水文要素

水文要素降水

地面從大氣中獲得的水汽凝結(jié)物，總稱為降水。它包括兩部分：一部分是大氣中水汽直接在地面或地物表面及低空的凝結(jié)物，如霜、露、霧和霧凇，又稱為水平降水；另一部分是由空中降落到地面上的水汽凝結(jié)物，如雨、雪、霰雹和雨淞等，又稱為垂直降水：我國(guó)國(guó)家氣象局地面觀測(cè)規(guī)范規(guī)定，降水量指的是垂直降水。

降水是水文循環(huán)的基本要素之一，也是區(qū)域自然地理特征的重要表征要素，是雨情的表征。它是地表水和地下水的來(lái)源，與人類的生活、生產(chǎn)方式關(guān)系密切，又與區(qū)域自然生態(tài)緊密關(guān)聯(lián)。降水是區(qū)域洪澇災(zāi)害的直接因素，是水文預(yù)報(bào)的重要依據(jù)。在人類活動(dòng)的許多方面需要掌握降水資料，研究降水空間與時(shí)間變化規(guī)律。如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防汛抗旱等都要及時(shí)了解降水情況，并通過(guò)降水資料分析旱澇規(guī)律情勢(shì)；在水文預(yù)報(bào)方案編制和水文分析研究中也需要降水資料。

水文要素水位

水位是指水體的自由水面高出基面以上的高程。表達(dá)水位所用的基面通常有兩種：一種是絕對(duì)基面，另一種是測(cè)站基面(假設(shè)基面)。我國(guó)采用的絕對(duì)基面大都為黃海基面，即以黃海口某一海濱地點(diǎn)的特征海平面為零點(diǎn)；為保持資料的連續(xù)性，設(shè)站時(shí)間較久遠(yuǎn)的站點(diǎn)，仍沿用吳淞基面。為使各站的水位便于比較，在“水文年鑒”中均注明了黃海與吳淞基面的換算關(guān)系。如長(zhǎng)沙水位站，所使用的基面為吳淞基面，將其換算為黃?；嫫鹚闼?，則黃?；嬉陨纤?現(xiàn)觀測(cè)水位(吳淞基面)-2.280m。

測(cè)站基面，是水文測(cè)站專用的一種固定基面，一般以略低于歷年最低水位或河床最低點(diǎn)作為零點(diǎn)來(lái)計(jì)算水位高程。為便于比較各站水位，在刊布水文資料時(shí)，均注明了該基面與絕對(duì)基面的關(guān)系。

水位可直接用于水文情報(bào)預(yù)報(bào)，為防汛抗旱、灌溉、排澇、航運(yùn)及水利工程的建設(shè)、運(yùn)用和管理等所必需。長(zhǎng)期積累的水位資料是水利水電、橋梁、航道、港口、城市給排水等工程建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本依據(jù)：在水文測(cè)驗(yàn)中，常用連續(xù)觀測(cè)的水位記錄，通過(guò)水位流量關(guān)系推求流量及變化過(guò)程。利用水位還可推求水面比降和江河湖庫(kù)的蓄水量等。在進(jìn)行流量、泥沙、水溫、冰情觀測(cè)的同時(shí)也需要觀測(cè)水位。

水文要素流量

流量是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)河、渠或管道等某一斷面的水流體積，單位為m3/s。流量是天然河流、人工河渠、水庫(kù)、湖泊等徑流過(guò)程的瞬時(shí)特征，是推算河段上下游、湖庫(kù)水體入出水量以及水情變化趨勢(shì)的依據(jù)。流量過(guò)程是區(qū)域(流域)下墊面對(duì)降水調(diào)節(jié)或河段對(duì)上游徑流過(guò)程調(diào)節(jié)后的綜合響應(yīng)結(jié)果。天然河流的流量可直接反映汛情，受工程影響水域的入出流量是推算水體汛情的基礎(chǔ)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，流量是特定斷面徑流計(jì)算的依據(jù)，而區(qū)域徑流是水文循環(huán)的又一核心要素之一，也是區(qū)域自然地理特征的重要表征要素。在進(jìn)行流域水資源評(píng)價(jià)、防洪規(guī)劃、水能資源等規(guī)劃以及航運(yùn)、橋梁等涉水項(xiàng)目建設(shè)都要應(yīng)用流量資料作為依據(jù)。防汛抗旱和水利工程的管理運(yùn)用，要積累江河、湖庫(kù)流量資料，分析徑流與降水等相關(guān)水文要素的相關(guān)關(guān)系和徑流要素時(shí)空變化規(guī)律，來(lái)進(jìn)行水文預(yù)報(bào)和水量計(jì)算，有效增強(qiáng)防汛抗旱的預(yù)見(jiàn)性和水利工程調(diào)度的科學(xué)性。

水文要素水面陸面蒸發(fā)

水面蒸發(fā)量(近似用E601型蒸發(fā)器觀測(cè)值代替)，是表征一個(gè)地區(qū)蒸發(fā)能力的參數(shù)。陸面蒸發(fā)量是指當(dāng)?shù)亟邓恐型ㄟ^(guò)陸面表面土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)以及水體蒸發(fā)而消耗的總水量，這部分水量也是當(dāng)?shù)亟邓纬傻耐寥浪a(bǔ)給通量。

水面蒸發(fā)是水循環(huán)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是水文學(xué)研究中的一個(gè)重要課題。它是水庫(kù)、湖泊等水體水量損失的主要部分，也是研究陸面蒸發(fā)的基本參證資料。在水資源評(píng)價(jià)、水文模型確定、水利水電工程和用水量較大的工礦企業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理中都需要水面蒸發(fā)資料。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，水資源的開(kāi)發(fā)、利用急劇增長(zhǎng)，供需矛盾日益尖銳，這就要求我們更精確地進(jìn)行水資源的評(píng)價(jià)。水面蒸發(fā)觀測(cè)工作，就是為了探索水體的水面蒸發(fā)及蒸發(fā)能力在不同地區(qū)和時(shí)問(wèn)上的變化規(guī)律，以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門的需要，為水資源評(píng)價(jià)和科學(xué)研究提供可靠的依據(jù)。

水文要素土壤墑情

土壤墑情(用土壤含水量表示)與植物生長(zhǎng)狀態(tài)關(guān)系密切，是農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、茶業(yè)、林業(yè)干旱程度的衡量指標(biāo)，是旱情監(jiān)測(cè)與發(fā)布的依據(jù)。同時(shí)土壤墑情與降水、蒸發(fā)、地表徑流和地下水位關(guān)系密切，是推算前期影響土壤蓄水進(jìn)而建立旱情預(yù)報(bào)模型的基礎(chǔ)。

開(kāi)展土壤墑情監(jiān)測(cè)工作，就是為了探索土壤含水量在不同地區(qū)、不同土壤質(zhì)地和時(shí)間上的變化規(guī)律。配合墑情監(jiān)測(cè)輔助觀測(cè)植物生長(zhǎng)狀態(tài)，是掌握特定土體不同植物不同生長(zhǎng)時(shí)期維系植物正常生長(zhǎng)適宜含水量的依據(jù)。為各級(jí)政府和防汛抗旱部門指導(dǎo)農(nóng)業(yè)抗旱及調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

水文要素沙情

表征河流沙情的指標(biāo)是含沙量。江河水流挾帶的泥沙會(huì)造成河床游移變遷和水庫(kù)、湖泊、渠道的淤積，給防洪、灌溉、航運(yùn)等帶來(lái)影響。另一方面，用挾沙的水流淤灌農(nóng)田能改良土壤。因此，進(jìn)行流域規(guī)劃、水庫(kù)閘壩設(shè)計(jì)、防洪、河道治理、灌溉放淤、城市供水和水利工程管理運(yùn)用等工作，都需要掌握泥沙資料。另外，泥沙資料也是計(jì)算水土保持效益及有關(guān)科學(xué)研究的重要依據(jù)。。施測(cè)懸移質(zhì)(包括輸沙率和單位含沙量)的目的是要取得各個(gè)時(shí)期的輸沙量和含沙量及其特征值，為各應(yīng)用部門提供基本資料。

水文要素河流冰情

河水因熱量收支變化而形成的結(jié)冰、封凍、解凍的現(xiàn)象。河道上定量觀測(cè)的冰情要素有河段冰厚、冰流量、水內(nèi)冰、冰壩、冰塞等。

水文要素水質(zhì)

水質(zhì)的監(jiān)測(cè)是環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一。其目的是提供水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，判斷水環(huán)境質(zhì)量；確定水污染物時(shí)空分布，污染物的來(lái)源和污染途徑；提供水環(huán)境污染及危害的信息，確定污染影響范圍，評(píng)價(jià)污染治理效果，為水質(zhì)管理提供科學(xué)依據(jù)。

重現(xiàn)期已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理中，而在水文頻率分析計(jì)算中，重現(xiàn)期的計(jì)算一直以一致性為基礎(chǔ)。近百年來(lái)，氣候變化和人類活動(dòng)已經(jīng)引起全球環(huán)境發(fā)生了十分劇烈的變化，而這種劇烈變化導(dǎo)致的水文情勢(shì)演變顛覆了工程水文頻率分析計(jì)算的一致性前提。Milly等 也在《Science》雜志上指出，在氣候變化和人類活動(dòng)的影響下，基于一致性假設(shè)的水文概率分布估計(jì)理論和方法已經(jīng)無(wú)法幫助人們正確揭示變化環(huán)境下水資源和洪水演變的長(zhǎng)期規(guī)律，若繼續(xù)采用現(xiàn)有的工程水文分析方法制定流域開(kāi)發(fā)利用工程方案、防洪和抗旱工程的運(yùn)行調(diào)度方案等，將面臨由變化環(huán)境帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何建立變化環(huán)境引起的非一致性條件下重現(xiàn)期的計(jì)算方法對(duì)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)和工程風(fēng)險(xiǎn)管理具有十分重要的理論與實(shí)際意義。本文將從重現(xiàn)期的定義出發(fā)，在總結(jié)一致性條件下重現(xiàn)期計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出非一致性條件下的重現(xiàn)期計(jì)算公式，并指出非一致性條件下重現(xiàn)期計(jì)算面臨的主要問(wèn)題。

水文要素重現(xiàn)期的定義

重現(xiàn)期通常有兩種定義。第一種定義為：隨機(jī)試驗(yàn)中，發(fā)生在第一次遇到某一關(guān)注事件（D≥D₀，D₀為一個(gè)臨界值或設(shè)計(jì)值）之前平均隨機(jī)試驗(yàn)次數(shù)；例如，若D₀為某一設(shè)計(jì)洪峰值，若在某工程運(yùn)行之前已發(fā)生過(guò)大于D₀洪水事件，且距運(yùn)行時(shí)刻為有限的τ（τ=0,1，…）個(gè)時(shí)段，那么工程開(kāi)始運(yùn)行后，第一次將會(huì)遇到大于這一設(shè)計(jì)洪峰所需要的平均時(shí)段數(shù)N（即為重現(xiàn)期）。第二種定義為：某一關(guān)注事件（D≥D₀）相繼發(fā)生之間的平均時(shí)段數(shù)W。以上兩種定義可用圖1進(jìn)一步說(shuō)明。第二種定義中關(guān)注的是隨機(jī)事件（D≥D₀）的平均重現(xiàn)間隔時(shí)間，即該事件平均間隔多少時(shí)間出現(xiàn)一次，也是通常所說(shuō)的多少時(shí)間遇到一次，而第一種定義中強(qiáng)調(diào)工程第一次遭遇該隨機(jī)事件（D≥D₀）需要的時(shí)段數(shù)。若在工程剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)刻發(fā)生了隨機(jī)事件（D≥D₀）即τ=0（見(jiàn)圖1），此時(shí)隨機(jī)變量N與隨機(jī)變量W取值相同，則第一種定義與第二種定義所表達(dá)的重現(xiàn)期大小相同。由于水文頻率分析計(jì)算中，采樣方法通常采用某一個(gè)時(shí)段內(nèi)最大值，樣本獨(dú)立性較容易滿足，故本文主要研究在一致性與非一致性條件下的重現(xiàn)期計(jì)算問(wèn)題。

水文要素一致性條件下重現(xiàn)期的計(jì)算方法

根據(jù)重現(xiàn)期的第一種定義，其重現(xiàn)期的計(jì)算可采用以下公式：

水文要素研究結(jié)論

由于氣候變化和人類活動(dòng)影響的加強(qiáng)，傳統(tǒng)水文頻率分析計(jì)算中的一致性遭到破壞，使得以一致性為基礎(chǔ)的重現(xiàn)期計(jì)算公式不再適用，而非一致性的水文頻率分析計(jì)算中對(duì)重現(xiàn)期的計(jì)算還未引起足夠的重視。本文在介紹了重現(xiàn)期兩種不同定義的前提下，總結(jié)和推導(dǎo)了一致性和非一致性條件下重現(xiàn)期的計(jì)算方法，并以廣東省龍川站1956~2009年的年最大洪峰系列資料為例，對(duì)比分析了各個(gè)不同條件下的重現(xiàn)期計(jì)算問(wèn)題。

（1）由于龍川站年最大洪峰系列樣本存在顯著性的下降趨勢(shì)，若假定序列仍滿足一致性，計(jì)算所得到不同定義下的重現(xiàn)期均大于考慮了下降趨勢(shì)性的非一致性條件下重現(xiàn)期。

（2）重現(xiàn)期存在兩種不同的定義，第一種定義下的重現(xiàn)期由于是考慮了已經(jīng)過(guò)去τ時(shí)段內(nèi)尚未發(fā)生某一特定的隨機(jī)事件，所以計(jì)算剩下時(shí)段內(nèi)發(fā)生該事件的可能性增加，重現(xiàn)期則減??；而由于實(shí)例中所采用的龍川站洪峰系列具有下降趨勢(shì)，非一致性條件下重現(xiàn)期遠(yuǎn)大于一致性條件下的重現(xiàn)期。

（3）盡管基于時(shí)變矩的水文頻率分析法考慮了洪峰系列的非一致性，且以時(shí)間為變量，但由于洪峰系列不可能無(wú)窮的保持某一固定下降趨勢(shì)，所以不能求算以后相當(dāng)時(shí)段內(nèi)洪峰事件發(fā)生的頻率，所以非一致性重現(xiàn)期計(jì)算公式中i的取值不能趨近于無(wú)窮大。這也是基于時(shí)變矩的非一致性水文頻率分析法中面臨的主要問(wèn)題，即用時(shí)間作為變量去擬合均值和方差變化趨勢(shì)時(shí)，將時(shí)間變量在外延時(shí)將會(huì)發(fā)生與實(shí)際不符合的情況如，下降趨勢(shì)可導(dǎo)致參數(shù)為負(fù)值，而上升趨勢(shì)則可使得參數(shù)趨于無(wú)窮，因此，用此法計(jì)算非一致性條件下重現(xiàn)期時(shí)，計(jì)算結(jié)果會(huì)有所偏差，還需研究出更合理的非一致性水文頻率分析計(jì)算方法，這也是水文頻率分析與計(jì)算領(lǐng)域中面臨的主要挑戰(zhàn)。 2100433B

水文要素包括各種水文變量的水文現(xiàn)象。降水、蒸發(fā)和徑流是水文循環(huán)的基本要素。同時(shí)，水位、流速、流量、水溫、含沙量、冰凌和水質(zhì)等也列為水文要素。

水資源數(shù)量評(píng)價(jià)主要包括降水、蒸發(fā)、徑流等水文循環(huán)基本要素，地表水資源量、地下水資源量、水資源總量、水資源可利用量等評(píng)價(jià)成果及其動(dòng)態(tài)演變規(guī)律與區(qū)域分布規(guī)律。

水文手冊(cè)中各種水文要素(如降水、蒸發(fā)、暴雨、洪水、泥沙、水質(zhì)、水溫和冰情等)的統(tǒng)汁值．以及有關(guān)的計(jì)算方法和計(jì)算參數(shù)，有3種表達(dá)形式：①等值線圖。對(duì)于受氣候、地理因素控制的水文要素的統(tǒng)計(jì)值。如年降水量、年徑流量、水而蒸發(fā)和陸面蒸發(fā)、各種時(shí)段的暴雨量等多年平均值和變差系數(shù)(Cv)以及一些計(jì)算參數(shù)，多以勾繪等值線圖的方式描述它們的地區(qū)變化規(guī)律(參見(jiàn)水文統(tǒng)計(jì)參數(shù)地區(qū)分布)。②分區(qū)圖表。對(duì)于地質(zhì)地貌有關(guān)的水文要素，如地表的侵蝕模數(shù)、暴雨徑流關(guān)系、水質(zhì)分布和離子含量等特征值，多采用分區(qū)的方式描述它們的地區(qū)變化特性。還有一些成果，如降水、徑流的年內(nèi)分配等，無(wú)法用等值線的方式來(lái)表達(dá)，也都用分區(qū)圖表提供成果。③公式與圖表相結(jié)合。有些成果(如暴雨強(qiáng)度歷時(shí)關(guān)系、洪峰流量、冰流量等)常列出它們的計(jì)算公式。公式中所需的計(jì)算參數(shù)，如暴雨參數(shù)、土壤入滲能力、河道與坡面的糙率、輻射因子等，多通過(guò)實(shí)測(cè)或試驗(yàn)資料的分析和歸納，以表格或相關(guān)圖的方式給出。使用時(shí)根據(jù)工程所在地點(diǎn)的土壤、植被和水流等特征，由表中查出參數(shù)代入公式，即可算出所需的水文特征值。手冊(cè)還附有簡(jiǎn)要的編制和使用說(shuō)明、計(jì)算實(shí)例和注意事項(xiàng)等，指導(dǎo)用戶正確使用。

如降雨、流量等在量的出現(xiàn)方面都有隨機(jī)性的特點(diǎn)，水文變量如年雨量、年最大洪峰流量、枯季最小流量等都屬于隨機(jī)事件，均可用頻率分析方法來(lái)分析計(jì)算。水文頻率分析主要包括：利用現(xiàn)有水文資料組成樣本系列，選擇合適的頻率曲線線型和估計(jì)它的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，根據(jù)所繪制的頻率曲線推求相應(yīng)于各種頻率（或重現(xiàn)期）的水文設(shè)計(jì)值。