水文要素

水文要素包括各種水文變量的水文現象。降水、蒸發和徑流是水文循環的基本要素。同時，水位、流速、流量、水温、含沙量、冰凌和水質等也列為水文要素。 ^[1] 

地面從大氣中獲得的水汽凝結物，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範規定，降水量指的是垂直降水。

降水是水文循環的基本要素之一，也是區域自然地理特徵的重要表徵要素，是雨情的表徵。它是地表水和地下水的來源，與人類的生活、生產方式關係密切，又與區域自然生態緊密關聯。降水是區域洪澇災害的直接因素，是水文預報的重要依據。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律。如農業生產、防汛抗旱等都要及時瞭解降水情況，並通過降水資料分析旱澇規律情勢；在水文預報方案編制和水文分析研究中也需要降水資料。

水位是指水體的自由水面高出基面以上的高程。表達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(假設基面)。我國採用的絕對基面大都為黃海基面，即以黃海口某一海濱地點的特徵海平面為零點；為保持資料的連續性，設站時間較久遠的站點，仍沿用吳淞基面。為使各站的水位便於比較，在“水文年鑑”中均註明了黃海與吳淞基面的換算關係。如長沙水位站，所使用的基面為吳淞基面，將其換算為黃海基面起算水位，則黃海基面以上水位=現觀測水位(吳淞基面)-2.280m。

測站基面，是水文測站專用的一種固定基面，一般以略低於歷年最低水位或河牀最低點作為零點來計算水位高程。為便於比較各站水位，在刊佈水文資料時，均註明了該基面與絕對基面的關係。

水位可直接用於水文情報預報，為防汛抗旱、灌溉、排澇、航運及水利工程的建設、運用和管理等所必需。長期積累的水位資料是水利水電、橋樑、航道、港口、城市給排水等工程建設規劃設計的基本依據：在水文測驗中，常用連續觀測的水位記錄，通過水位流量關係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。在進行流量、泥沙、水温、冰情觀測的同時也需要觀測水位。

流量是單位時間內通過河、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徵，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。流量過程是區域(流域)下墊面對降水調節或河段對上游徑流過程調節後的綜合響應結果。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。簡單地説，流量是特定斷面徑流計算的依據，而區域徑流是水文循環的又一核心要素之一，也是區域自然地理特徵的重要表徵要素。在進行流域水資源評價、防洪規劃、水能資源等規劃以及航運、橋樑等涉水項目建設都要應用流量資料作為依據。防汛抗旱和水利工程的管理運用，要積累江河、湖庫流量資料，分析徑流與降水等相關水文要素的相關關係和徑流要素時空變化規律，來進行水文預報和水量計算，有效增強防汛抗旱的預見性和水利工程調度的科學性。

水面蒸發量(近似用E601型蒸發器觀測值代替)，是表徵一個地區蒸發能力的參數。陸面蒸發量是指當地降水量中通過陸面表面土壤蒸發和植物散發以及水體蒸發而消耗的總水量，這部分水量也是當地降水形成的土壤水補給通量。

水面蒸發是水循環過程中的一個重要環節，是水文學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規劃設計和管理中都需要水面蒸發資料。隨着國民經濟的不斷髮展，水資源的開發、利用急劇增長，供需矛盾日益尖鋭，這就要求我們更精確地進行水資源的評價。水面蒸發觀測工作，就是為了探索水體的水面蒸發及蒸發能力在不同地區和時問上的變化規律，以滿足國民經濟各部門的需要，為水資源評價和科學研究提供可靠的依據。

土壤墒情(用土壤含水量表示)與植物生長狀態關係密切，是農業、牧業、茶業、林業乾旱程度的衡量指標，是旱情監測與發佈的依據。同時土壤墒情與降水、蒸發、地表徑流和地下水位關係密切，是推算前期影響土壤蓄水進而建立旱情預報模型的基礎。

開展土壤墒情監測工作，就是為了探索土壤含水量在不同地區、不同土壤質地和時間上的變化規律。配合墒情監測輔助觀測植物生長狀態，是掌握特定土體不同植物不同生長時期維繫植物正常生長適宜含水量的依據。為各級政府和防汛抗旱部門指導農業抗旱及調整農業種植結構提供依據。

表徵河流沙情的指標是含沙量。江河水流挾帶的泥沙會造成河牀遊移變遷和水庫、湖泊、渠道的淤積，給防洪、灌溉、航運等帶來影響。另一方面，用挾沙的水流淤灌農田能改良土壤。因此，進行流域規劃、水庫閘壩設計、防洪、河道治理、灌溉放淤、城市供水和水利工程管理運用等工作，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科學研究的重要依據。。施測懸移質(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徵值，為各應用部門提供基本資料。

河水因熱量收支變化而形成的結冰、封凍、解凍的現象。河道上定量觀測的冰情要素有河段冰厚、冰流量、水內冰、冰壩、冰塞等。

水質的監測是環境監測的重要內容之一。其目的是提供水環境質量現狀數據，判斷水環境質量；確定水污染物時空分佈，污染物的來源和污染途徑；提供水環境污染及危害的信息，確定污染影響範圍，評價污染治理效果，為水質管理提供科學依據。 ^[2] 

水資源數量評價主要包括降水、蒸發、徑流等水文循環基本要素，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演變規律與區域分佈規律。

重現期已經被廣泛應用於工程規劃、設計、運行和管理中，而在水文頻率分析計算中，重現期的計算一直以一致性為基礎。近百年來，氣候變化和人類活動已經引起全球環境發生了十分劇烈的變化，而這種劇烈變化導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 ^[3]  也在《Science》雜誌上指出，在氣候變化和人類活動的影響下，基於一致性假設的水文概率分佈估計理論和方法已經無法幫助人們正確揭示變化環境下水資源和洪水演變的長期規律，若繼續採用現有的工程水文分析方法制定流域開發利用工程方案、防洪和抗旱工程的運行調度方案等，將面臨由變化環境帶來的風險。因此，如何建立變化環境引起的非一致性條件下重現期的計算方法對評估風險和工程風險管理具有十分重要的理論與實際意義。本文將從重現期的定義出發，在總結一致性條件下重現期計算方法的基礎上，推導出非一致性條件下的重現期計算公式，並指出非一致性條件下重現期計算面臨的主要問題。 ^[4] 

重現期通常有兩種定義。第一種定義為：隨機試驗中，發生在第一次遇到某一關注事件（D≥D₀，D₀為一個臨界值或設計值）之前平均隨機試驗次數；例如，若D₀為某一設計洪峯值，若在某工程運行之前已發生過大於D₀洪水事件，且距運行時刻為有限的τ（τ=0,1，…）個時段，那麼工程開始運行後，第一次將會遇到大於這一設計洪峯所需要的平均時段數N（即為重現期）。第二種定義為：某一關注事件（D≥D₀）相繼發生之間的平均時段數W。以上兩種定義可用圖1進一步説明。第二種定義中關注的是隨機事件（D≥D₀）的平均重現間隔時間，即該事件平均間隔多少時間出現一次，也是通常所説的多少時間遇到一次，而第一種定義中強調工程第一次遭遇該隨機事件（D≥D₀）需要的時段數。若在工程剛開始運行時刻發生了隨機事件（D≥D₀）即τ=0（見圖1），此時隨機變量N與隨機變量W取值相同，則第一種定義與第二種定義所表達的重現期大小相同。由於水文頻率分析計算中，採樣方法通常採用某一個時段內最大值，樣本獨立性較容易滿足，故本文主要研究在一致性與非一致性條件下的重現期計算問題。

根據重現期的第一種定義，其重現期的計算可採用以下公式：

其中，P（T=n|n>τ）=P（（D₁≤D₀，D₂≤D₀，…，D_n-1≤D₀，D_n>D₀）|n>τ），在水文頻率分析計算中，水文系列滿足獨立性（independent）要求。

由於氣候變化和人類活動影響的加強，傳統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的重現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期的計算還未引起足夠的重視。本文在介紹了重現期兩種不同定義的前提下，總結和推導了一致性和非一致性條件下重現期的計算方法，並以廣東省龍川站1956~2009年的年最大洪峯系列資料為例，對比分析了各個不同條件下的重現期計算問題。

（1）由於龍川站年最大洪峯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期均大於考慮了下降趨勢性的非一致性條件下重現期。

（2）重現期存在兩種不同的定義，第一種定義下的重現期由於是考慮了已經過去τ時段內尚未發生某一特定的隨機事件，所以計算剩下時段內發生該事件的可能性增加，重現期則減小；而由於實例中所採用的龍川站洪峯系列具有下降趨勢，非一致性條件下重現期遠大於一致性條件下的重現期。

（3）儘管基於時變矩的水文頻率分析法考慮了洪峯系列的非一致性，且以時間為變量，但由於洪峯系列不可能無窮的保持某一固定下降趨勢，所以不能求算以後相當時段內洪峯事件發生的頻率，所以非一致性重現期計算公式中i的取值不能趨近於無窮大。這也是基於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生與實際不符合的情況如，下降趨勢可導致參數為負值，而上升趨勢則可使得參數趨於無窮，因此，用此法計算非一致性條件下重現期時，計算結果會有所偏差，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域中面臨的主要挑戰。 ^[5]