水文學(xué)第一章

水文學(xué)（hydrology）是地球物理學(xué)和自然地理學(xué)的分支學(xué)科。探討存在于大氣層中、地球表面和地殼內(nèi)部各種形態(tài)水在水量和水質(zhì)上的運動、變更、分布，以及與環(huán)境及人類活動之間相互的聯(lián)系和作用。是關(guān)于地球上水的起源、存在、分布、循環(huán)、運動等變更規(guī)律，以及運用這些規(guī)律為人類服務(wù)的學(xué)問體系。太陽輻射地心引力伴隨著水資源利用而產(chǎn)生的水在人類歷史上的巨大作用水到渠成水可載舟，亦可覆舟飲水思源滴水成冰滴水穿石逆水行舟流水不腐細水長流樸實的唯物主義思想火山——地球上最根本的自然力氣，它是地球系統(tǒng)的一部分，它們始終在變更著地貌，火山在很大程度上確定了地球的生命起源?；鹕胶偷厍蛏嗷ヒ来?，給地球生物供應(yīng)了適宜生存的環(huán)境。大氣層——雷電是怎樣形成的？為何阿根廷是世界上暴風雨最常見的地區(qū)？西班牙殖民婦女在安第斯山區(qū)某村落難以生育又是怎么回事呢？這些都跟大氣有關(guān)。為何我們的大氣層是生命唯一能賴以生存的地方。冰——世界上最具動能，變更最快，最強大的力氣。冰是如何刻鑿地貌、推動人類的演化，在將來又會對人類構(gòu)成什么樣的威逼？海洋——從夏威夷到亞馬遜河再到埃塞俄比亞，還有地中海，洶涌的波浪，巨大的潮汐，獨特的洋流以及全球暖化將帶來的緊急。珍稀地球——從光禿禿的巖石變成我們今日所熟悉的世界，用了45億年漫長的時間孕育并發(fā)展，那是充溢了災(zāi)難和重生的不行思議的旅程。在這個稀有又壯麗的星球上始終面臨著巨大的挑戰(zhàn)，包括來自我們?nèi)祟惖摹Ｔ诟鞣N力氣的威逼作用下，地球還能幸存下去嗎？或者只是時間問題？水文學(xué)歷史白鶴梁題刻位于長江三峽庫區(qū)上游涪陵城北的長江中，是三峽文物景觀中唯一的全國重點文物疼惜單位，聯(lián)合國教科文組織將其譽為“保存完好的世界唯一古代水文站”。白鶴梁上還有黃庭堅、朱熹、龐公孫、朱昂、王士禎等歷代騷人墨客眾多的詩文題刻，篆、隸、行、草皆備，顏、柳、黃、蘇并呈，有較高的藝術(shù)價值，故有“水下石銘”之美譽。在堯舜禹時期，天下洪水為患。當時中國四條江河之源，叫做“四瀆”，包括岷江、黃河、淮水、和濟水，都未打通，沉沒了大片地方，浩浩懷山襄陵。包括天府之國——今日的四川，還是一片澤國之地。堯舜命他的父親鯀治水，鯀用堵河欄壩的方法，結(jié)果不成功，被大舜處死。父志子承，大禹就帶領(lǐng)夏后氏部族從石紐山起先，變更堵截的方法，用疏導(dǎo)的方法，順水之勢，因水之性，首先治理岷山和岷江。用隨山刊木的方法，劃定河道，有壅塞的堰塞湖，就用向東南開拓淝水沱，加以疏導(dǎo)和分洪泄洪的方法，這就叫做“東別為沱”。都江堰李冰修都江堰時，曾設(shè)立三個石人水則，以水位「竭不至足，盛不沒肩」來衡量水量足夠與否。圖中Q1所示者灌區(qū)最低需水量；Q2所示者保證灌區(qū)平安的最高引水量。191424年中國和朝鮮先后起先運用統(tǒng)一的測雨器；1663年C.雷恩制造了自記雨量計；1687年E.哈雷研制成功了蒸發(fā)器；1870年T.G.埃利斯研制出了流速議；19世紀以來，世界各國普遍建立了水文站網(wǎng)，制定了統(tǒng)一的觀測規(guī)范，為觀測水文現(xiàn)象、定量探討和科學(xué)試驗供應(yīng)了條件。201674年P(guān).佩羅提出了水量平衡概念；1775年出現(xiàn)了謝才(Chezy)公式；1802年道爾頓(Dalton)提出了蒸發(fā)公式；1856年達西(Darcy)提出了特殊著名的達西定律；這些理論和公式的相繼出現(xiàn)，促使了水文學(xué)成為一門科學(xué)。尤其是1674年法國人P.佩羅依據(jù)他在賽納河觀測到的降雨和徑流資料，計算出塞納河在伯格底以上流域的年經(jīng)流量是年降雨量的1/6，這是人們第一次建立的降雨徑流定量關(guān)系，這一結(jié)論的公布，被認為是現(xiàn)代水文學(xué)的起先。反映水在巖土孔隙中滲流規(guī)律的試驗定律。由法國水力學(xué)家H.-P.-G.達西在1852～1855年通過大量試驗得出。其表達式為Q=KFh/L式中Q為單位時間滲流量，F(xiàn)為過水斷面，h為總水頭損失，L為滲流路徑長度，I=h/L為水力坡度，K為滲透系數(shù)。關(guān)系式表明，水在單位時間內(nèi)通過多孔介質(zhì)的滲流量與滲流路徑長度成反比，與過水斷面面積和總水頭損失成正比。27進入50年頭以來，由于水文理論的深化發(fā)展和其他科學(xué)（概率論、統(tǒng)計學(xué)、計算數(shù)學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、氣象學(xué)等）的滲透，水文計算和水文預(yù)報出現(xiàn)了很多新方法，另一方面，由于計算機、遙感、遙測等新技術(shù)的應(yīng)用，水文學(xué)進入了現(xiàn)代化時期。這一時期的主要特點是：引進了遙感、計算機等新技術(shù)、新方法，重點開展水資源及人類活動的水文效應(yīng)探討，分支學(xué)科不斷產(chǎn)生，探討方法趨于綜合。28科學(xué)技術(shù)進入了新的發(fā)展時期，氣象衛(wèi)星、雷達測雨、中子法測土壤含水量、放射示蹤測流、同位素測沙、衛(wèi)星遙感傳送資料等現(xiàn)代化技術(shù)使人們能夠獲得用常規(guī)方法無法取得的水文數(shù)據(jù)，現(xiàn)代化的探討試驗設(shè)備使人們對水文現(xiàn)象有了更深的了解，水文模擬、水文隨即分析、系統(tǒng)分析等方法使人們分析水文現(xiàn)象的實力大大增加，計算機的應(yīng)用更使水文測驗、水文探討的自動化成為可能。29社會生產(chǎn)規(guī)?？涨皵U大，生產(chǎn)生活用水不斷增多，環(huán)境污染日趨嚴峻，水資源日益驚惶，迫使水文學(xué)特殊側(cè)重于水資源和水環(huán)境的探討，探討工作既著眼于水量，也著眼于水質(zhì)，既留意洪水、也留意枯水；從探討范圍上講，不僅要探討一條河流、一個流域的水文特性，還要探討跨流域、跨地區(qū)的水資源綜合利用、綜合調(diào)度中的水文問題。水文科學(xué)起先主要探討河流、湖泊、沼澤、冰川和積雪，以后擴展到地下水、大氣中的水和海洋中的水。傳統(tǒng)的水文科學(xué)是按探討對象劃分分支學(xué)科的，主要有：河流水文學(xué)、湖泊水文學(xué)、沼澤水文學(xué)、冰川水文學(xué)、雪水文學(xué)、水文氣象學(xué)、地下水水文學(xué)、區(qū)域水文學(xué)和海洋水文學(xué)等。河流水文學(xué)也稱河川水文學(xué)，探討河流的自然地理特征、河流的補給、徑流形成和變更規(guī)律、河流的水和順冰情、河流泥沙運動和河床演化、河水的化學(xué)成分、河流與環(huán)境的關(guān)系等。河流水文學(xué)也稱河川水文學(xué)，探討河流的自然地理特征、河流的補給、徑流形成和變更規(guī)律、河流的水和順冰情、河流泥沙運動和河床演化、河水的化學(xué)成分、河流與環(huán)境的關(guān)系等。湖泊水文學(xué)主要探討湖泊中的水量變更和運動，湖水的物理特性和化學(xué)成分、湖泊沉積湖泊的利用等。沼澤水文學(xué)探討沼澤徑流、沼澤水的物理化學(xué)性質(zhì)、沼澤對河流和湖泊的補給、沼澤改良等。冰川水文學(xué)主要探討冰川的分布、形成和運動、冰川融水徑流的形成過程及其時空分布、冰川突發(fā)性洪水的形成機制和預(yù)料、冰川水資源的利用。雪水文學(xué)主要探討積雪的數(shù)量和分布、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(yù)報，有時把雪水文學(xué)和冰川水文學(xué)合稱為雪冰水文學(xué)。水文氣象學(xué)探討水圈和大氣圈的相互關(guān)系，包括大氣中水文循環(huán)和水量平衡，以蒸發(fā)、凝合、降水為主要方式的大氣與下墊面的水分交換，其中尤其著重探討暴雨和干旱發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律。地下水水文學(xué)主要探討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(fā)利用。區(qū)域水文學(xué)著重探討某些特定地區(qū)的水文現(xiàn)象，如河口水文，坡地水文、平原水文、巖溶地區(qū)水文、干旱地區(qū)水文現(xiàn)象等。海洋水文學(xué)著重探討海水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分，海洋中的波浪、潮汐、洋流、海岸帶泥沙運動等。上述諸學(xué)科通常也統(tǒng)稱為一般水文學(xué)或水文學(xué)。水文科學(xué)主要通過定點觀測、野外查勘和水文試驗(主要是野外試驗)等手段，獲得水體時空分布和運動變更的信息，因而漸漸形成了水文測驗學(xué)、水文調(diào)查、水文試驗三個分支學(xué)科。水文測驗學(xué)探討如何正確、經(jīng)濟、快速地測定各種水文要素的數(shù)量及其在時間和空間上的變更，主要包括站網(wǎng)布設(shè)、測驗方法和資料整編方法的探討。還包括測量儀器的研制和資料存儲、檢索、傳送系統(tǒng)的探討。水文調(diào)查是水文科學(xué)的野外勘測和考察部分，旨在對水體形態(tài)和數(shù)量、集水面積內(nèi)的自然地理條件等作出科學(xué)的分析和訐價。在中國，歷史大暴雨、歷史大洪水和枯水的調(diào)查是水文調(diào)查的重要內(nèi)容。水文試驗旨在通過野外和室內(nèi)試驗，揭示水文循環(huán)過程各環(huán)節(jié)中水的運動、變更的某些規(guī)律，如水向土中下滲的規(guī)律，土壤水的運動規(guī)律、徑流形成規(guī)律、土壤和水面蒸發(fā)的規(guī)律，以及人類活動的水文效應(yīng)等。3、水文學(xué)與給排水工程的關(guān)系深化相識與廣泛運用水文規(guī)律，為國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)，為給排水工程的規(guī)劃、設(shè)計、施工及管理供應(yīng)正確的水文資料及分析成果，以充分開發(fā)與合理利用水利資源，減免水害，充分發(fā)揮工程效益。隨著城市發(fā)展，雨水、污水排放、水力發(fā)電、防洪等都與水文學(xué)休戚相關(guān)。41什么是水文學(xué)？為什么要學(xué)習水文學(xué)？怎樣學(xué)習和探討水文學(xué)？42什么是水文學(xué)？Hydrology43(3)運動形式包括四種：降水、蒸發(fā)、滲流、徑流等。降水(Precipitation)：大氣中水汽凝合后以液態(tài)水或固態(tài)水著陸到地面的現(xiàn)象。如雨、雪、露、霜、雹、霰等。2)蒸發(fā)(Evaporation)：水分子從水面、冰雪面或其它含水物質(zhì)表面以水汽形式逸出的現(xiàn)象。包括截留蒸發(fā)、地面蒸發(fā)、葉面散發(fā)、水蒸發(fā)等。443)滲流(Seepageflow)：水從地表滲入地下及在地下流淌的現(xiàn)象。包括入滲（下滲）和滲透兩種現(xiàn)象。4)徑流(Runoff)：陸地上的降水匯流到河流、湖庫、沼澤、海洋、含水層或沙漠的水流。包括地面徑流和地下徑流。452.水文循環(huán)（HydrologicCycle）(1)定義地球上或某一區(qū)域內(nèi)，在太陽輻射和重力的作用下，水分通過蒸發(fā)、水汽輸送、降水、入滲、徑流等過程循環(huán)不斷的變更、遷移現(xiàn)象的現(xiàn)象稱為自然界的水文循環(huán)。46(2)分類1)大循環(huán)：大區(qū)域（領(lǐng)域）內(nèi)的循環(huán)，也稱外循環(huán)。海洋云、大氣海洋陸地云、大氣陸地2)小循環(huán)：小區(qū)域（領(lǐng)域）內(nèi)的循環(huán)，也稱內(nèi)循環(huán)。海洋云、大氣陸地海洋47(3)意義水文循環(huán)是地球上最重要、最活躍的物質(zhì)循環(huán)之一：為人類帶來了取之不盡用之不竭的水資源。為人類供應(yīng)了干凈的、可再生的能源。對生態(tài)環(huán)境干脆和間接的影響。對人類生產(chǎn)生活的干脆影響（洪澇災(zāi)難，雪災(zāi)等）相識它的基本客觀規(guī)律，了解其各影響因素間的內(nèi)在聯(lián)系，對合理開發(fā)和利用水資源，抗御洪旱災(zāi)難，改造自然，利用自然都有特殊重要的意義。48二、水文學(xué)的探討領(lǐng)域及發(fā)展1.水文學(xué)及其探討領(lǐng)域(1)水文學(xué)定義

探討水文現(xiàn)象及其規(guī)律的學(xué)科稱為水文學(xué)，它是通過分析觀測資料，模擬和預(yù)報自然界中水量和水質(zhì)的變更及發(fā)展動態(tài)，為開發(fā)利用水資源，限制洪水和疼惜水環(huán)境等供應(yīng)科學(xué)依據(jù)。探討存在于地球上的大氣層中和地球表面以及地殼內(nèi)水的各種現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律及其內(nèi)在聯(lián)系的學(xué)科。包括水體的形成、循環(huán)和分布，水體的化學(xué)成分，生物、物理性質(zhì)以及它們對環(huán)境的效應(yīng)等。

國際水文支配（IHP）、世界氣候探討支配（WCRP）、國際地圈生物圈支配（IGBP）關(guān)注焦點：氣候變更的水文響應(yīng)問題，無資料區(qū)的水文預(yù)報（PUB）問題，參數(shù)的不確定性問題、尺度問題、水文信息獲得技術(shù)問題，生態(tài)-水文反饋問題等等。世界氣候探討支配（WCRP）兩個目標：一是氣候的可預(yù)報程度，二是人類活動對氣候的影響。三個探討方向：為期數(shù)周的長期天氣預(yù)報、全球大氣年際變率以及為期數(shù)年的熱帶海洋的年際變率、長期變更。兩大試驗：熱帶海洋和全球大氣試驗和世界海洋環(huán)流試驗國際水文支配（IHP）第一階段（1975-1980年）集中于水科學(xué)中的水文探討方法、培訓(xùn)和教化；其次階段（1981-1983年）是一個短期支配，與第三階段（1984-1989年）一起致力于應(yīng)用水文學(xué)與水資源水文學(xué)的探討，并加強對水資源進行合理管理的科學(xué)基礎(chǔ)的探討；第四階段（1990-1995年）探討變更環(huán)境中的水文與水資源的可持續(xù)發(fā)展；第五階段（1996-2001年）關(guān)注脆弱環(huán)境中的水文與水資源發(fā)展，第六階段（2002-2007年）主要探討水的交互作用--處于風險和社會挑戰(zhàn)中的體系。第七階段（2008-2013年）的框架議題將會就如何利用現(xiàn)有科學(xué)學(xué)問來發(fā)展新的探討方向和方法，以對環(huán)境變更、生態(tài)系統(tǒng)和人類活動做出響應(yīng)。主題一：流域和淺層地下水系統(tǒng)對全球變更影響的適應(yīng)性探討

主題二：加強水資源管理，提高水資源利用的可持續(xù)性

主題三：面對可持續(xù)性的生態(tài)水文學(xué)

主題四：淡水與生命支撐系統(tǒng)

主題五：面對可持續(xù)發(fā)綻開展水資源疼惜教化IGBP由8個核心探討支配和3個支撐支配所組成。3個支撐支配為全球分析、說明與建模（GlobalAnalysis，InterpretationandModel，GAIM），全球變更分析、探討和培訓(xùn)系統(tǒng)（GlobalChangeSystemforAnalysisResearchandTraining，START），IGBP數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)（IGBPDataandInformationSystems，IGBP－DIS）。8個核心探討支配分別為：（1）國際全球大氣化學(xué)支配（InternationalGlobalAtmosphericChemistryProject，IGAC）（2）全球海洋通量聯(lián)合探討支配（JointGlobalOceanFluxStudy,JGOFS）（3）過去的全球變更探討支配（PastGlobalChanges,PAGES）（4）全球變更與陸地生態(tài)系統(tǒng)（GlobalChangeandTerrestrialEcosystems,GCTE）（5）水文循環(huán)的生物學(xué)方面（BiosphericAspectsoftheHydrologicalCycle,BAHC）（6）海岸帶的海陸相互作用（Land-OceanInteractionsintheCoastalZone,LOICZ）（7）全球海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)（GlobalOceanEcosystemDynamics,GLOBEC）（8）土地利用與土地覆蓋變更（LandUseandLandCoverChange,LUCC）1.現(xiàn)代水文基礎(chǔ)理論探討2.現(xiàn)代環(huán)境下水文響應(yīng)及其規(guī)律探討1）全球變更和人類活動影響的水文響應(yīng)2）水循環(huán)分過程的耦合模擬3）現(xiàn)代環(huán)境下的水文規(guī)律認知3.水文循環(huán)系統(tǒng)邊界問題探討水圈與社會圈、生物圈的不匹配4.水文預(yù)料和預(yù)報探討5.現(xiàn)代水文觀測和試驗技術(shù)探討水熱通量觀測、示蹤劑和同位素觀測、衛(wèi)星遙感（GIS）演化：1.還原論與整體論思維方法的均衡與發(fā)展2.歸納與演繹推理邏輯方法的綜合與突破3.集總式與分布式描述方法的統(tǒng)一4.物理認知與數(shù)學(xué)描述的協(xié)同中國水利水電科學(xué)探討院中國工程院院士王浩57水文學(xué)是探討地球上水的性質(zhì)、分布、循環(huán)、運動變更規(guī)律及其與地理環(huán)境、人類社會活動之間相互關(guān)系的科學(xué)。Hydrologyisoneoftheearthsciences.Itstudiesthewatersoftheearth,theiroccurrence,circulationanddistribution,theirchemicalandphysicalproperties,andtheirrelationtolivingthings.——from《EngineeringHydrology：Principlesandpractices》byVictorMiguelPONCE58四、水文現(xiàn)象的特性1.水文現(xiàn)象時程變更的周期性與隨機性的對立統(tǒng)一（1）周期性的體現(xiàn)（2）隨機性的體現(xiàn)（3）二者對立統(tǒng)一2.水文現(xiàn)象地區(qū)分布的相像性與特殊性的對立統(tǒng)一（1）相像性的體現(xiàn)（2）特殊性的體現(xiàn)（3）二者對立統(tǒng)一59小結(jié)：（1）由水文現(xiàn)象具有時程上的隨機性