基於2001年國家自然科學基金委員會水利學科有關申請書的申請材料和專家評議意見，分析了水科學研究中水文水資源學科、環境水利學科和農田水利學科近期的研究進展情況，指出了水文尺度轉換、高新技術在水文水資源中的應用和水資源評價指標體系的建立等是當前水科學研究的前沿問題。
關鍵詞：前沿水科學水文水資源環境水利農田水利
水科學的研究是二十世紀末期人類極為關注的課題之一。自然界中水演化規律的複雜性，人類活動對天然水影響的日益加劇，致使水問題愈加突出，從而極大地影響和制約了人類社會的生存和發展。高新技術在水科學研究中的應用，有力地推動了水科學的研究程序。本文分析了水文水資源、環境水利、農田水利等學科在21世紀初研究的前沿問題。
1水文水資源
水文水資源學科分為水文極值理論與計算、水文預報理論與方法、水資源開發利用管理理論與方法等3個方向，目前是水科學研究中比較活躍的一個分支。
水文學研究的物件主要為大氣、植被、地表、土壤及含水層中的水分運移和相互間的水分轉化[1]。目前研究的重點和難點問題主要有：空間分佈問題、水文尺度問題、穩定化數值演算法問題、分佈引數計算、區間入流反演、單寬入流過程的反推等。引入的新理論和新方法有神經網路模型、灰色模型、遺傳演算法、分形、混沌理論等。水文預報方法中數學模型的研究由黑箱模型發展到概念性模型，目前這一領域的研究主要集中在概念性模型的引數識別、模型引數的實時矯正技術；隨著GIS（地理資訊系統）空間資訊處理技術及相應計算機軟體、高效能微機工作站及數字地形高程（DEM）等技術的出現，使得與水文水環境有關的地理空間資料的獲取、管理、分析、模擬和顯示變為可能，開始出現了分散式物理水文模型和半分散式物理水文模型等新的洪水預報模型，其中，分散式物理水文模型將在近幾年內有較快的發展。今後水文學的主攻方向將是區域尺度大氣輸入和分散式水文模型相耦合、新技術體系在流域水文學上的應用以及建立數學模型模擬人類活動影響下的地下、地表水質和水量的變化情況[1]。
水資源的優化配置一直是水資源高效利用需要討論的議題之一，隨著近幾年來我國北方部分城市嚴重缺水以及洪、澇、旱等災害的不斷出現，使得該分支的發展越來越受到社會各界的普遍關注，如何使水資源充分發揮作用，使之有利於人類社會的發展成為眾多學者為之努力的方向。為減輕洪澇災害的發生，在分析流域水位徑流資料的基礎上修建防洪功能水庫，通過建立排程決策支援系統減少災害損失的發生，同時也考慮洪水資源化，將洪水引入到適當地方儲存起來，供缺水時使用。長距離調水是我國解決水資源南北分佈不均、北方城市嚴重缺水的重要手段，由此而來的如何合理建立水市場便成為急待解決的問題之一，有關水權、水價的形成機制以及效益補償機制的建立成為該領域理論與實踐研究的前沿課題，這一領域也體現了水資源學與管理學、經濟學、社會學、法學等多學科交叉的特色。流域水資源管理從水資源工程的多目標開發和統一管理，逐漸發展為集地下水、地表水、溼地、水生生態系統於一體，統籌規劃設計、實施和保護的流域水資源整合管理。以水資源系統工程、大系統多目標優化理論、決策分析以及協商理論和對話機制為基礎建立的水資源管理決策支援系統為水資源統一協調管理提供了強有力的支援。
開源節流是解決水資源緊缺問題的主要途徑。城市雨水資源化就是一個很好的節水思路。現在城市雨水大多是通過下水道直接進入城市排水系統中，在雨量較大時，常常造成排水不暢，引起城區滯水，給人們生活帶來諸多不便。如能將這部分雨水充分利用，對緩解城市水資源短缺，減輕城市排水系統的壓力將起到雙重作用。
地表水和地下水的相互作用是科學家們所熱切關注的話題，目前多從野外試驗、示蹤劑、模型模擬和儀器測量等方面研究地下水與地表水交錯帶上發生的各個過程及地下水在質和量上的相互作用。
數字地球、數字流域概念的提出，進一步推動了水文水資源科學的發展。地理資訊系統（GIS）、全球定位系統（GPS）和遙感技術（RS），或稱為“3S”系統，在水文水資源研究和應用領域的應用，使得開發整個流域的產匯流過程，對洪水演進和淹沒進行三維空間的動態模擬模擬系統成為可能，這些技術的發展無疑對防洪部門的決策具有重要的參考價值。
2環境水利
環境問題是21世紀全世界各國所面臨的重要問題之一，環境水利學科基礎研究主要涉及到河流水環境、非點源汙染防治及治理、水汙染處理工程等方向。
河流水汙染是近年來人們普遍關注的主要環境問題之一，我國河流水環境質量總體較差，有必要加強河流水質管理、治理汙染和防止汙染加劇。目前這方面的研究主要集中在：①研究河流水環境質量發展趨勢。建立水環境質量監測網，跟蹤研究水環境質量因子在河流中的變化情況，預測河流水環境質量的變化趨勢；②河流水環境不確定性風險研究是世界性的難點和熱點問題。由於河流的多用途性，使得河流水環境經常會遭到一些意想不到的破壞，而這種破壞是帶有突發性和不確定性的，因此給河流水環境的風險研究提出了更高的要求；③建立河流生態環境預警系統。與河流水環境質量發展趨勢相對應，如果某個或某些水環境質量因子的發展趨勢向著河流生態環境質量惡化的方向發展，並接近生態環境可允許的邊緣時，通過發出警報，使人們能夠及時採取措施預防和治理；④河流水體的動態耗氧、復氧機理。研究河流的變化應儘量接近河流的天然情況，河流水體的動態耗氧、復氧過程正是基於此而提出的，研究河流水體的動態耗氧、復氧機理對於正確認識河流水體中氧氣的耗用情況，進而研究河流水質的發展變化機理有重要意義；⑤江河生態環境最小需水量定量化理論和應用研究。江河生態環境是江河在長期的演化過程中形成和發展起來的較穩定的生態關係，研究江河生態環境最小需水量對保護自然界生態平衡、確定人類可引用的河水數量具有重要參考價值。
非點源汙染方面的研究，集中在人類活動對地下水汙染的預測和如何對汙染物進行治理等方面。由於非點源汙染需要綜合和顯示各種空間資訊，利用GIS對空間資料的處理能力及模型的模擬能力，可研究不同的土地利用方式對流域水文和水質的影響。農業非點源汙染是造成地表水富營養化的一個主要原因，研究溼地生態系統對農業非點源氮、磷等元素的削減能力，為減輕和控制富營養化提供依據。對溼地非點源汙染的控制機理研究將對非點源汙染的治理起到積極作用。
水汙染處理工程方向的研究愈來愈受到重視，地下水汙染是水汙染中較難解決的問題之一。我國地下水和土壤汙染相當嚴重，主要汙染物是重金屬離子和有毒有害有機物，據調查，超過50%的城市地下水受到不同程度的汙染。受汙染士壤和地下水的修復技術基本上分兩類：物理化學型別和生物學型別。物理化學型別包括隔離、泵抽取、地上處理、士壤清洗、萃取、固化和穩定化等；生物修復技術包括地上生物處理和地下現場生物修復等。物理化學型別能夠徹底清除土壤和地下水中的汙染，其缺點是嚴重影響士壤的'結構和地下水所處的生態環境，而且成本非常高；相比，現場生物修復技術不會破壞生態環境，但是修復過程非常緩慢，效率低。目前出現了一種電動力學修復技術，既能修復受汙染的土壤和地下水而又不會破壞生態環境，成為修復技術的發展方向[7]。水汙染治理機理研究集中在：微生物措施研究，利用有益微生物保護水源；研究曝氣生物濾池中的氣液固三相流，提高汙水處理效率；研究深層均質濾料濾池處理微汙染水的氧化機理等方面。此外，水汙染經濟損失評估、湖泊富營養化機理、生態環境評價指標體系等方面也是環境水利學科研究的熱點問題。
3農田水利
農田水利研究以農田節水、作物高產為中心，涵蓋了節水灌溉理論與方法，節水灌溉綜合技術體系，灌溉排水技術與方法等方面的研究。
土壤水與作物關係問題的研究是農田水利研究的基礎，圍繞著農田土壤水分的轉化問題與農田水分的有效利用開展了大量的研究。土壤水研究現已從單學科走向多學科交叉，如水熱和溶質的耦合運移，土壤-植物-大氣連續體中的水熱運移等。其研究特點亦從均質走向非均質，從點的研究走向面（或區域）的研究，從理論研究推進到應用研究。土壤水運移機理研究目前集中在優先流、土壤水引數的測定和確定、土壤水引數的空間變異性、土壤水分運動的隨機模型等幾個方面。
為緩解農業用水緊張狀況或為了提高灌溉水利用率、提高水分生產效率、增加用水者的經濟效益或減少勞動力和動力消耗而採取的節水措施主要有：①輸配水過程：渠系改建、渠道防滲、管道化輸水灌溉、灌區現代化管理；②田間輸水過程：水平畦田灌、噴灌、滴灌、滲灌、小管出流、波湧灌（渾水波湧灌）、膜上（下）灌、有限灌溉（限水灌溉、非充分灌溉、調虧灌溉）、集雨灌溉；③作物吸收轉化過程：坐水種、機械保墒、化學保墒、秸杆（薄膜）覆蓋等。近來，節水灌溉出現的新概念、新方法還有：地下滴灌、微噴灌、節水控鹽灌溉、控制性分根交替灌溉、微鹹水灌溉[2]等。
灌區現代化管理是獲得灌區系統的最優執行、充分發揮工程效益的良好手段。灌溉排水規律的複雜、水資源日趨緊張、綜合利用供需矛盾的增加都需要加強灌溉排水系統的集中管理。自動化、GIS、GPS、RS、水情自動測報系統等技術的發展，為實現灌區管理現代化提供了技術支援。實現灌區現代化管理，首先要有灌溉工程控制裝置的自動化，其次有先進的系統執行軟體對系統控制問題進行決策，從而建立灌區現代化管理決策支援系統，指導灌溉用水過程。
水平畦田灌是田面非常平整條件下的畦灌，要求供水流量大、土地平整精度高。用傳統技術難以滿足其精度要求，必須在進行大地測量後，採用鐳射平地技術。該技術在美國等發達國家被稱為是地面灌溉最重要的進展之一[8]。波湧灌溉利用了緻密層在發展中不斷減小田面糙率與土壤入滲特性這一客觀規律，逐次為以後各週期的灌溉水流創造了一個加速水流推進與提高減滲效果的新介面。渾水波湧灌溉則是利用含沙量較高的水進行波湧灌概，能夠起到更加明顯的效果[4]。地下滴灌是目前節水效應最為顯著的灌水方式之一，它具有微灌的所有優點，又在生態環境保護方面效果明顯，將農、水和生態等學科交叉融合，統一考慮地下滴灌技術引數組合與作物生長髮育和水肥利用的關係，能較好地協調土壤水、肥、氣等狀況，防止土壤板結，為作物創造良好的生長環境，具有明顯的節水增產效益。目前該領域的研究主要集中在以提高水肥利用率及根區水分養分運移過程的效率為目標進行的地下滴灌灌水技術引數的優化試驗研究。微噴灌具有節水、調節田間小氣候等特點，缺點是受風影響大，飄逸損失多。目前，國內外微噴灌工程對水滴分佈函式、飄逸蒸發係數研究不夠。節水控鹽灌溉制度設計模型以作物生長對土壤水鹽狀態的響應為依據，在分析作物水鹽模型和大田水鹽平衡理論的基礎上，研究淡水、微鹹水交替灌溉條件下灌溉制度的優化設計，是節水灌溉制度的一種新的設計方法[5]。控制性分根交替灌溉是一種區域性根系受累時既能滿足作物水分需求，又能控制蒸騰耗水的農田節水調控新思路[6]。微鹹水是我國北方地區重要的水資源，實施微鹹水灌溉對北方地區水資源的合理開發利用，提高作物產量，開闢新的灌溉水源、緩解我國北方缺水狀況將有重要意義。節水灌溉綜合技術體系也叫節水農業技術體系，是為充分利用降水和可用水資源採取水利措施、農業措施和管理措施，提高水的利用率和利用效率，達到農作物高產高效的成套技術。是一項包括水源、輸水、田間供水、生物和管理等子系統構成的系統工程[8]。該技術體系可緩解水資源供需矛盾，促進高產、優質、高效農業發展。在排水控制澇漬和鹽鹼化方面，目前採用的方法有明溝排水、豎井排水、二元結構水文地質條件下的豎井排水、暗管排水、輻射井排水等，研究內容主要集中在對田塊、排域的排水模數等方面。分析節水灌溉技術的不同尺度影響，地理資訊系統（GIS）在節水評價中的應用也是當前研究的熱點問題。
4小結
水科學的研究已經進入了一個全新的發展時期，研究的物件已經向微觀和巨集觀兩個領域的深層次發展，研究的尺度也呈現區域、流域、全球平行發展的態勢，各尺度的轉換問題研究是當今水科學研究的前沿課題之一。水科學與多學科的交叉仍然是水科學由理論轉向實際的重要手段，高科技領域在水文水資源研究中的應用更加廣泛；水資源評價已發展到在可持續發展思想指導下，不僅進行水量評價，而且包括水質、水資源保護、水資源經濟、水資源管理等全方位評價的評價指標體系；水環境問題的研究中，點汙染、線汙染和麵汙染研究並舉，並以非點源汙染的研究領域有較大的開拓；加強了人類活動對水迴圈影響的研究；開發研製具有水文過程模擬、水汙染控制、水資源規劃與管理等功能的流域規劃決策支援系統軟體等。
