水文實驗

根據(jù)服務(wù)目的和內(nèi)容，水文實驗研究可分為：徑流形成過程的研究，包括降水、蒸散發(fā)、降雨徑流關(guān)系、徑流過程、土壤水及地下水動態(tài)的研究；為環(huán)境保護服務(wù)的水化學(xué)平衡和植物生態(tài)實驗研究；為水資源評價，為農(nóng)田、森林、草原、都市建設(shè)和為水土保持服務(wù)，對不同自然地理條件和人類活動影響下的水文規(guī)律的實驗研究；干旱半干旱地區(qū)、灌溉地區(qū)、內(nèi)陸河地區(qū)以及某些特殊地區(qū)（如巖溶、冰川、凍土地區(qū)）和特殊徑流形式（如泥石流）的水文實驗研究等。各種水文要素的測驗方法和儀器設(shè)備研究也是重要內(nèi)容。以上各種類型的水文實驗研究，主要通過自然實體和人工模擬體進行，前者如代表性流域、實驗流域、各種試驗場等；后者如人造的集水區(qū)、人工坡面和土體等。這兩者是相輔相成的。例如在徑流實驗中，一方面由代表流域作長期、系統(tǒng)觀測，又由實驗流域作有控制的對比、重復(fù)試驗，有時仍難以達到目的，還必須利用條件更概化和單一的徑流場、稱重土體、人工模型等在野外或?qū)嶒炇覂?nèi)用進一步控制的人工仿雨或人工氣候條件，對各別水文因素作進一步的實驗和分析。

水文實驗包括三部分：①實驗設(shè)計。以有效、經(jīng)濟為目標(biāo)，對各試驗項目的組合、實驗場所、實驗方式、實驗程序，各輪試驗的邊界條件和重復(fù)次數(shù)等，作出研究和判斷，初步設(shè)計出試驗方案和分析途徑。例如下滲實驗，可包括均質(zhì)和非均質(zhì)土的積水下滲、降雨下滲等試驗組合，分別以小流域、徑流場、土柱模型作為試驗場所，選不同降水強度和歷時、積水深度、土壤水分狀況、水力傳導(dǎo)度等為試驗變量，并進行一定次數(shù)的重復(fù)試驗。②測試手段。要滿足實時、實況觀測和保證必要的精度，當(dāng)常規(guī)測試方法達不到目的時，需設(shè)計和運用特殊的儀器和方法。如上例中，用中子法測定土壤水分時，對下滲鋒面研究達不到要求，需另用γ法或電阻法作補充，或另設(shè)計放射性同位素示蹤方法進行研究。③實驗結(jié)果分析。常用方法有黑箱分析，建立確定性數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)物理方程求解等。有時還可同時用幾種方法進行分析比較，并通過分析檢驗實驗設(shè)計，改進實驗方法，以求得表達所研究對象物理過程的數(shù)學(xué)模型。2100433B

中文名稱：水文實驗

英文名稱：hydrological experiment

定義：為探求和研究水文現(xiàn)象和過程并為其成因進行分析而進行的室外測試與室內(nèi)實驗。

所屬學(xué)科：地理學(xué)（一級學(xué)科） ；水文學(xué)（二級學(xué)科）

18世紀(jì)，流速儀、自記雨量計和皮托管等水文測驗儀器的精度都有提高。伯努利方程、謝才公式等水力學(xué)原理相繼提出，為水文實驗準(zhǔn)備了條件。19世紀(jì)初，水文實驗開始興起，許多學(xué)者進行了各種單項水文要素的實驗研究，出現(xiàn)了很多著名的水文實驗成果。1802年J.道耳頓通過蒸發(fā)實驗，首次認(rèn)識到蒸發(fā)量與水汽壓力之間的關(guān)系，建立了道耳頓公式。1855年，J.B.弗朗西斯通過地表水流實驗，得出了堰流公式。1856年，H.-P.-G.達西經(jīng)過地下水滲透實驗，建立了達西定律。1933年,R.E.霍頓進行下滲實驗,得出了著名的霍頓下滲公式等。20世紀(jì)30年代，開始了有系統(tǒng)的流域水文實驗研究。1933年蘇聯(lián)建立瓦爾代(曾譯“瓦爾達依”)水文科學(xué)研究實驗站，美國設(shè)立科威塔水文實驗站。從20世紀(jì)40年代開始,室內(nèi)水文實驗研究開始發(fā)展起來,1943年美國人C.F.伊澤德等進行了室內(nèi)模擬降雨條件下的坡面匯流實驗，1952年J.P.馬米紹作了簡單的農(nóng)業(yè)流域水文模型，接著匈牙利、蘇聯(lián)也相繼進行了各類室內(nèi)水文模型實驗。中國的水文實驗研究始于20世紀(jì)50年代，1953年治淮委員會建立了青溝排水實驗站，官廳水庫開始了水庫水文實驗，黃河水利委員會開始進行河流泥沙實驗。1957年治淮委員會和江蘇省水利廳、1958年長江流域規(guī)劃辦公室等單位開始進行人類活動水文效應(yīng)的實驗研究，1958年中國科學(xué)院、水利電力部水利水電科學(xué)研究院水文研究所建立了室內(nèi)比尺模型并用于檢驗單位線的基本假定。

水文實驗是為探求、研究水文現(xiàn)象和過程并對其作出成因分析的科學(xué)實驗。實驗研究可分為：徑流形成過程的研究，包括降水、蒸發(fā)、降雨徑流關(guān)系、徑流過程、土壤水及地下水動態(tài)的研究；為環(huán)境保護服務(wù)的水化學(xué)平衡和植物生態(tài)實驗研究；為水資源評價、為農(nóng)田、森林、草原、都市建設(shè)和為水土保持服務(wù)，對不同自然地理條件和人類活動影響下的水文規(guī)律的試驗研究；干旱半干旱地區(qū)、灌溉地區(qū)、內(nèi)陸河地區(qū)以及某些特殊地區(qū)（如巖溶、冰川、凍土地區(qū)）和特殊徑流形式（如泥石流）的水文實驗研究等。

水文現(xiàn)象受許多自然因素制約和人類活動影響，一般的水文觀測和分析難以清楚地揭示其物理過程和相互關(guān)系，需要在野外或?qū)嶒炇覂?nèi)用特定的程序、裝置和設(shè)備進行系統(tǒng)的、有控制的觀測和試驗。水文實驗研究的任務(wù)主要有：研究天然條件下和人類活動影響下水文現(xiàn)象的物理機制以及各種水文要素之間的相互聯(lián)系；研究現(xiàn)時水文學(xué)理論和應(yīng)用中有待認(rèn)識和解決的問題；檢驗已有的理論和方法。

室內(nèi)水文實驗一般可分為專項水文模型試驗和流域模型試驗兩類。

（1）專項水文模型試驗。例如：1.坡面流模型試驗，多為可調(diào)節(jié)控制的不同坡度和長度的單一坡面，采用不透水材料或一定土層作坡面，以研究坡面水流的特性；2.土柱入滲型試驗，可作各種土壤組成和降水特性的土壤水動態(tài)試驗；3.河道模型試驗，一般用水工試驗方法研究水文特性；4.專門為儀器性能和測驗方法二進行的試驗，如在恒定非均勻流條件下，為研究流速儀測流誤差而進行的模型試驗，為研究推移質(zhì)采樣器效率而進行的水槽率定試驗等。

（2）流域模型試驗。以自然流域為原型，按一定比例縮尺制作的相似模型。也可用于試驗流域內(nèi)各項治理措施對暴雨洪水的影響效應(yīng)等課題。流域模型現(xiàn)在還不能模擬流域整個地下土層等特性，一般多制作與流域地表幾何形態(tài)相似的模型，表面是用不透水材料，不能用于研究降水徑流關(guān)系，只適用于試驗地表匯流。除模型體以外，水文實驗室應(yīng)設(shè)計、裝備相應(yīng)的試驗用水系統(tǒng)和模型的水流測量裝置。對于流域、坡面和土柱等不同水平面積的模型，需要設(shè)計專門的人工降雨器，要求覆蓋整個模型承雨面積，雨滴及其下落等雨勢特性接近自然狀態(tài)，保持降雨的均勻性。模型上還應(yīng)布設(shè)一定的雨量計，測定人工降雨的雨率。試驗時可控制雨率變化，這種操作也可利用微型電子計算機，實現(xiàn)按任一預(yù)置雨型進行的自動化人工降雨試驗。實驗室模型試驗用水，一般均由蓄水池、水泵機組合輸水管道等組成的水源循環(huán)系統(tǒng)提供。模型的水流測驗儀器的精度要求較高，流量一般需用體積法測量并記錄全過程。水位需用靜水器做高精度測量和記錄。當(dāng)常規(guī)小流速儀不適用時，應(yīng)設(shè)計制作專門的測速裝置。為觀測模型水流動態(tài)，如流域、坡面匯流的跡線和速度，河流交匯段和河口區(qū)不同水流界面的滲透和混勻等現(xiàn)象，可投放染料作定性或定量的判斷和觀測。對于土壤入滲鋒面移動和土壤水分?jǐn)?shù)量和能量狀況等特性，需有專門的器具或應(yīng)用核技術(shù)等近代測量技術(shù)進行。

1.1 研究內(nèi)容

水文實驗研究一般可劃分為4種類型：（1）水文循環(huán)要素（降水、蒸發(fā)、徑流、土壤水、地下水、水質(zhì)、泥沙、冰清等）實驗研究；（2）自然區(qū)域（以山區(qū)、平原區(qū)、河網(wǎng)區(qū)劃分或以濕潤區(qū)、干旱區(qū)劃分，或喀斯特區(qū)、牧區(qū)等）水文實驗研究；（3）人類活動的水文效應(yīng)（森林、城市、農(nóng)業(yè)、水利工程等）實驗研究；（4）水文測試技術(shù)（實驗途徑、測試儀器和方法、新技術(shù)應(yīng)用等）實驗研究。

水文實驗研究1.2 研究途徑

可概括為基于水量平衡原理和對比實驗兩種途徑。前者要求對一個流域系統(tǒng)，除觀測降雨和徑流外，主要研究徑流形成的中間環(huán)節(jié)，如蒸發(fā)、土壤水、地下水等，以深入探索徑流形成的物理過程。早期的坡面水平衡試驗場和近期發(fā)展起來的實驗流域就是這種途徑的典型代表。利用條件更概化和單一的場地或土柱體（如蒸滲儀）進行蒸發(fā)和土壤水動態(tài)物理模擬實驗，也屬于此類途徑。對比實驗研究的方法，廣泛應(yīng)用于探索自然的或人為因素在徑流過程中的作用。這種方法要求有意思地尋求流域下墊面特性，突出所要對比實驗的因素，對同一流域進行前后對比，或一組流域進行平行對比。對于山區(qū)流域，由于其特性差異很大，一般缺乏可對比的條件。同時，對于有些人類活動措施，如城市化、水利水保工程措施等，也很少具有平行對比的條件。因而較多地采取前后對比實驗的途徑。

水文實驗研究1.3 研究程序

基本上可分為3個階段：根據(jù)任務(wù)要求進行實驗設(shè)計：完善測試技術(shù)手段，保證資料的精度和完整性；及時分析研究實驗結(jié)果。與一般水文站閘觀測要求不同，水文實驗研究不是為了積累資料，而是依據(jù)所提任務(wù)具有明確求解目的的研究工作。因此首先需要進行實驗設(shè)計，即針對課題任務(wù)在制定初步求解方式的前提下，對實驗場所的選定、實驗的方式和途徑、觀測試驗項目的數(shù)量及其組合等實驗方案，作出盡可能周密和科學(xué)的安排。在實驗進程中，要階段性地檢驗和修正方案設(shè)計，使研究不斷深化，以達到求解和近似求解的目的。正確的測試技術(shù)和方法是保證水文實驗研究取得成果的核心，比常規(guī)水文測驗要求更加嚴(yán)格。這不僅指某個要素的實時觀測試驗要求有一定的精度，更重要的是，對課題內(nèi)容有關(guān)要素觀測試驗的精度（包括時程和數(shù)值）和實驗數(shù)據(jù)的記錄處理要求相應(yīng)配套，具有對比性。有些實驗，尤其是室內(nèi)的模擬裝置，可應(yīng)用計算機技術(shù)控制實驗過程，在觀測試驗作業(yè)、數(shù)據(jù)采集、信息處理等方面構(gòu)成一個自動化或半自動化的系統(tǒng)。實驗結(jié)果的分析，有數(shù)學(xué)物理方程求解，建立確定性水文數(shù)學(xué)模型作參數(shù)識別及統(tǒng)計分析等兩三種方法進行分析研究。