01 / 導讀
導讀
引用
Dingman, S. L. (2015). Physical Hydrology (3rd ed.). Waveland Press.
章節概要
全書約640頁，分三部分：導論（第1–2章）、大氣與地表之間的水和能量交換（第3–6章）、水在陸地上和地下的運動（第7–10章），其後有七個附錄。出版社介紹的貫穿全書的主題是：水文學的基本概念、地表與大氣之間水和能量的交換，以及水文循環的陸地環節；每種分析方法都連同其前提和局限一並給出。
第1章：水文學：基本概念與挑戰
開篇一章界定水文學的範圍和本書的取徑。各節涉及物理量與定律、量綱與單位、水的性質、水文系統與守恆方程、流域與區域水量平衡、水文變數的特殊性質、水文儲蓄與不確定性。章末把這些思想用於流域功能的建模，並展望水文學的未來。
第2章：全球背景：氣候、水文與關鍵帶
這是一個簡短的章節，把學科放在行星尺度的背景中：全球氣候的基本方面、全球水文循環，以及水文學與關鍵帶的關係。
第3章：原理與過程
第二部分的第一章，交代地表—大氣交換所需的物理知識：壓力—溫度—密度關係、水汽、蒸發過程，以及動量、質量和能量的紊流交換。
第4–5章：降水；積雪與融雪
第4章依次通過氣象學、測量、由點測量估計面降水量以及降水氣候學來討論降水。第5章把積雪單列成章：它在水文上的重要性、物質特性、測量與分佈、融雪過程、融雪逕流的產生以及融雪建模。
第6章：蒸散發
從蒸發和熱交換過程出發，進而對蒸散發過程分類，然後依次討論自由水面和湖泊蒸發、裸土蒸發、蒸騰和截留損失。章末是潛在蒸散發與參考作物蒸散發，以及實際蒸散發。
第7–8章：地下流動原理；入滲與土壤中的水分運動
第三部分從地面以下開始。第7章講多孔介質的物質特性、水的儲存以及飽和流與非飽和流的基本原理。第8章把這些原理用於土壤：土壤水狀況、入滲過程及其測量、點上和麵上入滲的定量建模，以及土壤水的再分佈。
第9–10章：水文循環中的地下水；逕流產生與河川流量
第9章討論含水層與弱透水層、區域地下水流、地下水與地表水的關係、區域水量平衡中的地下水分量，以及地下水開發的影響。第10章把水追蹤到河流：流域與河網、河流響應、逕流來源的識別、事件逕流產生過程、河道過程以及降雨—逕流建模。
附錄A–G
附錄涉及測量精度、有效數字與單位及公式換算；作為物質的水；水文學中有用的統計概念；逐日晴空太陽入射輻射的估算；短期研究的測流方法；水文模擬建模；以及科學水文學的發展。
核心概念
第1–2章：基礎
- 守恆方程與水量平衡：水文系統由質量守恆來描述，並應用於流域或區域。
- 水文儲蓄與不確定性：水的儲存以及水文估算中的不確定性，在本書中被視為學科的基本特徵。
- 關鍵帶：水文、氣候與生態系統相互作用的近地表層。
第3–6章：地表—大氣交換
- 紊流交換：驅動蒸發的動量、質量和能量的傳輸。
- 面估算：由點上的雨量測量得出整個區域的降水量。
- 融雪：把積雪轉化為逕流的過程和模型。
- 潛在、參考作物與實際蒸散發：蒸散發估算由淺入深的幾個層次。
第7–10章：陸地上和地下的水
- 飽和流與非飽和流：水在多孔介質中運動的兩種狀態。
- 入滲：水進入土壤，在點上和麵上建模。
- 區域地下水流與地下水平衡：作為更大水量平衡一部分的含水層。
- 逕流產生：降雨或融雪水變成河川流量的過程，以及表示這些過程的模型。
評析
優點
- 清晰的三部分結構。 各章跟著水走：先是全球背景，再是與大氣的交換，然後是地表之上和地下的運動。讀者可以看出每一章在整個循環中的位置。
- 前提與局限交代清楚。 出版社強調，作者說明了每種分析方法背後的前提並指出其局限，這對要實際運用這些公式的學生很有用。
- 關注變化。 出版社突出介紹了書中對氣候和水文量的全球變化記錄趨勢的考察，因此物理原理與氣候和土地利用問題聯繫了起來。
- 例題與實用材料。 出版社引用的一位評論者特別提到帶有例子和計算的方框；出版社還列出基於網際網路資料集的補充習題和可下載的Excel電子表格。
- 實用的附錄。 測量與單位、統計、太陽輻射估算、測流和模擬建模都集中在附錄中，使正文可以專注於物理，而最後一個關於科學水文學發展的附錄提供了背景。
局限
- 篇幅與密度。 約640頁，內容超出一門入門課所能容納，而且全書都是定量的。教師和自學者都需要挑選章節。
- 只講陸地環節。 範圍是水文循環的陸地環節。從章節標題看，沒有單獨討論水質或水資源管理，這些主題需要參考其他書。
- 出版社未說明預備知識。 出版社頁面沒有列出所需背景；從定量的處理方式看，需要微積分、基礎物理和基本統計，缺少這些的讀者會覺得前幾章吃力。
在課程中的定位
在本課程的閱讀書目中，本書是對水文學詳細而定量的處理。亨德里克斯（Hendriks）的《Introduction to Physical Hydrology》是面向地理學和地球科學學生的精簡入門書，依次講大氣水、地下水、土壤水和地表水，並配有例題；它是合適的第一本書，而需要推導、測量方法和建模時，就轉向丁曼（Dingman）。
地貌學的幾本書講水所塑造的地貌。哈吉特（Huggett）的《Fundamentals of Geomorphology》和比爾曼與蒙哥馬利的《Key Concepts in Geomorphology》是內容廣泛的入門書，古迪和瓦爾斯的《Landscapes and Geomorphology: A Very Short Introduction》是簡短的概覽；安德森夫婦的《Geomorphology: The Mechanics and Chemistry of Landscapes》在方法上最為接近，因為它從守恆定律出發構建地表過程。丁曼第9–10章關於地下水和河川流量的內容，可以與這些書中的河流章節自然搭配。
如何使用本書
本書適合地理學、地球科學和工程方向的高年級大學生、研究生以及從業者，他們需要定量的水文學基礎。微積分、基礎物理和一些統計是合適的準備。
一學期課程的實用安排：
- 核心： 第1章和第2章中講水文循環的部分，然後是第4、6、8、10章，它們合起來沿著水的路徑從降水一直到河川流量。
- 按需增加： 蒸發的物理基礎用第3章，積雪為主的地區用第5章，讀第8–9章前先讀第7章，地下水用第9章。
- 參考： 附錄，尤其是講統計的C、講測流的E和講模擬建模的F，視專案需要查閱。
先做完例題方框，再嘗試習題，並利用電子表格和資料集習題練習處理真實資料。剛接觸這一學科的讀者可以先讀亨德里克斯，再按章節回到丁曼。