水文實驗

水文現象受許多自然因素制約和人類活動影響，一般的水文觀測和分析難以清楚地揭示其物理過程和相互關係，需要在野外或實驗室內用特定的程序、裝置和設備進行系統的、有控制的觀測和試驗。水文實驗研究的任務主要有：研究天然條件下和人類活動影響下水文現象的物理機制以及各種水文要素之間的相互聯繫；研究現時水文學理論和應用中有待認識和解決的問題；檢驗已有的理論和方法。

發展簡況 18世紀，流速儀、自記雨量計和皮託管等水文測驗儀器的精度都有提高。伯努利方程、謝才公式等水力學原理相繼提出，為水文實驗準備了條件。19世紀初，水文實驗開始興起，許多學者進行了各種單項水文要素的實驗研究，出現了很多著名的水文實驗成果。1802年J.道耳頓通過蒸發實驗，首次認識到蒸發量與水汽壓力之間的關係，建立了道耳頓公式。1855年，J.B.弗朗西斯通過地表水流實驗，得出了堰流公式。1856年，H.-P.-G.達西經過地下水滲透實驗，建立了達西定律。1933年,R.E.霍頓進行下滲實驗，得出了著名的霍頓下滲公式等。20世紀30年代，開始了有系統的流域水文實驗研究。1933年蘇聯建立瓦爾代(曾譯“瓦爾達依”)水文科學研究實驗站，美國設立科威塔水文實驗站。從20世紀40年代開始，室內水文實驗研究開始發展起來,1943年美國人C.F.伊澤德等進行了室內模擬降雨條件下的坡面匯流實驗，1952年J.P.馬米紹作了簡單的農業流域水文模型，接著匈牙利、蘇聯也相繼進行了各類室內水文模型實驗。中國的水文實驗研究始於20世紀50年代，1953年治淮委員會建立了青溝排水實驗站，官廳水庫開始了水庫水文實驗，黃河水利委員會開始進行河流泥沙實驗。1957年治淮委員會和江蘇省水利廳、1958年長江流域規劃辦公室等單位開始進行人類活動水文效應的實驗研究，1958年中國科學院、水利電力部水利水電科學研究院水文研究所建立了室內比尺模型並用於檢驗單位線的基本假定。

實驗類型 根據服務目的和內容，水文實驗研究可分為：徑流形成過程的研究，包括降水、蒸散發、降雨徑流關係、徑流過程、土壤水及地下水動態的研究；為環境保護服務的水化學平衡和植物生態實驗研究；為水資源評價，為農田、森林、草原、都市建設和為水土保持服務，對不同自然地理條件和人類活動影響下的水文規律的實驗研究；乾旱半乾旱地區、灌溉地區、內陸河地區以及某些特殊地區（如岩溶、冰川、凍土地區）和特殊徑流形式（如泥石流）的水文實驗研究等。各種水文要素的測驗方法和儀器設備研究也是重要內容。以上各種類型的水文實驗研究，主要通過自然實體和人工模擬體進行，前者如代表性流域、實驗流域、各種試驗場等；後者如人造的集水區、人工坡面和土體等。這兩者是相輔相成的。例如在徑流實驗中，一方面由代表流域作長期、系統觀測，又由實驗流域作有控制的對比、重複試驗，有時仍難以達到目的，還必須利用條件更概化和單一的徑流場、稱重土體、人工模型等在野外或實驗室內用進一步控制的人工仿雨或人工氣候條件，對各別水文因素作進一步的實驗和分析。

實驗方法 包括三部分：①實驗設計。以有效、經濟為目標，對各試驗項目的組合、實驗場所、實驗方式、實驗程序，各輪試驗的邊界條件和重複次數等，作出研究和判斷，初步設計出試驗方案和分析途徑。例如下滲實驗，可包括均質和非均質土的積水下滲、降雨下滲等試驗組合，分別以小流域、徑流場、土柱模型作為試驗場所，選不同降水強度和歷時、積水深度、土壤水分狀況、水力傳導度等為試驗變數，並進行一定次數的重複試驗。②測試手段。要滿足實時、實況觀測和保證必要的精度，當常規測試方法達不到目的時，需設計和運用特殊的儀器和方法。如上例中，用中子法測定土壤水分時，對下滲鋒面研究達不到要求，需另用γ法或電阻法作補充，或另設計放射性同位素示蹤方法進行研究。③實驗結果分析。常用方法有黑箱分析，建立確定性數學模型，用數學物理方程求解等。有時還可同時用幾種方法進行分析比較，並通過分析檢驗實驗設計，改進實驗方法，以求得表達所研究對象物理過程的數學模型。