水文要素要素內(nèi)容

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：我國國家氣象局地面觀測規(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)報的重要依據(jù)。在人類活動的許多方面需要掌握降水資料，研究降水空間與時間變化規(guī)律。如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防汛抗旱等都要及時了解降水情況，并通過降水資料分析旱澇規(guī)律情勢；在水文預(yù)報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：一種是絕對基面，另一種是測站基面(假設(shè)基面)。我國采用的絕對基面大都為黃?；妫匆渣S?？谀骋缓I地點的特征海平面為零點；為保持資料的連續(xù)性，設(shè)站時間較久遠(yuǎn)的站點，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)觀測水位(吳淞基面)-2.280m。

測站基面，是水文測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作為零點來計算水位高程。為便于比較各站水位，在刊布水文資料時，均注明了該基面與絕對基面的關(guān)系。

水位可直接用于水文情報預(yù)報，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)計的基本依據(jù)：在水文測驗中，常用連續(xù)觀測的水位記錄，通過水位流量關(guān)系推求流量及變化過程。利用水位還可推求水面比降和江河湖庫的蓄水量等。在進(jìn)行流量、泥沙、水溫、冰情觀測的同時也需要觀測水位。

水文要素流量

流量是單位時間內(nèi)通過河、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、湖泊等徑流過程的瞬時特征，是推算河段上下游、湖庫水體入出水量以及水情變化趨勢的依據(jù)。流量過程是區(qū)域(流域)下墊面對降水調(diào)節(jié)或河段對上游徑流過程調(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)。簡單地說，流量是特定斷面徑流計算的依據(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)行流域水資源評價、防洪規(guī)劃、水能資源等規(guī)劃以及航運(yùn)、橋梁等涉水項目建設(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)系和徑流要素時空變化規(guī)律，來進(jìn)行水文預(yù)報和水量計算，有效增強(qiáng)防汛抗旱的預(yù)見性和水利工程調(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)器觀測值代替)，是表征一個地區(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^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)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，是水文學(xué)研究中的一個重要課題。它是水庫、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。在水資源評價、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)計和管理中都需要水面蒸發(fā)資料。隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，水資源的開發(fā)、利用急劇增長，供需矛盾日益尖銳，這就要求我們更精確地進(jìn)行水資源的評價。水面蒸發(fā)觀測工作，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)和時問上的變化規(guī)律，以滿足國民經(jīng)濟(jì)各部門的需要，為水資源評價和科學(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)測與發(fā)布的依據(jù)。同時土壤墑情與降水、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)報模型的基礎(chǔ)。

開展土壤墑情監(jiān)測工作，就是為了探索土壤含水量在不同地區(qū)、不同土壤質(zhì)地和時間上的變化規(guī)律。配合墑情監(jiān)測輔助觀測植物生長狀態(tài)，是掌握特定土體不同植物不同生長時期維系植物正常生長適宜含水量的依據(jù)。為各級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造成河床游移變遷和水庫、湖泊、渠道的淤積，給防洪、灌溉、航運(yùn)等帶來影響。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、水庫閘壩設(shè)計、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，泥沙資料也是計算水土保持效益及有關(guān)科學(xué)研究的重要依據(jù)。。施測懸移質(zhì)(包括輸沙率和單位含沙量)的目的是要取得各個時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)測是環(huán)境監(jiān)測的重要內(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；確定水污染物時空分布，污染物的來源和污染途徑；提供水環(huán)境污染及危害的信息，確定污染影響范圍，評價污染治理效果，為水質(zhì)管理提供科學(xué)依據(jù)。

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，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)量評價主要包括降水、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價成果及其動態(tài)演變規(guī)律與區(qū)域分布規(guī)律。

重現(xiàn)期已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程規(guī)劃、設(shè)計、運(yùn)行和管理中，而在水文頻率分析計算中，重現(xiàn)期的計算一直以一致性為基礎(chǔ)。近百年來，氣候變化和人類活動已經(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)致的水文情勢演變顛覆了工程水文頻率分析計算的一致性前提。Milly等 也在《Science》雜志上指出，在氣候變化和人類活動的影響下，基于一致性假設(shè)的水文概率分布估計理論和方法已經(jīng)無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)境帶來的風(fēng)險。因此，如何建立變化環(huán)境引起的非一致性條件下重現(xiàn)期的計算方法對評估風(fēng)險和工程風(fēng)險管理具有十分重要的理論與實際意義。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)期計算公式，并指出非一致性條件下重現(xiàn)期計算面臨的主要問題。

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)試驗中，發(fā)生在第一次遇到某一關(guān)注事件（D≥D₀，D₀為一個臨界值或設(shè)計值）之前平均隨機(jī)試驗次數(shù)；例如，若D₀為某一設(shè)計洪峰值，若在某工程運(yùn)行之前已發(fā)生過大于D₀洪水事件，且距運(yùn)行時刻為有限的τ（τ=0,1，…）個時段，那么工程開始運(yùn)行后，第一次將會遇到大于這一設(shè)計洪峰所需要的平均時段數(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)生之間的平均時段數(shù)W。以上兩種定義可用圖1進(jìn)一步說明。第二種定義中關(guān)注的是隨機(jī)事件（D≥D₀）的平均重現(xiàn)間隔時間，即該事件平均間隔多少時間出現(xiàn)一次，也是通常所說的多少時間遇到一次，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）需要的時段數(shù)。若在工程剛開始運(yùn)行時刻發(fā)生了隨機(jī)事件（D≥D₀）即τ=0（見圖1），此時隨機(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算中，采樣方法通常采用某一個時段內(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)期計算問題。

水文要素一致性條件下重現(xiàn)期的計算方法

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

水文要素研究結(jié)論

由于氣候變化和人類活動影響的加強(qiáng)，傳統(tǒng)水文頻率分析計算中的一致性遭到破壞，使得以一致性為基礎(chǔ)的重現(xiàn)期計算公式不再適用，而非一致性的水文頻率分析計算中對重現(xiàn)期的計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，對比分析了各個不同條件下的重現(xiàn)期計算問題。

（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，若假定序列仍滿足一致性，計算所得到不同定義下的重現(xiàn)期均大于考慮了下降趨勢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)過去τ時段內(nèi)尚未發(fā)生某一特定的隨機(jī)事件，所以計算剩下時段內(nèi)發(fā)生該事件的可能性增加，重現(xiàn)期則減小；而由于實例中所采用的龍川站洪峰系列具有下降趨勢，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，且以時間為變量，但由于洪峰系列不可能無窮的保持某一固定下降趨勢，所以不能求算以后相當(dāng)時段內(nèi)洪峰事件發(fā)生的頻率，所以非一致性重現(xiàn)期計算公式中i的取值不能趨近于無窮大。這也是基于時變矩的非一致性水文頻率分析法中面臨的主要問題，即用時間作為變量去擬合均值和方差變化趨勢時，將時間變量在外延時將會發(fā)生與實際不符合的情況如，下降趨勢可導(dǎo)致參數(shù)為負(fù)值，而上升趨勢則可使得參數(shù)趨于無窮，因此，用此法計算非一致性條件下重現(xiàn)期時，計算結(jié)果會有所偏差，還需研究出更合理的非一致性水文頻率分析計算方法，這也是水文頻率分析與計算領(lǐng)域中面臨的主要挑戰(zhàn)。 2100433B

水文手冊中各種水文要素(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)的計算方法和計算參數(shù)，有3種表達(dá)形式：①等值線圖。對于受氣候、地理因素控制的水文要素的統(tǒng)計值。如年降水量、年徑流量、水而蒸發(fā)和陸面蒸發(fā)、各種時段的暴雨量等多年平均值和變差系數(shù)(Cv)以及一些計算參數(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(參見水文統(tǒng)計參數(shù)地區(qū)分布)。②分區(qū)圖表。對于地質(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，無法用等值線的方式來表達(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)度歷時關(guān)系、洪峰流量、冰流量等)常列出它們的計算公式。公式中所需的計算參數(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，多通過實測或試驗資料的分析和歸納，以表格或相關(guān)圖的方式給出。使用時根據(jù)工程所在地點的土壤、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。手冊還附有簡要的編制和使用說明、計算實例和注意事項等，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，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分析計算。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它的統(tǒng)計參數(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)計值。