水文科学发展简史

水文科学发展简史HistoricalDevelopmentofHydrologicalSciences张思聪水文水资源研究所人类探索除水害、兴水利的历史，犹如人类的文明史那样悠久。在生产实践中，特别在与水旱灾害的斗争中，人类不断观测各种水文现象，思考和研究它们的规律，积累起关于水的丰富知识，逐渐形成、并不断发展了水文科学。水文科学发展史大体上可分成以下四个时期：水文科学发展史的四个时期：1．萌芽时期（公元1400年以前）2．奠基时期（1400～1900）3．成长时期（1900～1950）4．现代化时期（1950年以后）1．萌芽时期（公元1400年以前）古代人在争取生存和改善生活的实践中，逐渐认识到水的重要性，开始观察和探索自然界水的运动规律，以便达到治水和用水的目的。1)原始的水文观测（水位观测）古埃及在公元前3500～前3000年为了灌溉引水开始观测尼罗河水位，至今还保存有公元前2200年时所刻水尺的崖壁。据《尚书·禹贡》等古籍记载，中国在公元前2300年相传大禹治水用“准绳”和“规矩”等方法测量观测水位。公元前300年，战国时代的李冰在四川都江堰引水工程中，设石人水尺观测水位。隋代开始把石人水尺改为木桩和石碑式刻划水尺，称水则或水志。至今长江干流重庆至宜昌间的河岸崖壁上，保存着1153～1870年间的6次特大洪水的最高水位石刻114处。四川涪陵县长江岸边的白鹤梁（长1600米，宽15米左右）自公元764年开始雕刻石鱼图形记载长江最枯水位，直到20世纪40年代共有刻记163条，记有72个年份的历史枯水，这些珍贵的石刻，被誉为“世界最早的的古代水文站”，“世界水文史的奇迹”。白鹤梁石刻(1)白鹤梁石刻(2)白鹤梁石刻(3)2)水文循环概念的萌发公元前1000年，在古希腊诗人荷马(Homer)诗歌以及希腊的哲学家柏拉图（Plato）、亚历斯多德（Aristotle）就有了有关水文循环的初步论述。中国屈原（约公元前340～前278年）在《天问》中提出：“东流不溢，孰知其故？”，对百川入海，而海水不溢的原因，提出问题。中国《吕氏春秋》对水文循环过程进行了解释：“云气西行云云然，冬夏不辍；水泉东流，日夜不休；上不竭，下不满，小为大，重为轻。圜道也。”这便是古代人对水文循环的朴素的描述。2．奠基时期(1400～1900)14～16世纪欧洲的文艺复兴和18～19世纪产业革命给自然科学包括水文科学的发展以很大影响。这一时期的特点主要表现以下两方面:1)水文观测仪器的发明与水文测验的开展这一时期，雨量器、蒸发器和流速仪等一系列水文气象观测仪器的发明，为水文现象的实地观测、定量研究和科学实验提供了必要条件；观测和实验成果为水文循环学说提供了验证，水文学的研究由定性描述深入到定量表达，为水文科学的建立奠定了基础。这一时期中国水文科学的进展比较缓慢。1840年中国鸦片战争失败后，帝国列强为了掠夺中国，通商通航设海关建码头，则需收集中国的水文气象资料，为此，1862年开始在长江汉口设立水位站（1865年起有正式的观测记录）。2)水文科学体系的形成和应用水文学的兴起18～19世纪，西欧因产业革命促进了城市、交通和工农业发展，以及大量的水利工程建设等，这些实际的生产问题为水文科学在理论上的发展创造了条件,水文科学理论逐渐形成。如:1674年P.佩罗提出了水量平衡的概念，成为水文科学最基本的原理之一；1738年伯努利父子发表水流能量方程；1775年A.de谢才发表明渠均匀流公式；1802年J.道耳顿建立了研究水面蒸发的道耳顿公式；1856年,H.-P.-G.达西发表了描述孔隙介质中地下水运动的达西定律;1851年T.J.莫万尼提出了汇流和径流系数的概念，并发表了计算最大流量的著名推理公式。水文基本理论和方法逐步完善，使水文计算和水文预报技术方法得到提高，在工程建设和防洪中的成果日益显著，从而逐渐形成以水文计算和水文预报为主要内容的新的分支学科──应用水文学。3．成长时期(1900～1950)进入20世纪，特别是人类经历了两次世界大战的破坏以后，各国都积极致力于经济恢复和发展，迫切需要解决城市建设、动力开发、交通运输、工农业用水和防御洪水等水利工程中的一系列水文问题，促进水文科学迅速发展。在这一时期美国等西方国家在理论研究上或实验研究上都取得较多的成果，处于领先地位。如:1935年，美国的G.T.麦卡锡提出的“马斯京根”法对河道洪水演进计算方法。1937年,美国的M.马斯克特用较严格的数学方法系统地研究了地下水的运动，为地下水水文学的形成和发展作出了重要贡献。1948年英国的H.L.彭曼用联解空气动力学方程和能量平衡方程，导出了推求水面蒸发的彭曼公式，使蒸发研究成为水文气象学的重要组成部分。1949年R.K.林斯雷和M.A.柯勒、J.L.H.保罗赫斯合著《应用水文学》，1949年D.姜斯敦和W.P.克乐斯合著的《应用水文学原理》、美国土木工程师学会编著的《水文学手册》有些学者把概率论和数理统计的理论及方法引入了水文学，推动了水文计算技术的发展。这些水文计算方法在实际应用中迅速推广，丰富了应用水文学的内容。4．现代化时期（1950年以后）水文科学的发展出现新的发展：第一，由于人类对水资源的突出需求，水文科学的研究领域向为水资源开发利用的方向发展，水文计算分析不仅为建设工程提供设计数据，而且要为水资源评价和水资源系统优化利用提供科学依据；水资源的保护和利用成为水文科学国际会议和合作的主题。许多水文学家和水文研究机构都把自己的研究重点转向水资源方面，提出了可持续水资源管理的水文学基础的研究。可见，水文基础性工作与水资源管理是不可分的。【注】1996年联合国教科文组织（UNESCO）国际水文组将可持续水资源管理的定义为“支撑从现在到未来社会及其福利而不破坏它们賴以生存的水文循环和生态系统完整性的水的管理和使用。”第二，大规模的人类活动对自然水体，进而对自然环境正在产生多方面的影响。研究和评价人类活动的水文效应和这种效应的环境意义，揭示人类活动影响下水文现象的规律，防止人类活动对水文循环的影响朝着不利于人类生存环境的方向发展，这一切正在成为水文科学面临的新课题。水文学已经不仅仅是单纯的水量问题的研究，而且研究水质问题，并与生态环境系统、人类的影响和社会经济发展紧密结合起来。水文科学和环境科学的交叉学科正在孕育形成。第三，现代科学技术使获取和分析水文信息的手段和方法有了极大的进步。高新技术的运用已成为水文学研究进展的一个重要标志。例如，美国自50年代开始建立全国集中的水文资料库，并于1975年实现电子计算机联网，全国各地通过网络都可获得全美任一地点的资料，实现了水文资料整编自动化。1958年，美国H.W.海泽等人开始研究雷达技术用于观测降雨，进行降雨估算和洪水的预报研究。80年代前期，美国资源部门先后发射了4颗陆地卫星，结合航空遥感，收集了大量卫星图片，通过遥感技术的应用研究，取得了许多水文研究成果，并对国际服务，其它西方国家也都相继采用卫星技术研究水文问题。90年代以后，在水文领域已广泛地应用了3S技术，3S系指GIS（GeographicInformationSystem，地理信息系统），RS（RemoteSensing，遥感）GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系统）。采用这些新技术，可以获取到以往传统方法所不能得到的各种信息，如流域下垫面大面积的地形地貌、土地利用以及水文气象等方面的信息。这些新技术的采用，又极大地推进了水文、水资源的研究，因此，水文学科的研究已进入了新的科技时代，如数字水利，数字黄河，数字长江等研究成为当前十分瞩目的研究课题。第四，近20年来水文科学的全球合作正在兴起：联合国教科文组织(UNESCO)在世界气象组织(WMO)和其他国际组织的密切配合下，于1965年至1974年组织了国际水文十年(IHD)的科学活动，着重开展了以世界水平衡、人类活动对水文循环的影响等十四个领域的国际协作研究。接着，联合国教科文组织继续举办了“国际水文计划”(IHP)，从1984年开始执行“水资源水文计划”，着重研究水文过程与自然环境之间的关系，水文过程与人类活动的相互关系，水资源的规划管理与环境和社会的关系等重大课题。促进人们对全球水文和水资源知识的交流和积累。由此可见，水文学科既是一门古老学科又是多领域相互渗透的新学科。高新技术在水文学的应用实例介绍：例1.3S技术在洪水防治工作中的应用，1998年长江洪水的遥感图例2.3S技术在黄河口泥沙监测工作中的应用1999年黄河口的遥感图例3.3S技术在土壤侵蚀快速调查工作中的应用SAVI值分布TM4影像TM3影像北京密云县遥感影像图注：SAVI~SoiladjustedVegetationIndex的缩写，即土壤校正植被指数1）由遥感影像推求土壤校正植被指数分布：植被覆盖等级分布图高程图坡向分布图土地利用图坡度分布图SAVI值分布图应用神经网络方法训练2）由5个要素分布图推求植被覆盖等级分布：3）由3个要素分布图推求土壤侵蚀等级分布：土壤侵蚀等级分布坡度分布土地利用植被覆盖等级End