[科普中国]-工程水文学

工程水文学是指分析流域水文要素的时空变化规律，为水利水电工程及其他涉水工程的规划、设计、施工和管理提供水文资料，进行水文计算和预报的技术和方法的学科。水文学的分支学科之一。主要内容包括水文测验、水文计算、水文预报等。1

研究对象水文学是地球科学的组成部分、也是现代科学技术的一个领域，它有许多实际用途，通常称为“应用水文学”。工程水文学就属于应用水文学，它是将水文学的基本理论与方法应用于工程建设（如水利水电能源工程、城市工矿用水工程、农田水利工程、修建铁路、公路、桥梁、国防建设等）的一门学科。它主要研究与水利工程的规划、设计、施工和运行管理有关的水文问题。2

研究内容工程水文学的主要研究内容包括水文计算和水文预报。

(1)水文计算

主要从概率统计的角度测算工程实施中和完成后，很长时期内可能遇到的各种概率的水文现象的大小与过程。例如：预测某水利工程千年一遇的设计洪峰有多大，千年一遇的设计洪水过程?“千年一遇的设计洪峰”即为“特定概率的水文现象的大小”，“千年一遇的设计洪水过程”即为“特定概率的水文现象的过程”，此处的水文现象即为洪水。

水文计算主要为规划设计提供依据。

(2)水文预报

预报指定地点或地区一定时期内（预见期）水文现象的大小及变化过程。例如：预报某河流断面处未来24h的水位有多高，预报某次降水所产生的流量过程?主要为现场施工及工程运行管理提供水文依据。

常研究的水文变量包括：设计年径流、年输沙量、设计洪水。为此，应了解水文现象的基本规律以及水文学的研究方法。3

研究方法由于水文现象具备确定性规律、地理分布规律和统计规律，研究方法相应地分为成因分析法、地理综合法和数理统计法。

成因分析法根据水文过程形成的机理，定量分析水文现象与其影响因素之间的成因关系，并建立相应的数学物理方程。例如，根据实测降雨、蒸发、河道流量资料，建立降雨量和径流量之间的定量关系；在水文资料整编中，建立的水位——流量关系；在河流洪水短期预报中，根据降雨过程预报某一地点河流断面出现的洪水过程等。应该说明的是，由于水文现象的复杂性，成因分析法需要在对天然的水文过程进行概化的基础上，建立概念性或经验性的水文分析方法和计算模式，与实际结果相比，计算成果是存在一定误差的，只要误差在允许范围内，计算成果就是合理和可行的。

地理综合法依据水文现象所具有的地区性和地带性分布特征，综合气候、地质、地貌、土壤、植被等自然地理要素，分析水文要素的地理分布规律，利用已有的水文资料建立地区性经验公式，绘制水文特征等值线图。地理综合法应用较为简易，主要用于无资料中小流域的水文特征值的分析计算。地理综合法具有明显的经验性，计算误差相对较大，对成果的可靠性和合理性需作更深入分析。

数理统计法以概率论和统计学为基础，通过分析大量历史资料，揭示水文现象的统计规律，从概率的角度定量预估设计地点未来可能的水文情势。例如，运用频率分析方法，求得水文要素的概率分布，从而得出工程规划设计所需要的水文设计值；针对两个或多个变量之间的统计关系，采用相关分析途径，建立设计变量与参证变量之间的相关关系，以插补展延水文系列。数理统计法得出的结果总是存在抽样误差的，其大小主要取决于所采用水文系列样本的长度。然而，大部分地区人类进行水文观测的时间很短，造成水文统计结果抽样误差相对较大，对规划设计的涉水工程安全性构成影响。因此，工程水文学很重视各种降低水文统计参数抽样误差的研究，并对工程安全影响进行分析和补偿。

在工程水文学中，由于影响水文过程的因素是非常复杂的，成因分析法和数理统计法往往不能截然分开，需结合使用才能较好地描述水文过程，有效地减少计算成果的误差。在实际情况下，即使是认识到水文现象的成因规律，往往也是定性的认识，不能从确定性途径建立相应的数学物理方程，需要根据实测资料，借助于统计学途径建立相关关系。同样，要采用数理统计法建立设计变量与参证变量之间的相关关系，必须采用成因分析方法选择合适的参证变量，才能使得建立的相关关系具备可靠性和有效性。因此，认真地学习、了解和掌握水文过程的成因规律、地理分布规律和统计规律，掌握工程水文学的研究方法的特性，才能较好地解决工程实际问题。4

应用人类生存的基本环境空间由气圈、水圈和地圈构成，其中气和水只是水分的不同存在形式，均属于水文学的研究范畴。工程水文学为人类了解自然规律、科学安排国民经济活动提供依据。因此，它的应用范围很广，如拦河筑坝的水能源利用工程，水资源工程，跨河或穿河桥梁等公路与铁路交通工程，城市与工矿给排水工程，水、油、气等能源的管道输送工程，邻河工程，河流资源的保护与可持续利用，等等。工程水文学应用于工程建设的各个阶段。

工程规划设计阶段，根据工程设计标准，需要通过水文分析与计算，预测工程运用期河流或流域的来水量及其变化，以便确定工程的设计规模。若区域水量预计过大，则工程规模偏大，导致工程投资过大。反之，则工程规模偏小，致使建筑物达不到预期设计标准，运用标准降低。在这一阶段，工程对环境的影响评估、水土保持方案编制等也需要水文学知识。

工程施工阶段需要预报或估算施工期的设计洪水，以便确定围堰、导流建筑物的规模，同时水文预报还为科学安排施工进度所用。例如，河流环境下的桥墩基础施工常用围堰、导流堤。

工程运行管理期间需要进行实时水文预报，提高工程运用效益，水文洪水预报更是汛期防汛、应急抢险、防灾减灾、保证工程建筑物安全等所必不可少的重要信息。跨河公路及铁路桥梁等工务管理，每年都需要根据水文预报和线路、大桥设备情况在汛前进行防汛准备，尽早采取预防措施，避免交通线路发生洪水灾害。5

发展历史早在公元前3000年埃及人即开始观测尼罗河水位。公元前450～350年希腊柏拉图和亚里斯多德提出水文循环的臆说。公元前250年，我国李冰在四川都江堰设立石人测量水位。此后公元100～200年东汉王充在《论衡》一书中对水循环概念作了论述。公元1452年颁布“测雨器制度”。公元1452年意大利达·芬奇用浮标测流速，并通过观测论证r水循环，一些水文学的基本原理开始形成。这个时期被认为是水文学的萌芽时期。

公元1600～1900期间，实验水文学兴起，一些水文测验仪器制造成功，如毕托管、瓦尔德曼流速仪等；科学家发现了一些水文学原理，如流传至今的伯努利方程、谢才流速公式、达西定律、曼宁公式等。特别是公元1 674年法国人P·贝罗特在巴黎出版了《喷泉的起源》一书，将人们对水文循环的认识提高到数量描述的高度。书中记叙他在塞纳河进行了三年的雨量观测，计算出塞纳河在伯格底以上流域内的年径流量只是降水量的六分之一，这一结论的公布，被认为是现代水文科学的开始。为了纪念他对水文学的贡献，1974年联合国教科文组织和世界气象组织联合在巴黎举行了水文科学300年纪念会。这一时期被称为水文学的奠基时期。

1900～1950年各国逐渐建立正规的水文站、雨量站，更深入的探讨水文规律，水文学基本理论有很大发展并被应用于生产实践，应用水文学得到广泛的发展。由于科学技术的进步，水利、交通、动力等大量开发，迫切需要解决工程建设中的许多水文问题；实测水文资料的增长，水文站网的发展，促进了水文预报和计算工作。除出现了许多经验公式和预报方法外，还出现了许多结合成因分析的推理公式、合理化公式以及相关因素预报方法等，并对水文过程的机制进行了探讨。如1932年谢尔曼的汇流单位线，1940年霍顿的下渗理论等。同时，统计方法也开始用于水文分析计算。这一时期被称为水文学的实践时期。

50年代之后，世界水文科学出现了新的因素：一是水文科学理论的深入研究和有关学科的渗透，促使水文计算和水文预报出现了许多新方法；二是电子计算机的应用大大改变了水文科学的面貌，遥感、遥测和核技术的应用使水文科学进入了现代化时期，如水文自动遥测系统、联机预报系统及各类水文模型等。特别是全球定位系统、地理信息系统和遥感遥测系统技术在水文学中的应用，为水文实时预报展示了广阔的前景。许多新的水文分支学科，如随机水文学、城市水文学、农业水文学、森林水文学、环境水文学也已出现。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学