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水文學(xué)發(fā)展簡述

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對20世紀(jì)包括以前各個時期水文科學(xué)發(fā)展歷程進(jìn)行了回顧，總結(jié)歸納了現(xiàn)代水文學(xué)研究理論基礎(chǔ)和研究基本方法。并對水文學(xué)發(fā)展的前沿問題進(jìn)行了歸納，最后提出了水文學(xué)發(fā)展的前景方向。

水文學(xué) 理論基礎(chǔ) 發(fā)展前景

一、引言

水文學(xué)是研究地球系統(tǒng)中水文循環(huán)過程，時空變化，以及水與生態(tài)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會之間相互作用并運用這些規(guī)律作用為人類服務(wù)的學(xué)科。1962年美國聯(lián)邦政府科技委員會提出水文學(xué)是一門關(guān)于地球上水的存在、循環(huán)、分布，它的物理、化學(xué)性質(zhì)以及環(huán)境包括與生活有關(guān)事物的反應(yīng)的學(xué)科。1987年《中國大百科全書》定義水文科學(xué)是關(guān)于地球上水的起源、存在、分布、循環(huán)運動等變化規(guī)律和運用這些規(guī)律為人類服務(wù)的知識體系。另一方面，由于它在形成與發(fā)展過程中，直接為人類服務(wù)，并受人類活動的影響，具有社會屬性，又屬于應(yīng)用科學(xué)的范疇，其研究方向是應(yīng)用水文或工程水文。[1]

（一）水文學(xué)發(fā)展歷程

自從有了雨量計、水位計和流蘇儀等水文測量設(shè)備以來，水文科學(xué)從早期現(xiàn)象描述階段，轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄐ远康拿枋鏊奶卣鳌Ｔ谶@一時期較為突出的水文科學(xué)大事有：1732年發(fā)明皮托管，1738年提出伯努利方程，1775年提出謝才公式，1802年提出道爾頓定理，1856年提出達(dá)西定律，1871年提出圣維南方程，1889年提出曼寧公式，1899年提出斯托克斯公式。[2]這些公式定理的發(fā)現(xiàn)都對水文科學(xué)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

近現(xiàn)代開始水文學(xué)經(jīng)過大量的理論研究，結(jié)論定理都較為成熟，科學(xué)家開始把水文學(xué)的分析計算帶入實際的河流水文環(huán)境中進(jìn)行分析，并做一些水文預(yù)報，在不斷嘗試和改進(jìn)的過程中，取得了些新的成就。較有影響的成就有1900年美國塞登定律(洪水波速公式)，1911年泰森(面雨量計算)法，1914年海森機(jī)率格紙和水文頻率計算，1931年蘇聯(lián)維利卡諾夫首創(chuàng)流域等流時線概念和方法，1932年美國謝爾曼首創(chuàng)單位(過程)線法和霍爾頓首創(chuàng)下滲原理和公式，以及1935年麥卡錫首創(chuàng)“馬斯京根姆法”。[2]經(jīng)過這些理論的發(fā)展就使水文學(xué)在流域產(chǎn)流，匯流，洪水預(yù)報，方面日趨成熟，進(jìn)入更高的階段。

在近五六十年里，水文學(xué)在伴隨著計算機(jī)科學(xué)，航天科學(xué)的發(fā)展，產(chǎn)生新的發(fā)展機(jī)遇。這一時期水文學(xué)發(fā)展有三個重要的特征，一是水文計算機(jī)模擬模型得到快速發(fā)展，特別是分布式水文模型；二是水文信息獲取和處理技術(shù)得到長足進(jìn)步，如水熱通量測試技術(shù)、遙感技術(shù)以及水循環(huán)示蹤技術(shù)等；三是水文學(xué)與其他學(xué)科的交叉和融合趨勢逐漸顯現(xiàn)并逐步增強(qiáng)，包括生態(tài)水文學(xué)的出現(xiàn)、水文過程與氣候過程耦合等等。[3]

（二）水文學(xué)理論基礎(chǔ)

現(xiàn)代水文學(xué)作為一門獨立學(xué)科，在探索揭示自然界水文現(xiàn)象的規(guī)律性，在了解控制洪水干旱過程，在開發(fā)利用水資源時，經(jīng)過歷史長期總結(jié)積累出一系列公認(rèn)的水文學(xué)原理理論基礎(chǔ)。這些理論主要包括：（1）質(zhì)量守恒定律——水量平衡和其他物質(zhì)，如泥沙、氮、磷、碳等平衡的基礎(chǔ)。這種平衡關(guān)系既可表達(dá)成微分方程式，也可針對有限空間和時間來建立；（2）能量守恒定律——能量平衡和熱量平衡的基礎(chǔ)。這種平衡關(guān)系既可表達(dá)成微分方程式，也可針對有限的空間和時間來建立；（3）牛頓三大定律——描述和分析不同介質(zhì)中水流運動的基礎(chǔ)；（4）疊加性和均勻性原理——線性系統(tǒng)輸入與輸出之間定量表述的基礎(chǔ)；（5）“門檻”效應(yīng)——分析下滲、蒸散發(fā)和產(chǎn)流等水文現(xiàn)象，尋求其定量計算方法的基礎(chǔ)。除此之外，還有包括統(tǒng)計綜合、隨機(jī)獨立性假設(shè)、平穩(wěn)性假設(shè)、重現(xiàn)性假設(shè)、空間分布均勻性假設(shè)等基于數(shù)學(xué)方法發(fā)展而成的理論基礎(chǔ)。[4,5]

（三）水文學(xué)基本方法

水文學(xué)經(jīng)過漫長的發(fā)展不斷進(jìn)步的過程中，不僅形成了自成系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，也形成了一套科學(xué)有效的研究方法。

水文學(xué)的最主要基本方法可以大致分為五類：

一是實地的觀測與調(diào)查，這是對水文狀況進(jìn)行記錄比較，從中發(fā)現(xiàn)一定的規(guī)律性的內(nèi)容，是水文學(xué)從起源一直沿用至今的最基礎(chǔ)和最有效的方法，如水文觀測包括降水、蒸發(fā)、水質(zhì)、泥沙等諸多內(nèi)容，對于未能系統(tǒng)、連續(xù)、有效觀測的水文現(xiàn)象，人們常常以水文調(diào)查來補(bǔ)充，如暴雨調(diào)查、洪水調(diào)查和枯水調(diào)查等；

二是水文實驗與物理模型，盡管人們很早就注重觀察記錄自然水文現(xiàn)象，但是許多水文現(xiàn)象是難以重復(fù)再現(xiàn)的，為了研究水文現(xiàn)象，也為了驗證一些理論的正確性，經(jīng)常進(jìn)行水文實驗或是構(gòu)建一些物理模型，來模擬或描述某些水文過程和環(huán)節(jié)，如徑流試驗場、原狀土柱滲流實驗等；

三是統(tǒng)計與分析，由于自然水文現(xiàn)象具有較高的隨機(jī)性，在許多情況下用嚴(yán)格的物理定律來解釋水文現(xiàn)象顯得很吃力，統(tǒng)計方法也就成為水文學(xué)研究的重要基礎(chǔ)方法，如水文時間系列分析、水文極值事件頻率分析以及地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的應(yīng)用等；

四是數(shù)值模擬方法，在分析了解了水文過程的物理過程并掌握水文過程的系統(tǒng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，就可以利用數(shù)學(xué)方法和計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合建立模擬和預(yù)測水文過程的結(jié)構(gòu)，即實現(xiàn)水文現(xiàn)象和過程的數(shù)值模擬，目前數(shù)值模擬方法應(yīng)用十分廣泛，許多水文模型便是計算機(jī)技術(shù)和水文學(xué)的完美結(jié)合產(chǎn)物；

五是假設(shè)和推理，假設(shè)和推理是自然科學(xué)最基礎(chǔ)的方法論，在水文學(xué)中也有著廣泛應(yīng)用。[6]

二、水文學(xué)前沿發(fā)展

水文學(xué)發(fā)展至今，已經(jīng)解決了許多問題，同樣也總結(jié)發(fā)現(xiàn)了許多亟需解決的前沿科學(xué)問題。首先便是研究思維的轉(zhuǎn)換問題。水文現(xiàn)象也是有許多現(xiàn)象并不能為線性思維所解釋，所以需要轉(zhuǎn)換思維把傳統(tǒng)線性思維轉(zhuǎn)換為非線性思維。利用非線性思維可以解釋水文過程中存在的內(nèi)部的相互作用。

其次是尺度轉(zhuǎn)換的問題，因為我們研究水文規(guī)律總是首先針對一定尺度的流域的，而不可能對地球上所有的大大小小流域都設(shè)站進(jìn)行水文觀測，所以，對于研究結(jié)論的應(yīng)用范圍也需要進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換的適用性研究。

任何學(xué)科的發(fā)展，必定離不開一套行之有效，構(gòu)思巧妙的研究方法來鋪墊，學(xué)科方法與學(xué)科繁榮發(fā)展相互促進(jìn)，學(xué)科的繁榮發(fā)展在很大程度上得益于學(xué)科方法的創(chuàng)新，反過來學(xué)科的繁榮又會有力地促進(jìn)學(xué)科方法的深化和更奇妙方法的涌現(xiàn)。

水文學(xué)方法發(fā)展的過程可以概括為“從經(jīng)驗到理論”：最初不明白理論基礎(chǔ)，以后可以找到；原先是純經(jīng)驗性的，后來參數(shù)的物理意義、方程的物理實質(zhì)也弄清楚了。但是在水文學(xué)的發(fā)展過程中，我們不得不進(jìn)行許多假設(shè)和猜想，例如：假設(shè)全球水文循環(huán)是一個閉合系統(tǒng)；假設(shè)水文要素在一定空間范圍內(nèi)分布均勻；假設(shè)有限時段內(nèi)水文要素變化均勻等假設(shè)及猜想。這些假設(shè)很難用實踐來證實，有待進(jìn)一步提高精度。

三、水文學(xué)的發(fā)展前景

由于人類影響范圍的擴(kuò)大，全球尺度的氣候變化對于流域水循環(huán)系統(tǒng)的輸入與輸出產(chǎn)生較為重要的影響；人類消耗利用水量占自然水循環(huán)的比重越來越大，人類活動在自然的蒸發(fā)——降雨的主循環(huán)內(nèi)，形成了形式更為復(fù)雜的小循環(huán)圈，使得流域水循環(huán)具有了明顯的二元結(jié)構(gòu)；人類對于地球下墊面的改變，也對流域水狀況產(chǎn)生一系列影響，例如城鎮(zhèn)化、修建綠地、圍湖造田等活動對流域水文學(xué)產(chǎn)生一定的影響。正是由于人類未來發(fā)展變化，相應(yīng)的水文學(xué)的發(fā)展也不同于過去的研究內(nèi)容。

未來一個時期現(xiàn)代水文學(xué)發(fā)展的重點主要集中在五方面：（1）現(xiàn)代水文基礎(chǔ)理論研究。現(xiàn)有的水文學(xué)基礎(chǔ)理論建立在自然水循環(huán)動力學(xué)機(jī)理的基礎(chǔ)上，隨著人類活動影響的加劇，迫切需要在原有的水文學(xué)的基礎(chǔ)上，人類活動對于水循環(huán)的影響表現(xiàn)出來，將水循環(huán)提升到社會水循環(huán)的層面研究。（2）現(xiàn)代環(huán)境下的水文現(xiàn)狀及其規(guī)律研究。重點包括三個方面內(nèi)容，一是全球變化和人類活動影響下的水文現(xiàn)狀，如溫室效應(yīng)下的水文學(xué)現(xiàn)狀、土地利用變化下水文學(xué)現(xiàn)狀；二是水循環(huán)分過程的耦合模擬，主要是流域尺度水循環(huán)的地表過程、土壤過程、地下過程的整體模擬及其與大氣過程的耦合模擬；三是現(xiàn)代環(huán)境下的水文規(guī)律認(rèn)知，包括水文過程的量質(zhì)演變、時空分布特性以及特征值變化等。（3）水文循環(huán)系統(tǒng)邊界問題研究。由于水問題通常是兩大系統(tǒng)相互作用的表現(xiàn)，而當(dāng)代世界系統(tǒng)聯(lián)系越來越緊密難以區(qū)分，因此水文學(xué)今后在重視水循環(huán)規(guī)律及其演變機(jī)理研究的同時，要更加注重系統(tǒng)邊界問題的研究，要深入研究系統(tǒng)界面交互過程與通量問題。（4）水文預(yù)測和預(yù)報研究。由于水文過程固有的隨機(jī)特性，以及變化環(huán)境下的現(xiàn)代水文過程所具有非重復(fù)特性，因此在一定的預(yù)見期內(nèi)進(jìn)行科學(xué)的水文預(yù)測預(yù)報是現(xiàn)代水文學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)內(nèi)容之一，這就要求我們能夠構(gòu)建有物理機(jī)制的預(yù)測模型并與氣象預(yù)報緊密結(jié)合起來。（5）發(fā)展系統(tǒng)性與整體性:地球是一個系統(tǒng)的整體，需要從整體考慮研究地球氣候變化、水循環(huán)和生態(tài)平衡的相互作用，并預(yù)測未來趨勢的變化和對人類社會經(jīng)濟(jì)影響，系統(tǒng)水文學(xué)的發(fā)展是大勢所趨。

地球環(huán)境變化和人類活動改變了水文循環(huán)路徑，全球氣候變化影響了水文循環(huán)過程的上邊界，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展所致的高強(qiáng)度人類活動深刻地改變著水文過程的下邊界。[8]這些不斷變化時刻在改變著水文現(xiàn)象。我們試圖將多尺度上的自然、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會的動態(tài)過程集于一體，作為一個系統(tǒng)來研究水文變化，這就要求水文學(xué)向更加系統(tǒng)科學(xué)的方向繼續(xù)發(fā)展。

[1]葉守澤，夏軍.水文科學(xué)研究的世紀(jì)回眸與展望[J].水科學(xué)進(jìn)展，2002，13（1）：93-104.

[2]賴佩英.現(xiàn)代水文學(xué)進(jìn)展概述[J].江淮水利科技，2006，3：3-4.

[3]芮孝芳，劉方貴，邢貞相.水文學(xué)的發(fā)展及其所面臨的若干前沿科學(xué)問題[J].水利水電科技發(fā)展，2007，27（1）：75-79.

[4]芮孝芳.水文學(xué)原理[M].北京:中國水利水電出版社，2004.

[5]芮孝芳.水文學(xué)的研究方法與理論創(chuàng)新[J].水利水電科技進(jìn)展，2003，23（2）：46-50.

[6]芮孝芳，梁霄.水文學(xué)的現(xiàn)狀及未來[J].水利水電科技進(jìn)展，2011，31（2）：1-4.

[7]任立良，江善虎，袁飛，等.水文學(xué)方法的演進(jìn)與詮釋[J].水科學(xué)進(jìn)展，2011,22（4）：586-592.