水文实验

探求且研究水文现象和过程并对其作出成因分析的科学实验

水文实验（hydrological experiments），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，可分为：径流形成过程的研究；为环境保护服务的水化学平衡和植物生态实验研究等。

基本信息

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）

简介

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。

发展简况

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。

实验类型

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。

实验方法

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。

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