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"第1章緒論

水是人類生存的基本條件，是社會生產(chǎn)活動最重要的物質(zhì)基礎，是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的單元要素(劉昌明等，2001)。水資源數(shù)量的多少、質(zhì)量的好壞直接影響到人們的身體健康、社會的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，同時水資源狀況還會改變地球的環(huán)境質(zhì)量，在很大程度上控制著全球環(huán)境的變化。

21世紀以來，社會經(jīng)濟發(fā)展的國際化更進一步深化了資源利用的全球化進程，同時全球氣候變化也將對水循環(huán)的認識提升到社會、經(jīng)濟和政治層次的高度；水作為重要的資源和生態(tài)環(huán)境要素成為世界各國關注的焦點。2002年8月在約翰內(nèi)斯堡舉行的"關于可持續(xù)發(fā)展世界首腦會議"明確要重視地球上的水循環(huán)，參加的國家決定通過聯(lián)合制定觀察水循環(huán)要素來改善水資源管理，并針對發(fā)展中國家和經(jīng)濟轉型中的國家，鼓勵和促進其資源共享和利用，提供空間技術應用條件。全球觀測戰(zhàn)略伙伴計劃(Integrated Global Observing Strategy Partnershipplan，IGOSP)制定了"全球水循環(huán)集成觀測"(Integrated Global Water Cycle Observation，IGWCO)，IGWCO從全球到地方多時空角度改進觀測水循環(huán)演變能力，其確定的全球水循環(huán)主題，既保持了全球水循環(huán)觀測系統(tǒng)的連續(xù)性，又能將不同來源(衛(wèi)星系統(tǒng)、原地網(wǎng)絡、野外實驗、新的數(shù)據(jù)平臺)的數(shù)據(jù)與新興數(shù)據(jù)進行同化和模型化，向水循環(huán)綜合觀測系統(tǒng)的戰(zhàn)略方向發(fā)展。為了保持和推進全球水循環(huán)觀測戰(zhàn)略并提供導向框架，IGWCO全球水循環(huán)主題致力于支持氣候變化監(jiān)測、世界水資源有效管理和可持續(xù)發(fā)展、資源開發(fā)和環(huán)境管理的社會應用、數(shù)字天氣和水文預報，以及水循環(huán)關鍵問題的研究，包括了降水、土壤含水量、流量和地表蓄水量、冰凍圈變量(積雪覆蓋、雪水當量、冰和地表冰)、云和水蒸氣、蒸發(fā)和蒸散發(fā)、地下水、水質(zhì)，以及觀測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫等專題。

當前遙感技術廣泛應用于水文變量和參數(shù)的獲取，主要包括氣溫(Klemen and Marion，2009)、降水量(Huffman and Bolvin，2009；Michaelides et al.，2009)、積雪(Hock，2005)、蒸散發(fā)(Dominqu et al.，2005；Markus and Michael，2008)、土壤水(McCabe et al.，2008)等，以及地表覆被狀況、地形地貌、河網(wǎng)水系等水文下墊面因子。20世紀60年代以來，遙感技術迅速發(fā)展，形成了比較完整的科學與技術體系；然而遙感技術目前還難以直接觀測河川內(nèi)徑流量，制約了遙感技術在水文學中的應用。為了突破這一瓶頸，遙感科學和水文學相結合，研發(fā)了許多耦合遙感信息的水文模型，這些模型通過結合遙感提供的下墊面條件信息(土地利用、地形、植被等)，以及降水、蒸散發(fā)等氣象水文參數(shù)，可使遙感技術在分析流域產(chǎn)匯流特性和確定水文模型參數(shù)等方面發(fā)揮巨大作用。此外，應用遙感信息傳輸模型和生態(tài)水文參數(shù)反演算法，還可以獲取一些傳統(tǒng)水文方法難以獲取或觀測不到的信息。同時遙感具有周期短、同步性好和及時、分布式等特點，能夠很好地滿足水文模擬實時、空間分布的需求。

然而，也正是因為遙感技術不能直接探測傳統(tǒng)水文學所關注的河川徑流量和水文情勢，學術界從20世紀70年代就開始不斷探索遙感技術在水文學中的應用潛力，力求回答"遙感在水文研究中究竟能扮演什么樣的角色？"。Schultz和Engman(2005)總結了兩種遙感技術在水文學中應用的觀點，一種認為"如果你了解遙感，你就可以在不存在數(shù)據(jù)，甚至是不具備地面測量條件的地方獲得水文數(shù)據(jù)，因此，發(fā)展中國家就能夠根據(jù)需要的容量設計出一個飲用水供水水庫"；另一種則認為"由于不可能通過遙感數(shù)據(jù)估計地面水資源和地表徑流，因此遙感并不是十分有用"。

幾十年來，遙感技術在水文中的不斷應用表明，盡管遙感技術不能直接探測到徑流量，但是它獨有的特點使得遙感在水文應用中的優(yōu)勢凸顯，包括時空分辨率高，可以提供長期、動態(tài)和連續(xù)的數(shù)據(jù)資料；探測范圍廣，可以獲取偏遠地區(qū)的信息；提供的信息為面狀信息，并具有周期短、信息量大和成本低的特點。這些優(yōu)勢使得遙感技術在水文學上的應用不斷深入，可以直接或間接測量常規(guī)手段無法測量到的水文變量和參數(shù)。

隨著遙感科學與技術的不斷發(fā)展，在遙感科學與技術和水文學之間逐漸形成了一個學科交叉的研究領域——遙感水文。遙感水文不同于水文遙感，水文遙感重點是研究水文要素遙感獲取的理論、方法和技術，而遙感水文則是將遙感技術與水文模型相結合，構建遙感信息驅動的水文模型(Schuurmans et al.，2003；Simon et al.，2008)，直接或間接地應用遙感數(shù)據(jù)獲取流域空間尺度的水文因子、生態(tài)環(huán)境因子和社會經(jīng)濟因子數(shù)據(jù)，開展水文狀況和水資源利用的空間計算與分析，完成流域水文概況模擬、洪水過程監(jiān)測預報、水資源估算和水資源配置等方面的任務。

1.1水文學發(fā)展

1.1.1水文學基本概念

水文學是研究地球表層中水體的形成、演化、分布、運動和變化規(guī)律的一門學科。當前有多種水文學的定義，1962年美國聯(lián)邦政府科技委員會把水文學定義為一門關于地球上水的存在、循環(huán)、分布，水的物理、化學性質(zhì)以及環(huán)境(包括與生活有關的事物)反應的學科；1987年《中國大百科全書》給出的水文學定義為關于地球上水的起源、存在、分布、循環(huán)運動等變化規(guī)律和運用這些規(guī)律為人類服務的知識體系。還有定義認為，水文學是研究各種水體的形成、分布、理化性質(zhì)、運動變化規(guī)律以及水體與周圍環(huán)境相互作用的科學。上述定義在水文學的研究對象上存在一定的差異，但都將水文學的研究對象界定為地球上自然界中全部的水或一切形態(tài)的水體，似乎過于寬泛。實際上，目前水文學僅限于對地表水體和地下飽和水體的研究，即對包括河流、湖泊、沼澤、冰川、積雪等在內(nèi)的陸地水體、海洋和地下水的研究，尤其集中于對陸地水體的研究。水文學以自然界的水為研究對象，主要研究任務是揭示水的形態(tài)、演化、分布、運動、質(zhì)量等規(guī)律，分析水與自然環(huán)境和人類社會的相互關系和相互作用，探討人類的水資源開發(fā)、利用和保護。

1.1.2水文學發(fā)展階段

人類在防御水旱災害和水資源開發(fā)利用中，不斷認識水文現(xiàn)象，積累水文知識，逐步形成和發(fā)展了水文學。1674年Perrault和Mariotte定量研究了降水形成的河流和地下水量大小，標志著水文學的產(chǎn)生。1856年達西(Darcy)提出了著名的地下水達西定律，這是水文學發(fā)展的重要標志，隨著水文學的知識逐漸豐富，水文觀測實驗儀器不斷被發(fā)明和使用，水文學理論體系逐步完善。

水文學的發(fā)展過程可以劃分為以下4個階段(管華，2010)。

(1) 知識積累時期(16世紀末以前)。人類自從在地球上出現(xiàn)，為了自身生存與發(fā)展的需要，就開始與水發(fā)生關系，開展了大量利用水資源和防御洪澇干旱災害的活動。中國傳說中的大禹治水大約發(fā)生于5000年前，公元前4000年左右，古埃及人為了開墾土地而在尼羅河上修筑水壩，古希臘人和古羅馬人也開挖了灌溉水渠。在中國，公元前256年至公元前221年李冰父子修建了都江堰，公元581年至公元618年開挖了京杭大運河。

這一時期開始出現(xiàn)原始的水位、雨量觀測和水流特性觀察，并對水文現(xiàn)象進行了定性描述和推理解釋。公元前3500年至公元前3000年古埃及人開始觀察尼羅河水位，公元前2300年古代中國人開始觀測河水漲落，公元前4世紀古印度人開始觀測雨量。公元1500年，達·芬奇(Leonardo da Vinci)提出了浮標測流速的方法，發(fā)現(xiàn)了過水斷面面積、流速和流量之間的關系，提出水流連續(xù)性原理。

古代哲學家對水的循環(huán)運動及其起源等問題也產(chǎn)生了極大興趣，提出和發(fā)展了相關思想。公元前450年至公元前350年，柏拉圖(Platon)和亞里士多德(Aristotle)就已經(jīng)提出了水循環(huán)的假說；公元前27年，維特魯維厄斯(Marcus Vitruvius)提出了具有現(xiàn)代概念意義的水循環(huán)理論；到15世紀末，達·芬奇和伯納德·帕里希(Bernard Palissy)對水循環(huán)已有較高水平的認識和理解。

這一時期，尤其是早期，人們對水循環(huán)等水文現(xiàn)象的了解和認識還是很不的，主要是基于猜想和假說，而沒有基于觀測數(shù)據(jù)的推理，缺乏對水文現(xiàn)象的理論解釋。因此，這一時期尚未出現(xiàn)科學意義的水文學。

(2) 學科形成時期(17世紀初～19世紀末)。17世紀，水文觀測實驗儀器不斷被發(fā)明和使用，各國普遍建立起水文站網(wǎng)和制定了統(tǒng)一的觀測規(guī)范，使實測水文數(shù)據(jù)成為科學分析水文現(xiàn)象的依據(jù)，從而使水文研究走上了科學的道路，促進了現(xiàn)代水文學的形成。當時，佩羅(Perrault)、馬略特(Mariotte)、哈雷(Halley)等開展的一系列研究工作，被認為是現(xiàn)代水文學誕生的標志。佩羅應用他對塞納河流域降雨和徑流進行3年觀測所獲得的降雨徑流數(shù)據(jù)和流域面積數(shù)據(jù)，說明了徑流的降雨成因，首次將對水循環(huán)的認識提高到定量描述的高度。馬略特在塞納河上，建立了基于流速和河流橫斷面面積的流量計算方法。哈雷通過對地中海海水蒸發(fā)率的觀測，提出了蒸發(fā)是河流徑流的主要支出途徑的觀點，發(fā)展了水循環(huán)理論。

18世紀，水文學理論和水力學理論不斷涌現(xiàn)；19世紀，實驗水文學逐漸興起，地下水文學得到很大發(fā)展。1738年，伯努利(Bernoulli)提出了水流能量方程，即著名的伯努利定理。1775年，謝才(de Chezy)提出了明渠均勻流公式，即著名的謝才公式。1802年，道爾頓(Dalton)提出了闡述蒸發(fā)量與水汽壓差比例關系的道爾頓定理。1856年，達西基于實驗提出了地下水滲流基本定律，即著名的達西多孔介質(zhì)流動定律。1871年圣維南(de SaintVenant)推導出了明槽一維非恒定漸變流方程組，即著名的圣維南方程組。1889年，曼寧(Manning)提出了計算謝才系數(shù)的曼寧公式。1895年，雷諾(Reynolds)提出了描述紊流運動的雷諾方程組和紊流黏滯力的概念。1899年，斯托克斯(Stokes)推導出了計算泥沙沉降速度的斯托克斯公式。這些的研究成果的出現(xiàn)，為水文學的形成奠定了豐富的理論基礎。

18世紀以后相關研究發(fā)展更為迅速，為水文學定量研究的發(fā)展提供了深厚技術基礎，同時水文觀測也取得了重大進展。1610年圣托里奧(Santorio)研制出了流速儀，1639年卡斯泰利(Castelli)研制出了雨量筒，1732年皮托(Pitot)發(fā)明了新的測速儀皮托管，1790年沃爾特曼(Woltmann)研制出了轉子式流速儀，1870年埃利斯(Ellis)發(fā)明了旋槳式流速儀，1885年普賴斯(Price)發(fā)明了旋杯式流速儀。對河流的系統(tǒng)觀測始于19世紀。19世紀初，歐洲部分國家開始對萊茵河、臺伯河、加龍河、易北河、奧得河等開展水情觀測，并結合理論推算等綜合方法，建立了流量資料序列，并于1865年開始觀測死海水位。在中國，1742年北京開始記錄逐日天氣和雨雪起訖時間和入土雨深，1736年黃河老壩口開始設立水尺并觀測水位和報汛，1841年北京開始以現(xiàn)代方法觀測降水量。

這一時期實現(xiàn)了對水文現(xiàn)象的定性描述向定量表達的轉變，初步建立起了水文學的理論基礎，但是很多成果都是經(jīng)驗性的，水文學基本理論尚未建立起來。

(3) 應用水文學時期(20世紀初～60年代)。進入20世紀，為滿足世界上大規(guī)模興起的防洪、灌溉、水力發(fā)電、交通運輸、農(nóng)業(yè)、林業(yè)和城市等建設事業(yè)的需要，服務于社會和水利工程建設的水文預報和水文水利計算技術得到快速發(fā)展，極大地促進了水文學研究方法的理論化和系統(tǒng)化。

1914年黑曾(Hazen)提出了應用正態(tài)幾率格紙選配流量頻率曲線的方法，1942年福斯特(Foster)提出了應用皮爾遜Ⅲ型曲線選配頻率曲線的方法，至此概率論與數(shù)理統(tǒng)計的理論與方法開始被系統(tǒng)地應用于水文研究。1930～1950年，水文現(xiàn)象理論分析得到發(fā)展并開始取代經(jīng)驗分析，這一進展的具體體現(xiàn)是謝爾曼單位線、霍頓滲透理論、泰斯方程、彭曼水面蒸發(fā)計算公式等的提出。

這一時期的水文觀測也得到進一步發(fā)展，美國等西方國家開始實施水文研究方案，水文站逐漸在世界范圍內(nèi)發(fā)展成為國家規(guī)模的站網(wǎng)。"