现代水文学发展趋势及其基本方法的思考.pdfVIP

现代水文学发展趋势及其基本方法的思考 王浩，王建华 中国水利水电科学研究院，北京（100044 ） E-mail ：wanghao@ 摘 要：随着经济社会的发展，水文学无论是研究对象和服务对象均发生了深刻演变，水文 基础理论、变化环境下的水文响应及其规律、水文循环系统边界问题、水文预测与预报以及 水文观测和实验新技术成为现代水文学研究的重点。现代水文学的基本方法也必须相应进行 创新，在思维方法要强化整体论的指导，在逻辑方法上实现归纳与演绎推理的综合与突破、 在描述方法上实现集总式与分布式的统一、在分析方法上实现物理认知与数学描述的协同。 关键词：水文学；水循环；基本方法；创新 中图分类号：TV11 文献标识码：A 文章编号： 1673 －7180 （2007 ）09 － 1. 水文学发展及其基本方法 1.1 水文学研究范畴和发展历程 水文学是一门研究地球上各种水体的发生、循环、分布，水的化学和物理性质，水对于 环境的作用以及水域生命体关系的科学，同时为洪涝干旱灾害的防治、水资源的开发利用和 水生态与环境保护提供科学依据。可以看出，研究对象是自然发生的水文现象，因此水文学 首先是一门科学，其首要的任务是摸清水文现象的基本规律及其内在机理，理解和预测未来 的现象与过程。另一方面，水文现象和过程与人们生活和经济社会发展密切相关，水文工作 者不断努力运用水文知识来解决防洪减灾、水资源开发利用和生态环境保护等问题，因此水 文学还是一门专业[1] 。 基于上述学科定位，对陆地水循环规律的探知贯穿水文学发展始终，不断发展的经济社 会水安全保障需求成为水文学发展的主要驱动力。水文学的形成与发展大体可分为三个阶 段：第一个阶段是 19 世纪中叶前期，可看作是水文学萌芽与古典时期，这个时期主要集中 于对地球上水、河流、降水等基本水文现象的原始观测以及猜测思辨；第二个阶段是 19 世 纪中期到20 世纪中期，即水文学的奠基和发展时期，以1851 年Mulvaney 提出汇流时间为 标志，随后Darcy 建立了地下水运动的基本规律，Saint-Venant 推导出了地表水一维运动方 程组，Green-Ampt 公式和Theis 公式的提出以及明渠水力学的发展等等，都是这一阶段水文 学发展的重要事件，初步奠定了水文学的基本原理和方程[2] ；第三阶段是20 世纪中期到现 在，可视作现代水文学发展时期。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。 1.2 水文学基本方法 纵观水文学的发展历程，水文学的最主要基本方法可以大致分为五类：一是观测与调查， 由于人们不可能人为地重复自然水文现象，原型观测和实际调查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、入渗、径流、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，尽管人们难以人为重复自然的水文 -1- 现象，但也经常借助相似性原理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，由于受水文过程随 机性的支配，在许多情况下永物理定律来解释水文现象显得很困难，统计方法成为水文学研 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，在实现水文过程物理分析并掌握其本构关系的基础上，就可以利用数学 方法和计算机技术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，由 于能够进行模拟实验，目前数值模拟方法应用十分广泛，包括进行预测与预报；五是