水文学原理与水文水资源学科的发展

欧阳芬，吴立峰

(南昌工程学院水利与生态工程学院，南昌 330099)

水文学原理与水文水资源学科的发展

欧阳芬，吴立峰

(南昌工程学院水利与生态工程学院，南昌 330099)

在阐明水文水资源学的概念、内涵、发展以及相互关系的基础上，分析西北旱区宏观上水资源匮乏，但人均、耕地占有水量不低和水资源时空分布不均，利用难度大的显著特征，剖析了旱区水资源开发利用的主要问题。在分析国内外水文水资源学科发展动态以及特点的基础上，阐述了西北旱区水文水资源学科的发展方向。

水文学；水资源学；研究方向

1 水文水资源学的含义与发展

1.1 水文资源学的含义

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中不可缺少与不可替代的资源。为了开发利用水资源以及为避免、减少水所带来的灾害，人们长期从多个方面对水进行系统观测、实验和分析中，逐步形成并不断丰富了水文水资源学科。

水文水资源学包括水文学和水资源学两方面。二者自成体系，相互独立，相互联系，密不可分。虽然其发展各不相同，但却共同构成了水资源可持续利用的科学基础。

水文学研究自然界各种水体的存在、运动、循环及其分布、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。它既是地球科学的一个分支，也是水利科学的一个领域；水文学的两个主要分支——陆地水文学和应用水文学，既具有理论科学的特征，又具有应用科学的性质。

在长期解决生产实际问题的过程中，水文学研究的内容不断丰富，研究范畴不断拓展，已形成一门系统完整的科学体系。

水资源安全是人类社会面临的重要问题之一。随着人口增加和经济的快速发展，水资源供求矛盾已经成为制约经济社会发展的瓶颈。在气候变化和人为活动影响下，自然界水资源赋存环境已经发生了明显改变，应运而生的水资源学科，其主要任务是研究水资源调查评价、开发利用及保护的理论和方法体系，为经济社会发展提供水量和质量保证，协调水资源和社会经济发展及环境、生态系统之间的关系，对水资源进行科学调配和综合管理。此外，本学科还要在探求水资源在地球自然资源体系中的位置、作用以及与其他自然资源间的相互关系中，揭示水资源形成和演化机理及时空变化规律，研究在自然和人为活动——特别是人类水事活动引起的环境变化及其对水资源赋存运动规律的影响，进行水旱灾害模拟及其预测预报，实现协调经济、社会发展与水的数量、质量的供求关系及解决途径。

水资源学属于技术科学范畴。尽管水资源学还是一门年轻的科学，尚未形成以知识为纽带的完整的科学体系，水资源的自然属性的研究是水文学在水文循环领域的延伸。水文学是水资源可持续利用的科学基础，是解决生产实际水资源问题的前提。而水资源社会属性的研究综合了水文学、工程科学、环境科学、管理科学、经济学等学科在水资源领域的应用和拓展。当前，人类对水资源的需求愈来愈迫切，水文学的研究领域正向着为水资源开发利用提供依据的方向发展。

1.2 水文学的发展

国内外学者按照水文学研究内容与方法，以及相关里程碑事件的发生，将水文学的发展历史分为三个阶段：奠基时期、发展时期和崛起时期。17世纪是水文学发展的奠基时期，该时期的研究焦点主要集中于水力学基础理论、基础水文测量、水文循环机理和基础水文实验；使用的研究方法有实地测量、实验和简单的定量计算；流速仪问世，雨量计出现，水量平衡的提出，定量观测蒸发、水文循环的概念形成标志着水文学的发展已经具备了良好的基础。18、19世纪是水文学的发展时期，人们通过实地考察、水文实验和公式化描述充实了地表水水文学和地下水水文学的理论和内容，水文测量仪器的改进、河川径流的系统观测和对已有成果的系统整理总结，导致谢才公式、伯努利方程、“全面汇流” 的概念、达西定理和曼宁公式等问世。20世纪则为水文学的崛起时期，水文循环机理、水文统计方法、水文模拟技术和水文学交叉领域等均吸引着众多学者，多学科的交叉与渗透、计算机数值模拟方法、确定性与随机性相结合、信息技术的应用使得该学科领域的成果更加丰富，该阶段不仅有皮尔逊-Ⅲ型频率曲线、单位线、DEM、分布式水文模型和生态水文学的相继出现，还发现了“蒸发悖反”现象。

水文学理论发展的主线逐步从地表水、土壤水与地下水、下渗、蒸发到整个流域水文循环，1900年后相继问世的理论有： Green- Ampt下渗模型，Taylor紊流扩散理论，Taylor紊流扩散理论、Sherman单位线、Horton入渗曲线、Penman方程、Jacob非稳定流方程、Bouchet蒸发互补理论、分布式模型的概念、Priestley-Taylor蒸发方程、水文线性系统理论、Budyko水热耦合平衡假设、Dunne地面饱和径流概念、蓄满产流概念、地貌单位线概念。

随着水文学理论的丰富与发展，出现了现代的应用水文学，其主要内容包括洪水监测及预报、流域水文模型与预测、农业灌溉、生态保护和水资源的演变。应用水文学的发展历程是： Thiessien多边形法、皮尔逊-Ⅲ型曲线、Theis井流方程、马斯京根法、Horton河流定律、Nash汇流模型、斯坦福模型、水箱模型、森林水文学、河道水力演算模型、遥感技术应用、数字高程模型、萨克拉门托模型、地下水模型、地下水水质模型、SHE模型、陆面过程模型、流域生态水文学。

水文测量技术和水文学理论一直在相互制约和相互促进中发展。17世纪前水文测量以定性观测为主，由观测者的经验主导，为重大工程、重大灾害服务，留存的资料多为比较散碎的描述性文献。18世纪到19世纪上半叶，大量测量仪器出现，出现了萌芽状态的水文观测，从观测中发现了水文循环规律，第一批有科学意义的观测数据，为科学水文学的产生奠定了基础。19世纪下半叶到20世纪上半叶，水文仪器实用化，水文测量向业务化发展，水文测量主要为水利工程服务，其工程性大于科学性。20世纪下半叶至今，人们开始反思原有观测方法并提出质疑，军用技术民用化带来了水文量测技术的“第二次创业 ”，新技术促进了水文科学的发展，使得该阶段水文测量的科学性大于工程性。水文测量技术从常规量测技术转变新技术的应用。如水位、流量测量由水位计、水尺、流速仪测量到水文自动测报技术；降水测量从雨量器、雪量计到雷达测雨、卫星测雨、多种传感器估测雨量；蒸发测量从蒸发皿、蒸发池、蒸渗仪到涡度相关法、大孔径闪烁仪、遥感蒸发；土壤水地下水测量由土壤湿度仪、中子仪、入渗仪到同位素测量和卫星遥感测量。水文测量的未来发展趋势必然，一是数据上的一致性保持、面观测取代点观测、实时观测取代日观测；二是方法上测量与计算联系紧密、参数的反演、测量与水文模型结合、数据同化；三是理论和模型向陆-气耦合模型和全球水量、能量平衡发展。

水文实验的发展则是由单项要素实验发展到流域水文实验和室内水文实验。19世纪初，水文实验主要观察水文现象、完善水文理论和总结计算公式；人们用工程实践(观测)、归纳总结和简单定量计算做了大量的实验，如道尔顿蒸发实验、地表水流实验、地下水渗透实验、霍顿下渗实验等。19世纪90年代，通过研究水文过程机理、人类活动的影响、水质和生态的研究、气候变化的影响，利用模型实验、观测与水文模型结合和观测与卫星遥感结合等方法，人们进行了瑞士艾蒙达流域森林水文效应对比研究，建立了科威塔水文实验站和中国岔巴沟实验流域，并进行了国际同期观测实验。20世纪40年代着手地表水与地下水转换、水文过程实验、水文参数测定、水土保持和环境保护，应用比尺模型实验和原型系统实验、坡面降雨径流模型实验得出坡面出流公式等。

同时，水文模拟从最早水文统计，历经集总式和分布式模型，到了现在普遍应用的综合性模型。常用的经验性模型有蓄槽关系和单位线，概念性模型有斯坦福模型、新按江模型和水箱模型等，物理性模型有SHE、IHDM、SWAT、GBHM等模型。

1.3 水资源学的发展

相对水文学，水资源学是一门年轻的学科。20世纪中期之前，水资源的知识和经验还未形成专门的学科,还属于水文学或水利学的一部分。其后，由于气候变化和人类活动等原因，全球水资源问题日益突出，其重要性逐渐被人们所认识。在其后的50年里，在全球范围内以水资源为主体的研究日益增多，并且开展对水资源的系统研究和评价活动，作为实现水资源合理开发利用的重要依据。专门以水资源为对象的研究和实践在很大范围内得到快速发展，逐渐形成自己的理论体系，可以分为水资源评价、水资源管理、水资源调度和利用、水资源价值等。

2 西北旱区水资源及其态势

西北旱区系指我国西北地区的干旱、半干旱地区及半湿润易旱地区，其范围为横亘我国东西的秦岭-昆仑山系以北的辽阔区域，包括陕西和甘肃省大部，内蒙古西部以及新疆、宁夏和青海的全部地区。

2.1 西北旱区水资源总量

西北旱区深居内陆，气候干旱，多年平均降水量不足240mm，特别是内陆河流域降水量普遍不足200mm，水面蒸发量甚至高达2 000mm。这种降水量远低于蒸发量的态势，造成了区内的水分稀缺程度远高于国内其他地区。山地冰川是西北旱区水资源存在的一种重要形式。区内冰川总面积32万km2，构成了区内最重要的固态水资源，是各内陆河的主要补给来源，其年冰川融水径流量达22×108m3，受冰川融水滋润形成的肥沃绿洲，成为该区经济文化中心。

2.2 西北旱区水资源特点

全区国土面积占全国的31.7%，而水资源量仅占全国的8%左右。年产水模数全区平均为8.88×103m3/km2，不足全国平均值的1/3，且区内分布也不均匀，最小的宁夏仅1.9×103m3/km2。干旱缺水，导致区内生态极其脆弱，是中国土地沙漠化、水土流失、草原旱化、土壤次生盐渍化的重灾区。该区水资源一般集中于水源条件较好的现代绿洲，故水资源的人均占有量和耕地单位面积水资源占有量并不少。

2.2.2 水资源分布不均，开采难度大

西北旱区径流量和降水量不但全国最少，而且时空变率也最大。有限的降水主要集中在夏秋季节，且多暴雨，春季缺水十分严重，水资源难以满足农业灌溉和工业生产的需要，更有甚者，许多地方人畜用水都很困难。因此，该区水资源的利用受到了很大限制，灾害频繁，还造成工农业生产极不稳定。

2.3 西北旱区水资源开发利用问题

2.3.1 水资源利用方式落后、利用效率差

旱区农业用水比重过大。宁夏、内蒙古西部、新疆农业占国民经济总用水量的比例超过90%，而工业用水均低于7%。充分说明水资源利用方式落后、利用效率差；旱区总供水构成中，地表水占一半以上，而新疆、宁夏高达90%以上。全区除内蒙古西部和陕西地下水开采率在40%左右，其他地区地下水利用率不足1/4。

2.3.2 经济发展挤占生态用水

经济发展挤占生态用水在西北旱区具有很强的惯性，从而导致生态环境不断恶化。如旱区的生命河——黄河干流呈纳了沿河七省区主要城市排放的废污水，从而导致了黄河干流严重的水污染；区内日益加重的土地沙(荒)漠化和草场退化现象、湖泊萎缩乃至消失及其河道断流问题，充分反映了旱区愈演愈烈的生态环境问题。

2.3.3 灌区土壤盐渍化和土地荒漠化问题

一些企业在与客户签订购销合同时，并没有按照严格的规范来执行，尤其是一些较小的企业，客户较少且比较稳定，他们之间经常以口头的形式来购销货物，当这些客户采取赊销的方式时，这些企业只是口头答应，并没有签订一份有效的赊销证明，给企业财务带来了极大的风险，当应收账款无法收回时，这些企业甚至没有证据来证明应收账款没有收回，也不受法律的保护，这将给企业资金带来巨大的困难。因此，企业在赊销时，一定要与客户按照规范的程序，签订规范有效的购销合同，给应收账款多一点保障，提高企业资金的安全性。

旱区不合理的农田灌溉导致了区内灌区土壤次生盐渍化问题严重，无论是宁蒙河套灌区、陕甘的引黄灌区，还是新疆及青海海东灌区，这一问题已经成为制约农业生产和危害生态环境的主要问题。人类经济活动导致天然水循环关系改变，支流与干流间的联系明显减弱，特别是内流河上中下游之间的联系明显增强，且水量一般主要消耗在中游段，致使下游的天然绿洲萎缩，加剧了土地的沙漠化。

2.3.4 水资源管理滞后

缺乏对水资源的开发利用和宏观控制，为充分注重经济布局和结构调整与水资源的关系，重视水资源的开发，而对水资源的节约、配置与保护重视不够；一些地区水资源管理不顺，或未能充分发挥经济杠杆对资源的合理配置作用。

3 水文水资源学科发展动态

为研究变化环境下的水文循环演变规律，解决日益严重的水问题，内外学界实施了许多研究计划，其核心集中在气候变化对水文水资源、需水量和水文极端事件的影响，热点在于水文水资源对环境变化的响应。第一，研究中应用各种水文模型，分析河川径流和地下水响应问题及地下水和地表水相互作用、潜在水资源量的季节动态预测问题，研究下垫面变化对水文循环和洪水影响及其城市化、水土保持和水利工程的水文效应等。第二，从环境学的角度，进行面源污染物预测和水体水质演化模拟，开展水文循环过程与水生态及水环境演变相互作用机制研究。第三，关于大气过程-陆地水文过程耦合研究，主要体现在，一是预测环境变化对水资源和生态环境的影响，二是通过耦合陆面过程模型或分布式水文模型，结合地面观测与遥测来实现大气过程-陆地水文过程的耦合。

我国水文水资源学科针对水资源短缺、水土环境恶化和生态环境脆弱等严重影响国民经济可持续发展的重大问题，以中国北方干旱、半干旱地区为背景，坚持地表水资源和地下水资源并重，强化水环境综合治理，研究领域集中在以下方面：一是以水资源的可持续利用为目标，研究揭示水资源形成、赋存、运动特征，可再生性维持机理及时空变化规律、水资源可持续利用的方式和对策研究。二是跟踪历史变化的轨迹，揭示气候变化和人类活动强力干扰下流域区域水资源变化成因、变化特征、预测模拟未来变化趋势。三是研究水与生态系统之间相互作用的模式、机理及过程响应，流域尺度上解决水资源-生态-社会等系统要素之间相互作用的定量描述和多维调控。四是研究解决与水资源调配密切相关的水权、水价、水市场理论体系。经过长期的研究积淀，已经形成了具有鲜明区域特色和地缘优势的北方旱区水文水资源科学体系。

4 旱区水文水资源学科发展

资源性缺水与水质性缺水是中国水问题典型性特征。资源性缺水属于自然原因，而水质型缺水大多可归于人为因素。北方旱区因自然原因多属资源性缺水，但在人类相对集中集聚的平原或流域下游地区，由于污染导致的水质型缺水问题也已凸显。为缓解水危机，在建立节水型社会的同时，加强水资源管理，提高水的利用效率，促进水资源可持续利用已成为保证国家水安全、粮食安全、生态安全的重大战略措施和实施可持续发展战略的重要组成部分。

4.1 西北旱区水量转化机理与水文规律研究

进行变化环境和人类活动强力影响下的水文与水资源演变规律研究，包括不同时间和空间尺度上大气水、地表水和地下水的水量转化及其关系；水资源合理开发、科学分配和高效利用中的水文分析计算理论和技术；区域水资源工程系统调度运行的水文预报理论和技术；水文干旱及洪涝灾害发生规律及预测技术；人类活动对水文生态系统的影响；水文及水资源信息管理现代化理论与技术；非线性科学等理论与技术在水资源水文学中的应用以及学科间的交叉与融合途径等。通过研究，揭示大气水、地表水和地下水的水量转化与演变规律，探索高强度人类活动作用下的水循环过程及其调控技术，通过不同尺度观测实验分析和数值模拟等手段，建立干旱地区、半干旱地区水资源调控模式。本研究方向设置可以为研究我国流域(区域)水资源管理、水资源开发利用中急需解决的关键问题提供支持。

4.2 水资源可持续利用与管理

以西北干旱、半干旱地区为背景，结合可持续发展与现代管理理论，研究环境变化和人类活动强力影响下的水资源评价理论和方法、技术体系，水资源可持续利用与社会经济可持续发展的水资源规划理论与技术；水资源系统调度运行与水量水质调控技术；水资源高效利用与节水技术；区域水资源承载能力；区域水资源合理配置；水资源可持续利用与社会经济协调发展的宏观信息决策理论与技术等。

5 建议

第一，加强水文水资源遥测技术应用研究。我国水文水资源学科在实验技术以及方法方面还比较原始，与21世纪形势要求形成较大反差, 许多旧的野外实验基地荒废了，新的实验基地缺乏系统规划,亟待加强遥感和雷达等遥测技术应用。第二，水文水资源学科应与大气科学、生态学科、环境科学交叉合作，发展水文过程模拟和预测预报、进行生态水文和城市水文方面的研究，在水资源配置、调度和管理研究中重视水环境问题。第三，加强与经济学、管理学及社会学等学科研究的交叉合作, 支撑水资源综合管理。第四，加强西北旱区地表水和地下水科学联合运用的技术研究。

[1] 沈冰，黄红虎. 水文学原理[M]. 北京：中国水利水电出版社，2008.

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[3] 钱正英，陈志恺. 西北地区水资源及其供需发展趋势分析[M]. 北京：科学出版社，2004.

[4] 周莹，尚志强，贾彪. 西北地区水资源现状及存在的问题[J]. 内蒙古水利, 2012，(04)：37-39.

Hydrology and the development of water resource subject

OUYANG Fen, WU LI-feng

(School of Hydraulic and Ecological Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China)

On the basis of discussion on concepts, connotation, development and their relationships of the hydrology and water resource subject, it analyzed the main problems of water resource about development and usage in arid areas: macroscopic shortage of water resource, high quantity of plough water occupation, uneven distribution of water resource in time-space, and difficulty in the usage of local water resource. Through the analysis of the tendency and traits of the subject′s development both at home and abroad, it illuminated the main directions of the subject in arid areas.

Hydrology; Water resource subject; Research direction

2016-10-24

江西省教育厅科学技术研究项目

欧阳芬(1987-)，女，博士，讲师。

P332.4

B

1674-8646(2016)22-0128-04