冰川水文学

冰川水文学_6分词条

冰川水文学冰川变化观测
冰川水文学(glacier hydrology)是冰川学水文学之间的边缘科学,是近期形成的新学科。它研究地球表面、本身的水文现象、过程及其基本规律,为冰雪的开发利用和冰雪洪水灾害防治提供基本科学依据。冰川水文学还研究由冰川、积雪融水补给的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。

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冰川水文学 学科内容

       

冰川水文学的内容可归纳为

冰川水文学巴旺冰川
①融雪径流计算和预报,包括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,包括冰面消融与的关系,冰面的、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,(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等。

冰川水文学 研究特点

       

水文循环是自然界各种水体的存在条件和相互联系的纽带,是水的各种运动、变化形式的总和,是水文科学研究的主要对象和核心内容;而在水文循环过程中,水文现象所表现出的特点,决定了水文科学研究的特点。

冰川水文学世界某些冰川物质平衡水平
首先,水文科学把各种水文现象作为一个整体,并把它们同大气圈、岩石圈、生物圈和人类活动对它们的影响结合起来进行研究。例如,在借助水量平衡方法研究某个流域的水量变化时,既要考虑流域周围大气中水汽输送,也要考虑流域上空大气中水分含量的变化;既要考虑降水,也要考虑蒸发;既要考虑流域的地面径流,也要考虑流域土壤含水量和流域内外地下水的交换,而且还要考虑流域内水利工程,以及其他人类活动的影响。

其次,水文科学主要根据已有的水文资料,预测或预估水文情势未来状况,直接为人类的生活和生产服务。例如,提供洪水预报和各种水情预报,对旱涝灾害的发生作出中长期预测,为水利工程在未来运转时期中可能遇到的特大洪水作出概率预估等。

冰川水文学 发展简史

       

萌芽时期(远古至约公元1400年)

冰川水文学天山大部分高峰都有现代冰川发育
尼罗河幼发拉底河恒河黄河这些古老文化发祥地的遗迹中,我们可以看到这一时期已经开始了原始的水文观测。最早的水位观测是在中国和埃及开始的。

约公元前22世纪,中国传说中的大禹治水,已“随山刊木”(立木于河中),观测河水涨落。此后,战国时李冰设于都江堰的“石人”,隋代的石刻水则,宋代的水则碑等,表明水位观测不断进步。

最早的雨量观测于公元前四世纪首先在印度出现,中国于公元前三世纪的秦代已开始有呈报雨量的制度,到了公元1247年,已有了较科学的雨量器和雨深计算方法,并开始用“竹笼验雪”以计算平地降雪深度。明代刘天和在治理黄河工作中,已采用手制“乘沙量水器”测定河水中泥沙的数量。

中国古籍《吕氏春秋》中写道:“云气西行云云然,冬夏不辍;水泉东流,日夜不休,上不竭,下不满,小为大,重为轻,国道也。”提出了朴素的水文循环概念。成书于公元约六世纪初的《水经注》中,记述了当时中国境内1252条河流的概况,成为水文地理考察的先驱。

诚然,这些原始的水文观测和水文知识是肤浅零星的,但已为当时生活和生产提供了重要的水文资料。例如,根据雨量多少决定税收的多少,根据上游的水位向下游传递水情等,标志着水文科学的萌芽。

奠基时期(约1400~1900)

欧洲文艺复兴带来的科学思想的解放和科学技术的进步,为水文科学发展成为独立的学科奠定了基础。这一时期,水文仪器的发明使水文观测进入了科学的定量观测阶段。

1663年雷恩和胡克创制了翻斗式自记雨量计,1687年哈雷创制测量水面蒸发量的蒸发器,1870年埃利斯发明旋桨式流速仪,1885年普赖斯发明旋杯式流速仪。这些近代水文仪器使流量、流速、蒸发、降水的观测达到了相当的精度,利用这些近代水文仪器进行水文观测的各种水文站陆续出现。

1746年,中国在黄河老坝口设立了全国第一个正规水位站,开始系统观测水位,并进行报汛。这些成就使水文现象的观测视野在深度和广度上空前扩大,为水文科学在理论上的发展创造了条件。

在这一时期,近代水文科学理论开始逐渐形成。1674年佩罗提出了水量平衡的概念,成为水文科学最基本的原理之一;1738年伯努利父子发表水流能量方程,1775年谢才发表明渠均匀流公式;1802年道尔顿建立了研究水面蒸发的道尔顿公式;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。1856年,达西发表了描述孔隙介质中地下水运动的达西定律;1851年莫万尼提出了汇流和径流系数的概念,并发表了计算最大流量的著名推理公式,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。

应用水文学兴起时期(约1900~1950)

冰川水文学天山乌鲁木齐河源Ⅰ号冰川平衡线变化
这一时期,水文科学在观测方法,理论体系和研究领域等方面继续取得新成就,但它最重要的进展是应用水文学的兴起。

进入20世纪,特别是第一次世界大战以后,大量兴起的防洪、灌溉、交通工程和农业、林业乃至城市建设向水文科学提出越来越多的新课题,解决这些课题的方法也由经验的、零碎的逐渐理论化和系统化,水文科学的应用特色逐渐表现出来。

首先,从1914年到1924年,经过黑曾、福斯特等人的工作,把概率论、数理统计的理论和方法系统地引入了水文科学,使水文变量(如洪峰和洪量)和它出现的机率联系起来,为预估工程未来运行时期内可能出现的水文情势开辟了道路。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。从1932年到1938年,谢尔曼、霍顿、麦卡锡、斯奈德等人在产流和汇流计算方面取得开拓性进展,为根据降雨推算洪水开辟了道路。随后,克拉克、林斯雷等人在单位线、多个水文变量联合分析和径流调节的理论、方法等方面发展并丰富了上述的内容。在此期间,水文站在世界范围内发展成规模宏大的水文站网系统,这些成就为应用水文学的兴起在理论上、方法上和资料条件方面奠定了基础,并率先形成了它最重要的分支学科——工程水文学。接着,农业水文学、森林水文学、都市水文学也相继兴起。

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。

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,林斯雷和柯勒、保罗赫斯合著《应用水文学》;同年,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》等应用水文学专著陆续问世,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。总结了这一时期的成就,标志着应用水文学的诞生。应用水文学,以它直接为生产和生活提供多方面服务这一鲜明特征,获得迅速发展,成为近代水文科学体系中最富有生气的分支学科。

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。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。

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医疗水文学等分支学科。

冰川水文学 参考资料

       

[1] 中国学科网 http://www.chinabaike.com/article/316/327/2007/2007022259093.html
[2] 学友堂 http://www.3i3i.cn/Technology/Geography/200701/124009.html

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