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黄万里先生博士论文的水文“瞬时过程线”探讨——陈昌春与葛维亚先生的对话

已有 966 次阅读 2020-10-29 11:36 |个人分类:水文科学|系统分类:科研笔记

                      黄万里先生博士论文的水文“瞬时过程线”探讨——陈昌春与葛维亚先生的对话

                                                ——黄万里先生应该是瞬时单位线探索的先行者                       

                                                                               陈昌春

        黄万里先生是我国著名的水文水利学家,本文主要针对黄万里先生博士论文中水文“瞬时过程线”及黄先生传记等文献中提及的黄万里瞬时过程线,由本人(陈昌春)与水文前辈葛维亚先生进行对话,并进行一些讨论。

       《长河孤旅——黄万里九十年人生沧桑》一书介绍:“他(注:黄万里)在题为《瞬时流率时程线学说》的博士论文中,首创了从暴雨推算洪流的半经验半理论方法,引起业界注意。直到19年后,另一位学者纳什才提出了相似的方法。”《忍对黄河哭禹功》一书所提及的论文题目也是《瞬时流率时程线学说》。《黄万里文集》一书的介绍是“瞬时流率时程线学说(伊利诺大学博士论文,1937年)”。

         放眼网络,凡是言及黄万里博士论文的书籍及网络文章,几乎都是以讹传讹地介绍了论文的题目。刘国纬先生《纪念黄万里先生》中介绍的黄万里先生博士论文英文题目是正确的(即:THE ANALYSIS OF THE RAINFALL- RUNOFF CORRELATION。此论文的中文含义为“降雨—径流的相关分析”。

       那么,黄万里先生的“瞬时流率时程线”的具体情况如何,是否超前纳什瞬时单位线若干年,似有值得探究的必要。黄万里的瞬时过程线(注:本文的译法)目前仅出自黄万里传记类文献的介绍,黄万里先生在自己的各种著述中似乎从未提及。

       埃蒙·纳什(或译纳希)(J. E. Nash,1927-2000),爱尔兰水文学家和水文教育家,是将科学原理应用于新兴的水文学科的先驱者之一,为水文学科的发展和水文教育等做出了杰出的贡献。

       因网络上下载的黄万里先生博士论文原文字迹模糊、辨认困难,因此本文只是就重点内容与葛维亚先生进行了对话与探讨。

陈昌春:

        葛老好!一些黄万里传记性文献中提出“黄万里瞬时流率过程线领先纳什瞬时单位线19年”,后见有业内人士也介绍这个说法,我就觉得或许有点影子。请人下载了黄万里博士论文,可惜字迹非常模糊,我只能勉强识别出一些内容。不过,由于里面有instananeous graph, 我觉得有点影子。尽管葛老觉得不太可能,但我限于对纳什瞬时单位线的细节缺乏了解,还是有点保持半信半疑。

葛维亚:

       黄万里先生研究“瞬时过程线”19年后,纳什瞬时单位线能在全世界广泛推广,原因在于: 1 纳什瞬时单位线为脉冲响应函数,物理概念清楚。2 纳什瞬时单位线为不完全伽玛函数,基础扎实。3 最重要的一点是,纳什瞬时单位线通过拉普拉斯卷积变换,可以利用物理学矩法的一阶原点矩,二阶中心矩计算出纳什瞬时单位线的参数n k ,因而最后得出纳什瞬时单位线的时段单位线(详见我主编的《水利工程实用水文水利计算》一书57页至63页)。

陈昌春:

      请葛老针对瞬时过程线直接相关的重点表述与表达式及公式做一些评点(部分文字及表达式详见本文附录)。

葛维亚:

       下面是黄万里先生博士论文中的一些阐述:

       “瞬时水文曲线是指在进行流量测量的河段上方的流域上由于降雨而产生的瞬时水文曲线。按常理解释,瞬时降雨意味着其持续时间趋近于零。
       假设有一场以单位强度为单位的降雨,比如每天一英寸,在极短的时间内覆盖整个drainges地区。dt。假设在它到达出口的整个过程中没有水流失,因此所有的雨水都从分水岭表面排走。因此,雨量过剩的rute等于雨量的强度。在这样的瞬时降雨之后,代表主河道流量的水文图显示,径流逐渐增加到最大值,然后又逐渐恢复到暴雨前的值。在图1。O M M表示这样一个图。OM -也是瞬时洪水周期或从起始点到保证点的流量集中时间。tpo是到达峰值流量之前的时间。
       瞬时水文理论指出,对于有关的特定流域,当发展时,图形的形状是完全确定的。不受风暴的强度,持续时间和频率的影响。”

       从黄万里博士论文的论述来看,黄万里提到的瞬时水文曲线,肯定了5点:1 瞬时降雨;2 降雨历时趋近于零;3 雨强定量:4提出了S曲线概念;5 雨洪过程线形状始终为“铃形”。因此黄万里提到的瞬时水文曲线是以脉冲作为输入,带有瞬时单位线的数学物理特征。由此可见,黄万里应该是瞬时单位线探索的先行者,而纳什是后继者,黄万里仅仅提出一个概念,缺乏适应客观需要的可行方法,而纳什把一切加以完善,更加系统,实用。

陈昌春:

      葛老,撇开与纳什瞬时单位线的关系,黄万里先生的“瞬时过程线”或许也有自身的创新意义。他可能把波士顿报告简单设想的“瞬时过程线”具体化了。我暂时看不到这个报告,所以不太清楚这个报告中的用语。

       在博士论文的第42页,黄万里很有信心地称为瞬时过程线理论:“the theory of instantaneous hydrograph”。现在看来,未必与纳什瞬时单位线有类似的数学表达,但黄先生的数学表达应当也是有其道理与合理性的。黄先生除了自己称作瞬时过程线理论外,还使用了“另一方面,这个理论对水文科学及相关学科提供了重要的贡献”。

       黄万里先生的《洪流估算》第237页提及了1930年波士顿报告,并提及1932年谢尔曼单位线。芮孝芳先生2019年发表的《工程水文学在中国的发展》提及“1930 年美国波士顿土木工程协会建立了瞬时单位线概念”,但参考文献仅是间接引用自周文德的Handbook of Applied Hydrology。周文德的这本书,我们学校图书馆有,我不久前查阅过。

        我觉得,在那个年代提出“瞬时”的概念就很可贵了。黄万里所说是“瞬时过程线”。目前值得探究的是“瞬时”概念的使用情况。我暂时未见到1930年美国波士顿土木工程协会报告,网上搜不到。据我的分辩,黄万里的博士论文似乎未提及波士顿报告。然而,他写作博士论文时可能阅读过这篇重要报告。

葛维亚:

       根据我的观察,国内外没有人对“瞬时单位线”的命名予以研究。其中“瞬时”概念从何而来?我认为,这与黑箱的输入为脉冲函数有关,在数学上属于拓扑学范畴。

陈昌春:

        顺便请葛老对纳什瞬时单位线做更多的介绍,以增加进一步的认识。

葛维亚:
       大约于1960年间,原国际水文科学协会主席,爱尔兰大学教授纳什提出了瞬时单位线模型,很快在西方国家得到关注和推广。在我国,直到上世纪70年代初期尚没有引进,更没有推广,滞后了很长一段时间。
       1972年我写出一篇系统的介绍性文章《瞬时单位线原理与应用》,在《水文科技通讯》刊出。文中就纳希瞬时单位线概念、公式推导、矩法计算参数、计算步骤和计算实例作了详细论述,这是在我国第一篇介绍与探讨纳什瞬时单位线的论文。之后我采用这一方法用于我的技术工作当中,取得一些经验。1974年在深入研究的基础上,我发表了论文《纳希汇流模型的应用与改进》,其中在我国最早引入了流域地理概念。1978年在地理学会《水文地理学术讨论会论文集》上发表,该成果根据流域地理矩法矩法概念论证了纳希汇流模型脉冲入流点不在最上游而在流域形心处,,以此对模型参数加以改正,给出了一系列改正计算公式,提高了成果精度。我通过数学导演证明,纳希瞬时单位线基本表征就是伽玛函数和脉冲响应函数。这一切明,纳希瞬时单位线是一个清晰的数学物理模型。          

     1974至1979年 我应邀在长江委水文局、长江委重庆水文总站、长江委汉口水文总站、长江委襄阳水文总站、水利部东北水利水电设计院、陕西水文总站、山东水文总站、河北水文总站、湖北水文总站、湖南水文总站、广东水文总站、海南水文总站作详细介绍,其中包括具体计算方法,反应强烈。  从此之后才在我国各有关部门全面推广应用。

陈昌春:

      芮孝芳先生在《工程水文学在中国的发展》中说:“1930 年美国波士顿土木工程协会建立了瞬时单位线概念”。不过,他间接引用的是周文德的《应用水文学手册》。我为此借阅过《应用水文学手册》,也只是注一下参考文献。芮孝芳先生等的《单位线的发展及启示》一文认为“

与Sherman直接针对实际应用提出单位线不同,美国Boston土木工程协会早于Sherman两年即1930年,提出了“瞬时暴雨产生的过程能表征流域特征”的概念,这种所谓“瞬时暴雨产生的过程”就是后人命名的“瞬时单位线”。但它并没有立即得到应用,直到1945年,Clark才据此概念求得单位线用于流域汇流计算。对瞬时单位线的解释最初只是认为:“时段长为零的单位线就是瞬时单位线”,直到20世纪70年代才将瞬时单位线正式定义为:流域上分布均匀,历时极短(※0),强度极大(※∞),但总量为1个单位的净雨所形成的出口断面流量过程。“瞬时单位线”并没有立即得到应用,直到1945年,Clark才据此概念求得单位线用于流域汇流计算。”然而,据我与葛维亚先生的现有判断,黄万里先生的触角可能非常灵敏,很快就得悉并领会了“瞬时”的概念,并立即投入汇流应用研究了,并成功完成了专题的博士论文。只是目前不清楚的一些原因,黄先生的研究成果被人遗忘了。

附1:黄万里先生博士论文封面

THE ANALYSIS OF THE RAINFALL- RUNOFF CORRELATION(降雨—径流的相关分析)


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附2:黄万里先生博士论文的摘要

                                                                     synopsis(概述)

This paper points out the necesity of  houring hydrographs rather than merely maximum and minimum streamflows for engineering areas. In most streamflow obbservations available extend over a comparatively few years. there is an urgent need for an accurate method of computing hydrographs from rainfall and other physical data.

The proposed therories and methods herewith presened are based upon the fundamentals of the scientific methods of analysis and synthesis. Time and space, the basic variables of any natural phenomenon in motion have been full considered. The underlying principle is to detect all physical characteristics pertaining to a drainage area that are imposible to be obtained by measurements from the hydrograph itself. Any irregular feature of an observed hydrograph is to be explainde with reasons. The usual method of computing the several kinds of water loses such an evaporation, transpirations,etc., to obtain the net runoff has been entirely abandoned in the present research. Part I treats of the introductory contents of these mold principles woout the theories and methods followed. 

In Part II, the proposed theory of  instananeous hydrograph in presented from which time contours can be determined in the gap. Fith the time contour knwn. ^22 drainage with characteristics are completedly revealed. Besides, hydrograph can be reproduced even from non-uniform rainfalls. There are several other useful methods presented in this part. The ordinarily used unit-graph method is also criticised. However, all methods given in this part are based upon three assumptions: (1)There is no water lost throughout its trip to the measuring point so that all rainwater is drained from the surface of the basins; (2)The ground conditions are invaribles with the rising of river stages so that the instantaneous hydrograph is constant; and (3) A uniform rainfall covers the entire drainage area when used for analysis.

  Part III: "The puts of water losses." takes into acount the assumption (1) in Part II. A method of determing the account of water losses by means of the "differential hydrograph" is proposed.

  Part IV: "An Exact Analysis." takes into account the remaining two assumptions in Part II. Thereby, the theoretical part of the methods have been completed.

 In Part V: "Problem Involving Channel ctouruges." a method of eliminating the effect of channel storage is proposed, and orfilosms are gives to Norton's method. A method of finding the ground water depletion ourre and another method of oeparating reaaaion curves are also presented. There methods are useful in the natural solution of problems.

  In Part VI, the details of solution are presented with an illustrative example. It describe the procedure to be followed in the analysis and sythesis of hydrographs. The rrest reach of Salt Fork Basin at Urbana, illinois has been chosen for illustration. The results have met the tests of theories and methods established by the writer.

附3:黄万里先生关于博士论文内容的讲述

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附4:关键内容辨识之一(见于黄先生博士论文 page 9,由于字迹模糊,部分单词难以识别)

     The second method of plotting the function of  Q e (i.x) by assigning consecutive values of t instead of xj suggests  the  writer a different methood of solution. Consider a superimposing rainful with known isohyetal at  the loot an instan dt. and find the resuting hydrograph due to this intantaneous rainfull.(值得注意:这可能是"intantaneous"(瞬时)”一词在论文中第一次出现。但黄先生既未提这个概念是自己首用,也未引用任何文献。因为这个瞬时降雨概念很重要,据称此前已出现于波士顿土木协会的著名报告之 中。该页页底引用了 Horton, R. E. (1935), Surface Runoff  Phenomena, Part 1. Analysis of  the Hydrograph, Horton Hydrological Laboratory Publication 101, Edwards Bros. Inc., Ann Arbor, MI.

附5:关键内容辨识之二(见于黄先生博士论文 page 12)

                                     第2部分  II - Drainage Area Characteristics

                                   5. The Theory of instantaneous Hydrograph                                                   

  An instantaneous hydrograph is one due to an instaneous rainfall falling over the drainage area above the section of river where the discharge measurements are made. Interpreted mathe matically, an instantaneous rainfall means that its duration approaches zero as a limit.

  Consider a uniform rainfall of  unit intensity, say, one inch per day, covering the entire drainges area and falling in an infinitesimal time. dt. assume that there is no water lost throughout its trip to the outlet so that all rainwater is drained from the surface of the watershed. consequently, the rute of rainfall excess is equal to the intensity of rainfall. Following such an instantaneous rainfall, the hydrograph representing the flow in the main stream channel shows the run-off  increasing to a maximum value and then subuilding to the value it had before the storm. In Fig.1. O M M represents such a graph. OM - too is the instantaneous flood period or the time of concentration of flow from the remotent point of the basic to the assuring point. tpo is the time thant alupess until the peak flow is reached. 

  The theory of instantaneous hydrograph provides that the shape of the graph when developed is entirely definite for the particular watershed concerned. Independent of the intensity, duration and frequency of any storm that might occur over the...  

陈昌春注:第12页末尾,黄先生提到,此页主要是“瞬时过程线定义”,内涵解释不很精确。详细内容见于第4部分(72页起)。第76页、77页、78页如下。

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附6:直接阐述与运用“瞬时过程线”的图、数学表达式

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这是随图的公式:
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附7:该页(第31页)是黄万里先生指出“瞬时过程线”的意义

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附8:http://blog.sciencenet.cn/blog-350729-1197792.html

                    黄万里先生的水文学硕士、博士论文原貌、三大导师及其学术路径与成就

附9:https://baike.baidu.com/item/%E7%BA%B3%E4%BB%80/13010619?fr=aladdin

纳什(J. E. Nash)早年在爱尔兰国立大学高尔韦学院(University College, Galway)主修工程学,他的工程学硕士学位论文《河川径流和降雨的关系》表明了他以后学术研究领域的主题之一。毕业后,他加入都柏林公用工程局(Office of Public Works, Dublin),研究未测量流域的流量频率问题以及单位线和流域汇水特征的关系。然后,他前往英国沃林福德水力学研究站(Hydraulics Research Station, Wallingford)作为高级研究员继续研究通过单位线和其他模型预测径流量。他曾在英国格伦登安德伍德设立实验流域以提供用于流量预报的准确测量,并发展了洪水评估的统计学方法。

在尼日利亚短暂工作了一段时间后,他参与了英国沃林福德水文研究机构的创建并是第一任负责人。该机构随后演变为水文研究所(Institute of Hydrology,现在更名为生态及水文中心<Centre for Ecology and Hydrology>)。

1963年,他回到爱尔兰,在爱尔兰国立大学高尔韦学院开设国际水文培训班并被任命为教授。许多国家的水文工作者在高尔韦学院或者在坦桑尼亚达累斯萨拉姆接受了培训。1979年至2000年开设的国际水文研究生班吸引了超过50多个国家的水文工作者,350多名学生取得了硕士、博士学位或者高级文凭。国内著名的水文学者梁庚辰、夏军郭生练等都曾在纳什教授领导的工程水文系学习或进修过。 [1]  他继续关注英国水文研究所的相关研究,比如水文研究所和爱尔兰公用工程局合作推出的著名的《洪水研究报告》。他还荣任多年的《水文杂志》编辑。他以幽默、对同事的关心和对新研究成果的敏锐评论而著称。

1989年,由于他对水文科学的杰出贡献,他被国际水文科学协会(INTERNATIONAL ASSOCIATION OF HYDROLOGICAL SCIENCES )授予国际水文奖(International Hydrology Prize)。 [2] 

1999年,纳什教授被美国土木工程师协会(American Society of Civil Engineers)授予周文德奖(Ven Te Chow Award)。 [3] 

参考资料

1.  工程水文系  .爱尔兰国立大学高尔韦分校工程水文系官方网站[引用日期2014-02-05]

2.  国际水文奖获奖者  .国际水文科学协会官方网站[引用日期2014-02-05]

3.  周文德奖获奖者  .美国土木工程师协会官方网站[引用日期2014-02-05]

附10:http://blog.sciencenet.cn/blog-1352130-1215809.html

                                                                瞬时单位线的推广与应用

                                                                    葛维亚 2020-1-27

附11:http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=1352130&do=blog&id=1215537

                                                                     线性汇流模型的参数转换

                                                                                  葛维亚

      各种汇流模型及其相应方法用于汇流计算,其关键在于参数的确定。纳希(Nash)瞬时单位线法(即为纳希汇流模型)根据矩法概念,明确提出了参数n、k的计算公式。将这一线性系统进一步加以分析,便可以得出避开二阶矩的一系列参数计算公式,藉以提高矩法计算参数的精度,同时省时省力。......



http://blog.sciencenet.cn/blog-350729-1256216.html

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