水文学的分支系统
地球表面的水从地球内部逸出，经过约35亿年的积累和演化，逐渐形成了今天的水圈。水圈的形成不仅改变了岩石圈的面貌，使大气中的现象变得复杂多样，而且导致了生物圈的出现。因此，水的出现和水圈的形成是地球自然史上最重要的事件。
水文学的研究领域非常广泛。从大气中的水到海洋中的水，从陆地表面的水到地下水，都是水文科学的研究对象；水圈、大气圈、岩石圈和生物圈之间的关系也是水文学的研究领域。水文科学不仅研究水量，也研究水质，不仅研究当前水情的瞬时动态，而且探索全球水的生命史，预测其未来变化趋势。
虽然陆地上的水量只占全球总量的3.5%左右，但几乎所有的淡水都分布在陆地上。整个人类都生活在陆地上，最复杂的水文过程也发生在陆地上，因此对陆地上水的研究尤其受到人们的重视。水土文献是水文科学的主要组成部分。海洋和大气中的水文学知识已分别归类为海洋学和大气科学。
水文学的研究对象
地球上约有654.38+0.39亿立方千米的水，以液态、固态和气态分布在地面、地下和大气中，形成了河流、湖泊、沼泽、海洋、冰川、积雪、地下水和大气水，形成了广阔的水圈。水圈处于永无止境的运动状态，水圈各类水体通过蒸发、水汽输送、降水、地表径流和地下径流等水文过程紧密联系、转化和不断更新，形成一个庞大的动力系统。
在这个系统中，海水在太阳辐射下蒸发成水蒸气，上升到大气中，被气流带到陆地上空。在特定的天气条件下，降水落到地面。下落的水一部分重新蒸发回到大气中，另一部分沿地面形成地表径流或渗入地下形成地下径流，通过河流流入湖泊或流入海洋。海洋或陆地上蒸发出来的水蒸气上升凝结，在重力作用下直接落到海洋或陆地上。
这种水的不断转化、迁移和交替的现象称为水文循环。但是，以上只是全球水文循环轮廓的几个草图，水文循环的实际情况要复杂得多。从地面以上约11 km的大气对流层顶到地面以下1 ~ 2 km深度的广阔空间里，处处都有水文循环的痕迹。
不同纬度的大气环流使一些地区成为蒸发量大于降水量的水汽来源，而另一些地区成为降水量大于蒸发量的水汽富集区。不同规模的跨流域调水工程可以改变地表径流的路径。世界上每个区域或水体都有自己的区域水文循环系统，各种时间尺度和空间尺度的水文循环系统相互联系、相互制约，构成了全球水文循环系统。
全球每年约有57.7万立方千米的水参与水文循环。水文循环的内因是水在自然条件下可以转化为液体、气体和固体的物理特性，而驱动如此庞大的水文循环系统的能量是太阳的辐射能和水在地球引力场中所具有的势能。
水文循环是自然界最重要的物质循环。它形成云，引起雨，影响一个地区的气候和生态，塑造地貌，实现地球化学物质的迁移，像链条一样连接全球生命，为人类提供可再生的淡水资源和水电资源。水文循环使我们生活的星球生机勃勃。如果没有水和水文循环，我们的星球将会像月球一样，是一个没有生命和寂静的沙漠。
水在循环过程中的存在和运动，如蒸发、降水、江河湖泊水位波动、冰的变化、冰川进退、地下水运动、水质变化等，统称为水文现象。在各种自然因素和人类活动的影响下，水文现象在空间分布或时间变化上非常复杂。
水文现象的时间变化过程具有周期性和不重复的性质，一般称为“准周期性”。例如，潮汐河口的水位具有以半个或一个太阴日为周期的日变化；河流每年都有丰水的汛期和少水的枯水期；通过长期观测可以看出，河湖水量在连续丰水年和连续枯水年之间交替，呈现多年变化。
造成这种周期性变化的基本原因是地球的公转和自转、地月相对运动以及太阳活动的影响，比如太阳黑子的周期性运动。它们导致太阳辐射的变化和季节的交替，使水文现象也有相应的周期性变化。当然，水文现象还受到许多其他因素的影响，这些因素本身在时间上是不断变化的，并且相互作用。
水文学简史
人类消除水患、兴修水利的探索历史与人类文明史一样悠久。在生产实践中，特别是在与水旱灾害的斗争中，人类不断地观察各种水文现象，思考和研究其规律，积累了丰富的关于水的知识，逐步形成和发展了水文科学。
水文学历史悠久，经历了漫长的酝酿期，快速发展是在上个世纪。与自然科学的许多学科相似，人们仍然很难找到公认的里程碑，将水文科学的历史进程划分为几个明确的阶段。我们只是跟随它的脚步，大致分为以下几种。
萌芽期(从古代到大约公元1400年)
在尼罗河、幼发拉底河、恒河、黄河等古文化发源地的遗迹中，我们可以看到原始的水文观测已经在这一时期开始。最早的水位观测是在中国和埃及进行的。
公元前22世纪，中国传说中的治水大师大禹曾“刊树沿山”(立于河中的树木)，以观察河水的涨落。此后的战国时期李冰的都江堰“石人”，隋代的水石刻，宋代的水碑等。，说明水位观测一直在不断完善。
最早的降雨观测最早出现在公元前4世纪的印度，中国在公元前3世纪的秦朝就开始有报雨制度。到了公元1247年，有了更科学的雨量计和降雨深度的计算方法，开始用“竹笼验雪”来计算平地上的降雪深度。明代刘天河用手工制作的“骑沙水表”测量黄河泥沙量。
中国古书《鲁春秋》中写道:“云气西行如此突然，冬夏不绝；水泉向东流，日夜不息，取之不尽，用之不满，以小为大，以重为轻，国道。”提出了水文循环的简单概念。该书写于公元6世纪初的《水镜笔记》，记述了当时中国65，438+0，252条河流的概况，成为水文地质调查的先驱。
诚然，这些原始的水文观测和知识是肤浅的、零星的，但它们已经为当时的生活和生产提供了重要的水文资料。比如根据降雨量的多少来确定税额，根据上游的水位向下游传递水信息，都预示着水文科学的萌芽。
奠基期(约1400 ~ 1900)
欧洲文艺复兴带来的科学思想解放和科技进步，为水文学作为一门独立学科的发展奠定了基础。这一时期，水文仪器的发明使水文观测进入科学定量观测阶段。
1663年，雷恩和胡克发明了翻斗自记雨量计，1687年，哈雷发明了测量水面蒸发量的蒸发器，1870年，埃利斯发明了桨式海流计，1885年，普莱斯发明了转杯式海流计。这些现代化的水文仪器使流量、流速、蒸发量、降水量的观测达到了相当的精度，各种利用这些现代化水文仪器进行水文观测的水文站相继出现。
1746年，我国在黄河老坝口建立了我国第一个常规水位站，开始系统观测水位和报汛。这些成果在深度和广度上拓宽了水文现象的观测领域，为水文科学的理论发展创造了条件。
这一时期，现代水文科学理论开始逐渐形成。1674年，佩罗提出了水量平衡的概念，成为水文科学最基本的原理之一。伯努利父子在1738年发表了水流的能量方程，谢才在1775年发表了明渠均匀流公式；道尔顿研究水面蒸发的公式建立于1802年。1856年达西发表了描述地下水在多孔介质中运动的达西定律；1851年，莫瓦尼提出了汇流和径流系数的概念，并发表了著名的计算最大流量的推理公式。
这些科学理论的建立，为水文科学在河流流动、蒸发、地下水运动、径流形成和水文循环等领域的发展奠定了理论基础，表明人类对水文现象的认识已经从初级阶段的肤浅、零星的知识发展到更加深刻、系统的知识。同时也说明人类对地球上水的运动和变化规律的探索，已经发展到基于大量观测事实的假设、演绎和推理，进而建立起各种理论体系的现代科学方法论。
19年底，专门的水文研究机构开始出现，一些国家开始出版水文年鉴。水文专著如弗里斯的《河流水文测验法》、福雷尔的《湖泊传》、埃德姆·马略特的《水的运动》等相继出版。这些著作总结了当时水文观测和理论研究的成果，标志着水文科学奠定了作为现代科学的基础。
应用水文学兴起时期(约1900 ~ 1950)
这一时期，水文科学在观测方法、理论体系和研究领域不断取得新的成就，但其最重要的进步是应用水文学的兴起。
20世纪，特别是第一次世界大战后，大量涌现的防洪、灌溉、交通工程、农业、林业乃至城市建设，给水文科学提出了越来越多的新课题，解决这些课题的方法也由经验和零碎逐渐理论化、系统化，水文科学的应用特色逐渐显现。
首先，从1914到1924，通过黑增和福斯特的工作，将概率论和数理统计的理论和方法系统地引入水文科学，使水文变量(如洪峰、洪量)与其概率相关联，为预测工程未来运行期可能发生的水文情况开辟了道路。
然后从1932到1938，Sherman、Horton、McCarthy、Snyder等人在产流汇流计算方面取得了开创性的进展，开辟了按降雨量计算洪水的道路。随后，克拉克、林斯利等人在单位线、多水文变量联合分析和径流调控的理论和方法上发展和丰富了上述内容。
在此期间，水文站发展成为世界范围内的大型水文站网系统。这些成果在理论、方法和资料条件上为应用水文学的兴起奠定了基础，并率先形成了其最重要的分支学科——工程水文学。接着，农业水文学、森林水文学、城市水文学也相继兴起。
65438-0949，林·斯莱与科勒、保罗·赫斯合著《应用水文学》；同年，约翰斯顿和克里斯合著的《应用水文学原理》和美国土木工程师学会编纂的《水文学手册》等应用水文学专著相继问世，总结了这一时期的成就，标志着应用水文学的诞生。应用水文学以直接为生产和生活提供各种服务为显著特征，发展迅速，成为现代水文科学体系中最具活力的分支。
现代水文学
20世纪50年代以来，社会生产规模空前扩大，科学技术进入新的发展时期，新的技术革命正在兴起。人类改造自然的能力迅速增强，人与水的关系从古代的较低水平到近代的较高水平。这一新阶段赋予水文科学新的动力和新的特征。
首先，由于人类对水资源的突出需求，水文科学的研究领域正朝着水资源优化开发利用的方向发展，为客观评价、合理开发、充分利用和保护水资源提供科学依据；
第二，大规模的人类活动正在对自然水体和自然环境产生许多影响。研究和评价人类活动的水文效应以及这种效应的环境意义，揭示人类活动影响下水文现象的规律，进而探索水文分析的新方法和新途径，防止人类活动对水文循环的影响向不利于人类生存环境的方向发展，这些都正在成为水文科学面临的新课题。
此外，现代科学技术在获取水文信息的手段和分析水文信息的方法上也有了很大的进步。比如遥感技术的应用，使得同时观测大范围的宏观水文现象成为可能；核技术的应用使人们能够获得微观的水文信息；水文模拟方法、水文随机分析方法、水文系统分析方法，使人们研究水文现象的能力发展到一个新的水平；特别是计算机的应用，使水文科学从水文观测发展到基本规律的研究，从手工和机械操作发展到以计算机为核心的自动化。
水文科学与其他科学之间的边缘科学不断崛起，学科之间的鸿沟逐渐被填补。与此同时，人们开始看到水已经成为影响社会发展的重要因素。水在展现其自然属性的同时，其社会属性也日益彰显，逐渐被人们所认识。因此，水文科学将有可能发展成为一门具有自然科学和社会科学双重性质的综合科学。
水文学的研究特点
水文循环是自然界中各种水体的存在条件以及它们之间的联系。它是水的各种运动和变化的总和，是水文科学研究的主要对象和核心内容。在水文循环过程中，水文现象的特点决定了水文科学研究的特点。
首先，水文科学把各种水文现象作为一个整体，以大气、岩石圈、生物圈和人类活动的影响来研究。例如，用水量平衡法研究流域水量变化时，不仅要考虑流域周围大气中的水汽输送，还要考虑流域上方大气中的含水量变化；降水和蒸发都要考虑；不仅要考虑流域的地表径流，还要考虑流域内外土壤含水量和地下水的交换，还要考虑流域内水利工程和其他人类活动的影响。
其次，水文科学主要是根据现有的水文资料，预测或预测水文情势的未来情况，直接为人类的生活和生产服务。比如提供洪水预报和各种水情预报，对旱涝灾害的发生进行中长期预测，对水利工程未来运行期可能遇到的特大洪水进行概率预测。
水文科学主要依靠建立从局部到全球的水文观测站网络，对自然界发生的水文现象进行分析和研究。各种水文实验，除了实验室的少数，主要是在自然界进行的，比如实验流域。
水文科学研究广泛采用遗传分析和统计分析，并尽可能将两者结合起来。成因分析主要基于物理原理，通常建立某种形式的确定性模型，研究水文现象发展演变中的确定性规律。统计分析通常以概率论为基础，建立概率模型(纯随机模型)来探索水文现象的统计规律。
水文科学的分支。
由于水在人类生存和社会发展中的重要作用，水文学不仅是一门基础科学，也是一门广泛服务于生产和生活的应用科学。
水文科学不断从数学、物理、化学等基础科学中汲取营养。它用数学力学的规律和方法来描述水的运动；利用物理学中的热学、声学和光学原理，研究水体的热状态，解释水体中的声学和光学现象；根据化学键和分子缔合理论，阐述了液态、气态和固态水转化的原因和途径。
由于水文循环将水圈、大气圈和岩石圈紧密联系在一起，水文科学在地球科学体系中与大气科学、地质学和自然地理学有着密切的联系。
水文科学开始主要研究河流、湖泊、沼泽、冰川和积雪，后来扩展到地下水、大气中的水和海洋中的水。传统水文学根据研究对象分为分支，主要包括河流水文、湖泊水文、沼泽水文、冰川水文、雪水文献、水文气象、地下水水文、区域水文和海水文献。
河流水文学又称河流水文学，研究河流的物理和地理特征，河流的补给，径流的形成和变化，河流的水温和冰情，河流和河床泥沙输移的演变，河流的化学成分，河流与环境的关系。
湖泊水文学主要研究湖泊中水量的变化和运动，湖泊水的物理特性和化学成分，以及湖泊沉积物的利用。
沼泽水文学研究沼泽径流、沼泽水、沼泽对河流和湖泊的补给以及沼泽改良的物理和化学性质。
冰川水文学主要研究冰川的分布、形成和运动，冰川融水径流的形成过程和时空分布，冰川突发性洪水的形成机制和预测，冰川水资源的利用。
雪水文献主要研究雪的数量和分布、融雪过程、融雪水对江河湖泊的补给、融雪洪水的形成和预报，有时与冰川水文学合称为冰雪水文献。
水文气象学研究水圈与大气圈的关系，包括大气圈中的水文循环和水量平衡，以及以蒸发、凝结和降水为主要途径的大气圈与下垫面之间的水分交换，特别关注暴雨和干旱的发生发展。
地下水水文学主要研究地下水的形成和运动，地下水与江河湖泊的相互补给，地下水资源的评价和开发利用。
区域水文重点研究一些特定区域的水文现象，如河口水文、坡面水文、平原水文、岩溶区水文、干旱区水文等。
海洋水文献侧重于海水的物理性质和化学成分、波浪、潮汐、洋流、海岸泥沙运动等。这些学科通常也被称为普通水文学或水文学。
水文科学主要通过定点观测、野外调查和水文实验(主要是野外实验)获取水体的时空分布和运动变化信息，并由此逐步形成水文测量、水文调查和水文实验三大分支。
水文测验研究如何正确、经济、快速地测量各种水文要素的数量及其在时间和空间上的变化，主要包括站网布局、测验方法和资料整编方法的研究。它还包括测量仪器的开发和数据存储、检索和传输系统的研究。
水文调查是水文科学野外调查和考察的一部分，旨在对汇水区的水体形态和数量以及自然地理条件作出科学的分析和评价。在我国，历史暴雨、历史洪水和枯水调查是水文调查的重要组成部分。
水文实验旨在通过野外和室内实验，揭示水文循环各环节水分运动和变化的一些规律，如水分入渗土壤规律、土壤水分运动规律、径流形成规律、土壤和水面蒸发规律、人类活动的水文效应等。
水文学作为一门应用科学，主要包括工程水文学、农业水文学、森林水文学、城市水文学、医学(卫生)水文学等分支学科，其中工程水文学发展最为迅速。
工程水文学包括水文计算、水力计算、水文预报等组成部分。水文计算和水力计算为各种防洪工程、灌溉工程、水力发电、航运工程、路桥穿越工程、军事工程等的规划设计提供水文依据。
水文预报为工程建设和运行以及国民经济各部门提供洪水、枯水、冰情等多种形式的水文预报。
农业水文学主要研究水-土壤-植物系统中与作物生长有关的水文问题，特别是关注植物排放和土壤水分运动规律，为农业规划和作物增产提供水文依据。
森林水文学重点研究森林在水文循环中的作用，即森林的水文效应，包括森林对降水、蒸发和径流形成的影响。
城市水文学是应用水文学的一个相对年轻的分支，主要研究城市发展中的水资源、市场排水的环境影响以及城市对径流形成的影响。
20世纪50年代以来，随着科学技术的飞速发展，水文科学不断引进许多其他学科的新成果，出现了一些新的分支学科。比如在水文调查和水文预报方面，通过研究遥感技术的应用，已经逐渐形成了遥感水文学；核技术在水文实验和地下水运动研究中的应用，逐渐形成了同位素水文学；随着随机过程理论和方法的引入，随机水文学逐渐形成。
虽然这些新的分支在成熟程度上不能与水文科学体系中的原有学科相提并论，但它们表明水文科学在继续耕耘，不断萌发新的分支。