20世纪五六十年代, 新中国大兴水利, 可是当时既没有系统的水文资料, 也没有适合中国自然环境的水文计算、水文预报方法。于是, 关于水文站网布设与水文测验技术、设计洪水与设计暴雨、河道洪水演进与预报方法等研究蓬勃兴起, 到60年代末, 已基本完成了工程水文学在中国的奠基性工作。70~80年代, 中国已建成七大江河水文观测站网, 研发了适合中国河流水文特性的水文观测设备与技术, 广泛吸收了当时国际先进的水文分析、水文计算和水文预报方法, 并根据中国自然地理特点进行改进, 制定了中国水文观测、水文计算、水文预报等国家规范, 工程水文学在中国步入成熟时期。80~90年代, 国家面临水资源短缺的严峻挑战。面对新的需求, 开展了旨在摸清全国水资源禀赋的水资源调查, 为水资源开发、利用与保护提供水文学理论、方法与资料支撑。在这一进程中, 丰富了水文科学的内涵, 也催生了水资源水文学逐渐兴起。同时, 环境水文学、城市水文学、农业水文学、地下水文学等应用水文学分支学科也雨后春笋般兴起。
20世纪五六十年代, 新中国大兴水利, 可是当时既没有系统的水文资料, 也没有适合中国自然环境的水文计算、水文预报方法。于是, 关于水文站网布设与水文测验技术、设计洪水与设计暴雨、河道洪水演进与预报方法等研究蓬勃兴起, 到60年代末, 已基本完成了工程水文学在中国的奠基性工作。70~80年代, 中国已建成七大江河水文观测站网, 研发了适合中国河流水文特性的水文观测设备与技术, 广泛吸收了当时国际先进的水文分析、水文计算和水文预报方法, 并根据中国自然地理特点进行改进, 制定了中国水文观测、水文计算、水文预报等国家规范, 工程水文学在中国步入成熟时期。80~90年代, 国家面临水资源短缺的严峻挑战。面对新的需求, 开展了旨在摸清全国水资源禀赋的水资源调查, 为水资源开发、利用与保护提供水文学理论、方法与资料支撑。在这一进程中, 丰富了水文科学的内涵, 也催生了水资源水文学逐渐兴起。同时, 环境水文学、城市水文学、农业水文学、地下水文学等应用水文学分支学科也雨后春笋般兴起。
进入21世纪, 中国水文科学步入了与世界同步发展的进程。研究的视野从流域尺度向全球尺度拓展, 全球变化研究受到广泛关注, 系统分析、熵、复杂性科学、多尺度耦合等新概念、新理论、新技术不断引入水文科学研究中。最突出的进展是水文科学进入了计算机时代, 带动了水文模型的兴起和蓬勃发展。
当今, 中国水文学者在为保障国家水安全做出贡献的同时, 正积极关注全球资源、环境中的水文科学问题, 高屋建瓴地对水文科学的基本问题和未来的发展进行深入思考。
水文科学作为一门学科, 其对学科发展具有基础性、引领性的基本问题主要包括本学科的研究对象、基本理论、方法论和应用技术等。立足水文科学的至高点, 俯视和梳理水文科学的主要内容，大致可以归纳为以下几个基本问题。
地球水圈作为水文科学研究的客体, 将其列为水文科学研究的基本问题, 再自然不过。关于水圈的研究, 大体包括:地球上水的起源, 水圈的形成过程, 第四纪以来水圈的演变, 水圈的未来。这些问题的时间尺度看似长达百万、千万甚至亿年, 而人类文明史不足万年, 但并非表明上述问题的研究不必要; 就如同地质科学研究6 000万年前的燕山运动和340万年以来的新构造运动, 对于今天的地震预测预报不可或缺。关于地球水圈的研究, 对于人类探索其它星球上水的存在及其环境, 也是很有价值的。从这个意义上讲, 地球水圈的研究也可列为天文学中行星研究的一个课题。
环顾我们面临的全球问题, 几乎无不发生在水圈与地球其他圈层的界面上。例如:洪涝、干旱和极端水文气象事件发生在水圈与大气圈的界面上；山洪、泥石流、地震引起的水文地质灾害发生在水圈与岩石圈的界面上；大范围热带雨林消失、草原荒漠化、一些水生和陆生生物灭绝等生态环境问题发生在水圈与生物圈的界面上；而当今面临的水资源短缺、水环境恶化等问题, 则是人类对水圈(主要是陆地水体)无度无序扰动引起的, 也可称其为发生在水圈与“人类圈”的界面上。把人类面临的全球问题统一归纳在水圈与地球其他圈层的界面上, 并通过对界面过程异常变化的分析, 揭示各种全球问题发生的机制, 是水文科学研究一个全新的思路与领域。
基于当代面临的全球资源、环境问题主要发生在水圈与地球其他圈层界面上的认识, 从满足社会需求、牵引学科发展和推动技术进步3个方面进行识别, 认为水文科学当代前沿可包括以下领域。
其实这是发生在水圈与大气圈界面上的现象与过程, 因其对水资源与生态环境的深刻影响, 并受到当代全球变化研究的特别关注, 故而列为水水文科学的当代前沿之一。
众所周知, 地球上的气候从来就是在变化着的, 并深刻影响着地球环境, 第四纪冰期与间冰期的交替便是其显著的表现。自从18世纪中叶工业革命以来, 尤其是20世纪中叶以来, 人类排放到大气中的温室气体不断积累, 这一积累过程也是导致现代气候变化的原因之一。可见, 现代气候变化是气候的自然演变趋势(下称“自然分量”)与人类排放温室气体(下称“人类分量”)叠加的结果。因此, 气候变化研究的理论内涵和科学目标, 当在于分别揭示“自然分量”和“人类分量”对气候变化的贡献率, 而不仅仅是笼统或含糊地谈论气候变化。只有揭示了“人类分量”的贡献, 才能为改善人类活动、减轻其对气候的影响提供依据, 而“自然分量”是人类所不能控制的。显然, 水文循环对气候变化的响应研究, 也当相应地分别进行描述, 而这一点在现代的水文、水资源研究中并未充分体现。
在水文循环对气候变化的响应的研究中, 有研究者将一个不足够大的地区或流域水文要素在一定时期内的异常变化, 与某些气候模式的输出(如气温、降水等)做相关分析, 得出很高的相关系数；或者对水文要素时间序列进行统计诊断, 得出某些偏离正常值的统计特征值, 于是据此将该地区或流域水文要素的异常变化, 归因为其对气候变化的响应。这样的结论很可能并不客观和真实, 因为某些并不排放温室气体的人类活动, 例如水利工程和土地利用方式改变等, 其对水文要素的影响远大于气候变化对水文要素的影响。
水圈与岩石圈界面过程的基本特征和机制是侵蚀与堆积。没有河流侵蚀与袭夺, 就没有今天的黄河与长江；没有面上的侵蚀, 就不会有泥石流和广布的水土流失；没有堆积就没有今天的长江中下游平原和黄淮海平原；没有侵蚀与堆积的共同作用, 就没有千姿百态的地貌, 更不会有河流的演变。全球河水平均每周更新一次, 是水圈与岩石圈界面上最活跃的因素。因此, 关于河流的形成、演变与地学属性的研究, 理所当然地成为水圈与岩石圈界面过程研究的重大课题。“江河治理是人与河流的对话, 只有尊重河流的地学属性, 对话才可能是和谐的。”由此可见, 江河治理是推动河流地学属性研究的动力, 江河治理地学基础研究也是当代水文科学的前沿课题。期待基于该项目研究, 树立起江河治理的地学观, 开展七大江河及其支流地学基础的研究实践, 为江河治理开发提供充分的地学依据。
20世纪下半叶以来, 剧烈的人类活动对大气、水土、生态与环境产生了巨大的影响。这些影响多出现在水圈与大气圈、岩石圈、生物圈和“人类圈”的界面上, 导致水文循环系统发生偏离常态的变化。事实上, 剧烈的人类活动已无处不在地渗透并深刻干扰了水圈与地球其他圈层界面上的自然过程。在水文循环的陆面过程中, 人类活动的影响尤为显著。例如:城市化和大规模土地利用方式的改变, 使产汇流现象和机制与之前的天然情况下迥然不同；作为水文统计分析基础的江河水文要素系列已失去了其原有的代表性和一致性；自然水系已大多变为人工控制的水网, 等等。这些变化使得在未被人类活动干扰的天然情况下获得的水文知识已难以解释今天的水文现象与过程, 而面临需重新认识的挑战。因此, 把人类活动作为最活跃的因素加入到新时期的水文科学研究中, 揭示在剧烈人类活动影响下, 水文现象的新特点、新机制、新规律, 构建基于自然因素与人文因素共同影响下的水文科学知识, 应当是当代水文学研究的前沿课题。
无论在水文科学研究中和实际水文工作中, 通常要构建复杂的水文模型, 进行海量数据处理和快速的分析计算。例如, 在对长江上游干流30余座大型水库实行联合实时优化调度时, 就需要构建包含由数十个重要目标组成的目标集和同样庞大约束集的复杂数学模型, 并需在很短时间内对模型进行解析和运算, 实时优选出安全和效益最佳的实时调度方案, 这显然是现有水文分析技术难以实现的。有幸的是, 我们从围棋阿尔法-狗(Alpha Go)的胜利得到了启示:围棋高手李世石凭借其丰富的经验和判断力, 在预判了十余种落子可能出现的棋局后, 选择出了他认为最优的落子位置；而阿尔法-狗凭借其每秒上亿次的运算速度和学习记忆能力, 在枚举了上千种落子的棋局中选择出了最优落子位置, 棋手终因其计算分析的能力远不如阿尔法-狗的运算速度和学习记忆力而败北, 而继后的Alpha Zero更为出色。显然, 人工智能这种极高的运算速度和处理海量数据的能力, 正是水文分析寻优计算与预报中所需要的。毫无疑问, 开拓人工智能在水文科学研究和实际工作中的应用, 将带来水文科学技术的重大突破, 水文科学家们必须把握这一当代技术前沿。
水文科学有着众多的分支学科, 各分支学科大多是基于某些领域或事业对水文知识的需求、或某种研究方法而形成的。 水文科学之所以成为一门独立的学科, 是因为其有一个客观存在, 而且人类须臾不可或缺的研究对象—地球水圈及其水文循环。 水文循环是联系水圈与大气圈、岩石圈、生物圈的纽带, 水文循环的各个环节与过程就发生在水圈与这些圈层的界面上, 因此, 水圈与这些地球圈层界面上的水文现象与过程, 应当作为划分水文科学分支学科的科学依据。 据此, 建议将水文科学划分为以下分支学科:普通水文学—研究地球水圈的形成与演化、地球上水的分布、水文观测与水文学方法论等一般性问题； 水文气象学—研究水文循环在水圈与大气圈界面的现象与过程； 陆地水文学—研究水文循环在水圈与岩石圈界面的现象与过程； 生态水文学—研究水文循环在水圈与生物圈界面的现象与过程； 应用水文学—为各类水工程建设、水资源开发利用、水环境保护与改善、江河治理和水旱灾害防治等提供水文科学支持, 发展先进水文分析技术。
来源：水利水电快报
