河南水文信息网  |  加入收藏

您现在正在浏览: 首页 » 学习园地 » 学习园地 » 正文
 

水文科学发展史

发布时间: 2015-01-29 14:38:39  浏览次数: 246

水文科学发展史
萌芽时期(公元1400年以前)
原始的水文观测
   水位观测
  流量和泥沙测量
  雨量观测
水文经验的积累
水文地理学的早期发展
水文循环概念的萌发
奠基时期(1400~1900)
 观测仪器的发明与水文测验的开展
水文科学体系的形成
应用水文学的兴起
成长时期(1900~1950)
水文要素的深入研究
水文计算和水文预报方法的改进
现代化时期(1950年以后)
新技术的运用
水文数学模型的发展
水文预报
  历史洪水调查与水文计算
 河流泥沙计算
  地下水模型
  水面蒸发模型和水质模型
水文实验和研究的发展
水资源和人类活动的水文效应研究的兴起━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
 人类逐步认识水文现象、过程及其运动规律并运用这些规律为人类生活和生产服务的历史。自古以来,人类在日常生活和生产活动中特别是在与水旱灾害作斗争中,对经常遇到的各种水文现象和变化规律进行探索,在不断认识和积累经验的基础上逐渐发展了 水文科学。水文科学的发展,经历了一个由萌芽到成熟,由定性到定量,由经验到理论的历史发展过程。今天,水文科学已发展成由一系列分支学科组成的涉及整个 水资源并与多个边缘科学相互渗透的与社会科学紧密联系的一门综合性科学。水文科学发展的历史时期大体可划分成:以原始观测和定性描述为主要特征的萌芽时期、以定量观测和初步理性认识为主要特征的奠基时期、以广泛应用和迅速发展为主要特征的成长时期和以新技术的引入和开展水资源研究为主要特征的现代化时期。
   萌 芽 时 期
  人类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,以便采取兴利避害的措施,达到治水和用水的目的。由于生产方式和科学水平所限,这一时期经历了一个漫长的岁月。在一些文化发祥较早的国家和地区,从遗留至今的历代古籍文献、碑刻古迹和发掘的大量文物中,可以发现水文科学萌发的一系列史实,表明这一时期的主要特点是:生活和生产促进了原始的水文观测,人们考察 河流、 湖泊和 地下水等各种水体的水文现象,积累了早期的水文知识并应用于生活和生产的实际,取得了一些重要成果。中国古代的水利建设在世界上具有重要特色和贡献,它促进了中国水文科学的发展,并使之处于世界领先地位。
 原始的水文观测 在人类早期与大自然的斗争中逐渐萌发了“数”的概念。当洪水和干旱威胁到人们的生活和生产时,人们便自发地开始用“数”来衡量 洪水的大小和雨量的多少,于是逐渐开展了原始的河流水位和降雨量的观测,以加深人们对大自然的认识。
 水位观测 古埃及在公元前3500~前3000年为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23世纪相传禹治水用“随山刊木”、“准绳”和“规矩”等方法测量地形,观测水位。许慎于公元100年所著《说文解字》中说“测”字是“深所至也从水则声”。可知“测”就是从 水位观测而来,后来就称水尺为“水则”。公元前 3世纪,中国的 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。宋代设立刻划水尺的地点很多。图1[宋代水则碑式样(据《吴江水》)]为明代沈于1564年所著《吴江水》一书中所绘宋代水则碑的式样,刻有宋绍熙五年(1194)和元至元二十三年(1286)的最高水位。中国历代沿河居民把最高或最低水位及其出现时间刻在河岸的石崖上,以记录罕见的洪、枯水位。《水经注》中记有黄河支流伊河龙门崖壁上的刻记,记录黄初四年(公元223年)水位涨高四丈五尺(合10.9米)的一次特大洪水(图2[ 《水经注》记伊河洪水石刻记录]),为后世查证伊河历史洪水提供了重要依据。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自公元764年开始刻划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,为水位资料的延长创造了条件。
 流量和泥沙测量 中国西汉末年张戎于元始四年(公元4年)提出:“河水重浊,号为一石水而六斗泥。”说明他对黄河泥沙作了测验(《汉书?沟洫志》)。元代李好文的《长安志图》一书中记有计算流量的单位“徼”,指在某一固定断面“量彻入渠水头,深、广、方一尺谓之一徼”。北宋元丰三年(1080)改修汴渠引洛水为源时,就用这一方法计算水量。
 雨量观测 印度在公元前 4世纪开始观测雨量,按雨量多少征收农业税。中国的雨量观测可追溯到公元前11世纪以前的商代,甲骨文中有降雨的定性描述如细雨、大雨和骤雨等的分类。秦代在《田律》中规定在农作物生长季节要随时向朝廷报告降雨量多少、水旱等灾害和受益受灾田地的面积。汉承秦制,也规定每年立春至立秋,全国各郡县都要随时向朝廷报告降雨量。唐宋、明诸代都沿袭这一制度。宋秦九韶在《数书九章》中记有当时全国“州郡都有天池盆以测雨水”,并记述了桶形的“天池盆”和圆锥形的“圆罂”雨量器中雨水深度换算成平地降雨深的计算方法和竹制量雪器中积雪深换算成平地降雪深的计算方法。这些方法在当时是世界上最先进的。
 水文经验的积累 距今5000多年,中国浙江省余姚县河姆渡村已有地下水井 (见彩图[浙江余姚河姆渡古井(距今5000多年)第二层木构水井出土情形])。传说公元前23世纪中国以禹为代表的治水先驱,在治水实际中掌握了水性就下的规律,采取疏导排洪的办法,使水归大海,取得治水成功。公元前14世纪,中国商代甲骨文记有卜问洹水发生洪水灾害可能性的卜辞,说:洹水不会发生灾害,洹水会危害这个城吗?(图3[ 记有洹水发生洪水可能性卜问的甲骨文拓片释文:“癸亥卜争贞,洹][弗乍。争贞,洹其乍兹邑。”])公元前 7世纪,中国的管仲提出了河流分类方法、利用水流特性计算引水渠道坡度的原始水力学计算方法,分析了河湾受冲刷的原因。中国古代一些水利工程如都江堰、郑国渠、灵渠和大运河等,建成后较长时间内发挥较大效益,都与有效地运用水文知识有关,尤其是2000余年前建成的、至今仍在发挥巨大效益的都江堰工程,它能随上游来水量自动按一定比例把水引入灌渠并维持灌渠一定水深;而当洪水来时又能自动把多余的上游洪水和大部分推移质泥沙排入外江,保持渠道不被冲淤;同时为了能维持这一水文控制条件,还规定了一整套维修管理制度。
 中国西汉元始四年(公元 4年)张戎最先认识黄河下游易决溢的主要原因是泥沙淤积,提出要保持河道有较高的流速,依靠河水自身的冲刷力排泄泥沙,即“以水排沙”的思想,对当时和后世治河影响很大。
 《宋史?河渠志》记有:“黄河随时涨落,故举物候为水势之名。”用不同时期植物生长的不同情况,来表达不同月份来水的变化,如“桃华水”、“菜华水”和“麦黄水”等名称。还有称为“信水”的,是说:“自立春之后,东风解冻,河边人候水,初至凡一寸,则夏秋当至一尺,颇为信验,故谓之‘信水’。”这里已含有 水文预报经验。约在公元前 7世纪,人们开挖地下渠道──坎儿井,将远处的地下水引入农田和城市,以减少明渠引水的蒸发损失。约在公元 1世纪,古罗马建筑师维特鲁维提出土壤种类与水质的关系和从各种土壤中可能取得的水量。希腊几何学家希罗(亚历山大城的)提出河流的流量取决于流速和过水断面。人们在各种工程实践中客观地运用了水文知识得到成功,积累了丰富的水文经验,加深了对水文规律的认识。
 水文地理学的早期发展 随着生产发展,贸易往来增加,人们需要了解各地的河流湖泊、山脉、道路、气候、物产和城镇位置等情况,于是自然地理特别是水文地理的观察开始发展。中国的《山海经?山经》和《尚书?禹贡》,都记载了中国许多河流和湖泊等水文地理状况。《周礼?职方氏》记述了先秦时中国的 沼泽、河流主要灌溉水源和有利于种植的各种水体西汉《淮南子?地形训》中也记述了中国主要河流的水质和适宜的农作物北魏 郦道元著《水经注》,记述干支河流达1252条之多。这些著作比欧洲同类水平的著作约早1000年。
 水文循环概念的萌发 人们在观察了河流和湖泊等地面水体的水文现象之后,很自然会想到这些水从何而来又流往何处去。中国屈原(约前 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。几千年来,人们对水的来龙去脉作过许多观察和推测。中国历代古籍记载很多,其中有许多完全符合科学道理。《黄帝内经素问》(约成书于公元前 5世纪)中说:“地气上为云,天气下为雨。雨出地气,云出天气。”说明了水的 蒸发,成云致雨的现象。《庄子?徐无鬼》(约成书于公元前4世纪)中说:“风之过河也有损焉,日之过河也有损焉。请只风与日守河,而以为未始其樱也,恃源而往者也。”意为 水面蒸发与风和日照有关,而人们觉察不出河水的蒸发损失,是因为河水由上游不断流来之故。中国《吕氏春秋》对 水文循环过程解释更加清楚:“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。”就是说:水汽从海洋不断随风吹向西方,在大陆上空周转回旋,凝降为雨;地上、地下的水流向东方,日夜运行,源流不息,海洋也注不满;涓滴汇合成河海,海水蒸发为浮云。这便是水循环的道理。东汉王充、南朝宋何承天和唐代柳宗元等很多中国思想家还从本质上去研究水文循环现象。王充在《论衡?顺鼓》中说:“案天将雨,山先出云,云积为雨,雨流为水。”他还在《论衡?书虚》中说:“涛之起也,随月盛衰,小大满损不齐同。”明确指出潮汐现象是与月球的盈亏有关。这在当时是世界上最先进的认识。南朝宋何承天于公元 442年在《论浑天象体》(《宋书?天文志》)中说:“百川发源,皆自山出,由高趋下,归注于海。日为阳精,光耀炎炽,一夜入水,所经竭。百川归注,足以相补。故旱不为减,浸不为溢。”他把太阳看成是水循环的巨大能源,使海水蒸发,而众多河水的灌注又足以补偿其损耗,以致海水不增不减。柳宗元在《天对》一文中说:“东穷归墟,又环西盈。脉穴土区,而浊浊清清。垆疏,渗渴而升。充融有余,泄漏复行。器运,又何溢为?”意思是:水向东流归大海,海水蒸发为云,又回到大陆上空降而为雨。填充在土壤孔隙里的水有浊有清。高地干燥的土壤,水渗入后便会上升蒸发。土壤水饱和以后便会产生径流,水流通过各种途径运行不停,最后注入大海,如此循环不已,海洋又怎么会漫溢呢?他解答了1000多年前屈原在《天问》中提出的问题,把地表水、土壤水和地下水的运动与水循环连系起来,推进了前人的认识。约公元1世纪,古罗马的维特鲁维提出过地下水是由降雨下渗形成,而降雨则是海洋和其他水体蒸发成云后产生的这一说法,也比较正确。在这一时期,中国的思想家们对水文循环的这些认识居于领先地位。
  奠 基 时 期
  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,雨量器、蒸发器和 流速仪等一系列观测仪器的发明,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;水文循环学说在观测和实验基础上得到的验证,水文现象的研究由概念性描述深入到定量表达这一飞跃,为水文科学的建立奠定了基础。水文科学体系逐渐形成。这一时期,普通水文学首先在西欧发展,后期在北美兴起,并比较普遍应用于实际。这一时期中国水文科学的进展比较缓慢。
 观测仪器的发明与水文测验的开展 中国于1424年、朝鲜于1442年开始全国统一制作和使用标准的测雨器。1610年,意大利的圣托里奥发明铰接叶片式的第一架流速仪。1628年,意大利的B.卡斯泰利提出测量河渠流量的方法,并于1639年创制了欧洲第一个雨量筒。1663年英国C.雷恩发明了自记雨量计,并与R.胡克共同创制了翻斗式自记雨量计。英国的E.哈雷于1687年创制成蒸发器。法国H.皮托于1732年发明了皮托管──测速仪,可测定不同深度的水流速度,使人们对河流断面上的流速分布有了新的认识。1762年,意大利的P.弗里西发表了《河流水文测验方法》一书,总结了水文测验的发展。1790年,德国人R.沃尔特曼发明转子式流速仪,其后1870年,美国的T.G.埃利斯发明了旋桨式流速仪;1885年,美国的W.G.普赖斯发明了旋杯式流速仪。1886年,美国的C.赫歇耳根据G.B.汾丘里的水流脉动理论,研制成新的流速仪──汾丘里测流仪(venturimeter)。这一系列仪器的发明和使用,为水文定量观测和水文科学实验提供了有力的工具。
 中国在18世纪以前的雨量观测均未留下实测资料。18世纪后,全国各州县测量降雨、降雪过程的起迄时间、降雨深度和雨水入土深度,称为“雨雪分寸”。北京故宫档案馆现存1736~1909年一些比较完整的雨雪分寸记录。中国在1736年绘制了降水量等值线图,法国在1778年、日本在1783年也绘制了这种降水量等值线图。1841年,中国开始用现代雨量器观测和记录降水量。
 死海从1650年开始观测水位。中国于1746年在黄河的老坝口设站观测水位并报汛,从1865年起先后在长江、松花江、珠江等多处设立水位站,用现代方法观测记录水位,积累完整的水文资料。水位资料的分析最早是德国的H.贝格豪斯,他整理了莱茵河的埃默里希和科隆等处的水位资料,统计出年最高、最低和平均水位。俄国于1881年至1910年期间出版了10卷内河水位观测资料。
 意大利的L.达?芬奇提出用浮标法测流速,是西欧水文定量观测的先导。他首创水的连续性定理,阐明了明渠流边界阻力,正确地区分了水流速度和波浪传播速度。中国的陈潢在17世纪提出了河道横断面面积与水流速度相乘得流量的计算方法,并用浮标法测定流速。H.K.埃舍尔?冯?德尔?林特于1809~1821年在上莱茵河的巴塞尔附近从事流量测量,并计算逐年的年流量1535年,中国刘天和创制了乘沙量水器,即泥沙采样器和盛沙样的工具。中国的万恭于1573年成书的《治水筌蹄》中记有仿照“飞报边情”的办法,创立了从上游向下游传递洪水情报的制度,使水位观测直接为防洪服务。
 水文科学体系的形成 在欧洲,由于实测水文资料增加和进一步观察探索,人们发现水文现象复杂多变为了进一步探明这些现象的成因和相互之间的影响,人们进行了许多实验研究,揭示了一系列水文基本规律。
 法国的 P.佩罗估算了塞纳河艾涅勒迪克以上的集水面积和径流量,并在观测了 3年的降水量以后得出结论:河流年径流量约为年降雨量和降雪量的六分之一,并于1674年在《泉水之源》一书中公布了这一成果,这一结论的发表被公认为科学水文学的开始。法国的E.马略特测量了巴黎塞纳河在接近平均水位时的河宽、水深并用浮标法测得流速,他的观测基本上证实了佩罗的结论。1687年,英国的哈雷用他创制的蒸发器观测了海水的蒸发量,计算了从地中海蒸发的总水量,并估算了地中海沿岸 9条主要河流进入地中海的总水量。他发现流入地中海的总水量只约占地中海蒸发损失总水量的三分之一。佩罗、马略特和哈雷三人被认为是现代水文科学的奠基人,他们第一次把水文学建立在定量研究的基础之上。
 1802年,英国的J.道耳顿经过试验,提出蒸发与水汽压成比例的定律, 即道耳顿定理。1856年, 法国的 H.-P.-G.达西经过实验提出孔隙介质中渗流水量的计算公式,称为 达西定律。他们的研究成果至今仍为 水文计算和水文预报的主要依据。
 1827年,英国的W.史密斯把地质学知识引入地下水的研究,并提出拦蓄 承压水水量的建议。法国的J.-J.裘布衣最早把数学方法引入地下水动力学,于1863年提出水井的平衡水力学方程式。1886年,奥地利的P.福希海默尔运用导热原理于地下水研究,第一次作出地下水流网图,提出了地下水渗流的非线性公式。这些研究成果和达西定律,为 地下水水文学的形成奠定了基础。
 瑞士的 J.L.R.阿加西1840年在瑞士的温特阿尔冰川建立起世界第一个 冰川研究站,观测 冰川运动,探测冰川厚度。他阐述了冰川运动速度的分布,冰川的搬运作用,为建立 冰川水文学奠立了基础。
 瑞士的 F.-A.福雷尔于1876年应用流体力学公式计算 湖泊波漾,开展湖水物理与水生物相互作用的研究。1885年他发现冰川源混浊冷水不与清净温暖湖水混合而潜入湖底,形成 异重流。1889年,他采用水色计测量湖水颜色。他是 湖泊水文学的奠基人。
1879年,法国的P.迪布瓦提出河流泥沙推移质运动的拖曳力理论,成为 河流泥沙运动研究的基础。1899年,英国的G.G.斯托克斯在流水和静水中试验颗粒沉降速度,提出了著名的斯托克斯定律,为泥沙沉降理论奠立了基础。1855年,美国的A.斐克提出液体中分子扩散定律,为其后的水质研究提供了依据。1873年,俄国的..日林斯基提出疏干沼泽会使河流水情恶化的问题以后,沼泽水文问题引起广泛注意。
 中国的徐霞客经过28年的野外实际考察,在考察所得成果《徐霞客游记》中,第一次正确指出金沙江为长江上源。他关于广西、云南、贵州、四川石灰岩地区的岩溶地貌和水文地理方面的记述,早于国外同类著作近300年,具有较高的科学价值。他还对岩溶地貌、流水作用以及气候等方面进行了一些规律性探讨,冲破了旧的地理传统,开辟了探索自然的新方向,在中国水文地理学的发展中占有突出的地位。
 应用水文学的兴起 18~19世纪,西欧因产业革命促进的城市、交通和工农业发展,大量的水利工程建设等,要求解决各种设计中的许多水力学计算问题,使水力学理论得到较大进步,而水力学的发展,又为一些水文规律的理论研究和解释提供了有力工具。水文基本理论和具体方法的逐步完善,使水文计算和水文预报的技术方法得到提高,在工程建设和防洪中它们的效果日益显著,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。
 1644年,意大利的E.托里拆利首先发现了射流定理,即后来的[715-01]公式。1738年,瑞士的伯努利父子各自用不同数学方法论证了这一公式,称为伯努利 水流能量方程,成为水力学的主要计算公式。法国的A.de谢才研究了明渠流速与水面比降的关系,于1775年发表了著名的谢才公式。其后不少人继续作了许多研究,提出了各种公式,其中最著名的有:1865年法国的巴赞公式;1869年瑞士的冈吉耶-库特尔公式和 1889年爱尔兰的曼宁公式等。它们都为谢才公式的实际应用提供了方便。爱尔兰人T.J.莫万尼于1851年提出的推理公式,用于计算小流域洪水和城市的排水流量。他认为最大流量的产生是降水和流域特性的组合结果。他最早提出汇流时间的概念,认为汇流时间与流域大小、地面情况和流域坡度等因素有关。莫万尼对径流形成的认识,为流域汇流理论和方法奠定了基础。1871年,法国的A.J.C.B.de圣维南提出描述水道和其他具有自由表面的浅水体中渐变不恒定水流运动规律的偏微分方程组,即 圣维南方程组,成为河道水流演进计算的基本公式。为简化和改进这一方程组,许多学者作了很多研究,1877年法国的克莱茨提出的以瞬态法求解圣维南方程组就是一例。1850年,法国的M.-F.E.贝尔格朗用相应水位法作出了洪水预报,是世界水文预报的先声。
   成 长 时 期
  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。这一时期, 水文站网扩大,实测 水文资料积累丰富,为分析研究水文规律提供了前所未有的条件,在应用水文学方面取得了许多新的进展。美国在这一时期取得的成果较多,处于领先地位。中国在停滞了数世纪之后,开始从西方引进一些新的水文科学技术,从事于本国江河流域水文规律的探索,取得了成果。
 水文要素的深入研究 1900年,美国的J.A.塞登用密西西比河的实测水文资料研究了洪水波运动中的波速方程,提出了著名的塞登定律,为天然河道洪水演进计算提供了理论根据。1935年,美国的G.T.麦卡锡提出的马斯金格姆(曾译“马斯京根”)法简化了河道洪水演进计算方法。
 1870年,德国的A.蒂姆修改了裘布衣提出的井的平衡水力学公式。他还用食盐溶液追踪地下水,研究地下水流速,取得成功。1907年,美国的E.白金汉提出毛细管势能的概念,说明土壤对水的吸力,即用能量关系来描述土壤水的特性。1923年,美国的O.E.迈因策尔提出从地下水流域中取水的容许流量即所谓保证产水量,以维持地下水的平衡。他在1928年又系统地论述了承压含水层的可压缩性和弹性,为地下水非稳定理论的建立创造了条件。1935年,美国的C.V.泰斯利用地下水的非稳定流和热传导之间的相似性,导出了井的非平衡水力学计算公式,即著名的泰斯公式。1937年,美国的M.马斯克特用较严格的数学方法系统地论述了地下水的运动。他们都为地下水水文学的形成和发展作出了重要贡献。
 1909年,R.威廷提出 湖流流速与风速的经验关系式。1910年前后,E.M.韦德伯恩致力于湖水温度观测,提出了温度振动流体动力学理论。1915年,美国的E.A.伯奇根据 热量平衡原理开始计算湖泊热量收支和蓄热量。这些成果表明,湖泊水文学得到了进一步的发展。
 1926年,美国的I.S.鲍恩阐明了对流热量损失与蒸发热量损失之间的关系(称为鲍恩比率),导出了由能量平衡推求水面蒸发量的计算公式。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。由于他们的工作,使蒸发研究成为水文气象学的重要组成部分。中国的顾世楫于1931年提出“水面蒸发量之测验法”,倡导全国统一使用直径为80厘米、高为40厘米带套盆的蒸发器,测得的结果接近于大水体的实际蒸发值。
 泥沙问题,中国素有研究。1925年中国的徐世大最早为永定河治理作了水文泥沙计算。此后朱延平对黄河含泥量、张含英对黄河流域的土壤及其冲积、方宗岱对流沙淤积、许宝农和沈晋对黄河含沙量的分布和变化、张瑞瑾对黄河泥沙冲积量及三门峡水库冲淤过程等的研究,都对中国各河流的泥沙运动规律的认识作出了贡献。中国 李仪祉于1934年首次提出黄河流域布设水文站网的规划,并提出了至今仍有重要参考价值的布设水文站网的思想。30年代,中国的水文站网得到发展,整理和刊布了中国早期的水文和雨量资料。中国最早的《水文测验规范》是由顾世楫于1928~1929年主持制定的,他还发表了许多有关水文测验和水文资料整理方法等文章,对推动中国的水文测验作出了贡献。
 水文计算和水文预报方法的改进 为适应工程设计和防洪的要求,水文学家在水文计算和水文预报方面提出了许多新的概念和方法,其中以美国的成果较多1911年,A.H.蒂森提出用多边形求算面平均雨量,称蒂森多边形法,得到广泛应用。1914年,A.黑曾首先用正态机率格纸选配流量频率曲线,他与W.E.富勒等人把洪水重现期概念引入洪水流量的计算公式;1919年,D.W.米德提出降水频率分析方法;1924年,H.A.福斯特完整地提出皮尔孙Ⅲ型频率曲线的分析方法;1927年,C.E.萨德勒首先采用随机理论于水库调节分析;1939年,W.韦伯尔提出经验频率计算公式;1941年,E.J.贡贝尔提出水文资料频率分析中的极值分配曲线等;这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。1936年,美国的W.G.霍伊特提出随机水文过程移动平均模型。1946年,苏联的..波利亚科夫提出用马尔科夫链描述年径流系列。他们将随机过程理论引入水文计算,形成了随机水文学。1937年,美国的R.K.Jr.林斯雷等人首先提出 可能最大降水的概念,随后提出可能最大洪水的计算方法。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。
 中国学者运用水文学的新成就,对中国河流的水文规律作了探索。1933年,中国的须恺利用淮河蚌埠等站的实测洪水资料进行了频率计算,是中国对国内河流作洪水频率分析的开始。此后,李仪祉、张含英、唐季友、张书农、谢家泽、陈椿庭等都用中国实测资料进行过各种水文计算,程学敏提出了洪水演算新的方法。这些研究为认识中国河流的水文规律特别是中国河流洪水的特点作出了成绩。
 在流域 产流、 汇流计算方面:美国的 R.E.霍顿于1917年推导出计算逐次暴雨径流的经验公式,1919年导出估算植物截留量的经验公式,1933年提出下渗曲线的经验公式即霍顿下渗公式。这一公式至今仍有理论和实用意义。1931年,苏联的 ..韦利卡诺夫提出的等流时线概念。1932年,美国的 L.R.K.谢尔曼提出的单位过程线法,被认为是流域汇流计算的一大突破。1938年,美国的F.F.斯奈德和麦卡锡都提出了以流域特征值为参数的综合单位线,用于无实测资料的流域汇流计算。1939年,R.摩根和D.W.赫林霍斯提出分析单位线的S-曲线法,便于单位线的时段转换。1945年,美国的C.O.克拉克首先提出瞬时单位线概念。1946年,美国的C.F.伊泽德对地面漫流进行了一次大的试验,发现了 单位过程线的非线性问题,同时还发现地面漫流过程线的形式可以表示为无量纲图形,便于推广应用。这些成果,都为单位过程线的进一步完善与推广应用作出了贡献。1948年,苏联的 ..加里宁提出用两条正弦曲线之和来近似地计算单元面积的径流分配曲线,用于河川径流预报。
 1949年,美国的 D.姜斯敦和 W.P.克乐斯合著《应用水文学原理》,美国土木工程师学会编著《水文学手册》,系统地阐述了应用水文学的理论和方法,标志着应用水文学进入了成熟阶段。
   现 代 化 时 期
  进入20世纪下半叶,水文科学的发展出现新的形势。首先,由于一些新技术特别是计算机技术的应用,使水文信息(实时资料)的获取、传递和处理大为迅速、简便,节省了大量人力和时间;其次,由于工农业和城市建设的大规模发展需要,应用水文学和其他分支学科发展迅速;第三,由于生产和生活用水量不断增长,环境污染日趋严重,出现了世界性的水资源紧张局面,迫使水文科学特别侧重于水资源的研究,不仅要注重水量,还要注重水质;不仅要注重洪水,还要注重枯水;不仅要研究一条河流、一个流域的水文特性,还要研究跨流域、跨地区水资源联合调度利用中的水文问题;不仅要研究短期、近期的水文预报,还要研究长期、甚至未来若干年的水文趋势预测等。这样,水文科学进入了一个崭新的现代化的发展时期。在这一时期,一些发达国家技术装备比较先进,在水文信息的获取和传递等方面已形成全国性网络系统,资料存贮、检索、处理和分配十分方便。中国在吸取国际先进经验的基础上,开拓了适合中国国情的水文科学发展的道路,取得了显著的成效。
 新技术的运用 美国自50年代开始研究水文资料整编自动化,至1971年建立全国集中式水文资料贮存、检索系统(WATSTORE)即水文资料库,于1975年与 4个大区和46个分区联网,通过电子计算机网络控制,在各州的终端机上可获得全美任一地点的资料。80年代前期,美国资源部门先后发射了 4颗陆地卫星(第一颗称地球资源技术卫星),结合航空遥感,收集了大量卫星图片,取得了许多水文研究成果,并对国际服务。英国、加拿大、日本、苏联、比利时和意大利等国也都建立了水文资料库和流域或地区性的水文自动测报和联机网络系统,也都相继采用卫星技术研究水文问题。1958年,美国H.W.海泽等人开始研究用雷达观测降雨量。这些新技术的采用,推进了水文、水资源的研究。
 1950年,美国的D.J.贝尔彻、T.R.凯肯多尔、H.S.萨克提出用中子散射法测定土壤中的含水量。1954年,H.艾迪生提出用放射性元素作示踪剂测河川流量。其后用同位素测量河流含沙量的仪器也相继研制成功。核技术的引入,提高了水文测验精度和效率。
 1972年,美国开始利用卫星传送水文资料。自70年代以来,美国、日本和联邦德国等开始摆脱水位观测中的传统水尺和曲线模拟等自记水位计的观测方法,采用穿孔纸带和磁带记录方法。应用电子编码技术和固体电路贮存数据,经过通讯系统自动可把水位和雨量等数据输入电子计算机控制中心进行处理,节省水文预报和计算中转时间,为提高水文资料的精度,增长水文预报有效预见期创造了条件。
 80年代初,美国、英国和挪威等国采用了改制的测深仪,用它可直接剖析河床底层、绘制断面图、完成彩色图象显示。把这种技术与雷达定位和动船测速相结合,可以大为提高大江大河洪水特别是高速洪水的测流精度和缩短测流时间。
 这一时期,中国境内的水文站网发展迅速。自1956年到1984年底止,全国水文基本站网发展到21600处,可以基本掌握全国各主要河流的水文情势。同时,编制和完善了《水文测验规范》,统一了全国水文测验技术标准。于50年代中已全部整编刊印完成1949年以前积存的历年实测资料;从1950年起每年刊印 水文年鉴,到1984年止已刊印2100册,共约12亿组数据。组织主持这些工作的主要是谢家泽、王子平、蔡振、陈道弘等人。1976年,中国开始用电子计算机整编水文资料。70年代中期起,相继制成了同位素测沙仪、放射性同位素示踪法测流仪和超声波测流仪等,于1978年开始研制 水文自动测报系统,并已实际应用和推广。自70年代末至80年代初,在黄河、长江等流域和地区开始应用卫星图片和遥感技术研究水文、水资源问题,取得了成果。
 水文数学模型的发展 50年代,随着电子计算技术的发展,出现了许多水文数学模型,为水文科学的进一步发展开创了新途径。
 水文预报 1951年,美国的M.A.柯勒和林斯雷根据非线性多元回归的图解分析法原理,提出暴雨径流多变数合轴相关图,后来称为API模型,在水文预报方面得到广泛运用。1957年,爱尔兰的J.E.纳什提出的瞬时单位线;苏联的加里宁提出的时段单位线;1956年,日本的菅原正巳提出的水箱模型;1958年,美国的SSARR模型;1962年,美国H.A.小托马斯和M.B.菲林提出的随机水文模型;1966年,美国的林斯雷和N.H.克劳福德提出的斯坦福第4 号流域模型以及美籍华人 周文德于60~70年代发展的实验室流域水文模型及其一系列的水文随机模型、水资源系统模型等,都不同程度地推动了水文预报和 水资源系统分析。
 中国的水文预报自50年代初开始,进展很快。1955年,由华士乾编写的《洪水预报方法》一书,总结了长江、淮河特大洪水实际预报中的经验,吸收了国际上多种方法,系统地用中国的实际资料做了大量的分析应用算例,提出了具有中国特色的一整套洪水预报方法,推动了中国的洪水预报工作,并在实际防汛中起到了重要作用。赵人俊等人于60年代至70年代,提出了蓄满产流模型和适合于中国湿润地区应用的流域水文模型。在韩承荣和罗伯昆编的《水文预报方法》一书中,总结了50年代以来世界各国水文预报理论和经验,特别是中国的经验。
 历史洪水调查与水文计算 调查、考证和分析历史洪水资料,弥补实测资料系列短缺的不足,是中国在水文计算中的一个重要特点。中国从50年代到80年代初共调查到11000多个河段的历史洪水,编印了其中的6000多个河段的历史洪水资料。50年代末,叶永毅提出了适合中国具体情况的、用实测和调查的洪水资料相结合的计算设计洪水的方法。尤家煌和郭展鹏等人于50年代通过分析提出以流域地理特征为参数的淮河综合单位线,很好地解决了短缺实测流量资料河流和地区的设计洪水计算问题。林平一较早提出了小汇水面积暴雨径流的计算方法。陈家琦提出了以推理公式为基础的小流域 暴雨洪水计算方法,并提出用实测资料确定公式中的参数,使推理公式的研究与应用水平提高了一步。在小流域水文计算方面取得成果的还有徐在庸、水利水电科学研究院和铁道部第一设计院等单位。水利水电科学研究院在全国有关单位协作下,于1963年编制出版了中国第一部《中国水文图集》。70年代以来,中国还相继编绘出版了《全国可能最大降水量等值线图》、《中国短历时暴雨参数图集》和《暴雨时面深关系》等,为推动中国的暴雨洪水研究和计算作出了贡献。
 河流泥沙计算 1950年,美国的 H.A.爱因斯坦提出了从含沙量分布求悬移质输沙率的公式,他还根据统计法则建立了理论上较为完善、具有重要实用价值的推移质输沙率公式。在苏联,50年代B.H.贡恰罗夫等人提出了以流速为主要参变数的推移质输沙率公式。中国的张瑞瑾于50~60年代提出泥沙沉速、起动公式和推移质输沙率、含沙量垂线分布、水流挟沙力公式,论述了蜿蜒型河段演变规律;70~80年代,提出解决葛洲坝枢纽引航道淤积的方式即静水过船,动水冲沙,并论述河道水流比尺模型相似律及变态模型设计依据等。沙玉清于60年代中首先提出了泥沙扬动和扬动流速的概念。 钱宁于1958年提出泥沙沉降速度公式,60年代提出了冲积河流的河型分类及稳定性、游荡性河流演变特性等方面的新见解,并提出河道综合性游荡指标。70~80年代,钱宁及其协作者提出中性悬浮质、层移质等泥沙运动的新概念,在高含沙水流的研究中取得了成绩,使中国的这一研究居于世界前列。窦国仁于1959年证实了压力水头对粘结力的影响,导出了泥沙起动流速公式。1963年提出了河床最小活动性假说,导出了河床形态方程。1973年提出了全沙模型律,1980年提出了紊流随机理论,导出了适用于层流、层流向紊流过渡和紊流光滑区、过渡区和粗糙区的流速分布和阻力总公式。谢衡在水库淤积及坝下游冲刷的估算方法等研究中取得了成绩。
 地下水模型 50年代以来,许多国家都建立了地下水动态观测站网,其中中国、美国和苏联等国的地下水观测井均在万眼以上。1954年,英国N.S.博尔顿导出了潜水完整井非稳定流方程;1955年,M.S.汉图什和C.E.雅各布提出的越流条件下的非稳定流方程等,是地下水水文学理论的重要进展。50年代,提出 地下水数学模型,使电子计算机在地下水流的计算中得到应用。其后地下水数学模型发展到200多个,其中以1971年 R.A.弗里兹提出的三维数值模型应用最广。1969年,以色列J.贝尔推导了地下水污染物运移的对流-弥散方程。 中国通过大量实验,建立了地下水人工回灌、回归模型和优选含水层参数的模型。
 水面蒸发模型和水质模型 中国的施成熙从60年代起分析中国水面蒸发实测资料,提出中国分区的确定水面蒸发非线性模型,提高了计算水面蒸发的精度。
 60年代后期出现了许多河流、湖泊的水质模型。如美国的G.T.乔那迪和H.B.费希尔等人研究了污染物质在水中的紊流扩散,建立了紊动扩散及分散方程的各种实用模型,完善了紊动混合理论的研究。
 水文实验和研究的发展 为研究水文循环中各种水文现象的运动规律,20世纪50年代开始,开展了一系列的水文实验研究。1952年,J.P.马米绍开始做全流域比尺物理模型试验。其后周文德于60年代在美国伊利诺伊大学进行的室内模型试验,模拟各种时空分布的暴雨所产生的洪水,验证了二元流域水动力学模型。1974年,日本对暴雨洪水理论研究、 泥石流及人类活动对径流的影响等项的实验研究,取得了成果。 实验流域和 代表性流域的野外原型试验,则以苏联的瓦尔代实验站为最早。到1970年,全世界共有代表性流域500余处,实验流域200余处,进行着各种不同目标和项目的实验研究,取得了资料和经验。
 中国从1953年起在永定河官厅水库,其后在黄河三门峡水库及其他水库开展的水库水文实验,提高了对水库泥沙运动规律的认识50年代后期大量的径流实验,为铁道、交通等部门进行小汇水面积暴雨径流的计算,为中国各分区的经验公式的建立,提供了资料。从中国各地的水面蒸发实验资料,求得了小型蒸发器观测资料换算成大水体水面蒸发的分区换算系数和分区计算蒸发量的经验公式60~80年代,中国南京水利科学研究所(现为南京水利科学研究院)在潮汐河口研究方面取得了成绩,提出了细颗粒泥沙在咸水中的沉降速度公式。1963年,中国的黄胜提出了河口分段方法和河口类型,对中国河口的研究作出了贡献。50年代末开始了中国现代冰川的研究,在施雅风主持下,初步查明了中国冰川分布规律及其对河流的补给作用;提出了中国 山地冰川分类;于1974~1975年,运用波动冰量平衡观念和冰川-气候相关法预测了喀昆仑山巴托拉冰川冰融水道的变迁,实测与计算了该冰川的最大融水流量;于1959年在新疆乌鲁木齐河源冰川建立了中国第一个高山冰川研究站。中国的郭敬辉于1957年提出中国的地表径流估算成果,绘制了第一幅中国地表径流等值线图,并组织主持了《中国水文区划》的研究和编制工作,对推动中国水文地理的研究作出了重要贡献。中国的施成熙于50年代进行湖泊调查研究时发现温带湖泊一天之内湖水出现两次循环的现象。60~70年代,中国科学院地理研究所、中国铁道科学研究院、水利水电科学研究院和各地的研究单位,进行了各种试验研究,取得了有价值的成果。
 水资源和人类活动的水文效应研究的兴起 随着人类对水资源的需求量迅速增长,世界上不少地区出现了供水不足。工农业发展造成 水体污染,加剧了用水的紧张程度。因此,水资源问题成了当今世界各国普遍重视的重大课题。美国早在30年代即开始了全国水资源的综合评价的研究,于1978年完成了第二次全国水资源评价,并在大型水利枢纽和水库群地区,在跨流域调水地区开展水利、水电的优化调度和环境与生态的保护等方面的科学管理。在苏联、联邦德国、英国、日本和加拿大等国也都开展了类似的工作。中国于80年代初开始对全国主要河流进行了大规模的水与环境关系的调查和评价工作,于1985年提出了《中国水资源评价》正式成果。
 70年代中期,国际上许多政府间组织和非政府间组织联合起来开展国际水文合作,兴起了全球性的水文科学研究1965~1974年,开展了 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14个领域的国际协作研究。联合国教科文组织继续举办长期水文国际合作计划即“国际水文计划”(IHP),分阶段着重研究水文过程与物理环境之间的关系、水文过程与人类活动的相互关系,水资源的规划管理及与环境和社会的关系等重大课题。世界气象组织 (WMO)于1971年开始执行“业务水文计划”(OHP),并和联合国教科文组织合作,从1984年开始执行“水资源水文计划”。在国际标准化组织 (ISO)的明渠水流测量技术委员会 (TC113)等组织主持下,开展了水文测验技术的标准化研究。中国自1974年起参加了上述国际合作,开展了各项合作活动。1980年和1983年两次在中国召开了国际河流泥沙学术讨论会,1984年在中国北京成立了“国际泥沙研究培训中心”。1981年以后,中美、中意分别进行了地表水水文学双边的科技合作交流活动,1985年在中国召开了非常洪水频率分析学术讨论会。
 广泛的国际合作,促进人们对全球水文和水资源知识的交流,增长和加深人类对全球水文循环和水量平衡的认识,推动水文科学历史加速前进。

 

本文相关信息

本文暂无相关信息!

南阳水文水资源勘测局版权所有
电话:0377-62236081    邮编:473000    E-MAIL:hnsw@hnsl.gov.cn