美国“工程水文学”与“水文学”课程教学比较研究

宋松柏　康艳　降亚楠

摘 要：文章基于密歇根州立大学P. Mantha教授，阿拉巴马大学Bob Pitt 教授，科罗拉多州立大学Jorge A. Ramirez教授，德克萨斯州大学奥斯汀分校Daene C. McKinney教授、David R. Maidment教授，德州农工大学Tony Cahill教授，北卡罗莱纳州立大学Sankar Arumugam教授“工程水文学”和“水文学”教学资料的基础上，分析了美国大学“工程水文学”与“水文学”教学内容、环节与方法，并提出改革我国现有“工程水文学”课程的建议。

关键词：工程水文学；水文学；美国

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2016）04-0001-03

“工程水文学”和“水文学”课程涉及水力学、土壤学、气象学、高等数学、线性代数、概率论与数理统计、水文地质学、程序设计和测量学等方面的知识[1-2]，是水利水电工程、水务工程、港口与航道工程、农田水利工程、给水排水工程、环境工程等课程的基础课程，具有知识面广和实践性强的特点[3-5]。美国是世界上高等教育发达的国家之一，拥有广泛的水科学教育[6-7]，开设的“工程水文学”课程，与我国水利类和土木工程类专业课程同名，是专业最为核心的基础课程，它也是我国攻读硕士研究生的必考科目，因而受到广泛的重视。作者在美国Texas A & M大学做访问学者期间，旁听了土木系“工程水文学”的教学整个过程。在此基础上，查阅了密歇根州立大学P. Mantha教授，阿拉巴马大学Bob Pitt 教授，科罗拉多州立大学Jorge A. Ramirez教授，德克萨斯州大学奥斯汀分校Daene C. McKinney教授，David R. Maidment教授，德州农工大学Tony Cahill教授，北卡罗莱纳州立大学Sankar Arumugam教授“工程水文学”和“水文学”的教学资料，分析了“工程水文学”和“水文学”教学内容、教学环节和教学方法，总结了美国土木工程、环境工程和水文水资源方向这一课程的教学特点，以期为我国“工程水文学”课程教学提供参考。

一、必读书目、阅读文献与软件

（一）必读书目

美国一般没有统编的教材，由教师指定书目和参考书目。“工程水文学”和“水文学”课程必读书目主要有Ram S. Gupta主编的《水文与水力系统》、Richard H. McCuen主编的《水文分析与设计》、Ven Te Chow，David Maidment和Larry W. Mays主编的《应用水文学》、S. Lawrence Dingman主编的《水文学原理》等。

（二）参考书目与阅读文献

参考书目主要有George M. Hornberger主编的《水文学原理基础》，Wilfried Brutsaert主编的《水文学导论》，Peter S. Eagleson主编的《动力水文学》，Vijay P. Singh，John Wiley和Sons主编的《水资源运动波模型》，Jack R. Benjamin 和 C. Allin Cornell主编的《工程师概率、统计和决策》，Rafael L. Bras主编的《水文学——水文科学导论》，Warren Viessman，John Knapp和Gary Lewis主编的《水文学导论》，V.P. Singh主编的《水文学基础》，W.Viessman，Harper 和 Row主编的《水文学导论》，D. Maidment 主编的《水文手册》，Bedient 和Huber主编的《水文和河漫滩设计》，Linsley，Jr.，R.K.，M.A.，Kohler和J.L. Paulhus主编的《应用水文学》，Gleick，P.H.编写的《水危机——世界淡水资源指南》，Shiklomanov，I.A编写的《21世纪初的世界水资源》。除此之外，还有美国地质勘查局、美国陆军工程师团和美国环境保护署研究报告、标准和规范等，自编讲义材料等，以及“Water Resources Research”、“Journal of Hydrology”、“Hydrological Processes”、“Advances in Water Resources”、“Hydrological Sciences Journal”、“Journal of Hydrologic Engineering”、“Hydrology and Earth System Sciences”、“Hydrogeology Journal”、“Journal of Hydrometeorology”、“Journal of Contaminant Hydrology”、“Journal of Hydroinformatics”和“Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology”等期刊的文献。

（三）计算语言与软件

包括MATLAB；Microsoft Excel、Microsoft Word、Microsoft PowerPoint；NRCS和HEC，ArcGIS和ArcHydro等。

二、教学内容

（一）密歇根州立大学土木与环境工程P. Mantha

教授“工程水文学”教学内容

包括绪论（课程目的、水循环、质量守恒、水量平衡、静止和运动的水）；陆气交互作用（降水形成、观测和时空分析，降雪，观测和融雪，蒸散发）；地表地下交互作用与地下水文学（土壤水分与下渗，下渗模型，地下水含水层，含水层特性与储水量，地下水水流理论，流网，井水力，不稳定水流Theis 求解，井场，含水层试验分析，污染物运移模型）；地表水地下水交互作用于地表水文学 （流量观测，山坡水文学，径流过程分割，径流模拟技术，径流曲线法，单位线法，延迟法，S曲线法）；水资源规划设计与管理（极值流量计算，过程合成，洪峰流量计算，汇流时间，暴雨污水设计，降雨强度历时曲线，推理方法应用，设计计算，汇流，槽蓄汇流，PULS法，水库法，暴雨蓄洪池设计，可持续与区域水量平衡，成本效益设计原理，职业资质的重要性，工程管理概念）。

（二）阿拉巴马大学土木结构与环境工程系Bob Pitt 教授“工程水文学”教学内容

包括绪论，流域特性和土壤分布图，降水，下渗，蒸散发，野外流量观测，应用推理公式法、AL DOT回归法、NRCS TR-20/55和HydroCAD进行洪峰流量计算，流量过程分析与合成，考虑未来水质要求的雨水和排水设计，流域水文模型 COE HEC-HMS等。

（三）科罗拉多州立大学土木工程系Jorge A. Ramirez教授“工程水文学”教学内容

包括线性系统分析和降雨径流分析（单位线理论，瞬时单位线，瞬时单位法，谐波分析，傅氏变换，拉普拉斯变换，线性河道，线性水库和Nash模型）；河道和水库洪水演进（洪水演进，水库洪水演进方法，线性马斯京根法）；分布式和坡面汇流（分布式汇流—波运动、运动波和坡面汇流解析求解与数值解，空间入渗变异下的坡面汇流，扩散波和动力波汇流）；水文设计（设计尺度，设计等级，风险分析，贝叶斯决策分析）；降水资料分析（数据分析、模型、面降水量计算法，Kriging，具有协方差的Kriging，具有半协方差的Kriging，具有广义协方差的Kriging、Co-Kriging、地形影响及其分析）；设计暴雨（设计降水，强度—历时—频率曲线，设计降水过程，极限暴雨估算，频率分析）。

（四）德克萨斯州大学奥斯汀分校环境与水资源

工程系Daene C.McKinney教授“水文学”教学内容

包括绪论，水循环，质量守恒，动量和能量守恒，水传输过程，大气水，降水，蒸发，下渗，径流过程，水文测验，单位线，径流过程计算，水库和河道汇流，洪水频率分析，洪峰和水文设计，HEC-HMS 介绍等。

（五）北卡罗莱纳州立大学土木结构与环境工程系Sankar Arumugam教授“工程水文学”教学内容

包括绪论（水文时空尺度变化与水资源管理关系，水文流量估算的挑战）；水量平衡和水循环（连续方程，区域水量平衡，水库质量平衡模型应用，储蓄理论）；水量平衡模型—率定和校正（水量平衡模型，率定和校正，流域模型率定）；统计回顾（随机变量，概率分布，超越概率，重现期，相关，一阶滞后相关）；径流时空变化（时间变化—流量历时曲线；空间变化—点和空间估算）；全球气候系统与水循环（地球能量收支—CO2作用于气候变化，湿度与能量平衡集成—全球和区域尺度，气候变化ENSO）；降水及其估算（水蒸气观测，降水形成，降水机制，季节降水问题与量化，Lake Wheeler ECONET基地参观）；雪和融雪估算（储雪作用，特性—密度，雪水当量，基于能量平衡的融雪计算，温度指标法）；蒸散发物理基础与估算（蒸发物理基础—潜热传输，质量传输，估算 质量传输， 能量平衡和复合方法，器皿蒸发，潜在蒸发，Penman-Monteith方法）；流域模型（集总式、半分布式模型回顾—文献，质量、能量集成模型—VIC， DHSVM）。

（六）德克萨斯州大学奥斯汀分校土木工程系David R.Maidment教授“水文学”教学内容

包括地表水文学导论，水文系统和连续体，动量和能量，大气水，降水，蒸发，下渗和土壤水运动，Green-Ampt下渗方程，径流过程，水文测验，Brushy Creek流域实习，单位线，水库和河道洪水演进，HEC-HMS介绍，Brushy Creek流域HEC-HMS 应用，Brushy Creek流域实习，HEC-GeoHMS 和HEC-GeoRAS，Brushy Creek流域HEC-RAS应用，水文统计，洪水频率分析，水文设计和风险分析，设计暴雨，雨量图与洪水图，防洪水文设计，供水水文设计等。

（七）德州农工大学土木工程系Tony Cahill教授“水文学”教学内容

包括水循环，流域和水量平衡，全球水循环，降水机理和热动力学，降水观测，降水空间分析，频率分析，蒸散发，降水损失，径流模型方法，径流过程，单位线，水文过程合成，汇流，流域模型HEC-HMS，地理信息系统与GIS，高等水文模型。

三、教学环节与方法

课程采用讲课、课堂讨论与答疑、作业、小组工作、课题方案与报告、实验和实习、计算机上机等环节，所有这些包含在“工程水文学”或“水文学”教学大纲中。与我国课程教学相比，具有以下特点。

（一）教学内容动态化

教师可以根据水文学最新理论发展增加教学内容，每一轮授课的教学内容都有所差异，体现了美国水文水资源教育的灵活性、可选择性，课程教学具有高度的弹性。

（二）无统编教材

教材是辅助学习工具，不是考试标准用书。没有任何一本教材包含所有的教学内容。许多原理方法、实例和最新理论方法，包含在参考书目、期刊论文、研究报告等阅读文献之中。

（三）学时与内容少，作业多，课后任务重

教师上课讲授内容少，线条较粗。对一些内容，教师一般不详细讲解，主要依靠学生阅读文献和作业来掌握知识。因此，课后布置作业和阅读大量文献，任务量大，学生需要花费时间用功学习和完成。大作业则通过学习小组工作来完成，小组成员工作积极认真，共同讨论，共同工作，相互协作，诚实完成各自的任务。

（四）教学方法灵活

除一些基础课外，教学班规模通常较小，一般规模在20—30人。教学设备齐全，配备有黑板、幻灯机、投影仪和计算机等，教室桌、椅均可以移动。根据教学需要，桌、椅可以进行灵活组合，大多数采用板书和现代教学技术手段进行教学。有的教师也采用圆桌会议的形式教学，让学生围坐在自己的周围，拟定一些命题进行讨论。课堂气氛活跃，学生可以随时提问，教师在讲课过程中经常给出一些问题，学生回答问题和发言积极，课堂表现计入总评成绩。这种谈话式、探讨式表达形式，使学生感到轻松和很有亲和力。

（五）注重创新能力的培养

“工程水文学”或“水文学”课程都有课题方案（Project）训练环节，通常是由一个小组完成一个课题，给予学生应用水文原理解决实际问题的经历。培养学生的解决专业问题、表达技巧和交流能力，理解和接受各种不同的观点和见解的包容心态、创新能力、合作精神和交际能力。

（六）课程成绩评定综合化

“工程水文学”或“水文学”课程测验较多，除规定的测验和期末考试外，课堂上也设定几次不定期的小测验，测验不同阶段学习内容的掌握程度。一般来说，平时成绩大于期末考试成绩。考试试题题型灵活、开放，不仅有概念和基本运算，而且还有许多最新难点、热点问题，综合理解题型，无标准答案。这种题型需要学生平时花费时间理解和贯通课程内容，阅读大量文献等才能完成。

四、对我国“工程水文学”课程教学的启示

美国高等工程教育以“大工程观”为理念[8]，工科院校是国家科技创新的发源地和创新型工程科技人才培养的主要机构。经过100多年来的发展，美国聚集了一批国际上著名的水文学和水资源专家，是水文科学体系最主要的贡献国家之一，“工程水文学”课程教学成功经验值得我们参考和借鉴。相比我国的课程教学，作者建议进行以下几方面的改革。（1）不宜采用固定教学大纲限制教学内容，鼓励教师讲授水文学最新研究难点和热点问题。（2）课程设计是我国课程教学的特色，类似美国的“project”，但是，两者考核有差异，美国大学考核较为客观和全面。建议除按书面报告考核外，增加向全班做发言介绍，鼓励自由提问和回答，把现场答辩表现和课程设计实际完成质量综合作为评估依据，训练学生的表达技巧、交流能力、创新能力和接受不同意见的包容心态。（3）与美国课程作业相比，我国现有教材章节习题较为简单，工作量较小。教材修订时，应重视具有系统性和实际工程背景的大作业编写，增加课后学习任务，培养学生应用水文学原理解决工程实际问题的能力，提高教学效果。（4）增加课堂参与表现评估、不定期测验等考核，取消按教学日历检查教学课堂内容的做法，给予教师根据教学进度和学生实际情况进行教学安排设计的自由权利，达到真正提高教学效果的目的。（5）改革现有考试试题题型数目的限制，增加考核学生理解能力和没有严格标准答案的试题，给予教师一定的权利，合理地评定学生成绩。

参考文献：

[1]詹道江，叶守泽.工程水文学[M].北京：中国水利水电出

版社，2000：1-3.

[2]陈家琦.论水资源学和水文学的关系[J].水科学进展，

1999，（3）.

[3]高等学校水利学科教学指导委员会.普通高等学校水文

与水资源工程本科专业规范[R].2006.

[4]黄伟纶.“水文”词源初探[J].水文，1994，（5）.

[5]左其亭，窦明，马军霞.水资源学教程[M].北京：中国水

利水电出版社，2008：1-2.

[6]陈元芳，芮孝芳，董增川.国内外水文水资源专业教育比

较研究[J].河海大学学报：社会科学版，1999，（4）.

[7]梁忠民.水文水资源学科联合培养研究生模式的探索与

实践[J].河海大学学报：哲学社会科学版，2005，（1）.

[8]林凤，李正.美国高等工程教育的历史沿革与发展趋势

[J].理工高教研究，2007，（5）.