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水文科学史

2020-04-09 21:01

水文科学的历史十分悠久,中国、埃及等文明古国都可以追溯到数千年以前。(中国部分参见中国古代水文学、中国水文事业及相关条目)

起源

公元前3200年左右的斯考宾(Scorpion)王朝时期,古埃及人为了水利灌溉需要把一年分成3季:泛滥季(7~10月)、生长季(11月~次年2月)和收割季(3~6月)。公元前3500~前3000年间,埃及人已在使用原始的水位计,后人称之为“尼罗计”,并建立了一套包括测量、预报与传递等内容的洪水警报系统。此后26个世纪中出现的大坝、供排水系统、治河工程、城市水利、运河、水法、坎儿井等,都标志着人类早期文明与水利的关系,同时也反映了人们对水文知识已有相当深度的了解。在中亚的咸海流域,公元前1000年左右,阿姆河(Amu Darya)下游古代灌区中可能也使用过水尺。公元前600年前后开始,西方世界还从哲学范畴或宗教理论上对水文进行过探讨。

水循环

古希腊时期有许多人开始讨论水文循环问题。希腊诗人色诺芬尼(Xenophanes,约公元前560—前478)认为海洋蒸发产生了风和云,降雨产生了河流。阿那克西曼德(约公元前610—前546或545)则描述过蒸发的原因和过程,从而揭示了水循环的一个主要环节。对于一年一度的尼罗河泛滥,阿那克萨哥拉认为是河源地区冰山雪岭消融的结果,这是最早的合理解释。希腊哲学家柏拉图(Plato,约公元前428—前348)和亚里士多德(Aristotle,公元前384—前322)虽有一些不正确的观念,但都承认降雨的产流作用。达·芬奇(1452—1519)在笔记中同时记录了两种截然相反的观点。由此可见,15世纪以前的水循环理论一直模糊不清。直到16世纪,法国人B.帕里西和J.贝森才分别以严谨正确的方式证明了水流的最终来源只能是海水或大气中的水汽。此后的2个世纪中,约翰雷和J.克劳德等人对水循环理论又作过重要补充。

蒸发降水

蒸发方面最早的实验记录,是医学之父——希波克拉底(Hippocrates,约公元前460—前377)写下的。他在实验中发现“蒸发过程中有一部分水消耗掉了”。过了几十年,印度开始广泛使用非自动雨量计测雨。亚里士多德在《气象学》一书中已正式将雨、露、雹、雪统称为“降水”,并分析了降水的力学原因。15世纪,东亚的朝鲜等地已在使用雨量计。1687~1715年间,哈雷(E.Halley,1656—1742)采用蒸发皿测定高温天气下的水面蒸发率,从而证明了地中海总蒸发量足够为所有汇入地中海的河流提供水汽来源,这实际上也就是证明了水文循环的部分概念。17世纪,雷恩爵士(Sir C.Wren)研制出了配有虹吸筒、摆钟、纸带和打孔机的自记雨量计。从1772年起,多布森连续4年记录了利物浦海岸的降水、蒸发、气温3个序列。不久,道尔顿(J.Dalton,1766—1844)采用同样方法测验了曼彻斯特附近的蒸发。到1802年,他发现在一定条件下,蒸发速率与蒸汽压力成反比,由此提出了蒸汽压力普遍理论,为蒸发计算提供了可靠依据。道尔顿理论至今仍在应用,所不同的只是附加了温度与风力的修正因子。18世纪和19世纪,又有了研究不同海拔高度的降雨变化及降雨资料一致性等问题。

地下水水文学

大约公元前1000年,西亚就存在坎儿井。1 000多年以前,伊朗人G.A.卡拉季就著有地下水专著《潜水的开发》。他在牛顿以前就用重力理论解释水流现象,并指出地下水有3种生成方式,其中一种即雨水下渗。该书还对坎儿井施工做了仔细研究。16世纪,B.帕里西和J.贝森在理论上论述了自流井与补给井原理、河流槽蓄作用与植物保水作用等。1827年,英国人史密斯(W.Smith,1769—1839)首开应用地理学原理解决水文学问题的先例。1856年,H.-P.-G.达西(1803—1858)论述了砂砾反滤层净化水技术,提出达西定律。1856年,J.J.裘布衣(1804—1866)解决了集水井辐向均匀汇流问题。接着,德国人A.蒂默(1836—1908)分析研究了重力井、自流井和集水廊道周围的汇流问题,并用注入盐水的办法成功地测到了地下水的流速。其后,奥地利人P.福希海默尔(1852—1933)开始把复杂的数学分析方法引入地下水研究领域;G.A.多布雷(1814—1896)于1887年出版了历史性专著《地下水》。

径流测算及其他

古埃及的水位计,实质是用于测洪峰。约在公元前1050年,北非出现“水量计”,似只测体积,与流量有所差别。流量这一概念,自古就被认为是等于过水断面,至少是认为只取决于过水断面大小这惟一的因素。罗马时期,海洛认为流量同时取决于流速和断面两项因素。此后,S.J.弗龙蒂努斯(约35—104)也对传统流量概念产生了怀疑,并从流速、水头、边界阻力、摩阻损失等方面作了些浅显的叙述。16世纪,达·芬奇在水力模型实验基础上,对流量计算也有正确表述,并对质量连续原理、明渠流速分布和加速运动的有限性等问题有了深刻认识。但是,这些成果一直被埋没着。1628年,罗马数学家B.卡斯泰利(约1577—1644)出版了一本流量计算的书,将新公式公之于世,使更精确的径流计算成为可能。1674年,P.佩罗(1608—1680)在另一部书中推测出塞纳河流域年雨量与径流量之比为6∶1。不久,E.马略特(1620—1684)利用双浮标测流手段引入平均流速概念,首次建立定量水文学;在塞纳河雨量径流量比例问题上,也得到了更精确的数值(>6)。1775年,著名的A.de谢才(1718—1798)公式问世,但在法国影响不大。1779年,P.L.迪比亚(1734—1809)推导出了复杂的堰流公式。由此开始,许多学者着手探索普遍公式。19世纪流量公式很多,主要分为山区急流型与平原缓流型两类,许多人曾试图统一它们,只有R.曼宁(1816—1897)考虑了大气压力影响及量纲一致问题后,得出了比较满意的公式。区别于以往的经验公式,1851年爱尔兰人T.J.摩尔凡尼(1822—1892)建立“纯理论方法”研究径流。在测流方面,1610年前后,意大利医学家圣托里奥发明了流量计。胡克流量计也在17世纪问世。18世纪,毕托管出现后,人们轻而易举就能测得各种水深的流速,从而打破了以往“河面流速小,河底流速大”的错误观念。同一世纪,R.沃尔特曼(1757—1837)研制了旋杯式流量计。19世纪初,人们在莱茵河、台伯河、加龙河、易北河、奥得河等地用实测或推算等综合方法建立流量资料系列,长的达107年,最短的也有13年。德国人H.伯格豪斯(1797—1884)是最早整理分析这些资料的学者之一。在1850、1862年相继出版的《水力学用表》及其修订本《水力学手册》中,包罗了当时世界各地使用的水文数据,作者还就水力比降与流速、降雨与流量及降雨与水源补给等关系作了探讨。单位线是水文计算中的重要概念之一,可以肯定地说,它在1932年L.R.K.谢尔曼之前就已经发明。20世纪的水文学与其他各学科相互影响,发展迅速,已成为人类实施可持续发展战略的重要基础学科。

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