水文学

第1章 绪论

 1.1 水文学

 水是生命之源、生态之基、生产之要。水与人类社会息息相关，是维持生命必不可少的物质基础，也是地球系统生生不息的“血液”；同时，水作为生态系统重要的物质与能量之源，也是维系养分与能量传输的动力源泉，水资源时空分布的不均匀性是地球上生态系统多样性形成的根本因素之一。此外，水还具有社会属性，是生产生活不可或缺的根基。然而，在全球气候变化的大背景下，气候变暖导致可利用水资源量锐减，水资源时空分布不均匀性增强，极端气候事件的发生频率不断增加，旱涝灾害已成为制约经济社会发展的重要因素。此外，随着经济社会的迅猛发展，人类活动不断加剧，废污水的无序排放，盲目砍伐森林，不合理的筑坝拦水、围垦、跨流域调水、引水灌溉和开采地下水等，都有可能带来负面影响。因此，通过对水文学进行研究，摸清水资源动向，以便合理配置水资源、有效利用水资源，最终实现水资源的可持续利用。

 1.1.1 基本概念

 1. 水资源量

 地球表层可供人类利用的水，称为水资源。水资源包括水量、水质和水能资源。对人类最为实用的水资源，是陆地上每年可以更新的降水量。降水可以直接为人类利用，同时它又是江河径流和浅层地下淡水的来源。表1-1 中列出了各类水资源量及其更新周期情况。全球陆地多年平均降水量为800mm，中国为648mm（整个国土年平均降水量为6.0×1012m3），比世界多年平均值少22%。江河径流是人类最重要和最经常利用的水资源，人类可以从江河引水，供城市、工矿、农业灌溉利用。在全球4.68×1013m3 的江河年径流量中，中国占2.72×1012m3，折合水深284mm。我国水资源总量与世界各国比较，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位。但因为人口众多，据2019 年统计，我国人均水资源占有量仅2100m3 左右，只有世界人均占有量的1/4，排在世界百位以后。

 表1-1 全球水资源量分布

 中国降水量的地区分布也很不均匀。南部和东南沿海年平均降水量大于1600mm；台湾地区年平均降水量为2540mm，是全国最湿润的地区；华北和东北年平均降水量为400～800mm；西北的大部分地区，只有200～400mm；一些沙漠边缘地区少于100mm；新疆塔里木盆地和青海柴达木盆地年平均降水量小于25mm，是全国最干旱的地区。中国境内江河年径流深的分布趋势大致与年平均降水量分布相似，自东南向西北递减。东南沿海年径流深大于900mm，而西北部的沙漠边缘年径流深小于10mm。各地的降水量和江河径流量在各年之间和年内各月之间都不均衡，这就使得水资源利用十分困难，并造成洪涝和干旱灾害。

 2. 水文现象的特性

 水文现象无处不在，具体指地球上的水受外部作用而产生的永无休止的运动形式，即降水、入渗、径流、蒸发等现象的统称。水文现象具有一定的特质，包括周期性与随机性、相似性与特殊性等方面。

 1）周期性与随机性

 在水文现象的时程变化方面，存在着周期性与随机性的对立统一。水文现象的变化对任何一条河流都有一个以年为单位的周期性变化。例如，每年河流最大和最小径流量的出现虽无具体固定的时日，但最大径流量每年都发生在多雨的汛期，而最小径流量多出现在雨雪稀少的枯水期，这是由于四季交替变化是影响河川径流的主要因素。又如，因气温具有年变化周期，所以靠冰川或融雪补给的河川径流随气温变化而变化，也具有年周期性，其年最大冰川融雪径流一般出现在气温最高的7～8 月。周期性是相关气候因素受地球自转、公转以及其他天体制约的结果，因而具有年、季、月以及多年的周期性变化规律，即周期性（重现性）。另外，河流某一年的径流量变化过程实际上不会和另一年完全一样，每年最大与最小径流量的具体数值也各不相同，这些水文现象的发生在数值上都表现为随机性，即带有偶然性。因为影响河川径流的因素极为复杂，各因素本身也在不断地发生变化，在不同年份的不同时期，各因素间的组合也不完全相同，所以受其制约的水文现象变化过程在时间上和数量上都没有重复出现过，都具有随机性。水文现象的随机特征是受时空分布多种因素影响的结果。

 2）相似性与特殊性

 地理位置相近的区域气候因素与地理条件往往具有一定的相似性，由于气候因素和地理条件是水文现象的主要影响因素，因而地理位置相似的区域内水文现象具有一定的相似性，呈现区域化的规律性。例如，湿润地区的河流水量丰富，年内分配也比较均匀，而干旱地区的大多数河流则水量较少，年内分配也不均匀；降水量和径流量南方大、北方小，沿海大、内陆小，山区大、平原小。又如，同一地区的不同河流，其汛期与枯水期都十分相近，径流变化过程也都十分相似。基于地理位置相近的区域内水文现象的相似性，可为缺资料地区水文数据的移用提供参考，这也被称为水文比拟法。另外，相邻流域所处的地理位置与气候因素虽然相似，但地形地质等条件的差异，会产生不同的水文变化规律。例如，在同一地区，山区河流与平原河流的洪水运动规律就各不相同；沿海与内陆河流，地下径流丰富的河流与地下径流贫乏的河流，其径流变化规律也各不相同。一些经验性的分析结果往往有一定的地域局限性，这就是与相似性对立的特殊性。

 鉴于水文现象具有时程上的随机性和地区上的特殊性，故需对不同流域的各种水文现象进行长期观测，积累资料并统计计算，分析其变化规律。又由于水文现象具有地区上的相似性，故只需选择一些有代表性的河流设立水文站进行观测，并将其成果移用于相似地区即可。为了弥补观测年限的不足，还应对历史上和近期发生过的大暴雨、大洪水及特枯水等进行调查研究，以便全面了解和分析水文现象随机性、特殊性的变化规律。

 1.1.2 水文现象分析方法

 1. 成因分析法

 利用水文现象的确定性规律解决水文问题的方法，称为成因分析法。当某种水文现象与其影响因素之间确定性关系较为明确时，可以通过观测水文站资料（水位、径流量等资料）和室内实验数据，从物理成因出发，建立水文现象与影响因素之间的定量关系，研究水文现象的形成过程，以阐明水文现象的本质，从而求出比较确切的成果，如由暴雨资料推求洪峰流量的公式。但由于影响水文现象的因素极其复杂，其形成机理还不完全清楚，因而成因分析法在定量方面仍然存在着很大困难，目前尚不能完全满足工程设计的需要。

 2. 数理统计法

 根据水文现象具有的随机特性，以概率论为基础，运用数理统计方法，处理长期实测所获得的水文资料，求得水文现象特征值的统计规律，为工程规划、设计提供所需的水文数据，这就是数理统计法。在水文分析计算中，数理统计法是最常用的方法，但它无法从根本上阐明水文现象的因果关系。若将数理统计法与成因分析法结合起来运用，则有望获得较满意的成果。

 3. 地理综合法

 由于气候因素、地形地貌和土地利用方式等因素在一定程度上都会具有区域特性，因而水文现象或多或少地也会呈现地区特征。水文现象的区域分布特性也为水文研究提供了一种手段，如可将具有区域特性的某水文特征值绘制成等值线图，以便为特征值的空间分布规律研究和相关区域特征值识别研究提供参考；建立水文特征值的地区经验公式也是探究水文现象地区分布规律的有效手段之一。水文分析计算中，可用此类等值线图或经验公式推求观测资料短缺地区的水文特征值，此方法即为地理综合法。

 1.1.3 水文学研究手段

 1. 学科融合

 水文学科本身属于交叉学科，地球表面存在四大圈层，水圈与岩石圈、生物圈和大气圈相互关联、相互作用，其中涉及诸多学科，通过关联学科描述自然现象，将会更加精确地描述自然规律。就水文学而言，如水动力学和热力学的引入，形成了动力水文学，其在对地表水流和地下水流运动规律的描述中得到了良好运用；系统论、控制论的引入，产生了系统水文学，此后随着计算机技术的发展，其被引入水文学中，又形成了计算水文学和实时水文预报技术，这对于当前水文学科的发展具有划时代的意义，奠定了水文模型崛起的基石；时间序列分析和蒙特卡洛方法的引入，产生了随机水文技术，也为水文学研究提供了全新的思路，对于推动学科全方位发展具有重要意义；河系地貌定律和统计物理学方法的引入，产生了地貌瞬时单位线理论①，这体现了水文学与地理学、物理学等学科的融合，凸显了多学科融合的亮点。早期本学科主要根据水利工程规划、设计和运行管理的需要而发展，因而很早就出现了工程水文学。20世纪70年代以来产生的森林水文学、农业水文学、环境水文学和城市水文学，则是本学科与农林科学、环境科学和城市科学交叉的结果。

 2. 水文实验

 广义的水文实验包括设置水文站网进行观测、实验流域和实验室试验三种，如达西定律的发现离不开达西的沙柱渗流试验。20世纪60年代，赵人俊教授通过收集大量的不同气候和下垫面条件下的水文观测资料并进行科学分析与归纳，提出湿润地区以蓄满产流为主、干旱地区以超渗产流为主，为新安江二水源模型和陕北模型奠定了坚实的理论基础。70年代，一种汇流模型，它将地貌因子引入流域响应函数，充分反映了河网的地貌特征，对于水文资料的依赖性相对较小。随着实验流域的发展，Dunne 等揭示出用霍顿产流理论无法解释的饱和地面径流和壤中流的产流机制，这一发展后来成为新安江二水源模型向新安江三水源模型发展的理论依据（芮孝芳，2004）。1963 年，Hewlett 等通过实验证明了非饱和地下水径流和壤中流形成机制的存在（芮孝芳，2004）。1992 年，顾慰祖在滁州水文实验站利用环境同位素技术对一次洪水过程线的径流成分进行了实验分析，发现地面径流不一定都源于本次降水，而壤中流与地下水径流中必有非本次降水的水量。但是，水文实验的难度一般较大，水文现象发生的介质条件、边界条件和初始条件均难以还原；同时，由于现实情况多变，实验结果之间难以线性转换，因此，单点实验结果较难推广到流域中。

 3. 水文模型

 水文模型是运用一系列描述自降水到径流形成的方程建立的概念性物理结构模型，它具有较为严密的物理机制，如满足流域水量平衡原理等。相比水文实验，水文模型具有如下优点：一是水文模型是建立在原型观测数据基础上的；二是水文模型的边界条件及其他条件既可严格控制，也可随时按实验需要改变；三是水文模型通用性强，只要研制出相应模型架构，就可以通过改变模型参数和定解条件进行实际应用；四是水文模型具有一定程度上的平稳性，当输入条件不发生变动时，结果也不会出现差异；五是水文模型研制费用较低，运行管理费用低廉。因此，水文模型是一种稳、准、强、廉的径流规律探究方法。自20世纪60年代以来，随着计算机的出现与普及，水文模型稳步发展，从黑箱模型、概念性模型到半分布式、分布式水文模型，为现代水文学发展奠定了重要基础。

 4. 确定性分析与随机性分析相结合

 水文现象不仅具有确定性规律，而且也包括随机成分。例如，径流因受地球公转与自转等因素影响具有趋势与周期两种确定性成分，同时也因受土地覆被变化等因素影响具有随机成分。此外，就水质点的相态而言，其既不像固态分子之间紧密结合的状态，无法直接用牛顿力学原理进行定量描述；也非气态分子那样处于纯随机运动的状态，难以仅仅采用统计力学方法进行探究。水质点之间相结合的方式并不十分紧密有序，也非完全随机，因而水文研究中更倾向于采用确定性与随机性相结合的方法。20世纪80年代以来，地貌瞬时单位线理论的创立，以及水文随机模拟技术的发展，已经显示了这种确定性与随机性相结合的研究方法在探索水文规律中的重要作用。

 1.1.4 水文学研究领域

 水作为一种自然物质，可以借助于大气运动和蒸发、降水、径流等现象在由岩石圈、水圈、大气圈和生物圈组成的地球系统中做周而复始的水文循环运动。水文学作为地球物理科学的一个分支，主要研究地球系统中水的存在、分布、运动和循环变化规律，水的物理、化学性质，以及水圈与大气圈、岩石圈和生物圈的相互关系。

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