水文學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)述

余露 天水市輻射監(jiān)督站

水文學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)述

余露 天水市輻射監(jiān)督站

對(duì)20世紀(jì)包括以前各個(gè)時(shí)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(duì)水文學(xué)發(fā)展的前沿問(wèn)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(guò)程，時(shí)空變化，以及水與生態(tài)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)之間相互作用并運(yùn)用這些規(guī)律作用為人類服務(wù)的學(xué)科。1962年美國(guó)聯(lián)邦政府科技委員會(huì)提出水文學(xué)是一門(mén)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(guó)大百科全書(shū)》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(yùn)動(dòng)等變化規(guī)律和運(yùn)用這些規(guī)律為人類服務(wù)的知識(shí)體系。另一方面，由于它在形成與發(fā)展過(guò)程中，直接為人類服務(wù)，并受人類活動(dòng)的影響，具有社會(huì)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(jì)、水位計(jì)和流蘇儀等水文測(cè)量設(shè)備以來(lái)，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(shí)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(duì)水文科學(xué)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

近現(xiàn)代開(kāi)始水文學(xué)經(jīng)過(guò)大量的理論研究，結(jié)論定理都較為成熟，科學(xué)家開(kāi)始把水文學(xué)的分析計(jì)算帶入實(shí)際的河流水文環(huán)境中進(jìn)行分析，并做一些水文預(yù)報(bào)，在不斷嘗試和改進(jìn)的過(guò)程中，取得了些新的成就。較有影響的成就有1900年美國(guó)塞登定律(洪水波速公式)，1911年泰森(面雨量計(jì)算)法，1914年海森機(jī)率格紙和水文頻率計(jì)算，1931年蘇聯(lián)維利卡諾夫首創(chuàng)流域等流時(shí)線概念和方法，1932年美國(guó)謝爾曼首創(chuàng)單位(過(guò)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(guò)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(bào)，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(jì)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(shí)期水文學(xué)發(fā)展有三個(gè)重要的特征，一是水文計(jì)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(zhǎng)足進(jìn)步，如水熱通量測(cè)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(shì)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(guò)程與氣候過(guò)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(mén)獨(dú)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(guò)程，在開(kāi)發(fā)利用水資源時(shí)，經(jīng)過(guò)歷史長(zhǎng)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(duì)有限空間和時(shí)間來(lái)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(duì)有限的空間和時(shí)間來(lái)建立；（3）牛頓三大定律——描述和分析不同介質(zhì)中水流運(yùn)動(dòng)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(mén)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(jì)算方法的基礎(chǔ)。除此之外，還有包括統(tǒng)計(jì)綜合、隨機(jī)獨(dú)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(guò)漫長(zhǎng)的發(fā)展不斷進(jìn)步的過(guò)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(shí)地的觀測(cè)與調(diào)查，這是對(duì)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(cè)包括降水、蒸發(fā)、水質(zhì)、泥沙等諸多內(nèi)容，對(duì)于未能系統(tǒng)、連續(xù)、有效觀測(cè)的水文現(xiàn)象，人們常常以水文調(diào)查來(lái)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(shí)驗(yàn)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(yàn)證一些理論的正確性，經(jīng)常進(jìn)行水文實(shí)驗(yàn)或是構(gòu)建一些物理模型，來(lái)模擬或描述某些水文過(guò)程和環(huán)節(jié)，如徑流試驗(yàn)場(chǎng)、原狀土柱滲流實(shí)驗(yàn)等；

三是統(tǒng)計(jì)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(lái)解釋水文現(xiàn)象顯得很吃力，統(tǒng)計(jì)方法也就成為水文學(xué)研究的重要基礎(chǔ)方法，如水文時(shí)間系列分析、水文極值事件頻率分析以及地質(zhì)統(tǒng)計(jì)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(guò)程的物理過(guò)程并掌握水文過(guò)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(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合建立模擬和預(yù)測(cè)水文過(guò)程的結(jié)構(gòu)，即實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)象和過(guò)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(jì)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(wèn)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(wèn)題。首先便是研究思維的轉(zhuǎn)換問(wèn)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(guò)程中存在的內(nèi)部的相互作用。

其次是尺度轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，因?yàn)槲覀冄芯克囊?guī)律總是首先針對(duì)一定尺度的流域的，而不可能對(duì)地球上所有的大大小小流域都設(shè)站進(jìn)行水文觀測(cè)，所以，對(duì)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(kāi)一套行之有效，構(gòu)思巧妙的研究方法來(lái)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(guò)來(lái)學(xué)科的繁榮又會(huì)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(guò)程可以概括為“從經(jīng)驗(yàn)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(yàn)性的，后來(lái)參數(shù)的物理意義、方程的物理實(shí)質(zhì)也弄清楚了。但是在水文學(xué)的發(fā)展過(guò)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(gè)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(shí)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(shí)踐來(lái)證實(shí)，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(duì)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(lái)越大，人類活動(dòng)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(duì)于地球下墊面的改變，也對(duì)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(dòng)對(duì)流域水文學(xué)產(chǎn)生一定的影響。正是由于人類未來(lái)發(fā)展變化，相應(yīng)的水文學(xué)的發(fā)展也不同于過(guò)去的研究?jī)?nèi)容。

未來(lái)一個(gè)時(shí)期現(xiàn)代水文學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)主要集中在五方面：（1）現(xiàn)代水文基礎(chǔ)理論研究?，F(xiàn)有的水文學(xué)基礎(chǔ)理論建立在自然水循環(huán)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的基礎(chǔ)上，隨著人類活動(dòng)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(dòng)對(duì)于水循環(huán)的影響表現(xiàn)出來(lái)，將水循環(huán)提升到社會(huì)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(diǎn)包括三個(gè)方面內(nèi)容，一是全球變化和人類活動(dòng)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(guò)程的耦合模擬，主要是流域尺度水循環(huán)的地表過(guò)程、土壤過(guò)程、地下過(guò)程的整體模擬及其與大氣過(guò)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(guò)程的量質(zhì)演變、時(shí)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(wèn)題研究。由于水問(wèn)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(lái)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(shí)，要更加注重系統(tǒng)邊界問(wèn)題的研究，要深入研究系統(tǒng)界面交互過(guò)程與通量問(wèn)題。（4）水文預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)研究。由于水文過(guò)程固有的隨機(jī)特性，以及變化環(huán)境下的現(xiàn)代水文過(guò)程所具有非重復(fù)特性，因此在一定的預(yù)見(jiàn)期內(nèi)進(jìn)行科學(xué)的水文預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)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(cè)模型并與氣象預(yù)報(bào)緊密結(jié)合起來(lái)。（5）發(fā)展系統(tǒng)性與整體性:地球是一個(gè)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(cè)未來(lái)趨勢(shì)的變化和對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響，系統(tǒng)水文學(xué)的發(fā)展是大勢(shì)所趨。

地球環(huán)境變化和人類活動(dòng)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(guò)程的上邊界，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所致的高強(qiáng)度人類活動(dòng)深刻地改變著水文過(guò)程的下邊界。[8]這些不斷變化時(shí)刻在改變著水文現(xiàn)象。我們?cè)噲D將多尺度上的自然、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的動(dòng)態(tài)過(guò)程集于一體，作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)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(wèn)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(guó)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(lái)[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.