冰川水文学

冰川水文学

还研究由冰川、积雪融水补给的河流的水文情势及其预报。广义的冰川水文学包括雪水文学和冰川水文学，有时还合称冰雪水文学。

人类运用冰雪水文知识解决生产实际问题的历史悠久。中国西部高山区的山麓地带的农业主要靠冰雪融水灌溉。18世纪初，中国的《西域水道记》记述了新疆木札尔特冰川融水。1836年J.B.杰维斯根据流域积雪面积进行融雪产水量预报。20世纪40年代，融雪计算得到了发展。1940年J.C.奥尔特估测了季节性积雪产水预报的发展趋势并指出，在预报季节融水径流中统计学上的数学多重相关分析法将被广泛应用。1942年B.S.巴恩斯首先提出用数学计算方程预报融雪径流。1956年美国陆军工程兵团出版了《雪水文学》，详细地论述了雪水文学中的洪水设计问题，对影响融雪径流的热源作了深入讨论。1960年，美国陆军工程兵团在《融雪径流》一书中，以对流、辐射和传导等热输送理论为基础计算了融雪量，推导了降雨期间和碧空天气下流域融雪的物理方程。此后，对冰雪融水通过冰川的流动和冰雪融水的水压开展研究。1972年，J.威尔特曼研究冰川底部水流，发现冰下水压是离冰下水道中心线的距离而变化的现象。J.F.奈、F.C.弗兰克等深入研究了温性冰晶粒间融水的渗透性。1976年奈推导了充满水的水道中非稳定水流的四个微分方程式即融化速率与冰流动之间差异方程、水流动的连续方程、水的流动方程和能量方程。70～80年代随着新技术在冰川水文学中的广泛应用，冰川水文学研究进展迅速，取得了新的成就，出现了冰川水文学的专门论著，使冰川水文知识体系日益完整。

冰川水文学的内容可归纳为：①融雪径流计算和预报，包括实验流域季节性积雪的产水量计算，融雪径流对河流径流的调节作用，融雪径流影响因素和融雪径流预报分析技术的研究。②冰川表面、冰内和冰床处的水流的研究，包括冰面消融与径流的关系，冰面的产流、汇流过程研究；根据冰川补给河流的流量记录，通过盐、染料或其他示踪物试验及理论分析，对冰川内部、冰床处排水系统和冰床处水的流动方式（R水道、N水道和层流）的研究；冰内、冰下水压的直接测定或理论计算；冰内冰下空穴现象和温性冰川晶粒间水的渗透性的研究。③冰雪融水径流的水文分析和计算，包括冰雪融水的形成、冰雪融水水文特征值的分布规律和流域水量平衡研究；冰雪融水补给河流的侵蚀作用、沉积物搬运和堆积作用的研究。④与冰川和积雪有关的专门的水文学问题，包括根据冰川变化研究过去气候，冰川径流的自然调节和人工调节，冰川阻塞湖溃决及其洪水形成机制，融雪洪水的形成理论与计算方法。⑤与冰川水文学研究直接有关的冰川、冰、雪的基础理论研究，包括冰川、积雪的全球性空间分布规律及其在不同时间上的变化，冰雪的物理特性（温度、运动、变化）和力学特性，冰川物质平衡（积累与消融）机制，冰雪体内相态变换，积累、消融的观测与计算方法，冰雪消融的人工调节等。

冰川水文学的研究途径主要有如下几方面：

根据冰雪融水径流及其影响因素之间的物理联系，建立它们之间的定量关系，如用水量平衡法求各平衡要素之间的定量关系。

基于冰、雪水文现象具有随机性质，根据大量的实测资料，应用数理统计和概率论，研究冰雪融水各个水文要素的统计规律。

根据冰雪水文现象具有地区性和地带性的特性，分析各测站水文要素的地理分布规律，建立各种地区性经验公式，绘制各种特征值等值线图。

此外,冰川水文学还应用模拟技术预报融雪径流;应用遥感技术，量测积雪面积，确定积雪深度，监测冰川、冰川阻塞湖形成和预测变化动态等；应用同位素技术研究古气候变化，测定冰雪水样的绝对年龄和冰川积累量；应用雷达测量技术研究冰川内、冰床处液态水的分布和流动，探测大陆冰盖下巨大的液态水体—冰下湖泊等。

与其他学科的关系 　由固态的冰雪变成液态的径流，自然地要运用冰川学的许多基本理论；冰雪的积累、消融与大气进行热量和能量交换要涉及气象学和气候学知识；冰川流动和变形的理论基础是流变学；冰内冰下融水流动要应用水力学和热动力学的原理和方法；冰雪融水作为塑造地表的外营力之一，因此冰川水文学与地质学和地貌学有关。

应用水文学是水文科学的一个分支学科，它运用水文学和有关学科的理论和方法，研究各种实际水文问题的解决途径和方法，为水利、电力、交通、城市发展和环境保护等工程建设提供水文设计数据和水文预报服务，为农业、林业和国土整治规划提供水文依据。水资源利用和人类活动的水文效应是应用水文学研究的新领域。

1851年莫万尼提出合理化公式，水文研究开始进入经验性的定量估算阶段。二十世纪初，水文科学解决实际课题的方法由经验的、零星的，逐渐理论化和系统化。

1914年黑曾第一次用正态机率格纸选配频率曲线；1924年福斯特完整地提出了皮尔孙-3型频率曲线的分析方法，把概率论和数理统计的理论、方法引入了水文学。这些贡献使水文变量与它们出现的概率联系起来，为制定工程设计标准和推求指定设计标准下的水文变量奠定了基础。

1932年谢尔曼提出的单位过程线；1933年霍顿建立的下渗公式；1935年麦卡锡等人提出的马斯金格姆流量演算技术等，为根据降雨过程计算流量过程和河道洪水演进计算提供了方法，为流域洪水预报和河道洪水预报奠定了基础；1938年斯奈德提出了比较实用的综合单位线，为无资料地区水文计算开辟了途径。这些成就为水文科学解决各类实际问题在理论和方法上准备了条件，标志着应用水文学初步形成。

1945年克拉克提出瞬时单位线的概念；纳什于1957年建立了瞬时单位线方法；1946年波利亚科夫提出可用马尔科夫链来描述年径流系列，把随机过程理论和方法引入水文学；1951年柯勒和林斯雷提出了用图解方法，解决多元非线性回归的暴雨径流多变数水文特征合轴相关图，促进了各水文要素的综合效应的研究；1949年姜斯敦和克乐斯合著的《应用水文学原理》、美国土木工程师学会编著的《水文学手册》等专著陆续出版，系统阐述了应用水文学理论和方法，标志着应用水文学进入了成熟阶段。

二十世纪50年代后，应用水文学不断发展学科自身的理论和方法，紧密联系工程实际，开拓了如水资源利用、人类活动的水文效应等新的研究领域，形成了工程水文学、农业水文学、森林水文学、都市水文学和医疗水文学等分支学科。

工程水文学主要包括水文计算、水文预报和水利计算三个组成部分。水文计算主要运用概率论和数理统计的原理和方法，对未来长期的水文情势作出概率预估，为各类水利工程的规划和设计提供设计暴雨、设计洪水设计年径流及其他有关水文数据。

水文预报是根据流域暴雨洪水形成理论和河道洪水波传播的规律，为各类防洪工程发布洪水预报；同时，也根据水体热量平衡原理，对山区融雪径流，河流、水库、湖泊冰情作出预报；根据土壤中水分的补给、运动和消退规律，为农业提供土壤水分的预报；根据河道退水规律，为航运和引水工程等作出枯季径流及其水位预报。

水利计算是研究水资源综合利用中的规划和经济效益论证，管理运用中的优化调度和对环境影响评价的理论、原则和计算方法，特别是水资源开发利用中系统分析的理论和方法。

都市水文学主要研究可供城市利用的地表和地下水资源的数量和质量评价，为城市供水规划提供依据；城市地下水资源的合理开采，以防止城市地面沉降：都市化对城市暴雨、洪水径流形成过程的影响，为城市防洪和捧水系统的规划设计提供数据。

农业水文学是研究土壤水分、土壤蒸发、植物散发与作物生态的关系；研究地下水埋深与作物根系发育、土壤次生盐碱化的关系；研究农业小气候的形成和特点，以便更有效地协调水、土壤、作物、气象的综合作用，为合理灌溉、保墒抗旱、防治涝渍和减少水土流失提供依据。农业水文学也研究各种农业措施的水文效应。

森林水文学主要研究森林对降水的影响；林冠的截留；林地土壤水动态和林地下渗过程；林区蒸散发；森林对地表径流、壤中流和地下径流分配的改变，以揭示森林对水量平衡要素的影响；研究森林的保水作用，山地荒废和水土流失与森林的关系，为制定水土保持措施提供依据。