沈燦燊

　　1978年冬我隨同中國地理科學代表團訪問美國一個半月，從東到西，由南到北，訪問了23個州和城市，23間大學，40多所科研單位和廠礦，增加了對美國科學情况的瞭解。

　　60年代開始，美國各門科學都發展得較快，70年代以後，更加飛躍前進，推究其原因有三：（1）科研手段高度現代化，并且不斷革新。（2）重視基礎理論的研究。（3）重視培養高級科技人才。水文科學也不例外，現就所知介紹於後，以供參考。

　　1　科研手段高度現代化

　　推動美國科學飛躍前進的一個主要原因是科研手段高度現代化。自從美國電子計算機問世，加上人造衛星和航測結合的遥感技術出現，輔以自動化儀器，三者緊密結合，使科研省時，省人力，精度好，而且質量高。隨着上述三方面的日新月异，不斷改革，科研也隨之飛快發展。

　　先談談電子計算機。目前電子計算機在美國大學和科研單位已全部普及，型號極多。最常見的爲PDP11/35型或40型，從100萬次到400萬次，每個實驗室、系、圖書館都擁有1～2臺，有些學校每個副教授以上教師的辦公室内都有一部計算機或終端設備。較大的電子計算機則爲IBm360、370型和CDC6900、7000、6400型，計算速度在1千萬次以上。在科羅拉多大氣研究中心的CRAY1型和美國地質調查局（U.S.G.S）的IBm36/168型計算機竟達9000萬次。而加州州立大學的遥感中心（J.P.L），更高達1億次。據説已設計成功2億次的計算機。美國著名的電子計算機公司爲：（1）通用電氣公司（2）舊金山電子計算機公司（3）CDC電子計算機公司三家。但9千萬次以上的計算機都是科研單位自己設計和改裝的。

　　電子計算機的用途有兩方面。一方面爲用於快速計算，另一方面則用於快速查取科研資料。

　　快速計算的例子很多，例如我們訪問Reston市的美國地質調查局，該局是美國最大水資源研究機構之一，設有水資源處（W.R.D.）,負責瞭解全國水資源的數量及水質，並承擔地表水和地下水等問題的研究。

　　地質調查局爲了儲存和爲調用資料服務，發展了大型計算機系統中心，稱爲“watstore”。據瞭解，1975年該中心共控制1萬個河流水文站資料，1300個湖泊水庫站資料，4100個水温站資料，800多個測沙站資料，2500個水位站資料，1500個地下水井資料，其中有100多個流量站資料，自動觀測後，通過通訊衛星直接向中心輸送記録，其餘通過無綫電輸送。該年的50萬份水文站資料和60萬份地下水資料，通過50個終端接連計算中心，每日將資料按需要形式算出，並儲存於2英寸寬的幾十卷磁帶上，現在的和歷史的資料都予以匯總。

　　“Watstore”有許多儲存系統，並可不斷增補資料，儲存系統主要有：

　　（1）站序儲存系統：可查調各種水文資料10萬個以上地址的實際描述。

　　（2）每日值儲存系統：各種水文資料的每日統計資料。

　　（3）峰值儲存系統：可查調32500個以上的年最大流量洪峰值。

　　（4）水質儲存系統：儲存地下水理化，生物和放射性特性的各種資料，並可查調83萬個以上水樣的分析成果。

　　（5）地下水層儲量儲存系統：其中有地下水層的地質特徵，各探井的建井歷史，和同步水温測量的資料，一共有2百萬份以上的記録。

　　資料成果從簡單的列表記録到復雜的回歸方程，相關分析；變换分析等統計分析資料都有，並可自動打印出各種分析曲綫，諸如頻率曲綫和相關曲綫等，並能用激光掃描儀繪出各種圖像，包括三維圖。

　　在“watstore”可以隨時提取任何時間，任何統計形式的資料，並由打字機打印好，由復照儀復製所須的份數。

　　電子計算機另一方面的用途就是快速提取科研和工作所須要的資料。目前美國，已和加拿大、澳大利亞三國結成電子計算機提調資料的網絡系統。可任意調閲存在該三國的所有大小資料庫的資料。（但還不能將數據輸送到任意電子計算機中心進行計算）。我們在亞利聖那州訪問TVCSON市乾旱研究中心時，曾請電子計算機室工作人員試調閲華盛頓圖書館現存有關中國珠江流域的水文文章，及某篇文章的摘要。女秘書對計算機下達指令，約3分鐘，所需資料目録便按作者、文章題目、出版社、日期的次序全部在熒光屏上顯示，並由打字機打印出來，接着又將某篇文章摘要顯出。這種高度科學化的查閲資料，給科研人員方便不少。

　　再談美國遥感技術。美國遥感技術一般由衛星圖片結合各種不同高度的航測照片進行某種目的的研究。據介紹，美國發射與水文有關的衛星達20個，從60年代的阿波羅（APOLLO）到70年代的雨雲4 (Nimbus 4),雨雲5（Nimbus 5）……到大地衛星1（ERTS 1），大地衛星2（Landsat 2），大地衛星3（Landsat 3）都對水文研究提供一定的數據。其中以資源衛星系統的大地衛星1、2、3，及測地衛星3（Geosl 3）的照片，在水文方面應用得較多。傳感器從照相機到激光反射器，可見光和近紅外掃描儀，熱紅外掃描儀。在水文方面的勘測範圍爲：水源探測和積雪調查，洪水監測，洪水估算和預報，泥沙分佈，混濁流活動，地下水補給量和大河流量，湖泊形態及特徵研究，水污染監測，淺海、河口水深等。并且應用土地利用，土地覆蓋，土壤濕度等衛片資料，輔助水文預報及污染預報。這些資料都與航測照片結合使用，航測高度由1千多米到2萬多米。由於許多單位都有飛機，只要在飛機特裝位置上安裝傳感器，便可進行航測，並用飛機採樣。

　　大量衛星照片，結合航測照片，加上地面點的樣本資料，通過儀器，便可聯接電子計算機進行數字化處理，自動成圖。

　　例如，我們在佐治亞州立大學的環境研究所訪問，據介紹，水質污染的研究是這樣的，先通過每次衛星及航測對應資料，利用地面樣本實測資料，通過儀器，由電子計算機進行數字化處理，整理出“研究流域”各種污染元素的旬、月、季地理分佈情况，根據數字幅度，由研究人員定出污染級别標準，通過電子計算機，進行各種元素污染級别劃分。自動制成每旬、月、季各種元素污染級别地區分佈圖。這樣，每種污染元素的分佈，便像連續電影片一樣；那個季節、那個月、那一個地區污染程度怎樣、動態如何，都一清二楚。研究人員便可根據資料，分析污染原因、季節變化，找出污染規律，追尋污染源，並進一步作出污染模式進行污染預報，快速而精度較高。並可訂出防止污染計劃。除級别標準由人訂定，有主觀性外，數字化與類型，地區分佈圖全由電子計算機進行，是客觀的。

　　也可以同樣用衛片和航片資料作洪水預報和産流預報。利用大量遥感資料，通過電子計算機計算和繪出地面植被覆蓋圖，土地利用圖，土壤濕度分佈圖，地下水深度圖等，定出參數，用多次歷史洪水資料，推出預報模式及方程。當下次落雨時，利用氣象衛星資料，參照氣象部門的降雨量及中心移動軌迹預報。並在衛星資料中取得地表各種情况，全部輸入專用電子計算機，便可很快地作出洪水預報，精度較高。

　　現在美國流域模式約有100多個（指比較成熟的），而其中以：（1）Stanford模式，（2）美國農業局模式，（3）U.S.g.S（地質調查局）模式 （4）Purdue模式（5）T.V.A模式 （6）E.P.A暴雨逕流管理模式等比較著名。但有一個缺點，大多數模式當移用到别的流域時，精度不高或不穩定。

　　第三，美國儀器高度自動化和現化化的情况。美國科研和技術單位儀器自動化程度極高，我們在科羅拉多州Denver市美國水質實驗所訪問，該所共有24實驗室，全體職工共100人，其中搞理論的化學專家共40人，化驗人員40人，電子計算工作的10多人，辦公室和行政的5～6人，除化驗工作外，研究内容有三：（1）分析化學與物理化學的理論研究爲先，（2）儀器現代化與自動化改革爲次，（3）化驗一技術改革第三。我國同性質實驗室工作重點多放在化驗方法改革，而理論研究則放在次要地位，與美國剛好倒過來。

　　這個所應用的儀器有原子光譜吸收器，質譜儀等離子交换器，電子離子分析儀，電極分析器，X光分析儀等。分析結果通過電子循環監測器，接連電子計算機計算，並迅速由打字機自動打出。例如，

　　（1）測定PH值、氧離子、鐵、氙、碱等，全部用光譜儀自動化測定，測水樣用雙套管。一轉即入一個水樣，出一個水樣。每秒鐘轉10多次，每次測定一個樣品，由電子計算機算好，按編號將結果詳細打印出來。

　　（2）金屬測定。可同時測定33種金屬，用該所的Model 975S.M.A.Atomoomp型金屬測定儀，只要8秒鐘便可測完一個樣品。

　　（3）微量元素測定。有機微量元素的測定，先用離子交换器作幾千倍的濃縮，通過原子光譜儀測出，而不用加C的測定法，認爲加C的效果不好，而新法的精度高。

　　（4）放射性物質 。作 、 射綫測定，（鈾礦污染），全部自動化，密封。由水測法改爲氣測法，據介紹氣測法是目前世界上最先進方法。全套儀器十分輕巧。

　　本所並進行細菌、營養物質和激素測定分析。這個所有一個 測定研究室，在全世界126個 研究室中，走在前列。

　　研究手段的先進，導致理論的飛快提高，而理論的突破，又促進了生産的發展，這個過程在美國近年來極爲明顯。

　　2　美國的水文實驗和理論研究

　　美國比較重視基礎理論研究，認爲理論上突破，便可帶動多種生産躍進。從水文實驗來看，既重視理論也結合應用。現介紹下面兩個單位，便可見一斑。

　　2.1　“北亞帕拉遷實驗流域站”

　　這是一個全球知名的實驗站，位於俄亥俄州、科肖克頓。屬於俄州農業研究與發展中心，成立於1935年。該站劃出30個各種類型小流域，面積由1/5公頃到3公頃，作降雨～逕流研究。

　　它的研究項目十分全面，主要有：

　　（1）分層耕作對逕流影響的研究。

　　（2）各種實驗流域逕流的觀測。（包括舊農地，有水土流失，現已恢復爲森林的流域。條狀玉米耕地、免耕農田、牧草地，……）

　　（3）研究化學劑隨不同大小的逕流在土壤中的滲透過程和污染過程。

　　（4）噴灌的蒸發量，噴灌將化學劑帶到下游的量。

　　（5）氮肥和砱肥對水土的影響。

　　（6）河道泛濫後，被淹過的農田地表情况的變化、對逕流的影響。

　　（7）雨、雪交替下，逕流形成過程。

　　（8）在特設的牧區内，動物（指牛、羊）的糞便。隨不同的暴雨逕流的污染情况。

　　（9）化肥施用，對牧草種植的影響。

　　（10）露天開礦後的水土流失情况。礦區復原，種田草和樹木後，逕流量的變化，開礦前、開礦期及恢復後逕流的變化及差异。

　　（11）融雪逕流的研究，地下水的研究。

　　（12）土壤滲透的研究，不同强度的暴雨對不同作物農田内土壤的侵蝕、土壤養分的流失情况。

　　除此之外，還作水量平衡與水循環的研究，用稱重雨量計觀測雨量、雨强。觀測土壤水分、土壤滲透性能、土壤排水、土壤蒸發和田間蒸散發。觀測地表逕流、地下水位變化和河槽切割地下水層時的相互補給量。並作多種氣象觀測。搆成整個水量平衡和水循環的研究觀測體系。

　　該站的巨型土壤滲透儀比較獨特，儀器裝土箱深8英尺，面積6.22×14英尺（約合7.9米 ），内裝自然狀態土壤，重量約30噸，用稱重法測定地表水滲透過程，和土壤水分的變化情况，靈敏度極高，全部電動自記。

　　2.2　科羅拉多州立大學工程研究所

　　這個所聞名全美國。内分氣象、電器、農業灌溉、工程水文等幾個部分。它的研究工作與科州州立大學工學院共同合作，著名水工實驗專家沈學汶教授就在這個所裏。現介紹該所有關水文部分。它的主要研究項目有：

　　（1）從理論上探討流域模型，並用河流實際資料來驗证。

　　（2）研究應用水文數學模式，與意大利等國專家協作研究數學模式的最優化（Optimization）。

　　（3）研究水文統計和頻率計算理論，目前正在研究耿貝爾分佈曲綫、科州大學在這方面著名於世。

　　（4）研究喀斯特水文，現和西班牙有關方面合作，利用衛星資料，研究如何找尋水源和决定儲量，並研究地下水水庫問題。

　　（5）研究水資源的綜合利用方法。

　　此外，並作下列的模型實驗。

　　（6）泥沙冲刷實驗。實驗水槽長200英尺，寬8英尺，深4英尺，可變動坡度。最大供水流量爲125英尺 /秒，研究山丘地區水流冲刷的泥沙量和泥沙運動過程。記録全部自動化，是美國目前最大的泥沙實驗水槽。

　　（7）水文實驗水槽。研究模擬河道流量分配、河道斷面流速分佈，建立各種數學模式，應用於天然河道。

　　（8）産流匯流實驗。用人工降雨，進行不同雨强、不同坡度、不同土壤情况下的産流匯流實驗。人工降雨用多孔振盪板來控制，據介紹，成果精度較好。

　　（9）設置室外逕流實驗場。人工降雨自動控制，全場3000平方英尺，場内分幾個不同地形、不同糙率的小場，研究各種降雨逕流産流過程和産流量。

　　實驗記録通過電子循環監測裝置和計算機接通，很快的便由計算機全部計算出來。

　　該實驗室還有三個很大規模的風洞：

　　（1）氣象風洞(M.W.T.)

　　（2）工業空氣動力學風洞（I.A.W.T）

　　（3）環境風洞（E.W.T）

　　環境風洞的實驗區間長60英尺，寬12英尺。風洞頂可上下昇降，净高7～9英尺，最大風速20英尺/秒，這個風洞是世界上最完備的環境風洞。

　　由上面兩個實驗站、室的情况便可以看出，美國研究單位的研究項目是比較全面，對基礎理論研究比較重視。

　　目前美國水文研究有一個新的傾向，就是與環境問題聯在一起，研究自然條件對水文過程的影響，並注意水流運動改變了自然因素，並將人類活動作爲一個重要因素來考慮。希望得出在這個地區，能最有概括度地合理利用水資源，而自然環境也變爲最適合於人類生活（包括研究，旅遊），這種研究稱爲水文生態系統（Ecosystem）的研究。

　　我在威斯州的Racine市參加了“中美科學家學術討論會”時，瞭解到這方面研究分爲三大流派：

　　（1）水文、工程、環境學派。這派的代表是霍布金斯大學的地理與環境系主任，M.Gordon  Wolman教授。這個學派的觀點是研究水利工程部署後所引起的自然環境的變化，如何在規劃前考慮到兩者的關系。在工程完成後，如何利用措施改變壞環境，使工程與環境都得到好的效果。這個學派在美國東部很有聲望。

　　在這次討論會上Wolman教授提出了“都市與水環境”一文，受到重視。

　　（2）水運動生態系統學派。這派的代表是威斯康星大學地球科學系David  H.Miller教授。他的論點是水在地區的運動與利用是與自然因素相互影響的。如何合理利用水，並使自然環境變爲最好，是最重要的目的。判定水的合理利用程度用“能量”作爲單位。這個學派在美國也很有聲望。Miller教授的著作很多，最近新著“地球地表上的水——水文動力生態系統介紹”頗稱於世。這次討論會，他提出了“美國中、小尺度水的管理”論文，可以作爲這方面的代表作。

　　（3）感應水文學派：以科羅拉多大學，行爲研究所（灾害研究中心）所長Gilbert  F.White教授爲首，他的論點是，水文灾害的處理措施，應先徵求受灾地區各階層人士的意見，然後再訂出整治規劃，這種整治措施一方面化害爲利，而另一方面大部分人對整治後的生活環境感到滿意。White教授在美國十分有名氣。

　　這次討論會他提出了“地理效果對地球環境問題的分析”論文。

　　水文生態系統的觀點，往往影響美國水資源利用的研究。例如，我們在佐治亞大學農業研究中心和加裏福尼亞大學訪問時，瞭解到他們對沼澤水的利用研究，就是循上述觀點來考慮的。

　　3　美國水文教育

　　美國培養水文高級人才，不在大學本科而是在研究院，不管工程水文方面或水資源利用方面的研究生，都在教授嚴格指導下，參與某些研究所的研究課題，寫出博士論文。如上面介紹的科州大學工程研究所内，寫博士論文的研究生，就有10多人。没有博士學位的人，没有資格當助理教授以上的職位。在美國3000多所大學中，大學本科水文課主要放在工程學院土木系和水工系。全美國没有水文專業的設置，只有一個在亞利聖那大學的地球科學學院的“水文與水資源系”，並設有“水資源研究中心”，作爲協助培養研究生和科學研究之用。

　　全國開設有水文課的大學（包括工程學院和地理系）共有100多所。而有較完備的水文教學的水文教學組織的共有12間：（可能不够全面）

　　（1）斯坦福大學             　　　　　（2）西雅圖華盛頓大學

　　（3）加州大學（北奇裏）     （4）猶地州立大學

　　（5）伊裏諾利士大學         （6）内華達大學

　　（7）賓尼斯頓大學           （8）科羅拉多州立大學

　　（9）新墨西哥理工學院       （10）盛斯康星大學（馬迪遜）

　　（11）夏威夷大學            （12）霍布金斯大學

　　著名水文學者周文德教授就在伊裏諾利士大學。

　　水文研究生的博士論文題目範圍很廣，有工程水文的研究、水文預報的研究、水文計算的研究、水文理論的研究，也有水質污染的研究、水文生態系統的研究和農田水利的研究等等。大都結合生産部門和國家機構需要而定出題目。

　　亞利聖那大學“水文與水資源系”的系主任是N.Davis Stanley教授，共有助理教授以上教師14人，開設水文學、表層流流體動力學、流域水文學、水化學、地下水資源的開發、水文學電子計算技術、海洋與湖泊水文學、水文地質學、地表逕流、系統水動力學等22門主課，及水資源與污染、水資源研究工作法等12門有關水資源課程。和流域管理、土木工程、機械工程、工業工程、法律學、地理學與地區開發等10多門輔助課。學生學習4年，共修完120個學分便畢業。大學本科生現在在學爲60人，研究生20人，我訪問Stanley教授，座談了一個多鐘頭，他詳細介紹了該系情况。

　　由於美國大學基本普及，且美國各行業高度現代化，因而大學畢業生不適應高層技術工作，找高級職位比較困難，所以致力於培養研究生，以培養出更高級人才，以適應社會發展需要。水文研究生大多數是數學系，土工系，物理系等系的大學畢業生投考，因此，大學水文系的發展便受到很大限制。舉一個例子，全美國只有華盛頓大學海洋系一個系招大學本科生，而其餘著名的海洋系都只招研究生，海洋系本科生課程多而雜，基礎課比數、理、生物、地質等系差，故考上海洋研究生的大部分不是海洋系畢業生。這個例子可以説明美國教育和我國情况有一定差异。

　　
　　（由於訪美代表團是地理綜合代表團，訪問專業的機會不多，加上時間短，且個人水平限制，介紹中定有不少錯漏，請批評指正。）

　　（原載：水文科技動態，1979。）