冰川水文學

冰川水文學

還研究由冰川、積雪融水補給的河流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。

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。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。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流域融雪的物理方程。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温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。70～80年代隨着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。

冰川水文學的內容可歸納為：①融雪徑流計算和預報，包括實驗流域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、冰內和冰牀處的水流的研究，包括冰面消融與徑流的關係，冰面的產流、匯流過程研究；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、冰牀處排水系統和冰牀處水的流動方式（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温性冰川晶粒間水的滲透性的研究。③冰雪融水徑流的水文分析和計算，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水量平衡研究；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，包括根據冰川變化研究過去氣候，冰川徑流的自然調節和人工調節，冰川阻塞湖潰決及其洪水形成機制，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（温度、運動、變化）和力學特性，冰川物質平衡（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，冰雪消融的人工調節等。

冰川水文學的研究途徑主要有如下幾方面：

根據冰雪融水徑流及其影響因素之間的物理聯繫，建立它們之間的定量關係，如用水量平衡法求各平衡要素之間的定量關係。

基於冰、雪水文現象具有隨機性質，根據大量的實測資料，應用數理統計和概率論，研究冰雪融水各個水文要素的統計規律。

根據冰雪水文現象具有地區性和地帶性的特性，分析各測站水文要素的地理分佈規律，建立各種地區性經驗公式，繪製各種特徵值等值線圖。

此外,冰川水文學還應用模擬技術預報融雪徑流;應用遙感技術，量測積雪面積，確定積雪深度，監測冰川、冰川阻塞湖形成和預測變化動態等；應用同位素技術研究古氣候變化，測定冰雪水樣的絕對年齡和冰川積累量；應用雷達測量技術研究冰川內、冰牀處液態水的分佈和流動，探測大陸冰蓋下巨大的液態水體—冰下湖泊等。

與其他學科的關係 　由固態的冰雪變成液態的徑流，自然地要運用冰川學的許多基本理論；冰雪的積累、消融與大氣進行熱量和能量交換要涉及氣象學和氣候學知識；冰川流動和變形的理論基礎是流變學；冰內冰下融水流動要應用水力學和熱動力學的原理和方法；冰雪融水作為塑造地表的外營力之一，因此冰川水文學與地質學和地貌學有關。

應用水文學是水文科學的一個分支學科，它運用水文學和有關學科的理論和方法，研究各種實際水文問題的解決途徑和方法，為水利、電力、交通、城市發展和環境保護等工程建設提供水文設計數據和水文預報服務，為農業、林業和國土整治規劃提供水文依據。水資源利用和人類活動的水文效應是應用水文學研究的新領域。

1851年莫萬尼提出合理化公式，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。

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。這些貢獻使水文變量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量奠定了基礎。

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，標誌着應用水文學初步形成。

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，解決多元非線性迴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》等專著陸續出版，系統闡述了應用水文學理論和方法，標誌着應用水文學進入了成熟階段。

二十世紀50年代後，應用水文學不斷髮展學科自身的理論和方法，緊密聯繫工程實際，開拓瞭如水資源利用、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。

工程水文學主要包括水文計算、水文預報和水利計算三個組成部分。水文計算主要運用概率論和數理統計的原理和方法，對未來長期的水文情勢作出概率預估，為各類水利工程的規劃和設計提供設計暴雨、設計洪水設計年徑流及其他有關水文數據。

水文預報是根據流域暴雨洪水形成理論和河道洪水波傳播的規律，為各類防洪工程發佈洪水預報；同時，也根據水體熱量平衡原理，對山區融雪徑流，河流、水庫、湖泊冰情作出預報；根據土壤中水分的補給、運動和消退規律，為農業提供土壤水分的預報；根據河道退水規律，為航運和引水工程等作出枯季徑流及其水位預報。

水利計算是研究水資源綜合利用中的規劃和經濟效益論證，管理運用中的優化調度和對環境影響評價的理論、原則和計算方法，特別是水資源開發利用中系統分析的理論和方法。

都市水文學主要研究可供城市利用的地表和地下水資源的數量和質量評價，為城市供水規劃提供依據；城市地下水資源的合理開採，以防止城市地面沉降：都市化對城市暴雨、洪水徑流形成過程的影響，為城市防洪和捧水系統的規劃設計提供數據。

農業水文學是研究土壤水分、土壤蒸發、植物散發與作物生態的關係；研究地下水埋深與作物根系發育、土壤次生鹽鹼化的關係；研究農業小氣候的形成和特點，以便更有效地協調水、土壤、作物、氣象的綜合作用，為合理灌溉、保墒抗旱、防治澇漬和減少水土流失提供依據。農業水文學也研究各種農業措施的水文效應。

森林水文學主要研究森林對降水的影響；林冠的截留；林地土壤水動態和林地下滲過程；林區蒸散發；森林對地表徑流、壤中流和地下徑流分配的改變，以揭示森林對水量平衡要素的影響；研究森林的保水作用，山地荒廢和水土流失與森林的關係，為制定水土保持措施提供依據。