第1章　绪论

1.1　水文现象与水文学

1.1.1　水文现象

水是一切生命赖以生存的基础，也是人类生活和社会经济生产活动不可缺少与不可替代的重要资源。为了开发利用这一重要资源，也为了减少水所带来的灾害，人们需要从各个方面对水进行系统观测、实验、分析和归纳总结，逐步形成了水文科学。一般而言，水文学是研究地球上水的循环、运动与转化及其与地球大气、生物、土壤和岩石等圈层相互作用和联系的一门科学。在对水的认识不断深化的过程中，水文科学也在不断发展。

地球上水的总量大体不变，以气态、液态或固态形式存在于地球的表面，地球的土壤岩层中，以及地球的大气层中。以一定方式存在于某一环境中，具有一定特征和变化规律的水，称为水体。例如，江河、湖泊、沼泽、海洋，以及大气中的水汽和地下水等。人们所经历和熟悉的自然现象，不少与水的三态变化和水流运动有关，例如降水、蒸发、径流以及河流的结冰封冻等，我们都称之为水文现象。

从宇宙空间看，地球是蓝色的，因为3/4的地球表面都被水所覆盖，应该说地球上的水不少。在太阳辐射和地球引力作用下，水通过蒸发、降水、径流等水文现象，在大气圈、岩石圈、水圈和生物圈所构成的地球系统中周而复始地循环运动着，维持了地球上多种多样的生命形态。从这个意义上说，水循环的功能类似于人体内的血液循环。然而，水的这种循环运动是不均匀不稳定的，不同时刻不同地区水的状态与量值不同。有时，某一地方水多，于是江河横溢，洪水泛滥；另一地方水少，又引起水荒以致旱灾。由于这种不均匀，有的地方湿润，有的地区干旱，有的地方极其干旱以至难以维持生命的存在，例如新疆塔克拉玛干沙漠腹地。正是水循环不均匀所导致的水分布时空差异，造就了地球上千姿百态的自然景观和丰富多彩的生态系统。虽然平均意义上讲水足够每个人使用，但水分布的不均匀使世界上仍有很多地区缺水；人们由于各种原因不得不居住在那里与干旱抗争。

水又是一种很好的载体和溶剂，许多物质都可被水流所携带或溶解在水中，随着水流而运动。例如，土壤的侵蚀与搬运，河流中泥沙的输移，肥料以及污染物的溶解和迁移都是在水流作用下进行的。数十万年来，由于泥沙的淤积，形成了肥沃富庶的黄淮海平原，就是水和泥沙为人们提供的良田；而黄河的泛滥改道也是中华民族的心腹之患。随着人类社会经济的发展，某些工业废弃物被水流所携带而扩散，引起了环境的污染，其中重金属污染甚至危及人类健康；氮磷等农业肥料也会因施用方法不当而随水流而流失，造成水体的富营养化，引起另一类环境问题。

水在流动过程中具有能量，洪水因流量流速大具有巨大动能，会冲毁桥梁、堤坝，给人类带来难以估计的损害。另外，人类可以利用水流动能驱动水力机械或把水的势能集中起来发电。

1.1.2　水文学

水文学研究各种水体的存在、运动、循环和分布，水体的物理化学性质，以及水体与环境的相互作用和影响，包括与生物特别是人类的相互作用和影响。水文学原理作为水文学科的基础课程，主要阐明地球上尤其与人类联系最为密切的流域各种水文现象、水文过程形成的成因和机理，为今后定量研究水文过程奠定基础。

水文学是地球科学的一个分支，既具有理科的特征，也具有应用学科性质。与其他学科一样，需要在不断解决新问题的过程中，拓展研究范畴，增强科学基础，以便更好地为人类社会经济发展服务。

1.1.3　水文现象的特点及本课程学习方法

当前，我国处于经济发展和面临的资源与环境矛盾十分突出的时期，也为水文学科提出了若干新问题，解决这些问题既是挑战也是机遇。在从全球范围看，20世纪末期起，全球气候变暖使得水循环变化加剧。这与长期以来世界人口增加，工农业发展，引起了二氧化碳等“温室气体”排放量激增有关。后果之一是某些地区降水量与径流量减少，如20世纪90年代我国黄河上中游、汉江等流域十年平均降水量减少5%～10%，黄河花园口天然径流量初步估计偏少约20%，海滦河及淮河的年径流量也都明显偏少［1］，导致这些地区缺水，进而影响其经济发展和环境生态状况。后果之二是海平面上升，我国沿海海平面多年来呈波动上升趋势，2003年黄海海平面比常年高73mm，东海和南海次之，分别为66mm和61mm［3］。在全球气候变暖条件下，水文循环异常，导致洪旱灾害更为频繁。

作为地球物理的一部分，水文现象受到地球自转及公转的影响，在时间上既具有一定的周期性，也具有某种随机性。例如，河流水量一般具有以年为周期的丰枯变化，我国大多数河流夏秋为汛期，冬春为枯季；气温受太阳辐射影响，具有以年为周期的季节变化以及以日为周期的昼夜变化；冰川补给的河流受气温影响，有较明显的日变化周期；潮汐现象受月球运行影响而呈日周期变化；这些都属于周期性。但影响水文现象的因素很多，各因素自身也在变化，因而水文现象在时间上和数量上的变化过程存在着不重复的随机特点。例如，任一河流的流量过程不会完全重复，汛期出现有的迟有的早，流量的大小都不相同；这属于随机性。水文现象受到地理位置的制约，在空间上既具有相似性，但并不排除具有某种特殊性。由于距离海洋的远近和气候的相似，同一区域的流域，其水文现象在一定程度上也相似。例如，我国东部沿海湿润区的河流均水量丰沛，年内变化不大；而西部干旱区的河流都水量不足，季节变化显著；这些现象均可称为地区相似性。但即使在同一地区，由于地形、植被、土壤等下垫面条件的差异，水文规律也不尽相同。例如，同处一个地区，山区与平原河流的洪水情势不同，岩溶区与非岩溶区的地下水赋存状态不同。

鉴于水文现象是大家都经历过的自然现象，比较容易了解，但形成这些现象的原因与机理需要用本专业的科学术语来阐述和分析。因而，本课程学习应注意以下两点：

1.理解水文现象的机理

水文学原理阐述的是水文现象的成因与机理。学习本课程，就不应满足于对水文现象的一般性了解，而应在物理学、自然地理学、水力学等课程讲述的知识基础上，进一步理解水文现象的成因和机理，并能用水文专业术语加以阐述和分析。应当注意，水文现象是一种复杂的自然过程，影响因素众多，而切忌简单化。特别应注意，水文现象具有很大随机性，并非求解微分方程，不能以理想化的初始及边界条件去求得唯一解。力求全面理解水文自然过程，尽量避免水文学原理的课程学习“一听就懂，一放就忘，一做就错”的现象发生。

2.悉心观察水文过程

实验是深入了解理论的必要途径，在某种意义上可以说，实验是科学技术进步的阶梯，对于发展中的水文科学也不例外。例如，目前仍广泛使用的Horton下渗公式，就是通过大量试验数据的分析归纳总结出来的。然而，由于水文实验难度较大，特别是关键的控制性实验往往难以进行，不仅实验的初始及边界条件难以确定，不同尺度实验结果的转换关系也尚未解决；因而我们不仅要悉心观察实验水文过程，也要悉心观察自然界中发生的水文过程，以求真正理解各种因素复杂相互作用下所形成的水文现象的成因机理。