Physical Hydrology（物理水文学）

引用

Dingman, S. L. (2015). Physical Hydrology (3rd ed.). Waveland Press.

章节概要

全书约640页，分三部分：导论（第1–2章）、大气与地表之间的水和能量交换（第3–6章）、水在陆地上和地下的运动（第7–10章），其后有七个附录。出版社介绍的贯穿全书的主题是：水文学的基本概念、地表与大气之间水和能量的交换，以及水文循环的陆地环节；每种分析方法都连同其前提和局限一并给出。

第1章：水文学：基本概念与挑战

开篇一章界定水文学的范围和本书的取径。各节涉及物理量与定律、量纲与单位、水的性质、水文系统与守恒方程、流域与区域水量平衡、水文变量的特殊性质、水文储蓄与不确定性。章末把这些思想用于流域功能的建模，并展望水文学的未来。

第2章：全球背景：气候、水文与关键带

这是一个简短的章节，把学科放在行星尺度的背景中：全球气候的基本方面、全球水文循环，以及水文学与关键带的关系。

第3章：原理与过程

第二部分的第一章，交代地表—大气交换所需的物理知识：压力—温度—密度关系、水汽、蒸发过程，以及动量、质量和能量的湍流交换。

第4–5章：降水；积雪与融雪

第4章依次通过气象学、测量、由点测量估计面降水量以及降水气候学来讨论降水。第5章把积雪单列成章：它在水文上的重要性、物质特性、测量与分布、融雪过程、融雪径流的产生以及融雪建模。

第6章：蒸散发

从蒸发和热交换过程出发，进而对蒸散发过程分类，然后依次讨论自由水面和湖泊蒸发、裸土蒸发、蒸腾和截留损失。章末是潜在蒸散发与参考作物蒸散发，以及实际蒸散发。

第7–8章：地下流动原理；入渗与土壤中的水分运动

第三部分从地面以下开始。第7章讲多孔介质的物质特性、水的储存以及饱和流与非饱和流的基本原理。第8章把这些原理用于土壤：土壤水状况、入渗过程及其测量、点上和面上入渗的定量建模，以及土壤水的再分布。

第9–10章：水文循环中的地下水；径流产生与河川流量

第9章讨论含水层与弱透水层、区域地下水流、地下水与地表水的关系、区域水量平衡中的地下水分量，以及地下水开发的影响。第10章把水追踪到河流：流域与河网、河流响应、径流来源的识别、事件径流产生过程、河道过程以及降雨—径流建模。

附录A–G

附录涉及测量精度、有效数字与单位及公式换算；作为物质的水；水文学中有用的统计概念；逐日晴空太阳入射辐射的估算；短期研究的测流方法；水文模拟建模；以及科学水文学的发展。

核心概念

第1–2章：基础

• 守恒方程与水量平衡：水文系统由质量守恒来描述，并应用于流域或区域。
• 水文储蓄与不确定性：水的储存以及水文估算中的不确定性，在本书中被视为学科的基本特征。
• 关键带：水文、气候与生态系统相互作用的近地表层。

第3–6章：地表—大气交换

• 湍流交换：驱动蒸发的动量、质量和能量的传输。
• 面估算：由点上的雨量测量得出整个区域的降水量。
• 融雪：把积雪转化为径流的过程和模型。
• 潜在、参考作物与实际蒸散发：蒸散发估算由浅入深的几个层次。

第7–10章：陆地上和地下的水

• 饱和流与非饱和流：水在多孔介质中运动的两种状态。
• 入渗：水进入土壤，在点上和面上建模。
• 区域地下水流与地下水平衡：作为更大水量平衡一部分的含水层。
• 径流产生：降雨或融雪水变成河川流量的过程，以及表示这些过程的模型。

评析

优点

• 清晰的三部分结构。 各章跟着水走：先是全球背景，再是与大气的交换，然后是地表之上和地下的运动。读者可以看出每一章在整个循环中的位置。
• 前提与局限交代清楚。 出版社强调，作者说明了每种分析方法背后的前提并指出其局限，这对要实际运用这些公式的学生很有用。
• 关注变化。 出版社突出介绍了书中对气候和水文量的全球变化记录趋势的考察，因此物理原理与气候和土地利用问题联系了起来。
• 例题与实用材料。 出版社引用的一位评论者特别提到带有例子和计算的方框；出版社还列出基于互联网数据集的补充习题和可下载的Excel电子表格。
• 实用的附录。 测量与单位、统计、太阳辐射估算、测流和模拟建模都集中在附录中，使正文可以专注于物理，而最后一个关于科学水文学发展的附录提供了背景。

局限

• 篇幅与密度。 约640页，内容超出一门入门课所能容纳，而且全书都是定量的。教师和自学者都需要挑选章节。
• 只讲陆地环节。 范围是水文循环的陆地环节。从章节标题看，没有单独讨论水质或水资源管理，这些主题需要参考其他书。
• 出版社未说明预备知识。 出版社页面没有列出所需背景；从定量的处理方式看，需要微积分、基础物理和基本统计，缺少这些的读者会觉得前几章吃力。

在课程中的定位

在本课程的阅读书目中，本书是对水文学详细而定量的处理。亨德里克斯（Hendriks）的《Introduction to Physical Hydrology》是面向地理学和地球科学学生的精简入门书，依次讲大气水、地下水、土壤水和地表水，并配有例题；它是合适的第一本书，而需要推导、测量方法和建模时，就转向丁曼（Dingman）。

地貌学的几本书讲水所塑造的地貌。哈吉特（Huggett）的《Fundamentals of Geomorphology》和比尔曼与蒙哥马利的《Key Concepts in Geomorphology》是内容广泛的入门书，古迪和瓦尔斯的《Landscapes and Geomorphology: A Very Short Introduction》是简短的概览；安德森夫妇的《Geomorphology: The Mechanics and Chemistry of Landscapes》在方法上最为接近，因为它从守恒定律出发构建地表过程。丁曼第9–10章关于地下水和河川流量的内容，可以与这些书中的河流章节自然搭配。

如何使用本书

本书适合地理学、地球科学和工程方向的高年级本科生、研究生以及从业者，他们需要定量的水文学基础。微积分、基础物理和一些统计是合适的准备。

一学期课程的实用安排：

• 核心： 第1章和第2章中讲水文循环的部分，然后是第4、6、8、10章，它们合起来沿着水的路径从降水一直到河川流量。
• 按需增加： 蒸发的物理基础用第3章，积雪为主的地区用第5章，读第8–9章前先读第7章，地下水用第9章。
• 参考： 附录，尤其是讲统计的C、讲测流的E和讲模拟建模的F，视项目需要查阅。

先做完例题方框，再尝试习题，并利用电子表格和数据集习题练习处理真实数据。刚接触这一学科的读者可以先读亨德里克斯，再按章节回到丁曼。