工程水文學

水文學是地球科學的組成部分、也是現代科學技術的一個領域，它有許多實際用途，通常稱為“應用水文學”。工程水文學就屬於應用水文學，它是將水文學的基本理論與方法應用於工程建設（如水利水電能源工程、城市工礦用水工程、農田水利工程、修建鐵路、公路、橋樑、國防建設等）的一門學科。它主要研究與水利工程的規劃、設計、施工和運行管理有關的水文問題。 ^[2] 

工程水文學的主要研究內容包括水文計算和水文預報。

主要從概率統計的角度測算工程實施中和完成後，很長時期內可能遇到的各種概率的水文現象的大小與過程。例如：預測某水利工程千年一遇的設計洪峯有多大，千年一遇的設計洪水過程?“千年一遇的設計洪峯”即為“特定概率的水文現象的大小”，“千年一遇的設計洪水過程”即為“特定概率的水文現象的過程”，此處的水文現象即為洪水。

水文計算主要為規劃設計提供依據。

預報指定地點或地區一定時期內（預見期）水文現象的大小及變化過程。例如：預報某河流斷面處未來24h的水位有多高，預報某次降水所產生的流量過程?主要為現場施工及工程運行管理提供水文依據。

常研究的水文變量包括：設計年徑流、年輸沙量、設計洪水。為此，應瞭解水文現象的基本規律以及水文學的研究方法。 ^[3] 

由於水文現象具備確定性規律、地理分佈規律和統計規律，研究方法相應地分為成因分析法、地理綜合法和數理統計法。

成因分析法根據水文過程形成的機理，定量分析水文現象與其影響因素之間的成因關係，並建立相應的數學物理方程。例如，根據實測降雨、蒸發、河道流量資料，建立降雨量和徑流量之間的定量關係；在水文資料整編中，建立的水位——流量關係；在河流洪水短期預報中，根據降雨過程預報某一地點河流斷面出現的洪水過程等。應該説明的是，由於水文現象的複雜性，成因分析法需要在對天然的水文過程進行概化的基礎上，建立概念性或經驗性的水文分析方法和計算模式，與實際結果相比，計算成果是存在一定誤差的，只要誤差在允許範圍內，計算成果就是合理和可行的。

地理綜合法依據水文現象所具有的地區性和地帶性分佈特徵，綜合氣候、地質、地貌、土壤、植被等自然地理要素，分析水文要素的地理分佈規律，利用已有的水文資料建立地區性經驗公式，繪製水文特徵等值線圖。地理綜合法應用較為簡易，主要用於無資料中小流域的水文特徵值的分析計算。地理綜合法具有明顯的經驗性，計算誤差相對較大，對成果的可靠性和合理性需作更深入分析。

數理統計法以概率論和統計學為基礎，通過分析大量歷史資料，揭示水文現象的統計規律，從概率的角度定量預估設計地點未來可能的水文情勢。例如，運用頻率分析方法，求得水文要素的概率分佈，從而得出工程規劃設計所需要的水文設計值；針對兩個或多個變量之間的統計關係，採用相關分析途徑，建立設計變量與參證變量之間的相關關係，以插補展延水文系列。數理統計法得出的結果總是存在抽樣誤差的，其大小主要取決於所採用水文系列樣本的長度。然而，大部分地區人類進行水文觀測的時間很短，造成水文統計結果抽樣誤差相對較大，對規劃設計的涉水工程安全性構成影響。因此，工程水文學很重視各種降低水文統計參數抽樣誤差的研究，並對工程安全影響進行分析和補償。

在工程水文學中，由於影響水文過程的因素是非常複雜的，成因分析法和數理統計法往往不能截然分開，需結合使用才能較好地描述水文過程，有效地減少計算成果的誤差。在實際情況下，即使是認識到水文現象的成因規律，往往也是定性的認識，不能從確定性途徑建立相應的數學物理方程，需要根據實測資料，藉助於統計學途徑建立相關關係。同樣，要採用數理統計法建立設計變量與參證變量之間的相關關係，必須採用成因分析方法選擇合適的參證變量，才能使得建立的相關關係具備可靠性和有效性。因此，認真地學習、瞭解和掌握水文過程的成因規律、地理分佈規律和統計規律，掌握工程水文學的研究方法的特性，才能較好地解決工程實際問題。 ^[4] 

人類生存的基本環境空間由氣圈、水圈和地圈構成，其中氣和水只是水分的不同存在形式，均屬於水文學的研究範疇。工程水文學為人類瞭解自然規律、科學安排國民經濟活動提供依據。因此，它的應用範圍很廣，如攔河築壩的水能源利用工程，水資源工程，跨河或穿河橋樑等公路與鐵路交通工程，城市與工礦給排水工程，水、油、氣等能源的管道輸送工程，鄰河工程，河流資源的保護與可持續利用，等等。工程水文學應用於工程建設的各個階段。

工程規劃設計階段，根據工程設計標準，需要通過水文分析與計算，預測工程運用期河流或流域的來水量及其變化，以便確定工程的設計規模。若區域水量預計過大，則工程規模偏大，導致工程投資過大。反之，則工程規模偏小，致使建築物達不到預期設計標準，運用標準降低。在這一階段，工程對環境的影響評估、水土保持方案編制等也需要水文學知識。

工程施工階段需要預報或估算施工期的設計洪水，以便確定圍堰、導流建築物的規模，同時水文預報還為科學安排施工進度所用。例如，河流環境下的橋墩基礎施工常用圍堰、導流堤。

工程運行管理期間需要進行實時水文預報，提高工程運用效益，水文洪水預報更是汛期防汛、應急搶險、防災減災、保證工程建築物安全等所必不可少的重要信息。跨河公路及鐵路橋樑等工務管理，每年都需要根據水文預報和線路、大橋設備情況在汛前進行防汛準備，儘早採取預防措施，避免交通線路發生洪水災害。 ^[5] 

早在公元前3000年埃及人即開始觀測尼羅河水位。公元前450～350年希臘柏拉圖和亞里斯多德提出水文循環的臆説。公元前250年，我國李冰在四川都江堰設立石人測量水位。此後公元100～200年東漢王充在《論衡》一書中對水循環概念作了論述。公元1452年頒佈“測雨器制度”。公元1452年意大利達·芬奇用浮標測流速，並通過觀測論證r水循環，一些水文學的基本原理開始形成。這個時期被認為是水文學的萌芽時期。

公元1600～1900期間，實驗水文學興起，一些水文測驗儀器製造成功，如畢託管、瓦爾德曼流速儀等；科學家發現了一些水文學原理，如流傳至今的伯努利方程、謝才流速公式、達西定律、曼寧公式等。特別是公元1 674年法國人P·貝羅特在巴黎出版了《噴泉的起源》一書，將人們對水文循環的認識提高到數量描述的高度。書中記敍他在塞納河進行了三年的雨量觀測，計算出塞納河在伯格底以上流域內的年徑流量只是降水量的六分之一，這一結論的公佈，被認為是現代水文科學的開始。為了紀念他對水文學的貢獻，1974年聯合國教科文組織和世界氣象組織聯合在巴黎舉行了水文科學300年紀念會。這一時期被稱為水文學的奠基時期。

1900～1950年各國逐漸建立正規的水文站、雨量站，更深入的探討水文規律，水文學基本理論有很大發展並被應用於生產實踐，應用水文學得到廣泛的發展。由於科學技術的進步，水利、交通、動力等大量開發，迫切需要解決工程建設中的許多水文問題；實測水文資料的增長，水文站網的發展，促進了水文預報和計算工作。除出現了許多經驗公式和預報方法外，還出現了許多結合成因分析的推理公式、合理化公式以及相關因素預報方法等，並對水文過程的機制進行了探討。如1932年謝爾曼的匯流單位線，1940年霍頓的下滲理論等。同時，統計方法也開始用於水文分析計算。這一時期被稱為水文學的實踐時期。

50年代之後，世界水文科學出現了新的因素：一是水文科學理論的深入研究和有關學科的滲透，促使水文計算和水文預報出現了許多新方法；二是電子計算機的應用大大改變了水文科學的面貌，遙感、遙測和核技術的應用使水文科學進入了現代化時期，如水文自動遙測系統、聯機預報系統及各類水文模型等。特別是全球定位系統、地理信息系統和遙感遙測系統技術在水文學中的應用，為水文實時預報展示了廣闊的前景。許多新的水文分支學科，如隨機水文學、城市水文學、農業水文學、森林水文學、環境水文學也已出現。 ^[2]