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iv
鉴于水文学研究对国民经济发展及水安全维系的重大支撑作用，以及现代水循环演变对水文科学基本方法的实践需求，决定编著《水文学方法研究》一书，结合水文学方法学革命性案例的剖析，对水文学基本方法做进一步梳理、挖掘与集成，提出现代水文学方法前沿与发展趋势，以促进具有中国特色的水文学方法的形成与发展，服务于中国国民经济社会发展和水安全维系对水文科技的需求。本书由王浩、严登华、杨大文、丁晶、任立良等人编著。
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| 內容簡介： |
水文学方法研究从科学方法论角度系统总结了水文学研究方法的发展历程，针对水文学方法发展过程中的革命性案例进行了深入的剖析，在此基础上分析了水文学方法的演进规律和驱动机制，总结了近现代科学技术对水文学方法的促进作用，并介绍了水文学方法的前沿和发展趋势，对水文学不确定性方法这一热点问题的研究方法进行了介绍。全书具有综合性、实用性和创新性的特点。
水文学方法研究可作为高等学校水文水资源专业的高年级本科生和研究生的教学和科研参考书，也可供气象、农业、环境类专业的本科生和研究生阅读，并可作为水文水资源、水利工程相关科技工作者和工程技术人员的重要参考书。
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| 目錄：
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总序
前言
第1章 绪论
第2章 水文学方法演变历史及其学科背景
2.1 近现代自然科学发展回顾
2.2 近现代自然科学方法演进
2.3 自然科学及其研究方法演进规律与驱动机制
2.4 水文学演进过程与驱动机制
2.5 水文学方法诠释
2.6 小结
第3章 水文学方法发展中的革命性案例分析
3.1 达西定律与理查兹方程
3.2 水热耦合平衡理论
3.3 单位线
3.4 新安江模型
3.5 贝叶斯概率水文预报方法
3.6 集合水文模拟方法
3.7 中国适线法计算设计洪水
3.8 小结
第4章 水文学研究科学方法体系
4.1 水文学研究的哲学方法
4.2 思维方法
4.3 描述方法
4.4 小结
第5章 水文学研究技术方法体系
5.1 水文学的主要研究方法
5.2 观测与调查类方法
5.3 实验与试验方法
5.4 数理统计与分析方法
5.5 数值模拟方法
5.6 水文学新技术与新方法探究
5.7 小结
第6章 近现代科学技术对水文学方法的促进作用
6.1 现代水文信息采集与测报技术发展影响分析
6.2 现代物理实验与数值模拟技术发展影响分析
6.3 现代系统分析与计算机技术发展影响分析
6.4 现代技术手段影响下的水文学方法发展趋势分析
6.5 小结
第7章 水文学方法的研究前沿与发展趋势
7.1 国际水文学方法研究动态及前沿问题
7.2 我国水文学及其方法面临的主要问题
7.3 我国水文学方法的总体发展趋势
7.4 我国水文学方法发展的重点命题
7.5 小结
第8章 “自然-人工”二元水循环模拟与调控方法
8.1 “自然-人工”二元水循环理论与实践基础
8.2 “自然-人工”二元水循环耦合模拟与调控方法
8.3 面向多时空尺度的自然水循环模拟调控方法
8.4 新一代社会水循环模拟与调控方法
8.5 “自然-人工”二元水循环多过程模拟与调控方法
8.6 小结
第9章 水文不确定性研究方法
9.1 不确定性问题及其研究方法概述
9.2 水文随机分析方法
9.3 水文模糊分析方法
9.4 灰色分析方法研究
9.5 水文集对分析方法
9.6 水文学不确定耦合分析途径
9.7 四种不确定性方法的综合分析
9.8 水文不确定性分析方法面临的挑战
9.9 小结
第10章 结语
参考文献
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| 內容試閱：
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第1 章绪论
水文学是一门研究地球上各种水体的发生、循环、分布，水的化学和物理性质，水对于环境的作用以及水与生命体关系的科学，同时它可为洪涝干旱灾害的防治、水资源的开发利用和水生态与环境保护提供科学依据。可以看出，一方面，水文学研究的对象是自然发生的蒸发、入渗、径流等水文循环过程，其首要的任务是摸清水文现象的基本规律及其内在机理，理解和预测未来水循环的现象与过程。另一方面，由于水循环过程与人们生活和经济社会发展密切相关，水文工作者不断努力运用水文知识来解决防洪减灾、水资源开发利用和生态环境保护等问题（Chow，1988）。
为了认识水的规律，人们很早就进行水文观测，从这个意义上来说，水文学是一门古老的基础科学，是伴随着人类进行减水灾和兴水利的过程中产生和发展起来的。与此同时，水文学又是一门相对年轻的学科，随着水问题的演变和周边科学技术方法的发展，其学科体系和研究方法不断更新和完善，目前水文学研究1 已从以水文现象描述为核心的阶段，逐步过渡到以水文机理系统剖析、水文情势精确预测预报和有效调控的阶段上来。
纵观水文科学的发展历程，水文学的基本研究方法主要有五大类：一是观测与调查。由于人们不可能人为的重复自然水文现象，原型观测和实际调查是水文学从起源一直沿用至今的最基础和最有效的方法，如降水、蒸发、入渗、径流、水质、泥沙等诸多水文要素和过程的直接观测。对于未能系统、连续、有效观测的水文现象，人们常常以水文调查来补充，如暴雨调查、洪水调查和枯水调查等；二是水文实验与物理模型。尽管人们难以人为重复自然的水文现象，但也经常借助相似性原理进行水文实验，或是构建一些物理模型来模拟或描述某些水文过程和环节，如径流试验场、原状土柱渗流实验等；三是统计与分析。由于水文过程具有很强的随机性，在许多情况下用物理定律来解释水文现象相对困难，统计方法成为水文学研究的重要基础方法，如水文时间系列分析、水文极值事件频率分析以及地质统计学的应用等；四是数值模拟方法。在水文过程机理分析并掌握其结构关系的基础上，利用数学方法和计算机技术建立模拟和预测水文过程的数学模型，目前数值模拟方法应用十分广泛；五是假设和推理。假设和推理是自然科学最基础的方法论，在水文学中也得到广泛应用，如水热耦合平衡假设、生态水文最优性假设等。
随着经济社会的发展和人类活动影响的加剧，水文学在研究对象和服务对象两方面都发生了深刻演变。作为水文学的研究对象，现代环境下流域水循环发生了三方面演变：一是气候变化对流域水循环的影响。气候变化直接影响流域水循环系统的水量和能量条件等气象强迫，包括流域降水的雨量、雨型及其时空分布、蒸散发能力变化等，使降水、蒸发、径流等主要水文过程均发生了显著变化；二是人工取用水对水循环结构的影响。人工取用水在天然的“河道-坡面”主循环内，形成了与之嵌套的以“取水―输水―用水―排水―回归”为基本过程的人工侧支循环，使得流域水循环具有明显的“自然-人工”二元结构。人工侧支循环通量与主循环通量之间存在此消彼长的动态依存关系，不仅给天然水循环的蒸发、入渗、径流等主要过程带来了人工附加项，同时还产生了复杂的水环境与水生态等一系列次生效应。三是下垫面变化对流域水循环参数和特性的影响。人类活动对于下垫面的影响是全面的，城镇化、淤地坝、坡改梯、地表覆被的变化深刻改变了地表产汇流特性，农田耕作和地下建筑物的修建，切断了壤中流的汇集路径，下垫面的变化使得流域水循环的产流、汇流、蒸散发特征发生变化。
与此同时，经济社会的发展对于水文学专业服务的需求也在不断拓展，使得
应用水文学得到长足发展。在应用水文学发展前期，经济社会对于水文学的专业服务需求主要集中在对水的控制方面，主要是对洪水的控制和规避，包括防洪工程规划与设计、洪泛区的划定与管理以及水流侵蚀和泥沙防治等方面。随着经济社会用水需求的增加，水的利用也必须建立在水文信息和水文知识掌握的基础上，包括正常和极端条件下的径流过程和水质特性，实现供需平衡的有效调控措施，不同取水和用水政策对于河川径流的影响等。随着用水量和排水量的进一步增加，对于水污染的控制和基本生态用水的保障也需要水文学的支持，在水污染控制方面，需要确定污染源和污染范围、污染物的扩散迁移和衰减规律、实际水文过程下的水体纳污能力以及污染控制方案的制订等；在水生态系统保护和修复方面，需要确定生态系统保护目标下的径流量、水量分布和径流过程。中国水文学研究历史十分漫长，早在公元前16世纪就有大旱和伊水、洛水干涸等水文观测和记载。然而，中国近现代水文研究发展却较为缓慢，在新中国成立以来相当长的时间内，中国水文学研究套用前苏联水文研究范式和方法体系；改革开放以来，欧美、澳大利亚及日本的水文研究范式和方法被快速引入，并成为中国水文研究的主流。尽管这些研究范式和方法体系在支撑中国社会经济发展及维护水安全方面作出了巨大贡献，但面对现代中国经济社会快速发展，高强度人类活动作用下的特殊水文演变情势，以自然水文循环为描述对象的水文学研究方法已经越来越难以满足中国的实践需求，迫切需要创新水文学的基本理论与方法，中国水文水资源科技工作者也正积极探索适合中国国情的水文学基本方法，并取得了一些进展和突破，但符合现代水文循环情势的水文科学方法体系仍未建立，严重制约着我国水文科学的发展和对经济社会发展的服务作用。
鉴于水文学研究对国民经济发展及水安全维系的重大支撑作用，以及现代水循环演变对水文科学基本方法的实践需求，决定编著《水文学方法研究》一书，结合水文学方法学革命性案例的剖析，对水文学基本方法做进一步梳理、挖掘与集成，提出现代水文学方法前沿与发展趋势，以促进具有中国特色的水文学方法的形成与发展，服务于中国国民经济社会发展和水安全维系对水文科技的需求。
第2 章水文学方法演变历史及其学科背景
本章简要回顾与水文学同期发展的相关自然学科发展简史，对以大物理学为中心的近代科学史的科学方法演进历程进行梳理和分析，并根据对能量守恒与转化规律、狭义相对论、气象学发展史与方法论三个科学理论的剖析，阐述自然科学及其研究方法的演进规律和驱动机制，以掌握和确定水文学发展的宏观科学背景。在此基础上，运用“描述性―解释性―人本性”的思想方法，系统梳理水文学发展历程，并从问题维度、学科维度、方法维度三个角度对水文学发展过程进行阶段划分，结合不同阶段水事的历史背景分析，深入探讨不同阶段水文学基本特征，总结归纳水文学发展的基本规律，探索性地提出了水文学发展的内在驱动机制，科学地诠释了水文学方法的演变历史及其科学背景。
2.1 近现代自然科学发展回顾
水文学是自然科学的一部分，水文学的产生、发展是蕴涵于自然科学的发展中的。自然科学中数学、物理学、计算科学对于水文学的产生和发展起着巨大的促进和推动作用。研究自然科学的发展，对于认识、研究水文学的发展规律，推动水文学的发展，解决目前水文学所遇到的一些瓶颈问题，有着重要的作用。通过科学，人类更好地认识了自然的变化规律，一方面，提高自身适应自然环境的能力；另一方面，人类利用自然规律，改造自然，造福自身，获得自身利益的增长。纵观人类历史，科学、哲学、宗教的发展是紧密联系在一起的，难以将其中的任何一者分离出来研究。古希腊时期，哲学与科学是等同的；中世纪的罗马，科学、哲学与神学是统一在一起的；文艺复兴后期，在人类认识自然中，随着“实验研究方法”的诞生，科学和哲学才逐渐的分离开来。牛顿力学的诞生，仿佛使得科学在人类历史上第一次具有了能够独立解释自然规律的能力，于是人们认为“科学的出现使得一切即臻光明”；与此同时，以康德和黑格尔为代表的德国古典唯心主义哲学，引导哲学进一步远离当代科学。科学与哲学出现了很长一段时间的分离。然而，爱因斯坦相对论的提出，使得人们认识到牛顿经典力学的局限性，仿佛一切都陷入了黑暗，工业革命以来科学技术的发展给人类带来利益的同时，也导致了环境恶化、资源匮乏、全球气候变化、人口危机等人类发展的瓶颈，人类认识到在自然面前我们是多么的渺小，科学并不是万能的，在很多自然灾害面前科学无能为力。一方面，面对如此多的困惑，科学研究者开始从哲学层面上寻求对于自然界更加深刻的认识。另一方面，近代以来数学、物理学、生物学等自然科学领域研究的深入，科学思想的日臻深邃，科学对于哲学、宗教、神学又有了意义，迫使哲学家不得不重新重视科学。因此科学和哲学又融合在一起。
2.1.1 古代科学与哲学
从人类起源，到旧石器时代、新石器时代、再到铜器时代、铁器时代。伴随着语言、符号的出现到巫术、宗教的形成，史前时代的科学和哲学就开始相蕴相生了。在历史的黎明期，人类的文明首先从河流繁衍开来，如古代中国、两河文明、尼罗河文明、印度河文明等。
数字和文字是文明的象征，公元前3400年埃及使用十进制数字，公元前3100年埃及出现象形文字，公元前2400年巴比伦出现楔形文字，公元前1700年中国出现甲骨文。数字和文字的出现成为人类的定量化表达和记录的基础，公元前3100年埃及人开始测量尼罗河水流量，以估计每个农民可以用多少水，可以种植多少农作物，并且在100年以后埃及人建造了世界上第一座大坝，长100米横跨加拉维河，用于存水灌溉。天文历法也不断发展起来，公元前2000年古巴比伦人定义一年为360天，12个月，并且依据太阳和其他行星的相对运动，把太阳在天空中的运动过程划分为12个宫，即现在的星座，还发明了简单的日晷，与此同时在古代中国出现了阴历。在农业方面，大约公元前3500年古代中国出现了农耕用的犁，公元前2700年中国开始种桑养蚕，纺成丝绸。建筑和冶炼方面更是发展迅速，埃及的金字塔，古巴比伦的空中花园都是这个时期的代表建筑，此时的古代中国盛产青铜器。数字和文字的出现为人类定量描述世界提供了依据，而度量衡的出现则标志着科学的起源，使人类对于自然现象的定量描述才具有实际意义。早在公元前2500年，古巴比伦王国公布了长度、质量和容量的标准。抽象的科学起源于日常生活的需要。度量衡出现之后，以土地丈量为基础，古巴比伦人发明了最早的几何学，而后从古巴比伦向西传布，在后来的数百年中，欧洲人习惯运用几何图形来预测未来。
这时的哲学、宗教、科学、巫术、神话往往是混为一谈的。古代希腊人通过一种巫术仪式来祈求土地的丰产和居民的兴旺，这些神秘的仪式慢慢演化为奥菲教义（也有说法是这种教义从埃及传过来的）。奥菲教义后来又渗入到希腊唯心主义哲学以及基督教中。这些思想的产生促进了小亚细亚理性主义的自然哲学和神秘的毕达哥拉斯学派学说。小亚细亚的理性主义的自然哲学学派中最早的一位是米利都的泰勒斯，他认为整个宇宙是自然循环的，认为水和湿气是万物的本质。而毕达哥拉斯学派认为物质是由土、水、气、火四者组成的。毕达哥拉斯学派在哲学、几何学、数学、天体演化等方面的观念对后世影响很大，柏拉图、亚里士多德等的哲学思想都受此影响。柏拉图认为神是好的，球是最完美的形式，因此宇宙必然是球体。亚里士多德是整个古代知识的集大成者，他兴趣广泛，在哲学、逻辑学、政治学、生物学、物理学、星象学和宇宙哲学方面留下了47部著作。在《物理学》中，他讨论了自然哲学、物质运动等，认为要是物体运动必须有不断作用的力在上面，并且认为万物是由火、气、土、水、以太五种元素构成的。以太阳为中心做圆周运动，组成了完美的天体。另外，亚里士多德在《气象学》一书中最早的描述了蒸发的现象。
不管是苏格拉底还是柏拉图、亚里士多德，虽然都有着很多的思想、创造和发明，有着非常重要的历史地位，但是他们的思想往往受到古代神学的束缚。而真正意义上的近代型的物理学家，非阿基米德莫属。阿基米德是力学和流体力学的鼻祖，他明确地阐明了物体相对密度这一概念，发现了阿基米德原理，研究了
杠杆原理；在纯几何方面，他用内接和外切多边形的方法测量圆周，并指出圆周
率在22371和227之间。他还发明了复滑车、水力螺旋、火镜等。与此同时代的中国，数学、天文、制造、建筑业也飞速发展起来，秦长城就是这个时代的产物。
2.1.2 中世纪的科学
中世纪是指古代科学辉煌时代结束到文艺复兴期间的一段“黑暗期”大约从公元476年到公元1453年。这段时期内，封建割据带来频繁的战争，欧洲的学术受到抑制，自然科学技术停滞不前。而阿拉伯地区以及中国的自然科学仍然取得了辉煌的成就，阿拉伯的学术在公元800年至公元1100年间达到了兴盛期。阿拉伯学者们收集整理了当时世界上最完备的知识体系，并且用希腊语和印度语记录下来。公元827年古希腊天文学家兼地理学家托勒密的《天文大综合论》被翻译成阿拉伯语，被命名为《天文学之大成》对后世影响深远。公元840年阿拉伯天文学家首次观测到了太阳黑子；公元880年阿尔巴塔尼计算了一年的长度和春分的时间；公元900年出生在波斯的内科医生雷泽斯指出了麻疹和天花的区
别，同时发明石膏固定恢复骨折的方法；阿拉伯化学家提取酒精用于医疗。此时代的中国也是硕果累累。公元725年中国人使用水轮驱动机械水钟工作；公元868年中国印刷《金刚经》，是现存最早的印刷书籍；公元960年，中国四川最
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