從《水文學與水資源》看水文學的學科發展與實際應用

隨著水文學研究體系的不斷深化，水文學已成為研究地球水資源運動機理的基礎性自然學科和廣泛應用于生產生活實際的綜合性學科，如可為水資源開發利用、生態環境保護、城市建設等提供水文數據、預報服務。與此同時，隨著科學技術的快速發展，水文學科的科技含量逐漸提升，并且由此衍生出部分分支學科，例如遙感水文學、同位素水文學、隨機水文學等。在這樣的背景下，研究水文學的學科發展歷程和應用情況，不僅是推動水文學繁榮發展的重要舉措，也是有效提升水資源治理能力、優化人類水環境的必然選擇。由許武成主編、中國水利水電出版社出版的《水文學與水資源》一書，立足水文學學科發展實際，詳細闡述了水循環內在原理和主要環節，并且根據不同類型的水資源，系統介紹了河流、湖泊、沼澤以及冰川等的水文特征、循環機理等，最后從水資源概論出發講解了水資源評價與管理相關內容，具有重要的理論意義和研究價值。

《水文學與水資源》全書包括十章。第一章從地球水資源的類型和作用出發，詳細介紹了水文學的研究對象和學科體系，并且基于水文現象的特點和研究方法，闡述了水文學的發展演變。第二章圍繞水分循環這一主題，深入分析了水分循環、降水、土壤水下滲以及蒸發、徑流等過程，清晰展現了水分循環的作用機理。第三章結合統計學相關知識，在分析概率、隨機變量等統計學概念基礎上，針對水文頻率線型、參數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運行機理，詳細介紹了河流、水系和流域之間的聯系與區別，并且結合河流水情要素，分別敘述了河流補給與分類的相關內容。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系。第六章和第七章以地下水為研究內容，從地下水類型、運動、補給排泄以及動態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化關系。第九章從水資源總量和質量雙重維度，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。

水文學作為地球科學的分支學科，主要致力于研究地球水資源的來源、存在形式、分布情況以及循環機理、運動狀態等內在規律，以解釋復雜多元的水文現象，為人類生產活動提供科學的水文依據。縱觀水文學發展歷程，從1856年達西定律產生開始，水文學學科體系經歷了一個多世紀的發展演變，逐步成為具有多個分支學科且與邊緣學科相互滲透的綜合型學科。具體來說，水文學的發展歷程主要包括以下幾個階段：

奠基階段。17世紀，水文學處于發展初期，主要研究水力學、水文測量、水文循環以及基礎性的水文試驗等內容。在這個過程中，由于缺乏系統的理論依據和參考文獻，學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、水文循環等理論的提出，水文學完成了理論奠基，打下了堅實的發展基礎。

發展階段。進入18、19世紀，水文學開始步入快速發展階段。經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，促使水文學學科理論體系進一步發展。同時，人們通過創新改良水文測量儀器和對原有理論成果的系統分析，探索發現了河川徑流的發展規律，并且產生了謝才公式、伯努利方程、曼寧公式等新的理論成果，為水文學的深入發展提供了有效推動力。在這一時期，水文測量儀器經過前期的發展奠基，逐步開始呈現實用化、業務化發展趨勢，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，隨著科學技術水平的不斷提高，多學科交叉趨勢逐漸凸顯，水文學在信息技術、數理統計等學科知識輔助下逐步發展出水文模擬技術、水文統計方法以及水文循環機理等理論內容，并且產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，水文學研究效率也隨之提高。其中，水位測量從傳統的水位計、水尺等人工測量轉變為自動化的水文測報，降水測量由雨量器、雪量計發展為雷達技術和衛星定位等新型測量方法。

水文學理論體系龐雜、研究問題復雜，必須借助特定的研究方法和研究思路予以解決。總體來看，水文學方法論主要包括以下幾種：

一是監測與試驗方法。水循環作為水文學的重要研究領域，需要通過實地監測、試驗分析等方法來提供研究數據，以發現水資源運動機理。隨著水文學研究方法的不斷完善，水文監測已經成為水文領域中較為成熟的方法，不僅覆蓋了各種水體類型的技術監測，如地表水水位、地下水水溫等，而且將各水文要素的監測工作納入其中，如水體蒸發量、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展。水文試驗作為探究水文現象成因和水流運動機理的科學手段，必須借助于多種測量方法和試驗工具來建立水文試驗模型、開展試驗分析。當前，水文試驗主要包括室內試驗和原位試驗兩種。其中，同位素技術是常用的試驗方法，主要通過物理、化學或者生物方法將同位素及其標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的反應情況、變化蹤跡以及滯留位置等，具有方便、快捷、靈敏等優點。

二是水文信息技術方法。水文信息技術方法是指通過采集、處理、存儲、分析水文信息來研究水文現象或者水文原理的一種方法。在研究內容上，水文信息技術方法不僅可以用于研究站網規劃與測站設立相關的理論內容，而且能夠應用于水文要素觀測、數據收集處理以及誤差分析等領域。在技術類型上，由于水文信息類型繁多、內容廣泛，因此需要運用大量先進的信息技術，才能實現有效地收集、傳輸、存儲等。例如，GPS（全球定位系統）可以精準定位儀器位置，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（地理信息系統）依托計算機軟件系統，可以統計流域水質情況、模擬水質水量以及提供水質參數；RS技術（遙感技術）通過遠距離電磁波探測技術，能夠實現洪水災情預測、水質監測、土壤侵蝕監測等功能，在治理水土環境、防洪減災方面發揮著日益重要的作用。

三是統計分析方法。由于水文現象具有一定的隨機性與不確定性，因此水文學研究需要借助數理統計方法，根據隨機現象的相關試驗資料來研究整體現象的內在特征和發展規律。具體來說，水文統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象的變化規律，并且以此為基礎，對未來水文情況的長期變化做出概率意義的定量預估，從而為水利工程的規劃設計和施工、運行提供科學的水文依據。從方法類型來看，主要包括以下幾種：第一，根據已有的數據資料計算不同指標的頻率特征，從而推算出指定頻率的水文特征值；第二，研究水文現象之間的統計關系，并應用這種關系延長、插補水文特征值，從而進行水文預報；第三，運用序列相關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、提供人類生產生活所需具有不可或缺的作用，水資源保護也是推動生態文明建設、建立和諧社會的內在要求。隨著水文學的廣泛應用，當代社會的水資源污染破壞情況逐步減少，為建設優美和諧的水環境提供了發展動力。具體來說，水文學的實際應用領域主要包括以下幾方面：

一是水文學與洪水治理。洪水泛濫是當前較為嚴重的環境問題之一，不僅造成了水土資源的嚴重破壞，而且威脅到河流沿岸地區人民的生命健康和財產安全。因此，洪水治理成為水文學的重要研究領域。通過運用水文統計方法和信息技術，人們探索到更加多元靈活的洪水治理方法和解決策略，有效提升了洪災治理效率。比如，ArcHydro水文地理模型將河道、地形、水文網絡以及時間序列等水文指標融合起來，構成了一系列水文研究模型，通過標準化接口，可清晰展現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，流域產匯流模型可以系統分析降雨轉化為徑流時各種徑流成分的生成過程，并且能夠結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系。

二是水文學與城市建設。近年來，隨著我國城市化進程不斷推進，城市經濟發展和基礎設施建設得到顯著提升，但人口大量涌入和大量的資源浪費，導致城市廢水和污水增多，使得水資源的時空分布、水分循環、理化性質等逐步惡化，并且由此引起了明顯的溫室效應和熱島效應。在此情況下，為了改善城市水環境、優化城市水系統，城市水文學作為一門新興學科開始逐步發展起來，使得水文學廣泛應用于城市建設中。其中，針對污水問題，水文信息技術通過自動識別污染程度來確定管網輸入類型，若污染程度較輕，僅需要采取過濾、沉淀等水資源治理技術；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。針對水資源調度問題，水文監測與評價工作能夠科學評定不同流域間的水質、水溫、水位等情況，從而為跨流域水資源調度提供決策依據。

三是水文學與生態環境保護。自工業革命以來，人類社會的科學技術和經濟發展逐步提升，但由于不加節制地攫取自然資源，包括水資源在內的資源都遭到了人類的過度開發和掠奪，并逐步演變為嚴重的生態問題。在水資源方面，生態環境問題主要包括地下水超采、土地荒漠化、水環境惡化等。為此，生態環境需水成為水文學的重要研究內容。其中，在河流生態環境需水量計算上，水文統計分析法可以根據河流流量、按照特定的統計標準來計算相應的流量值；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系，從而確定河流基本流量值；水文力學能夠預測適宜河道內棲息地數量的變化。在植被生態環境需水量計算上，既可以有效確定不同植被類型的需水定額，也能夠測量干旱區植被生態環境需水量。

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

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