Introduction to Physical Hydrology（自然水文學導論）

引用

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

章節概要

全書約330頁，包括一篇簡短的引言、四個篇幅較長的章節——分別討論出版社介紹中列出的四類水（大氣水、地下水、土壤水和地表水）——一篇簡短的尾聲，以及三個附錄：介紹所用數學的「概念工具箱」、收錄推導過程的十個「數學工具箱」，以及習題答案。地下水所佔篇幅最大，在約275頁的正文中佔了約90頁。

第1章：引言

開篇一章為全書搭建框架：主要的水的類型、水文循環、流域內的水文過程，以及把它們連結起來的水量平衡。

第2章：大氣水

本章從雲的形成和降水的產生講到降水類型，再轉向如何測量降水、如何估算區域降水量等實際問題。後半部分討論蒸發：蒸發的類型及其測量，以及用彭曼—蒙蒂思公式進行估算。

第3章：地下水

這是篇幅最長的一章，共十五節，其中一些小節標題頗為輕鬆，如「鑽一個孔」「白努利來幫忙」「科學兄弟：達西與歐姆」「簡單一點，承壓一點」「荷蘭式做法」。從小節標題看，本章從白努利方程和水頭出發，依次討論含水層、入滲速度與入滲率、達西定律、地下水流的折射、承壓含水層與連續性方程、流網、地下水流動型式與系統、由吉本—赫茨伯格關係描述的淡水與鹹水界面，以及地下水水力學。出版社的線上資源中包括一套針對第3.15節地下水水力學的測驗。

第4章：土壤水

本章透過負水壓和總水勢的確定來引入非飽和帶，討論土壤水分特徵曲線、乾燥與溼潤之間的滯後現象、非飽和流、透過毛管上升與蒸發的向上運動、透過入滲與滲漏的向下運動，以及優先流。理查茲方程的推導放在數學工具箱中。

第5章：地表水

最後一章為明渠流重新回到白努利方程，隨後討論水位、流速與流量的測量、流量歷線分析、概念性降雨—逕流模型，以及變動產流面積水文學。

附錄：概念工具箱、數學工具箱、習題答案

概念工具箱以一節題為「如果你不會數學」的內容開篇，概述微分與積分，並附有微分法則速查表。十個數學工具箱依次處理承壓和非承壓含水層中的水平流與徑向流、越流含水層、位於運河或河流之間且有補給的非承壓含水層、理查茲方程的推導及其其他形式，以及明渠流。最後是習題答案。

核心概念

第1—2章：引言；大氣水

• 水量平衡：對一個流域的輸入、輸出和儲量變化進行核算。
• 面降水量：根據點觀測推算的整個區域的降水量。
• 彭曼—蒙蒂思公式：根據氣象資料估算蒸發量的標準方法。

第3章：地下水

• 水頭：單位重量地下水所具有的能量，其梯度驅動水流。
• 達西定律：透過多孔介質的流量與水力梯度成正比；本書將其與歐姆定律類比。
• 流網：由流線和等勢線構成的穩定地下水流圖解法。
• 吉本—赫茨伯格關係：海平面以上淡水地下水的高度與其下方淡鹹水界面深度之間的關係。

第4章：土壤水

• 土壤水分特徵曲線：土壤水壓力（吸力）與含水量之間的關係。
• 滯後現象：這一關係在乾燥過程與溼潤過程中的差異。
• 理查茲方程：描述非飽和水流的方程，在工具箱中推導。

第5章：地表水

• 流量歷線分析：把河流流量記錄分解為各組成部分，以瞭解流域如何響應降雨。
• 變動產流面積：流域中產生暴雨逕流的部分會隨溼潤程度擴大或縮小的觀點。

評析

優點

• 講授數學，而不是假定讀者已經掌握。 出版社強調由例題、習題和數學工具箱組成、經過課堂檢驗的學習框架，目錄也印證了這一點：為「不會數學」的讀者準備的概念工具箱、從正文中移出的逐步推導，以及印在書中的習題答案，使本書也適合自學。
• 逐步建立物理原理。 尤其是地下水一章，以一個個小節從白努利方程和水頭推進到達西定律、連續性、流網和含水層水力學；地表水一章又回到白努利方程，使同樣的原理貫穿全書。
• 受到水文學教師的認可。 出版社刊載的推薦語來自：稱讚例題、習題和數學處理的胡貝特·薩弗尼耶（台夫特理工大學）；特別提到數學工具和專欄的羅傑·通維克（瑞典皇家理工學院）；以及強調專欄案例和附答案習題的伊恩·馬多克（伍斯特大學）。本書還曾由瓊·埃斯特拉尼在《Progress in Physical Geography》（2011年）的「研究資源評介」中介紹。
• 線上補充練習。 出版社列出的學生資源包括互動式試算表、選擇題和地下水水力學測驗。

局限

• 以物理為中心，範圍較窄。 全書結構以四類水為綱。雪與冰、水質與溶質運移，以及概念性降雨—逕流模型之外的水文模擬，均未出現在目錄中；蒸發則放在大氣水一章中討論。
• 偏重地下水。 正文約三分之一是地下水，兩個小節標題（「荷蘭式做法」、吉本—赫茨伯格關係）反映了作者執教的荷蘭背景；地表水一章篇幅相近，但只有五節。
• 只有2010年一個版本。 沒有第二版，因此測量技術以及2000年代末以來的研究均未得到體現。

在課程中的定位

本課程把水文學與地貌學結合在一起。在課程書目中，亨德里克斯的這本書與S·勞倫斯·丁曼的 Physical Hydrology 是兩本專門的水文學教材。丁曼的書篇幅更大、定量性更強，把水文學視為研究水循環陸地階段的地球科學，涵蓋雪、蒸散、地下水和逕流，以及如何測量和模擬水量與能量收支。亨德里克斯則是更平緩的起點：它以更多的數學輔助和附帶的答案闡述同樣的物理原理，最好先讀，再用丁曼的書拓展廣度與深度。

在地貌學方面，古迪與懷爾斯的 Landscapes and Geomorphology: A Very Short Introduction 提供對地貌過程的快速概覽，而哈格特與沙特爾沃思的 Fundamentals of Geomorphology 以及比爾曼與蒙哥馬利的 Key Concepts in Geomorphology 則是逐一講解各過程領域（包括河流）的綜合教材。亨德里克斯關於土壤水和地表水的章節為這些章節提供了水文學基礎；安德森夫婦的定量著作 Geomorphology: The Mechanics and Chemistry of Landscapes 也建立在從守恆定律出發進行推理的同樣習慣之上。

如何使用本書

本書是一本大學教材，作者是在烏特勒支大學講授各層次水文學和自然地理學的副教授；它適合從自然地理學或地球科學進入水文學的學生。全書的處理明確依賴數學，但所用的微分與積分在概念工具箱中都有交代。

• 從第1章和概念工具箱開始。 如果微積分已經生疏，在讀第3章之前先檢視工具箱。
• 核心順序： 第3章（地下水）和第4章（土壤水）是全書的核心，第4章接續了第3章引入的入滲問題；按順序閱讀，並在檢視答案之前先做習題。
• 有選擇地使用工具箱。 關於含水層水流和理查茲方程的數學工具箱，可以留待第二遍閱讀，或用於定量要求更高的課程。
• 第2章和第5章可與課程中關於雨量計、蒸發估算、流量測量和流量歷線分析的實習同步閱讀。
• 補充廣度。 關於雪、水質、全球水資源或較新的方法，可使用丁曼的教材或最新的綜述文章。