邱順添，王 佳，王明娜

(1. 天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300072；2. 天津大學建筑工程學院，天津 300072)

水文學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、運動和變化規(guī)律，以及水與環(huán)境相互作用的學科，屬于地球物理科學范疇．國際水文學界將其定義為：水文學是一門研究地表水和地下水、水的產(chǎn)生和運動、水的物理和化學性質，以及水與環(huán)境中的生物和物質相關關系的科學[1]．水文學的發(fā)展與人類觀察、測量、描述、定義和假設自然界中水運動和變化的能力密切相關，人類在探索水害與興利的過程中，不斷觀測各種水文要素，思考和研究水文規(guī)律，豐富水文知識，逐步發(fā)展水文學科．

縱觀世界文明發(fā)展歷程，人類對水科學的認識與社會發(fā)展階段的不同需求密切相關：穩(wěn)定的飲用水源是人類賴以生存所必須的資源，在漁獵社會時期(原始時代)，臨河而居的群居生活模式拉開了人類最原始的水文觀測序幕，從而對水有了基礎認知；在農(nóng)業(yè)社會時期，受到水旱災害的影響，人類開始關注農(nóng)田的旱、澇災害，趨利避害，以期掌握水的習性；到了工業(yè)社會時期，基于物理、化學和生物/微生物學的理解將水文學發(fā)展為一門具有完整體系的自然學科，水力機械的發(fā)展也驅動著水文學轉向研究河道水流、防洪及耕地保護；隨著信息社會時期的到來，計算機能力的提升帶動水文學研究由人類生存需求轉向地球生態(tài)環(huán)境保護的需求．由此可見，水文學由古代以自然哲學為指導的思辨猜想發(fā)展到以科學事實為依據(jù)，科學觀測與試驗為支撐，進行假設、推理規(guī)律、凝練知識，建立理論體系的新階段．

水文學作為一門自然科學，隨著人類社會的發(fā)展經(jīng)歷了直接觀測階段、測量階段、試驗推理階段、理論階段及數(shù)字化和智能化階段．直接觀測階段，人類在尋找水源的過程中，借助周邊事物開始了對水的初步認知：我國先秦時期的《山海經(jīng)》和戰(zhàn)國時期的《尚書·禹貢》中記載了對國土版圖內(nèi)的河流及水文地理的概述[2]；先前古希臘哲學家柏拉圖對水運動的理解進行了闡述[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)過程[5]．在農(nóng)業(yè)時代，人類為了保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，趨利避害，迎來了水文要素的測量階段，達·芬奇使用浮標測量流速，提出了水文循環(huán)觀點；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)皿開始了對蒸發(fā)量的測量[6]．基于對水文要素的測量，人們開始試驗推理水文規(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、計算最大洪峰流量的推理公式和滲流規(guī)律的達西公式[7]．隨著人們對水文過程的理解加深，水文學理論不斷建立，如Sherman L R K和McCarthy G T分別提出了計算匯流的經(jīng)驗單位線法[8]和計算河道洪水演進的馬斯京根法[9]；同時，水文學理論文獻如《Applied Hydrology》[10]、《Handbook of Hydrology》等[11]相繼出版，水文學逐步成為一門體系完善的學科．20世紀70年代，計算機時代的到來加速了水文學發(fā)展，使其轉向模型化、數(shù)字化、智能化、精細化發(fā)展[12-13]，該階段各類水文模型如雨后春筍一般涌現(xiàn)[14]，同時隨機過程和系統(tǒng)分析的理論與方法被引入水文學，遙感、GPS、GIS技術和人工智能也給水文學帶來新的方向[15]．對比水文要素觀測能力發(fā)展的時間軸與水文學假設/理論發(fā)展的時間軸，不難發(fā)現(xiàn)，水文學與水文要素的觀測是并行發(fā)展的，水文學的每一次重大飛躍都與水文觀測、測量或試驗技術的突破密切相關．水文學發(fā)展不同階段的代表成果見表1，該表改編自文獻[2,5,16]．

值得注意的是，水文學發(fā)展階段的范式轉移與水文數(shù)據(jù)的獲取能力是相呼應的．現(xiàn)代水文學正走到一個發(fā)展的十字路口：是利用更精確的測量方法來精細化水文模型，深入發(fā)展傳統(tǒng)水文學的理論，還是基于不同數(shù)據(jù)搜集方法多學科共同進化水文理論？在此背景下，本文提出了“公眾水文學”的概念，它代表了一種不同的科學途徑，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—更精細的模型”水文框架，讓水文學朝著更為科學、更加持久的方向發(fā)展．

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

1 公眾水文學概述

公眾水文學是一個通過獲取多源多元的泛在感知數(shù)據(jù)，識別水文相關要素和信息，利用最新技術獲取知識，并根據(jù)新知識重構水文認知和模型框架，從而解答水文學基本問題，滿足社會發(fā)展對水文知識需求的新興研究領域．公眾水文學的參與研究主體，除傳統(tǒng)的專業(yè)科研人員之外，還包含公民、公眾設施、物聯(lián)網(wǎng)等公共體系和相關決策者．隨著公共體系參與程度的不斷深化，公眾水文學的社會影響必將逐漸增強，具體如圖1所示．

1.1 特點

1.1.1 社會屬性

區(qū)別于傳統(tǒng)水文學，公眾水文學是自然科學與社會科學的匯流，具有較強的社會屬性，是社會與水文科學雙向服務的新興研究領域．一方面，借助社會公共體系的能動性和全面覆蓋性搜集全方位的泛在感知信息，協(xié)助水文學科建設，為學科發(fā)展提供堅實的數(shù)據(jù)基礎；另一方面，公眾水文學遵循傳統(tǒng)水文學的服務宗旨，在滿足社會用水需求和防洪減災管理的同時，將水文學知識滲透到社會范疇，不僅將公眾水文學新知識反饋于公共體系，同時可以在“全民科研”的行動中提升公民的參與感和價值感，充分感受“水文科學在身邊”，加強水文學對大眾生活的影響．

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

1.1.2 多源與多元特點

公眾水文學借助公共體系獲取多渠道、多方位、多時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)獲取來源的多樣化，多元則包括數(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)獲取設備的多源．針對同一地區(qū)、同一水文要素可由不同公共體系類型進行搜集，如主體可以是城鎮(zhèn)/農(nóng)村居民、智能家居、社交網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)等公共主體；或多種設備，如水位標尺、電測水位尺、激光水位計、雷達水位計等，同時對同一地理位置的水文數(shù)據(jù)進行采集，共同構成多源數(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；或同一要素擁有多元表現(xiàn)形式，如照片、視頻、數(shù)據(jù)、文字、信號、樣本等．

1.1.3 深刻融入時代，與新科技同步發(fā)展

隨著信息時代的到來，觀測技術、信息技術、網(wǎng)絡技術、大數(shù)據(jù)等新技術的發(fā)展已經(jīng)遠遠領先于水文學理論的發(fā)展．公眾水文學的本質特征之一是融合時代最新技術，利用公眾可掌握的一切信息獲取渠道，結合最前沿的信息提取和分析技術，緊跟時代步伐，促使水文學與最新科技同步平衡發(fā)展．值得注意的是，公眾水文學并非依賴于新技術粗放式發(fā)展，而是借助新科技的力量，突破水文學數(shù)據(jù)監(jiān)測、大數(shù)據(jù)處理、信息分析等技術瓶頸，加入對水文學自身的思考，利用多學科交叉技術和最前沿的信息技術，推進水文學的理論和應用齊頭并進，協(xié)同發(fā)展．

1.2 公眾水文學基本框架

公眾水文學具有較強的理論基礎和完整的研究框架，包含科學研究的系統(tǒng)過程，其最終目標是推動水文學理論的全面發(fā)展．公眾水文學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/評價和水文學新發(fā)展4個部分，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，無所不在的傳感器以前所未有的高時間和空間分辨率不斷生成海量水文數(shù)據(jù)．公眾水文學可通過個人、網(wǎng)絡、基礎建設和物聯(lián)網(wǎng)多種途徑獲取泛在數(shù)據(jù)，其中個人可利用智能手機、無人機、個人專業(yè)監(jiān)測設備等手段隨時采集數(shù)據(jù)，具有較強的靈活性和分散性；網(wǎng)絡數(shù)據(jù)爬取可成為水文數(shù)據(jù)的一大來源，利用公開社交媒體、貼吧、網(wǎng)頁等平臺獲取，數(shù)據(jù)量大且隨機性強；基于基礎建設覆蓋面廣、運行穩(wěn)定性強的特點，可通過公路攝像頭、信號塔、專用監(jiān)測設備等設施獲取相關的水文數(shù)據(jù)；近年來，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．多樣化的手段可廣泛獲取多元數(shù)據(jù)，如照片、視頻、樣本、信號等形式，對傳統(tǒng)水文監(jiān)測站點數(shù)據(jù)形成有效補充．

對公共體系獲取的泛在感知數(shù)據(jù)，需要對其進行有效信息提取，包括數(shù)據(jù)質量控制、數(shù)據(jù)處理、有效信息挖掘等幾個過程．考慮到傳感器和數(shù)據(jù)傳輸過程中引入的誤差，以及網(wǎng)絡基礎設施易受到惡意滲透和操縱，在數(shù)據(jù)質量控制公眾水文學研究的重要環(huán)節(jié)中，需要新的技術和方法對龐大的數(shù)據(jù)進行清洗和篩選，確保數(shù)據(jù)質量；環(huán)境數(shù)據(jù)源是異質的，這增加了存儲和檢索的復雜性，因此數(shù)據(jù)的有效處理和存儲，交易性數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)倉庫之間的同步性都是值得深入研究的；在對多源多元的可用數(shù)據(jù)進行轉化、融合、同化和校正等處理后，需要對形成的一系列水文時空數(shù)據(jù)進行信息挖掘，采用數(shù)據(jù)分析及挖掘技術、深度學習等新技術新方法提取有效信息．

基于提取的有效信息進行應用分析和決策支持，如統(tǒng)計、總結、預測等，對現(xiàn)有水文模型進行完善和評價．公眾水文大數(shù)據(jù)平臺中將包含兩個相互獨立但彼此連接的庫：一是算法庫，它充當所有數(shù)據(jù)轉換功能的存儲介質；二是分配庫，它包含用于計算機集群上分發(fā)獨立任務的分發(fā)工具．工程師、科學家、利益相關者可以使用可視化工具交互地探索模型結果，用戶可以通過修改模型的輸入來反映可能出現(xiàn)的未來場景．總的來說，公眾水文學為水文模型提供了豐富的數(shù)據(jù)，通過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)短缺問題；另一方面可基于全面的水文數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行修正和改進，提高模型模擬預報精度，從而使現(xiàn)有模型的結果更趨完善．此外，需要對現(xiàn)有水文模型進行適用性評價，若解決數(shù)據(jù)短缺問題之后模型不再適用，則需要對現(xiàn)有水文學理論/模型進行深入的探討．

公眾水文學提供的海量數(shù)據(jù)將帶來更多關于水系統(tǒng)的信息，增加對水系統(tǒng)的了解，大數(shù)據(jù)減少了對模型的假設性約束．傳統(tǒng)的水文模型是一些物理機理公式計算的整合，人們對水系統(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)智囊和學者開展相關研究，通常耗時耗力且受建模工具的影響．公眾水文學將減少模型假設，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，從而提示為其分配更多資源來降低風險，提高系統(tǒng)韌性．海量的社會數(shù)據(jù)也將利于決策者對更多不同措施的影響進行分析，從而做出更合理的決策．

針對適用性較差的模型，可對大量數(shù)據(jù)進行深度挖掘，重構數(shù)據(jù)規(guī)則，深入數(shù)據(jù)關聯(lián)分析與統(tǒng)計預測，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)，通過構建多尺度/實時/三維模型，開發(fā)適用性較高的全新計算模型；或者對現(xiàn)有理論/方法進行推理分析，采用計算機化、新技術方法或知識發(fā)現(xiàn)等手段，發(fā)現(xiàn)水文新要素、提出水文新概念、構建水文新方法或新理論，推動水文學理論的發(fā)展．

1.3 意義與作用

公眾水文學基于現(xiàn)代社會信息爆炸、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運而生．未受過專業(yè)訓練的科學愛好者可以通過網(wǎng)絡組織的號召，大量參與到水文科學研究中去．公眾水文學致力于通過全民參與、多設備的多源采集方式全方位獲取水文水資源信息，并利用最新科學技術將數(shù)據(jù)和信息轉化為新知識，進而起到完善水文學數(shù)據(jù)、推動學科理論發(fā)展的作用．公眾水文學的興起可以彌補當前水文學發(fā)展受數(shù)據(jù)獲取局限造成的認知不足，可從理論方面改進傳統(tǒng)水文學，從而推動水文學跨越式前進．公眾水文學不僅給水文學的研究帶來新的發(fā)展前景，同時對水文學科參與的主體人員起到了正向輔助作用．

1) 對水文學研究的影響

水文學主要是研究地球系統(tǒng)中水的運動、循環(huán)和時空分布規(guī)律，水的自然和社會屬性、水與生態(tài)環(huán)境相互關系，及其在水旱災害防治、水資源合理開發(fā)利用和水環(huán)境保護中的應用科學．

公眾水文學的一大特點是社會公眾可以參與水文學科的建設，為業(yè)余科學愛好者找到貢獻自身力量的途徑，也為水文科學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，可以識別多種水文過程的特征，校準水文模型參數(shù)，改善水文計算，加強對水文過程的認知和理解；通過公共體系獲取的多源多元信息，可用于構建水文大數(shù)據(jù)中心，融合先進人工智能技術手段和改進的水文模型，形成全新的水文過程預報方法，推動洪水監(jiān)測及預警、生態(tài)環(huán)境保護、水資源演變等應用研究．

2) 對研究主體人員的作用

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

聯(lián)網(wǎng)絡技術，無疑為公眾水文學的發(fā)展提供了各研究主體相互溝通的物質基礎．公眾水文學不僅在水文學與社會之間起到雙向聯(lián)動作用，同時對研究主體都起到不同程度的積極輔助作用．

對于科研人員，公眾水文學一方面可以解決科研人員基礎數(shù)據(jù)的短缺問題，增加其數(shù)據(jù)獲取途徑，使其能夠得到更為廣泛實時的基礎數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)獲取的時間和人力成本；另一方面，科研人員可更全面地了解公眾對水文學的關注重心，從而更好地開展科學研究工作，使科學更好地為人民服務；此外，科研人員還可借助公眾的經(jīng)驗和其他學科領域的背景尋找新視角，開拓新思路，探求新方法．

對于公眾，盡管水文科學研究對于公眾來說仍具有一定的門檻，但并非是不可逾越的鴻溝．公眾不僅可以在整個參與過程中學習不同種類水文數(shù)據(jù)的作用，了解水文過程，關注水文研究對公眾生活影響的方方面面，同時可以提高水文科學素養(yǎng)，提升公眾對水文科學建設的參與感，體現(xiàn)其社會價值．

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

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

2 發(fā)展公眾水文學的必要性

現(xiàn)代水文學發(fā)展處于瓶頸期，水文學理論發(fā)展緩慢，可利用的數(shù)據(jù)受到監(jiān)測站點分布和采集頻率的限制，對水文模型的參數(shù)和計算可靠度產(chǎn)生影響[17]. 面對諸多傳統(tǒng)水文學問題，當前信息技術和計算機視覺技術的快速突破以及我國智慧水務建設的逐步完善，使公眾水文學的發(fā)展成為必然的趨勢．

1) 水文數(shù)據(jù)亟需擴充

數(shù)據(jù)是水文學發(fā)展的根本之源．隨著電子化、計算機及衛(wèi)星系統(tǒng)等技術的發(fā)展，水文觀測的方法由最初的簡易計量設備向電子化智能監(jiān)測、衛(wèi)星遙感獲取等高科技手段邁進，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)測站點分布不均、特殊地區(qū)(如高山偏遠、高寒地區(qū))監(jiān)測難度較大、特定要素(如水質)監(jiān)測成本較高、單一數(shù)據(jù)源無法驗證(如遙感數(shù)據(jù))等問題的存在[18]，使得水文信息必須擴大覆蓋范圍，參與主體由專業(yè)技術人員向公眾轉移、信息源由固定源向開放源轉移、監(jiān)測設備由專業(yè)化向日?；D移，公眾水文學的發(fā)展已成為必然趨勢．開放的信息源、分布較廣的獲取源可實現(xiàn)數(shù)據(jù)廣泛收集、實時更新、相互校正、時空精細化．

2) 依賴專業(yè)技術引導水文學向窄深發(fā)展的現(xiàn)狀亟需改變

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

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

3) 水文學基礎理論的創(chuàng)新發(fā)展

近年來，水文學發(fā)展傾向于精細化發(fā)展，不斷引入新技術來推動水文研究提高計算精度和計算效率，更精細地劃分研究區(qū)域等，但學科的基礎理論、經(jīng)典公式、水文學邏輯研究被忽略了．水文學科發(fā)展走向一個極端——知識的重組包裝，如信息的交叉利用、理論基礎的組合、技術方法融合、模型的耦合等．科技發(fā)展的速度已遠超水文學理論發(fā)展，使得水文學呈現(xiàn)不平衡發(fā)展狀態(tài)．水文學發(fā)展必須是讓理論和應用齊頭并進[20]，而公眾水文學將引導公眾參與到水文學研究中來，基于泛在數(shù)據(jù)的獲取與公眾智慧共同推動水文學理論的發(fā)展，利用強大的數(shù)據(jù)基礎和多學科交叉智慧，挖掘水文過程新規(guī)律，提煉新概念，研究新理論，總結新方法，從而創(chuàng)新性地發(fā)展水文學基礎理論．

4) 創(chuàng)新性發(fā)展水文模型

20世紀30年代，水文學發(fā)展進入試驗推理階段，各種水文學相關的理論應運而生，這些理論公式通過地形、下墊面、植物等多參數(shù)闡述和認知水循環(huán)的信息和知識．隨后，基于經(jīng)典水文學理論公式，開發(fā)了多種水文、水動力、水環(huán)境模型，例如SHE[21]、Mike[22]、SWAT[23]等模型，理論公式指導模型相關部分需引入何種算法、哪些參數(shù)及常數(shù)等[19]．近年來，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，而不是對水文學基礎認知的重新思考，至今也沒有任何水文模型足以支撐對某個水文現(xiàn)象的確切描述．公眾水文學的一項主要內(nèi)容是重新審視水文模型的合適度，面對“異參同效”、“多參數(shù)相互作用”等問題從人工智能、大數(shù)據(jù)分析等方面進行解決，改變依靠優(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 語

本文提出了一種新的研究科學途徑——公眾水文學，借助包括公民、公眾設施、物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的公共體系和社會體系，獲取泛在感知數(shù)據(jù)，綜合公民科學、管理學、人工智能、測控工程、計算機視覺等多門學科技術方法促進水文學跨越式發(fā)展．公眾水文學不僅可提供一種研究水文學的全新視角，同時可通過獲取多源多元水文信息和集成公眾智慧，完善水文學理論，進而打破現(xiàn)有認知的局限，促進水文學范式轉移．在下一篇論文中，將著重論述公眾水文學與公民科學的差別、公眾水文學的主要建設內(nèi)容和該研究領域在中國的發(fā)展機遇．