日本免费精品视频,男人的天堂在线免费视频,成人久久久精品乱码一区二区三区,高清成人爽a毛片免费网站

第1章 緒 論

1.1 水文學發(fā)展回顧

1.1.1 水文學的發(fā)展

人類探索除水害、興水利的歷史，猶如人類的文明史那樣悠久，因此，水文學的發(fā)展正是與人類對水的認識和需求密切相關。在生產(chǎn)實踐中，特別在與水旱災害的斗爭中，人類不斷觀測各種水文現(xiàn)象，思考和研究它們的規(guī)律，積累起關于水的豐富知識，逐漸形成并不斷發(fā)展了水文科學。

為了生活的需要，人類很早以前就開始了雨量、河流水位與流速的觀測，并不斷試圖給水文現(xiàn)象以科學解釋。例如，公元前3500～前3000年，古埃及人即開始觀測尼羅河的水位；中華民族的祖先為了防御黃河洪水，從公元前2000多年起就開始觀測水位漲落與天氣狀況；公元前450～前350年，希臘哲學家Plato和Aris?totle提出了水文循環(huán)的猜想；1452～1519年，意大利科學家daVinci進一步完善了水文循環(huán)的概念，并發(fā)明了浮標測定流量的方法。這些早期的水文現(xiàn)象觀測和研究為水文科學的形成奠定了基礎。

如果認為對水文規(guī)律的及時次定量研究是水文學的開端，那么1674年可作為該學科發(fā)展的起點。因為在這一年，法國科學家佩勞特(Perreault)在巴黎出版了《噴泉的起源》一書，闡述了他在塞納河進行的3年雨量觀測，得出了"塞納河流域的年徑流量為年降水量的1/6"的結論。鑒于這本專著將人們對水文循環(huán)的認識從定性描述提升到定量計算的水平，聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)和世界氣象組織(WMO)認定1674年為現(xiàn)代水文學的開端。1674年后，涌現(xiàn)了一批水文測驗儀器，如翻斗式雨量計和流速儀。水文領域也提出了若干基礎理論和公式，如基于水力學Bernouli定理和Chezy水流阻力公式。

在19世紀，以牛頓力學為基礎和版本的古典科學得到了極大的發(fā)展。在物理學領域，以牛頓力學為基礎，統(tǒng)一了聲學、光學、電磁學和熱力學；在水科學領域，基于牛頓力學，于1856年提出了描寫滲流運動規(guī)律的達西(Darcy)定律，于1871年提出了描寫明渠緩變不穩(wěn)定流運動規(guī)律的圣維南(St.Venant)方程組；1891年提出了Manning明渠流公式等。19世紀末，專門水文研究機構開始出現(xiàn)，一些國家開始出版水文年鑒。弗里西著的《河流水文測驗方法》、福雷爾著的《日內(nèi)瓦湖湖泊志》、馬略特著的《水的運動》等水文學專著陸續(xù)出版。這些著作總結了當時水文觀測和理論研究的成就，標志著水文科學作為一門近代科學已奠定基礎。

進入20世紀，隨著大量興起的防洪、灌溉、交通工程和農(nóng)業(yè)、林業(yè)乃至城市建設向水文科學提出越來越多的新課題，解決這些課題的方法也由經(jīng)驗的、零碎的知識逐漸理論化和系統(tǒng)化，水文科學的應用特色逐漸表現(xiàn)出來。1911年Green和Ampt建立了具有物理基礎的入滲方程；1914年Hazen提出了水文頻率計算方法，用于洪峰流量及其所需滯蓄水量的估算；1932年Sherman提出將凈雨換算為地表徑流的單位線；1933年Horton建立入滲理論。在此期間，水文站在世界范圍內(nèi)發(fā)展成規(guī)模宏大的水文站網(wǎng)系統(tǒng)，這些成就為應用水文學的興起在理論上、方法上和資料條件方面奠定了基礎，并率先形成了它最重要的分支學科――工程水文學。接著，農(nóng)業(yè)水文學、森林水文學、城市水文學也相繼興起。這一階段的理論和方法的提出，不僅為許多水利工程的建造與運行管理提供了合理的水文計算方法，而且奠定了工程水文學的基礎內(nèi)容。

20世紀50年代以來，隨著工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，世界人口快速增長，致使若干國家和地區(qū)先后發(fā)生資源、環(huán)境等問題，特別是水資源短缺和環(huán)境污染引起的危機。同時，現(xiàn)代科學技術使獲取水文信息的手段和分析水文信息的方法有了長足的進步。例如，遙感(RS)技術的應用使同時觀測大范圍內(nèi)的宏觀水文現(xiàn)象成為可能；核技術的應用使人們能夠獲得微觀水文信息；水文模擬方法、水文隨機分析方法、水文系統(tǒng)分析方法使人們研究水文現(xiàn)象的能力發(fā)展到新的水平；電子計算機的應用，使水文科學從水文觀測到基本規(guī)律的研究由人力和機械操作發(fā)展到以電子計算機為核心的自動化。

20世紀70年代以來，世界很多國家和地區(qū)出現(xiàn)水危機，水資源緊缺已逐步成為經(jīng)濟社會發(fā)展的制約因素。由于社會經(jīng)濟的需求和技術條件的成熟，先后提出大尺度水文模擬的基本概念，研制出基于遙感、數(shù)字流域、地理信息系統(tǒng)(GIS)的分布式流域水文模型，以滿足水資源形成變化規(guī)律和水資源合理開發(fā)利用及節(jié)水技術的研究等需要，水資源評價在這種背景下興起并得到發(fā)展。

1992年，在都柏林國際水與環(huán)境大會上正式提出了生態(tài)水文學(ecohydrolo?gy)概念。生態(tài)水文學一經(jīng)提出，就廣受人們的青睞。有的學者認為生態(tài)水文學是實現(xiàn)淡水資源持續(xù)利用的重要理論和有效工具，通過生態(tài)水文學的研究，人類有望走出水資源問題的困境；有的學者認為生態(tài)水文學將是今后幾年內(nèi)水資源可持續(xù)開發(fā)利用研究中最有意義的前沿學科。生態(tài)水文學是研究水文過程與植物分布、生長相互作用的水文學與生態(tài)學相互作用的一門交叉學科，其研究對象不僅包括濕地生態(tài)系統(tǒng)，而且還涉及干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)、森林和疏林生態(tài)系統(tǒng)、江河生態(tài)系統(tǒng)、湖泊生態(tài)系統(tǒng)、水生生態(tài)系統(tǒng)等。

21世紀，我國進入發(fā)展的黃金時期，經(jīng)濟社會對水文學科提出了更進一步的要求，解決這些問題既是挑戰(zhàn)也是機遇。首先，從全球范圍看氣候變暖更為明顯，這使得水循環(huán)變化加劇。全球氣候變化及大氣、海洋、陸地相互作用過程的研究，引起了水文學家廣泛的興趣，并認為波及許多國家和地區(qū)的水危機和洪澇災害與全球氣候變化異常有關。目前全球尺度水文學的研究已初見端倪，已在大氣相互作用理論的野外試驗，以及應用RS技術探索地表水文過程空間變異性等方面開展了研究并取得進展。一些業(yè)內(nèi)人士認為，全球尺度水文學的研究對當前和今后水文學的發(fā)展具有重要意義；水文學家要想成為這一領域的生力軍，就必須熟悉輻射物理、地球流體力學、降水過程、微氣象學、植物生理學和生態(tài)學等。

從上述水文學的簡要發(fā)展過程可以看出，其研究領域越來越拓寬，與人類的關系越來越密切，在社會經(jīng)濟發(fā)展中的地位越來越重要。同時可以看到，該學科在其發(fā)展過程中所取得的每一項成就，無不體現(xiàn)了社會的需要和人類對真理的追求。水文科學和其他科學之間的邊緣科學正在不斷興起，學科間的空隙逐漸得到填補。此外，人們開始看到，水已成為影響社會發(fā)展的重要因素。水在表現(xiàn)自然屬性的同時，它的社會屬性也日益表現(xiàn)出來，并逐漸為人們所認識。因此，水文科學將有可能發(fā)展成為具有自然科學和社會科學雙重性質(zhì)的一門綜合性科學。

1.1.2 水文學的主要分支學科

分類的依據(jù)不同，水文學的分支學科的數(shù)量和名稱不相同。

按基礎理論與應用劃分，可分為：

(1)水文學原理(或稱理論水文學)；

(2)應用水文學。按研究方法分，則可分為：

(1)動力學水文學；

(2)系統(tǒng)水文學；

(3)計算水文學；

(4)確定性水文學；

(5)水文統(tǒng)計學；

(6)隨機水文學；

(7)地理水文學；

(8)實驗水文學；

(9)同位素水文學；

(10)數(shù)字水文學。按研究對象分，則可分為：

(1)河流水文學；

(2)湖泊水文學；

(3)冰川水文學；

(4)河口海岸水文學；

(5)地下水文學；

(6)水文氣象學；

(7)水文測驗學；

(8)水資源學。按應用范圍分，則可分為：

(1)工程水文學；

(2)農(nóng)業(yè)水文學；

(3)森林水文學；

(4)城市水文學；

(5)環(huán)境水文學；

(6)生態(tài)水文學。學科的分類方法和學科的發(fā)展水平有關，這里所作的分類僅僅是一些舉例，也體現(xiàn)了多學科的交叉與滲透。下面對部分主要分支學科作以簡要介紹。

水文學原理 研究自然界水文循環(huán)、水分運動和溶質(zhì)輸移轉(zhuǎn)化機理，以及水圈與大氣圈、巖石圈和生物圈的相互關系，特別是與人類活動相互影響的機理及效應。

河流水文學 也稱河川水文學，研究河流的自然地理特征、河流的補給、徑流形成和變化規(guī)律、河流的水溫和冰情、河流泥沙運動和河床演變、河水的化學成分、河流與環(huán)境的關系等。

地下水文學 運用水文循環(huán)和水量平衡原理研究地下水形成、運動、水情和地下水資源的水文學分支學科。它和主要研究地下水起源、類型、分布、運動、化學成分的形成和地質(zhì)環(huán)境的水文地質(zhì)學關系密切，但研究內(nèi)容各有側重。

水文氣象學 研究水文循環(huán)和水分平衡中同降水、蒸發(fā)有關問題的一門學科。它是氣象學與水文學之間的邊緣學科，既是應用氣象學的一個分支，又是水文學的重要組成部分，其研究成果主要用于河道、水庫的防洪興利，以及水資源的開發(fā)利用和水利水電工程的規(guī)劃設計。

工程水文學 研究水文學原理應用于工程實踐的方法，為水利工程或者其他有關工程的規(guī)劃、設計、施工、運行管理提供水文依據(jù)。主要包括水文水利計算和水文預報等內(nèi)容。

森林水文學 是森林生態(tài)學和水文學的邊緣學科。研究森林生態(tài)系統(tǒng)中水文過程和森林與水分循環(huán)相互的影響。包括森林對水量、水文情勢和水質(zhì)的影響以及水分循環(huán)過程中對森林生長發(fā)育的作用。涉及林學、水文學和地學等主要學科。

城市水文學 研究城市化對河川徑流和水質(zhì)的影響，主要內(nèi)容包括城市化的水文效應、城市化對水文過程的影響、城市水文氣象的觀測實驗、城市供水與排水、城市水環(huán)境、城市的防洪除澇、城市水資源、城市水文模型和水文預測以及城市水利工程經(jīng)濟等。

環(huán)境水文學 水文學新興學科之一，研究水體或流域水文與環(huán)境之間相互作用的學科。著重研究水環(huán)境演化規(guī)律及自然條件與人類活動對水域或流域水質(zhì)與水量變化的影響。

生態(tài)水文學 20世紀90年代以來興起的一門新興邊緣學科，是描述生態(tài)格局和生態(tài)過程的水文學機制的一門科學，是生態(tài)學的水文方面，是研究植物如何影響水文過程及水文過程如何影響植物分布和生長的水文學和生態(tài)學之間的交叉學科。

1.2 水文學與水資源

人類進入21世紀后，淡水資源短缺已成為全球性問題，而水資源的可持續(xù)利用則是保持經(jīng)濟發(fā)展和維護社會穩(wěn)定的關鍵。水文學及水資源包括水文學和水資源學兩個方面，是研究水的性質(zhì)、循環(huán)運動規(guī)律、水與環(huán)境相互關系以及水資源可持續(xù)利用的學科，在經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中占有重要的地位。

水文學(Hydrology)是地球物理學和自然地理學的分支學科，主要研究存在于大氣層中、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、變化、分布，以及與環(huán)境及人類活動之間相互的聯(lián)系和作用。是關于地球上水的起源、存在、分布、循環(huán)、運動等變化規(guī)律，以及運用這些規(guī)律為人類服務的知識體系，為人類防治水旱災害、合理開發(fā)和有效利用水資源、不斷改善人類生存和發(fā)展的環(huán)境條件提供科學依據(jù)。

目前，水文學學科方向包括：①水文學基礎理論或理論水文學的研究，如流域水循環(huán)的各要素過程、產(chǎn)匯流原理、水文變量及參數(shù)的空間變異與尺度問題、分布式流域水文模擬方法、水文模擬與預測的不確定性分析等；②應用水文學的研究，如工程水文學(水文計算、水文統(tǒng)計、水文預報等)、城市水文學、農(nóng)業(yè)水文學和森林水文學等；③水文量測與水信息技術，如遙感水文學、同位素水文學、水文數(shù)據(jù)同化和數(shù)字流域與水信息技術；④學科交叉研究，如水文循環(huán)過程與物質(zhì)循環(huán)過程的相互作用(環(huán)境水文學)、水文循環(huán)過程與大氣過程的相互作用(水文氣象學)、水文循環(huán)過程與生態(tài)過程的相互作用(生態(tài)水文學)及生態(tài)需水研究、流域自然水循環(huán)系統(tǒng)與社會水循環(huán)系統(tǒng)之間的相互作用(二元水循環(huán))等。

水資源學是對水資源的量與質(zhì)進行評價，制定水資源綜合開發(fā)利用和保護規(guī)劃，解決水資源供需矛盾，并對水資源實行科學管理的知識體系。水資源的含義有廣義和狹義之分，廣義上講，是指一切可以被利用的各種形態(tài)的天然水體都可以稱為水資源，包括海洋、冰川、湖泊、河流、地下水、大氣水等在內(nèi)的各種水體；狹義上講，僅指可供國民經(jīng)濟利用的淡水資源，主要來源于大氣降水，其數(shù)量為扣除水汽蒸發(fā)的總降水量。可以認為，水資源具有下列性質(zhì)：

(1)水資源是生態(tài)和環(huán)境的基本要素，是人類生存和發(fā)展不可取代的自然資源。

(2)水資源是大氣降水補給的地表、地下的淡水產(chǎn)水量。

(3)水資源是在現(xiàn)代經(jīng)濟技術條件下可以利用的水，且水質(zhì)應符合人類利用的要求。

(4)水資源是可以通過水文循環(huán)每年得到恢復和更新的有限的可再生資源。

(5)水資源時空分配不均，年際間有變化。

在相當長的一段時間里，有關水資源的知識和經(jīng)驗常融合在其他已建立的學科如水文學、水利學中，沒有形成水資源的專門學科。從20世紀中期以來，水資源問題日益突出，專門以水資源為對象的研究和實踐在很大范圍內(nèi)有了發(fā)展，逐漸形成了自成體系的水資源學。其研究對象主要可歸結為：①水資源的形成、演化、運動的機理，水資源的數(shù)量與質(zhì)量及其時程變化；②在人類經(jīng)濟及其社會發(fā)展中為適應用水的需要而開發(fā)利用水資源的科學途徑；③在人類開發(fā)利用水資源過程中引起的環(huán)境與生態(tài)變化，以及這種變化對水資源自然規(guī)律的影響，探求在變化的環(huán)境中如何保持水資源的可持續(xù)開發(fā)利用的科學途徑等。

1.3 工程水文學的意義及研究內(nèi)容1.3.1 工程水文學的內(nèi)涵及意義

工程水文學是水文學的一個分支，主要研究關于開發(fā)、利用、控制和保護水資源的工程以及生態(tài)和環(huán)境工程規(guī)劃、設計等方面的水文問題，是為工程規(guī)劃設計、施工建設及運行管理提供水文依據(jù)的一門科學。水文水利計算是運用水文學的理論和方法，定性和定量結合，分析研究陸面水文規(guī)律，預測未來變化，為合理開發(fā)利用水資源、科學治理水旱災害和有效保護生態(tài)環(huán)境提供依據(jù)。

為了充分利用水資源和防治水災害，人們建造了大量的涉水工程，包括流域水利水電工程、農(nóng)業(yè)水利工程、給水排水工程、交通運輸工程、水資源保護工程、水土保持工程、水環(huán)境治理工程等。工程水文學就是針對涉水工程的性質(zhì)和需求，將水文學的基本理論方法應用于工程建設與管理的一門技術學科，主要是為水利規(guī)劃設計和建設提供水文情勢而服務的。其目的是擬定一個既經(jīng)濟合理又安全的工程設計方案，掌握水工建筑物所在水體于未來整個使用期間的水文情勢，研究自然界水文現(xiàn)象發(fā)展變化規(guī)律，從而預估未來長時期內(nèi)可能出現(xiàn)的水文情勢。