水文學與水資源概論姜艷jlhyan@126.comQQ:110881540

主要參考書：1、伍光和等編《自然地理學》（第三版），高等教育出版社，2000年7月出版

2、金伯欣主編《水文學與水資源概論》，華中師范大學出版社，1986年12月出版3、鄧綬林《普通水文學》，高等教育出版社，1986年出版4、左其亭等《現(xiàn)代水文學》，科學出版社，2002年出版1962年，美國政府聯(lián)邦政府科技委員會水文學：關(guān)于地球上水的存在、循環(huán)、分布，水的物理、化學性質(zhì)以及環(huán)境（包括與生活有關(guān)事物）反應(yīng)的學科。1987年，中國大百科全書

水文科學：關(guān)于地球上水的起源、存在、分布、循環(huán)運動等變化規(guī)律和運用這些規(guī)律為人類服務(wù)的知識體系。

緒論水文學是研究地球上水的起源、存在、性質(zhì)、分布、循環(huán)、運動變化規(guī)律及其與地理環(huán)境、人類社會之間相互關(guān)系的科學。地球表層的水經(jīng)過約35億年的積聚和演變，逐漸形成今天的水圈。水圈的形成不僅改變了巖石圈的面貌，使大氣圈中的現(xiàn)象變得復(fù)雜多樣，而且導(dǎo)致生物圈的出現(xiàn)。

水的出現(xiàn)和水圈的形成，是地球自然歷史中最重大的事件!主要內(nèi)容

一、水文學的研究對象

二、水文學簡史三、水文學的體系

四、水文學的地理研究方向

五、水文現(xiàn)象的主要特點

六、水文學的研究方法

一、水文學的研究對象地球上現(xiàn)有約13.9億立方千米的水，它以液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)分布于地面、地下和大氣中，形成河流、湖泊、沼澤、海洋、冰川、積雪、地下水和大氣水等水體，構(gòu)成一個浩瀚的水圈。水文學的主要研究對象——水體（水圈）。

水循環(huán)的研究是水文學的核心內(nèi)容水圈處于永不停息的運動狀態(tài);水圈中各種水體通過蒸發(fā)、水汽輸送、降水、地面徑流和地下徑流等水文過程緊密聯(lián)系，相互轉(zhuǎn)化，不斷更新，形成一個龐大的動態(tài)系統(tǒng)。水的這種周而復(fù)始不斷轉(zhuǎn)化、遷移和交替的現(xiàn)象稱水循環(huán)。

水循環(huán)是自然界最重要的物質(zhì)循環(huán)它成云致雨，影響著一個地區(qū)的氣候和生態(tài)，塑造地貌和實現(xiàn)地球化學物質(zhì)的遷移，像鏈條一樣連結(jié)著全球的生命，為人類提供不斷再生的淡水資源和水能資源。水資源問題是現(xiàn)代水文學的重要內(nèi)容隨著水資源開發(fā)利用的規(guī)模日益擴大,人類活動干擾了自然界的水循環(huán)過程，改變著各個水體的性質(zhì);水資源的開發(fā)利用和人類活動對水環(huán)境的反饋效應(yīng)的研究，也已成為現(xiàn)代水文學研究的重要內(nèi)容。三峽工程二、水文學簡史Hydrology，來源于拉丁語，意“水的知識”。在生產(chǎn)實踐中，特別在與水旱災(zāi)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(guān)于水的豐富知識，逐漸形成、并不斷發(fā)展了水文科學。水文學發(fā)展階段大體劃分如下：萌芽階段（公元1400年以前）奠基階段（公元1400-1900年）應(yīng)用水文學興起時期（公元1900-1950年）現(xiàn)代水文學階段（公元1950-現(xiàn)在）（由萌芽到成熟、由定性到定量、由經(jīng)驗到理論）1、萌芽時期（遠古至約公元1400年）——水文現(xiàn)象定性描述階段;特點：為生活和生產(chǎn)的需要，開始了原始的水位、雨量觀測，對水流特性進行觀察，并對水循環(huán)現(xiàn)象進行推理解釋。在尼羅河、幼發(fā)拉底河、恒河和黃河這些古老文化發(fā)祥地的遺跡中，我們可以看到這一時期已經(jīng)開始了原始的水文觀測。最早的水位觀測是在中國和埃及開始的。公元前3500~3000年，埃及人即開始觀測尼羅河的水位；公元前450-350年，希臘哲學家柏拉圖和亞里斯多德提出水循環(huán)的臆說；我國勞動人民在與旱澇災(zāi)害長期斗爭中積累了許多經(jīng)驗

遠在公元前2000多年，我們的祖先為了防治黃河的洪水，就注意水位的漲落和天氣狀況。約公元前22世紀，大禹治水，已“隨山刊木”（立木于河中），觀測河水漲落。

公元前316年蜀守李冰與他的兒子二郎在四川灌縣修筑了導(dǎo)治岷江的灌溉工程——都江堰，在灌縣城西門的寶瓶口設(shè)有石人測量水位，后改為石刻水則，用以測定水位，控制進水，防止洪水毀壞渠道。我國歷代沿河居民還把最高和最低水位及其出現(xiàn)時間刻在河岸的石壁上，以記錄罕見的洪、枯水位。涪陵長江岸邊的白鶴梁自公元764年開始刻畫石魚圖形記載長江最枯水位，直到20世紀40年代共有刻記163條，記有72個年份的歷史枯水。最早的雨量觀測于公元前四世紀在印度出現(xiàn)；中國于公元前三世紀的秦代已開始有呈報雨量的制度;到了公元1247年，已有了較科學的雨量器和雨深計算方法，并開始用“竹籠驗雪”以計算平地降雪深度。水文記載四千年前已有黃河水災(zāi)的記載。在四千多年中曾有過1500多次水災(zāi)的記錄。公元前幾百年，在《山海經(jīng)》、《尚書》、《管子》、《莊子》、《呂氏春秋》等有關(guān)書籍中，已有對水文現(xiàn)象的記載與論述。東漢王充在他的《論衡》一書中，更以唯物的觀點，批判了人們長期存在的雷、電、風、雨的迷信說法，而給以科學的解釋，對水文循環(huán)的概念、潮汐的成因等方面都作了精辟的論述。著名的《水經(jīng)》一書于東漢問世，經(jīng)后人不斷加工校訂，發(fā)展成為《水經(jīng)注》40卷，是我國水象學方面的一本重要書籍；系統(tǒng)地描述了黃河、淮河、長江三水系的源頭、干支流、灌溉、水力情況等。記述了當時中國境內(nèi)1252條河流的概況，成為水文地理考察的先驅(qū)。酈道元《水經(jīng)注》《呂氏春秋》

“云氣西行云云然，冬夏不輟；水泉東流，日夜不休，上不竭，下不滿，小為大，重為輕，國道也?！碧岢隽藰闼氐乃难h(huán)概念。2、奠基時期（約1400～1900）——水文科學體系形成階段特點是：水文現(xiàn)象由概念性描述進入定量的表達，水文理論逐漸形成。歐洲文藝復(fù)興帶來的科學思想的解放和科學技術(shù)的進步，為水文科學發(fā)展成為獨立的學科奠定了基礎(chǔ)。這一時期，水文儀器的發(fā)明使水文觀測進入了科學的定量觀測階段。公元1452-1519年，意大利的達·芬奇提出水循環(huán)觀點并使用浮標測量流速。對水利學的研究：為了排除泥沙，他做了疏通亞諾河的施工計劃；他設(shè)計并親自主持修建了米蘭至帕維亞的運河灌溉工程；有些水利設(shè)施至今仍在發(fā)揮作用。1424年，中國和朝鮮先后開始統(tǒng)一制作和使用標準測雨器。明仁宗洪熙元年（公元1425年）正式頒發(fā)了“測雨器制度”，將統(tǒng)一制造的高一尺五寸，直徑七寸的測雨器公布全國。1663年雷恩和胡克創(chuàng)制了翻斗式自記雨量計，1687年哈雷創(chuàng)制測量水面蒸發(fā)量的蒸發(fā)器，1870年埃利斯發(fā)明旋槳式流速儀，1885年普賴斯發(fā)明旋杯式流速儀。1746年，中國在黃河老壩口設(shè)立了全國第一個正規(guī)水位站，開始系統(tǒng)觀測水位，并進行報汛。在這一時期，近代水文科學理論開始逐漸形成。1674，佩羅：水量平衡，水文學最基本的原理；1738，伯努利父子：水流能量方程；1775，謝才：謝才公式；1802，道爾頓：道爾頓公式（水面蒸發(fā)）；1851，莫萬尼：匯流、徑流系數(shù)、最大流量；1856，達西：達西定律（地下水運動）。

1674年法國人佩羅在巴黎出版的《噴泉的起源》一書，將人們對水文循環(huán)的認識提高到數(shù)量描述的高度，是一個飛躍。書中敘述他在塞納河進行過三年的雨量觀測，計算出塞納河在伯格底以上流域內(nèi)的年徑流量只是年降水量的1/6。他的這一結(jié)論的公布，被認為是現(xiàn)代科學水文的開始。為了紀念他對水文學的貢獻，1974年聯(lián)合國教科文組織和世界氣象組織聯(lián)合在巴黎舉行了水文科學300年紀念會。《噴泉的起源》這些科學理論的創(chuàng)立，為水文科學在河道水流、蒸發(fā)、地下水運動、徑流形成和水文循環(huán)等領(lǐng)域的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，它表明人類對水文現(xiàn)象的認識已由萌芽時期那種膚淺零星的知識，發(fā)展到了比較深刻系統(tǒng)的知識。同時也表明，人類對地球上水的運動、變化規(guī)律的探索，已發(fā)展到以大量觀測事實為基礎(chǔ)，進行假說、演繹和推理，進而建立各理論體系的近代科學方法論。19世紀末，專門水文研究機構(gòu)開始出現(xiàn)，一些國家開始出版水文年鑒。一些水文學專著陸續(xù)出版。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

這些著作總結(jié)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(chǔ)。3、應(yīng)用水文學興起時期（約1900～1950）這一時期最重要的進展是應(yīng)用水文學的興起。

進入20世紀，特別是第一次世界大戰(zhàn)以后，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(shè)向水文科學提出越來越多的新課題，水文科學的應(yīng)用特色逐漸表現(xiàn)出來。從1914年到1924年，經(jīng)過黑曾、福斯特等人的工作，把概率論、數(shù)理統(tǒng)計的理論和方法系統(tǒng)地引入了水文科學，使水文變量（如洪峰和洪量）和它出現(xiàn)的機率聯(lián)系起來，為預(yù)估工程未來運行時期內(nèi)可能出現(xiàn)的水文情勢開辟了道路。從1932年到1938年，謝爾曼、霍頓、麥卡錫、斯奈德等人在產(chǎn)流和匯流計算方面取得開拓性進展，為根據(jù)降雨推算洪水開辟了道路?？死?、林斯雷等人在單位線、多個水文變量聯(lián)合分析和徑流調(diào)節(jié)的理論、方法等方面發(fā)展并豐富了上述的內(nèi)容。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(yīng)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(chǔ)，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、都市水文學也相繼興起。

水文站1949年，林斯雷和柯勒、保羅赫斯合著《應(yīng)用水文學》；同年，姜斯敦和克樂斯合著的《應(yīng)用水文學原理》、美國土木工程師學會編著的《水文學手冊》等應(yīng)用水文學專著陸續(xù)問世，總結(jié)了這一時期的成就，標志著應(yīng)用水文學的誕生。應(yīng)用水文學，以它直接為生產(chǎn)和生活提供多方面服務(wù)這一鮮明特征，獲得迅速發(fā)展，成為近代水文科學體系中最富有生氣的分支學科。4、現(xiàn)代水文學階段（公元1950-現(xiàn)在）特點：新技術(shù)的應(yīng)用水文實驗和研究的發(fā)展水資源和人類活動的水文效應(yīng)研究的興起和發(fā)展

這個新階段賦予水文科學以新的動力和新的特色：首先，由于人類對水資源的突出需求，水文科學的研究領(lǐng)域正在向著為水資源最優(yōu)開發(fā)利用的方向發(fā)展，以期為客觀評價、合理開發(fā)、充分利用和保護水資源提供科學依據(jù)；其次，大規(guī)模的人類活動對自然水體，進而對自然環(huán)境正在產(chǎn)生多方面的影響。研究和評價人類活動的水文效應(yīng)和這種效應(yīng)的環(huán)境意義，揭示人類活動影響下水文現(xiàn)象的規(guī)律，進而探討水文分析的新方法和新途徑，防止人類活動對水文循環(huán)的影響朝著不利于人類生存環(huán)境的方向發(fā)展，這一切正在成為水文科學面臨的新課題。另外，現(xiàn)代科學技術(shù)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。遙感技術(shù)的應(yīng)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(shù)的應(yīng)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；尤其是電子計算機的應(yīng)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。基礎(chǔ)學科研究的水體對象劃分：（河流水文學、湖泊水文學、沼澤水文學、海洋水文學、地下水文學等）實驗手段劃分：（水文測驗學、水文調(diào)查、水文實驗）按水在特定地理環(huán)境中作用劃分：（流域水文學、河口水文學、山地水文學、平原水文學等）應(yīng)用學科工程水文學農(nóng)業(yè)水文學土壤水文學森林水文學城市水文學三、水文學的體系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(guān)系等。湖泊水文學主要研究湖泊中的水量變化和運動，湖水的物理特性和化學成分、湖泊沉積湖泊的利用等。沼澤水文學研究沼澤徑流、沼澤水的物理化學性質(zhì)、沼澤對河流和湖泊的補給、沼澤改良等。地下水水文學主要研究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。海洋水文學著重研究海水的物理性質(zhì)和化學成分，海洋中的波浪、潮汐、洋流、海岸帶泥沙運動等。

工程水文學包括水文計算、水利計算、水文預(yù)報等組成部分，水文計算和水利計算為各類防洪工程、灌溉工程、水力發(fā)電、航運工程、道路和橋梁工程、軍事工程等的規(guī)劃、設(shè)計提供水文依據(jù)。

農(nóng)業(yè)水文學主要研究水分—土壤—植物系統(tǒng)中與作物生長有關(guān)的水文問題，尤其著重研究植物散發(fā)和土壤水的運動規(guī)律，為農(nóng)業(yè)規(guī)劃和農(nóng)作物增產(chǎn)提供水文依據(jù)。

森林水文學著重研究森林在水文循環(huán)中的作用即森林的水文效應(yīng)，包括森林對降水、蒸發(fā)和徑流形成的影響。

都市水文學是應(yīng)用水文學中較年輕的分支學科，著重研究城市發(fā)展中的水資源、城市排水的環(huán)境效應(yīng)和城市對徑流形成的影響等問題。

20世紀50年代以來，隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，水文科學不斷引入許多其他學科的新成就，出現(xiàn)了一些新的分支學科。

例如，在水文調(diào)查和水文預(yù)報中，研究遙感技術(shù)的應(yīng)用，逐漸形成遙感水文學；在水文實驗、地下水運動研究中應(yīng)用核技術(shù)，逐漸形成同位素水文學；隨機過程的理論和方法的引入，逐漸形成隨機水文學。

四、水文學的地理研究方向——

地理水文學（水文地理學）地理水文學——研究地球表面各類水體性質(zhì)、形態(tài)特征、變化和時程分配以及地域分異規(guī)律的學科，它是地理學也是水文學下屬的分支學科。各國學者對它的含義認識并不一致，有的強調(diào)對水體形態(tài)、性質(zhì)的區(qū)域描述和測量制圖；有的則強調(diào)水體與特定區(qū)域自然地理條件的聯(lián)系和相互作用。從全球看，水文地理學的研究對象分為陸地水和海洋兩個方面。陸地水文地理是研究陸地上各種水體及其在具體地區(qū)上的綜合特征，如位置、自然地理條件、大小、水情、空間及地區(qū)上的規(guī)律性，以及人類活動對水文情勢的影響或水文效應(yīng)。海洋水文地理從事海洋水文氣象情勢、海洋分區(qū)描述、世界大洋的大地測量及海底地形動態(tài)、河口海岸土壤特性等的研究。研究方法水文地理學可以用水文學和地理學的方法進行研究，一般偏重后者。傳統(tǒng)的手段是水文地理查勘和制圖。遙感方法包括衛(wèi)星和航空遙感，開始應(yīng)用于河流、冰川積雪、湖沼、土壤水、海洋以及水體環(huán)境條件方面的水文地理查勘。數(shù)理方法正逐漸引入水文地理學的研究中，如：主成分分析，時間序列分析，多元回歸分析，系統(tǒng)論、控制論等；4）水文地理綜合法主要是綜合氣候、地質(zhì)、地貌、土壤、植被等自然地理要素，對水文地理現(xiàn)象作全面的分析。這種分析以地理系統(tǒng)學說作為基礎(chǔ)，是研究工作的一種新途徑。五、水文現(xiàn)象的主要特點水循環(huán)過程中，水的存在和運動的各種形態(tài)，統(tǒng)稱為水文現(xiàn)象。

例如：河湖中的水位漲落，冰情變化，冰川進退，地下水的運動和水質(zhì)變化等。水文現(xiàn)象在各種自然因素和人類活動的影響下，時空分布變化上具有下列特點：

（1）水循環(huán)永無止盡（境）任何一種水文現(xiàn)象的發(fā)生，都是全球水文現(xiàn)象整體中的一部分和永無止境的水循環(huán)過程中的短暫表現(xiàn)。任何水文現(xiàn)象在空間上或時間上總是存在一定的因果關(guān)系的。（2）水文現(xiàn)象在時間變化上，既具有周期性，又具有隨機性水文現(xiàn)象的周期性，分別有以多年、年、月、日為單位的周期。形成周期變化的原因主要是地球公轉(zhuǎn)及自轉(zhuǎn)，地球和月球的相對運動，以及太陽黑子的周期性運動所導(dǎo)致的晝夜、四季交替的影響所致。漲潮落潮雖然河流每年均會出現(xiàn)汛期或枯水期，但是每年汛期和枯水期出現(xiàn)的時間、水量和過程通常是不會完全重復(fù)的，即每年汛期出現(xiàn)的時間和量值卻具有隨機性。因為影響水文現(xiàn)象的因素眾多，各因素本身在時間上也在不斷地變化，并且相互作用、相互制約所致。

因此，在時間上水文現(xiàn)象的周期性既是必然的，又是偶然的；有確定性的一面，又有隨機性的一面。（3）水文現(xiàn)象在地區(qū)分布上，既存在相似性，又存在特殊性不同的流域，如果所處的地理位置（指緯度、距海遠近等）相似，由于緯度地帶性的影響，水文現(xiàn)象也就具有一定程度的相似性。

例如，我國南方濕潤區(qū)的河流，水量充沛，年內(nèi)分配較均勻，含沙量較小，而北方干旱地區(qū)的河流則水量不足，年內(nèi)分配不均，含沙量大。地帶相似性