水文學(xué)的困惑課件

水文學(xué)的困惑張文華武漢大學(xué)水問題研究中心2006年9月水文學(xué)的困惑張文華2006年9月11、前言2、水文學(xué)的定義和研究范圍；3、水文學(xué)向何處去？

水文學(xué)應(yīng)加強(qiáng)自然科學(xué)的屬性；水文學(xué)應(yīng)加強(qiáng)為水資源管理服務(wù)。

4、水文學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系：

水文學(xué)與數(shù)學(xué)；水文學(xué)與水力學(xué)；水文學(xué)與氣象學(xué)；水文學(xué)與水資源學(xué)。主要內(nèi)容1、前言主要內(nèi)容21、前言水文學(xué)的誕生：

水是生命之源，沒有水就沒有人類的存在。水可載舟亦可覆舟，為了變水害為水利，充分有效的利用水為人類服務(wù)，人們?cè)陂L(zhǎng)期的社會(huì)實(shí)踐中為尋求水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律而產(chǎn)生了水力學(xué)。水力學(xué)對(duì)棱柱形河槽和管道是非常有效的，但對(duì)天然河道，特別是廣闊無垠的流域卻顯得無能為力，因此水文學(xué)便應(yīng)運(yùn)而生。1、前言水文學(xué)的誕生：3近代由于計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展和計(jì)算數(shù)學(xué)的廣泛應(yīng)用，水文技術(shù)蓬勃發(fā)展，但對(duì)水文機(jī)理和規(guī)律的研究甚少，正如曾任國(guó)際水文科學(xué)協(xié)會(huì)（IAHS）主席V.klemes在1988年IAHS大會(huì)上尖銳的指出：“盡管字典上解釋水文學(xué)是一門科學(xué)，但貼著水文標(biāo)簽的四分之三的工作包括大量研究論文，教科書、手冊(cè)及大學(xué)課程，歸根到底不屬于水文學(xué)的范疇，而是企圖在缺乏水文學(xué)知識(shí)的條件下，解決與水文有關(guān)的技術(shù)”。

近代由于計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展和計(jì)算數(shù)學(xué)的廣泛應(yīng)用，水文技術(shù)蓬勃發(fā)4導(dǎo)致有些人對(duì)水文學(xué)是否能作為一門科學(xué)而產(chǎn)生懷疑，曾有人在《中國(guó)科學(xué)新聞》上發(fā)表文章說“水文不是科學(xué)”。趙人俊在1991年“從實(shí)際出發(fā)研究水文學(xué)”一文中所指出的“國(guó)內(nèi)外正在討論水文學(xué)如何發(fā)展的問題，比較公認(rèn)的看法是：發(fā)展得比較好的是一些實(shí)際應(yīng)用的方法技術(shù)，可統(tǒng)稱為工程水文學(xué)。導(dǎo)致有些人對(duì)水文學(xué)是否能作為一門科學(xué)而產(chǎn)生懷疑，曾有人在《中5但作為水文科學(xué)，則尚缺乏科學(xué)體系與科學(xué)方法，理論水平不高，原因在哪里？有的認(rèn)為沒有找到一個(gè)適合的數(shù)學(xué)理論，有的認(rèn)為是沒有與地理地質(zhì)等學(xué)科聯(lián)系起來，……但作為水文科學(xué)，則尚缺乏科學(xué)體系與科學(xué)方法，理論水平不高，原6對(duì)水文學(xué)的定義，水文學(xué)研究的方法與范圍，水文學(xué)與其他科學(xué)關(guān)系等如果沒有一個(gè)明確的、清醒的認(rèn)識(shí)，必將動(dòng)搖水文學(xué)的自然科學(xué)基礎(chǔ)，阻礙水文學(xué)的發(fā)展。對(duì)水文學(xué)的定義，水文學(xué)研究的方法與范圍，水文學(xué)與其他科學(xué)關(guān)系72、水文學(xué)的定義和研究范圍（1）水文學(xué)的定義

根據(jù)IAHS章程中的宗旨，給水文學(xué)下了如下定義：“水文學(xué)是一門關(guān)于地球上水的存在、循環(huán)、分布，它的物理化學(xué)性質(zhì)以及環(huán)境包括與生活有關(guān)事物的反應(yīng)的科學(xué)?！?987年《中國(guó)大百科全書》給水文學(xué)的定義是：“水文學(xué)是關(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)律為人類服務(wù)的知識(shí)體系?！?/p>

從上述水文學(xué)的定義中很難看出是水文學(xué)，倒是摻雜一些與水文不相干名詞的組合。2、水文學(xué)的定義和研究范圍（1）水文學(xué)的定義8水的分布是伴隨水的存在而形成的，只須調(diào)查，沒有什么可研究的。對(duì)水的循環(huán)，水文學(xué)家要研究的只是水循環(huán)的一部分而不是全部。水的物理、化學(xué)性質(zhì)，比如說水的熱、電傳導(dǎo)率，水的氧化還原作用等，則是物理、化學(xué)家們的事，不是水文學(xué)家所需研究的對(duì)象。水與生活有關(guān)的事物，如生活飲用水、灌溉、航運(yùn)等，則應(yīng)由給排水、農(nóng)田水利、交通等部門去研究。水的分布是伴隨水的存在而形成的，只須調(diào)查，沒有什么可研究的9Pemnan早在1961年就言簡(jiǎn)意賅地指出，水文學(xué)是一門回答“Whathappenstotherain（降雨后將發(fā)生什么）的科學(xué)?！惫P者認(rèn)為：水文學(xué)是研究地球上某一特定位置的變異水體是如何由降水形成的科學(xué)。Pemnan早在1961年就言簡(jiǎn)意賅地指出，水文學(xué)是一門回答10（2）研究范圍一般有兩種敘述：其一是四圈，即水圈（陸地、天空、海洋的水體）、大氣圈（天空中的水汽、二氧化碳、硫化物、塵埃等）、巖石圈（地殼中的各種巖石）、生物圈（地球上的各種生物）；其二是以尺度劃分，認(rèn)為一個(gè)完整的水文理論必須跨越15個(gè)量級(jí)，從分子族（10-8米）到引量（107米），J.C.I.Dooge曾建議將個(gè)幅度分為9個(gè)分級(jí)：（2）研究范圍一般有兩種敘述：11水文的空間尺度水文的空間尺度12筆者認(rèn)為水文學(xué)研究的范圍主要在流域而不論其大小，正如Dooge于1987年在羅馬“未來水國(guó)際會(huì)議”所做的報(bào)告“水文學(xué)展望”一文中指出的“我們所關(guān)心的主要問題是流域尺度上的非均衡問題。因此，水文理論必須是能夠用于流域，并被證明是有效的?！彼膶W(xué)應(yīng)正確理解自己在自然科學(xué)中的位置。筆者認(rèn)為水文學(xué)研究的范圍主要在流域而不論其大小，正如Doog133水文學(xué)向何處去？

水文學(xué)從形式上看已發(fā)展到一個(gè)頂盛時(shí)期，水文學(xué)的分支學(xué)科如雨后春筍般地產(chǎn)生。如動(dòng)力水文學(xué)、系統(tǒng)水文學(xué)、水文統(tǒng)計(jì)學(xué)、隨機(jī)水文學(xué)、模糊水文學(xué)、同位素水文學(xué)、冰川水文學(xué)、地理水文學(xué)、湖泊水文學(xué)、森林水文學(xué)、農(nóng)業(yè)水文學(xué)、水資源水文學(xué)……等不下幾十種。3水文學(xué)向何處去？水文學(xué)從形式上看已發(fā)展到一個(gè)頂盛時(shí)期141987年美國(guó)Bras和Eagleson撰寫的“水文學(xué)是被遺忘的科學(xué)”的文章認(rèn)為，水文學(xué)作為地理科學(xué)中的一員，尚未建成現(xiàn)代的科學(xué)體系，給水文學(xué)保留的位置尚屬空白。1988年Klemes曾指出：水文學(xué)目前尚未建立其鞏固的科學(xué)基礎(chǔ)。1991年美國(guó)水文科學(xué)機(jī)遇委員會(huì)發(fā)表的“水文科學(xué)的機(jī)遇”報(bào)告認(rèn)為，一個(gè)時(shí)期以來水文學(xué)過多地去解決實(shí)際問題，因而妨礙了水文學(xué)的發(fā)展，未能建立起水文學(xué)自身的體系。同年趙人俊在“從實(shí)際出發(fā)研究水文學(xué)”一文中指出水文學(xué)“尚缺乏科學(xué)體系與科學(xué)方法”。

至少可以說這種種的水文學(xué)先天不足，因?yàn)樗麄兊哪阁w尚未發(fā)育成熟。水文學(xué)究竟如何發(fā)展？主要有以下兩種對(duì)立的觀點(diǎn)：1987年美國(guó)Bras和Eagleson撰寫的“水文學(xué)是被遺15（1）水文學(xué)應(yīng)加強(qiáng)自然科學(xué)的屬性水文學(xué)當(dāng)作地球科學(xué)的一部分，而不應(yīng)再成為解決水資源工程的附庸。（2）水文學(xué)應(yīng)加強(qiáng)為水資源管理服務(wù)要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)水資源開發(fā)利用和管理中的問題進(jìn)行工作，才能更好地促進(jìn)水文科學(xué)的發(fā)展。（1）水文學(xué)應(yīng)加強(qiáng)自然科學(xué)的屬性水文學(xué)當(dāng)作地球科學(xué)的164水文學(xué)與其他科學(xué)的關(guān)系（1）水文學(xué)與數(shù)學(xué)

數(shù)學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)，它是研究數(shù)的規(guī)律，是基礎(chǔ)科學(xué)，但它決不能替代其他科學(xué)。自然科學(xué)的研究有兩個(gè)階段，首先由各學(xué)科根據(jù)對(duì)自身的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的描述，最終用數(shù)學(xué)語言表述出來（建立微分方程）。然后根據(jù)邊界條件和初始條件，用數(shù)學(xué)方法去求解，但由于邊界條件極其復(fù)雜,在求解的過程中往往要借助該學(xué)科的知識(shí)。4水文學(xué)與其他科學(xué)的關(guān)系（1）水文學(xué)與數(shù)學(xué)17（2）水文學(xué)與水力學(xué)水文學(xué)與水力學(xué)的共同點(diǎn)：都同樣建立牛頓力學(xué)的質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程，都同樣用數(shù)學(xué)方法求解這兩個(gè)方程。（2）水文學(xué)與水力學(xué)水文學(xué)與水力學(xué)的共同點(diǎn)：都同樣建立牛頓力18水文學(xué)與水力學(xué)的不同點(diǎn)：水力學(xué)是用特征線法和瞬態(tài)法等方法求解這個(gè)方程組。水文學(xué)則是用水量平衡方程取代質(zhì)量守恒方程，用槽蓄方程取代能量守恒方程然后去求解這兩個(gè)方程。水力學(xué)是運(yùn)用歐拉法研究微小窗口水體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而水文學(xué)則是研究流域集水?dāng)嗝嫠w形成的規(guī)律。兩者的研究對(duì)象和方法各不相同。水文學(xué)與水力學(xué)的不同點(diǎn)：水力學(xué)是用特征線法和瞬態(tài)法等方法求解19（3）水文學(xué)與氣象學(xué)水文和氣象是地球上水循環(huán)的兩個(gè)獨(dú)立又相互聯(lián)系的系統(tǒng)。水文學(xué)是研究降水是如何形成徑流的。氣象學(xué)是研究海洋的蒸發(fā)和陸面的蒸散發(fā)是如何形成降水的。（3）水文學(xué)與氣象學(xué)水文和氣象是地球上水循環(huán)的兩個(gè)獨(dú)立又相互20水文系統(tǒng)是一個(gè)由降水輸入，徑流、蒸散發(fā)輸出的輸入——輸出系統(tǒng)。氣象系統(tǒng)是一個(gè)由海洋蒸發(fā)、陸面蒸散輸入，降水輸出的輸入——輸出系統(tǒng)。兩個(gè)輸入——輸出系統(tǒng)（連同海洋）構(gòu)成一個(gè)完整、封閉的水循環(huán)系統(tǒng)。既然水文是一個(gè)不封閉的輸入——輸出系統(tǒng)，水文循環(huán)又從何談起？

水文系統(tǒng)是一個(gè)由降水輸入，徑流、蒸散發(fā)輸出的輸入——輸出系統(tǒng)21（4）水文學(xué)與水資源水文學(xué)是科學(xué)，而水資源則是把水作為資源進(jìn)行管理（調(diào)度和優(yōu)化配置）。筆者認(rèn)為水文學(xué)和水資源管理的任務(wù)是不同的，水文學(xué)是研究降水形成徑流的規(guī)侓，水資源管理則根據(jù)現(xiàn)有的水文規(guī)律對(duì)水進(jìn)行管理。（4）水文學(xué)與水資源水文學(xué)是科學(xué)，而水資源則是把水作為資源22水文學(xué)的發(fā)展取決于對(duì)水文規(guī)律揭示的過程。既然水文學(xué)是水資源管理的基礎(chǔ)，那么作為基礎(chǔ)的水文學(xué)又怎能迎合非基礎(chǔ)的水資源管理呢？水文的規(guī)律不是因?yàn)樗Y源管理而發(fā)生變化，倒是利用客觀的水文規(guī)律對(duì)水進(jìn)行管理，不能因果顛倒。水文學(xué)的發(fā)展取決于對(duì)水文規(guī)律揭示的過程。23結(jié)