水文学

广义的水文学是关于地球系统中水的存在、分布、运动和循环变化规律，以及水循环各环节与环境之间相互联系的科学。地球水循环是水文学的核心研究对象，所涉及领域十分宽广，从大气中的水到海洋里的水，从陆地上的地表水到深层的地下水，以及水圈同大气圈、岩土圈和生物圈等地球圈层间的相互联系。由于人类主要生活在陆地上，研究陆地水文现象和过程的陆地水文学格外受到人们的重视，亦是经典水文学的主要学科范畴。美国康奈尔大学的Wilfreid Brutsacrt教授认为，现代水文学包括地球水循环中的所有方面，尤其是陆地水文过程和全球水量平衡，并以此与气象学、气候学、海洋学和冰川学等区分开来。

水文学的发展经历了漫长的探索时期。自人类伊始，人们就开始观察和了解水的特性，不断地观测各种水文现象，并逐渐形成准确完整的水循环概念。包括古代的埃及、巴比伦、印度及中国“四大古文明”的出现和发展，无不得益于河流的存在。兴修水利，驱除水害，一直伴随着悠久的人类文明史。而水文学的产生和发展可谓源远流长，与其他学科的发展紧密相关，经历了漫长的酝酿、积累和淀积，直至19世纪才出现质的飞跃。根据科学技术发展史和水文学的发展过程与历史特征，可以将其划分为以下4个发展阶段。

古代～约公元15世纪自人类诞生之初，就傍河流、湖泊而居。在尼罗河、幼发拉底河与底格里斯河、恒河和黄河等四大古文明的发样地，至少于公元前6000年就开始了原始的水文观测。古埃及在公元前3000年，古中国在公元前22世纪，就开始测量水位并观测河水涨落。大禹治水时期“随山刊木”，战国时期设于都江堰的“石人”，隋代的石刻水则，宋代的水则碑等，都是中国水位观测的历史记载。古印度在公元前4世纪，中国于公元前3世纪，最早进行雨量观测。著于公元前9～前5世纪的《诗经·小雅》中已经出现了有关水循环的表述：“如被雨雷，先集维酸”。成书于公元前4世纪的《黄帝内经·素问》中说：“清阳为天，浊阴为地。地气上为云，天气下为雨。雨出地气，云出天气”。古希腊哲学家阿那克萨戈拉（Anaxagoras，公元前500年～前428年）提出了水循环的朴素概念，但由于缺乏文献记载，有时认为古希腊哲学家泰奥弗拉斯托斯（Theophrastos，公元前371年前287年）最先提出了水循环概念，古希腊哲学家的推测涉及了水循环的主要过程。成书于公元前293年《吕氏春秋·圆道》明确地提出了朴素的水循环概念：“云气西行，云云然，冬夏不辍；水泉东流，日夜不休，上不端，下不满，小为大，重为轻，圈道也”。成书于6世纪的《水经注》是中国水文地理的先驱，记述了当时中国境内1252条河流的概况。从总体上看，这一时期水文观测较为原始，水文知识肤浅零星，为当时的生产生活提供了重要的依据。由于这一时期有关水循环的探索偏重思辨和演绎，未对水文过程开展系统观测和科学试验，水文学基本上处于一个萌芽状态。在欧洲漫长黑暗的中世纪（476年～1453年），水文学的发展同大多数自然科学一样基本上处于停滞状态。

公元15～19世纪公元14～17世纪的欧洲文艺复兴带来了思想解放和技术进步，逐步确立了实证主义的近代科学方法。意大利的列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci，1452～1519年）和法国的伯纳德·帕利西（Bermard Palissy，1510～1590年）正确地诠释了水循环概念，纠正了古典水循环概念中存在的谬误，被誉为研究水文原理的先驱。这一时期人类发明了雨量筒、蒸发器和流速仪等水文观测仪器，对流量、流速、蒸发、降水等观测达到了相当的精度，各种水文站陆续出现。水文学进入了科学的定量观测阶段，在深度和广度上扩大了水文现象的观测视野，为理论发展创造了条件，法国的皮埃尔·佩罗（Pierre Perrault，1608～1680年）和埃德姆·马略特（Edme Mariotte，1620～1684年）分别利用观测数据分析了法国塞纳河流域径流量与降水量之间的关系；英国的爱德蒙·哈雷（Edmond Halley，1656～1742年）在盐水蒸发实验的基础上发现了大气水分来源，这三人被誉为水文学的奠基者。随着17世纪牛顿力学思想与研究方法的确立，水文学的有关原理也不断地被发现。1735年英国的乔治·哈德利（George Hadley，1685～1768年）发表了热带环流论文，1738年瑞士的丹尼尔·伯努利（Daniel Bermoulli，1700～1782年）发表了水流能量方程，1775年法国的安东尼·谢才（Antoine de Chezy，1718～1798年）发表了明渠均匀流公式，1802年英国的约翰·道尔顿（John Dalton，1766～1844年）提出了反映水面蒸发与诸多影响因素之间的关系式，1851年爱尔兰的汤姆斯·焦恩·莫万尼（Thomas John Mulvany，1821～1892年）提出了汇流时间概念并使其成为径流计算推理方法的基础，1856年法国的亨利-菲利贝尔-加斯帕德·达西（Henry-Philibert-Gaspard Darcy，1803～1858年）发表了多孔介质流动定律，1871年法国的圣维南（Adhemar Jean Claude Bare de Saint-Venant，1797～1886年）提出了浅水体中渐变不恒定水流的运动规律。这些理论的创立，奠定了河道水流、蒸发、地下水运动、径流等水循环各个领域的科学基础，对水文现象的认识已经发展为比较深刻系统的知识，在研究方法上也已发展为以大量观测数据为基础进行分析、演绎和推理的近代科学方法论。1862年英国的纳撒尼尔·比德莫尔（Nathaniel Beardmore，1816～1872年）出版了Manual of Hydrology，19世纪末专门的水文研究机构开始出现，这些标志着水文学已经成长为近代科学的一门独立学科。

20世纪初～1974年20世纪后，随着防洪、灌溉、道路、市政工程建设等大量兴起，水文学中出现了大量的经验公式和参数估算方法，在解决实际问题中发挥了举足轻重的作用，水文观测站在世界范围内发展成规模宏大的观测网，为水文学理论和方法的建立奠定了可靠的数据资料基础，1932年谢尔曼（Sherman）提出了单位过程线，1938年麦卡锡（MaCarthy）提出了马斯京根（Muskingmu）洪水演进计算方法，1940年Hubbert提出了地下水流动的基本理论，1948年霍华德·拉蒂默·彭曼（Howard Latimer Penman，1909～1984年）提出了蒸散计算公式。在解决实际问题的过程中，水文学逐渐由经验的、零碎的知识走向理论化和系统化。在此时期，概率论和数理统计的理论方法引入了水文学，工程水文学和应用水文学等应运而生，成为近代水文学中最富有生气的分支学科。1922年国际大地测量和地球物理学联合会（Intermational Union of Geodesy and Geophysics，IUGG）成立首个水文学专业方向国际性学术组织，即国际水文科学协会（Intermational Association of Hydrological Sciences，IAHS），1930年美国地球物理联合会（American Geophysical Union，AGU）成立了水文分会。表明对全球水循环和水资源获得了一个整体性认识，标志着水文学作为一门学科走向成熟。

1975年至今在国际水文十年活动的基础上，UNESCO继续推进国际水文计划（International Hydrological Programme，IHP），将原来主要由温带地区积累起来的水文知识扩大到干旱地区、湿热带地区和冰川积雪地区，加强研究人类活动在水循环中所起的作用以及气候变迁与水赞源之间的关系。世界气候研究计划（World Climatic Research Programme，WRCP）于1988年发起了全球能量和水循环实验（Global Energy and Water Exchanges Project，GEWEX），致力于认识水循环在气候系统中的作用，以提高对全球尺度降水和蒸散过程的认识和预测。随着计算机技术和卫星遥感技术的迅猛发展，专业化的水文模型模拟软件大量涌现，计算模拟方法和遥感信息在水文学中的应用越来越广泛，并形成了水文信息学（hydroinformatics）。示踪技术在水文学中应用产生了同位素水文学（isotope hydrology）。水文学在自身理论和方法不断发展完善的同时，注重研究植被在水循环中的调节作用以及地表覆被变化对水文过程的影响，考虑海气相互作用及陆—气—植被耦合过程，与相关学科逐渐交叉融合起来。例如，水文学与气象学和气候学结合，形成了水文气象学（hydrometeorology）和水文气候学（hydroclimatology）。水文学与土壤学结合形成了土壤水文学（hydropedology）。考虑到植被在水循环中的作用，水文学与生态学结合形成水文生态学（hydroecology）或生态水文学（ecohydrology）。总之，这一阶段水文学在重视开展野外观测和实验室试验的基础上，开展立地、坡面、流域等不同尺度的水文过程研究，更加注重大陆尺度和全球尺度的水循环过程，以及水圈与其它圈层之间的耦合关系；注重采用遥感和数值模拟等新的技术，运用高分辨率、高性能的自动化监测仪器进行野外长期监测；注重与相关学科之间进行学科融合，并形成了诸多交叉学科。水文学在自身理论和研究方法上日益成熟，也为其他学科提供了难得的发展机遇。