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"第1章緒論

水是人類(lèi)生存的基本條件，是社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的單元要素(劉昌明等，2001)。水資源數(shù)量的多少、質(zhì)量的好壞直接影響到人們的身體健康、社會(huì)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，同時(shí)水資源狀況還會(huì)改變地球的環(huán)境質(zhì)量，在很大程度上控制著全球環(huán)境的變化。

21世紀(jì)以來(lái)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的國(guó)際化更進(jìn)一步深化了資源利用的全球化進(jìn)程，同時(shí)全球氣候變化也將對(duì)水循環(huán)的認(rèn)識(shí)提升到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治層次的高度；水作為重要的資源和生態(tài)環(huán)境要素成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。2002年8月在約翰內(nèi)斯堡舉行的"關(guān)于可持續(xù)發(fā)展世界首腦會(huì)議"明確要重視地球上的水循環(huán)，參加的國(guó)家決定通過(guò)聯(lián)合制定觀察水循環(huán)要素來(lái)改善水資源管理，并針對(duì)發(fā)展中國(guó)家和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型中的國(guó)家，鼓勵(lì)和促進(jìn)其資源共享和利用，提供空間技術(shù)應(yīng)用條件。全球觀測(cè)戰(zhàn)略伙伴計(jì)劃(Integrated Global Observing Strategy Partnershipplan，IGOSP)制定了"全球水循環(huán)集成觀測(cè)"(Integrated Global Water Cycle Observation，IGWCO)，IGWCO從全球到地方多時(shí)空角度改進(jìn)觀測(cè)水循環(huán)演變能力，其確定的全球水循環(huán)主題，既保持了全球水循環(huán)觀測(cè)系統(tǒng)的連續(xù)性，又能將不同來(lái)源(衛(wèi)星系統(tǒng)、原地網(wǎng)絡(luò)、野外實(shí)驗(yàn)、新的數(shù)據(jù)平臺(tái))的數(shù)據(jù)與新興數(shù)據(jù)進(jìn)行同化和模型化，向水循環(huán)綜合觀測(cè)系統(tǒng)的戰(zhàn)略方向發(fā)展。為了保持和推進(jìn)全球水循環(huán)觀測(cè)戰(zhàn)略并提供導(dǎo)向框架，IGWCO全球水循環(huán)主題致力于支持氣候變化監(jiān)測(cè)、世界水資源有效管理和可持續(xù)發(fā)展、資源開(kāi)發(fā)和環(huán)境管理的社會(huì)應(yīng)用、數(shù)字天氣和水文預(yù)報(bào)，以及水循環(huán)關(guān)鍵問(wèn)題的研究，包括了降水、土壤含水量、流量和地表蓄水量、冰凍圈變量(積雪覆蓋、雪水當(dāng)量、冰和地表冰)、云和水蒸氣、蒸發(fā)和蒸散發(fā)、地下水、水質(zhì)，以及觀測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)等專(zhuān)題。

當(dāng)前遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于水文變量和參數(shù)的獲取，主要包括氣溫(Klemen and Marion，2009)、降水量(Huffman and Bolvin，2009；Michaelides et al.，2009)、積雪(Hock，2005)、蒸散發(fā)(Dominqu et al.，2005；Markus and Michael，2008)、土壤水(McCabe et al.，2008)等，以及地表覆被狀況、地形地貌、河網(wǎng)水系等水文下墊面因子。20世紀(jì)60年代以來(lái)，遙感技術(shù)迅速發(fā)展，形成了比較完整的科學(xué)與技術(shù)體系；然而遙感技術(shù)目前還難以直接觀測(cè)河川內(nèi)徑流量，制約了遙感技術(shù)在水文學(xué)中的應(yīng)用。為了突破這一瓶頸，遙感科學(xué)和水文學(xué)相結(jié)合，研發(fā)了許多耦合遙感信息的水文模型，這些模型通過(guò)結(jié)合遙感提供的下墊面條件信息(土地利用、地形、植被等)，以及降水、蒸散發(fā)等氣象水文參數(shù)，可使遙感技術(shù)在分析流域產(chǎn)匯流特性和確定水文模型參數(shù)等方面發(fā)揮巨大作用。此外，應(yīng)用遙感信息傳輸模型和生態(tài)水文參數(shù)反演算法，還可以獲取一些傳統(tǒng)水文方法難以獲取或觀測(cè)不到的信息。同時(shí)遙感具有周期短、同步性好和及時(shí)、分布式等特點(diǎn)，能夠很好地滿(mǎn)足水文模擬實(shí)時(shí)、空間分布的需求。

然而，也正是因?yàn)檫b感技術(shù)不能直接探測(cè)傳統(tǒng)水文學(xué)所關(guān)注的河川徑流量和水文情勢(shì)，學(xué)術(shù)界從20世紀(jì)70年代就開(kāi)始不斷探索遙感技術(shù)在水文學(xué)中的應(yīng)用潛力，力求回答"遙感在水文研究中究竟能扮演什么樣的角色？"。Schultz和Engman(2005)總結(jié)了兩種遙感技術(shù)在水文學(xué)中應(yīng)用的觀點(diǎn)，一種認(rèn)為"如果你了解遙感，你就可以在不存在數(shù)據(jù)，甚至是不具備地面測(cè)量條件的地方獲得水文數(shù)據(jù)，因此，發(fā)展中國(guó)家就能夠根據(jù)需要的容量設(shè)計(jì)出一個(gè)飲用水供水水庫(kù)"；另一種則認(rèn)為"由于不可能通過(guò)遙感數(shù)據(jù)估計(jì)地面水資源和地表徑流，因此遙感并不是十分有用"。

幾十年來(lái)，遙感技術(shù)在水文中的不斷應(yīng)用表明，盡管遙感技術(shù)不能直接探測(cè)到徑流量，但是它獨(dú)有的特點(diǎn)使得遙感在水文應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)凸顯，包括時(shí)空分辨率高，可以提供長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)和連續(xù)的數(shù)據(jù)資料；探測(cè)范圍廣，可以獲取偏遠(yuǎn)地區(qū)的信息；提供的信息為面狀信息，并具有周期短、信息量大和成本低的特點(diǎn)。這些優(yōu)勢(shì)使得遙感技術(shù)在水文學(xué)上的應(yīng)用不斷深入，可以直接或間接測(cè)量常規(guī)手段無(wú)法測(cè)量到的水文變量和參數(shù)。

隨著遙感科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，在遙感科學(xué)與技術(shù)和水文學(xué)之間逐漸形成了一個(gè)學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域——遙感水文。遙感水文不同于水文遙感，水文遙感重點(diǎn)是研究水文要素遙感獲取的理論、方法和技術(shù)，而遙感水文則是將遙感技術(shù)與水文模型相結(jié)合，構(gòu)建遙感信息驅(qū)動(dòng)的水文模型(Schuurmans et al.，2003；Simon et al.，2008)，直接或間接地應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)獲取流域空間尺度的水文因子、生態(tài)環(huán)境因子和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子數(shù)據(jù)，開(kāi)展水文狀況和水資源利用的空間計(jì)算與分析，完成流域水文概況模擬、洪水過(guò)程監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、水資源估算和水資源配置等方面的任務(wù)。

1.1水文學(xué)發(fā)展

1.1.1水文學(xué)基本概念

水文學(xué)是研究地球表層中水體的形成、演化、分布、運(yùn)動(dòng)和變化規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。當(dāng)前有多種水文學(xué)的定義，1962年美國(guó)聯(lián)邦政府科技委員會(huì)把水文學(xué)定義為一門(mén)關(guān)于地球上水的存在、循環(huán)、分布，水的物理、化學(xué)性質(zhì)以及環(huán)境(包括與生活有關(guān)的事物)反應(yīng)的學(xué)科；1987年《中國(guó)大百科全書(shū)》給出的水文學(xué)定義為關(guān)于地球上水的起源、存在、分布、循環(huán)運(yùn)動(dòng)等變化規(guī)律和運(yùn)用這些規(guī)律為人類(lèi)服務(wù)的知識(shí)體系。還有定義認(rèn)為，水文學(xué)是研究各種水體的形成、分布、理化性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律以及水體與周?chē)h(huán)境相互作用的科學(xué)。上述定義在水文學(xué)的研究對(duì)象上存在一定的差異，但都將水文學(xué)的研究對(duì)象界定為地球上自然界中全部的水或一切形態(tài)的水體，似乎過(guò)于寬泛。實(shí)際上，目前水文學(xué)僅限于對(duì)地表水體和地下飽和水體的研究，即對(duì)包括河流、湖泊、沼澤、冰川、積雪等在內(nèi)的陸地水體、海洋和地下水的研究，尤其集中于對(duì)陸地水體的研究。水文學(xué)以自然界的水為研究對(duì)象，主要研究任務(wù)是揭示水的形態(tài)、演化、分布、運(yùn)動(dòng)、質(zhì)量等規(guī)律，分析水與自然環(huán)境和人類(lèi)社會(huì)的相互關(guān)系和相互作用，探討人類(lèi)的水資源開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)。

1.1.2水文學(xué)發(fā)展階段

人類(lèi)在防御水旱災(zāi)害和水資源開(kāi)發(fā)利用中，不斷認(rèn)識(shí)水文現(xiàn)象，積累水文知識(shí)，逐步形成和發(fā)展了水文學(xué)。1674年P(guān)errault和Mariotte定量研究了降水形成的河流和地下水量大小，標(biāo)志著水文學(xué)的產(chǎn)生。1856年達(dá)西(Darcy)提出了著名的地下水達(dá)西定律，這是水文學(xué)發(fā)展的重要標(biāo)志，隨著水文學(xué)的知識(shí)逐漸豐富，水文觀測(cè)實(shí)驗(yàn)儀器不斷被發(fā)明和使用，水文學(xué)理論體系逐步完善。

水文學(xué)的發(fā)展過(guò)程可以劃分為以下4個(gè)階段(管華，2010)。

(1) 知識(shí)積累時(shí)期(16世紀(jì)末以前)。人類(lèi)自從在地球上出現(xiàn)，為了自身生存與發(fā)展的需要，就開(kāi)始與水發(fā)生關(guān)系，開(kāi)展了大量利用水資源和防御洪澇干旱災(zāi)害的活動(dòng)。中國(guó)傳說(shuō)中的大禹治水大約發(fā)生于5000年前，公元前4000年左右，古埃及人為了開(kāi)墾土地而在尼羅河上修筑水壩，古希臘人和古羅馬人也開(kāi)挖了灌溉水渠。在中國(guó)，公元前256年至公元前221年李冰父子修建了都江堰，公元581年至公元618年開(kāi)挖了京杭大運(yùn)河。

這一時(shí)期開(kāi)始出現(xiàn)原始的水位、雨量觀測(cè)和水流特性觀察，并對(duì)水文現(xiàn)象進(jìn)行了定性描述和推理解釋。公元前3500年至公元前3000年古埃及人開(kāi)始觀察尼羅河水位，公元前2300年古代中國(guó)人開(kāi)始觀測(cè)河水漲落，公元前4世紀(jì)古印度人開(kāi)始觀測(cè)雨量。公元1500年，達(dá)·芬奇(Leonardo da Vinci)提出了浮標(biāo)測(cè)流速的方法，發(fā)現(xiàn)了過(guò)水?dāng)嗝婷娣e、流速和流量之間的關(guān)系，提出水流連續(xù)性原理。

古代哲學(xué)家對(duì)水的循環(huán)運(yùn)動(dòng)及其起源等問(wèn)題也產(chǎn)生了極大興趣，提出和發(fā)展了相關(guān)思想。公元前450年至公元前350年，柏拉圖(Platon)和亞里士多德(Aristotle)就已經(jīng)提出了水循環(huán)的假說(shuō)；公元前27年，維特魯維厄斯(Marcus Vitruvius)提出了具有現(xiàn)代概念意義的水循環(huán)理論；到15世紀(jì)末，達(dá)·芬奇和伯納德·帕里希(Bernard Palissy)對(duì)水循環(huán)已有較高水平的認(rèn)識(shí)和理解。

這一時(shí)期，尤其是早期，人們對(duì)水循環(huán)等水文現(xiàn)象的了解和認(rèn)識(shí)還是很不的，主要是基于猜想和假說(shuō)，而沒(méi)有基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的推理，缺乏對(duì)水文現(xiàn)象的理論解釋。因此，這一時(shí)期尚未出現(xiàn)科學(xué)意義的水文學(xué)。

(2) 學(xué)科形成時(shí)期(17世紀(jì)初～19世紀(jì)末)。17世紀(jì)，水文觀測(cè)實(shí)驗(yàn)儀器不斷被發(fā)明和使用，各國(guó)普遍建立起水文站網(wǎng)和制定了統(tǒng)一的觀測(cè)規(guī)范，使實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)成為科學(xué)分析水文現(xiàn)象的依據(jù)，從而使水文研究走上了科學(xué)的道路，促進(jìn)了現(xiàn)代水文學(xué)的形成。當(dāng)時(shí)，佩羅(Perrault)、馬略特(Mariotte)、哈雷(Halley)等開(kāi)展的一系列研究工作，被認(rèn)為是現(xiàn)代水文學(xué)誕生的標(biāo)志。佩羅應(yīng)用他對(duì)塞納河流域降雨和徑流進(jìn)行3年觀測(cè)所獲得的降雨徑流數(shù)據(jù)和流域面積數(shù)據(jù)，說(shuō)明了徑流的降雨成因，首次將對(duì)水循環(huán)的認(rèn)識(shí)提高到定量描述的高度。馬略特在塞納河上，建立了基于流速和河流橫斷面面積的流量計(jì)算方法。哈雷通過(guò)對(duì)地中海海水蒸發(fā)率的觀測(cè)，提出了蒸發(fā)是河流徑流的主要支出途徑的觀點(diǎn)，發(fā)展了水循環(huán)理論。

18世紀(jì)，水文學(xué)理論和水力學(xué)理論不斷涌現(xiàn)；19世紀(jì)，實(shí)驗(yàn)水文學(xué)逐漸興起，地下水文學(xué)得到很大發(fā)展。1738年，伯努利(Bernoulli)提出了水流能量方程，即著名的伯努利定理。1775年，謝才(de Chezy)提出了明渠均勻流公式，即著名的謝才公式。1802年，道爾頓(Dalton)提出了闡述蒸發(fā)量與水汽壓差比例關(guān)系的道爾頓定理。1856年，達(dá)西基于實(shí)驗(yàn)提出了地下水滲流基本定律，即著名的達(dá)西多孔介質(zhì)流動(dòng)定律。1871年圣維南(de SaintVenant)推導(dǎo)出了明槽一維非恒定漸變流方程組，即著名的圣維南方程組。1889年，曼寧(Manning)提出了計(jì)算謝才系數(shù)的曼寧公式。1895年，雷諾(Reynolds)提出了描述紊流運(yùn)動(dòng)的雷諾方程組和紊流黏滯力的概念。1899年，斯托克斯(Stokes)推導(dǎo)出了計(jì)算泥沙沉降速度的斯托克斯公式。這些的研究成果的出現(xiàn)，為水文學(xué)的形成奠定了豐富的理論基礎(chǔ)。

18世紀(jì)以后相關(guān)研究發(fā)展更為迅速，為水文學(xué)定量研究的發(fā)展提供了深厚技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)水文觀測(cè)也取得了重大進(jìn)展。1610年圣托里奧(Santorio)研制出了流速儀，1639年卡斯泰利(Castelli)研制出了雨量筒，1732年皮托(Pitot)發(fā)明了新的測(cè)速儀皮托管，1790年沃爾特曼(Woltmann)研制出了轉(zhuǎn)子式流速儀，1870年埃利斯(Ellis)發(fā)明了旋槳式流速儀，1885年普賴(lài)斯(Price)發(fā)明了旋杯式流速儀。對(duì)河流的系統(tǒng)觀測(cè)始于19世紀(jì)。19世紀(jì)初，歐洲部分國(guó)家開(kāi)始對(duì)萊茵河、臺(tái)伯河、加龍河、易北河、奧得河等開(kāi)展水情觀測(cè)，并結(jié)合理論推算等綜合方法，建立了流量資料序列，并于1865年開(kāi)始觀測(cè)死海水位。在中國(guó)，1742年北京開(kāi)始記錄逐日天氣和雨雪起訖時(shí)間和入土雨深，1736年黃河老壩口開(kāi)始設(shè)立水尺并觀測(cè)水位和報(bào)汛，1841年北京開(kāi)始以現(xiàn)代方法觀測(cè)降水量。

這一時(shí)期實(shí)現(xiàn)了對(duì)水文現(xiàn)象的定性描述向定量表達(dá)的轉(zhuǎn)變，初步建立起了水文學(xué)的理論基礎(chǔ)，但是很多成果都是經(jīng)驗(yàn)性的，水文學(xué)基本理論尚未建立起來(lái)。

(3) 應(yīng)用水文學(xué)時(shí)期(20世紀(jì)初～60年代)。進(jìn)入20世紀(jì)，為滿(mǎn)足世界上大規(guī)模興起的防洪、灌溉、水力發(fā)電、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、林業(yè)和城市等建設(shè)事業(yè)的需要，服務(wù)于社會(huì)和水利工程建設(shè)的水文預(yù)報(bào)和水文水利計(jì)算技術(shù)得到快速發(fā)展，極大地促進(jìn)了水文學(xué)研究方法的理論化和系統(tǒng)化。

1914年黑曾(Hazen)提出了應(yīng)用正態(tài)幾率格紙選配流量頻率曲線(xiàn)的方法，1942年福斯特(Foster)提出了應(yīng)用皮爾遜Ⅲ型曲線(xiàn)選配頻率曲線(xiàn)的方法，至此概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論與方法開(kāi)始被系統(tǒng)地應(yīng)用于水文研究。1930～1950年，水文現(xiàn)象理論分析得到發(fā)展并開(kāi)始取代經(jīng)驗(yàn)分析，這一進(jìn)展的具體體現(xiàn)是謝爾曼單位線(xiàn)、霍頓滲透理論、泰斯方程、彭曼水面蒸發(fā)計(jì)算公式等的提出。

這一時(shí)期的水文觀測(cè)也得到進(jìn)一步發(fā)展，美國(guó)等西方國(guó)家開(kāi)始實(shí)施水文研究方案，水文站逐漸在世界范圍內(nèi)發(fā)展成為國(guó)家規(guī)模的站網(wǎng)。"