第1章 绪 论

1.1 水文学发展回顾

1.1.1 水文学的发展

人类探索除水害、兴水利的历史，犹如人类的文明史那样悠久，因此，水文学的发展正是与人类对水的认识和需求密切相关。在生产实践中，特别在与水旱灾害的斗争中，人类不断观测各种水文现象，思考和研究它们的规律，积累起关于水的丰富知识，逐渐形成并不断发展了水文科学。

为了生活的需要，人类很早以前就开始了雨量、河流水位与流速的观测，并不断试图给水文现象以科学解释。例如，公元前3500～前3000年，古埃及人即开始观测尼罗河的水位；中华民族的祖先为了防御黄河洪水，从公元前2000多年起就开始观测水位涨落与天气状况；公元前450～前350年，希腊哲学家Plato和Aris?totle提出了水文循环的猜想；1452～1519年，意大利科学家daVinci进一步完善了水文循环的概念，并发明了浮标测定流量的方法。这些早期的水文现象观测和研究为水文科学的形成奠定了基础。

如果认为对水文规律的及时次定量研究是水文学的开端，那么1674年可作为该学科发展的起点。因为在这一年，法国科学家佩劳特(Perreault)在巴黎出版了《喷泉的起源》一书，阐述了他在塞纳河进行的3年雨量观测，得出了"塞纳河流域的年径流量为年降水量的1/6"的结论。鉴于这本专著将人们对水文循环的认识从定性描述提升到定量计算的水平，联合国教科文组织(UNESCO)和世界气象组织(WMO)认定1674年为现代水文学的开端。1674年后，涌现了一批水文测验仪器，如翻斗式雨量计和流速仪。水文领域也提出了若干基础理论和公式，如基于水力学Bernouli定理和Chezy水流阻力公式。

在19世纪，以牛顿力学为基础和版本的古典科学得到了极大的发展。在物理学领域，以牛顿力学为基础，统一了声学、光学、电磁学和热力学；在水科学领域，基于牛顿力学，于1856年提出了描写渗流运动规律的达西(Darcy)定律，于1871年提出了描写明渠缓变不稳定流运动规律的圣维南(St.Venant)方程组；1891年提出了Manning明渠流公式等。19世纪末，专门水文研究机构开始出现，一些国家开始出版水文年鉴。弗里西著的《河流水文测验方法》、福雷尔著的《日内瓦湖湖泊志》、马略特著的《水的运动》等水文学专著陆续出版。这些著作总结了当时水文观测和理论研究的成就，标志着水文科学作为一门近代科学已奠定基础。

进入20世纪，随着大量兴起的防洪、灌溉、交通工程和农业、林业乃至城市建设向水文科学提出越来越多的新课题，解决这些课题的方法也由经验的、零碎的知识逐渐理论化和系统化，水文科学的应用特色逐渐表现出来。1911年Green和Ampt建立了具有物理基础的入渗方程；1914年Hazen提出了水文频率计算方法，用于洪峰流量及其所需滞蓄水量的估算；1932年Sherman提出将净雨换算为地表径流的单位线；1933年Horton建立入渗理论。在此期间，水文站在世界范围内发展成规模宏大的水文站网系统，这些成就为应用水文学的兴起在理论上、方法上和资料条件方面奠定了基础，并率先形成了它最重要的分支学科――工程水文学。接着，农业水文学、森林水文学、城市水文学也相继兴起。这一阶段的理论和方法的提出，不仅为许多水利工程的建造与运行管理提供了合理的水文计算方法，而且奠定了工程水文学的基础内容。

20世纪50年代以来，随着工业经济的发展，世界人口快速增长，致使若干国家和地区先后发生资源、环境等问题，特别是水资源短缺和环境污染引起的危机。同时，现代科学技术使获取水文信息的手段和分析水文信息的方法有了长足的进步。例如，遥感(RS)技术的应用使同时观测大范围内的宏观水文现象成为可能；核技术的应用使人们能够获得微观水文信息；水文模拟方法、水文随机分析方法、水文系统分析方法使人们研究水文现象的能力发展到新的水平；电子计算机的应用，使水文科学从水文观测到基本规律的研究由人力和机械操作发展到以电子计算机为核心的自动化。

20世纪70年代以来，世界很多国家和地区出现水危机，水资源紧缺已逐步成为经济社会发展的制约因素。由于社会经济的需求和技术条件的成熟，先后提出大尺度水文模拟的基本概念，研制出基于遥感、数字流域、地理信息系统(GIS)的分布式流域水文模型，以满足水资源形成变化规律和水资源合理开发利用及节水技术的研究等需要，水资源评价在这种背景下兴起并得到发展。

1992年，在都柏林国际水与环境大会上正式提出了生态水文学(ecohydrolo?gy)概念。生态水文学一经提出，就广受人们的青睐。有的学者认为生态水文学是实现淡水资源持续利用的重要理论和有效工具，通过生态水文学的研究，人类有望走出水资源问题的困境；有的学者认为生态水文学将是今后几年内水资源可持续开发利用研究中最有意义的前沿学科。生态水文学是研究水文过程与植物分布、生长相互作用的水文学与生态学相互作用的一门交叉学科，其研究对象不仅包括湿地生态系统，而且还涉及干旱地区生态系统、森林和疏林生态系统、江河生态系统、湖泊生态系统、水生生态系统等。

21世纪，我国进入发展的黄金时期，经济社会对水文学科提出了更进一步的要求，解决这些问题既是挑战也是机遇。首先，从全球范围看气候变暖更为明显，这使得水循环变化加剧。全球气候变化及大气、海洋、陆地相互作用过程的研究，引起了水文学家广泛的兴趣，并认为波及许多国家和地区的水危机和洪涝灾害与全球气候变化异常有关。目前全球尺度水文学的研究已初见端倪，已在大气相互作用理论的野外试验，以及应用RS技术探索地表水文过程空间变异性等方面开展了研究并取得进展。一些业内人士认为，全球尺度水文学的研究对当前和今后水文学的发展具有重要意义；水文学家要想成为这一领域的生力军，就必须熟悉辐射物理、地球流体力学、降水过程、微气象学、植物生理学和生态学等。

从上述水文学的简要发展过程可以看出，其研究领域越来越拓宽，与人类的关系越来越密切，在社会经济发展中的地位越来越重要。同时可以看到，该学科在其发展过程中所取得的每一项成就，无不体现了社会的需要和人类对真理的追求。水文科学和其他科学之间的边缘科学正在不断兴起，学科间的空隙逐渐得到填补。此外，人们开始看到，水已成为影响社会发展的重要因素。水在表现自然属性的同时，它的社会属性也日益表现出来，并逐渐为人们所认识。因此，水文科学将有可能发展成为具有自然科学和社会科学双重性质的一门综合性科学。

1.1.2 水文学的主要分支学科

分类的依据不同，水文学的分支学科的数量和名称不相同。

按基础理论与应用划分，可分为：

(1)水文学原理(或称理论水文学)；

(2)应用水文学。按研究方法分，则可分为：

(1)动力学水文学；

(2)系统水文学；

(3)计算水文学；

(4)确定性水文学；

(5)水文统计学；

(6)随机水文学；

(7)地理水文学；

(8)实验水文学；

(9)同位素水文学；

(10)数字水文学。按研究对象分，则可分为：

(1)河流水文学；

(2)湖泊水文学；

(3)冰川水文学；

(4)河口海岸水文学；

(5)地下水文学；

(6)水文气象学；

(7)水文测验学；

(8)水资源学。按应用范围分，则可分为：

(1)工程水文学；

(2)农业水文学；

(3)森林水文学；

(4)城市水文学；

(5)环境水文学；

(6)生态水文学。学科的分类方法和学科的发展水平有关，这里所作的分类仅仅是一些举例，也体现了多学科的交叉与渗透。下面对部分主要分支学科作以简要介绍。

水文学原理 研究自然界水文循环、水分运动和溶质输移转化机理，以及水圈与大气圈、岩石圈和生物圈的相互关系，特别是与人类活动相互影响的机理及效应。

河流水文学 也称河川水文学，研究河流的自然地理特征、河流的补给、径流形成和变化规律、河流的水温和冰情、河流泥沙运动和河床演变、河水的化学成分、河流与环境的关系等。

地下水文学 运用水文循环和水量平衡原理研究地下水形成、运动、水情和地下水资源的水文学分支学科。它和主要研究地下水起源、类型、分布、运动、化学成分的形成和地质环境的水文地质学关系密切，但研究内容各有侧重。

水文气象学 研究水文循环和水分平衡中同降水、蒸发有关问题的一门学科。它是气象学与水文学之间的边缘学科，既是应用气象学的一个分支，又是水文学的重要组成部分，其研究成果主要用于河道、水库的防洪兴利，以及水资源的开发利用和水利水电工程的规划设计。

工程水文学 研究水文学原理应用于工程实践的方法，为水利工程或者其他有关工程的规划、设计、施工、运行管理提供水文依据。主要包括水文水利计算和水文预报等内容。

森林水文学 是森林生态学和水文学的边缘学科。研究森林生态系统中水文过程和森林与水分循环相互的影响。包括森林对水量、水文情势和水质的影响以及水分循环过程中对森林生长发育的作用。涉及林学、水文学和地学等主要学科。

城市水文学 研究城市化对河川径流和水质的影响，主要内容包括城市化的水文效应、城市化对水文过程的影响、城市水文气象的观测实验、城市供水与排水、城市水环境、城市的防洪除涝、城市水资源、城市水文模型和水文预测以及城市水利工程经济等。

环境水文学 水文学新兴学科之一，研究水体或流域水文与环境之间相互作用的学科。着重研究水环境演化规律及自然条件与人类活动对水域或流域水质与水量变化的影响。

生态水文学 20世纪90年代以来兴起的一门新兴边缘学科，是描述生态格局和生态过程的水文学机制的一门科学，是生态学的水文方面，是研究植物如何影响水文过程及水文过程如何影响植物分布和生长的水文学和生态学之间的交叉学科。

1.2 水文学与水资源

人类进入21世纪后，淡水资源短缺已成为全球性问题，而水资源的可持续利用则是保持经济发展和维护社会稳定的关键。水文学及水资源包括水文学和水资源学两个方面，是研究水的性质、循环运动规律、水与环境相互关系以及水资源可持续利用的学科，在经济社会可持续发展战略中占有重要的地位。

水文学(Hydrology)是地球物理学和自然地理学的分支学科，主要研究存在于大气层中、地球表面和地壳内部各种形态水在水量和水质上的运动、变化、分布，以及与环境及人类活动之间相互的联系和作用。是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律，以及运用这些规律为人类服务的知识体系，为人类防治水旱灾害、合理开发和有效利用水资源、不断改善人类生存和发展的环境条件提供科学依据。

目前，水文学学科方向包括：①水文学基础理论或理论水文学的研究，如流域水循环的各要素过程、产汇流原理、水文变量及参数的空间变异与尺度问题、分布式流域水文模拟方法、水文模拟与预测的不确定性分析等；②应用水文学的研究，如工程水文学(水文计算、水文统计、水文预报等)、城市水文学、农业水文学和森林水文学等；③水文量测与水信息技术，如遥感水文学、同位素水文学、水文数据同化和数字流域与水信息技术；④学科交叉研究，如水文循环过程与物质循环过程的相互作用(环境水文学)、水文循环过程与大气过程的相互作用(水文气象学)、水文循环过程与生态过程的相互作用(生态水文学)及生态需水研究、流域自然水循环系统与社会水循环系统之间的相互作用(二元水循环)等。

水资源学是对水资源的量与质进行评价，制定水资源综合开发利用和保护规划，解决水资源供需矛盾，并对水资源实行科学管理的知识体系。水资源的含义有广义和狭义之分，广义上讲，是指一切可以被利用的各种形态的天然水体都可以称为水资源，包括海洋、冰川、湖泊、河流、地下水、大气水等在内的各种水体；狭义上讲，仅指可供国民经济利用的淡水资源，主要来源于大气降水，其数量为扣除水汽蒸发的总降水量。可以认为，水资源具有下列性质：

(1)水资源是生态和环境的基本要素，是人类生存和发展不可取代的自然资源。

(2)水资源是大气降水补给的地表、地下的淡水产水量。

(3)水资源是在现代经济技术条件下可以利用的水，且水质应符合人类利用的要求。

(4)水资源是可以通过水文循环每年得到恢复和更新的有限的可再生资源。

(5)水资源时空分配不均，年际间有变化。

在相当长的一段时间里，有关水资源的知识和经验常融合在其他已建立的学科如水文学、水利学中，没有形成水资源的专门学科。从20世纪中期以来，水资源问题日益突出，专门以水资源为对象的研究和实践在很大范围内有了发展，逐渐形成了自成体系的水资源学。其研究对象主要可归结为：①水资源的形成、演化、运动的机理，水资源的数量与质量及其时程变化；②在人类经济及其社会发展中为适应用水的需要而开发利用水资源的科学途径；③在人类开发利用水资源过程中引起的环境与生态变化，以及这种变化对水资源自然规律的影响，探求在变化的环境中如何保持水资源的可持续开发利用的科学途径等。

1.3 工程水文学的意义及研究内容1.3.1 工程水文学的内涵及意义

工程水文学是水文学的一个分支，主要研究关于开发、利用、控制和保护水资源的工程以及生态和环境工程规划、设计等方面的水文问题，是为工程规划设计、施工建设及运行管理提供水文依据的一门科学。水文水利计算是运用水文学的理论和方法，定性和定量结合，分析研究陆面水文规律，预测未来变化，为合理开发利用水资源、科学治理水旱灾害和有效保护生态环境提供依据。

为了充分利用水资源和防治水灾害，人们建造了大量的涉水工程，包括流域水利水电工程、农业水利工程、给水排水工程、交通运输工程、水资源保护工程、水土保持工程、水环境治理工程等。工程水文学就是针对涉水工程的性质和需求，将水文学的基本理论方法应用于工程建设与管理的一门技术学科，主要是为水利规划设计和建设提供水文情势而服务的。其目的是拟定一个既经济合理又安全的工程设计方案，掌握水工建筑物所在水体于未来整个使用期间的水文情势，研究自然界水文现象发展变化规律，从而预估未来长时期内可能出现的水文情势。