工程水文學技術的研究方法

郭樹賢

摘 要：隨著水文學研究的深入及其在生產(chǎn)實踐中的廣泛應用，其形成了各種分支學科，如水文氣象學、河流水文學、湖泊水文學、沼澤水文學、冰川水文學及地下水文學等?；诖?，本文結合有關經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，首先闡述工程水文學，然后分析水文現(xiàn)象及其基本規(guī)律，最后探討水文學的研究方法和特點。

關鍵詞：水文學；工程水文學；水文現(xiàn)象

中圖分類號：P333 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）04-0081-02

Analysis of Engineering Hydrology Research Methods

GUO Shuxian

（Henan Province Xinxiang Hydrology and Water Resources Survey Bureau，Xinxiang Henan 453600）

Abstract： With the deepening of hydrology research and its wide application in production practice， it has formed various branches， such as hydrology and meteorology， river water literature， lake hydrology， swamp hydrology， glacial hydrology and underground water literature. Based on this， combined with relevant experience and data， the paper first expounded engineering hydrology， then analyzed the hydrological phenomena and their basic rules， and finally discussed the research methods and characteristics of hydrology.

Keywords： hydrology；engineering hydrology； hydrologic phenomenon

1 工程水文學概述

1.1 水文學

水文學就是研究陸地上江河、湖泊、沼澤、冰川、地下水和海洋等各種水體的存在、分布、循環(huán)、物理化學性質等因素的變化規(guī)律的學科。隨著水文學研究的深入及其在生產(chǎn)實踐中的廣泛應用，其形成了各種分支學科，如水文氣象學、河流水文學、湖泊水文學、沼澤水文學、冰川水文學及地下水文學等。

河流水文學是主要研究地表水的科學，包括水文測驗與調查、水文實驗、水文分析與計算、水文預報、水文地理及河流動力學等內容。

水文測驗與調查，通過水文測驗設施觀測和野外、史記等的調查，收集基礎水文資料信息；水文實驗，通過室內和野外實驗，研究水量、水質變化的機制，以及水文循環(huán)、徑流形成的基本規(guī)律；水文分析與計算，也稱為水文預測，根據(jù)水文要素變化的基本規(guī)律，預測水文現(xiàn)象在未來一定時期內可能出現(xiàn)的概率；水文預報，根據(jù)水文要素及其影響因素的已知狀態(tài)，對其未來預見期內的狀態(tài)作出回答；水文地理，研究水文要素與流域面積、地面坡降等地理因素間的關系；河流動力學，通過水、沙運動的力學機制，研究水文要素與河流形態(tài)變化的關系，包括河床的沖刷與泥沙淤積等。

1.2 工程水文學

工程水文學是將水文科學應用于工程建設，為工程規(guī)劃、設計、施工及運行管理提供水文依據(jù)的一門科學，屬于水文學的一個重要分支，主要研究工程中所需的水文分析計算和水文預報的基本理論和方法，預測、預報各水文現(xiàn)象，如降水、水位、流量、水質等的變化情勢。

1.3 工程水文學的應用

人類生存的基本環(huán)境空間由氣圈、水圈和地圈構成，其中氣和水只是水分的不同存在形式，均屬于水文學的研究范疇。工程水文學應用于工程建設主要有以下幾個階段。第一，工程規(guī)劃設計階段，根據(jù)工程設計標準，需要通過水文分析與計算，預測工程運用期河流或流域的來水量及其變化，以便確定工程的設計規(guī)模。若區(qū)域水量預計過大，則工程規(guī)模偏大，導致工程投資過大。反之，則工程規(guī)模偏小，致使建筑物達不到預期設計標準，運用標準降低。在這一階段，工程對環(huán)境的影響評估、水土保持方案編制等也需要水文學知識。第二，工程施工階段，需要預報或估算施工期的設計洪水，以便確定圍堰、導流建筑物的規(guī)模，同時水文預報還為科學安排施工進度所用。例如，河流環(huán)境下的橋墩基礎施工常用圍堰、導流堤。第三，運行管理階段。

2 水文現(xiàn)象及其基本規(guī)律

水文現(xiàn)象是指地球上的水受外部作用而產(chǎn)生的永無休止的運動形式，如降水、蒸發(fā)、滲流和徑流等。水文現(xiàn)象具有必然性和偶然性兩種規(guī)律。

2.1 水文現(xiàn)象的確定性規(guī)律

水文現(xiàn)象的確定性規(guī)律是指該現(xiàn)象必然出現(xiàn)的規(guī)律，這種確定性規(guī)律一般具有因果關系。例如，某河流的流域上降落一場暴雨，該河流就會漲水，出現(xiàn)一次洪水過程；如果暴雨強度大，降雨歷時長，則會出現(xiàn)較大的洪峰。再如，河流年內周期性地交替出現(xiàn)汛期。洪水期與非汛期（枯水期），是因地球的公轉和自轉產(chǎn)生的，是確定性的，也具有因果關系。

2.2 水文現(xiàn)象的隨機性規(guī)律

某些水文現(xiàn)象的出現(xiàn)是不確定的，稱為隨機性規(guī)律。通過大量的觀測資料可以發(fā)現(xiàn)，特大和特小洪水流量出現(xiàn)機會少，中等洪水流量出現(xiàn)機會較多，洪水大小與其出現(xiàn)的機會形成一定的統(tǒng)計分布，即水文現(xiàn)象服從隨機性規(guī)律[1]。

水文現(xiàn)象是十分復雜的，往往既受到確定性因素的作用，又受到隨機性因素的作用。在實際應用中，應抓住起主要作用的因素。受氣候及地理條件的影響，水文現(xiàn)象在不同地區(qū)具有不同的特性，在有的水文學書中稱之為地區(qū)性規(guī)律。例如，我國東南沿海地區(qū)多年平均降雨量及河川年徑流量大，而西北內陸地區(qū)小，形成不同地區(qū)的降雨徑流規(guī)律。

3 水文學的研究方法和特點

3.1 水文學的研究方法

河流水文學主要通過水文要素觀測和水文調查獲取水文信息，通過室內或野外實驗和合理的方法研究水文變化規(guī)律。相應于水文現(xiàn)象的基本規(guī)律，水文學的研究方法有成因分析法、數(shù)理統(tǒng)計法和地區(qū)綜合法三種。

3.1.1 成因分析法。當某種水文現(xiàn)象與其影響因素之間存在明確的因果關系時，可通過觀測資料或實驗數(shù)據(jù)分析，建立水文要素與其影響因素之間的定量關系。這種從水文現(xiàn)象的成因即確定性規(guī)律出發(fā)解決水文問題的方法，稱為成因分析法，其在水文預報、降雨徑流分析中應用較為廣泛。

3.1.2 數(shù)理統(tǒng)計法。水文學的數(shù)理統(tǒng)計法就是以概率論為基礎，運用數(shù)理統(tǒng)計方法，對于具有隨機性的水文現(xiàn)象，分析得到其統(tǒng)計規(guī)律。對于年最大洪峰流量等隨機性水文要素，難以用確定性方法實現(xiàn)預估，只能依據(jù)以往長期觀測的資料，探求其統(tǒng)計規(guī)律[2]。

3.1.3 地區(qū)綜合法。某些水文現(xiàn)象具有地區(qū)性變化規(guī)律，在水文分析計算過程中，可建立地區(qū)水文等值線圖或經(jīng)驗公式，此即地理綜合法。例如，不同河段流量與河槽形態(tài)的經(jīng)驗關系、不同流域河川徑流量與地形參數(shù)的經(jīng)驗關系等。我國各地均有地區(qū)水文圖冊等資料，可用于推求觀測資料短缺地區(qū)的水文特征值，尤其在小流域地區(qū)應較多。

以上三種研究方法，在解決工程水文學實際問題時，需要根據(jù)不同的水文特點靈活運用，或同時并用。

3.2 水文學的研究特點

水文學主要具有以下三方面的研究特點。

3.2.1 由于水文循環(huán)，水文科學把大氣圈、巖石圈、生物圈等水的載體和人類活動影響的各種水文現(xiàn)象作為一個整體進行研究。例如，研究某個流域的水量變化時，根據(jù)水量平衡，既要考慮流域上空大氣中水汽輸送、水分含量的變化、降水和蒸發(fā)，也要考慮流域的地面徑流、土壤含水量和流域內外地下水的交換，而且還要考慮流域內植被蒸發(fā)、散發(fā)及人類活動的影響[3]。

3.2.2 涉及的學科面廣。相關學科主要包括自然地理學、水文地質學、土壤學、大氣科學、工程流體力學和泥沙運動力學等。水文學還力圖用數(shù)學、物理學和化學的基本原理解釋各種水文現(xiàn)象及其規(guī)律。

3.2.3 實踐性強。水文學以野外和實驗室觀測為主要研究手段，獲取自然界已發(fā)生的水文現(xiàn)象變化信息，進行資料分析，預測或預估水文情勢未來狀況，直接為人類的生活和生產(chǎn)服務。例如，提供洪水預報。

4 結語

在人類更好生活的前提下，要不斷發(fā)展和研究水文資源知識。當然，在這個發(fā)展過程中，有好的一方面，也有壞的一面。只有去掉那些不好的方面，找到水資源利用的更加合理的方法，才能更好地服務于社會的發(fā)展。

參考文獻：

[l]劉聞，曹明明，邱海軍.氣候變化和人類活動的水文水資源效應研究進展[J].水土保持通報，2012（5）：215-219.

[2]劉昌明.21世紀中國水資源若干問題的討論[J].水利規(guī)劃設計，2002（1）：15-19.

[3]楊飛.氣候變化和人類活動對水資源的影響研究[D].西安：長安大學，2011.