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什么是水文科学

葛维亚 最后编辑于 2018-08-01 12:00:00
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什么是水文科学

葛维亚

  水文科学就其原理和机制而言,属于理科。因为它是以数理逻辑,研究水循环、水平衡、水体运动动态规律和随机规律的科学。但是它与水资源开发利用,水利水电工程的建设具有最为密切的关系。出于培养科技人才的需要,在高等院校里把水文分为理科和工科两个专业,侧重不同,又理论与实际,科学与技术,研究与实践紧密结合。

       理科的河流水文学是研究水体宏观运动规律及其数量和质量物理化学特性的水理科学。水文学物理特性当中,包括河流输沙率、含沙量、河床演变、泥沙淤积等项目的水沙特性,而水文学化学特性当中,包括水质、水源保护等项目的环境特性。野外现场测验和调查所获得的水体特征项目资料又是检验理论研究和应用技术的唯一依据。在河流水文学研究中,径流成因及其洪枯水设计标准的估算与产流、汇流规律,常常成为研究的重点。

       水文现象作为一种必然性的动态表征,它的研究常常采用数学模拟或流体力学方法两种途径,揭示其成因机制,从而找出变化规律,这是水文研究中的重中之重。水文现象作为一种偶然性的随机表征,它的研究常常采用不确定性数学方法,揭示其统计规律,这是水文研究中发展迅速, 而又十分重要的研究方向。如俄国水文研究所、英国水文研究所、美国地质调查局、美国天氣局等国外机构的研究人员里,有众多数学和物理专业出身的博士、博士后承担偏重于第一种途径的研究探索工作,也有不少水文或水利专业博士、博士后从事第二种途径的研究开发工作,交叉研究者也大有人在。

       水文的工科专业,侧重于技术的开发和实践,提出了水文计算、水文预报、水利计算、河床演变、环境监测与治理等实用技术。广泛应用于水资源的调查,计算、分析、评价及开发应用。广泛应用于水利水电工程的规划、设计、施工与管理调度。它为合理的流域规划,水资源的分区与梯级开发的最优化,科学的水库容量,坝体高度,水电站规模(主要为装机容量,年平均发电量),河道疏浚与调度,施工围堰设计等提供依据。

       不论水文理科或工科,均已流体力学,气象学,天气学,气候学,动力气象学以及自回归分析、脉冲函数、拉普拉斯变换、不完全伽玛分布、蒙特卡洛统计检验、最优化方法、线性逐步回归、数学物理方程、随机模拟、渐消记忆的最小二乘、拓扑关系分析、线性与非线性系统、随机模拟、分布式系统及模拟、灰色系统、决策支持系统、模糊识别和控制、风险信息系统、神经网络系统、GIS技术等等作为基础。上述这些方法在水文技术范畴内的应用, 全面反映了水文研究借鉴《应用数学》、《计算数学》、《概率论》、《统计数学》、《控制论》、《系统论》、《信息论》、《模糊论》。

       自上世纪70年代开始,我们利用电子子计算机研究开发水文科技取得成功。1978年我们使用长江委计算中心购买的我国电子管DJS-6计算机,编制水文计算程序。198210月,经美国天气局推荐,我们在广州购买一台当时国内较先进的Cromenc3型电子计算机 (亦称为系统3机,美国制造)Z80操作系统,内存16KB,外存64KB,使用8英寸硬盘,售价八万多元,体积有小办公桌那么大。1983年同时购买了体积小巧, 由日本夏普公司制造的PC-1500计算机,并把《水利工程实用水文水利计算》一书的中有关防洪、治涝、灌溉、发电、航运、施工以及管理应用的计算编制了一套完整的程序包和使用手册。计算后不仅可以输出计算结果,还可以输出有关图表。受到全国欢迎,推广了200多套。1984年以后又使用美国的第三代(半导体)IBM小型机,第四代(半导体芯片)286384486个人机(PC)。从计算机内存来看,最早为8KB16KB,美国286256KB,美国386-486机为512KB-2MB1MB=1000KB ),现在使用的计算机的内存最少2 GB 4GB1GB=1000MB),这比当初的8KB增大25万倍-50万倍。从计算机体积来看,当初一个256KB的小型机,要放在50平米的房内,如今4GB的电脑只有45厘米高,47厘米宽,20厘米厚。我们几十年来使用过的编程高级语言有AGO60(数据输入很落后,使用纸带打孔)、Basic Fortran等。1986年开始,通过十几年的努力,又对更为复杂的电脑数据库管理软件、应用软件进行研究开发,初步建成了国家水文数据库网络。

    回忆近百年来水文技术研究所走过的道路,在第一种研究途径方面,一些研究者首先瞄准了全面描述水流运动规律的圣维南方程,如果求解成功,对理论水文学发展,无疑是一大贡献。遗憾的是圣维南方程组是一个双曲面偏微分方程组,就目前认识而言,很难求得解析解,过去不少人的尝试均无功而返。只能采用近似求解方法。例如瞬态法、特征线法、有限差分法(显格式差分法、隐格式差分法)、有限單元法以及水文学方法(如“马斯京根”法,水量平衡法,槽蓄曲线法,水面线法,水位流量关系单值化法)等。

  历史经验证明,水文理科和工科有机结合,才是水文科技发展的正确抉择。    

             

                                                       

                                                                                   中国水文标志

                                                       

                                                                                    水循环原理图

                                                          

                                                                                     水平衡逻辑框图

                                                   

                                                                                     水文防汛自动管理系统

   

                      

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