冰川水文學

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更新時間: 2013-09-04

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冰川水文學(glacier hydrology)是冰川學與水文學之間的邊緣科學,是近期形成的新學科。它研究地球表面、本身的水文現象、過程及其基本規律,為冰雪的開發利用和冰雪洪水災害防治提供基本科學依據。冰川水文學還研究由冰川、積雪融水補給的的水文情勢及其預報。廣義的冰川水文學包括雪水文學和冰川水文學,有時還合稱冰雪水文學。

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冰川水文學冰川變化觀測
冰川水文學(glacier hydrology)是冰川學與水文學之間的邊緣科學,是近期形成的新學科。它研究地球表面、本身的水文現象、過程及其基本規律,為冰雪的開發利用和冰雪洪水災害防治提供基本科學依據。冰川水文學還研究由冰川、積雪融水補給的的水文情勢及其預報。廣義的冰川水文學包括雪水文學和冰川水文學,有時還合稱冰雪水文學。

1 冰川水文學 -學科內容

冰川水文學的內容可歸納為

冰川水文學巴旺冰川
①融雪徑流計算和預報,包括季節性積雪的產水量計算,融雪徑流對河流徑流的調節作用,融雪徑流影響因素和融雪徑流預報分析技術的研究。

②冰川表面、冰內和冰床處的水流的研究,包括冰面消融與的關係,冰面的、過程研究;根據冰川補給河流的流量記錄,通過鹽、染料或其他示蹤物試驗及理論分析,對冰川內部、冰床處排水系統和冰床處水的流動方式(R水道、N水道和層流)的研究;冰內、冰下水壓的直接測定或理論計算;冰內冰下空穴現象和溫性冰川晶粒間水的滲透性的研究。

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③的水文分析和計算,包括冰雪融水的形成、冰雪融水水文特徵值的分佈規律和流域研究;冰雪融水補給河流的侵蝕作用、沉積物搬運和堆積作用的研究。

④與冰川和積雪有關的專門的水文學問題,包括根據研究過去氣候,冰川徑流的自然調節和人工調節,冰川阻塞湖潰決及其形成機制,融雪洪水的形成理論與計算方法。

⑤與冰川水文學研究直接有關的冰川、冰、雪的基礎理論研究,包括冰川、積雪的全球性空間分佈規律及其在不同時間上的變化,冰雪的物理特性(溫度、運動、變化)和力學特性,(積累與消融)機制,冰雪體內相態變換,積累、消融的觀測與計算方法等。

2 冰川水文學 -研究特點

水文循環是自然界各種水體的存在條件和相互聯繫的紐帶,是水的各種運動、變化形式的總和,是水文科學研究的主要對象和核心內容;而在水文循環過程中,水文現象所表現出的特點,決定了水文科學研究的特點。

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冰川水文學世界某些冰川物質平衡水平
首先,水文科學把各種水文現象作為一個整體,並把它們同大氣圈、岩石圈、生物圈和人類活動對它們的影響結合起來進行研究。例如,在藉助水量平衡方法研究某個流域的水量變化時,既要考慮流域周圍大氣中水汽輸送,也要考慮流域上空大氣中水分含量的變化;既要考慮降水,也要考慮蒸發;既要考慮流域的地面徑流,也要考慮流域土壤含水量和流域內外地下水的交換,而且還要考慮流域內水利工程,以及其他人類活動的影響。

其次,水文科學主要根據已有的水文資料,預測或預估水文情勢未來狀況,直接為人類的生活和生產服務。例如,提供洪水預報和各種水情預報,對旱澇災害的發生作出中長期預測,為水利工程在未來運轉時期中可能遇到的特大洪水作出概率預估等。

3 冰川水文學 -發展簡史

萌芽時期(遠古至約公元1400年)

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冰川水文學天山大部分高峰都有現代冰川發育
在尼羅河、幼發拉底河、恆河和黃河這些古老文化發祥地的遺迹中,我們可以看到這一時期已經開始了原始的水文觀測。最早的水位觀測是在中國和埃及開始的。

約公元前22世紀,中國傳說中的大禹治水,已「隨山刊木」(立木於河中),觀測河水漲落。此後,戰國時李冰設於都江堰的「石人」,隋代的石刻水則,宋代的水則碑等,表明水位觀測不斷進步。

最早的雨量觀測於公元前四世紀首先在印度出現,中國於公元前三世紀的秦代已開始有呈報雨量的制度,到了公元1247年,已有了較科學的雨量器和雨深計算方法,並開始用「竹籠驗雪」以計算平地降雪深度。明代劉天和在治理黃河工作中,已採用手制「乘沙量水器」測定河水中泥沙的數量。

中國古籍《呂氏春秋》中寫道:「雲氣西行云云然,冬夏不輟;水泉東流,日夜不休,上不竭,下不滿,小為大,重為輕,國道也。」提出了樸素的水文循環概念。成書於公元約六世紀初的《水經注》中,記述了當時中國境內1252條河流的概況,成為水文地理考察的先驅。

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誠然,這些原始的水文觀測和水文知識是膚淺零星的,但已為當時生活和生產提供了重要的水文資料。例如,根據雨量多少決定稅收的多少,根據上游的水位向下游傳遞水情等,標誌著水文科學的萌芽。

奠基時期(約1400~1900)

歐洲文藝復興帶來的科學思想的解放和科學技術的進步,為水文科學發展成為獨立的學科奠定了基礎。這一時期,水文儀器的發明使水文觀測進入了科學的定量觀測階段。

1663年雷恩和胡克創製了翻斗式自記雨量計,1687年哈雷創製測量水面蒸發量的蒸發器,1870年埃利斯發明旋槳式流速儀,1885年普賴斯發明旋杯式流速儀。這些近代水文儀器使流量、流速、蒸發、降水的觀測達到了相當的精度,利用這些近代水文儀器進行水文觀測的各種水文站陸續出現。

1746年,中國在黃河老壩口設立了全國第一個正規水位站,開始系統觀測水位,並進行報汛。這些成就使水文現象的觀測視野在深度和廣度上空前擴大,為水文科學在理論上的發展創造了條件。

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在這一時期,近代水文科學理論開始逐漸形成。1674年佩羅提出了水量平衡的概念,成為水文科學最基本的原理之一;1738年伯努利父子發表水流能量方程,1775年謝才發表明渠均勻流公式;1802年道爾頓建立了研究水面蒸發的道爾頓公式;人類運用冰雪水文知識解決生產實際問題的歷史悠久。中國西部高山區的山麓地帶的農業主要靠冰雪融水灌溉。18世紀初,中國的《西域水道記》記述了新疆木札爾特冰川融水。1836年J.B.傑維斯根據流域積雪面積進行融雪產水量預報。1856年,達西發表了描述孔隙介質中地下水運動的達西定律;1851年莫萬尼提出了匯流和徑流係數的概念,並發表了計算最大流量的著名推理公式,水文研究開始進入經驗性的定量估算階段。二十世紀初,水文科學解決實際課題的方法由經驗的、零星的,逐漸理論化和系統化。

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應用水文學興起時期(約1900~1950)

冰川水文學天山烏魯木齊河源Ⅰ號冰川平衡線變化
這一時期,水文科學在觀測方法,理論體系和研究領域等方面繼續取得新成就,但它最重要的進展是應用水文學的興起。

進入20世紀,特別是第一次世界大戰以後,大量興起的防洪、灌溉、交通工程和農業、林業乃至城市建設向水文科學提出越來越多的新課題,解決這些課題的方法也由經驗的、零碎的逐漸理論化和系統化,水文科學的應用特色逐漸表現出來。

首先,從1914年到1924年,經過黑曾、福斯特等人的工作,把概率論、數理統計的理論和方法系統地引入了水文科學,使水文變數(如洪峰和洪量)和它出現的機率聯繫起來,為預估工程未來運行時期內可能出現的水文情勢開闢了道路。1914年黑曾第一次用正態機率格紙選配頻率曲線;1924年福斯特完整地提出了皮爾孫-3型頻率曲線的分析方法,把概率論和數理統計的理論、方法引入了水文學。這些貢獻使水文變數與它們出現的概率聯繫起來,為制定工程設計標準和推求指定設計標準下的水文變數奠定了基礎。

1932年謝爾曼提出的單位過程線;1933年霍頓建立的下滲公式;1935年麥卡錫等人提出的馬斯金格姆流量演算技術等,為根據降雨過程計算流量過程和河道洪水演進計算提供了方法,為流域洪水預報和河道洪水預報奠定了基礎;1938年斯奈德提出了比較實用的綜合單位線,為無資料地區水文計算開闢了途徑。這些成就為水文科學解決各類實際問題在理論和方法上準備了條件,標誌著應用水文學初步形成。從1932年到1938年,謝爾曼、霍頓、麥卡錫、斯奈德等人在產流和匯流計算方面取得開拓性進展,為根據降雨推算洪水開闢了道路。隨後,克拉克、林斯雷等人在單位線、多個水文變數聯合分析和徑流調節的理論、方法等方面發展並豐富了上述的內容。在此期間,水文站在世界範圍內發展成規模宏大的水文站網系統,這些成就為應用水文學的興起在理論上、方法上和資料條件方面奠定了基礎,並率先形成了它最重要的分支學科——工程水文學。接著,農業水文學、森林水文學、都市水文學也相繼興起。

20世紀40年代,融雪計算得到了發展。1940年J.C.奧爾特估測了季節性積雪產水預報的發展趨勢並指出,在預報季節融水徑流中統計學上的數學多重相關分析法將被廣泛應用。1942年B.S.巴恩斯首先提出用數學計算方程預報融雪徑流。

1945年克拉克提出瞬時單位線的概念;納什於1957年建立了瞬時單位線方法;1946年波利亞科夫提出可用馬爾科夫鏈來描述年徑流系列,把隨機過程理論和方法引入水文學;1951年柯勒和林斯雷提出了用圖解方法,解決多元非線性回歸的暴雨徑流多變數水文特徵合軸相關圖,促進了各水文要素的綜合效應的研究;1949年,林斯雷和柯勒、保羅赫斯合著《應用水文學》;同年,姜斯敦和克樂斯合著的《應用水文學原理》、美國土木工程師學會編著的《水文學手冊》等應用水文學專著陸續問世,系統闡述了應用水文學理論和方法,標誌著應用水文學進入了成熟階段。總結了這一時期的成就,標誌著應用水文學的誕生。應用水文學,以它直接為生產和生活提供多方面服務這一鮮明特徵,獲得迅速發展,成為近代水文科學體系中最富有生氣的分支學科。

1956年美國陸軍工程兵團出版了《雪水文學》,詳細地論述了雪水文學中的洪水設計問題,對影響融雪徑流的熱源作了深入討論。1960年,美國陸軍工程兵團在《融雪徑流》一書中,以對流、輻射和傳導等熱輸送理論為基礎計算了融雪量,推導了降雨期間和碧空天氣下融雪的物理方程。此後,對冰雪融水通過冰川的流動和冰雪融水的水壓開展研究。

1972年,J.威爾特曼研究冰川底部水流,發現冰下水壓是離冰下水道中心線的距離而變化的現象。J.F.奈、F.C.弗蘭克等深入研究了溫性冰晶粒間融水的滲透性。1976年奈推導了充滿水的水道中非穩定水流的四個微分方程式即融化速率與冰流動之間差異方程、水流動的連續方程、水的流動方程和能量方程。隨著新技術在冰川水文學中的廣泛應用,冰川水文學研究進展迅速,取得了新的成就,出現了冰川水文學的專門論著,使冰川水文知識體系日益完整。

二十世紀50年代后,應用水文學不斷發展學科自身的理論和方法,緊密聯繫工程實際,開拓了如水資源利用、人類活動的水文效應等新的研究領域,形成了工程水文學、農業水文學、森林水文學、都市水文學和醫療水文學等分支學科。

4 冰川水文學 -參考資料

[1] 中國學科網 http://www.chinabaike.com/article/316/327/2007/2007022259093.html
[2] 學友堂 http://www.3i3i.cn/Technology/Geography/200701/124009.html

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