水文实验

根据服务目的和内容，水文实验研究可分为：径流形成过程的研究，包括降水、蒸散发、降雨径流关系、径流过程、土壤水及地下水动态的研究；为环境保护服务的水化学平衡和植物生态实验研究；为水资源评价，为农田、森林、草原、都市建设和为水土保持服务，对不同自然地理条件和人类活动影响下的水文规律的实验研究；干旱半干旱地区、灌溉地区、内陆河地区以及某些特殊地区（如岩溶、冰川、冻土地区）和特殊径流形式（如泥石流）的水文实验研究等。各种水文要素的测验方法和仪器设备研究也是重要内容。以上各种类型的水文实验研究，主要通过自然实体和人工模拟体进行，前者如代表性流域、实验流域、各种试验场等；后者如人造的集水区、人工坡面和土体等。这两者是相辅相成的。例如在径流实验中，一方面由代表流域作长期、系统观测，又由实验流域作有控制的对比、重复试验，有时仍难以达到目的，还必须利用条件更概化和单一的径流场、称重土体、人工模型等在野外或实验室内用进一步控制的人工仿雨或人工气候条件，对各别水文因素作进一步的实验和分析。

水文实验包括三部分：①实验设计。以有效、经济为目标，对各试验项目的组合、实验场所、实验方式、实验程序，各轮试验的边界条件和重复次数等，作出研究和判断，初步设计出试验方案和分析途径。例如下渗实验，可包括均质和非均质土的积水下渗、降雨下渗等试验组合，分别以小流域、径流场、土柱模型作为试验场所，选不同降水强度和历时、积水深度、土壤水分状况、水力传导度等为试验变量，并进行一定次数的重复试验。②测试手段。要满足实时、实况观测和保证必要的精度，当常规测试方法达不到目的时，需设计和运用特殊的仪器和方法。如上例中，用中子法测定土壤水分时，对下渗锋面研究达不到要求，需另用γ法或电阻法作补充，或另设计放射性同位素示踪方法进行研究。③实验结果分析。常用方法有黑箱分析，建立确定性数学模型，用数学物理方程求解等。有时还可同时用几种方法进行分析比较，并通过分析检验实验设计，改进实验方法，以求得表达所研究对象物理过程的数学模型。2100433B

中文名称：水文实验

英文名称：hydrological experiment

定义：为探求和研究水文现象和过程并为其成因进行分析而进行的室外测试与室内实验。

所属学科：地理学（一级学科） ；水文学（二级学科）

18世纪，流速仪、自记雨量计和皮托管等水文测验仪器的精度都有提高。伯努利方程、谢才公式等水力学原理相继提出，为水文实验准备了条件。19世纪初，水文实验开始兴起，许多学者进行了各种单项水文要素的实验研究，出现了很多著名的水文实验成果。1802年J.道耳顿通过蒸发实验，首次认识到蒸发量与水汽压力之间的关系，建立了道耳顿公式。1855年，J.B.弗朗西斯通过地表水流实验，得出了堰流公式。1856年，H.-P.-G.达西经过地下水渗透实验，建立了达西定律。1933年,R.E.霍顿进行下渗实验,得出了著名的霍顿下渗公式等。20世纪30年代，开始了有系统的流域水文实验研究。1933年苏联建立瓦尔代(曾译“瓦尔达依”)水文科学研究实验站，美国设立科威塔水文实验站。从20世纪40年代开始,室内水文实验研究开始发展起来,1943年美国人C.F.伊泽德等进行了室内模拟降雨条件下的坡面汇流实验，1952年J.P.马米绍作了简单的农业流域水文模型，接着匈牙利、苏联也相继进行了各类室内水文模型实验。中国的水文实验研究始于20世纪50年代，1953年治淮委员会建立了青沟排水实验站，官厅水库开始了水库水文实验，黄河水利委员会开始进行河流泥沙实验。1957年治淮委员会和江苏省水利厅、1958年长江流域规划办公室等单位开始进行人类活动水文效应的实验研究，1958年中国科学院、水利电力部水利水电科学研究院水文研究所建立了室内比尺模型并用于检验单位线的基本假定。

水文实验是为探求、研究水文现象和过程并对其作出成因分析的科学实验。实验研究可分为：径流形成过程的研究，包括降水、蒸发、降雨径流关系、径流过程、土壤水及地下水动态的研究；为环境保护服务的水化学平衡和植物生态实验研究；为水资源评价、为农田、森林、草原、都市建设和为水土保持服务，对不同自然地理条件和人类活动影响下的水文规律的试验研究；干旱半干旱地区、灌溉地区、内陆河地区以及某些特殊地区（如岩溶、冰川、冻土地区）和特殊径流形式（如泥石流）的水文实验研究等。

水文现象受许多自然因素制约和人类活动影响，一般的水文观测和分析难以清楚地揭示其物理过程和相互关系，需要在野外或实验室内用特定的程序、装置和设备进行系统的、有控制的观测和试验。水文实验研究的任务主要有：研究天然条件下和人类活动影响下水文现象的物理机制以及各种水文要素之间的相互联系；研究现时水文学理论和应用中有待认识和解决的问题；检验已有的理论和方法。

室内水文实验一般可分为专项水文模型试验和流域模型试验两类。

（1）专项水文模型试验。例如：1.坡面流模型试验，多为可调节控制的不同坡度和长度的单一坡面，采用不透水材料或一定土层作坡面，以研究坡面水流的特性；2.土柱入渗型试验，可作各种土壤组成和降水特性的土壤水动态试验；3.河道模型试验，一般用水工试验方法研究水文特性；4.专门为仪器性能和测验方法二进行的试验，如在恒定非均匀流条件下，为研究流速仪测流误差而进行的模型试验，为研究推移质采样器效率而进行的水槽率定试验等。

（2）流域模型试验。以自然流域为原型，按一定比例缩尺制作的相似模型。也可用于试验流域内各项治理措施对暴雨洪水的影响效应等课题。流域模型现在还不能模拟流域整个地下土层等特性，一般多制作与流域地表几何形态相似的模型，表面是用不透水材料，不能用于研究降水径流关系，只适用于试验地表汇流。除模型体以外，水文实验室应设计、装备相应的试验用水系统和模型的水流测量装置。对于流域、坡面和土柱等不同水平面积的模型，需要设计专门的人工降雨器，要求覆盖整个模型承雨面积，雨滴及其下落等雨势特性接近自然状态，保持降雨的均匀性。模型上还应布设一定的雨量计，测定人工降雨的雨率。试验时可控制雨率变化，这种操作也可利用微型电子计算机，实现按任一预置雨型进行的自动化人工降雨试验。实验室模型试验用水，一般均由蓄水池、水泵机组合输水管道等组成的水源循环系统提供。模型的水流测验仪器的精度要求较高，流量一般需用体积法测量并记录全过程。水位需用静水器做高精度测量和记录。当常规小流速仪不适用时，应设计制作专门的测速装置。为观测模型水流动态，如流域、坡面汇流的迹线和速度，河流交汇段和河口区不同水流界面的渗透和混匀等现象，可投放染料作定性或定量的判断和观测。对于土壤入渗锋面移动和土壤水分数量和能量状况等特性，需有专门的器具或应用核技术等近代测量技术进行。

1.1 研究内容

水文实验研究一般可划分为4种类型：（1）水文循环要素（降水、蒸发、径流、土壤水、地下水、水质、泥沙、冰清等）实验研究；（2）自然区域（以山区、平原区、河网区划分或以湿润区、干旱区划分，或喀斯特区、牧区等）水文实验研究；（3）人类活动的水文效应（森林、城市、农业、水利工程等）实验研究；（4）水文测试技术（实验途径、测试仪器和方法、新技术应用等）实验研究。

水文实验研究1.2 研究途径

可概括为基于水量平衡原理和对比实验两种途径。前者要求对一个流域系统，除观测降雨和径流外，主要研究径流形成的中间环节，如蒸发、土壤水、地下水等，以深入探索径流形成的物理过程。早期的坡面水平衡试验场和近期发展起来的实验流域就是这种途径的典型代表。利用条件更概化和单一的场地或土柱体（如蒸渗仪）进行蒸发和土壤水动态物理模拟实验，也属于此类途径。对比实验研究的方法，广泛应用于探索自然的或人为因素在径流过程中的作用。这种方法要求有意思地寻求流域下垫面特性，突出所要对比实验的因素，对同一流域进行前后对比，或一组流域进行平行对比。对于山区流域，由于其特性差异很大，一般缺乏可对比的条件。同时，对于有些人类活动措施，如城市化、水利水保工程措施等，也很少具有平行对比的条件。因而较多地采取前后对比实验的途径。

水文实验研究1.3 研究程序

基本上可分为3个阶段：根据任务要求进行实验设计：完善测试技术手段，保证资料的精度和完整性；及时分析研究实验结果。与一般水文站闸观测要求不同，水文实验研究不是为了积累资料，而是依据所提任务具有明确求解目的的研究工作。因此首先需要进行实验设计，即针对课题任务在制定初步求解方式的前提下，对实验场所的选定、实验的方式和途径、观测试验项目的数量及其组合等实验方案，作出尽可能周密和科学的安排。在实验进程中，要阶段性地检验和修正方案设计，使研究不断深化，以达到求解和近似求解的目的。正确的测试技术和方法是保证水文实验研究取得成果的核心，比常规水文测验要求更加严格。这不仅指某个要素的实时观测试验要求有一定的精度，更重要的是，对课题内容有关要素观测试验的精度（包括时程和数值）和实验数据的记录处理要求相应配套，具有对比性。有些实验，尤其是室内的模拟装置，可应用计算机技术控制实验过程，在观测试验作业、数据采集、信息处理等方面构成一个自动化或半自动化的系统。实验结果的分析，有数学物理方程求解，建立确定性水文数学模型作参数识别及统计分析等两三种方法进行分析研究。