將水文學(xué)知識(shí)滲透到社會(huì)范疇，不僅將公眾水文學(xué)新知識(shí)反饋于公共體系，同時(shí)可以在“全民科研”的行動(dòng)中提升公民的參與感和價(jià)值感，充分感受“水文科學(xué)在身邊”，加強(qiáng)水文學(xué)對(duì)大眾生活的影響．

圖1 公共體系對(duì)公眾水文學(xué)作用的層次圖Fig.1 Hierarchical map of the role of the public system in public hydrology

1.1.2 多源與多元特點(diǎn)

公眾水文學(xué)借助公共體系獲取多渠道、多方位、多時(shí)空等多源與多元的泛在感知水文信息．多源主要指數(shù)據(jù)獲取來(lái)源的多樣化，多元?jiǎng)t包括數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式和所包含信息的多元化．

多源：數(shù)據(jù)的多源可分為數(shù)據(jù)獲取者的多源和數(shù)據(jù)獲取設(shè)備的多源．針對(duì)同一地區(qū)、同一水文要素可由不同公共體系類型進(jìn)行搜集，如主體可以是城鎮(zhèn)/農(nóng)村居民、智能家居、社交網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等公共主體；或多種設(shè)備，如水位標(biāo)尺、電測(cè)水位尺、激光水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)等，同時(shí)對(duì)同一地理位置的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，共同構(gòu)成多源數(shù)據(jù)集．

多元：數(shù)據(jù)的多元化包含信息的多元和數(shù)據(jù)形式的多元．同一數(shù)據(jù)源可包含多種多樣的信息，如一張某地降雨照片可包含降雨量、地理定位、路面高程等多元信息；或同一要素?fù)碛卸嘣憩F(xiàn)形式，如照片、視頻、數(shù)據(jù)、文字、信號(hào)、樣本等．

1.1.3 深刻融入時(shí)代，與新科技同步發(fā)展

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，觀測(cè)技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于水文學(xué)理論的發(fā)展．公眾水文學(xué)的本質(zhì)特征之一是融合時(shí)代最新技術(shù)，利用公眾可掌握的一切信息獲取渠道，結(jié)合最前沿的信息提取和分析技術(shù)，緊跟時(shí)代步伐，促使水文學(xué)與最新科技同步平衡發(fā)展．值得注意的是，公眾水文學(xué)并非依賴于新技術(shù)粗放式發(fā)展，而是借助新科技的力量，突破水文學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、大數(shù)據(jù)處理、信息分析等技術(shù)瓶頸，加入對(duì)水文學(xué)自身的思考，利用多學(xué)科交叉技術(shù)和最前沿的信息技術(shù)，推進(jìn)水文學(xué)的理論和應(yīng)用齊頭并進(jìn)，協(xié)同發(fā)展．

1.2 公眾水文學(xué)基本框架

公眾水文學(xué)具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)和完整的研究框架，包含科學(xué)研究的系統(tǒng)過(guò)程，其最終目標(biāo)是推動(dòng)水文學(xué)理論的全面發(fā)展．公眾水文學(xué)的框架體系主要包括泛在數(shù)據(jù)獲取、有效信息提取、現(xiàn)有理論完善/評(píng)價(jià)和水文學(xué)新發(fā)展4個(gè)部分，其基本框架如圖2所示．

水文大數(shù)據(jù)具有海量、高頻、多樣性的特征，從家庭智能水表到基于衛(wèi)星的光譜儀，無(wú)所不在的傳感器以前所未有的高時(shí)間和空間分辨率不斷生成海量水文數(shù)據(jù)．公眾水文學(xué)可通過(guò)個(gè)人、網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)建設(shè)和物聯(lián)網(wǎng)多種途徑獲取泛在數(shù)據(jù)，其中個(gè)人可利用智能手機(jī)、無(wú)人機(jī)、個(gè)人專業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備等手段隨時(shí)采集數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)的靈活性和分散性；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)爬取可成為水文數(shù)據(jù)的一大來(lái)源，利用公開社交媒體、貼吧、網(wǎng)頁(yè)等平臺(tái)獲取，數(shù)據(jù)量大且隨機(jī)性強(qiáng)；基于基礎(chǔ)建設(shè)覆蓋面廣、運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，可通過(guò)公路攝像頭、信號(hào)塔、專用監(jiān)測(cè)設(shè)備等設(shè)施獲取相關(guān)的水文數(shù)據(jù)；近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)(如智能家居、各類傳感器)的發(fā)展為泛在數(shù)據(jù)搜集提供了新的契機(jī)．多樣化的手段可廣泛獲取多元數(shù)據(jù)，如照片、視頻、樣本、信號(hào)等形式，對(duì)傳統(tǒng)水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)形成有效補(bǔ)充．

對(duì)公共體系獲取的泛在感知數(shù)據(jù)，需要對(duì)其進(jìn)行有效信息提取，包括數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)處理、有效信息挖掘等幾個(gè)過(guò)程．考慮到傳感器和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中引入的誤差，以及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施易受到惡意滲透和操縱，在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制公眾水文學(xué)研究的重要環(huán)節(jié)中，需要新的技術(shù)和方法對(duì)龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和篩選，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量；環(huán)境數(shù)據(jù)源是異質(zhì)的，這增加了存儲(chǔ)和檢索的復(fù)雜性，因此數(shù)據(jù)的有效處理和存儲(chǔ)，交易性數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)之間的同步性都是值得深入研究的；在對(duì)多源多元的可用數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化、融合、同化和校正等處理后，需要對(duì)形成的一系列水文時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行信息挖掘，采用數(shù)據(jù)分析及挖掘技術(shù)、深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)新方法提取有效信息．

基于提取的有效信息進(jìn)行應(yīng)用分析和決策支持，如統(tǒng)計(jì)、總結(jié)、預(yù)測(cè)等，對(duì)現(xiàn)有水文模型進(jìn)行完善和評(píng)價(jià)．公眾水文大數(shù)據(jù)平臺(tái)中將包含兩個(gè)相互獨(dú)立但彼此連接的庫(kù)：一是算法庫(kù)，它充當(dāng)所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能的存儲(chǔ)介質(zhì)；二是分配庫(kù)，它包含用于計(jì)算機(jī)集群上分發(fā)獨(dú)立任務(wù)的分發(fā)工具．工程師、科學(xué)家、利益相關(guān)者可以使用可視化工具交互地探索模型結(jié)果，用戶可以通過(guò)修改模型的輸入來(lái)反映可能出現(xiàn)的未來(lái)場(chǎng)景．總的來(lái)說(shuō)，公眾水文學(xué)為水文模型提供了豐富的數(shù)據(jù)，通過(guò)全面的信息源作為輸入重建水文模型，一方面可滿足模型的數(shù)據(jù)輸入需求，解決模型數(shù)據(jù)短缺問(wèn)題；另一方面可基于全面的水文數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正和改進(jìn)，提高模型模擬預(yù)報(bào)精度，從而使現(xiàn)有模型的結(jié)果更趨完善．此外，需要對(duì)現(xiàn)有水文模型進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)，若解決數(shù)據(jù)短缺問(wèn)題之后模型不再適用，則需要對(duì)現(xiàn)有水文學(xué)理論/模型進(jìn)行深入的探討．

公眾水文學(xué)提供的海量數(shù)據(jù)將帶來(lái)更多關(guān)于水系統(tǒng)的信息，增加對(duì)水系統(tǒng)的了解，大數(shù)據(jù)減少了對(duì)模型的假設(shè)性約束．傳統(tǒng)的水文模型是一些物理機(jī)理公式計(jì)算的整合，人們對(duì)水系統(tǒng)的理解是不連續(xù)的，因此規(guī)劃需要定期更新，在做決策前往往需要專業(yè)智囊和學(xué)者開展相關(guān)研究，通常耗時(shí)耗力且受建模工具的影響．公眾水文學(xué)將減少模型假設(shè)，更好地確定邊界條件，大數(shù)據(jù)分析可提示系統(tǒng)薄弱點(diǎn)，從而提示為其分配更多資源來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)韌性．海量的社會(huì)數(shù)據(jù)也將利于決策者對(duì)更多不同措施的影響進(jìn)行分析，從而做出更合理的決策．

針對(duì)適用性較差的模型，可對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，重構(gòu)數(shù)據(jù)規(guī)則，深入數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析與統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，提煉出新的水文規(guī)律；也可基于泛在信息或水文大數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)建多尺度/實(shí)時(shí)/三維模型，開發(fā)適用性較高的全新計(jì)算模型；或者對(duì)現(xiàn)有理論/方法進(jìn)行推理分析，采用計(jì)算機(jī)化、新技術(shù)方法或知識(shí)發(fā)現(xiàn)等手段，發(fā)現(xiàn)水文新要素、提出水文新概念、構(gòu)建水文新方法或新理論，推動(dòng)水文學(xué)理論的發(fā)展．

1.3 意義與作用

公眾水文學(xué)基于現(xiàn)代社會(huì)信息爆炸、信息獲取手段多樣化和公眾受科普教育程度高的大背景應(yīng)運(yùn)而生．未受過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的科學(xué)愛(ài)好者可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組織的號(hào)召，大量參與到水文科學(xué)研究中去．公眾水文學(xué)致力于通過(guò)全民參與、多設(shè)備的多源采集方式全方位獲取水文水資源信息，并利用最新科學(xué)技術(shù)將數(shù)據(jù)和信息轉(zhuǎn)化為新知識(shí)，進(jìn)而起到完善水文學(xué)數(shù)據(jù)、推動(dòng)學(xué)科理論發(fā)展的作用．公眾水文學(xué)的興起可以彌補(bǔ)當(dāng)前水文學(xué)發(fā)展受數(shù)據(jù)獲取局限造成的認(rèn)知不足，可從理論方面改進(jìn)傳統(tǒng)水文學(xué)，從而推動(dòng)水文學(xué)跨越式前進(jìn)．公眾水文學(xué)不僅給水文學(xué)的研究帶來(lái)新的發(fā)展前景，同時(shí)對(duì)水文學(xué)科參與的主體人員起到了正向輔助作用．

1) 對(duì)水文學(xué)研究的影響

水文學(xué)主要是研究地球系統(tǒng)中水的運(yùn)動(dòng)、循環(huán)和時(shí)空分布規(guī)律，水的自然和社會(huì)屬性、水與生態(tài)環(huán)境相互關(guān)系，及其在水旱災(zāi)害防治、水資源合理開發(fā)利用和水環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用科學(xué)．

公眾水文學(xué)的一大特點(diǎn)是社會(huì)公眾可以參與水文學(xué)科的建設(shè)，為業(yè)余科學(xué)愛(ài)好者找到貢獻(xiàn)自身力量的途徑，也為水文科學(xué)研究提供了更多合理性的辯論和更多的解決思路．此外，利用獲取的全方位水文信息，可以識(shí)別多種水文過(guò)程的特征，校準(zhǔn)水文模型參數(shù)，改善水文計(jì)算，加強(qiáng)對(duì)水文過(guò)程的認(rèn)知和理解；通過(guò)公共體系獲取的多源多元信息，可用于構(gòu)建水文大數(shù)據(jù)中心，融合先進(jìn)人工智能技術(shù)手段和改進(jìn)的水文模型，形成全新的水文過(guò)程預(yù)報(bào)方法，推動(dòng)洪水監(jiān)測(cè)及預(yù)警、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源演變等應(yīng)用研究．

2) 對(duì)研究主體人員的作用

公眾水文學(xué)參與研究主體除常規(guī)水文學(xué)的科研人員之外，還包含公眾和相關(guān)決策者．現(xiàn)代發(fā)達(dá)的互

聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無(wú)疑為公眾水文學(xué)的發(fā)展提供了各研究主體相互溝通的物質(zhì)基礎(chǔ)．公眾水文學(xué)不僅在水文學(xué)與社會(huì)之間起到雙向聯(lián)動(dòng)作用，同時(shí)對(duì)研究主體都起到不同程度的積極輔助作用．

對(duì)于科研人員，公眾水文學(xué)一方面可以解決科研人員基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的短缺問(wèn)題，增加其數(shù)據(jù)獲取途徑，使其能夠得到更為廣泛實(shí)時(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間和人力成本；另一方面，科研人員可更全面地了解公眾對(duì)水文學(xué)的關(guān)注重心，從而更好地開展科學(xué)研究工作，使科學(xué)更好地為人民服務(wù)；此外，科研人員還可借助公眾的經(jīng)驗(yàn)和其他學(xué)科領(lǐng)域的背景尋找新視角，開拓新思路，探求新方法．

對(duì)于公眾，盡管水文科學(xué)研究對(duì)于公眾來(lái)說(shuō)仍具有一定的門檻，但并非是不可逾越的鴻溝．公眾不僅可以在整個(gè)參與過(guò)程中學(xué)習(xí)不同種類水文數(shù)據(jù)的作用，了解水文過(guò)程，關(guān)注水文研究對(duì)公眾生活影響的方方面面，同時(shí)可以提高水文科學(xué)素養(yǎng)，提升公眾對(duì)水文科學(xué)建設(shè)的參與感，體現(xiàn)其社會(huì)價(jià)值．

對(duì)于決策者，公眾水文學(xué)的發(fā)展在推動(dòng)水文學(xué)科全面發(fā)展的同時(shí)，帶來(lái)了大量的多源多元數(shù)據(jù)，采用人工智能對(duì)這些海量全方位數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的匯總整理、有效信息的提取、新知識(shí)的汲取，可為決策者提供充分的信息源和更可靠更科學(xué)的決策支持．

科學(xué)研究需要以人為本，服務(wù)于社會(huì)生產(chǎn)的需要，合理恰當(dāng)?shù)墓妳⑴c科學(xué)研究同樣也有助于科學(xué)共同體的行為規(guī)范和發(fā)揮人文引導(dǎo)科學(xué)技術(shù)的作用，并實(shí)現(xiàn)對(duì)科研后備人才的發(fā)掘和培養(yǎng)．綜上，公眾水文學(xué)的發(fā)展依賴于多方力量支持的同時(shí)，也對(duì)這些學(xué)科的主體人員起到正向輔助作用．

2 發(fā)展公眾水文學(xué)的必要性

現(xiàn)代水文學(xué)發(fā)展處于瓶頸期，水文學(xué)理論發(fā)展緩慢，可利用的數(shù)據(jù)受到監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布和采集頻率的限制，對(duì)水文模型的參數(shù)和計(jì)算可靠度產(chǎn)生影響[17]. 面對(duì)諸多傳統(tǒng)水文學(xué)問(wèn)題，當(dāng)前信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的快速突破以及我國(guó)智慧水務(wù)建設(shè)的逐步完善，使公眾水文學(xué)的發(fā)展成為必然的趨勢(shì)．

1) 水文數(shù)據(jù)亟需擴(kuò)充

數(shù)據(jù)是水文學(xué)發(fā)展的根本之源．隨著電子化、計(jì)算機(jī)及衛(wèi)星系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展，水文觀測(cè)的方法由最初的簡(jiǎn)易計(jì)量設(shè)備向電子化智能監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感獲取等高科技手段邁進(jìn)，獲取的水文信息向大空間尺度、高精度、智能化方向發(fā)展．然而，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布不均、特殊地區(qū)(如高山偏遠(yuǎn)、高寒地區(qū))監(jiān)測(cè)難度較大、特定要素(如水質(zhì))監(jiān)測(cè)成本較高、單一數(shù)據(jù)源無(wú)法驗(yàn)證(如遙感數(shù)據(jù))等問(wèn)題的存在[18]，使得水文信息必須擴(kuò)大覆蓋范圍，參與主體由專業(yè)技術(shù)人員向公眾轉(zhuǎn)移、信息源由固定源向開放源轉(zhuǎn)移、監(jiān)測(cè)設(shè)備由專業(yè)化向日?；D(zhuǎn)移，公眾水文學(xué)的發(fā)展已成為必然趨勢(shì)．開放的信息源、分布較廣的獲取源可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)廣泛收集、實(shí)時(shí)更新、相互校正、時(shí)空精細(xì)化．

2) 依賴專業(yè)技術(shù)引導(dǎo)水文學(xué)向窄深發(fā)展的現(xiàn)狀亟需改變

縱觀水文學(xué)發(fā)展的歷程，學(xué)科階段性的發(fā)展是與信息的獲取技術(shù)伴生發(fā)展的，而非水文專業(yè)單一發(fā)展決定的．現(xiàn)階段水文學(xué)的發(fā)展依賴于技術(shù)，由技術(shù)發(fā)展決定學(xué)科新的方向[19]．地理信息系統(tǒng)的興起、衛(wèi)星遙感的普及、人工智能等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，仿佛都在給很多學(xué)科的科研人員指明一個(gè)方向，即將交叉學(xué)科應(yīng)用于現(xiàn)有水文理論，提高水文過(guò)程仿真模擬和預(yù)報(bào)精度．然而，這種技術(shù)引導(dǎo)學(xué)科發(fā)展的趨勢(shì)，容易將科學(xué)推向一種崇尚技術(shù)創(chuàng)新的怪圈，反而忽略學(xué)科基礎(chǔ)理論和認(rèn)知的發(fā)展．

公眾水文學(xué)基于不斷發(fā)展的高新技術(shù)，又不局限于小范圍或某一專業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新，而是從公眾參與和科學(xué)普及入手，利用每個(gè)人觸手可及的、在生活中得到廣泛應(yīng)用的科技裝備獲取泛在信息，奠定學(xué)科發(fā)展最重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而改變傳統(tǒng)的依賴專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)水文學(xué)向窄深發(fā)展的現(xiàn)狀，必將對(duì)水文學(xué)的研究基礎(chǔ)、研究人員、研究方法、理論框架等方面都進(jìn)行優(yōu)化甚至重構(gòu)．

3) 水文學(xué)基礎(chǔ)理論的創(chuàng)新發(fā)展

近年來(lái)，水文學(xué)發(fā)展傾向于精細(xì)化發(fā)展，不斷引入新技術(shù)來(lái)推動(dòng)水文研究提高計(jì)算精度和計(jì)算效率，更精細(xì)地劃分研究區(qū)域等，但學(xué)科的基礎(chǔ)理論、經(jīng)典公式、水文學(xué)邏輯研究被忽略了．水文學(xué)科發(fā)展走向一個(gè)極端——知識(shí)的重組包裝，如信息的交叉利用、理論基礎(chǔ)的組合、技術(shù)方法融合、模型的耦合等．科技發(fā)展的速度已遠(yuǎn)超水文學(xué)理論發(fā)展，使得水文學(xué)呈現(xiàn)不平衡發(fā)展?fàn)顟B(tài)．水文學(xué)發(fā)展必須是讓理論和應(yīng)用齊頭并進(jìn)[20]，而公眾水文學(xué)將引導(dǎo)公眾參與到水文學(xué)研究中來(lái)，基于泛在數(shù)據(jù)的獲取與公眾智慧共同推動(dòng)水文學(xué)理論的發(fā)展，利用強(qiáng)大的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和多學(xué)科交叉智慧，挖掘水文過(guò)程新規(guī)律，提煉新概念，研究新理論，總結(jié)新方法，從而創(chuàng)新性地發(fā)展水文學(xué)基礎(chǔ)理論．

4) 創(chuàng)新性發(fā)展水文模型

20世紀(jì)30年代，水文學(xué)發(fā)展進(jìn)入試驗(yàn)推理階段，各種水文學(xué)相關(guān)的理論應(yīng)運(yùn)而生，這些理論公式通過(guò)地形、下墊面、植物等多參數(shù)闡述和認(rèn)知水循環(huán)的信息和知識(shí)．隨后，基于經(jīng)典水文學(xué)理論公式，開發(fā)了多種水文、水動(dòng)力、水環(huán)境模型，例如SHE[21]、Mike[22]、SWAT[23]等模型，理論公式指導(dǎo)模型相關(guān)部分需引入何種算法、哪些參數(shù)及常數(shù)等[19]．近年來(lái)，各種各樣的模型相繼開發(fā)，大多是不同理論公式的多種組合或者是因地制宜的優(yōu)化，而不是對(duì)水文學(xué)基礎(chǔ)認(rèn)知的重新思考，至今也沒(méi)有任何水文模型足以支撐對(duì)某個(gè)水文現(xiàn)象的確切描述．公眾水文學(xué)的一項(xiàng)主要內(nèi)容是重新審視水文模型的合適度，面對(duì)“異參同效”、“多參數(shù)相互作用”等問(wèn)題從人工智能、大數(shù)據(jù)分析等方面進(jìn)行解決，改變依靠?jī)?yōu)化參數(shù)和方法耦合提高模型精度的現(xiàn)狀，創(chuàng)新性發(fā)展水文模型．

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種新的研究科學(xué)途徑——公眾水文學(xué)，借助包括公民、公眾設(shè)施、物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的公共體系和社會(huì)體系，獲取泛在感知數(shù)據(jù)，綜合公民科學(xué)、管理學(xué)、人工智能、測(cè)控工程、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等多門學(xué)科技術(shù)方法促進(jìn)水文學(xué)跨越式發(fā)展．公眾水文學(xué)不僅可提供一種研究水文學(xué)的全新視角，同時(shí)可通過(guò)獲取多源多元水文信息和集成公眾智慧，完善水文學(xué)理論，進(jìn)而打破現(xiàn)有認(rèn)知的局限，促進(jìn)水文學(xué)范式轉(zhuǎn)移．在下一篇論文中，將著重論述公眾水文學(xué)與公民科學(xué)的差別、公眾水文學(xué)的主要建設(shè)內(nèi)容和該研究領(lǐng)域在中國(guó)的發(fā)展機(jī)遇．