水文實(shí)驗(yàn)研究2. 發(fā)展概況

水文實(shí)驗(yàn)研究是隨著水資源開發(fā)利用和水文工作的深入發(fā)展而開始的。20世紀(jì)30年代起，蘇聯(lián)和美國相繼建立了一些綜合性的水文實(shí)驗(yàn)站或基地。現(xiàn)在世界上廣泛設(shè)立綜合性的水文實(shí)驗(yàn)流域用于水文實(shí)驗(yàn)研究。在“國際水文十年”期間（1965~1974年）又提出代表流域的概念。擬作為具有相似水文特性地區(qū)眾多流域的代表，在較長觀測系列資料的基礎(chǔ)上，通過分析其水文要素與其氣候氣象之間的關(guān)系變異，來鑒別和研究人類活動(dòng)影響效應(yīng)等水文問題。中國在50年代初開始進(jìn)行水文實(shí)驗(yàn)研究。研究的領(lǐng)域包括徑流、蒸發(fā)、地表水與地下水關(guān)系、水土保持、河道泥沙、水庫、湖泊、河口和測驗(yàn)技術(shù)等各方面，其中水庫、泥沙方面已達(dá)到較高水平，綜合性的水文實(shí)驗(yàn)基地在建設(shè)中。

水文實(shí)驗(yàn)研究在不斷發(fā)展的進(jìn)程中，面臨一些迫切需要解決的重要問題，如實(shí)驗(yàn)成果如何移用外延，水文循環(huán)中的水質(zhì)以及與此有關(guān)的環(huán)境生態(tài)等，都是比較突出的問題。實(shí)驗(yàn)研究的途徑也有待改進(jìn)完善。如用簡單對比方法研究森林水文問題曾得出過相互矛盾的結(jié)果，必須深入進(jìn)行物理機(jī)制的實(shí)驗(yàn)研究，才有可能探索其本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其一般規(guī)律。電子技術(shù)、空間技術(shù)和核技術(shù)對采集處理水文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示水文現(xiàn)象的物理規(guī)律等方面具有重要意義，要研究推廣應(yīng)用 。

1.1 研究內(nèi)容

水文實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究；（3）人類活動(dòng)的水文效應(yīng)（森林、城市、農(nóng)業(yè)、水利工程等）實(shí)驗(yàn)研究；（4）水文測試技術(shù)（實(shí)驗(yàn)途徑、測試儀器和方法、新技術(shù)應(yīng)用等）實(shí)驗(yàn)研究。

水文實(shí)驗(yàn)研究1.2 研究途徑

可概括為基于水量平衡原理和對比實(shí)驗(yàn)兩種途徑。前者要求對一個(gè)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(yàn)場和近期發(fā)展起來的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行蒸發(fā)和土壤水動(dòng)態(tài)物理模擬實(shí)驗(yàn)，也屬于此類途徑。對比實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的因素，對同一流域進(jìn)行前后對比，或一組流域進(jìn)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(shí)，對于有些人類活動(dòng)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(shí)驗(yàn)的途徑。

水文實(shí)驗(yàn)研究1.3 研究程序

基本上可分為3個(gè)階段：根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：完善測試技術(shù)手段，保證資料的精度和完整性；及時(shí)分析研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果。與一般水文站閘觀測要求不同，水文實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即針對課題任務(wù)在制定初步求解方式的前提下，對實(shí)驗(yàn)場所的選定、實(shí)驗(yàn)的方式和途徑、觀測試驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)量及其組合等實(shí)驗(yàn)方案，作出盡可能周密和科學(xué)的安排。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中，要階段性地檢驗(yàn)和修正方案設(shè)計(jì)，使研究不斷深化，以達(dá)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(shí)驗(yàn)研究取得成果的核心，比常規(guī)水文測驗(yàn)要求更加嚴(yán)格。這不僅指某個(gè)要素的實(shí)時(shí)觀測試驗(yàn)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(yàn)的精度（包括時(shí)程和數(shù)值）和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄處理要求相應(yīng)配套，具有對比性。有些實(shí)驗(yàn)，尤其是室內(nèi)的模擬裝置，可應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)控制實(shí)驗(yàn)過程，在觀測試驗(yàn)作業(yè)、數(shù)據(jù)采集、信息處理等方面構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)化或半自動(dòng)化的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)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(jì)分析等兩三種方法進(jìn)行分析研究。

根據(jù)服務(wù)目的和內(nèi)容，水文實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)的研究；為環(huán)境保護(hù)服務(wù)的水化學(xué)平衡和植物生態(tài)實(shí)驗(yàn)研究；為水資源評價(jià)，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?xiàng)l件和人類活動(dòng)影響下的水文規(guī)律的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究等。各種水文要素的測驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究，主要通過自然實(shí)體和人工模擬體進(jìn)行，前者如代表性流域、實(shí)驗(yàn)流域、各種試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，一方面由代表流域作長期、系統(tǒng)觀測，又由實(shí)驗(yàn)流域作有控制的對比、重復(fù)試驗(yàn)，有時(shí)仍難以達(dá)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?yàn)室內(nèi)用進(jìn)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(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和分析。

水文實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)的研究；為環(huán)境保護(hù)服務(wù)的水化學(xué)平衡和植物生態(tài)實(shí)驗(yàn)研究；為水資源評價(jià)、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?xiàng)l件和人類活動(dòng)影響下的水文規(guī)律的試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究等。

水文現(xiàn)象受許多自然因素制約和人類活動(dòng)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?yàn)室內(nèi)用特定的程序、裝置和設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的、有控制的觀測和試驗(yàn)。水文實(shí)驗(yàn)研究的任務(wù)主要有：研究天然條件下和人類活動(dòng)影響下水文現(xiàn)象的物理機(jī)制以及各種水文要素之間的相互聯(lián)系；研究現(xiàn)時(shí)水文學(xué)理論和應(yīng)用中有待認(rèn)識和解決的問題；檢驗(yàn)已有的理論和方法。