水文学的困惑课件.ppt

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1、,水文学的困惑,张文华武汉大学水问题研究中心,2006年9月,1、前言 2、水文学的定义和研究范围；3、水文学向何处去？水文学应加强自然科学的属性；水文学应加强为水资源管理服务。4、水文学与其他学科的关系：水文学与数学；水文学与水力学；水文学与气象学；水文学与水资源学。,主要内容,1、前言,水文学的诞生：水是生命之源，没有水就没有人类的存在。水可载舟亦可覆舟，为了变水害为水利，充分有效的利用水为人类服务，人们在长期的社会实践中为寻求水的运动规律而产生了水力学。水力学对棱柱形河槽和管道是非常有效的，但对天然河道，特别是广阔无垠的流域却显得无能为力，因此水文学便应运而生。,近代由于计算机的迅猛发展

2、和计算数学的广泛应用，水文技术蓬勃发展，但对水文机理和规律的研究甚少，正如曾任国际水文科学协会（IAHS）主席V.klemes 在1988年IAHS大会上尖锐的指出：“尽管字典上解释水文学是一门科学，但贴着水文标签的四分之三的工作包括大量研究论文，教科书、手册及大学课程，归根到底不属于水文学的范畴，而是企图在缺乏水文学知识的条件下，解决与水文有关的技术”。,导致有些人对水文学是否能作为一门科学而产生怀疑，曾有人在中国科学新闻上发表文章说“水文不是科学”。赵人俊在1991年“从实际出发研究水文学”一文中所指出的“国内外正在讨论水文学如何发展的问题，比较公认的看法是：发展得比较好的是一些实际应用的

3、方法技术，可统称为工程水文学。,但作为水文科学，则尚缺乏科学体系与科学方法，理论水平不高，原因在哪里？有的认为没有找到一个适合的数学理论，有的认为是没有与地理地质等学科联系起来，,对水文学的定义，水文学研究的方法与范围，水文学与其他科学关系等如果没有一个明确的、清醒的认识，必将动摇水文学的自然科学基础，阻碍水文学的发展。,2、水文学的定义和研究范围,（1）水文学的定义 根据IAHS章程中的宗旨，给水文学下了如下定义：“水文学是一门关于地球上水的存在、循环、分布，它的物理化学性质以及环境包括与生活有关事物的反应的科学。”1987年中国大百科全书给水文学的定义是：“水文学是关于地球上水的起源、存在

4、、分布、循环运动等变化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系。”从上述水文学的定义中很难看出是水文学，倒是掺杂一些与水文不相干名词的组合。,水的分布是伴随水的存在而形成的，只须调查，没有什么可研究的。对水的循环，水文学家要研究的只是水循环的一部分而不是全部。水的物理、化学性质，比如说水的热、电传导率，水的氧化还原作用等，则是物理、化学家们的事，不是水文学家所需研究的对象。水与生活有关的事物，如生活饮用水、灌溉、航运等，则应由给排水、农田水利、交通等部门去研究。,Pemnan早在1961年就言简意赅地指出，水文学是一门回答“What happens to the rain（降雨后将发生什么）的科

5、学。”笔者认为：水文学是研究地球上某一特定位置的变异水体是如何由降水形成的科学。,（2）研究范围,一般有两种叙述：其一是四圈，即水圈（陆地、天空、海洋的水体）、大气圈（天空中的水汽、二氧化碳、硫化物、尘埃等）、岩石圈（地壳中的各种岩石）、生物圈（地球上的各种生物）；其二是以尺度划分，认为一个完整的水文理论必须跨越15个量级，从分子族（10-8米）到引量（107米），J.C.I.Dooge 曾建议将个幅度分为9个分级：,水文的空间尺度,笔者认为水文学研究的范围主要在流域而不论其大小，正如Dooge于1987年在罗马“未来水国际会议”所做的报告“水文学展望”一文中指出的“我们所关心的主要问题是流域

6、尺度上的非均衡问题。因此，水文理论必须是能够用于流域，并被证明是有效的。”水文学应正确理解自己在自然科学中的位置。,3 水文学向何处去？,水文学从形式上看已发展到一个顶盛时期，水文学的分支学科如雨后春笋般地产生。如动力水文学、系统水文学、水文统计学、随机水文学、模糊水文学、同位素水文学、冰川水文学、地理水文学、湖泊水文学、森林水文学、农业水文学、水资源水文学等不下几十种。,1987年美国Bras和Eagleson撰写的“水文学是被遗忘的科学”的文章认为，水文学作为地理科学中的一员，尚未建成现代的科学体系，给水文学保留的位置尚属空白。,1988年Klemes曾指出：水文学目前尚未建立其巩固的科学

7、基础。,1991年美国水文科学机遇委员会发表的“水文科学的机遇”报告认为，一个时期以来水文学过多地去解决实际问题，因而妨碍了水文学的发展，未能建立起水文学自身的体系。,同年赵人俊在“从实际出发研究水文学”一文中指出水文学“尚缺乏科学体系与科学方法”。,至少可以说这种种的水文学先天不足，因为他们的母体尚未发育成熟。,水文学究竟如何发展？主要有以下两种对立的观点：,（1）水文学应加强自然科学的属性,水文学当作地球科学的一部分，而不应再成为解决水资源工程的附庸。,（2）水文学应加强为水资源管理服务,要进一步加强对水资源开发利用和管理中的问题进行工作，才能更好地促进水文科学的发展。,4 水文学与其他科

8、学的关系,（1）水文学与数学 数学是一切自然科学的基础，它是研究数的规律，是基础科学，但它决不能替代其他科学。自然科学的研究有两个阶段，首先由各学科根据对自身的运动规律的描述，最终用数学语言表述出来（建立微分方程）。然后根据边界条件和初始条件，用数学方法去求解，但由于边界条件极其复杂,在求解的过程中往往要借助该学科的知识。,（2）水文学与水力学,水文学与水力学的共同点：都同样建立牛顿力学的质量守恒方程和能量守恒方程，都同样用数学方法求解这两个方程。,水文学与水力学的不同点：水力学是用特征线法和瞬态法等方法求解这个方程组。水文学则是用水量平衡方程取代质量守恒方程，用槽蓄方程取代能量守恒方程然后去

9、求解这两个方程。水力学是运用欧拉法研究微小窗口水体的运动规律，而水文学则是研究流域集水断面水体形成的规律。两者的研究对象和方法各不相同。,（3）水文学与气象学,水文和气象是地球上水循环的两个独立又相互联系的系统。,水文学是研究降水是如何形成径流的。气象学是研究海洋的蒸发和陆面的蒸散发是如何形成降水的。,水文系统是一个由降水输入，径流、蒸散发输出的输入输出系统。气象系统是一个由海洋蒸发、陆面蒸散输入，降水输出的输入输出系统。两个输入输出系统（连同海洋）构成一个完整、封闭的水循环系统。既然水文是一个不封闭的输入输出系统，水文循环又从何谈起？,（4）水文学与水资源,水文学是科学，而水资源则是把水作为

10、资源进行管理（调度和优化配置）。笔者认为水文学和水资源管理的任务是不同的，水文学是研究降水形成径流的规侓，水资源管理则根据现有的水文规律对水进行管理。,水文学的发展取决于对水文规律揭示的过程。既然水文学是水资源管理的基础，那么作为基础的水文学又怎能迎合非基础的水资源管理呢？水文的规律不是因为水资源管理而发生变化，倒是利用客观的水文规律对水进行管理，不能因果颠倒。,结 语,水文学是一门独立的自然科学，但与其他科学又相互关联，关键是如何处理这种关系，笔者认为我们应接受其他科学的研究成果，而不是涉足其他科学的研究领域，因为不是水文学家分内的事。希望水文学家尽量少做些没有物理机制的数学游戏和空洞的文字游戏，多做些实质性的科学探索以繁荣水文科学。,谢谢！,欢迎讨论,