水文科學發展史

水文科學發展史，指人類逐步認識水文現象、過程及其運動規律並運用這些規律為人類生活和生產服務的歷史。

基本信息

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萌芽時期（公元1400年以前）

原始的水文觀測

水位觀測

流量和泥沙測量

雨量觀測

水文經驗的積累

水文地理學的早期發展

水文循環概念的萌發

奠基時期(1400～1900)

觀測儀器的發明與水文測驗的開展

水文科學體系的形成

套用水文學的興起

成長時期(1900～1950)

水文要素的深入研究

水文計算和水文預報方法的改進

現代化時期（1950年以後）

新技術的運用

水文數學模型的發展

水文預報

歷史洪水調查與水文計算

河流泥沙計算

地下水模型

水面蒸發模型和水質模型

水文實驗和研究的發展

水資源和人類活動的水文效應研究的興起

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人類逐步認識水文現象、過程及其運動規律並運用這些規律為人類生活和生產服務的歷史。自古以來，人類在日常生活和生產活動中特別是在與水旱災害作鬥爭中,對經常遇到的各種水文現象和變化規律進行探索,在不斷認識和積累經驗的基礎上逐漸發展了海洋科學。水文科學的發展，經歷了一個由萌芽到成熟，由定性到定量，由經驗到理論的歷史發展過程。今天，水文科學已發展成由一系列分支學科組成的涉及整個水資源並與多個邊緣科學相互滲透的與社會科學緊密聯繫的一門綜合性科學。水文科學發展的歷史時期大體可劃分成：以原始觀測和定性描述為主要特徵的萌芽時期、以定量觀測和初步理性認識為主要特徵的奠基時期、以廣泛套用和迅速發展為主要特徵的成長時期和以新技術的引入和開展水資源研究為主要特徵的現代化時期。

萌芽時期

人類在爭取生存和改善生活的實踐中，逐漸認識到水的重要性，開始觀察和探索自然界水的運動規律，以便採取興利避害的措施，達到治水和用水的目的。由於生產方式和科學水平所限，這一時期經歷了一個漫長的歲月。在一些文化發祥較早的國家和地區，從遺留至今的歷代古籍文獻、碑刻古蹟和發掘的大量文物中，可以發現水文科學萌發的一系列史實，表明這一時期的主要特點是：生活和生產促進了原始的水文觀測，人們考察河流、湖泊和地下水等各種水體的水文現象，積累了早期的水文知識並套用於生活和生產的實際，取得了一些重要成果。中國古代的水利建設在世界上具有重要特色和貢獻，它促進了中國水文科學的發展，並使之處於世界領先地位。

在人類早期與大自然的鬥爭中逐漸萌發了“數”的概念。當洪水和乾旱威脅到人們的生活和生產時，人們便自發地開始用“數”來衡量洪水的大小和雨量的多少，於是逐漸開展了原始的河流水位和降雨量的觀測，以加深人們對大自然的認識。

水位觀測

古埃及在公元前3500～前3000年為灌溉引水開始觀測尼羅河水位，至今還保存有公元前2200年時所刻水尺的崖壁。據《尚書·禹貢》等古籍記載,中國在公元前23世紀相傳禹治水用“隨山刊木”、“準繩”和“規矩”等方法測量地形,觀測水位。許慎於公元100年所著《說文解字》中說“測”字是“深所至也從水則聲”。可知“測”就是從水位觀測而來，後來就稱水尺為“水則”。公元前 3世紀，中國的李冰在四川都江堰引水工程中，設石人水尺觀測水位。隋代開始把石人水尺改為木樁和石碑式刻划水尺，稱水則或水志。宋代設立刻划水尺的地點很多。圖1為明代沈於1564年所著《吳江水考》一書中所繪宋代水則碑的式樣，刻有宋紹熙五年(1194)和元至元二十三年(1286)的最高水位。中國歷代沿河居民把最高或最低水位及其出現時間刻在河岸的石崖上，以記錄罕見的洪、枯水位。《水經注》中記有黃河支流伊河龍門崖壁上的刻記,記錄黃初四年（公元223年）水位漲高四丈五尺（合10.9米）的一次特大洪水（圖2），為後世查證伊河歷史洪水提供了重要依據。長江幹流重慶至宜昌間的河岸崖壁上，保存著1153～1870年間的 6次特大洪水的最高水位石刻114處。四川涪陵縣長江岸邊的白鶴梁自公元764年開始刻劃石魚圖形記載長江最枯水位，直到20世紀40年代共有刻記 163條，記有72個年份的歷史枯水，這些珍貴的石刻，為水位資料的延長創造了條件。流量和泥沙測量 中國西漢末年張戎於元始四年(公元4年)提出：“河水重濁，號為一石水而六斗泥。”說明他對黃河泥沙作了測驗(《漢書·溝洫志》)。元代李好文的《長安志圖》一書中記有計算流量的單位“徼”，指在某一固定斷面“量徹入渠水頭，深、廣、方一尺謂之一徼”。北宋元豐三年(1080)改修汴渠引洛水為源時，就用這一方法計算水量。

雨量觀測

印度在公元前 4世紀開始觀測雨量，按雨量多少徵收農業稅。中國的雨量觀測可追溯到公元前11世紀以前的商代，甲骨文中有降雨的定性描述如細雨、大雨和驟雨等的分類。秦代在《田律》中規定在農作物生長季節要隨時向朝廷報告降雨量多少、水旱等災害和受益受災田地的面積。漢承秦制，也規定每年立春至立秋,全國各郡縣都要隨時向朝廷報告降雨量。唐、宋、明諸代都沿襲這一制度。宋秦九韶在《數書九章》中記有當時全國“州郡都有天池盆以測雨水”，並記述了桶形的“天池盆”和圓錐形的“圓罌”雨量器中雨水深度換算成平地降雨深的計算方法和竹製量雪器中積雪深換算成平地降雪深的計算方法。這些方法在當時是世界上最先進的。

距今5000多年，中國浙江省餘姚縣河姆渡村已有地下水井 (見彩圖)。傳說公元前23世紀中國以禹為代表的治水先驅，在治水實際中掌握了水性就下的規律，採取疏導排洪的辦法，使水歸大海，取得治水成功。公元前14世紀，中國商代甲骨文記有卜問洹水發生洪水災害可能性的卜辭，說：洹水不會發生災害，洹水會危害這個城嗎？（圖3）公元前 7世紀，中國的管仲提出了河流分類方法、利用水流特性計算引水渠道坡度的原始水力學計算方法，分析了河灣受沖刷的原因。中國古代一些水利工程如都江堰、鄭國渠、靈渠和大運河等，建成後較長時間內發揮較大效益，都與有效地運用水文知識有關，尤其是2000餘年前建成的、至今仍在發揮巨大效益的都江堰工程，它能隨上游來水量自動按一定比例把水引入灌渠並維持灌渠一定水深；而當洪水來時又能自動把多餘的上游洪水和大部分推移質泥沙排入外江，保持渠道不被沖淤；同時為了能維持這一水文控制條件，還規定了一整套維修管理制度。中國西漢元始四年（公元 4年）張戎最先認識黃河下游易決溢的主要原因是泥沙淤積，提出要保持河道有較高的流速，依靠河水自身的沖刷力排泄泥沙，即“以水排沙”的思想，對當時和後世治河影響很大。

《宋史·河渠志》記有:“黃河隨時漲落,故舉物候為水勢之名。”用不同時期植物生長的不同情況，來表達不同月份來水的變化，如“桃華水”、“菜華水”和“麥黃水”等名稱。還有稱為“信水”的，是說：“自立春之後，東風解凍，河邊人候水，初至凡一寸，則夏秋當至一尺，頗為信驗，故謂之‘信水’。”這裡已含有水文預報經驗。約在公元前 7世紀，人們開挖地下渠道──坎兒井，將遠處的地下水引入農田和城市，以減少明渠引水的蒸發損失。約在公元 1世紀，古羅馬建築師維特魯維提出土壤種類與水質的關係和從各種土壤中可能取得的水量。希臘幾何學家希羅(亞歷山大城的)提出河流的流量取決於流速和過水斷面。人們在各種工程實踐中客觀地運用了水文知識得到成功，積累了豐富的水文經驗，加深了對水文規律的認識。

隨著生產發展，貿易往來增加,人們需要了解各地的河流、湖泊、山脈、道路、氣候、物產和城鎮位置等情況，於是自然地理特別是水文地理的觀察開始發展。中國的《山海經·山經》和《尚書·禹貢》，都記載了中國許多河流和湖泊等水文地理狀況。《周禮·職方氏》記述了先秦時中國的沼澤、河流、主要灌溉水源和有利於種植的各種水體。西漢《淮南子·地形訓》中也記述了中國主要河流的水質和適宜的農作物。北魏酈道元著《水經注》,記述乾支河流達1252條之多。這些著作比歐洲同類水平的著作約早1000年。

人們在觀察了河流和湖泊等地面水體的水文現象之後，很自然會想到這些水從何而來又流往何處去。中國屈原（約前 340～前 278年）在《天問》中提出：“東流不溢，孰知其故？”對百川入海，而海水不溢的原因,提出問題。幾千年來,人們對水的來龍去脈作過許多觀察和推測。中國歷代古籍記載很多，其中有許多完全符合科學道理。《黃帝內經素問》（約成書於公元前 5世紀）中說：“地氣上為雲，天氣下為雨。雨出地氣，雲出天氣。”說明了水的蒸發，成雲致雨的現象。《莊子·徐無鬼》(約成書於公元前4世紀)中說：“風之過河也有損焉,日之過河也有損焉。請只風與日守河,而以為未始其櫻也,恃源而往者也。”意為水面蒸發與風和日照有關，而人們覺察不出河水的蒸發損失，是因為河水由上游不斷流來之故。中國《呂氏春秋》對水文循環過程解釋更加清楚：“雲氣西行云云然,冬夏不輟;水泉東流,日夜不休；上不竭,下不滿，小為大，重為輕。圜道也。”就是說：水汽從海洋不斷隨風吹向西方,在大陸上空周轉迴旋,凝降為雨；地上、地下的水流向東方,日夜運行,源流不息,海洋也注不滿;涓滴匯合成河海，海水蒸發為浮雲。這便是水循環的道理。東漢王充、南朝宋何承天和唐代柳宗元等很多中國思想家還從本質上去研究水文循環現象。王充在《論衡·順鼓》中說：“案天將雨，山先出雲，雲積為雨，雨流為水。”他還在《論衡·書虛》中說：“濤之起也，隨月盛衰，小大滿損不齊同。”明確指出潮汐現象是與月球的盈虧有關。這在當時是世界上最先進的認識。南朝宋何承天於公元 442年在《論渾天象體》（《宋書·天文志》）中說：“百川發源，皆自山出，由高趨下，歸注于海。日為陽精，光耀炎熾，一夜入水，所經燋竭。百川歸注，足以相補。故旱不為減，浸不為溢。”他把太陽看成是水循環的巨大能源,使海水蒸發,而眾多河水的灌注又足以補償其損耗，以致海水不增不減。柳宗元在《天對》一文中說：“東窮歸墟，又環西盈。脈穴土區，而濁濁清清。壚疏，滲渴而升。充融有餘，泄漏復行。器運浟浟，又何溢為？”意思是：水向東流歸大海，海水蒸發為雲，又回到大陸上空降而為雨。填充在土壤孔隙里的水有濁有清。高地乾燥的土壤，水滲入後便會上升蒸發。土壤水飽和以後便會產生徑流，水流通過各種途徑運行不停，最後注入大海，如此循環不已，海洋又怎么會漫溢呢？他解答了1000多年前屈原在《天問》中提出的問題，把地表水、土壤水和地下水的運動與水循環連繫起來，推進了前人的認識。約公元1世紀,古羅馬的維特魯維提出過地下水是由降雨下滲形成，而降雨則是海洋和其他水體蒸發成雲後產生的這一說法，也比較正確。在這一時期，中國的思想家們對水文循環的這些認識居於領先地位。

奠基時期

14～16世紀歐洲的文藝復興和18～19世紀產業革命給自然科學包括水文科學的發展以很大影響。這一時期，雨量器、蒸發器和流速儀等一系列觀測儀器的發明，為水文現象的實地觀測、定量研究和科學實驗提供了必要條件;水文循環學說在觀測和實驗基礎上得到的驗證,水文現象的研究由概念性描述深入到定量表達這一飛躍，為水文科學的建立奠定了基礎。水文科學體系逐漸形成。這一時期，普通水文學首先在西歐發展，後期在北美興起，並比較普遍套用於實際。這一時期中國水文科學的進展比較緩慢。

中國於1424年、朝鮮於1442年開始全國統一製作和使用標準的測雨器。1610年，義大利的聖托里奧發明鉸接葉片式的第一架流速儀。1628年，義大利的B.卡斯泰利提出測量河渠流量的方法，並於1639年創製了歐洲第一個雨量筒。1663年英國C.雷恩發明了自記雨量計，並與R.胡克共同創製了翻斗式自記雨量計。英國的E.哈雷於1687年創製成蒸發器。法國H.皮托於1732年發明了皮托管──測速儀，可測定不同深度的水流速度，使人們對河流斷面上的流速分布有了新的認識。1762年，義大利的P.弗里西發表了《河流水文測驗方法》一書，總結了水文測驗的發展。1790年,德國人R.沃爾特曼發明轉子式流速儀,其後1870年,美國的T.G.埃利斯發明了旋槳式流速儀；1885年,美國的W.G.普賴斯發明了旋杯式流速儀。1886年，美國的C.赫歇耳根據G.B.汾丘里的水流脈動理論，研製成新的流速儀──汾丘里測流儀(venturimeter)。這一系列儀器的發明和使用，為水文定量觀測和水文科學實驗提供了有力的工具。

中國在18世紀以前的雨量觀測均未留下實測資料。18世紀後，全國各州縣測量降雨、降雪過程的起訖時間、降雨深度和雨水入土深度，稱為“雨雪分寸”。北京故宮檔案館現存1736～1909年一些比較完整的雨雪分寸記錄。中國在1736年繪製了降水量等值線圖，法國在1778年、日本在1783年也繪製了這種降水量等值線圖。1841年，中國開始用現代雨量器觀測和記錄降水量。

死海從1650年開始觀測水位。中國於1746年在黃河的老壩口設站觀測水位並報汛，從1865年起先後在長江、松花江、珠江等多處設立水位站，用現代方法觀測記錄水位，積累完整的水文資料。水位資料的分析最早是德國的H.貝格豪斯，他整理了萊茵河的埃默里希和科隆等處的水位資料，統計出年最高、最低和平均水位。俄國於1881年至1910年期間出版了10卷內河水位觀測資料。

義大利的L.達·文西提出用浮標法測流速，是西歐水文定量觀測的先導。他首創水的連續性定理，闡明了明渠流邊界阻力，正確地區分了水流速度和波浪傳播速度。中國的陳潢在17世紀提出了河道橫斷面面積與水流速度相乘得流量的計算方法，並用浮標法測定流速。H.K.埃舍爾·馮·德爾·林特於1809～1821年在上萊茵河的巴塞爾附近從事流量測量,並計算逐年的年流量。1535年，中國劉天和創製了乘沙量水器，即泥沙採樣器和盛沙樣的工具。中國的萬恭於1573年成書的《治水筌蹄》中記有仿照“飛報邊情”的辦法，創立了從上游向下游傳遞洪水情報的制度，使水位觀測直接為防洪服務。

在歐洲，由於實測水文資料增加和進一步觀察探索,人們發現水文現象複雜多變。為了進一步探明這些現象的成因和相互之間的影響，人們進行了許多實驗研究，揭示了一系列水文基本規律。

法國的P.佩羅估算了塞納河艾涅勒迪克以上的集水面積和徑流量，並在觀測了 3年的降水量以後得出結論：河流年徑流量約為年降雨量和降雪量的六分之一，並於1674年在《泉水之源》一書中公布了這一成果，這一結論的發表被公認為科學水文學的開始。法國的E.馬略特測量了巴黎塞納河在接近平均水位時的河寬、水深並用浮標法測得流速，他的觀測基本上證實了佩羅的結論。1687年，英國的哈雷用他創製的蒸發器觀測了海水的蒸發量，計算了從地中海蒸發的總水量，並估算了地中海沿岸 9條主要河流進入地中海的總水量。他發現流入地中海的總水量只約占地中海蒸發損失總水量的三分之一。佩羅、馬略特和哈雷三人被認為是現代水文科學的奠基人，他們第一次把水文學建立在定量研究的基礎之上。

1802年，英國的J.道耳頓經過試驗，提出蒸發與水汽壓成比例的定律， 即道耳頓定理。1856年， 法國的H.-P.-G.達西經過實驗提出孔隙介質中滲流水量的計算公式，稱為達西定律。他們的研究成果至今仍為水文計算和水文預報的主要依據。

1827年，英國的W.史密斯把地質學知識引入地下水的研究,並提出攔蓄承壓水水量的建議。法國的J.-J.裘布衣最早把數學方法引入地下水動力學，於1863年提出水井的平衡水力學方程式。1886年，奧地利的P.福希海默爾運用導熱原理於地下水研究，第一次作出地下水流網圖，提出了地下水滲流的非線性公式。這些研究成果和達西定律，為地下水水文學的形成奠定了基礎。

瑞士的J.L.R.阿加西1840年在瑞士的溫特阿爾冰川建立起世界第一個冰川研究站，觀測冰川運動，探測冰川厚度。他闡述了冰川運動速度的分布，冰川的搬運作用，為建立冰川水文學奠立了基礎。

瑞士的F.-A.福雷爾於1876年套用流體力學公式計算湖泊波漾，開展湖水物理與水生物相互作用的研究。1885年他發現冰川源混濁冷水不與清淨溫暖湖水混合而潛入湖底，形成異重流。1889年，他採用水色計測量湖水顏色。他是湖泊水文學的奠基人。

1879年，法國的P.迪布瓦提出河流泥沙推移質運動的拖曳力理論，成為河流泥沙運動研究的基礎。1899年，英國的G.G.斯托克斯在流水和靜水中試驗顆粒沉降速度，提出了著名的斯托克斯定律，為泥沙沉降理論奠立了基礎。1855年,美國的A.斐克提出液體中分子擴散定律,為其後的水質研究提供了依據。1873年，俄國的И.И.日林斯基提出疏乾沼澤會使河流水情惡化的問題以後，沼澤水文問題引起廣泛注意。

中國的徐霞客經過28年的野外實際考察，在考察所得成果《徐霞客遊記》中，第一次正確指出金沙江為長江上源。他關於廣西、雲南、貴州、四川石灰岩地區的岩溶地貌和水文地理方面的記述，早於國外同類著作近300年,具有較高的科學價值。他還對岩溶地貌、流水作用以及氣候等方面進行了一些規律性探討，衝破了舊的地理傳統，開闢了探索自然的新方向，在中國水文地理學的發展中占有突出的地位。

18～19世紀，西歐因產業革命促進的城市、交通和工農業發展，大量的水利工程建設等，要求解決各種設計中的許多水力學計算問題，使水力學理論得到較大進步，而水力學的發展，又為一些水文規律的理論研究和解釋提供了有力工具。水文基本理論和具體方法的逐步完善，使水文計算和水文預報的技術方法得到提高，在工程建設和防洪中它們的效果日益顯著，從而逐漸形成以水文計算和水文預報為主要內容的新的分支學科──套用水文學。

1644年，義大利的E.托里拆利首先發現了射流定理，即後來的公式。1738年，瑞士的伯努利父子各自用不同數學方法論證了這一公式，稱為伯努利水流能量方程，成為水力學的主要計算公式。法國的A.de謝才研究了明渠流速與水面比降的關係，於1775年發表了著名的謝才公式。其後不少人繼續作了許多研究，提出了各種公式，其中最著名的有：1865年法國的巴贊公式；1869年瑞士的岡吉耶-庫特爾公式和 1889年愛爾蘭的曼寧公式等。它們都為謝才公式的實際套用提供了方便。愛爾蘭人T.J.莫萬尼於1851年提出的推理公式，用於計算小流域洪水和城市的排水流量。他認為最大流量的產生是降水和流域特性的組合結果。他最早提出匯流時間的概念，認為匯流時間與流域大小、地面情況和流域坡度等因素有關。莫萬尼對徑流形成的認識，為流域匯流理論和方法奠定了基礎。1871年，法國的A.J.C.B.de聖維南提出描述水道和其他具有自由表面的淺水體中漸變不恆定水流運動規律的偏微分方程組，即聖維南方程組，成為河道水流演進計算的基本公式。為簡化和改進這一方程組,許多學者作了很多研究,1877年法國的克萊茨提出的以瞬態法求解聖維南方程組就是一例。1850年，法國的M.-F.E.貝爾格朗用相應水位法作出了洪水預報,是世界水文預報的先聲。

水文科學發展史

成長時期

進入20世紀，特別是人類經歷了兩次世界大戰的破壞以後，各國都積極致力於經濟恢復和發展，迫切需要解決城市建設、動力開發、交通運輸、工農業用水和防禦洪水等水利工程中的一系列水文問題，促進水文科學迅速發展。這一時期，水文站網擴大，實測水文資料積累豐富,為分析研究水文規律提供了前所未有的條件,在套用水文學方面取得了許多新的進展。美國在這一時期取得的成果較多，處於領先地位。中國在停滯了數世紀之後，開始從西方引進一些新的水文科學技術，從事於本國江河流域水文規律的探索，取得了成果。

1900年，美國的J.A.塞登用密西西比河的實測水文資料研究了洪水波運動中的波速方程，提出了著名的塞登定律，為天然河道洪水演進計算提供了理論根據。1935年，美國的G.T.麥卡錫提出的馬斯金格姆（曾譯“馬斯京根”）法簡化了河道洪水演進計算方法。

1870年，德國的A.蒂姆修改了裘布衣提出的井的平衡水力學公式。他還用食鹽溶液追蹤地下水，研究地下水流速，取得成功。1907年，美國的E.白金漢提出毛細管勢能的概念，說明土壤對水的吸力，即用能量關係來描述土壤水的特性。1923年，美國的O.E.邁因策爾提出從地下水流域中取水的容許流量即所謂保證產水量，以維持地下水的平衡。他在1928年又系統地論述了承壓含水層的可壓縮性和彈性，為地下水非穩定理論的建立創造了條件。1935年，美國的C.V.泰斯利用地下水的非穩定流和熱傳導之間的相似性，導出了井的非平衡水力學計算公式,即著名的泰斯公式。1937年,美國的M.馬斯克特用較嚴格的數學方法系統地論述了地下水的運動。他們都為地下水水文學的形成和發展作出了重要貢獻。

1909年，R.威廷提出湖流流速與風速的經驗關係式。1910年前後，E.M.韋德伯恩致力於湖水溫度觀測，提出了溫度振動流體動力學理論。1915年，美國的E.A.伯奇根據熱量平衡原理開始計算湖泊熱量收支和蓄熱量。這些成果表明，湖泊水文學得到了進一步的發展。

1926年，美國的I.S.鮑恩闡明了對流熱量損失與蒸發熱量損失之間的關係（稱為鮑恩比率），導出了由能量平衡推求水面蒸發量的計算公式。1948年英國的H.L.彭曼用聯解空氣動力學方程和能量平衡方程，導出了推求水面蒸發的彭曼公式。由於他們的工作，使蒸發研究成為水文氣象學的重要組成部分。中國的顧世楫於1931年提出“水面蒸發量之測驗法”，倡導全國統一使用直徑為80厘米、高為40厘米帶套盆的蒸發器，測得的結果接近於大水體的實際蒸發值。

泥沙問題，中國素有研究。1925年中國的徐世大最早為永定河治理作了水文泥沙計算。此後朱延平對黃河含泥量、張含英對黃河流域的土壤及其沖積、方宗岱對流沙淤積、許寶農和沈晉對黃河含沙量的分布和變化、張瑞瑾對黃河泥沙沖積量及三門峽水庫沖淤過程等的研究，都對中國各河流的泥沙運動規律的認識作出了貢獻。中國李儀祉於1934年首次提出黃河流域布設水文站網的規劃，並提出了至今仍有重要參考價值的布設水文站網的思想。30年代,中國的水文站網得到發展,整理和刊布了中國早期的水文和雨量資料。中國最早的《水文測驗規範》是由顧世楫於1928～1929年主持制定的，他還發表了許多有關水文測驗和水文資料整理方法等文章，對推動中國的水文測驗作出了貢獻。

為適應工程設計和防洪的要求，水文學家在水文計算和水文預報方面提出了許多新的概念和方法,其中以美國的成果較多。1911年，A.H.蒂森提出用多邊形求算面平均雨量，稱蒂森多邊形法，得到廣泛套用。1914年，A.黑曾首先用正態機率格紙選配流量頻率曲線，他與W.E.富勒等人把洪水重現期概念引入洪水流量的計算公式；1919年，D.W.米德提出降水頻率分析方法；1924年，H.A.福斯特完整地提出皮爾孫Ⅲ型頻率曲線的分析方法；1927年，C.E.薩德勒首先採用隨機理論於水庫調節分析；1939年，W.韋伯爾提出經驗頻率計算公式；1941年，E.J.貢貝爾提出水文資料頻率分析中的極值分配曲線等；這些學者把機率論和數理統計的理論及方法引入了水文學，推動了水文計算技術的發展。1936年，美國的W.G.霍伊特提出隨機水文過程移動平均模型。1946年，蘇聯的Б.В.波利亞科夫提出用馬爾科夫鏈描述年徑流系列。他們將隨機過程理論引入水文計算,形成了隨機水文學。1937年,美國的R.K.Jr.林斯雷等人首先提出可能最大降水的概念,隨後提出可能最大洪水的計算方法。這些水文計算方法在實際套用中迅速推廣，豐富了套用水文學的內容。

中國學者運用水文學的新成就，對中國河流的水文規律作了探索。1933年，中國的須愷利用淮河蚌埠等站的實測洪水資料進行了頻率計算，是中國對國內河流作洪水頻率分析的開始。此後，李儀祉、張含英、唐季友、張書農、謝家澤、陳椿庭等都用中國實測資料進行過各種水文計算，程學敏提出了洪水演算新的方法。這些研究為認識中國河流的水文規律特別是中國河流洪水的特點作出了成績。

在流域產流、匯流計算方面：美國的R.E.霍頓於1917年推導出計算逐次暴雨徑流的經驗公式，1919年導出估算植物截留量的經驗公式，1933年提出下滲曲線的經驗公式即霍頓下滲公式。這一公式至今仍有理論和實用意義。1931年,蘇聯的М.А.韋利卡諾夫提出的等流時線概念。1932年，美國的L.R.K.謝爾曼提出的單位過程線法，被認為是流域匯流計算的一大突破。1938年，美國的F.F.斯奈德和麥卡錫都提出了以流域特徵值為參數的綜合單位線，用於無實測資料的流域匯流計算。1939年，R.摩根和D.W.赫林霍斯提出分析單位線的S-曲線法，便於單位線的時段轉換。1945年，美國的C.O.克拉克首先提出瞬時單位線概念。1946年，美國的C.F.伊澤德對地面漫流進行了一次大的試驗，發現了單位過程線的非線性問題，同時還發現地面漫流過程線的形式可以表示為無量綱圖形，便於推廣套用。這些成果，都為單位過程線的進一步完善與推廣套用作出了貢獻。1948年，蘇聯的Г.П.加里寧提出用兩條正弦曲線之和來近似地計算單元面積的徑流分配曲線，用於河川徑流預報。

1949年，美國的 D.姜斯敦和 W.P.克樂斯合著《套用水文學原理》，美國土木工程師學會編著《水文學手冊》，系統地闡述了套用水文學的理論和方法，標誌著套用水文學進入了成熟階段。

現代化時期

進入20世紀下半葉，水文科學的發展出現新的形勢。首先，由於一些新技術特別是計算機技術的套用，使水文信息（實時資料）的獲取、傳遞和處理大為迅速、簡便，節省了大量人力和時間；其次，由於工農業和城市建設的大規模發展需要，套用水文學和其他分支學科發展迅速；第三，由於生產和生活用水量不斷增長，環境污染日趨嚴重，出現了世界性的水資源緊張局面，迫使水文科學特別側重於水資源的研究,不僅要注重水量,還要注重水質；不僅要注重洪水，還要注重枯水；不僅要研究一條河流、一個流域的水文特性，還要研究跨流域、跨地區水資源聯合調度利用中的水文問題；不僅要研究短期、近期的水文預報，還要研究長期、甚至未來若干年的水文趨勢預測等。這樣，水文科學進入了一個嶄新的現代化的發展時期。在這一時期，一些已開發國家技術裝備比較先進，在水文信息的獲取和傳遞等方面已形成全國性網路系統，資料存貯、檢索、處理和分配十分方便。中國在吸取國際先進經驗的基礎上，開拓了適合中國國情的水文科學發展的道路，取得了顯著的成效。

美國自50年代開始研究水文資料整編自動化，至1971年建立全國集中式水文資料貯存、檢索系統(WATSTORE)即水文資料庫，於1975年與 4個大區和46個分區聯網，通過電子計算機網路控制，在各州的終端機上可獲得全美任一地點的資料。80年代前期，美國資源部門先後發射了 4顆陸地衛星（第一顆稱地球資源技術衛星），結合航空遙感,收集了大量衛星圖片,取得了許多水文研究成果，並對國際服務。英國、加拿大、日本、蘇聯、比利時和義大利等國也都建立了水文資料庫和流域或地區性的水文自動測報和在線上網路系統，也都相繼採用衛星技術研究水文問題。1958年，美國H.W.海澤等人開始研究用雷達觀測降雨量。這些新技術的採用，推進了水文、水資源的研究。

1950年，美國的D.J.貝爾徹、T.R.凱肯多爾、H.S.薩克提出用中子散射法測定土壤中的含水量。1954年，H.艾迪生提出用放射性元素作示蹤劑測河川流量。其後用同位素測量河流含沙量的儀器也相繼研製成功。核技術的引入，提高了水文測驗精度和效率。

1972年，美國開始利用衛星傳送水文資料。自70年代以來，美國、日本和聯邦德國等開始擺脫水位觀測中的傳統水尺和曲線模擬等自記水位計的觀測方法，採用穿孔紙帶和磁帶記錄方法。套用電子編碼技術和固體電路貯存數據，經過通訊系統自動可把水位和雨量等數據輸入電子計算機控制中心進行處理，節省水文預報和計算中轉時間，為提高水文資料的精度，增長水文預報有效預見期創造了條件。

80年代初，美國、英國和挪威等國採用了改制的測深儀，用它可直接剖析河床底層、繪製斷面圖、完成彩色圖象顯示。把這種技術與雷達定位和動船測速相結合，可以大為提高大江大河洪水特別是高速洪水的測流精度和縮短測流時間。

這一時期，中國境內的水文站網發展迅速。自1956年到1984年底止,全國水文基本站網發展到21600處，可以基本掌握全國各主要河流的水文情勢。同時，編制和完善了《水文測驗規範》，統一了全國水文測驗技術標準。於50年代中已全部整編刊印完成1949年以前積存的歷年實測資料；從1950年起每年刊印水文年鑑，到1984年止已刊印2100冊，共約12億組數據。組織主持這些工作的主要是謝家澤、王子平、蔡振、陳道弘等人。1976年，中國開始用電子計算機整編水文資料。70年代中期起，相繼製成了同位素測沙儀、放射性同位素示蹤法測流儀和超音波測流儀等，於1978年開始研製水文自動測報系統，並已實際套用和推廣。自70年代末至80年代初，在黃河、長江等流域和地區開始套用衛星圖片和遙感技術研究水文、水資源問題，取得了成果。

50年代，隨著電子計算技術的發展，出現了許多水文數學模型，為水文科學的進一步發展開創了新途徑。

水文預報

1951年，美國的M.A.柯勒和林斯雷根據非線性多元回歸的圖解分析法原理，提出暴雨徑流多變數合軸相關圖，後來稱為API模型,在水文預報方面得到廣泛運用。1957年，愛爾蘭的J.E.納什提出的瞬時單位線；蘇聯的加里寧提出的時段單位線;1956年,日本的菅原正巳提出的水箱模型;1958年,美國的SSARR模型;1962年，美國H.A.小托馬斯和M.B.菲林提出的隨機水文模型；1966年，美國的林斯雷和N.H.克勞福德提出的斯坦福第4 號流域模型以及美籍華人周文德於60～70年代發展的實驗室流域水文模型及其一系列的水文隨機模型、水資源系統模型等，都不同程度地推動了水文預報和水資源系統分析。

中國的水文預報自50年代初開始，進展很快。1955年，由華士乾編寫的《洪水預報方法》一書，總結了長江、淮河特大洪水實際預報中的經驗，吸收了國際上多種方法，系統地用中國的實際資料做了大量的分析套用算例，提出了具有中國特色的一整套洪水預報方法，推動了中國的洪水預報工作，並在實際防汛中起到了重要作用。趙人俊等人於60年代至70年代，提出了蓄滿產流模型和適合於中國濕潤地區套用的流域水文模型。在韓承榮和羅伯昆編的《水文預報方法》一書中，總結了50年代以來世界各國水文預報理論和經驗，特別是中國的經驗。

歷史洪水調查與水文計算　調查、考證和分析歷史洪水資料,彌補實測資料系列短缺的不足,是中國在水文計算中的一個重要特點。中國從50年代到80年代初共調查到11000多個河段的歷史洪水,編印了其中的6000多個河段的歷史洪水資料。50年代末，葉永毅提出了適合中國具體情況的、用實測和調查的洪水資料相結合的計算設計洪水的方法。尤家煌和郭展鵬等人於50年代通過分析提出以流域地理特徵為參數的淮河綜合單位線，很好地解決了短缺實測流量資料河流和地區的設計洪水計算問題。林平一較早提出了小匯水面積暴雨徑流的計算方法。陳家琦提出了以推理公式為基礎的小流域暴雨洪水計算方法,並提出用實測資料確定公式中的參數,使推理公式的研究與套用水平提高了一步。在小流域水文計算方面取得成果的還有徐在庸、水利水電科學研究院和鐵道部第一設計院等單位。水利水電科學研究院在全國有關單位協作下，於1963年編制出版了中國第一部《中國水文圖集》。70年代以來，中國還相繼編繪出版了《全國可能最大降水量等值線圖》、《中國短歷時暴雨參數圖集》和《暴雨時面深關係》等，為推動中國的暴雨洪水研究和計算作出了貢獻。

河流泥沙計算

1950年，美國的H.A.愛因斯坦提出了從含沙量分布求懸移質輸沙率的公式，他還根據統計法則建立了理論上較為完善、具有重要實用價值的推移質輸沙率公式。在蘇聯，50年代B.H.貢恰羅夫等人提出了以流速為主要參變數的推移質輸沙率公式。中國的張瑞瑾於50～60年代提出泥沙沉速、起動公式和推移質輸沙率、含沙量垂線分布、水流挾沙力公式，論述了蜿蜒型河段演變規律；70～80年代，提出解決葛洲壩樞紐引航道淤積的方式即靜水過船，動水沖沙，並論述河道水流比尺模型相似律及變態模型設計依據等。沙玉清於60年代中首先提出了泥沙揚動和揚動流速的概念。錢寧於1958年提出泥沙沉降速度公式，60年代提出了沖積河流的河型分類及穩定性、遊蕩性河流演變特性等方面的新見解，並提出河道綜合性遊蕩指標。70～80年代，錢寧及其協作者提出中性懸浮質、層移質等泥沙運動的新概念，在高含沙水流的研究中取得了成績，使中國的這一研究居於世界前列。竇國仁於1959年證實了壓力水頭對粘結力的影響，導出了泥沙起動流速公式。1963年提出了河床最小活動性假說，導出了河床形態方程。1973年提出了全沙模型律，1980年提出了紊流隨機理論，導出了適用於層流、層流向紊流過渡和紊流光滑區、過渡區和粗糙區的流速分布和阻力總公式。謝衡在水庫淤積及壩下游沖刷的估算方法等研究中取得了成績。

地下水模型

50年代以來，許多國家都建立了地下水動態觀測站網，其中中國、美國和蘇聯等國的地下水觀測井均在萬眼以上。1954年，英國N.S.博爾頓導出了潛水完整井非穩定流方程；1955年，M.S.漢圖什和C.E.雅各布提出的越流條件下的非穩定流方程等，是地下水水文學理論的重要進展。50年代，提出地下水數學模型，使電子計算機在地下水流的計算中得到套用。其後地下水數學模型發展到200多個，其中以1971年 R.A.弗里茲提出的三維數值模型套用最廣。1969年，以色列J.貝爾推導了地下水污染物運移的對流-彌散方程。 中國通過大量實驗，建立了地下水人工回灌、回歸模型和優選含水層參數的模型。

水面蒸發模型和水質模型　中國的施成熙從60年代起分析中國水面蒸發實測資料，提出中國分區的確定水面蒸發非線性模型，提高了計算水面蒸發的精度。

60年代後期出現了許多河流、湖泊的水質模型。如美國的G.T.喬那迪和H.B.費希爾等人研究了污染物質在水中的紊流擴散，建立了紊動擴散及分散方程的各種實用模型，完善了紊動混合理論的研究。

為研究水文循環中各種水文現象的運動規律,20世紀50年代開始,開展了一系列的水文實驗研究。1952年，J.P.馬米紹開始做全流域比尺物理模型試驗。其後周文德於60年代在美國伊利諾伊大學進行的室內模型試驗，模擬各種時空分布的暴雨所產生的洪水,驗證了二元流域水動力學模型。1974年,日本對暴雨洪水理論研究、土石流及人類活動對徑流的影響等項的實驗研究，取得了成果。實驗流域和代表性流域的野外原型試驗，則以蘇聯的瓦爾代實驗站為最早。到1970年，全世界共有代表性流域500餘處，實驗流域200餘處，進行著各種不同目標和項目的實驗研究，取得了資料和經驗。

中國從1953年起在永定河官廳水庫，其後在黃河三門峽水庫及其他水庫開展的水庫水文實驗，提高了對水庫泥沙運動規律的認識。50年代後期大量的徑流實驗,為鐵道、交通等部門進行小匯水面積暴雨徑流的計算，為中國各分區的經驗公式的建立，提供了資料。從中國各地的水面蒸發實驗資料，求得了小型蒸發器觀測資料換算成大水體水面蒸發的分區換算係數和分區計算蒸發量的經驗公式。60～80年代,中國南京水利科學研究所（現為南京水利科學研究院）在潮汐河口研究方面取得了成績，提出了細顆粒泥沙在鹹水中的沉降速度公式。1963年,中國的黃勝提出了河口分段方法和河口類型,對中國河口的研究作出了貢獻。50年代末開始了中國現代冰川的研究,在施雅風主持下,初步查明了中國冰川分布規律及其對河流的補給作用；提出了中國山地冰川分類；於1974～1975年，運用波動冰量平衡觀念和冰川－氣候相關法預測了喀喇崑崙山巴托拉冰川冰融水道的變遷，實測與計算了該冰川的最大融水流量；於1959年在新疆烏魯木齊河源冰川建立了中國第一個高山冰川研究站。中國的郭敬輝於1957年提出中國的地表徑流估算成果，繪製了第一幅中國地表徑流等值線圖，並組織主持了《中國水文區劃》的研究和編制工作，對推動中國水文地理的研究作出了重要貢獻。中國的施成熙於50年代進行湖泊調查研究時發現溫帶湖泊一天之內湖水出現兩次循環的現象。60～70年代，中國科學院地理研究所、中國鐵道科學研究院、水利水電科學研究院和各地的研究單位，進行了各種試驗研究，取得了有價值的成果。

隨著人類對水資源的需求量迅速增長，世界上不少地區出現了供水不足。工農業發展造成水體污染，加劇了用水的緊張程度。因此，水資源問題成了當今世界各國普遍重視的重大課題。美國早在30年代即開始了全國水資源的綜合評價的研究，於1978年完成了第二次全國水資源評價，並在大型水利樞紐和水庫群地區，在跨流域調水地區開展水利、水電的最佳化調度和環境與生態的保護等方面的科學管理。在蘇聯、聯邦德國、英國、日本和加拿大等國也都開展了類似的工作。中國於80年代初開始對全國主要河流進行了大規模的水與環境關係的調查和評價工作，於1985年提出了《中國水資源評價》正式成果。

70年代中期，國際上許多政府間組織和非政府間組織聯合起來開展國際水文合作，興起了全球性的水文科學研究。1965～1974年,開展了國際水文十年(IHD)的科學活動，著重開展了以世界水平衡、人類活動對水文循環的影響等14個領域的國際協作研究。聯合國教科文組織繼續舉辦長期水文國際合作計畫即“國際水文計畫”(IHP),分階段著重研究水文過程與物理環境之間的關係、水文過程與人類活動的相互關係，水資源的規劃管理及與環境和社會的關係等重大課題。世界氣象組織 (WMO)於1971年開始執行“業務水文計畫”（OHP）,並和聯合國教科文組織合作，從1984年開始執行“水資源水文計畫”。在國際標準化組織 (ISO)的明渠水流測量技術委員會 (TC113)等組織主持下，開展了水文測驗技術的標準化研究。中國自1974年起參加了上述國際合作，開展了各項合作活動。1980年和1983年兩次在中國召開了國際河流泥沙學術討論會，1984年在中國北京成立了“國際泥沙研究培訓中心”。1981年以後，中美、中意分別進行了地表水水文學雙邊的科技合作交流活動，1985年在中國召開了非常洪水頻率分析學術討論會。

廣泛的國際合作，促進人們對全球水文和水資源知識的交流，增長和加深人類對全球水文循環和水量平衡的認識，推動水文科學歷史加速前進。