沈灿燊

　　1978年冬我随同中国地理科学代表团访问美国一个半月，从东到西，由南到北，访问了23个州和城市，23间大学，40多所科研单位和厂矿，增加了对美国科学情况的瞭解。

　　60年代开始，美国各门科学都发展得较快，70年代以后，更加飞跃前进，推究其原因有三：（1）科研手段高度现代化，幷且不断革新。（2）重视基础理论的研究。（3）重视培养高级科技人才。水文科学也不例外，现就所知介绍于后，以供参考。

　　1　科研手段高度现代化

　　推动美国科学飞跃前进的一个主要原因是科研手段高度现代化。自从美国电子计算机问世，加上人造卫星和航测结合的遥感技术出现，辅以自动化仪器，三者紧密结合，使科研省时，省人力，精度好，而且质量高。随着上述三方面的日新月异，不断改革，科研也随之飞快发展。

　　先谈谈电子计算机。目前电子计算机在美国大学和科研单位已全部普及，型号极多。最常见的为PDP11/35型或40型，从100万次到400万次，每个实验室、系、图书馆都拥有1～2台，有些学校每个副教授以上教师的办公室内都有一部计算机或终端设备。较大的电子计算机则为IBm360、370型和CDC6900、7000、6400型，计算速度在1千万次以上。在科罗拉多大气研究中心的CRAY1型和美国地质调查局（U.S.G.S）的IBm36/168型计算机竟达9000万次。而加州州立大学的遥感中心（J.P.L），更高达1亿次。据说已设计成功2亿次的计算机。美国著名的电子计算机公司为：（1）通用电气公司（2）旧金山电子计算机公司（3）CDC电子计算机公司三家。但9千万次以上的计算机都是科研单位自己设计和改装的。

　　电子计算机的用途有两方面。一方面为用于快速计算，另一方面则用于快速查取科研资料。

　　快速计算的例子很多，例如我们访问Reston市的美国地质调查局，该局是美国最大水资源研究机构之一，设有水资源处（W.R.D.）,负责瞭解全国水资源的数量及水质，并承担地表水和地下水等问题的研究。

　　地质调查局为了储存和为调用资料服务，发展了大型计算机系统中心，称为“watstore”。据瞭解，1975年该中心共控制1万个河流水文站资料，1300个湖泊水库站资料，4100个水温站资料，800多个测沙站资料，2500个水位站资料，1500个地下水井资料，其中有100多个流量站资料，自动观测后，通过通讯卫星直接向中心输送记録，其余通过无线电输送。该年的50万份水文站资料和60万份地下水资料，通过50个终端接连计算中心，每日将资料按需要形式算出，并储存于2英寸宽的几十卷磁带上，现在的和历史的资料都予以汇总。

　　“Watstore”有许多储存系统，并可不断增补资料，储存系统主要有：

　　（1）站序储存系统：可查调各种水文资料10万个以上地址的实际描述。

　　（2）每日值储存系统：各种水文资料的每日统计资料。

　　（3）峰值储存系统：可查调32500个以上的年最大流量洪峰值。

　　（4）水质储存系统：储存地下水理化，生物和放射性特性的各种资料，并可查调83万个以上水样的分析成果。

　　（5）地下水层储量储存系统：其中有地下水层的地质特征，各探井的建井历史，和同步水温测量的资料，一共有2百万份以上的记録。

　　资料成果从简单的列表记録到复杂的回归方程，相关分析；变换分析等统计分析资料都有，并可自动打印出各种分析曲线，诸如频率曲线和相关曲线等，并能用激光扫描仪绘出各种图像，包括三维图。

　　在“watstore”可以随时提取任何时间，任何统计形式的资料，并由打字机打印好，由复照仪复制所须的份数。

　　电子计算机另一方面的用途就是快速提取科研和工作所须要的资料。目前美国，已和加拿大、澳大利亚三国结成电子计算机提调资料的网络系统。可任意调阅存在该三国的所有大小资料库的资料。（但还不能将数据输送到任意电子计算机中心进行计算）。我们在亚利圣那州访问TVCSON市乾旱研究中心时，曾请电子计算机室工作人员试调阅华盛顿图书馆现存有关中国珠江流域的水文文章，及某篇文章的摘要。女秘书对计算机下达指令，约3分钟，所需资料目録便按作者、文章题目、出版社、日期的次序全部在荧光屏上显示，并由打字机打印出来，接着又将某篇文章摘要显出。这种高度科学化的查阅资料，给科研人员方便不少。

　　再谈美国遥感技术。美国遥感技术一般由卫星图片结合各种不同高度的航测照片进行某种目的的研究。据介绍，美国发射与水文有关的卫星达20个，从60年代的阿波罗（APOLLO）到70年代的雨云4 (Nimbus 4),雨云5（Nimbus 5）……到大地卫星1（ERTS 1），大地卫星2（Landsat 2），大地卫星3（Landsat 3）都对水文研究提供一定的数据。其中以资源卫星系统的大地卫星1、2、3，及测地卫星3（Geosl 3）的照片，在水文方面应用得较多。传感器从照相机到激光反射器，可见光和近红外扫描仪，热红外扫描仪。在水文方面的勘测范围为：水源探测和积雪调查，洪水监测，洪水估算和预报，泥沙分布，混浊流活动，地下水补给量和大河流量，湖泊形态及特征研究，水污染监测，浅海、河口水深等。幷且应用土地利用，土地覆盖，土壤湿度等卫片资料，辅助水文预报及污染预报。这些资料都与航测照片结合使用，航测高度由1千多米到2万多米。由于许多单位都有飞机，只要在飞机特装位置上安装传感器，便可进行航测，并用飞机采样。

　　大量卫星照片，结合航测照片，加上地面点的样本资料，通过仪器，便可联接电子计算机进行数字化处理，自动成图。

　　例如，我们在佐治亚州立大学的环境研究所访问，据介绍，水质污染的研究是这样的，先通过每次卫星及航测对应资料，利用地面样本实测资料，通过仪器，由电子计算机进行数字化处理，整理出“研究流域”各种污染元素的旬、月、季地理分布情况，根据数字幅度，由研究人员定出污染级别标准，通过电子计算机，进行各种元素污染级别划分。自动制成每旬、月、季各种元素污染级别地区分布图。这样，每种污染元素的分布，便像连续电影片一样；那个季节、那个月、那一个地区污染程度怎样、动态如何，都一清二楚。研究人员便可根据资料，分析污染原因、季节变化，找出污染规律，追寻污染源，并进一步作出污染模式进行污染预报，快速而精度较高。并可订出防止污染计划。除级别标准由人订定，有主观性外，数字化与类型，地区分布图全由电子计算机进行，是客观的。

　　也可以同样用卫片和航片资料作洪水预报和产流预报。利用大量遥感资料，通过电子计算机计算和绘出地面植被覆盖图，土地利用图，土壤湿度分布图，地下水深度图等，定出参数，用多次历史洪水资料，推出预报模式及方程。当下次落雨时，利用气象卫星资料，参照气象部门的降雨量及中心移动轨迹预报。并在卫星资料中取得地表各种情况，全部输入专用电子计算机，便可很快地作出洪水预报，精度较高。

　　现在美国流域模式约有100多个（指比较成熟的），而其中以：（1）Stanford模式，（2）美国农业局模式，（3）U.S.g.S（地质调查局）模式 （4）Purdue模式（5）T.V.A模式 （6）E.P.A暴雨径流管理模式等比较著名。但有一个缺点，大多数模式当移用到别的流域时，精度不高或不稳定。

　　第三，美国仪器高度自动化和现化化的情况。美国科研和技术单位仪器自动化程度极高，我们在科罗拉多州Denver市美国水质实验所访问，该所共有24实验室，全体职工共100人，其中搞理论的化学专家共40人，化验人员40人，电子计算工作的10多人，办公室和行政的5～6人，除化验工作外，研究内容有三：（1）分析化学与物理化学的理论研究为先，（2）仪器现代化与自动化改革为次，（3）化验一技术改革第三。我国同性质实验室工作重点多放在化验方法改革，而理论研究则放在次要地位，与美国刚好倒过来。

　　这个所应用的仪器有原子光谱吸收器，质谱仪等离子交换器，电子离子分析仪，电极分析器，X光分析仪等。分析结果通过电子循环监测器，接连电子计算机计算，并迅速由打字机自动打出。例如，

　　（1）测定PH值、氧离子、铁、氙、碱等，全部用光谱仪自动化测定，测水样用双套管。一转即入一个水样，出一个水样。每秒钟转10多次，每次测定一个样品，由电子计算机算好，按编号将结果详细打印出来。

　　（2）金属测定。可同时测定33种金属，用该所的Model 975S.M.A.Atomoomp型金属测定仪，只要8秒钟便可测完一个样品。

　　（3）微量元素测定。有机微量元素的测定，先用离子交换器作几千倍的浓缩，通过原子光谱仪测出，而不用加C的测定法，认为加C的效果不好，而新法的精度高。

　　（4）放射性物质 。作 、 射线测定，（铀矿污染），全部自动化，密封。由水测法改为气测法，据介绍气测法是目前世界上最先进方法。全套仪器十分轻巧。

　　本所并进行细菌、营养物质和激素测定分析。这个所有一个 测定研究室，在全世界126个 研究室中，走在前列。

　　研究手段的先进，导致理论的飞快提高，而理论的突破，又促进了生产的发展，这个过程在美国近年来极为明显。

　　2　美国的水文实验和理论研究

　　美国比较重视基础理论研究，认为理论上突破，便可带动多种生产跃进。从水文实验来看，既重视理论也结合应用。现介绍下面两个单位，便可见一斑。

　　2.1　“北亚帕拉迁实验流域站”

　　这是一个全球知名的实验站，位于俄亥俄州、科肖克顿。属于俄州农业研究与发展中心，成立于1935年。该站划出30个各种类型小流域，面积由1/5公顷到3公顷，作降雨～径流研究。

　　它的研究项目十分全面，主要有：

　　（1）分层耕作对径流影响的研究。

　　（2）各种实验流域径流的观测。（包括旧农地，有水土流失，现已恢复为森林的流域。条状玉米耕地、免耕农田、牧草地，……）

　　（3）研究化学剂随不同大小的径流在土壤中的渗透过程和污染过程。

　　（4）喷灌的蒸发量，喷灌将化学剂带到下游的量。

　　（5）氮肥和砱肥对水土的影响。

　　（6）河道泛滥后，被淹过的农田地表情况的变化、对径流的影响。

　　（7）雨、雪交替下，径流形成过程。

　　（8）在特设的牧区内，动物（指牛、羊）的粪便。随不同的暴雨径流的污染情况。

　　（9）化肥施用，对牧草种植的影响。

　　（10）露天开矿后的水土流失情况。矿区复原，种田草和树木后，径流量的变化，开矿前、开矿期及恢复后径流的变化及差异。

　　（11）融雪径流的研究，地下水的研究。

　　（12）土壤渗透的研究，不同强度的暴雨对不同作物农田内土壤的侵蚀、土壤养分的流失情况。

　　除此之外，还作水量平衡与水循环的研究，用称重雨量计观测雨量、雨强。观测土壤水分、土壤渗透性能、土壤排水、土壤蒸发和田间蒸散发。观测地表径流、地下水位变化和河槽切割地下水层时的相互补给量。并作多种气象观测。构成整个水量平衡和水循环的研究观测体系。

　　该站的巨型土壤渗透仪比较独特，仪器装土箱深8英尺，面积6.22×14英尺（约合7.9米 ），内装自然状态土壤，重量约30吨，用称重法测定地表水渗透过程，和土壤水分的变化情况，灵敏度极高，全部电动自记。

　　2.2　科罗拉多州立大学工程研究所

　　这个所闻名全美国。内分气象、电器、农业灌溉、工程水文等几个部分。它的研究工作与科州州立大学工学院共同合作，著名水工实验专家沈学汶教授就在这个所里。现介绍该所有关水文部分。它的主要研究项目有：

　　（1）从理论上探讨流域模型，并用河流实际资料来验证。

　　（2）研究应用水文数学模式，与意大利等国专家协作研究数学模式的最优化（Optimization）。

　　（3）研究水文统计和频率计算理论，目前正在研究耿贝尔分布曲线、科州大学在这方面著名于世。

　　（4）研究喀斯特水文，现和西班牙有关方面合作，利用卫星资料，研究如何找寻水源和决定储量，并研究地下水水库问题。

　　（5）研究水资源的综合利用方法。

　　此外，并作下列的模型实验。

　　（6）泥沙冲刷实验。实验水槽长200英尺，宽8英尺，深4英尺，可变动坡度。最大供水流量为125英尺 /秒，研究山丘地区水流冲刷的泥沙量和泥沙运动过程。记録全部自动化，是美国目前最大的泥沙实验水槽。

　　（7）水文实验水槽。研究模拟河道流量分配、河道断面流速分布，建立各种数学模式，应用于天然河道。

　　（8）产流汇流实验。用人工降雨，进行不同雨强、不同坡度、不同土壤情况下的产流汇流实验。人工降雨用多孔振荡板来控制，据介绍，成果精度较好。

　　（9）设置室外径流实验场。人工降雨自动控制，全场3000平方英尺，场内分几个不同地形、不同糙率的小场，研究各种降雨径流产流过程和产流量。

　　实验记録通过电子循环监测装置和计算机接通，很快的便由计算机全部计算出来。

　　该实验室还有三个很大规模的风洞：

　　（1）气象风洞(M.W.T.)

　　（2）工业空气动力学风洞（I.A.W.T）

　　（3）环境风洞（E.W.T）

　　环境风洞的实验区间长60英尺，宽12英尺。风洞顶可上下升降，净高7～9英尺，最大风速20英尺/秒，这个风洞是世界上最完备的环境风洞。

　　由上面两个实验站、室的情况便可以看出，美国研究单位的研究项目是比较全面，对基础理论研究比较重视。

　　目前美国水文研究有一个新的倾向，就是与环境问题联在一起，研究自然条件对水文过程的影响，并注意水流运动改变了自然因素，并将人类活动作为一个重要因素来考虑。希望得出在这个地区，能最有概括度地合理利用水资源，而自然环境也变为最适合于人类生活（包括研究，旅游），这种研究称为水文生态系统（Ecosystem）的研究。

　　我在威斯州的Racine市参加了“中美科学家学术讨论会”时，瞭解到这方面研究分为三大流派：

　　（1）水文、工程、环境学派。这派的代表是霍布金斯大学的地理与环境系主任，M.Gordon  Wolman教授。这个学派的观点是研究水利工程部署后所引起的自然环境的变化，如何在规划前考虑到两者的关系。在工程完成后，如何利用措施改变坏环境，使工程与环境都得到好的效果。这个学派在美国东部很有声望。

　　在这次讨论会上Wolman教授提出了“都市与水环境”一文，受到重视。

　　（2）水运动生态系统学派。这派的代表是威斯康星大学地球科学系David  H.Miller教授。他的论点是水在地区的运动与利用是与自然因素相互影响的。如何合理利用水，并使自然环境变为最好，是最重要的目的。判定水的合理利用程度用“能量”作为单位。这个学派在美国也很有声望。Miller教授的著作很多，最近新著“地球地表上的水——水文动力生态系统介绍”颇称于世。这次讨论会，他提出了“美国中、小尺度水的管理”论文，可以作为这方面的代表作。

　　（3）感应水文学派：以科罗拉多大学，行为研究所（灾害研究中心）所长Gilbert  F.White教授为首，他的论点是，水文灾害的处理措施，应先征求受灾地区各阶层人士的意见，然后再订出整治规划，这种整治措施一方面化害为利，而另一方面大部分人对整治后的生活环境感到满意。White教授在美国十分有名气。

　　这次讨论会他提出了“地理效果对地球环境问题的分析”论文。

　　水文生态系统的观点，往往影响美国水资源利用的研究。例如，我们在佐治亚大学农业研究中心和加里福尼亚大学访问时，瞭解到他们对沼泽水的利用研究，就是循上述观点来考虑的。

　　3　美国水文教育

　　美国培养水文高级人才，不在大学本科而是在研究院，不管工程水文方面或水资源利用方面的研究生，都在教授严格指导下，参与某些研究所的研究课题，写出博士论文。如上面介绍的科州大学工程研究所内，写博士论文的研究生，就有10多人。没有博士学位的人，没有资格当助理教授以上的职位。在美国3000多所大学中，大学本科水文课主要放在工程学院土木系和水工系。全美国没有水文专业的设置，只有一个在亚利圣那大学的地球科学学院的“水文与水资源系”，并设有“水资源研究中心”，作为协助培养研究生和科学研究之用。

　　全国开设有水文课的大学（包括工程学院和地理系）共有100多所。而有较完备的水文教学的水文教学组织的共有12间：（可能不够全面）

　　（1）斯坦福大学             　　　　　（2）西雅图华盛顿大学

　　（3）加州大学（北奇里）     （4）犹地州立大学

　　（5）伊里诺利士大学         （6）内华达大学

　　（7）宾尼斯顿大学           （8）科罗拉多州立大学

　　（9）新墨西哥理工学院       （10）盛斯康星大学（马迪逊）

　　（11）夏威夷大学            （12）霍布金斯大学

　　著名水文学者周文德教授就在伊里诺利士大学。

　　水文研究生的博士论文题目范围很广，有工程水文的研究、水文预报的研究、水文计算的研究、水文理论的研究，也有水质污染的研究、水文生态系统的研究和农田水利的研究等等。大都结合生产部门和国家机构需要而定出题目。

　　亚利圣那大学“水文与水资源系”的系主任是N.Davis Stanley教授，共有助理教授以上教师14人，开设水文学、表层流流体动力学、流域水文学、水化学、地下水资源的开发、水文学电子计算技术、海洋与湖泊水文学、水文地质学、地表径流、系统水动力学等22门主课，及水资源与污染、水资源研究工作法等12门有关水资源课程。和流域管理、土木工程、机械工程、工业工程、法律学、地理学与地区开发等10多门辅助课。学生学习4年，共修完120个学分便毕业。大学本科生现在在学为60人，研究生20人，我访问Stanley教授，座谈了一个多钟头，他详细介绍了该系情况。

　　由于美国大学基本普及，且美国各行业高度现代化，因而大学毕业生不适应高层技术工作，找高级职位比较困难，所以致力于培养研究生，以培养出更高级人才，以适应社会发展需要。水文研究生大多数是数学系，土工系，物理系等系的大学毕业生投考，因此，大学水文系的发展便受到很大限制。举一个例子，全美国只有华盛顿大学海洋系一个系招大学本科生，而其余著名的海洋系都只招研究生，海洋系本科生课程多而杂，基础课比数、理、生物、地质等系差，故考上海洋研究生的大部分不是海洋系毕业生。这个例子可以说明美国教育和我国情况有一定差异。

　　
　　（由于访美代表团是地理综合代表团，访问专业的机会不多，加上时间短，且个人水平限制，介绍中定有不少错漏，请批评指正。）

　　（原载：水文科技动态，1979。）