水文學發展簡述

余露 天水市輻射監督站

水文學發展簡述

余露 天水市輻射監督站

對20世紀包括以前各個時期水文科學發展歷程進行了回顧，總結歸納了現代水文學研究理論基礎和研究基本方法。并對水文學發展的前沿問題進行了歸納，最后提出了水文學發展的前景方向。

水文學 理論基礎 發展前景

一、引言

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

（一）水文學發展歷程

自從有了雨量計、水位計和流蘇儀等水文測量設備以來，水文科學從早期現象描述階段，轉變為定性定量的描述水文特征。在這一時期較為突出的水文科學大事有：1732年發明皮托管，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]這些公式定理的發現都對水文科學發展奠定了理論基礎。

近現代開始水文學經過大量的理論研究，結論定理都較為成熟，科學家開始把水文學的分析計算帶入實際的河流水文環境中進行分析，并做一些水文預報，在不斷嘗試和改進的過程中，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年海森機率格紙和水文頻率計算，1931年蘇聯維利卡諾夫首創流域等流時線概念和方法，1932年美國謝爾曼首創單位(過程)線法和霍爾頓首創下滲原理和公式，以及1935年麥卡錫首創“馬斯京根姆法”。[2]經過這些理論的發展就使水文學在流域產流，匯流，洪水預報，方面日趨成熟，進入更高的階段。

在近五六十年里，水文學在伴隨著計算機科學，航天科學的發展，產生新的發展機遇。這一時期水文學發展有三個重要的特征，一是水文計算機模擬模型得到快速發展，特別是分布式水文模型；二是水文信息獲取和處理技術得到長足進步，如水熱通量測試技術、遙感技術以及水循環示蹤技術等；三是水文學與其他學科的交叉和融合趨勢逐漸顯現并逐步增強，包括生態水文學的出現、水文過程與氣候過程耦合等等。[3]

（二）水文學理論基礎

現代水文學作為一門獨立學科，在探索揭示自然界水文現象的規律性，在了解控制洪水干旱過程，在開發利用水資源時，經過歷史長期總結積累出一系列公認的水文學原理理論基礎。這些理論主要包括：（1）質量守恒定律——水量平衡和其他物質，如泥沙、氮、磷、碳等平衡的基礎。這種平衡關系既可表達成微分方程式，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。這種平衡關系既可表達成微分方程式，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中水流運動的基礎；（4）疊加性和均勻性原理——線性系統輸入與輸出之間定量表述的基礎；（5）“門檻”效應——分析下滲、蒸散發和產流等水文現象，尋求其定量計算方法的基礎。除此之外，還有包括統計綜合、隨機獨立性假設、平穩性假設、重現性假設、空間分布均勻性假設等基于數學方法發展而成的理論基礎。[4,5]

（三）水文學基本方法

水文學經過漫長的發展不斷進步的過程中，不僅形成了自成系統的理論基礎，也形成了一套科學有效的研究方法。

水文學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查，這是對水文狀況進行記錄比較，從中發現一定的規律性的內容，是水文學從起源一直沿用至今的最基礎和最有效的方法，如水文觀測包括降水、蒸發、水質、泥沙等諸多內容，對于未能系統、連續、有效觀測的水文現象，人們常常以水文調查來補充，如暴雨調查、洪水調查和枯水調查等；

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象，但是許多水文現象是難以重復再現的，為了研究水文現象，也為了驗證一些理論的正確性，經常進行水文實驗或是構建一些物理模型，來模擬或描述某些水文過程和環節，如徑流試驗場、原狀土柱滲流實驗等；

三是統計與分析，由于自然水文現象具有較高的隨機性，在許多情況下用嚴格的物理定律來解釋水文現象顯得很吃力，統計方法也就成為水文學研究的重要基礎方法，如水文時間系列分析、水文極值事件頻率分析以及地質統計學的應用等；

四是數值模擬方法，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關系的基礎上，就可以利用數學方法和計算機技術相結合建立模擬和預測水文過程的結構，即實現水文現象和過程的數值模擬，目前數值模擬方法應用十分廣泛，許多水文模型便是計算機技術和水文學的完美結合產物；

五是假設和推理，假設和推理是自然科學最基礎的方法論，在水文學中也有著廣泛應用。[6]

二、水文學前沿發展

水文學發展至今，已經解決了許多問題，同樣也總結發現了許多亟需解決的前沿科學問題。首先便是研究思維的轉換問題。水文現象也是有許多現象并不能為線性思維所解釋，所以需要轉換思維把傳統線性思維轉換為非線性思維。利用非線性思維可以解釋水文過程中存在的內部的相互作用。

其次是尺度轉換的問題，因為我們研究水文規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站進行水文觀測，所以，對于研究結論的應用范圍也需要進行尺度轉換的適用性研究。

任何學科的發展，必定離不開一套行之有效，構思巧妙的研究方法來鋪墊，學科方法與學科繁榮發展相互促進，學科的繁榮發展在很大程度上得益于學科方法的創新，反過來學科的繁榮又會有力地促進學科方法的深化和更奇妙方法的涌現。

水文學方法發展的過程可以概括為“從經驗到理論”：最初不明白理論基礎，以后可以找到；原先是純經驗性的，后來參數的物理意義、方程的物理實質也弄清楚了。但是在水文學的發展過程中，我們不得不進行許多假設和猜想，例如：假設全球水文循環是一個閉合系統；假設水文要素在一定空間范圍內分布均勻；假設有限時段內水文要素變化均勻等假設及猜想。這些假設很難用實踐來證實，有待進一步提高精度。

三、水文學的發展前景

由于人類影響范圍的擴大，全球尺度的氣候變化對于流域水循環系統的輸入與輸出產生較為重要的影響；人類消耗利用水量占自然水循環的比重越來越大，人類活動在自然的蒸發——降雨的主循環內，形成了形式更為復雜的小循環圈，使得流域水循環具有了明顯的二元結構；人類對于地球下墊面的改變，也對流域水狀況產生一系列影響，例如城鎮化、修建綠地、圍湖造田等活動對流域水文學產生一定的影響。正是由于人類未來發展變化，相應的水文學的發展也不同于過去的研究內容。

未來一個時期現代水文學發展的重點主要集中在五方面：（1）現代水文基礎理論研究。現有的水文學基礎理論建立在自然水循環動力學機理的基礎上，隨著人類活動影響的加劇，迫切需要在原有的水文學的基礎上，人類活動對于水循環的影響表現出來，將水循環提升到社會水循環的層面研究。（2）現代環境下的水文現狀及其規律研究。重點包括三個方面內容，一是全球變化和人類活動影響下的水文現狀，如溫室效應下的水文學現狀、土地利用變化下水文學現狀；二是水循環分過程的耦合模擬，主要是流域尺度水循環的地表過程、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；三是現代環境下的水文規律認知，包括水文過程的量質演變、時空分布特性以及特征值變化等。（3）水文循環系統邊界問題研究。由于水問題通常是兩大系統相互作用的表現，而當代世界系統聯系越來越緊密難以區分，因此水文學今后在重視水循環規律及其演變機理研究的同時，要更加注重系統邊界問題的研究，要深入研究系統界面交互過程與通量問題。（4）水文預測和預報研究。由于水文過程固有的隨機特性，以及變化環境下的現代水文過程所具有非重復特性，因此在一定的預見期內進行科學的水文預測預報是現代水文學發展的基礎內容之一，這就要求我們能夠構建有物理機制的預測模型并與氣象預報緊密結合起來。（5）發展系統性與整體性:地球是一個系統的整體，需要從整體考慮研究地球氣候變化、水循環和生態平衡的相互作用，并預測未來趨勢的變化和對人類社會經濟影響，系統水文學的發展是大勢所趨。

地球環境變化和人類活動改變了水文循環路徑，全球氣候變化影響了水文循環過程的上邊界，經濟社會發展所致的高強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象。我們試圖將多尺度上的自然、生態、經濟、社會的動態過程集于一體，作為一個系統來研究水文變化，這就要求水文學向更加系統科學的方向繼續發展。

[1]葉守澤，夏軍.水文科學研究的世紀回眸與展望[J].水科學進展，2002，13（1）：93-104.

[2]賴佩英.現代水文學進展概述[J].江淮水利科技，2006，3：3-4.

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

[4]芮孝芳.水文學原理[M].北京:中國水利水電出版社，2004.

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

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

[7]任立良，江善虎，袁飛，等.水文學方法的演進與詮釋[J].水科學進展，2011,22（4）：586-592.