Introduction to Physical Hydrology（自然水文学导论）

引用

Hendriks, M. R. (2010). Introduction to Physical Hydrology. Oxford University Press.

章节概要

全书约330页，包括一篇简短的引言、四个篇幅较长的章节——分别讨论出版社介绍中列出的四类水（大气水、地下水、土壤水和地表水）——一篇简短的尾声，以及三个附录：介绍所用数学的“概念工具箱”、收录推导过程的十个“数学工具箱”，以及习题答案。地下水所占篇幅最大，在约275页的正文中占了约90页。

第1章：引言

开篇一章为全书搭建框架：主要的水的类型、水文循环、流域内的水文过程，以及把它们联系起来的水量平衡。

第2章：大气水

本章从云的形成和降水的产生讲到降水类型，再转向如何测量降水、如何估算区域降水量等实际问题。后半部分讨论蒸发：蒸发的类型及其测量，以及用彭曼—蒙蒂思公式进行估算。

第3章：地下水

这是篇幅最长的一章，共十五节，其中一些小节标题颇为轻松，如“钻一个孔”“伯努利来帮忙”“科学兄弟：达西与欧姆”“简单一点，承压一点”“荷兰式做法”。从小节标题看，本章从伯努利方程和水头出发，依次讨论含水层、入渗速度与入渗率、达西定律、地下水流的折射、承压含水层与连续性方程、流网、地下水流动型式与系统、由吉本—赫茨伯格关系描述的淡水与咸水界面，以及地下水水力学。出版社的在线资源中包括一套针对第3.15节地下水水力学的测验。

第4章：土壤水

本章通过负水压和总水势的确定来引入非饱和带，讨论土壤水分特征曲线、干燥与湿润之间的滞后现象、非饱和流、通过毛管上升与蒸发的向上运动、通过入渗与渗漏的向下运动，以及优先流。理查兹方程的推导放在数学工具箱中。

第5章：地表水

最后一章为明渠流重新回到伯努利方程，随后讨论水位、流速与流量的测量、水文过程线分析、概念性降雨—径流模型，以及变动产流面积水文学。

附录：概念工具箱、数学工具箱、习题答案

概念工具箱以一节题为“如果你不会数学”的内容开篇，概述微分与积分，并附有微分法则速查表。十个数学工具箱依次处理承压和非承压含水层中的水平流与径向流、越流含水层、位于运河或河流之间且有补给的非承压含水层、理查兹方程的推导及其其他形式，以及明渠流。最后是习题答案。

核心概念

第1—2章：引言；大气水

• 水量平衡：对一个流域的输入、输出和储量变化进行核算。
• 面降水量：根据点观测推算的整个区域的降水量。
• 彭曼—蒙蒂思公式：根据气象数据估算蒸发量的标准方法。

第3章：地下水

• 水头：单位重量地下水所具有的能量，其梯度驱动水流。
• 达西定律：通过多孔介质的流量与水力梯度成正比；本书将其与欧姆定律类比。
• 流网：由流线和等势线构成的稳定地下水流图解法。
• 吉本—赫茨伯格关系：海平面以上淡水地下水的高度与其下方淡咸水界面深度之间的关系。

第4章：土壤水

• 土壤水分特征曲线：土壤水压力（吸力）与含水量之间的关系。
• 滞后现象：这一关系在干燥过程与湿润过程中的差异。
• 理查兹方程：描述非饱和水流的方程，在工具箱中推导。

第5章：地表水

• 水文过程线分析：把河流流量记录分解为各组成部分，以了解流域如何响应降雨。
• 变动产流面积：流域中产生暴雨径流的部分会随湿润程度扩大或缩小的观点。

评析

优点

• 讲授数学，而不是假定读者已经掌握。 出版社强调由例题、习题和数学工具箱组成、经过课堂检验的学习框架，目录也印证了这一点：为“不会数学”的读者准备的概念工具箱、从正文中移出的逐步推导，以及印在书中的习题答案，使本书也适合自学。
• 逐步建立物理原理。 尤其是地下水一章，以一个个小节从伯努利方程和水头推进到达西定律、连续性、流网和含水层水力学；地表水一章又回到伯努利方程，使同样的原理贯穿全书。
• 受到水文学教师的认可。 出版社刊载的推荐语来自：称赞例题、习题和数学处理的胡贝特·萨弗尼耶（代尔夫特理工大学）；特别提到数学工具和专栏的罗杰·通维克（瑞典皇家理工学院）；以及强调专栏案例和附答案习题的伊恩·马多克（伍斯特大学）。本书还曾由琼·埃斯特拉尼在《Progress in Physical Geography》（2011年）的“研究资源评介”中介绍。
• 在线补充练习。 出版社列出的学生资源包括交互式电子表格、选择题和地下水水力学测验。

局限

• 以物理为中心，范围较窄。 全书结构以四类水为纲。雪与冰、水质与溶质运移，以及概念性降雨—径流模型之外的水文模拟，均未出现在目录中；蒸发则放在大气水一章中讨论。
• 偏重地下水。 正文约三分之一是地下水，两个小节标题（“荷兰式做法”、吉本—赫茨伯格关系）反映了作者执教的荷兰背景；地表水一章篇幅相近，但只有五节。
• 只有2010年一个版本。 没有第二版，因此测量技术以及2000年代末以来的研究均未得到体现。

在课程中的定位

本课程把水文学与地貌学结合在一起。在课程书目中，亨德里克斯的这本书与S·劳伦斯·丁曼的 Physical Hydrology 是两本专门的水文学教材。丁曼的书篇幅更大、定量性更强，把水文学视为研究水循环陆地阶段的地球科学，涵盖雪、蒸散、地下水和径流，以及如何测量和模拟水量与能量收支。亨德里克斯则是更平缓的起点：它以更多的数学辅助和附带的答案阐述同样的物理原理，最好先读，再用丁曼的书拓展广度与深度。

在地貌学方面，古迪与怀尔斯的 Landscapes and Geomorphology: A Very Short Introduction 提供对地貌过程的快速概览，而哈格特与沙特尔沃思的 Fundamentals of Geomorphology 以及比尔曼与蒙哥马利的 Key Concepts in Geomorphology 则是逐一讲解各过程领域（包括河流）的综合教材。亨德里克斯关于土壤水和地表水的章节为这些章节提供了水文学基础；安德森夫妇的定量著作 Geomorphology: The Mechanics and Chemistry of Landscapes 也建立在从守恒定律出发进行推理的同样习惯之上。

如何使用本书

本书是一本大学教材，作者是在乌得勒支大学讲授各层次水文学和自然地理学的副教授；它适合从自然地理学或地球科学进入水文学的学生。全书的处理明确依赖数学，但所用的微分与积分在概念工具箱中都有交代。

• 从第1章和概念工具箱开始。 如果微积分已经生疏，在读第3章之前先查看工具箱。
• 核心顺序： 第3章（地下水）和第4章（土壤水）是全书的核心，第4章接续了第3章引入的入渗问题；按顺序阅读，并在查看答案之前先做习题。
• 有选择地使用工具箱。 关于含水层水流和理查兹方程的数学工具箱，可以留待第二遍阅读，或用于定量要求更高的课程。
• 第2章和第5章可与课程中关于雨量计、蒸发估算、流量测量和水文过程线分析的实习同步阅读。
• 补充广度。 关于雪、水质、全球水资源或较新的方法，可使用丁曼的教材或最新的综述文章。