從《水文學(xué)與水資源》看水文學(xué)的學(xué)科發(fā)展與實際應(yīng)用

隨著水文學(xué)研究體系的不斷深化，水文學(xué)已成為研究地球水資源運動機理的基礎(chǔ)性自然學(xué)科和廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活實際的綜合性學(xué)科，如可為水資源開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護、城市建設(shè)等提供水文數(shù)據(jù)、預(yù)報服務(wù)。與此同時，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，水文學(xué)科的科技含量逐漸提升，并且由此衍生出部分分支學(xué)科，例如遙感水文學(xué)、同位素水文學(xué)、隨機水文學(xué)等。在這樣的背景下，研究水文學(xué)的學(xué)科發(fā)展歷程和應(yīng)用情況，不僅是推動水文學(xué)繁榮發(fā)展的重要舉措，也是有效提升水資源治理能力、優(yōu)化人類水環(huán)境的必然選擇。由許武成主編、中國水利水電出版社出版的《水文學(xué)與水資源》一書，立足水文學(xué)學(xué)科發(fā)展實際，詳細(xì)闡述了水循環(huán)內(nèi)在原理和主要環(huán)節(jié)，并且根據(jù)不同類型的水資源，系統(tǒng)介紹了河流、湖泊、沼澤以及冰川等的水文特征、循環(huán)機理等，最后從水資源概論出發(fā)講解了水資源評價與管理相關(guān)內(nèi)容，具有重要的理論意義和研究價值。

《水文學(xué)與水資源》全書包括十章。第一章從地球水資源的類型和作用出發(fā)，詳細(xì)介紹了水文學(xué)的研究對象和學(xué)科體系，并且基于水文現(xiàn)象的特點和研究方法，闡述了水文學(xué)的發(fā)展演變。第二章圍繞水分循環(huán)這一主題，深入分析了水分循環(huán)、降水、土壤水下滲以及蒸發(fā)、徑流等過程，清晰展現(xiàn)了水分循環(huán)的作用機理。第三章結(jié)合統(tǒng)計學(xué)相關(guān)知識，在分析概率、隨機變量等統(tǒng)計學(xué)概念基礎(chǔ)上，針對水文頻率線型、參數(shù)估計以及計算方法等進行了深入研究。第四章基于河流系統(tǒng)運行機理，詳細(xì)介紹了河流、水系和流域之間的聯(lián)系與區(qū)別，并且結(jié)合河流水情要素，分別敘述了河流補給與分類的相關(guān)內(nèi)容。第五章明確界定了湖泊、水庫、沼澤以及冰川等水資源之間的差別與聯(lián)系。第六章和第七章以地下水為研究內(nèi)容，從地下水類型、運動、補給排泄以及動態(tài)均衡等方面介紹了地下水的運動機理。第八章重點闡述了水資源的分布情況與轉(zhuǎn)化關(guān)系。第九章從水資源總量和質(zhì)量雙重維度，深入剖析了水資源的評價計算方法。第十章匯總分析了人類活動的水文效應(yīng)。

水文學(xué)作為地球科學(xué)的分支學(xué)科，主要致力于研究地球水資源的來源、存在形式、分布情況以及循環(huán)機理、運動狀態(tài)等內(nèi)在規(guī)律，以解釋復(fù)雜多元的水文現(xiàn)象，為人類生產(chǎn)活動提供科學(xué)的水文依據(jù)?？v觀水文學(xué)發(fā)展歷程，從1856年達西定律產(chǎn)生開始，水文學(xué)學(xué)科體系經(jīng)歷了一個多世紀(jì)的發(fā)展演變，逐步成為具有多個分支學(xué)科且與邊緣學(xué)科相互滲透的綜合型學(xué)科。具體來說，水文學(xué)的發(fā)展歷程主要包括以下幾個階段：

奠基階段。17世紀(jì)，水文學(xué)處于發(fā)展初期，主要研究水力學(xué)、水文測量、水文循環(huán)以及基礎(chǔ)性的水文試驗等內(nèi)容。在這個過程中，由于缺乏系統(tǒng)的理論依據(jù)和參考文獻，學(xué)者們大多通過實地測量、試驗分析或者簡單的定量計算等方法開展理論研究，并且由此產(chǎn)生了流速儀、雨量計等水文測量用具。此后，隨著水量平衡、水文循環(huán)等理論的提出，水文學(xué)完成了理論奠基，打下了堅實的發(fā)展基礎(chǔ)。

發(fā)展階段。進入18、19世紀(jì)，水文學(xué)開始步入快速發(fā)展階段。經(jīng)過實地測驗和試驗研究，地表水和地下水的水文理論得到有效擴充，促使水文學(xué)學(xué)科理論體系進一步發(fā)展。同時，人們通過創(chuàng)新改良水文測量儀器和對原有理論成果的系統(tǒng)分析，探索發(fā)現(xiàn)了河川徑流的發(fā)展規(guī)律，并且產(chǎn)生了謝才公式、伯努利方程、曼寧公式等新的理論成果，為水文學(xué)的深入發(fā)展提供了有效推動力。在這一時期，水文測量儀器經(jīng)過前期的發(fā)展奠基，逐步開始呈現(xiàn)實用化、業(yè)務(wù)化發(fā)展趨勢，使得水利工程與水文測量的融合程度顯著提高。因此，這一階段水文測量具有明顯的工程屬性。

崛起階段。到了20世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，多學(xué)科交叉趨勢逐漸凸顯，水文學(xué)在信息技術(shù)、數(shù)理統(tǒng)計等學(xué)科知識輔助下逐步發(fā)展出水文模擬技術(shù)、水文統(tǒng)計方法以及水文循環(huán)機理等理論內(nèi)容，并且產(chǎn)生了分布式水文模型、單位線、皮爾遜-Ⅲ型頻率曲線等新的理論成果，推動了水文學(xué)科的快速崛起。這一階段，水文測量的科技含量顯著提升，水文學(xué)研究效率也隨之提高。其中，水位測量從傳統(tǒng)的水位計、水尺等人工測量轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊乃臏y報，降水測量由雨量器、雪量計發(fā)展為雷達技術(shù)和衛(wèi)星定位等新型測量方法。

水文學(xué)理論體系龐雜、研究問題復(fù)雜，必須借助特定的研究方法和研究思路予以解決?？傮w來看，水文學(xué)方法論主要包括以下幾種：

一是監(jiān)測與試驗方法。水循環(huán)作為水文學(xué)的重要研究領(lǐng)域，需要通過實地監(jiān)測、試驗分析等方法來提供研究數(shù)據(jù)，以發(fā)現(xiàn)水資源運動機理。隨著水文學(xué)研究方法的不斷完善，水文監(jiān)測已經(jīng)成為水文領(lǐng)域中較為成熟的方法，不僅覆蓋了各種水體類型的技術(shù)監(jiān)測，如地表水水位、地下水水溫等，而且將各水文要素的監(jiān)測工作納入其中，如水體蒸發(fā)量、流速、含沙量、河流流量等。與此同時，水文試驗方法也得到深入發(fā)展。水文試驗作為探究水文現(xiàn)象成因和水流運動機理的科學(xué)手段，必須借助于多種測量方法和試驗工具來建立水文試驗?zāi)Ｐ汀㈤_展試驗分析。當(dāng)前，水文試驗主要包括室內(nèi)試驗和原位試驗兩種。其中，同位素技術(shù)是常用的試驗方法，主要通過物理、化學(xué)或者生物方法將同位素及其標(biāo)記化合物摻入所研究的對象中，再利用多種手段檢測其在研究對象內(nèi)的反應(yīng)情況、變化蹤跡以及滯留位置等，具有方便、快捷、靈敏等優(yōu)點。

二是水文信息技術(shù)方法。水文信息技術(shù)方法是指通過采集、處理、存儲、分析水文信息來研究水文現(xiàn)象或者水文原理的一種方法。在研究內(nèi)容上，水文信息技術(shù)方法不僅可以用于研究站網(wǎng)規(guī)劃與測站設(shè)立相關(guān)的理論內(nèi)容，而且能夠應(yīng)用于水文要素觀測、數(shù)據(jù)收集處理以及誤差分析等領(lǐng)域。在技術(shù)類型上，由于水文信息類型繁多、內(nèi)容廣泛，因此需要運用大量先進的信息技術(shù)，才能實現(xiàn)有效地收集、傳輸、存儲等。例如，GPS（全球定位系統(tǒng)）可以精準(zhǔn)定位儀器位置，從而利用繪圖儀高精度測繪水深圖、水下地形模型等；GIS技術(shù)（地理信息系統(tǒng)）依托計算機軟件系統(tǒng)，可以統(tǒng)計流域水質(zhì)情況、模擬水質(zhì)水量以及提供水質(zhì)參數(shù)；RS技術(shù)（遙感技術(shù)）通過遠距離電磁波探測技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)洪水災(zāi)情預(yù)測、水質(zhì)監(jiān)測、土壤侵蝕監(jiān)測等功能，在治理水土環(huán)境、防洪減災(zāi)方面發(fā)揮著日益重要的作用。

三是統(tǒng)計分析方法。由于水文現(xiàn)象具有一定的隨機性與不確定性，因此水文學(xué)研究需要借助數(shù)理統(tǒng)計方法，根據(jù)隨機現(xiàn)象的相關(guān)試驗資料來研究整體現(xiàn)象的內(nèi)在特征和發(fā)展規(guī)律。具體來說，水文統(tǒng)計主要利用所獲得的水文、氣象資料來分析研究隨機水文現(xiàn)象的變化規(guī)律，并且以此為基礎(chǔ)，對未來水文情況的長期變化做出概率意義的定量預(yù)估，從而為水利工程的規(guī)劃設(shè)計和施工、運行提供科學(xué)的水文依據(jù)。從方法類型來看，主要包括以下幾種：第一，根據(jù)已有的數(shù)據(jù)資料計算不同指標(biāo)的頻率特征，從而推算出指定頻率的水文特征值；第二，研究水文現(xiàn)象之間的統(tǒng)計關(guān)系，并應(yīng)用這種關(guān)系延長、插補水文特征值，從而進行水文預(yù)報；第三，運用序列相關(guān)性分析法來計算水文頻率和水文時間等信息，從而揭示水文現(xiàn)象的變化機理和局部特性。

水資源作為不可再生資源，對于維護自然界水平衡、提供人類生產(chǎn)生活所需具有不可或缺的作用，水資源保護也是推動生態(tài)文明建設(shè)、建立和諧社會的內(nèi)在要求。隨著水文學(xué)的廣泛應(yīng)用，當(dāng)代社會的水資源污染破壞情況逐步減少，為建設(shè)優(yōu)美和諧的水環(huán)境提供了發(fā)展動力。具體來說，水文學(xué)的實際應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下幾方面：

一是水文學(xué)與洪水治理。洪水泛濫是當(dāng)前較為嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，不僅造成了水土資源的嚴(yán)重破壞，而且威脅到河流沿岸地區(qū)人民的生命健康和財產(chǎn)安全。因此，洪水治理成為水文學(xué)的重要研究領(lǐng)域。通過運用水文統(tǒng)計方法和信息技術(shù)，人們探索到更加多元靈活的洪水治理方法和解決策略，有效提升了洪災(zāi)治理效率。比如，ArcHydro水文地理模型將河道、地形、水文網(wǎng)絡(luò)以及時間序列等水文指標(biāo)融合起來，構(gòu)成了一系列水文研究模型，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口，可清晰展現(xiàn)各個子流域的水文特點，從而建立完整的流域洪水治理體系。再如，流域產(chǎn)匯流模型可以系統(tǒng)分析降雨轉(zhuǎn)化為徑流時各種徑流成分的生成過程，并且能夠結(jié)合坡面匯流速度和坡面流程來分析流域水文與地形地貌之間的關(guān)系。

二是水文學(xué)與城市建設(shè)。近年來，隨著我國城市化進程不斷推進，城市經(jīng)濟發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到顯著提升，但人口大量涌入和大量的資源浪費，導(dǎo)致城市廢水和污水增多，使得水資源的時空分布、水分循環(huán)、理化性質(zhì)等逐步惡化，并且由此引起了明顯的溫室效應(yīng)和熱島效應(yīng)。在此情況下，為了改善城市水環(huán)境、優(yōu)化城市水系統(tǒng)，城市水文學(xué)作為一門新興學(xué)科開始逐步發(fā)展起來，使得水文學(xué)廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)中。其中，針對污水問題，水文信息技術(shù)通過自動識別污染程度來確定管網(wǎng)輸入類型，若污染程度較輕，僅需要采取過濾、沉淀等水資源治理技術(shù)；若污染程度過重，則需要將污水輸入污水處理廠進行專門凈化處理。針對水資源調(diào)度問題，水文監(jiān)測與評價工作能夠科學(xué)評定不同流域間的水質(zhì)、水溫、水位等情況，從而為跨流域水資源調(diào)度提供決策依據(jù)。

三是水文學(xué)與生態(tài)環(huán)境保護。自工業(yè)革命以來，人類社會的科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)展逐步提升，但由于不加節(jié)制地攫取自然資源，包括水資源在內(nèi)的資源都遭到了人類的過度開發(fā)和掠奪，并逐步演變?yōu)閲?yán)重的生態(tài)問題。在水資源方面，生態(tài)環(huán)境問題主要包括地下水超采、土地荒漠化、水環(huán)境惡化等。為此，生態(tài)環(huán)境需水成為水文學(xué)的重要研究內(nèi)容。其中，在河流生態(tài)環(huán)境需水量計算上，水文統(tǒng)計分析法可以根據(jù)河流流量、按照特定的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)來計算相應(yīng)的流量值；可以基于計算機模型來測定河流流量與物種棲息地之間的關(guān)系，從而確定河流基本流量值；水文力學(xué)能夠預(yù)測適宜河道內(nèi)棲息地數(shù)量的變化。在植被生態(tài)環(huán)境需水量計算上，既可以有效確定不同植被類型的需水定額，也能夠測量干旱區(qū)植被生態(tài)環(huán)境需水量。

綜上所述，水文學(xué)科經(jīng)過長期發(fā)展演變，逐漸形成系統(tǒng)完善的學(xué)科體系和理論框架，不僅呈現(xiàn)出多學(xué)科融合滲透趨勢，使得理論研究更加全面，而且開始廣泛應(yīng)用于實際生活，為解決各種水問題提供了科學(xué)依據(jù)和有效支撐，具有良好的發(fā)展前景。《水文學(xué)與水資源》一書從理論和實踐雙重維度詳細(xì)介紹了水文學(xué)的發(fā)展情況，有助于人們深入了解水文現(xiàn)象內(nèi)在機理和演變過程。

作者簡介：羅丹（1984—），女，河南信陽人，碩士，鄭州商學(xué)院通識教育中心講師，研究方向為中國語言文學(xué)、通識教育