系統水文學

1957年納希（J.E.Nash）將流域概化成N個相等水庫的串聯，導出著名的納希瞬時單位線。1972年周文德將流域或河段概化成若干個演算單元。根據其水量平衡和蓄泄關係導出一般線性水文系統模型。

研究地球大氣層、地表及地殼內水的分佈、運動和變化規律，以及水與環境相互作用的學科，屬於地球物理科學範疇。通過測驗、分析計算和模擬，預報自然界中水量和水質的變化和發展，為開發利用水資源、控制洪水和保護水環境等方面提供科學依據。屬於地球物理學和自然地理學的分支學科。

水文學與氣象學、海洋學、地質學、自然地理學等學科關係密切。廣義的水文學可分為水文氣象學、海洋水文學和陸地水文學。水文氣象學主要研究大氣中水汽的變化規律，包括大氣中的水循環和水量平衡，以蒸發、凝結、降水為主要方式的大氣與下墊面的水分交換，是水文學與氣象學的邊緣學科。海洋水文學主要研究海洋的水文現象，包括波浪、潮汐和海流等，屬海洋學的內容之一。陸地水文學主要研究陸地上各種水體的水文現象和運動規律。隨着生產發展的需要和研究工作的深入，已形成河流水文學、湖泊水文學、冰川水文學、地下水水文學等分支。陸地水文學中直接為工業、農業、交通等生產部門服務的內容稱為應用水文學。狹義的水文學通常指陸地水文學和應用水文學。

早在聯合國教科文組織國際水文計劃10年(IHD)(1965～ 1974年)的末期,生態水文學是一個集地表水文學、地下水文學、植物生理學、生態學、土壤學、氣象學和自然地理學等於一體 ^[1]  。過去單純水文物理學過程的研究逐漸有了環境和生態方面內容,尤其來自其他學科知識的溶入和交叉,如自然地理學、生態學、水文地質學、河流地貌學、土壤物理學等,他們對水文學自身的發展起到了重要推動作用。生態水文科學研究是區域生態系統研究和區域水文科學研究的交叉領域 ^[2]  。這些都歸結為環境水文學的範疇。因為在這些分支學科中都對水分平衡、營養物質和沉積物質量平衡的物理過程感興趣,研究的熱點是從Kirkby(1978)編著的山坡水文學開始。

20世紀70年代,Hynes試圖結合生態過程和水文過程。但在過去10～ 20年間,絕大多數的研究都集中在特定方面,例如無脊椎動物生態和生物監測、魚類科學,沉積物等方面。20世紀70年代和80年代,發展起來的徑流過程數字地形模型提供了土地利用變化對徑流、侵蝕、沉積以及水質等影響的空間觀點。同時,80年代對酸雨問題的研究激發了相關工作的進展,如在北美和歐洲對水文學和化學之間關係的研究,進一步促進了環境水文學的發展,即使在南半球,水文學團體也在向這一領域接近。

生態水文學的提出最早是從水陸緩衝帶開始的。在世界的許多地區,淡水資源正在成為生態系統和經濟發展的限制性因素。但同時對淡水生態系統的各種負面影響仍在不斷擴大。

根據Popper(1980)對未來的預測,現有的方法已不能解決環境問題。在1992年于都柏林召開的水和環境國際會議上,提出了尋求新的方式解決環境問題,這就是生態學和水文學結合的原因。那麼,為什麼生態學和水文學的結合能夠建立一種新的模式呢?流域的可持續發展不是一種自發的過程,而是基於深刻理解水文學、生物機制和流域經濟關係基礎上的一種策略。

在世界的絕大部分地區,這一策略談論的很多,但具體落實存在許多問題與困難。生態水文學能夠滿足決策論成功策略行為的二個基本條件:排除威脅和擴大機會。作為提高淡水資源質量的工具,生態水文過程應用的目標之一是減少費用、增加保護和恢復的有效方式,進一步提高系統的可持續性。另一目標就是建立科學家、政策制定者和決策者之間新的關係。因此,在未來應該設立一個項目生態水文學(EH),用以綜合大尺度、長時間水文過程和生態過程的研究。

水資源短缺、水質惡化和生物多樣性鋭減等環境問題的出現,使得生態水文學的研究成為熱點問題。早期的生態水文學概念只用於濕地、沼澤、水陸過渡帶等水生生態系統。大約從20世紀80年代初期以來,水文學家開始關注其他景觀中水與生態過程的相互關係,研究範圍不再侷限於水生生態系統。國際知名的英國水文研究所在80年代末開始了生態水文學方面的科學研究。90年代末,英國水文研究所正式改名為“生態水文學研究中心”。

在生態水文學或水文生態學的研究領域,活躍着一大批科學團體,使得這一領域的研究有了很大的進展。由Maciej Zalewski提出的聯合國教科文組織國際水文計劃(UNESCO IHP)-V(2.3/2.4)的實施,是生態水文學出版物發行的一個里程碑。當時的主要出版物有Zalewski等人發表的“生態水文學水生資源可持續利用的一個新範例”;發表在“生態工程雜誌”中的生態水文學專刊;以Zalews-ki為特約主編致力於生態水文學研究的新期刊等。另外,其他相互獨立的專家組也在生態水文學的研究領域中做出了重要貢獻,其中包括由Baird&Wilby以生態水文學和Acreman以水文生態學為書名編著的2本書。

儘管出現了大量涉及生態水文學方面的文章,但生態水文學或水文生態學還沒有一個統一的概念。迄今為止,生態水文學和水文生態學的定義都涉及到生態學和水文學2個學科,一種理解是2個學科的交叉,而另一種理解則認為是一個學科對另一個學科的影響(水文系統對生態系統的影響,反之亦然)。在Eco-hydrology一詞中,生態一詞是用於修飾Hydrology的,概念更多地強調水文學而不是生態學;而在Hydro-ecology一詞中,Hydro-是ecology的修飾語,關注的生態學問題多於水文學問題,主要描述的是水文對生態的影響。

生態水文學的定義還處於十分混亂的狀態,不僅對生態水文學這一術語有不同的解釋,而且對生態水文學和水文生態學的認識也令人迷惑。生態水文學的概念首先由Zalewski等人提出,是指對地表環境中水文學和生態學相互關係的研究。在他後來的文章中認為生態水文學是在流域的尺度上,研究水文和生物相互功能關係的科學,是實現水資源可持續管理的一種新方法[8]。同時指出氣候、地形、植物羣落和動態、人類活動的影響這4個因素決定了環境中水的動態變化,表明在不同的環境中生態過程和水文過程之間的相互關係各不相同。Rodriguez[9]認為生態水文學作為一門學科,是指在生態模式和生態過程的基礎上,尋求水文機制的一門科學。在這些過程中,土壤水是時空尺度內連接氣候變化和植被動態的關鍵因子。在他後來的研究中認為植物是生態水文學的核心內容。Nuttle[10]認為生態水文學是生態學和水文學的亞學科,它所關心的是水文過程對生態系統配置、結構和動態的影響,以及生物過程對水循環要素的影響。這一定義聚焦於水文過程在生態系統中所起的作用上,這與Rodriguez所提到的在生態模式和生態過程上研究水文機制的概念相一致。Hatton認為生態水文學需要在質量守恆和能量守恆定律的基礎上,在周圍環境不同的情況下,研究環境過程的機制。Acreman關於應用水文生態學的定義:是指運用水文學,水力學、地形學和生物學(生態學)的綜合知識,來預測不同時空尺度範圍內,淡水生物和生態系統對非生物環境變化的響應。另外,水文生態學側重研究河流及洪泛平原區的水文與生態過程以及建立模擬這二個過程相互作用的模型。