1.1 水文现象与水文学

1.1.1 水文现象

水是一切生命赖以存在的基础，也是人类生活和社会经济生产活动不可缺少、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，人们不得不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，水文学是研究地球与水的科学。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，称为水文现象。

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且不稳定的，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致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。虽然从平均意义上讲，地球上的水足够每个人使用，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。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，洪水因流量及流速大，具有巨大动能，一方面会冲毁桥梁、堤坝，给人类带来难以估计的损害；另一方面人类可以利用水流动能驱动水力机械，或者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，主要阐明各种水文现象、水文过程形成的原因和机理，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，既具有理论科学的特征，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，以便更好地为人类经济社会的发展服务。

1.1.3 水文现象的特点及本课程的学习方法

作为地球物理学的一部分，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，汛期出现的迟早、流量的大小都不相同，则属于随机性。水文现象受到地理位置的制约，在空间上既具有相似性，也不排除具有某种特殊性。与海洋距离相近及气候相似条件下，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，年内变化相对不大；西部干旱区的河流都水量不足，季节变化更为显著；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，都属于特殊性。

鉴于水文现象是大家都见过的自然现象，比较容易了解，但这些现象形成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，本课程的学习应注意以下几点。

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、水力学等课程知识的基础上，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，切忌简单化。水文学与其他学科存在着交叉与联系，不能仅仅就水文而研究水文，要吸取其他学科的新成果、新方法，以促进对复杂自然现象的认识和理解。特别应注意，水文现象具有很大的随机性，并非求偏微分方程的解析解，水文不能以理想化的初始及边界条件去求唯一解，必须注意综合性，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中“一听就懂，一放就忘，一做就错”的现象发生。

2.观察水文现象

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，先是通过大量试验数据的分析归纳总结出来的经验公式，而后又从数学上推导出它是描述土壤中垂向水分运动微分方程在特定条件下的简化形式。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，而且不同尺度实验结果的转换关系也尚未解决，因此人们不仅要悉心观察实验中的水文现象，更要悉心观察自然界中发生的水文现象，以求真正理解各种复杂因素相互作用下所形成的水文现象的成因机理。通过观察，才能发现模拟或预测水文现象所用的数学方法在何处存在何种不合理之处或不足之处，深入分析思考其原因何在，即通过观察发现问题，经分析研究找出模拟、计算方法不足的原因并加以改进，从而推动水文科学不断前进。

3.掌握描述水文现象的数学方法

数学是人类认识、描述、预测和调控自然现象的重要工具，任何科学的发展都离不开数学，水文学也不例外。水文学的发展历程中，从简单经验公式到概念性模型，再到今天的分布式流域水文模型，无不需要数学方法。如水文学中著名的瞬时单位线，就应用了单位脉冲函数、拉普拉斯变换等数学概念和方法。但应当注意，数学只是一种工具，只有在正确认识水文现象的基础上，数学描述才有可能是正确的。当前，主要任务是为进一步研究水文问题奠定基础，包括数学基础。这就要求掌握高等数学、线性代数、概率论与数理统计等基础数学课程。同时，还应当认识到，数学也在不断进步，应用这一工具的能力就需要不断提高。现代水文学的发展，除去需要常用的微积分、统计分析、线性规划、动态规划之外，还需要进一步熟悉模糊数学、灰色系统、层次分析、网络分析、系统动力学、分形分维、小波分析、人工神经网络等方法，并且需要熟悉相应的数学应用软件，如Matlab、Mathmatical等的使用技巧，以满足描述复杂水文现象的需要，也便于在工作中节省时间和精力。

4.了解相关学科的进展以扩大知识面

严格地讲，水文学属于地球科学的一个分支。因而水文学与地学中的地理学、地质学、土壤学、气象学、气候学、环境学、生态学等，以及若干涉及人类活动的学科如农学、林学、水利工程、土木工程、城市规划、土地管理等都有着密切联系。弄清这些学科领域的基本概念和知识，了解其基本规律，对于认识和理解水文现象的机理将有很大帮助。现代科学技术发展迅速，如遥感遥测技术、雷达测雨技术、地理信息系统、决策支持系统等已逐步发展完善并走向实用，掌握这些科学原理和技术方法，不仅有助于加深对水文现象、水文过程的认识和理解，而且有助于解决经济社会发展条件下水文科学面临的新问题。