"第1章绪论

水是人类生存的基本条件，是社会生产活动最重要的物质基础，是生态系统中最重要的单元要素(刘昌明等，2001)。水资源数量的多少、质量的好坏直接影响到人们的身体健康、社会的工农业生产发展，同时水资源状况还会改变地球的环境质量，在很大程度上控制着全球环境的变化。

21世纪以来，社会经济发展的国际化更进一步深化了资源利用的全球化进程，同时全球气候变化也将对水循环的认识提升到社会、经济和政治层次的高度；水作为重要的资源和生态环境要素成为世界各国关注的焦点。2002年8月在约翰内斯堡举行的"关于可持续发展世界首脑会议"明确要重视地球上的水循环，参加的国家决定通过联合制定观察水循环要素来改善水资源管理，并针对发展中国家和经济转型中的国家，鼓励和促进其资源共享和利用，提供空间技术应用条件。全球观测战略伙伴计划(Integrated Global Observing Strategy Partnershipplan，IGOSP)制定了"全球水循环集成观测"(Integrated Global Water Cycle Observation，IGWCO)，IGWCO从全球到地方多时空角度改进观测水循环演变能力，其确定的全球水循环主题，既保持了全球水循环观测系统的连续性，又能将不同来源(卫星系统、原地网络、野外实验、新的数据平台)的数据与新兴数据进行同化和模型化，向水循环综合观测系统的战略方向发展。为了保持和推进全球水循环观测战略并提供导向框架，IGWCO全球水循环主题致力于支持气候变化监测、世界水资源有效管理和可持续发展、资源开发和环境管理的社会应用、数字天气和水文预报，以及水循环关键问题的研究，包括了降水、土壤含水量、流量和地表蓄水量、冰冻圈变量(积雪覆盖、雪水当量、冰和地表冰)、云和水蒸气、蒸发和蒸散发、地下水、水质，以及观测系统和数据库等专题。

当前遥感技术广泛应用于水文变量和参数的获取，主要包括气温(Klemen and Marion，2009)、降水量(Huffman and Bolvin，2009；Michaelides et al.，2009)、积雪(Hock，2005)、蒸散发(Dominqu et al.，2005；Markus and Michael，2008)、土壤水(McCabe et al.，2008)等，以及地表覆被状况、地形地貌、河网水系等水文下垫面因子。20世纪60年代以来，遥感技术迅速发展，形成了比较完整的科学与技术体系；然而遥感技术目前还难以直接观测河川内径流量，制约了遥感技术在水文学中的应用。为了突破这一瓶颈，遥感科学和水文学相结合，研发了许多耦合遥感信息的水文模型，这些模型通过结合遥感提供的下垫面条件信息(土地利用、地形、植被等)，以及降水、蒸散发等气象水文参数，可使遥感技术在分析流域产汇流特性和确定水文模型参数等方面发挥巨大作用。此外，应用遥感信息传输模型和生态水文参数反演算法，还可以获取一些传统水文方法难以获取或观测不到的信息。同时遥感具有周期短、同步性好和及时、分布式等特点，能够很好地满足水文模拟实时、空间分布的需求。

然而，也正是因为遥感技术不能直接探测传统水文学所关注的河川径流量和水文情势，学术界从20世纪70年代就开始不断探索遥感技术在水文学中的应用潜力，力求回答"遥感在水文研究中究竟能扮演什么样的角色？"。Schultz和Engman(2005)总结了两种遥感技术在水文学中应用的观点，一种认为"如果你了解遥感，你就可以在不存在数据，甚至是不具备地面测量条件的地方获得水文数据，因此，发展中国家就能够根据需要的容量设计出一个饮用水供水水库"；另一种则认为"由于不可能通过遥感数据估计地面水资源和地表径流，因此遥感并不是十分有用"。

几十年来，遥感技术在水文中的不断应用表明，尽管遥感技术不能直接探测到径流量，但是它独有的特点使得遥感在水文应用中的优势凸显，包括时空分辨率高，可以提供长期、动态和连续的数据资料；探测范围广，可以获取偏远地区的信息；提供的信息为面状信息，并具有周期短、信息量大和成本低的特点。这些优势使得遥感技术在水文学上的应用不断深入，可以直接或间接测量常规手段无法测量到的水文变量和参数。

随着遥感科学与技术的不断发展，在遥感科学与技术和水文学之间逐渐形成了一个学科交叉的研究领域——遥感水文。遥感水文不同于水文遥感，水文遥感重点是研究水文要素遥感获取的理论、方法和技术，而遥感水文则是将遥感技术与水文模型相结合，构建遥感信息驱动的水文模型(Schuurmans et al.，2003；Simon et al.，2008)，直接或间接地应用遥感数据获取流域空间尺度的水文因子、生态环境因子和社会经济因子数据，开展水文状况和水资源利用的空间计算与分析，完成流域水文概况模拟、洪水过程监测预报、水资源估算和水资源配置等方面的任务。

1.1水文学发展

1.1.1水文学基本概念

水文学是研究地球表层中水体的形成、演化、分布、运动和变化规律的一门学科。当前有多种水文学的定义，1962年美国联邦政府科技委员会把水文学定义为一门关于地球上水的存在、循环、分布，水的物理、化学性质以及环境(包括与生活有关的事物)反应的学科；1987年《中国大百科全书》给出的水文学定义为关于地球上水的起源、存在、分布、循环运动等变化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系。还有定义认为，水文学是研究各种水体的形成、分布、理化性质、运动变化规律以及水体与周围环境相互作用的科学。上述定义在水文学的研究对象上存在一定的差异，但都将水文学的研究对象界定为地球上自然界中全部的水或一切形态的水体，似乎过于宽泛。实际上，目前水文学仅限于对地表水体和地下饱和水体的研究，即对包括河流、湖泊、沼泽、冰川、积雪等在内的陆地水体、海洋和地下水的研究，尤其集中于对陆地水体的研究。水文学以自然界的水为研究对象，主要研究任务是揭示水的形态、演化、分布、运动、质量等规律，分析水与自然环境和人类社会的相互关系和相互作用，探讨人类的水资源开发、利用和保护。

1.1.2水文学发展阶段

人类在防御水旱灾害和水资源开发利用中，不断认识水文现象，积累水文知识，逐步形成和发展了水文学。1674年Perrault和Mariotte定量研究了降水形成的河流和地下水量大小，标志着水文学的产生。1856年达西(Darcy)提出了著名的地下水达西定律，这是水文学发展的重要标志，随着水文学的知识逐渐丰富，水文观测实验仪器不断被发明和使用，水文学理论体系逐步完善。

水文学的发展过程可以划分为以下4个阶段(管华，2010)。

(1) 知识积累时期(16世纪末以前)。人类自从在地球上出现，为了自身生存与发展的需要，就开始与水发生关系，开展了大量利用水资源和防御洪涝干旱灾害的活动。中国传说中的大禹治水大约发生于5000年前，公元前4000年左右，古埃及人为了开垦土地而在尼罗河上修筑水坝，古希腊人和古罗马人也开挖了灌溉水渠。在中国，公元前256年至公元前221年李冰父子修建了都江堰，公元581年至公元618年开挖了京杭大运河。

这一时期开始出现原始的水位、雨量观测和水流特性观察，并对水文现象进行了定性描述和推理解释。公元前3500年至公元前3000年古埃及人开始观察尼罗河水位，公元前2300年古代中国人开始观测河水涨落，公元前4世纪古印度人开始观测雨量。公元1500年，达·芬奇(Leonardo da Vinci)提出了浮标测流速的方法，发现了过水断面面积、流速和流量之间的关系，提出水流连续性原理。

古代哲学家对水的循环运动及其起源等问题也产生了极大兴趣，提出和发展了相关思想。公元前450年至公元前350年，柏拉图(Platon)和亚里士多德(Aristotle)就已经提出了水循环的假说；公元前27年，维特鲁维厄斯(Marcus Vitruvius)提出了具有现代概念意义的水循环理论；到15世纪末，达·芬奇和伯纳德·帕里希(Bernard Palissy)对水循环已有较高水平的认识和理解。

这一时期，尤其是早期，人们对水循环等水文现象的了解和认识还是很不的，主要是基于猜想和假说，而没有基于观测数据的推理，缺乏对水文现象的理论解释。因此，这一时期尚未出现科学意义的水文学。

(2) 学科形成时期(17世纪初～19世纪末)。17世纪，水文观测实验仪器不断被发明和使用，各国普遍建立起水文站网和制定了统一的观测规范，使实测水文数据成为科学分析水文现象的依据，从而使水文研究走上了科学的道路，促进了现代水文学的形成。当时，佩罗(Perrault)、马略特(Mariotte)、哈雷(Halley)等开展的一系列研究工作，被认为是现代水文学诞生的标志。佩罗应用他对塞纳河流域降雨和径流进行3年观测所获得的降雨径流数据和流域面积数据，说明了径流的降雨成因，首次将对水循环的认识提高到定量描述的高度。马略特在塞纳河上，建立了基于流速和河流横断面面积的流量计算方法。哈雷通过对地中海海水蒸发率的观测，提出了蒸发是河流径流的主要支出途径的观点，发展了水循环理论。

18世纪，水文学理论和水力学理论不断涌现；19世纪，实验水文学逐渐兴起，地下水文学得到很大发展。1738年，伯努利(Bernoulli)提出了水流能量方程，即著名的伯努利定理。1775年，谢才(de Chezy)提出了明渠均匀流公式，即著名的谢才公式。1802年，道尔顿(Dalton)提出了阐述蒸发量与水汽压差比例关系的道尔顿定理。1856年，达西基于实验提出了地下水渗流基本定律，即著名的达西多孔介质流动定律。1871年圣维南(de SaintVenant)推导出了明槽一维非恒定渐变流方程组，即著名的圣维南方程组。1889年，曼宁(Manning)提出了计算谢才系数的曼宁公式。1895年，雷诺(Reynolds)提出了描述紊流运动的雷诺方程组和紊流黏滞力的概念。1899年，斯托克斯(Stokes)推导出了计算泥沙沉降速度的斯托克斯公式。这些的研究成果的出现，为水文学的形成奠定了丰富的理论基础。

18世纪以后相关研究发展更为迅速，为水文学定量研究的发展提供了深厚技术基础，同时水文观测也取得了重大进展。1610年圣托里奥(Santorio)研制出了流速仪，1639年卡斯泰利(Castelli)研制出了雨量筒，1732年皮托(Pitot)发明了新的测速仪皮托管，1790年沃尔特曼(Woltmann)研制出了转子式流速仪，1870年埃利斯(Ellis)发明了旋桨式流速仪，1885年普赖斯(Price)发明了旋杯式流速仪。对河流的系统观测始于19世纪。19世纪初，欧洲部分国家开始对莱茵河、台伯河、加龙河、易北河、奥得河等开展水情观测，并结合理论推算等综合方法，建立了流量资料序列，并于1865年开始观测死海水位。在中国，1742年北京开始记录逐日天气和雨雪起讫时间和入土雨深，1736年黄河老坝口开始设立水尺并观测水位和报汛，1841年北京开始以现代方法观测降水量。

这一时期实现了对水文现象的定性描述向定量表达的转变，初步建立起了水文学的理论基础，但是很多成果都是经验性的，水文学基本理论尚未建立起来。

(3) 应用水文学时期(20世纪初～60年代)。进入20世纪，为满足世界上大规模兴起的防洪、灌溉、水力发电、交通运输、农业、林业和城市等建设事业的需要，服务于社会和水利工程建设的水文预报和水文水利计算技术得到快速发展，极大地促进了水文学研究方法的理论化和系统化。

1914年黑曾(Hazen)提出了应用正态几率格纸选配流量频率曲线的方法，1942年福斯特(Foster)提出了应用皮尔逊Ⅲ型曲线选配频率曲线的方法，至此概率论与数理统计的理论与方法开始被系统地应用于水文研究。1930～1950年，水文现象理论分析得到发展并开始取代经验分析，这一进展的具体体现是谢尔曼单位线、霍顿渗透理论、泰斯方程、彭曼水面蒸发计算公式等的提出。

这一时期的水文观测也得到进一步发展，美国等西方国家开始实施水文研究方案，水文站逐渐在世界范围内发展成为国家规模的站网。"