邱顺添，王 佳，王明娜

(1. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2. 天津大学建筑工程学院，天津 300072)

水文学可广义地理解为研究地球大气层、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．国际水文学界将其定义为：水文学是一门研究地表水和地下水、水的产生和运动、水的物理和化学性质，以及水与环境中的生物和物质相关关系的科学[1]．水文学的发展与人类观察、测量、描述、定义和假设自然界中水运动和变化的能力密切相关，人类在探索水害与兴利的过程中，不断观测各种水文要素，思考和研究水文规律，丰富水文知识，逐步发展水文学科．

纵观世界文明发展历程，人类对水科学的认识与社会发展阶段的不同需求密切相关：稳定的饮用水源是人类赖以生存所必须的资源，在渔猎社会时期(原始时代)，临河而居的群居生活模式拉开了人类最原始的水文观测序幕，从而对水有了基础认知；在农业社会时期，受到水旱灾害的影响，人类开始关注农田的旱、涝灾害，趋利避害，以期掌握水的习性；到了工业社会时期，基于物理、化学和生物/微生物学的理解将水文学发展为一门具有完整体系的自然学科，水力机械的发展也驱动着水文学转向研究河道水流、防洪及耕地保护；随着信息社会时期的到来，计算机能力的提升带动水文学研究由人类生存需求转向地球生态环境保护的需求．由此可见，水文学由古代以自然哲学为指导的思辨猜想发展到以科学事实为依据，科学观测与试验为支撑，进行假设、推理规律、凝练知识，建立理论体系的新阶段．

水文学作为一门自然科学，随着人类社会的发展经历了直接观测阶段、测量阶段、试验推理阶段、理论阶段及数字化和智能化阶段．直接观测阶段，人类在寻找水源的过程中，借助周边事物开始了对水的初步认知：我国先秦时期的《山海经》和战国时期的《尚书·禹贡》中记载了对国土版图内的河流及水文地理的概述[2]；先前古希腊哲学家柏拉图对水运动的理解进行了阐述[3]；公元前256年，李冰父子兴修了举世闻名的都江堰水利工程[4]；而后，《吕氏春秋》粗略解释了水文循环过程[5]．在农业时代，人类为了保证农业生产，趋利避害，迎来了水文要素的测量阶段，达·芬奇使用浮标测量流速，提出了水文循环观点；随后Perrault P分析了巴黎塞纳河年径流并提出了水量平衡的概念；Halley E自创蒸发皿开始了对蒸发量的测量[6]．基于对水文要素的测量，人们开始试验推理水文规律，并提出了一系列经典的理论公式，如Bernoulli父子、de Chézy A、Mulvaney T J、Darcy H分别提出了伯努利水流能量方程、河道流速的谢才公式、计算最大洪峰流量的推理公式和渗流规律的达西公式[7]．随着人们对水文过程的理解加深，水文学理论不断建立，如Sherman L R K和McCarthy G T分别提出了计算汇流的经验单位线法[8]和计算河道洪水演进的马斯京根法[9]；同时，水文学理论文献如《Applied Hydrology》[10]、《Handbook of Hydrology》等[11]相继出版，水文学逐步成为一门体系完善的学科．20世纪70年代，计算机时代的到来加速了水文学发展，使其转向模型化、数字化、智能化、精细化发展[12-13]，该阶段各类水文模型如雨后春笋一般涌现[14]，同时随机过程和系统分析的理论与方法被引入水文学，遥感、GPS、GIS技术和人工智能也给水文学带来新的方向[15]．对比水文要素观测能力发展的时间轴与水文学假设/理论发展的时间轴，不难发现，水文学与水文要素的观测是并行发展的，水文学的每一次重大飞跃都与水文观测、测量或试验技术的突破密切相关．水文学发展不同阶段的代表成果见表1，该表改编自文献[2,5,16]．

值得注意的是，水文学发展阶段的范式转移与水文数据的获取能力是相呼应的．现代水文学正走到一个发展的十字路口：是利用更精确的测量方法来精细化水文模型，深入发展传统水文学的理论，还是基于不同数据搜集方法多学科共同进化水文理论？在此背景下，本文提出了“公众水文学”的概念，它代表了一种不同的科学途径，基于大量的多源与多元数据，重新审视现有的水文模型框架，代替目前的“增加数据—提高精度—更精细的模型”水文框架，让水文学朝着更为科学、更加持久的方向发展．

表1 水文学发展不同阶段的代表成果Tab.1 Representative outcomes at different stages of hydrological development

1 公众水文学概述

公众水文学是一个通过获取多源多元的泛在感知数据，识别水文相关要素和信息，利用最新技术获取知识，并根据新知识重构水文认知和模型框架，从而解答水文学基本问题，满足社会发展对水文知识需求的新兴研究领域．公众水文学的参与研究主体，除传统的专业科研人员之外，还包含公民、公众设施、物联网等公共体系和相关决策者．随着公共体系参与程度的不断深化，公众水文学的社会影响必将逐渐增强，具体如图1所示．

1.1 特点

1.1.1 社会属性

区别于传统水文学，公众水文学是自然科学与社会科学的汇流，具有较强的社会属性，是社会与水文科学双向服务的新兴研究领域．一方面，借助社会公共体系的能动性和全面覆盖性搜集全方位的泛在感知信息，协助水文学科建设，为学科发展提供坚实的数据基础；另一方面，公众水文学遵循传统水文学的服务宗旨，在满足社会用水需求和防洪减灾管理的同时，将水文学知识渗透到社会范畴，不仅将公众水文学新知识反馈于公共体系，同时可以在“全民科研”的行动中提升公民的参与感和价值感，充分感受“水文科学在身边”，加强水文学对大众生活的影响．

图1 公共体系对公众水文学作用的层次图Fig.1 Hierarchical map of the role of the public system in public hydrology

1.1.2 多源与多元特点

公众水文学借助公共体系获取多渠道、多方位、多时空等多源与多元的泛在感知水文信息．多源主要指数据获取来源的多样化，多元则包括数据表现形式和所包含信息的多元化．

多源：数据的多源可分为数据获取者的多源和数据获取设备的多源．针对同一地区、同一水文要素可由不同公共体系类型进行搜集，如主体可以是城镇/农村居民、智能家居、社交网络、物联网等公共主体；或多种设备，如水位标尺、电测水位尺、激光水位计、雷达水位计等，同时对同一地理位置的水文数据进行采集，共同构成多源数据集．

多元：数据的多元化包含信息的多元和数据形式的多元．同一数据源可包含多种多样的信息，如一张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；或同一要素拥有多元表现形式，如照片、视频、数据、文字、信号、样本等．

1.1.3 深刻融入时代，与新科技同步发展

随着信息时代的到来，观测技术、信息技术、网络技术、大数据等新技术的发展已经远远领先于水文学理论的发展．公众水文学的本质特征之一是融合时代最新技术，利用公众可掌握的一切信息获取渠道，结合最前沿的信息提取和分析技术，紧跟时代步伐，促使水文学与最新科技同步平衡发展．值得注意的是，公众水文学并非依赖于新技术粗放式发展，而是借助新科技的力量，突破水文学数据监测、大数据处理、信息分析等技术瓶颈，加入对水文学自身的思考，利用多学科交叉技术和最前沿的信息技术，推进水文学的理论和应用齐头并进，协同发展．

1.2 公众水文学基本框架

公众水文学具有较强的理论基础和完整的研究框架，包含科学研究的系统过程，其最终目标是推动水文学理论的全面发展．公众水文学的框架体系主要包括泛在数据获取、有效信息提取、现有理论完善/评价和水文学新发展4个部分，其基本框架如图2所示．

水文大数据具有海量、高频、多样性的特征，从家庭智能水表到基于卫星的光谱仪，无所不在的传感器以前所未有的高时间和空间分辨率不断生成海量水文数据．公众水文学可通过个人、网络、基础建设和物联网多种途径获取泛在数据，其中个人可利用智能手机、无人机、个人专业监测设备等手段随时采集数据，具有较强的灵活性和分散性；网络数据爬取可成为水文数据的一大来源，利用公开社交媒体、贴吧、网页等平台获取，数据量大且随机性强；基于基础建设覆盖面广、运行稳定性强的特点，可通过公路摄像头、信号塔、专用监测设备等设施获取相关的水文数据；近年来，物联网(如智能家居、各类传感器)的发展为泛在数据搜集提供了新的契机．多样化的手段可广泛获取多元数据，如照片、视频、样本、信号等形式，对传统水文监测站点数据形成有效补充．

对公共体系获取的泛在感知数据，需要对其进行有效信息提取，包括数据质量控制、数据处理、有效信息挖掘等几个过程．考虑到传感器和数据传输过程中引入的误差，以及网络基础设施易受到恶意渗透和操纵，在数据质量控制公众水文学研究的重要环节中，需要新的技术和方法对庞大的数据进行清洗和筛选，确保数据质量；环境数据源是异质的，这增加了存储和检索的复杂性，因此数据的有效处理和存储，交易性数据和数据仓库之间的同步性都是值得深入研究的；在对多源多元的可用数据进行转化、融合、同化和校正等处理后，需要对形成的一系列水文时空数据进行信息挖掘，采用数据分析及挖掘技术、深度学习等新技术新方法提取有效信息．

基于提取的有效信息进行应用分析和决策支持，如统计、总结、预测等，对现有水文模型进行完善和评价．公众水文大数据平台中将包含两个相互独立但彼此连接的库：一是算法库，它充当所有数据转换功能的存储介质；二是分配库，它包含用于计算机集群上分发独立任务的分发工具．工程师、科学家、利益相关者可以使用可视化工具交互地探索模型结果，用户可以通过修改模型的输入来反映可能出现的未来场景．总的来说，公众水文学为水文模型提供了丰富的数据，通过全面的信息源作为输入重建水文模型，一方面可满足模型的数据输入需求，解决模型数据短缺问题；另一方面可基于全面的水文数据对模型参数进行修正和改进，提高模型模拟预报精度，从而使现有模型的结果更趋完善．此外，需要对现有水文模型进行适用性评价，若解决数据短缺问题之后模型不再适用，则需要对现有水文学理论/模型进行深入的探讨．

公众水文学提供的海量数据将带来更多关于水系统的信息，增加对水系统的了解，大数据减少了对模型的假设性约束．传统的水文模型是一些物理机理公式计算的整合，人们对水系统的理解是不连续的，因此规划需要定期更新，在做决策前往往需要专业智囊和学者开展相关研究，通常耗时耗力且受建模工具的影响．公众水文学将减少模型假设，更好地确定边界条件，大数据分析可提示系统薄弱点，从而提示为其分配更多资源来降低风险，提高系统韧性．海量的社会数据也将利于决策者对更多不同措施的影响进行分析，从而做出更合理的决策．

针对适用性较差的模型，可对大量数据进行深度挖掘，重构数据规则，深入数据关联分析与统计预测，提炼出新的水文规律；也可基于泛在信息或水文大数据，通过构建多尺度/实时/三维模型，开发适用性较高的全新计算模型；或者对现有理论/方法进行推理分析，采用计算机化、新技术方法或知识发现等手段，发现水文新要素、提出水文新概念、构建水文新方法或新理论，推动水文学理论的发展．

1.3 意义与作用

公众水文学基于现代社会信息爆炸、信息获取手段多样化和公众受科普教育程度高的大背景应运而生．未受过专业训练的科学爱好者可以通过网络组织的号召，大量参与到水文科学研究中去．公众水文学致力于通过全民参与、多设备的多源采集方式全方位获取水文水资源信息，并利用最新科学技术将数据和信息转化为新知识，进而起到完善水文学数据、推动学科理论发展的作用．公众水文学的兴起可以弥补当前水文学发展受数据获取局限造成的认知不足，可从理论方面改进传统水文学，从而推动水文学跨越式前进．公众水文学不仅给水文学的研究带来新的发展前景，同时对水文学科参与的主体人员起到了正向辅助作用．

1) 对水文学研究的影响

水文学主要是研究地球系统中水的运动、循环和时空分布规律，水的自然和社会属性、水与生态环境相互关系，及其在水旱灾害防治、水资源合理开发利用和水环境保护中的应用科学．

公众水文学的一大特点是社会公众可以参与水文学科的建设，为业余科学爱好者找到贡献自身力量的途径，也为水文科学研究提供了更多合理性的辩论和更多的解决思路．此外，利用获取的全方位水文信息，可以识别多种水文过程的特征，校准水文模型参数，改善水文计算，加强对水文过程的认知和理解；通过公共体系获取的多源多元信息，可用于构建水文大数据中心，融合先进人工智能技术手段和改进的水文模型，形成全新的水文过程预报方法，推动洪水监测及预警、生态环境保护、水资源演变等应用研究．

2) 对研究主体人员的作用

公众水文学参与研究主体除常规水文学的科研人员之外，还包含公众和相关决策者．现代发达的互

联网络技术，无疑为公众水文学的发展提供了各研究主体相互沟通的物质基础．公众水文学不仅在水文学与社会之间起到双向联动作用，同时对研究主体都起到不同程度的积极辅助作用．

对于科研人员，公众水文学一方面可以解决科研人员基础数据的短缺问题，增加其数据获取途径，使其能够得到更为广泛实时的基础数据，降低数据获取的时间和人力成本；另一方面，科研人员可更全面地了解公众对水文学的关注重心，从而更好地开展科学研究工作，使科学更好地为人民服务；此外，科研人员还可借助公众的经验和其他学科领域的背景寻找新视角，开拓新思路，探求新方法．

对于公众，尽管水文科学研究对于公众来说仍具有一定的门槛，但并非是不可逾越的鸿沟．公众不仅可以在整个参与过程中学习不同种类水文数据的作用，了解水文过程，关注水文研究对公众生活影响的方方面面，同时可以提高水文科学素养，提升公众对水文科学建设的参与感，体现其社会价值．

对于决策者，公众水文学的发展在推动水文学科全面发展的同时，带来了大量的多源多元数据，采用人工智能对这些海量全方位数据进行科学的汇总整理、有效信息的提取、新知识的汲取，可为决策者提供充分的信息源和更可靠更科学的决策支持．

科学研究需要以人为本，服务于社会生产的需要，合理恰当的公众参与科学研究同样也有助于科学共同体的行为规范和发挥人文引导科学技术的作用，并实现对科研后备人才的发掘和培养．综上，公众水文学的发展依赖于多方力量支持的同时，也对这些学科的主体人员起到正向辅助作用．

2 发展公众水文学的必要性

现代水文学发展处于瓶颈期，水文学理论发展缓慢，可利用的数据受到监测站点分布和采集频率的限制，对水文模型的参数和计算可靠度产生影响[17]. 面对诸多传统水文学问题，当前信息技术和计算机视觉技术的快速突破以及我国智慧水务建设的逐步完善，使公众水文学的发展成为必然的趋势．

1) 水文数据亟需扩充

数据是水文学发展的根本之源．随着电子化、计算机及卫星系统等技术的发展，水文观测的方法由最初的简易计量设备向电子化智能监测、卫星遥感获取等高科技手段迈进，获取的水文信息向大空间尺度、高精度、智能化方向发展．然而，监测站点分布不均、特殊地区(如高山偏远、高寒地区)监测难度较大、特定要素(如水质)监测成本较高、单一数据源无法验证(如遥感数据)等问题的存在[18]，使得水文信息必须扩大覆盖范围，参与主体由专业技术人员向公众转移、信息源由固定源向开放源转移、监测设备由专业化向日常化转移，公众水文学的发展已成为必然趋势．开放的信息源、分布较广的获取源可实现数据广泛收集、实时更新、相互校正、时空精细化．

2) 依赖专业技术引导水文学向窄深发展的现状亟需改变

纵观水文学发展的历程，学科阶段性的发展是与信息的获取技术伴生发展的，而非水文专业单一发展决定的．现阶段水文学的发展依赖于技术，由技术发展决定学科新的方向[19]．地理信息系统的兴起、卫星遥感的普及、人工智能等技术的蓬勃发展，仿佛都在给很多学科的科研人员指明一个方向，即将交叉学科应用于现有水文理论，提高水文过程仿真模拟和预报精度．然而，这种技术引导学科发展的趋势，容易将科学推向一种崇尚技术创新的怪圈，反而忽略学科基础理论和认知的发展．

公众水文学基于不断发展的高新技术，又不局限于小范围或某一专业技术的创新，而是从公众参与和科学普及入手，利用每个人触手可及的、在生活中得到广泛应用的科技装备获取泛在信息，奠定学科发展最重要的数据基础，从而改变传统的依赖专业技术创新引导水文学向窄深发展的现状，必将对水文学的研究基础、研究人员、研究方法、理论框架等方面都进行优化甚至重构．

3) 水文学基础理论的创新发展

近年来，水文学发展倾向于精细化发展，不断引入新技术来推动水文研究提高计算精度和计算效率，更精细地划分研究区域等，但学科的基础理论、经典公式、水文学逻辑研究被忽略了．水文学科发展走向一个极端——知识的重组包装，如信息的交叉利用、理论基础的组合、技术方法融合、模型的耦合等．科技发展的速度已远超水文学理论发展，使得水文学呈现不平衡发展状态．水文学发展必须是让理论和应用齐头并进[20]，而公众水文学将引导公众参与到水文学研究中来，基于泛在数据的获取与公众智慧共同推动水文学理论的发展，利用强大的数据基础和多学科交叉智慧，挖掘水文过程新规律，提炼新概念，研究新理论，总结新方法，从而创新性地发展水文学基础理论．

4) 创新性发展水文模型

20世纪30年代，水文学发展进入试验推理阶段，各种水文学相关的理论应运而生，这些理论公式通过地形、下垫面、植物等多参数阐述和认知水循环的信息和知识．随后，基于经典水文学理论公式，开发了多种水文、水动力、水环境模型，例如SHE[21]、Mike[22]、SWAT[23]等模型，理论公式指导模型相关部分需引入何种算法、哪些参数及常数等[19]．近年来，各种各样的模型相继开发，大多是不同理论公式的多种组合或者是因地制宜的优化，而不是对水文学基础认知的重新思考，至今也没有任何水文模型足以支撑对某个水文现象的确切描述．公众水文学的一项主要内容是重新审视水文模型的合适度，面对“异参同效”、“多参数相互作用”等问题从人工智能、大数据分析等方面进行解决，改变依靠优化参数和方法耦合提高模型精度的现状，创新性发展水文模型．

3 结 语

本文提出了一种新的研究科学途径——公众水文学，借助包括公民、公众设施、物联网在内的公共体系和社会体系，获取泛在感知数据，综合公民科学、管理学、人工智能、测控工程、计算机视觉等多门学科技术方法促进水文学跨越式发展．公众水文学不仅可提供一种研究水文学的全新视角，同时可通过获取多源多元水文信息和集成公众智慧，完善水文学理论，进而打破现有认知的局限，促进水文学范式转移．在下一篇论文中，将着重论述公众水文学与公民科学的差别、公众水文学的主要建设内容和该研究领域在中国的发展机遇．