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全国水文地理总论
第一章 绪 论
远古时期 ,人类择水而居 ,傍水而存 ,依水而发展 ,沿河流而繁衍 ,创造了尼罗河的古埃及、底格里斯河与幼发拉底河的古巴比伦、黄河的古代中国、印度河的古印度四大文明古国 .AK.比斯瓦斯 (2007 )的考证表明 ,远古的水文研究可追溯到公元前3000年,中国大禹治水的传说也发生在公元前2200年前 .欧洲文艺复兴带来的科学思想的解放和科学技术的进步 ,为水文研究发展成为一门独立的学科奠定了基础 .近代水文仪器的发明使水文观测进入了科学的定量观测阶段 ,1674年P.佩罗提出的水量平衡概念、1738年伯努利父子发表的水流能量方程、1775年 Ade谢才建立的明渠均匀流公式、1802年J.道耳顿建立的水面蒸发公式、1856年 HPG.达西发表的孔隙介质中地下水运动的达西定律等,奠定了水文科学的理论基础 .当代水文科学发展迅速 ,尤其是对水资源问题的深化研究,使水文研究在广度和深度上都得到进一步的拓展 .水文研究已不再单纯限于自然科学与技术科学的范畴 ,而更多地涉及社会、经济与环境等方面 ,成为自然、环境、社会及经济学等多学科的交叉研究领域 .
水文地理学是地理科学的一个重要分支学科 ,具有悠久历史 .在中国 ,水文学研究的早期发展包揽了远古地理学对山川研究与远古治水工程 .地球科学 ,特别是地球物理的兴起,使水文学的研究形成三个相互关联的方向 ,即水文学的地理方向、工程方向与地球物理方向 .当今世界随着全球气候变化、全球水系统研究的深入 ,特别是生态与环境的保护和修复的要求 ,水文地理学的内涵也处于不断地变化和发展之中 ,地理学的水文研究范围与内涵不断扩大 ,并更加关注环境水文、生态水文等方面的问题 .由于全球变化研究的综合性 ,水文学的研究需要进一步增强地貌学、气象学、气候学、土壤学、植物地理学以及人文地理学等相关地理分支学科知识的交叉与融合 ,如地貌水文单位线、水热平衡与蒸发计算、土壤与森林水文学以及基于人水和谐关系的流域管理等研究 .水文地理学或者水文学的地理学方向的研究 ,其地位与作用更加重要 ,其研究更能适应时代发展的形势 .
水文地理学已经逐渐从传统的地球水体的分布规律描述 ,向结合水文过程内在机理的实验与定量研究方向深入与转化 .因此 ,作为水文地理学基本理论的水文循环研究将进一步增强 .在理论上 ,将与地球物理的水文研究相互渗透 ,发展当代地球系统科学的研究 ;在实践上 ,将与水利工程的水文研究相结合 ,迎接水资源和与水相关的水问题的挑战与机遇 ,为经济、社会的可持续发展做贡献 .
第一节 水文地理学与地理水文学
一、基本概念
水文地理学是研究地球表面各类水体性质、形态特征、变化和时程分配与地域分异
规律的学科,为水文科学的三大分支学科之一,也是水文科学最早的分支学科之一苏联大百科全书.详细地论述了水文地理学的四方面科学内涵:首先,水文地理是水文学的分支,是对水体及其个别部分的描述.第二,水文地理研究包括陆地水文和海洋水文两个分支.第三,陆地水文主要研究和描述各种陆域水体,包括河、湖、冰以及它们在具体地点上的总体、它们的位置及自然地理条件、水文情势及人类活动的影响等.通过各种水体的研究,以揭示陆地水在空间 (地区)分布上的规律性.海洋水文地理从事世界海洋分区的描述,其任务包括研究水文气象情势、世界大洋中的大地测量、海岸特性及海底地形动力学等学科的综合.第四,水文地理研究多基于普通水文学和自然地理学所确定的规律性,使用的基础资料多来源于水文调查、水文年鉴等.
早期的水文地理学主要侧重于对地表各类水体及其区域自然条件的描述和制图.近代水文研究则采用了大量的数理方法,在定性描述的同时又增强了定量计算与分析.水文地理研究方法来源于水文科学和地理学,且偏重后者.其研究以地理系统学说作为基础,主要是综合气候、地质、地貌、土壤、植被等自然地理要素,对水文地理现象作全面的分析,是研究工作的基本途径.
西欧与俄国早期的水文地理学与航海活动的关系密切,海洋航道水深的测量与制图成为水文地理研究的主要任务,相应的研究机构也多隶属于海洋部门.例如16世纪英国、法国、荷兰与俄国在海军设立水文地理机构.近现代水文地理研究则涉及陆地水文和海洋水文两方面.1953年苏联水文学家达维多夫出版的专著 .苏联水文地理.,着重于苏联全国及主要河流水文特征的描述 (Довыдов,1953).1961年联邦德国地理学家
R.凯勒 (Kel
er,1961)的专著 .水与陆地水量平衡———水文地理学导论.,以水量平衡原理为基础,全面论述了陆地的主要水体及其与地理景观的密切关系.英国的 RJ.乔列 (Chorley,1969)主编的 .水、地球和人类———水文学、地貌学及社会经济地理学的综合.,全书用12章全面地叙述了水文研究的地理学问题.1977年美国水文地理学家DH.米勒 (Mil
er,1977)出版了 .地球表面的水———生态系统水动态学导论.一书,着重从生态系统角度,论述了水文过程.苏联水文学家 ГД加里宁的专题论文 .控制陆地水体的一些理论问题.,特别重视水文与水资源的地理研究,系统地论述了地理地带形成与水分热量条件关系的基本规律 (Калинин,1972).
对水文地理学的研究,过去多限于自然方面,现代则更偏重于资源、环境、生态与灾害.水文水资源研究的兴起极大地促进了水文地理学的发展.国际水文十年 (UNESCOGIHD)、国际水文计划 (UNESCOGIHP)、国际测地联合会的国际水文科学协会 (21世纪议程.(ESSP/
IUGG/IAHS)、.、地球系统科学联盟的全球水系统计划 GWSP)等行动,特别注重以下三方面的水文科学研究:
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人类对水资源需求的不断增加,极大地提高了水文水资源研究的地位,作为一门综合性学科的水文科学得到快速发展.例如,国际测地联合会 (水文科学协会 (IAHS),业已确立了 “水文科学”的地位. IUGG)下设的国际
(2)早在
“国际水文十年”就明确提出了水文学作为水资源管理的基础.水资源问题的综合性质使得水文研究的范围不断地扩充,已不再满足于单纯自然科学与技术科学领域的研究,而更多地围绕社会、经济与环境方向的探讨.
(3)考虑环境可持续发展的协调,21世纪水文科学的地理研究方向更加趋向水资源的可持续开发与利用需要,成为当今水文科学界所关注的一个主要热点.适应可持续发展的迫切需求,现代水文地理研究更加强化了与其他自然、环境、社会及经济科学交叉,形成多学科交叉研究的优势.
20世纪70年代末、80年代初,一些学者提出了 “地理水文学”一词,明确地指出要用地理学的原理、观点和方法,系统地去研究水文现象的一般规律.例如,1981年АН.安基波夫等 (Антипов、Кор
ытныйы,1981)撰写的 .水文研究的地理学观点.专著,提出了 “地理水文学” (ГeoгpафоGгидродогия)一词,以景观学为核心,详细地阐述了水文研究的地理学途径.他引用苏联、美国与联邦德国等国水文学家的观点,指出水是自然因素之一,因而研究水文过程必然要分析所有的自然因素及其综合.安基波夫等还就全球性自然资源保护问题,指明地理水文学方向研究的迫切性:“水及水体是地理环境中的客观存在,是区域形成的活跃因素,只能把水体看作与自然界其他因素是相互联系的,不管主观意识如何,一个因素的变化必然引起其他因素的变化.”在实践问题上,安基波夫等指出:“在解决复杂而综合性的问题上 (如梯级水库的利用、山区开发、调水等),常常需要水文工作者积极参与,而这些问题能否成功的关键,是怎样把部门学科在地理的基础上予以综合.”安基波夫等还从哲学方法论观点论证了水文学中地理方向是不可缺少的.
中国水文地理研究非常强调人与自然的关系.例如,从1978年以后,中国地理学会水文专业委员会的历届全国水文学术大会上都强调人与水关系的研究,面向可持续发展.因此,适应水问题研究发展的需要,并与工程水文学相配合,深化水文研究的理论与实践,地理水文研究更拓宽了传统水文地理学的研究方向与内涵,有利于学科研究发挥自己的特色;促进水文科学与地理科学其他分支科学的横向结合,如气候学、地貌学、土壤地理学等,尤其是与人文、经济地理学的结合,形成新的边缘学科领域和产生新的学科生长点;通过水与资源、社会、经济、生态与环境的广泛联系,有利于综合性研究优势的发挥,改变水文地理研究的传统方法与手段,加强计算技术、遥感遥测与信息系统方法的应用,提高研究工作的水平.地理水文学的提出是一种发展,而不是对水文地理学的否定.综上所述,水文地理学 (hydroGgeogrAphy)与地理水文学 (geoG grAphicAlhydrology)均属水文研究的地理学方向,两者相互联系,拥有相同的研究对
图11 地理科学与水文科学的关系示意图
象.若就学科的亲缘性看 ,水文地理学靠近地理学 ,而地理水文学靠近水文学 ,两者同属于地理学与水文学的交叉分支学科 (图11 )(刘昌明 ,1994 ),且随着研究内容和范围的不断扩展 ,两者也进一步融合 ,并吸纳相关学科技术与方法 .因此 ,从学科发展的角度出发 ,本书将水文地理学与地理水文学融合在一起 ,统称为水文地理学 .
二、中国古代水文地理认识
中国古代对水文地理的认识有着悠久的历史和丰富的资料文献 (黄伟纶 ,1984 )山海经 .是先秦古籍 ,分为 .山经 .和 .海经 .两部分 ,是一部富于神话传说的最古老的地理书 .其中的 .山经 .描述和记载了许多有关水文地理方面的内容 ,如鲧禹治水等.春秋战国时期 (公元前8世纪至前5世纪 )完成的 .管子 .是一部较为科学的地理著作 .在其 “度地 ”篇中 ,首次提出了河流的分类 ,将河流分为 “经水 ”(干流)、 “枝水”(支流)、“谷水 ”(季节河)、“川水 ”(人工河)、“渊水 ”(湖泊 )等;在其 .水地 .篇中 ,首次对春秋诸国的水质作了评价 ;另外 ,在 .地员 .篇中 ,还对水质与地下水的关系进行了论述 .
孔子 (公元前551 ~前479年)所编选的 .尚书 .中的 .典尧 .、 .益稷 .、 .禹贡 .等篇用自然分区法记述了当时中国地理情况 ,对黄河流域的山脉、河流、湖泊、沼泽、洼地等 ,进行了详细的记述 ,可能是中国最早的一部具有很高科学价值的水文地理著作.例如 ,.典尧 .中记载了帝尧时期 (公元前23世纪 )黄河发生的大洪水 ,这是最早有记载的黄河洪水 .同时期的左秋明所编著的 .国语 .、 .左传 .,其后的 .史记 河渠书.(司马迁 ,公元90年)、 .汉书 地理志 .(范晔等 ,公元450年)等,都记载了许多流域的水文地理资料 .
东晋常璩 (约公元291 ~361年)所撰的12卷 .华阳国志 .是一部较为系统的地方志,史料精辟 ,为中国现存早期的水文地理著作 水经 .是中国第一部记述水系的专著,简要记述了中国137条主要河流的水道情况 ,但对水道的来龙去脉及流经地区的地理情况记载不够详细、具体 .北魏郦道元 (公元466或472 ~527年)在 .水经 .的基础上 ,考证、纠正了 .禹贡 .、.山海经 .、.汉书 地理志 .等书中的不当之处 ,著述了影响深远的 .水经注 .巨著 ,其中对1250多条河流从河流的发源到入海 ,举凡干流、支流、河谷宽度、河床深度、水量和水位季节变化、含沙量、冰期以及沿河所经的伏流、瀑布、急流、滩濑、湖泊等都广泛搜罗 ,详细记载 .所记湖泊、沼泽500余处 ,泉水和井等地下水近300处,伏流有30余处 ,瀑布60多处 (据赵永复对全书所记载的湖、淀、陂、泽、泉、渠、池、故渎等统计 ,实记2596处).
.徐霞客游记 .是中国另一部地理巨著 .徐霞客 (公元1587 ~1641年)在书中详细记载了所考察区域的地理、水文、地质、植物等现象 ,特别是发现长江的上源为金沙江,而不是岷江 ,从而纠正了此前千百年来的 “岷江导江 ”的传统错误 .另外 ,他还发现了澜沧江和怒江是两条不同的河流 ,并辨明了红河的流向 (黄伟纶 ,1984 ).
在水文学理论研究方面 ,中国古代思想家对水文循环的概念进行了深入的探索 .公元前4世纪完成的 .黄帝内经 素问 .中说 :“地气上为云 ,天气下为雨 ,雨出地气 ”,这些阐述了基本的蒸发和降雨及其转换的概念 .成书于公元前239年的 .吕氏春秋 .卷 6
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