水文学的困惑课件.ppt

1、2006年年9月月 水文学的诞生：水文学的诞生：水是生命之源，没有水就没有人类的存在。水是生命之源，没有水就没有人类的存在。水可载舟亦可覆舟，为了变水害为水利，充分水可载舟亦可覆舟，为了变水害为水利，充分有效的利用水为人类服务，人们在长期的社会有效的利用水为人类服务，人们在长期的社会实践中为寻求水的运动规律而产生了水力学。实践中为寻求水的运动规律而产生了水力学。水力学对棱柱形河槽和管道是非常有效的，但水力学对棱柱形河槽和管道是非常有效的，但对天然河道，特别是广阔无垠的流域却显得无对天然河道，特别是广阔无垠的流域却显得无能为力，因此水文学便应运而生。能为力，因此水文学便应运而生。近代由于计算机的

2、迅猛发展和计算数学的广泛应用，近代由于计算机的迅猛发展和计算数学的广泛应用，水文技术蓬勃发展，但对水文机理和规律的研究甚水文技术蓬勃发展，但对水文机理和规律的研究甚少，少，正如曾任国际水文科学协会正如曾任国际水文科学协会（IAHS）主席主席V.klemes 在在1988年年IAHS大会上尖锐的指出：大会上尖锐的指出：“尽尽管字典上解释水文学是一门科学，但贴着水文标签管字典上解释水文学是一门科学，但贴着水文标签的四分之三的工作包括大量研究论文，教科书、手的四分之三的工作包括大量研究论文，教科书、手册及大学课程，归根到底不属于水文学的范畴，而册及大学课程，归根到底不属于水文学的范畴，而是企图在缺乏

3、水文学知识的条件下，解决与水文有是企图在缺乏水文学知识的条件下，解决与水文有关的技术关的技术”。导致有些人对水文学是否能作为一门科学而产导致有些人对水文学是否能作为一门科学而产生怀疑，曾有人在生怀疑，曾有人在中国科学新闻中国科学新闻上发表文上发表文章说章说“水文不是科学水文不是科学”。赵人俊在赵人俊在19911991年年“从实际出发研究水文学从实际出发研究水文学”一一文中所指出的文中所指出的“国内外正在讨论水文学如何发国内外正在讨论水文学如何发展的问题，展的问题，比较公认的看法是比较公认的看法是：发展得比较好：发展得比较好的是一些实际应用的方法技术，可统称为工程的是一些实际应用的方法技术，可统

4、称为工程水文学。水文学。但作为水文科学，则尚缺乏科学体系与但作为水文科学，则尚缺乏科学体系与科学方法，理论水平不高，科学方法，理论水平不高，有的认为没有找到一个适合的数学理论，有的认为没有找到一个适合的数学理论，有的认为是没有与地理地质等学科联系有的认为是没有与地理地质等学科联系起来，起来，对水文学的定义，水文学研究的方法与对水文学的定义，水文学研究的方法与范围，水文学与其他科学关系等如果没范围，水文学与其他科学关系等如果没有一个明确的、清醒的认识，必将动摇有一个明确的、清醒的认识，必将动摇水文学的自然科学基础，阻碍水文学的水文学的自然科学基础，阻碍水文学的发展。发展。2 2、水文学的定义和研

5、究范围、水文学的定义和研究范围 （1 1）水文学的定义水文学的定义 根据根据IAHSIAHS章程中的宗旨，给水文学下了如下定义：章程中的宗旨，给水文学下了如下定义：“水文学是一门关于地球上水的存在、循环、分布，水文学是一门关于地球上水的存在、循环、分布，它的物理化学性质以及环境包括与生活有关事物的反它的物理化学性质以及环境包括与生活有关事物的反应的科学。应的科学。”19871987年年中国大百科全书中国大百科全书给水文学的定义是：给水文学的定义是：“水水文学是关于地球上水的起源、存在、分布、循环运动文学是关于地球上水的起源、存在、分布、循环运动等变化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系。等变

6、化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系。”从上述水文学的定义中很难看出是水文学，倒是从上述水文学的定义中很难看出是水文学，倒是掺杂一些与水文不相干名词的组合。掺杂一些与水文不相干名词的组合。水的分布是伴随水的存在而形成的，只须调查，水的分布是伴随水的存在而形成的，只须调查，没有什么可研究的。没有什么可研究的。对水的循环，水文学家要研究的只是水循环的对水的循环，水文学家要研究的只是水循环的一部分而不是全部。一部分而不是全部。水的物理、化学性质，比如说水的热、电传导水的物理、化学性质，比如说水的热、电传导率，水的氧化还原作用等，则是物理、化学家们率，水的氧化还原作用等，则是物理、化学家们的事，不

7、是水文学家所需研究的对象。的事，不是水文学家所需研究的对象。水与生活有关的事物，如生活饮用水、灌溉、水与生活有关的事物，如生活饮用水、灌溉、航运等，则应由给排水、农田水利、交通等部门航运等，则应由给排水、农田水利、交通等部门去研究。去研究。PemnanPemnan早在早在19611961年就言简意赅地指出，水文学年就言简意赅地指出，水文学是一门回答是一门回答“What happens to the rainWhat happens to the rain（降雨后将发生什么）的科学。（降雨后将发生什么）的科学。”笔者认为：水文学是研究地球上某一特定位置笔者认为：水文学是研究地球上某一特定位置的变

8、异水体是如何由降水形成的科学。的变异水体是如何由降水形成的科学。一般有两种叙述：一般有两种叙述：其一是四圈，即水圈（陆地、天空、海洋的水其一是四圈，即水圈（陆地、天空、海洋的水体）、大气圈（天空中的水汽、二氧化碳、硫体）、大气圈（天空中的水汽、二氧化碳、硫化物、尘埃等）、岩石圈（地壳中的各种岩化物、尘埃等）、岩石圈（地壳中的各种岩石）、生物圈（地球上的各种生物）；石）、生物圈（地球上的各种生物）；其二是以尺度划分，认为一个完整的水文理论其二是以尺度划分，认为一个完整的水文理论必须跨越必须跨越15个量级，从分子族（个量级，从分子族（10-8米）到引米）到引量（量（107米），米），J.C.I.D

9、ooge 曾建议将个幅度分曾建议将个幅度分为为9个分级：个分级：水文的空间尺度水文的空间尺度 水文学从形式上看已发展到一个顶盛时期，水文学的分支学科如雨后春笋般地产生。如动力水文学、系统水文学、水文统计学、随机水文学、模糊水文学、同位素水文学、冰川水文学、地理水文学、湖泊水文学、森林水文学、农业水文学、水资源水文学等不下几十种。1987年美国Bras和Eagleson撰写的“水文学是被遗忘的科学”的文章认为，水文学作为地理科学中的一员，尚未建成现代的科学体系，给水文学保留的位置尚属空白。1988 1988年年KlemesKlemes曾指出：水文学目前尚未建立其巩固的科学基础。曾指出：水文学目前

10、尚未建立其巩固的科学基础。1991 1991年美国水文科学机遇委员会发表的年美国水文科学机遇委员会发表的“水文科学的机遇水文科学的机遇”报报告认为，一个时期以来水文学过多地去解决实际问题，因而妨碍告认为，一个时期以来水文学过多地去解决实际问题，因而妨碍了水文学的发展，未能建立起水文学自身的体系。了水文学的发展，未能建立起水文学自身的体系。同年赵人俊在同年赵人俊在“从实际出发研究水文学从实际出发研究水文学”一文中指出水文学一文中指出水文学“尚缺乏科学体系与科学方法尚缺乏科学体系与科学方法”。至少可以说这种种的水文学先天不足，因为他们的母体尚未至少可以说这种种的水文学先天不足，因为他们的母体尚未发

11、育成熟。发育成熟。水文学究竟如何发展？主要有以下两种对立的观点：水文学究竟如何发展？主要有以下两种对立的观点：（1 1）水文学应加强自然科学的属性）水文学应加强自然科学的属性 水文学当作地球科学的一部分，而不应再成水文学当作地球科学的一部分，而不应再成为解决水资源工程的附庸。为解决水资源工程的附庸。要进一步加强对水资源开发利用和管理中的要进一步加强对水资源开发利用和管理中的问题进行工作，才能更好地促进水文科学的发问题进行工作，才能更好地促进水文科学的发展。展。4 4 水文学与其他科学的关系水文学与其他科学的关系 数学是一切自然科学的基础，它是研究数的规律，是数学是一切自然科学的基础，它是研究数

12、的规律，是基础科学，但它决不能替代其他科学。基础科学，但它决不能替代其他科学。自然科学的研究有两个阶段，首先由各学科根据对自自然科学的研究有两个阶段，首先由各学科根据对自身的运动规律的描述，最终用数学语言表述出来（建身的运动规律的描述，最终用数学语言表述出来（建立微分方程）。然后根据边界条件和初始条件，用数立微分方程）。然后根据边界条件和初始条件，用数学方法去求解，但由于边界条件极其复杂学方法去求解，但由于边界条件极其复杂,在求解的过在求解的过程中往往要借助该学科的知识。程中往往要借助该学科的知识。水文学与水力学的共同点：水文学与水力学的共同点：都同样建立牛都同样建立牛顿力学的质量守恒方程和能

13、量守恒方程，顿力学的质量守恒方程和能量守恒方程，都同样用数学方法求解这两个方程。都同样用数学方法求解这两个方程。水力学水力学是用特征线是用特征线法和瞬态法等方法求解这个方程组。法和瞬态法等方法求解这个方程组。水文学水文学则则是用水量平衡方程取代质量守恒方程，用槽蓄是用水量平衡方程取代质量守恒方程，用槽蓄方程取代能量守恒方程然后去求解这两个方程。方程取代能量守恒方程然后去求解这两个方程。水力学水力学是运用欧拉法研究微小窗口水体的运动是运用欧拉法研究微小窗口水体的运动规律，而规律，而水文学水文学则是研究流域集水断面水体形则是研究流域集水断面水体形成的规律。成的规律。两者的研究对象和方法各不相同。两

14、者的研究对象和方法各不相同。（3 3）水文学与气象学）水文学与气象学 水文和气象是地球上水循环的两个独立又相互联系的系统。水文学水文学是研究降水是如何形成径流的。气象学气象学是研究海洋的蒸发和陆面的蒸散发是如何形成降水的。水文系统是一个由降水输入，径流、蒸散发输出的输入输出系统。气象系统是一个由海洋蒸发、陆面蒸散输入，降水输出的输入输出系统。两个输入输出系统（连同海洋）构成一个完整、封闭的水循环系统。水文学是科学，而水资源则是把水作为资源进行管理（调度和优化配置）。水文学和水资源管理的任务是不同的，水文学是研究降水形成径流的规侓，水资源管理则根据现有的水文规律对水进行管理。水文学的发展取决于对水文规律揭示的过程。既然水文学是水资源管理的基础，那么 水文的规律不是因为水资源管理而发生变化，倒是利用客观的水文规律对水进行管理，不能因果颠倒。水文学是一门独立的自然科学，但与其他科学又相互关联，关键是如何处理这种关系，