1相關介紹

水文科學是地球上水的起源、存在、分佈、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。地球表層的水由地球內部逸出,經過約35億年的積聚和演變,逐漸形成今天的水圈。水圈的形成不僅改變了岩石圈的面貌,使大氣圈中的現象變得複雜多樣,而且導致生物圈的出現。因此,水的出現和水圈的形成,被視為地球自然歷史中最重大的事件。水是人類存在最重要的物質基礎,同時,暴雨和洪水也給人類帶來嚴重的災害。在人類文明史中,水與人的關係佔有極其重要的地位,而且這種關係還在不斷發展。在人類面臨糧食、能源和環境等重大挑戰的今天,水更是影響人類社會發展的重要因素。因此,水文科學在認識自然、改造世界的鬥爭中,有著重要的意義和廣闊的前景。
水文科學的研究領域十分寬廣。從大氣中的水到海洋中的水,從陸地表面的水到地下水,都是水文科學的研究對象。水圈同大氣圈、岩石圈和生物圈等地球自然圈層的相互關係,也是水文科學的研究領域。水文科學不僅研究水量,而且研究水質,不僅研究現時水情的瞬息動態,而且探求全球水的生命史,預測它未來的變化趨勢。20世紀50年代以來,水資源的開發利用規模日益擴大,人類活動對自然環境產生了多方面的影響,因此,現代水文科學也正以極大的興趣研究水資源利用和人類活動對自然環境的反饋效應。特別應當指出的是,地球上各種水體的水通過水文循環緊密地聯繫在一起,因此,對地區和全球水文循環的研究,是水文科學的核心內容。人們在長期觀測和實驗中逐漸認識了水文循環的基本規律,使水文科學發展成為一門近代自然科學。
水文科學是地球科學的組成部分,也是現代技術科學的一個領域。它主要包括海洋水文學和陸地水文學。海洋水文學以海洋中的水為研究對象,陸地水文學以陸地上的水為研究對象,大氣中的水雖然也是水文科學的研究對象,不過,有關這方面的知識還沒有形成完全獨立的學科。
陸地上的水量雖然只約佔全球總水量的3.5%,但是,淡水幾乎都分佈在陸地,整個人類生活在陸地,最複雜的水文過程也發生在陸地,因此,對陸地上的水的研究尤其受到人們的重視。陸地水文學是水文科學的主要組成部分。本文主要根據陸地水文學的研究成果,對水文科學的研究對象、研究方法、學科體系、發展簡史、現狀和趨勢作一概要的闡述。詳細內容由《水文科學》的其他條目介紹。有關海洋和大氣中的水文知識,由本卷的《海洋科學》和《大氣科學》分別概述。

2水文循環

地球上現有約13.9億立方公里的水,它以液態、固態和氣態分佈於地面、地下和大氣中,形成河流、湖泊、沼澤、海洋、冰川、積雪、地下水和大氣水等水體,構成一個浩瀚的水圈。水圈處於永不停息的運動狀態,水圈中各種水體通過蒸發、水汽輸送、降水、地面徑流和地下徑流等水文過程緊密聯繫,相互轉化,不斷更新,形成一個龐大的動態系統。在這個系統中,海水在太陽輻射下,蒸發成水汽升入大氣,被氣流帶至陸地上空,在一定的天氣條件下,形成降水落到地面。降落的水一部分重新蒸發返回大氣,另一部分在重力作用下,或沿地面形成地面徑流,或滲入地下,形成地下徑流,通過河流,匯入湖泊,或注入海洋。從海洋或陸地蒸發的水汽,上升凝結,在重力作用下直接降落在海洋或陸地上。水的這種周而復始不斷轉化、遷移和交替的現象稱水文循環。不過,上述只是全球水文循環輪廓的幾筆速寫,而水文循環的實際情況要複雜得多。在地面以上平均約11公里的大氣對流層頂至地面以下1~2公里深處的廣大空間,無處不存在水文循環的行蹤。不同緯度帶的大氣環流使一些地區成為水汽源地,那裡蒸發大於降水,而使另一些地區成為水汽輻合區,那裡降水大於蒸發;不同規模的跨流域調水工程能夠改變地面徑流的路徑,全球任何一個地區或水體都存在著各具特色的區域水文循環系統,各種時間尺度和空間尺度的水文循環系統彼此聯繫著、制約著,構成了全球水文循環系統。
全球每年約有577000立方公里的水參加水文循環。水文循環的內因,是水在自然條件下能進行液態、氣態和固態三相轉換的物理特性,而推動如此巨大水文循環系統的能量是太陽的輻射能和水在地球引力場所具有的勢能。
水文循環是自然界最重要的物質循環之一。它成雲致雨,影響著一個地區的氣候和生態,塑造地貌和實現地球化學物質的遷移,像鏈條一樣連結著全球的生命,為人類提供不斷再生的淡水資源和水能資源。水文循環使我們生活的星球變得生機勃勃。不難想象,倘若沒有水和水文循環,我們的星球會像月球一樣,是一幅沒有生命,寂靜荒漠的圖景。
在一定的氣候條件下,從長時期(數十年乃至數百年)考察全球水文循環,可以看到,水文循環的各個要素的水量基本是恆定的。就多年平均而言,全球陸地的年入海水量基本不變,全球的年蒸發量與年降水量大體相等;而在任一局部地區和時段內,收入的水量恆等於支出的水量與蓄水變數之和。水文循環過程中,蒸發、降水、徑流等要素間的這種數量關係叫做水量平衡,它是物質不滅定律在水文循環過程中的體現,也是水文科學最基本的原理之一。
水在循環過程中的存在和運動的各種形態,例如蒸發、降水、河流和湖泊中的水位漲落、冰情變化、冰川進退、地下水的運動和水質變化等,統稱水文現象。水文現象在各種自然因素和人類活動影響下,在空間分佈或時間變化上都顯得十分複雜。儘管如此,人們經過長期研究,認識到水文現象具有下列特點。
第一,在全球水文循環過程中,發生在不同地點不同時間的水文現象並不是各自孤立的,而是在空間上和時間上存在著一定聯繫的。例如,在空間上,一個地區發生洪水或乾旱往往與另一些地區水文現象的異常變化有聯繫;在時間上,今天的水文現象是昨天的水文現象的延續,而明天的水文現象則是在今天的基礎上向前發展的結果。在永無休止的全球水文循環過程中,任何地方任何時候出現的水文現象,都是全球水文現象整體中的一部分和在時間長河中的一幕。
第二,水文現象的時間變化過程存在著有周期而又不重複的性質,一般稱為「准周期」性質。例如,潮汐河口的水位存在以半個或一個太陰日(24小時50分)為周期的日變化;河流每年出現水量豐沛的汛期和水量較少的枯季,表現出一年內的季變化;通過長期觀測可以看到,河流、湖泊的水量存在著連續豐水年與連續枯水年的交替,表現出多年變化。形成這種周期變化的基本原因,是地球的公轉和自轉,地球和月球的相對運動,還包括太陽活動如太陽黑子的周期性運動的影響。它們導致太陽輻射的變化和季節的交替,使水文現象也出現相應的周期變化。周期變化反映了水文現象的時間變化過程有確定性的一面。然而,水文現象還受眾多其他因素的影響。這些因素自身在時間上也不斷地變化,並且相互作用和相互影響著。因此,水文現象的周期變化規律並不是十分嚴格的,表現出既有周期又不重複的特點。例如,河流汛期的水量及其變化過程每年並非一樣,河流、湖泊的豐枯水的多年變化周期可以有很大的差異。這種不重複性表明水文現象在時程變化方面存在不確定性的一面。
第三,水文現象在地理分佈上既存在地帶性,又具有局部變化的特點。例如,東亞地區的年雨量和年徑流量都存在著隨緯度和離海洋距離的增大而自東南向西北逐漸減小的趨勢,形成這種趨勢的原因是各地的氣候條件隨地理位置呈有規律的變化。地帶性反映水文現象在空間變化方面存在確定性的一面。然而,當某些地區下墊面因素呈現出十分明顯的局地性時,水文現象的地帶性規律在這些地區會變得模糊甚至被掩蓋,而表現出局地變化的特徵。例如,岩溶地區的徑流特徵與它周圍地區的徑流特徵往往迥然不同,這種局地變化反映水文現象在空間變化方面也存在不確定性的一面。
值得指出的是,無論在時間上或空間上,水文現象的確定性和不確定性並不是互相排斥的,任何水文現象都同時存在這兩方面的性質。只是當某種情況下,更多地表現出確定性規律,而在另一種情況下,更多地表現不確定性的特點。

3水文科學研究特點

水文科學研究同其他科學研究一樣,循著通過實踐獲取信息、分析信息,得出規律性的認識,用來指導人們改造自然,同時促進水文科學自身發展,這樣一條螺旋式上升的道路前進,使人類對於水的認識不斷發展和深化。沿著這條道路,人們逐漸認識到,水文循環是自然界各種水體的存在條件和相互聯繫的紐帶,是水的各種運動、變化形式的總和,是水文科學研究的主要對象和核心內容;而在水文循環過程中,水文現象所表現出的特點,則決定了水文科學研究的特點。
首先,水文科學把各種水文現象作為一個整體,並把它們同大氣圈、岩石圈、生物圈和人類活動對它們的影響結合起來進行研究。例如:在研究長江流域的旱澇變化時,除考慮長江流域的水文氣象條件外,還考慮北太平洋海溫異常對東亞大氣環流和西太平洋颱風活動的影響;在藉助水量平衡方法研究某個流域的水量變化時,既考慮流域周圍大氣中水汽輸送,也考慮流域上空大氣中水分含量的變化,既考慮降水,也考慮蒸發,既考慮流域的地面徑流,也考慮流域土壤含水量和流域內外地下水的交換,而且還考慮流域內水利工程以及其他人類活動的影響。
第二,水文科學主要根據已有的水文資料,預測或預估水文情勢未來狀況,直接為人類的生活和生產服務。例如,提供洪水預報和各種水情預報,對旱澇災害的發生作出中長期預測,為水利工程在未來數百年運轉時期中可能遇到的特大洪水作出概率預估等。但是,在水文現象發展演變的時間長河中,人們只能獲得它在一段極短時段內的信息。例如,即使獲得100年的洪峰流量系列,也只是它龐大總體中的一個小小的樣本。這種根據「短暫」時間內獲得的信息對未來長期水文情勢作出預測的方法是水文科學研究的又一特點。
第三,水文科學主要靠建立從局部到全球的水文觀測站網,通過對自然界業已發生的水文現象的觀測進行分析和研究。水文現象在複雜的自然環境中演變著,無法在實驗室內真實地模擬全球或者某一地區的水文循環系統,也無法重演某條河流多少年來的水文過程。各種水文實驗,除少數在實驗室內進行以外,主要是在自然界中,例如在實驗流域中進行。同其他某些學科那種完全或主要靠在實驗室內,根據實驗者的意圖「主動」地去影響和變革研究對象,進行科學研究的方式相比,水文科學的觀測實驗研究是採用一種「被動」的方式進行的。
第四,在水文科學研究中廣泛採用成因分析和統計分析的方法,並使二者盡量結合起來。成因分析主要以物理學原理為基礎。通常建立某種形式的確定性模型,研究水文現象發展演變過程中的確定性規律。統計分析法以概率論為基礎,通常建立某種概率模型(純隨機模型),探討水文現象的統計規律。主要在20世紀60年代發展起來的隨機水文分析方法,則是把水文現象的確定性和不確定性結合在一起進行研究。

4水文科學體系

整個自然科學是一個前沿在不斷擴大、多層次、綜合的統一體。地球科學是自然科學的基本組成部分。水文科學則是地球科學的一個組成部分。由於水在人類生存和社會發展中的重要作用,水文科學又不單純是一門基礎科學,也是一門廣泛為生產和生活服務的應用科學。
水文科學不斷從數學、物理學、化學等基礎科學中汲取養料。它運用數學力學定律和方法描述水的運動,運用物理學中的熱學、聲學和光學原理研究水體的熱狀態和解釋水體中的聲學和光學現象,根據化學鍵和分子締合的理論闡明水的液態、氣態和固態的轉化原因和方式。因為水文循環使水圈、大氣圈和岩石圈緊密聯繫,所以,水文科學與地球科學體系中的大氣科學、地質學和自然地理學等的關係密切。水文科學和大氣科學共同關心水圈與大氣圈的相互聯繫,逐漸形成水文氣象學;水文科學和地質學共同研究地下水形成、埋藏和運動規律,形成了地下水水文學(水文地質學);而區域水文學、水文地理學則是水文科學和自然地理學共同研究水在地理環境中的作用而發展起來的。水文科學也為自然科學中其他學科的發展提供了機會。
水文科學開始主要研究河流、湖泊、沼澤、冰川和積雪,以後擴展到地下水、大氣中的水和海洋中的水。傳統的水文科學是按研究對象劃分分支學科的,主要有:河流水文學、湖泊水文學、沼澤水文學、冰川水文學、雪水文學、水文氣象學、地下水水文學、區域水文學和海洋水文學等。
河流水文學也稱河川水文學,研究河流的自然地理特徵、河流的補給、徑流形成和變化規律、河流的水溫和冰情、河流泥沙運動和河床演變、河水的化學成分、河流與環境的關係等。湖泊水文學主要研究湖泊中的水量變化和運動,湖水的物理特性和化學成分、湖泊沉積、湖泊的利用等。沼澤水文學研究沼澤徑流、沼澤水的物理化學性質、沼澤對河流和湖泊的補給、沼澤改良等。冰川水文學主要研究冰川的分佈、形成和運動、冰川融水徑流的形成過程及其時空分佈、冰川突發性洪水的形成機制和預測、冰川水資源的利用。雪水文學主要研究積雪的數量和分佈、融雪過程、融雪水對河流和湖泊的補給、融雪洪水的形成和預報,有時把雪水文學和冰川水文學合稱為雪冰水文學。水文氣象學研究水圈和大氣圈的相互關係,包括大氣中水文循環和水量平衡,以蒸發、凝結、降水為主要方式的大氣與下墊面的水分交換,其中尤其著重研究暴雨和乾旱發生和發展的規律。地下水水文學主要研究地下水的形成和運動,地下水與河流、湖泊的相互補給,地下水資源的評價和開發利用。區域水文學著重研究某些特定地區的水文現象,如河口水文、坡地水文、平原水文、岩溶地區水文、乾旱地區水文現象等。海洋水文學著重研究海水的物理性質和化學成分,海洋中的波浪、潮汐、洋流、海岸帶泥沙運動等。上述諸學科通常也統稱為普通水文學或水文學。
水文科學主要通過定點觀測、野外查勘和水文實驗(主要是野外實驗)等手段,獲得水體時空分佈和運動變化的信息,因而逐漸形成了水文測驗學、水文調查、水文實驗三個分支學科。水文測驗學研究如何正確、經濟、迅速地測定各種水文要素的數量及其在時間和空間上的變化,主要包括站網布設、測驗方法和資料整編方法的研究。還包括測量儀器的研製和資料存儲、檢索、傳送系統的研究。水文調查是水文科學的野外勘測和考察部分,旨在對水體形態和數量、集水面積內的自然地理條件等作出科學的分析和評價。在中國,歷史大暴雨、歷史大洪水和枯水的調查是水文調查的重要內容。水文實驗旨在通過野外和室內實驗,揭示水文循環過程各環節中水的運動、變化的某些規律,如水向土中下滲的規律、土壤水的運動規律、徑流形成規律、土壤和水面蒸發的規律,以及人類活動的水文效應等。
水文科學作為一門應用科學主要包括工程水文學、農業水文學、森林水文學、都市水文學、醫療(衛生)水文學等分支學科,其中以工程水文學發展最為迅速。工程水文學包括水文計算、水利計算、水文預報等組成部分,水文計算和水利計算為各類防洪工程、灌溉工程、水力發電、航運工程、道路和橋涵工程、軍事工程等的規劃、設計提供水文依據。水文預報為工程的施工和運轉及國民經濟各部門提供洪水、枯水、冰情等各種形式的水文預報。農業水文學主要研究水分-土壤-植物系統中與作物生長有關的水文問題,尤其著重研究植物散發和土壤水的運動規律,為農業規劃和農作物增產提供水文依據。森林水文學著重研究森林在水文循環中的作用,即森林的水文效應,包括森林對降水、蒸發和徑流形成的影響。都市水文學是應用水文學中較年輕的分支學科,著重研究城市發展中的水資源、城市排水的環境效應和城市對徑流形成的影響等問題。
50年代以來,隨著科學技術的迅速發展,水文科學不斷引入許多其他學科的新成就,出現了一些新的分支學科,例如,在水文調查和水文預報中,研究遙感技術的應用,逐漸形成遙感水文學;在水文實驗、地下水運動研究中應用核技術,逐漸形成同位素水文學;隨機過程的理論和方法的引入,逐漸形成隨機水文學。這些新的分支學科雖然在成熟程度上都還不能與水文科學體系中原有學科相提並論,但它們表明,水文科學在繼續分櫱、不斷萌發新的分支。

5歷史回顧

人類探索除水害、興水利的歷史,猶如人類的文明史那樣悠久。在生產實踐中,特別在與水旱災害的鬥爭中,人類不斷觀測各種水文現象,思考和研究它們的規律,積累起關於水的豐富知識,逐漸形成、並不斷發展了水文科學。水文科學的發展與其他學科的發展和社會進步是不可分的。水文科學從其他學科吸取新思想、新方法和新技術,解決社會發展中提出的新課題,不斷獲得新的武裝和動力。水文科學源遠流長,經歷了漫長的醞釀時期,而它的飛躍發展則是最近一個世紀的事。同自然科學的許多學科相似,人們還難以找出公認的里程碑把水文科學的歷史進程劃分成若干明確的階段。我們只是順著它前進的足跡,大體劃分下列時期。
萌芽時期(遠古至約公元1400年)。在尼羅河、底格里斯-幼發拉底河、 恆河和黃河這些古老文化發祥地的遺迹中,我們可以看到這一時期的特點:①開始了原始的水文觀測。最早的水位觀測是在中國和埃及開始的。公元前約22世紀,中國傳說中的大禹治水,已「隨山刊木」(立木於河中),觀測河水漲落。此後,戰國時李冰設於都江堰的「石人」,隋代的石刻水則,宋代的水則碑等,表明水位觀測不斷進步。最早的雨量觀測於公元前4世紀首先在印度出現,中國於秦代(公元前221~前206年)已開始有呈報雨量的制度,到了公元1247年,已有了較科學的雨量器和雨深計算方法,並開始了用「竹籠驗雪」以計算平地降雪深度。明代劉天和在治理黃河工作中,已採用手制「乘沙量水器」測定河水中泥沙的數量。②開始積累原始的水文知識。中國古籍《呂氏春秋》中寫道:「雲氣西行云云然,冬夏不輟;水泉東流,日夜不休,上不竭,下不滿,小為大,重為輕,圜道也。」提出了樸素的水文循環概念。成書於公元約 6世紀初的《水經注》中,記述了當時中國境內1252條河流的概況,成為水文地理考察的先驅。誠然,這些原始的水文觀測和水文知識是膚淺零星的,但已為當時生活和生產提供了重要的水文資料。例如,根據雨量多少決定稅收的多少,根據上游的水位向下游傳遞水情等,標誌著水文科學的萌芽。
奠基時期(約1400~1900)。歐洲文藝復興帶來的科學思想的解放和科學技術的進步,為水文科學發展成為獨立的學科奠定了基礎。這一時期的特點主要表現以下兩方面。①近代水文儀器的發明使水文觀測進入了科學的定量觀測階段。1663年C.雷恩和R.胡克創製了翻斗式自記雨量計,1687年E.哈雷創製測量水面蒸發量的蒸發器,1870年T.G.埃利斯發明旋槳式流速儀,1885年W.G.普賴斯發明旋杯式流速儀,這些近代水文儀器使流量、流速、蒸發、降水的觀測達到了相當的精度。利用這些近代水文儀器裝備進行水文觀測的各種水文站陸續出現。1746年,中國在黃河老壩口設立了全國第一個正規水位站,開始系統觀測水位,並進行報汛。這些成就使水文現象的觀測視野在深度和廣度上空前擴大,為水文科學在理論上的發展創造了條件。②近代水文科學理論逐漸形成。1674年P.佩羅提出了水量平衡的概念,成為水文科學最基本的原理之一;1738年伯努利父子發表水流能量方程;1775年謝才發表明渠均勻流公式;1802年J.道耳頓建立了研究水面蒸發的道耳頓公式;1856年,H.-P.-G.達西發表了描述孔隙介質中地下水運動的達西定律;1851年T.J.莫萬尼提出了匯流和徑流係數的概念,並發表了計算最大流量的著名推理公式。這些科學理論的創立,為水文科學在河道水流、蒸發、地下水運動、徑流形成和水文循環等領域的發展奠定了理論基礎,它表明人類對水文現象的認識已由萌芽時期那種膚淺零星的知識,發展到了比較深刻系統的知識。同時也表明,人類對地球上水的運動、變化規律的探索,已由萌芽時期那種以古代自然哲學為依據的純粹思辨性猜測,發展到以大量觀測事實為基礎的,進行假說、演繹和推理,進而建立各理論體系的近代科學方法論。
19世紀末,專門水文研究機構開始出現,一些國家開始出版水文年鑒。P.弗里西著的《河流水文測驗方法》,F.-A.福雷爾著的《日內瓦湖湖泊志》, E.馬略特著的《水的運動》等水文學專著陸續出版,這些著作總結了當時水文觀測和理論研究的成就,標誌著水文科學作為一門近代科學已奠定基礎。
應用水文學興起時期(約1900~1950)。這一時期,水文科學在觀測方法,理論體系和研究領域等方面繼續取得新成就,但它最重要的進展是應用水文學的興起。進入20世紀,特別是第一次世界大戰以後,大量興起的防洪、灌溉、交通工程和農業、林業乃至城市建設向水文科學提出越來越多的新課題,解決這些課題的方法也由經驗的、零碎的逐漸理論化和系統化,水文科學的應用特色逐漸表現出來。
首先,從1914年到1924年,經過A.黑曾、H.A.福斯特等人的工作,把概率論、數理統計的理論和方法系統地引入了水文科學,使水文變數(如洪峰和洪量)和它出現的機率聯繫起來,為預估工程未來運行時期內可能出現的水文情勢開闢了道路。接著,從1932年到1938年,L.R.K.謝爾曼、R.E.霍頓、G.T.麥卡錫、F.F.斯奈德等人在產流和匯流計算方面取得開拓性進展,為根據降雨推算洪水開闢了道路。隨後,C.O.克拉克、R.K.林斯雷等人在單位線、多個水文變數聯合分析和徑流調節的理論、方法等方面發展並豐富了上述的內容。在此期間, 水文站在世界範圍內發展成規模宏大的水文站網系統,這些成就為應用水文學的興起在理論上、方法上和資料條件方面奠定了基礎,並率先形成了它最重要的分支學科──工程水文學。接著,農業水文學、森林水文學、都市水文學也相繼興起。1949年,R.K.林斯雷和M.A.柯勒、J.L.H.保羅赫斯合著《應用水文學》,同年,D.姜斯敦和W.P.克樂斯合著的《應用水文學原理》、美國土木工程師學會編著的《水文學手冊》等應用水文學專著陸續問世,總結了這一時期的成就,標誌著應用水文學的誕生,應用水文學,以它直接為生產和生活提供多方面服務這一鮮明特徵,獲得迅速發展,成為近代水文科學體系中最富有生氣的分支學科。
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