[科普中国]-水文要素

水文要素是构成某一地点或区域在某一时间的水文情势的主要因素，是描述水文情势的主要物理量，是用来描述水流运动的计量手段，也是反映河流水文情势变化的主要尺度。水文要素可以通过水文测验、观测和计算等取得数据。

总概水文要素包括各种水文变量的水文现象。降水、蒸发和径流是水文循环的基本要素。同时，水位、流速、流量、水温、含沙量、冰凌和水质等也列为水文要素。1

要素内容降水地面从大气中获得的水汽凝结物，总称为降水。它包括两部分：一部分是大气中水汽直接在地面或地物表面及低空的凝结物，如霜、露、雾和雾凇，又称为水平降水；另一部分是由空中降落到地面上的水汽凝结物，如雨、雪、霰雹和雨淞等，又称为垂直降水：我国国家气象局地面观测规范规定，降水量指的是垂直降水。

降水是水文循环的基本要素之一，也是区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来源，与人类的生活、生产方式关系密切，又与区域自然生态紧密关联。降水是区域洪涝灾害的直接因素，是水文预报的重要依据。在人类活动的许多方面需要掌握降水资料，研究降水空间与时间变化规律。如农业生产、防汛抗旱等都要及时了解降水情况，并通过降水资料分析旱涝规律情势；在水文预报方案编制和水文分析研究中也需要降水资料。

水位水位是指水体的自由水面高出基面以上的高程。表达水位所用的基面通常有两种：一种是绝对基面，另一种是测站基面(假设基面)。我国采用的绝对基面大都为黄海基面，即以黄海口某一海滨地点的特征海平面为零点；为保持资料的连续性，设站时间较久远的站点，仍沿用吴淞基面。为使各站的水位便于比较，在“水文年鉴”中均注明了黄海与吴淞基面的换算关系。如长沙水位站，所使用的基面为吴淞基面，将其换算为黄海基面起算水位，则黄海基面以上水位=现观测水位(吴淞基面)-2.280m。

测站基面，是水文测站专用的一种固定基面，一般以略低于历年最低水位或河床最低点作为零点来计算水位高程。为便于比较各站水位，在刊布水文资料时，均注明了该基面与绝对基面的关系。

水位可直接用于水文情报预报，为防汛抗旱、灌溉、排涝、航运及水利工程的建设、运用和管理等所必需。长期积累的水位资料是水利水电、桥梁、航道、港口、城市给排水等工程建设规划设计的基本依据：在水文测验中，常用连续观测的水位记录，通过水位流量关系推求流量及变化过程。利用水位还可推求水面比降和江河湖库的蓄水量等。在进行流量、泥沙、水温、冰情观测的同时也需要观测水位。

流量流量是单位时间内通过河、渠或管道等某一断面的水流体积，单位为m/s。流量是天然河流、人工河渠、水库、湖泊等径流过程的瞬时特征，是推算河段上下游、湖库水体入出水量以及水情变化趋势的依据。流量过程是区域(流域)下垫面对降水调节或河段对上游径流过程调节后的综合响应结果。天然河流的流量可直接反映汛情，受工程影响水域的入出流量是推算水体汛情的基础。简单地说，流量是特定断面径流计算的依据，而区域径流是水文循环的又一核心要素之一，也是区域自然地理特征的重要表征要素。在进行流域水资源评价、防洪规划、水能资源等规划以及航运、桥梁等涉水项目建设都要应用流量资料作为依据。防汛抗旱和水利工程的管理运用，要积累江河、湖库流量资料，分析径流与降水等相关水文要素的相关关系和径流要素时空变化规律，来进行水文预报和水量计算，有效增强防汛抗旱的预见性和水利工程调度的科学性。

水面陆面蒸发水面蒸发量(近似用E601型蒸发器观测值代替)，是表征一个地区蒸发能力的参数。陆面蒸发量是指当地降水量中通过陆面表面土壤蒸发和植物散发以及水体蒸发而消耗的总水量，这部分水量也是当地降水形成的土壤水补给通量。

水面蒸发是水循环过程中的一个重要环节，是水文学研究中的一个重要课题。它是水库、湖泊等水体水量损失的主要部分，也是研究陆面蒸发的基本参证资料。在水资源评价、水文模型确定、水利水电工程和用水量较大的工矿企业规划设计和管理中都需要水面蒸发资料。随着国民经济的不断发展，水资源的开发、利用急剧增长，供需矛盾日益尖锐，这就要求我们更精确地进行水资源的评价。水面蒸发观测工作，就是为了探索水体的水面蒸发及蒸发能力在不同地区和时问上的变化规律，以满足国民经济各部门的需要，为水资源评价和科学研究提供可靠的依据。

土壤墒情土壤墒情(用土壤含水量表示)与植物生长状态关系密切，是农业、牧业、茶业、林业干旱程度的衡量指标，是旱情监测与发布的依据。同时土壤墒情与降水、蒸发、地表径流和地下水位关系密切，是推算前期影响土壤蓄水进而建立旱情预报模型的基础。

开展土壤墒情监测工作，就是为了探索土壤含水量在不同地区、不同土壤质地和时间上的变化规律。配合墒情监测辅助观测植物生长状态，是掌握特定土体不同植物不同生长时期维系植物正常生长适宜含水量的依据。为各级政府和防汛抗旱部门指导农业抗旱及调整农业种植结构提供依据。

沙情表征河流沙情的指标是含沙量。江河水流挟带的泥沙会造成河床游移变迁和水库、湖泊、渠道的淤积，给防洪、灌溉、航运等带来影响。另一方面，用挟沙的水流淤灌农田能改良土壤。因此，进行流域规划、水库闸坝设计、防洪、河道治理、灌溉放淤、城市供水和水利工程管理运用等工作，都需要掌握泥沙资料。另外，泥沙资料也是计算水土保持效益及有关科学研究的重要依据。。施测悬移质(包括输沙率和单位含沙量)的目的是要取得各个时期的输沙量和含沙量及其特征值，为各应用部门提供基本资料。

河流冰情河水因热量收支变化而形成的结冰、封冻、解冻的现象。河道上定量观测的冰情要素有河段冰厚、冰流量、水内冰、冰坝、冰塞等。

水质水质的监测是环境监测的重要内容之一。其目的是提供水环境质量现状数据，判断水环境质量；确定水污染物时空分布，污染物的来源和污染途径；提供水环境污染及危害的信息，确定污染影响范围，评价污染治理效果，为水质管理提供科学依据。2

水资源水资源数量评价主要包括降水、蒸发、径流等水文循环基本要素，地表水资源量、地下水资源量、水资源总量、水资源可利用量等评价成果及其动态演变规律与区域分布规律。

不同条件下水文要素重现期的计算方法重现期已经被广泛应用于工程规划、设计、运行和管理中，而在水文频率分析计算中，重现期的计算一直以一致性为基础。近百年来，气候变化和人类活动已经引起全球环境发生了十分剧烈的变化，而这种剧烈变化导致的水文情势演变颠覆了工程水文频率分析计算的一致性前提。Milly等3也在《Science》杂志上指出，在气候变化和人类活动的影响下，基于一致性假设的水文概率分布估计理论和方法已经无法帮助人们正确揭示变化环境下水资源和洪水演变的长期规律，若继续采用现有的工程水文分析方法制定流域开发利用工程方案、防洪和抗旱工程的运行调度方案等，将面临由变化环境带来的风险。因此，如何建立变化环境引起的非一致性条件下重现期的计算方法对评估风险和工程风险管理具有十分重要的理论与实际意义。本文将从重现期的定义出发，在总结一致性条件下重现期计算方法的基础上，推导出非一致性条件下的重现期计算公式，并指出非一致性条件下重现期计算面临的主要问题。4

重现期的定义重现期通常有两种定义。第一种定义为：随机试验中，发生在第一次遇到某一关注事件（D≥D0，D0为一个临界值或设计值）之前平均随机试验次数；例如，若D0为某一设计洪峰值，若在某工程运行之前已发生过大于D0洪水事件，且距运行时刻为有限的τ（τ=0,1，…）个时段，那么工程开始运行后，第一次将会遇到大于这一设计洪峰所需要的平均时段数N（即为重现期）。第二种定义为：某一关注事件（D≥D0）相继发生之间的平均时段数W。以上两种定义可用图1进一步说明。第二种定义中关注的是随机事件（D≥D0）的平均重现间隔时间，即该事件平均间隔多少时间出现一次，也是通常所说的多少时间遇到一次，而第一种定义中强调工程第一次遭遇该随机事件（D≥D0）需要的时段数。若在工程刚开始运行时刻发生了随机事件（D≥D0）即τ=0（见图1），此时随机变量N与随机变量W取值相同，则第一种定义与第二种定义所表达的重现期大小相同。由于水文频率分析计算中，采样方法通常采用某一个时段内最大值，样本独立性较容易满足，故本文主要研究在一致性与非一致性条件下的重现期计算问题。

一致性条件下重现期的计算方法根据重现期的第一种定义，其重现期的计算可采用以下公式：

其中，P（T=n|n>τ）=P（（D1≤D0，D2≤D0，…，Dn-1≤D0，Dn>D0）|n>τ），在水文频率分析计算中，水文系列满足独立性（independent）要求。

研究结论由于气候变化和人类活动影响的加强，传统水文频率分析计算中的一致性遭到破坏，使得以一致性为基础的重现期计算公式不再适用，而非一致性的水文频率分析计算中对重现期的计算还未引起足够的重视。本文在介绍了重现期两种不同定义的前提下，总结和推导了一致性和非一致性条件下重现期的计算方法，并以广东省龙川站1956~2009年的年最大洪峰系列资料为例，对比分析了各个不同条件下的重现期计算问题。

（1）由于龙川站年最大洪峰系列样本存在显著性的下降趋势，若假定序列仍满足一致性，计算所得到不同定义下的重现期均大于考虑了下降趋势性的非一致性条件下重现期。

（2）重现期存在两种不同的定义，第一种定义下的重现期由于是考虑了已经过去τ时段内尚未发生某一特定的随机事件，所以计算剩下时段内发生该事件的可能性增加，重现期则减小；而由于实例中所采用的龙川站洪峰系列具有下降趋势，非一致性条件下重现期远大于一致性条件下的重现期。

（3）尽管基于时变矩的水文频率分析法考虑了洪峰系列的非一致性，且以时间为变量，但由于洪峰系列不可能无穷的保持某一固定下降趋势，所以不能求算以后相当时段内洪峰事件发生的频率，所以非一致性重现期计算公式中i的取值不能趋近于无穷大。这也是基于时变矩的非一致性水文频率分析法中面临的主要问题，即用时间作为变量去拟合均值和方差变化趋势时，将时间变量在外延时将会发生与实际不符合的情况如，下降趋势可导致参数为负值，而上升趋势则可使得参数趋于无穷，因此，用此法计算非一致性条件下重现期时，计算结果会有所偏差，还需研究出更合理的非一致性水文频率分析计算方法，这也是水文频率分析与计算领域中面临的主要挑战。5

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学