水文学发展简述

余露 天水市辐射监督站

水文学发展简述

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对20世纪包括以前各个时期水文科学发展历程进行了回顾，总结归纳了现代水文学研究理论基础和研究基本方法。并对水文学发展的前沿问题进行了归纳，最后提出了水文学发展的前景方向。

水文学 理论基础 发展前景

一、引言

水文学是研究地球系统中水文循环过程，时空变化，以及水与生态、环境和经济社会之间相互作用并运用这些规律作用为人类服务的学科。1962年美国联邦政府科技委员会提出水文学是一门关于地球上水的存在、循环、分布，它的物理、化学性质以及环境包括与生活有关事物的反应的学科。1987年《中国大百科全书》定义水文科学是关于地球上水的起源、存在、分布、循环运动等变化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系。另一方面，由于它在形成与发展过程中，直接为人类服务，并受人类活动的影响，具有社会属性，又属于应用科学的范畴，其研究方向是应用水文或工程水文。[1]

（一）水文学发展历程

自从有了雨量计、水位计和流苏仪等水文测量设备以来，水文科学从早期现象描述阶段，转变为定性定量的描述水文特征。在这一时期较为突出的水文科学大事有：1732年发明皮托管，1738年提出伯努利方程，1775年提出谢才公式，1802年提出道尔顿定理，1856年提出达西定律，1871年提出圣维南方程，1889年提出曼宁公式，1899年提出斯托克斯公式。[2]这些公式定理的发现都对水文科学发展奠定了理论基础。

近现代开始水文学经过大量的理论研究，结论定理都较为成熟，科学家开始把水文学的分析计算带入实际的河流水文环境中进行分析，并做一些水文预报，在不断尝试和改进的过程中，取得了些新的成就。较有影响的成就有1900年美国塞登定律(洪水波速公式)，1911年泰森(面雨量计算)法，1914年海森机率格纸和水文频率计算，1931年苏联维利卡诺夫首创流域等流时线概念和方法，1932年美国谢尔曼首创单位(过程)线法和霍尔顿首创下渗原理和公式，以及1935年麦卡锡首创“马斯京根姆法”。[2]经过这些理论的发展就使水文学在流域产流，汇流，洪水预报，方面日趋成熟，进入更高的阶段。

在近五六十年里，水文学在伴随着计算机科学，航天科学的发展，产生新的发展机遇。这一时期水文学发展有三个重要的特征，一是水文计算机模拟模型得到快速发展，特别是分布式水文模型；二是水文信息获取和处理技术得到长足进步，如水热通量测试技术、遥感技术以及水循环示踪技术等；三是水文学与其他学科的交叉和融合趋势逐渐显现并逐步增强，包括生态水文学的出现、水文过程与气候过程耦合等等。[3]

（二）水文学理论基础

现代水文学作为一门独立学科，在探索揭示自然界水文现象的规律性，在了解控制洪水干旱过程，在开发利用水资源时，经过历史长期总结积累出一系列公认的水文学原理理论基础。这些理论主要包括：（1）质量守恒定律——水量平衡和其他物质，如泥沙、氮、磷、碳等平衡的基础。这种平衡关系既可表达成微分方程式，也可针对有限空间和时间来建立；（2）能量守恒定律——能量平衡和热量平衡的基础。这种平衡关系既可表达成微分方程式，也可针对有限的空间和时间来建立；（3）牛顿三大定律——描述和分析不同介质中水流运动的基础；（4）叠加性和均匀性原理——线性系统输入与输出之间定量表述的基础；（5）“门槛”效应——分析下渗、蒸散发和产流等水文现象，寻求其定量计算方法的基础。除此之外，还有包括统计综合、随机独立性假设、平稳性假设、重现性假设、空间分布均匀性假设等基于数学方法发展而成的理论基础。[4,5]

（三）水文学基本方法

水文学经过漫长的发展不断进步的过程中，不仅形成了自成系统的理论基础，也形成了一套科学有效的研究方法。

水文学的最主要基本方法可以大致分为五类：

一是实地的观测与调查，这是对水文状况进行记录比较，从中发现一定的规律性的内容，是水文学从起源一直沿用至今的最基础和最有效的方法，如水文观测包括降水、蒸发、水质、泥沙等诸多内容，对于未能系统、连续、有效观测的水文现象，人们常常以水文调查来补充，如暴雨调查、洪水调查和枯水调查等；

二是水文实验与物理模型，尽管人们很早就注重观察记录自然水文现象，但是许多水文现象是难以重复再现的，为了研究水文现象，也为了验证一些理论的正确性，经常进行水文实验或是构建一些物理模型，来模拟或描述某些水文过程和环节，如径流试验场、原状土柱渗流实验等；

三是统计与分析，由于自然水文现象具有较高的随机性，在许多情况下用严格的物理定律来解释水文现象显得很吃力，统计方法也就成为水文学研究的重要基础方法，如水文时间系列分析、水文极值事件频率分析以及地质统计学的应用等；

四是数值模拟方法，在分析了解了水文过程的物理过程并掌握水文过程的系统关系的基础上，就可以利用数学方法和计算机技术相结合建立模拟和预测水文过程的结构，即实现水文现象和过程的数值模拟，目前数值模拟方法应用十分广泛，许多水文模型便是计算机技术和水文学的完美结合产物；

五是假设和推理，假设和推理是自然科学最基础的方法论，在水文学中也有着广泛应用。[6]

二、水文学前沿发展

水文学发展至今，已经解决了许多问题，同样也总结发现了许多亟需解决的前沿科学问题。首先便是研究思维的转换问题。水文现象也是有许多现象并不能为线性思维所解释，所以需要转换思维把传统线性思维转换为非线性思维。利用非线性思维可以解释水文过程中存在的内部的相互作用。

其次是尺度转换的问题，因为我们研究水文规律总是首先针对一定尺度的流域的，而不可能对地球上所有的大大小小流域都设站进行水文观测，所以，对于研究结论的应用范围也需要进行尺度转换的适用性研究。

任何学科的发展，必定离不开一套行之有效，构思巧妙的研究方法来铺垫，学科方法与学科繁荣发展相互促进，学科的繁荣发展在很大程度上得益于学科方法的创新，反过来学科的繁荣又会有力地促进学科方法的深化和更奇妙方法的涌现。

水文学方法发展的过程可以概括为“从经验到理论”：最初不明白理论基础，以后可以找到；原先是纯经验性的，后来参数的物理意义、方程的物理实质也弄清楚了。但是在水文学的发展过程中，我们不得不进行许多假设和猜想，例如：假设全球水文循环是一个闭合系统；假设水文要素在一定空间范围内分布均匀；假设有限时段内水文要素变化均匀等假设及猜想。这些假设很难用实践来证实，有待进一步提高精度。

三、水文学的发展前景

由于人类影响范围的扩大，全球尺度的气候变化对于流域水循环系统的输入与输出产生较为重要的影响；人类消耗利用水量占自然水循环的比重越来越大，人类活动在自然的蒸发——降雨的主循环内，形成了形式更为复杂的小循环圈，使得流域水循环具有了明显的二元结构；人类对于地球下垫面的改变，也对流域水状况产生一系列影响，例如城镇化、修建绿地、围湖造田等活动对流域水文学产生一定的影响。正是由于人类未来发展变化，相应的水文学的发展也不同于过去的研究内容。

未来一个时期现代水文学发展的重点主要集中在五方面：（1）现代水文基础理论研究。现有的水文学基础理论建立在自然水循环动力学机理的基础上，随着人类活动影响的加剧，迫切需要在原有的水文学的基础上，人类活动对于水循环的影响表现出来，将水循环提升到社会水循环的层面研究。（2）现代环境下的水文现状及其规律研究。重点包括三个方面内容，一是全球变化和人类活动影响下的水文现状，如温室效应下的水文学现状、土地利用变化下水文学现状；二是水循环分过程的耦合模拟，主要是流域尺度水循环的地表过程、土壤过程、地下过程的整体模拟及其与大气过程的耦合模拟；三是现代环境下的水文规律认知，包括水文过程的量质演变、时空分布特性以及特征值变化等。（3）水文循环系统边界问题研究。由于水问题通常是两大系统相互作用的表现，而当代世界系统联系越来越紧密难以区分，因此水文学今后在重视水循环规律及其演变机理研究的同时，要更加注重系统边界问题的研究，要深入研究系统界面交互过程与通量问题。（4）水文预测和预报研究。由于水文过程固有的随机特性，以及变化环境下的现代水文过程所具有非重复特性，因此在一定的预见期内进行科学的水文预测预报是现代水文学发展的基础内容之一，这就要求我们能够构建有物理机制的预测模型并与气象预报紧密结合起来。（5）发展系统性与整体性:地球是一个系统的整体，需要从整体考虑研究地球气候变化、水循环和生态平衡的相互作用，并预测未来趋势的变化和对人类社会经济影响，系统水文学的发展是大势所趋。

地球环境变化和人类活动改变了水文循环路径，全球气候变化影响了水文循环过程的上边界，经济社会发展所致的高强度人类活动深刻地改变着水文过程的下边界。[8]这些不断变化时刻在改变着水文现象。我们试图将多尺度上的自然、生态、经济、社会的动态过程集于一体，作为一个系统来研究水文变化，这就要求水文学向更加系统科学的方向继续发展。

[1]叶守泽，夏军.水文科学研究的世纪回眸与展望[J].水科学进展，2002，13（1）：93-104.

[2]赖佩英.现代水文学进展概述[J].江淮水利科技，2006，3：3-4.

[3]芮孝芳，刘方贵，邢贞相.水文学的发展及其所面临的若干前沿科学问题[J].水利水电科技发展，2007，27（1）：75-79.

[4]芮孝芳.水文学原理[M].北京:中国水利水电出版社，2004.

[5]芮孝芳.水文学的研究方法与理论创新[J].水利水电科技进展，2003，23（2）：46-50.

[6]芮孝芳，梁霄.水文学的现状及未来[J].水利水电科技进展，2011，31（2）：1-4.

[7]任立良，江善虎，袁飞，等.水文学方法的演进与诠释[J].水科学进展，2011,22（4）：586-592.