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水文水资源科学发展史(转载)

葛维亚 最后编辑于 2020-08-10 12:44:37
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                                        水文水资源科学发展(转载)

       人类逐步认识水文水资源现象、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。必须对经常遇到的各种水文水资源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使其系统化。目前,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(公元1400年以前

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

在人类早期与大自然的斗争中逐渐萌发了的概念。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

在水位观测方面,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》中说字是深所至也从水则声。可知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为明代沈于1564年所著《吴江水考》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),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11531870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)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,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

在雨量观测方面印度在公元前 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

       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(1400~1900)

       1416世纪欧洲的文艺复兴和1819世纪产业革命给自然科学包括水文水资源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和水平衡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,为水文水资源科学的建立奠定了基础。水文水资源科学体系逐渐形成。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

       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德国人R.沃尔特曼发明转子式流速仪其后1870美国的T.G.埃利斯发明了旋桨式流速仪。1885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、降雪过程的起讫时间、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17361909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

       欧洲死海从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.·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··德尔·林特于18091821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

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И.И.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

1819世纪,西欧因产业革命促进了城市、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

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(19001950)

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涝干旱灾害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

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19281929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

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Б.В.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,苏联的М.А.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Г.П.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(1950年以后

        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。再则,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

       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

       美国自上世纪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。上世纪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,并对国际提供服务。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以及流域或地区性的水文自动测报和联机网络系统,逐渐也都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。

       这一时期,中国境内的水文站网发展迅速。自1956年到2019年底止全国水文基本站网发展到12.1万处,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》和《水文资料整编规范》,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,全国分为10卷、每年74册,至今约共约30多亿组数据。组织主持这些工作的主要是谢家泽、王子平、蔡振、陈道弘、芦九渊、王厥谋、刘雅鸣等人。

       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。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。

       上世纪七十年代中期,长江委水文局韩福道等人在我国第一代电子计算机DJS-6(电子管计算机)上,使用ALGOL60语言编写整编水文资料程序,对水文资料进行整编和刊印,并在全国水文系统推广,成为全国水文资料电算整编的开拓者。后来跟随计算机更新换代的脚步,先后在286、386、486以及其他微机上,采用Basic、 fortran 等高级语言整编水文资料。

       为了精简水文测验的次数,改变测流传统模式,同时使资料整编自动化,1979年葛维亚提出了单值化技术方法取得成功。在水文测验方面,可以把每年测流次数从200次减少到30次,并且可以扩展巡测的覆盖率,大大节省了测流的人力、物力和经费。根据这一技术写出的论文,在英国举办的第一届国际水文科学大会上交流,获得肯定,并在国际水文科学学会的权威杂志上发表。至今四十年来单值化技术方法在全国普遍推广,方兴未艾,并且还应用在水文计算和水文预报领域。水文单值化方法成功的被引入《水文资料整编规范》之中。

       在水文预报领域,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,日本的菅原正巳提出的水箱模型;1958,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6070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

       在水文预报和水文计算中,流域汇流计算具有非常重要意义。我国在学习外国方面,使用过等流时线、经验单位线、瞬时单位线、滞后汇流和马斯京根等方法。

       1976年在汇流研究工作中,葛维亚通过数学解析证明,当时的一些汇流方法, 包括在我国使用的谢尔曼单位线、纳希瞬时单位线、马斯京根洪流演进、长办汇流曲线、华水赵人俊汇流方法(即华水汇流曲线)以及水文计算中频率计算的皮尔逊3型曲线,在数学上均属于不完全伽玛函数, 即同属于同一类数学模型, 相容相包, 例如纳希汇流模型(即瞬时单位线)就是马斯京根汇流模型在X=0时的特例。因此认为有人发表的论文,对各种现行汇流计算方法进行精度对比,是概念性错误。因为比较出来的差别不是不同模型的差别,仅仅是计算误差。上世纪60年代葛维亚通过解析证明这一模型是线性的,可以叠加。以此提出了整个水系(即全流域)分区汇流计算方法,就是从上游向下游汇流线性叠加,这一方法简便,快捷,准确,解决了原来从下游向上游分区计算必须求解多元高次方联立方程几乎无法求解的困境,因为上世纪60年代我国尚无电子计算机,手算无法求解。1971年在尚没有电子计算机的情况下,葛维亚利用手摇机械计算机,经过大量计算,得出了纳希瞬时单位线精确到一位小数的n新汇流参数表,在长江委和湖北省有关单位试用,受到欢迎。后来于1975年依据伽玛函数以及线性叠加,使用DJS6国产电子计算机获得两位小数的长办汇流曲线和华水汇流曲线的汇流系数表,作为中小型水利工程实用水文水利计算一书的附录,被全国大范围使用。另外上世纪70年代,葛维亚、罗伯昆、王钦梁提出了不同思路的滞后汇流模型计算方法,明显提高了汇流计算精度。

       在水文自动测报系统建设方面,一些国家开发以无线电为主要手段的水文自动测报系统已有70年的历史。在引入单板机、微机后的开发历史也有50年。其中美国、加拿大、英国、日本、意大利等国的水文自动测报系统起步最早,设备与技术比较先进。


 

 


       1958年日本富士通株式会社研制的水文自动测报系统运行成功。1974年日本在淀川流域建立自动化洪水预报。之后,日本自1975年建立第一个世界先进的河流信息系统至今,已经开发建立了三代河流信息系统。建设省从1994 开发第二代河流信息系统,即综合河流信息系统。信息收集的周期缩短了,监测的数据扩大了。除监测以前的雨量、水位、水库等数据外,增加了对水质、积雪、气象、水土流失、堤坝安全等方面数据的监测。但第二代系统的缺点是信息处理时间仍需要几十分钟,使得信息提供的周期仍无法缩短。为完善第二代管理系 统,1997年开发了第三代系统,199912月底系统正式启用。

       1966年美国天气局和美国地质调查局在波托马克河流域建立了最早的水文自动遥测系统。七十年代开始利用超短波无线电和微机建立更先进的自动遥测系统。上世纪80年代初期即开始采用卫星传输水文数据。目前普遍采用卫星实时数据传输系统。地质调查局在全美有几十个卫星地面接受站。50年代开始至80年代初,基本建成由人工、电传、无线电、通信卫星、流星余迹相结合的水文遥测系统。

      除日本、美国外,1970年法国在多尔顿流域、1972年英国在迪河流域、1975年澳大利亚在墨尔本市郊、1976年意大利在欧姆布隆河流域也开始建立水文自动遥测系统,并成功实现了水文数据采集、传输、自动化洪水预报、自动警报等功能。

      随着微电子技术、计算机技术、空间技术以及其他新技术的广泛应用,水文遥测系统正向多测站、多参数、多制式、多通道(特别是利用卫星)、多功能 (与其他系统联网)、全自动、低功耗、高精度、长周期和程序包(应用软件)等方向发展。

       构建基于地理信息系统(GIS 的数字水文平台,可以全面实现了地理和水文信息数据的采集、存储、管理、分析、网上发布、空间数据的快速查询、三维可视化显示与输出等一体化的数据流程,从地理空间和专业属性两个方面对现实对象进行查询、检索和分析。由此可见数字水文平台就是水文综合数据组织、管理和应用的平台。

       数字水文系统,就是利用数据库技术建立完善的信息处理和信息存储体系;利用海量数据库和数据挖掘技术建立信息提取和分析体系;利用地理信息系统等工具建立气象、水文、地形地貌、植被、土壤水分、人类活动影响措施等信息的空间分布数字体系;利用中尺度数值预报模式和分布式水文模型建立数字化的空间和时间分布预 报体系;依托网络、地理信息系统和数据库等技术,建立为防汛决策、专业应用、电子政务等提供决策支持的信息应用与服务体系。其核心在于如何形成数字化的、覆盖整个指定地域空间的、多重时空尺度的、多种要素的、对水文分析有用的数据产品。

      我国水文自动测报系统始建于上世纪80年代。1981年,美国天气局通过联合国VCP (即自愿合作计划),向长江陆水流域及黄河陆浑小曲区各提供10万美元,用于建立水文自动测报系统。以此作为试点,向全国推广。3年后系统建成,全国在主要河流上开始建设。至今覆盖全国的水文自动测报系统基本建成,在防洪抗旱和水资源的调度方面,发挥巨大作用。    

       在历史洪水调查与计算方面,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,由此减少随机误差和计算误差,是中国在水文计算中的一个重要方面。

       中国的历史洪水调查测量与估算,始于1915年广东西江流域防洪规划进行的洪水调查。中华人民共和国成立后,在黄河、长江、辽河、海河、淮河、珠江和全国各中小河流共 11000个河段上作了历史洪水调查;在一些重要工程所在的河段,进行反复多次调查。自1979年起开展了全国性洪水调查资料整编工作,约有6000多个河段的洪水调查资料,已汇编成《中华人民共和国洪水调查资料》。上世纪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。1984水利部规划设计总院委托葛维亚(主编)、罗启新(主编)、王永明(主编)、叶永毅(主审)、张大发等人进行全国历史洪水调查与估算规范的编写工作。其中历史洪水洪峰流量计算公式采用了葛维亚通过水力学导演的新公式。

       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。后来由陈家琦提出的推理公式和诺模图计算洪峰流量更为合理,被全国普遍应用。 

       在河流泥沙计算方面,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,上世纪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

       中国的张瑞瑾于上世纪5060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;7080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。7080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。更为突出的的是,工程院韩其为院士推出的泥沙运动随机理论的研究方法,国际领先,影响巨大。

       在地下水模型方面,上世纪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 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。我国金光炎在地下水文研究方面独树一帜,提出了一些新的计算方法。

       在水面蒸发模型和水质模型方面。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。

       在水文实验研究方面,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。1943年美国人C.F.伊泽德等进行了室内模拟降雨条件下的坡面汇流实验,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**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。

       1933年苏联建立瓦尔达依水文科学研究实验站,相继进行了各类室内水文模型实验。美国设立了科威塔水文实验站。从 20世纪40年代开始,室内水文实验研究开始发展起来。

       在我国,1924—1925年南京金陵大学森林系在陕西、山东林场设置径流泥沙实验小区,观测不同森林植被下水土流失的变化。新中国的水文实验研究始于20世纪50年代,首先从径流试验开始。1953年治淮委员会和安徽水利厅为了研究淮北排涝标准和排涝计算方法,在安徽北淝河建立了青沟排水实验站。之后又在安徽明光建立瓦屋流径流试验站,在安徽淮北阜阳建立河网化水文试验站(双沟、单桥等), 顾慰祖在这些工作里以及后来建立滁州水文实验基地,发挥了不可替代的作用。同一年官厅水库开始了水库水文实验;黄河水利委员会开始进行河流泥沙实验。1957年治淮委员会和江苏省水利厅开始进行人类活动水文效应的实验研究。1958年中国科学院、水利电力部水利水电科学研究院水文研究所建立了室内比尺模型并用于检验单位线的基本假定。1958年,长办(长江流域规划办公室简称)在唐河建成祁仪径流实验站。建站目的和任务包括暴雨径流关系的观测研究;降雨径流形成的物理过程的实验研究;人类活动对降雨径流影响的观测研究;小河、溪沟测验方法及设备研究,为大规模发展小河观测积累经验。为了探讨人类活动对三峡工程的影响,1959 2月,长办成立凯江水利化观测队,队部设于四川绵阳专区农水局内。观测站点在长办主持下,由水科院水文所、华东水利学院、四川省水文总站先后多次共同查勘选定。实验区采取大区套小区、小区套单项的布站原则,在1000平方公里以上的总控制面积上,建有5个径流场,23个测流堰槽,46处水尺,68处地下水观测点, 12处测流断面,60处雨量点,2处气象场和1个水面蒸发池等。当时为中国规模最大的径流实验基地,后改称凯江径流试验站。建站十几年来,凯江径流试验站取得大量观测和研究成果,其中包括土壤蒸发计算方法、树木枝叶截留、灌溉、小水库群拦蓄与垮坝对径流影响的计算方法等观测研究。1960年前后提出了长江三峡以上地区水利化对队径流影响的研究。最终于1966年在许多调查及分析的专题报告恶基础上,由葛维亚执笔,写出了长江三峡以上地区水利化对对径流影响分析报告(总报告),到此,为这项研究划上圆满句号。

       1958年黄委在陕西绥德建立子洲径流试验站,重点研究黄土高原水利和水土保持的水文效应等共21个项目,长达11年的系统观测分析工作。中央和一些省区也先后建立了水文或径流试验站,其中包括浙江江湾径流试验站,它为研制新安江模型提供了重要资料。铁道科学研究院先后在四川北碚和峨嵋建立径流试验站,为小流域及桥涵暴雨洪水设计以及产流、汇流方面的观测和研究,取得重大进展。南京水文研究所1981年在安徽建立滁州水文实验基地,设有5个代表流域,3个实验流域,4项蒸发、渗漏设备试验,1个中子土壤水实验室,还设有陆面蒸发试验场和气象观测场等,取得了高水平的观测和研究成果。为解决南方湿润地区中小河流雨量站布设密度问题,上个世纪70年代末,在江西建立了降雨实验区,也取得很多资料和成果。

       在室内水文实验方面,1958年北京水科院水文所建成核桃树沟室内流域模型,检验水文单位线取得成功。1965年中科院地理所建立室内流域物理模型,研究径流形成过程。1975年铁道科学研究院在峨嵋建立大型室内水文试验系统,利用人工降雨和可变坡度进行暴雨径流试验,为铁道防洪作出重大贡献。

       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。

       我国从1980年开始进行各流域的水资源调查与计算。水利部水文局委托葛维亚与江西水文局合作,在江西进行试点。试点成果向全国推广,并由葛维亚主持发行《水资源研究》创刊号,并撰写发刊词。如今该刊物已经成为全国重点技术刊物。

       在国际水文合作方面,兴起了全球性的水文科学研究。19749月联合国教科文组织在巴黎召开世界水文大会,总结19651974年水文十年成果和展望规划未来合作。我国是在197111月恢复了联合国席位后,驱逐蒋帮霸占教科文组织,首次组织以张瑞瑾为团长,赵珂经、高维真等六人的中国水文代表团出席大会。1982年联合国教科文组织与国际水文科学协会在英国召开第一次国际水文大会,中国水文代表团陈家琦(团长)、谭维炎、葛维亚、恭时扬、陈梦雄、扬针娘6人与会,分别在6个国际委员会进行成果交流,获得好评。总之,在上世纪70年代中期以后,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。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。

       我国在上世纪50年代至今,水文水资源的专题研究和实施,逐步与国际接轨,其中一些方面领先于世界。

       在水文数据库研制、设计和实施方面,李曼卿、王秀中、葛维亚、张国泰、周文通等人鼎力合作,在国内外首先提出了以表结构方案作为水文水文数据库的建库基础,在规划设计阶段,完成水文数据库总体规划-需求分析-概念设计-逻辑设计-物理设计-功能设计-网络设计,在建库阶段完成测站编码、表结构系统方案、管理软件优选、界面确定、数据录入、功能测试、在最后评审阶段完成各种文档的编写。

       在水文地理方面,胡方荣从上世纪50年代开始,提出了水象查勘的一整套方法,并两次组织查勘队(第一次10人,第二次150人),对安徽航埠河和四川嘉陵江进行实地查勘。

       水资源质量方面,高维真在观测,分析水质污染,在河湖排污模拟、水质净化模型、水质测报以及水环境工程方面提出许多科学论据以及建立各种水质模型的方法,观点独到,污水排放标准及其计算方法被许多部门采纳。在国内,利用水质预测预报模型,用于江苏淮阴清安河及其他几条河流、河网(苏州)和海湾湖泊如厦门筼筜湖污染治理效果明显。

      培养水文水资源人才方面,上世纪

50年代初,刘光文、叶秉如开创了我国大学第一个水文系,撰写的水文计算、水利计算教材,内容新颖,水平很高,又非常实用,被称为精品。不仅培养了许多水文技术人才,其水文水资源专业也受到国内许多大学的追捧,星火燎原,至今已有几十个大学设立了水文水资源专业,这在世界上也是一个奇迹。


 

 

附录:新中国水文水资源界二十世纪奠基性人物概览

 

中国水文高等教育奠基人、水文学科开拓者刘光文;

中国水文科学研究开创者谢家泽;

中国水文技术实践先行者及水文权威华士乾、尤家煌、王厥谋、赵坷经;

中国水文高等教育元老级著名教授叶秉如、张书农、施成熙、赵人俊、周恩济、吴明远、叶守泽;

中国水文科学研究元老级引领者及水文权威陈家琦、叶永毅、陈志凯、刘昌明;

中国水文统计学学科和应用开创者刘光文金光炎;

中国非水文专业工程水文学科开创者及施教者黄万里、詹道江;

流域汇流计算方法开拓者华士乾、尤家煌、李心铭、赵人俊、葛维亚、罗伯昆;

中国现代水文开拓者赵人俊、朱元生、夏军、丁晶、刘权授、刘新仁;

中国现代水文开拓者赵人俊、夏军、丁晶、刘权授、刘新仁;

中国水文地理学科开创者郭敬辉、杨韧章、胡方荣(也是水文学原理著作撰写者)、高维真、侯宇光(也是水文学原理著作撰写者)、杨戊;

中国水利计算学科创始人叶秉如、程文辉(也是河流不稳定流资深研究者);

中国水环境学科创始人高维真(也是“水体污染与分析计算’”、“水质预测与规划”两书作者);

中国湖泊学科创始人施成熙;

中国模糊水文学创始人陈守煜;

中国水文单值化技术开创者葛维亚;

中国水文测验及资料整编技术引领者谢家泽、蔡振、陈道弘、王锦生;

全国水资源调查、计算与评价试点技术开拓者及水资源学科创始人焦德生、葛维亚(葛兼顾《水资源研究》刊物创刊谋划者及创刊号组稿人);

水资源国际权威方子云;

国家水文数据库规划设计和技术研发开创者李曼卿、葛维亚、王秀中、周文通、张国泰、欧阳美、余达征、林成华、张世平、史金松(其中葛维亚、周文通为数据库表结构技术创建者;葛维亚为计算机数据录入格式标准研制项目主持人以及水文测站编码全国试点的主持人;);

中国实验水文开创者顾慰祖、谢世和、金栋梁、扬自珍;

河流泥沙学科开创者钱宁、窦国仁、韩其为;

中国水文地理最早野外查勘开创者杨韧章、胡方荣、高维真、葛维亚;

全国地下水文学开创者金光炎;

中国冰川之父施雅风;

中国冰川著名学者杨针娘;

中国最早的国外水文研究生及著名水文学家叶秉如、陈家琦;

中国最早的国内水文研究生及著名教授朱元生、张永平、林三益、吴正平。                   

 

          

 

 

 

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  • 多谢鼓励,老有所为。
    2020-08-05 18:50:47 0回复
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  • 读完此文章,激起敬佩之心。
    2020-08-05 15:47:22 1回复
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  • 谢谢评点!
    2020-08-05 10:27:41 0回复
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  • 谢谢西主编的鼓励!
    2020-08-05 10:27:04 0回复
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  • 涨知识了
    2020-08-05 08:29:13 0回复
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  • 中国水文单值化技术开创者葛维亚……向水文化专家致敬。
    2020-08-05 08:18:05 0回复
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