第三节 水文现象的基本特点与研究方法

一、水文现象的基本特点

水文现象受气候和自然地理因素的综合影响，而这些因素的不同组合和变化就决定了水文现象的基本特点。

1.时程上的周期性与随机性

（1）周期性。所谓周期性是指水文现象的变化过程大致以某一时段为循环周期。例如河流的水量，在一年中有丰水期和枯水期，尽管各年的总水量有大有小，但各年水量的变化是丰枯交替的，每年是相似的，一般河流均有以年为时段的周期性。河流水量的年周期变化规律，在水文分析计算和水利计算中有广泛的应用，例如一般以年为时段研究各种水文特征值（年降雨量、年径流量、年最大洪峰流量等）的变化规律。水文现象的周期性还表现出日周期、月周期和多年周期性。例如，由冰雪补给水源的河流则具有以日为周期的流量变化规律，这是因为受气温的日变化的影响；海洋的潮汐也存在日变化和月变化；另外，有些水文现象还具有多年变化的周期，不过它不像年变化周期那样明显。产生这些周期现象的根本原因是地球公转、自转和月球绕地球运动以及太阳黑子活动周期性变化。

水文现象的周期性，不像数学上的周期函数那样严格，各周期的变化过程和相应数值不完全重复地出现，这种周期性只是表现在不同周期内，其数量在时程上的变化趋势大致相似。水文现象的这种周期性通常认为是确定性。

另外，水文现象还表现出另一种确定性。例如，在流域上降落一场暴雨，相应地就会出现一次洪水。如果暴雨强度大、历时长、笼罩面积广，产生的洪水就大；反之，则小。显然，暴雨与洪水之间存在着因果关系。由此说明水文现象都具有客观发生的原因和具体的形成条件，从而存在确定性的规律，也称为成因规律。

（2）随机性。影响水文现象的因素错综复杂，其周期性规律常常不能完全用严密的数理方程表达出来，各周期相应时程上的数值及各水文特征值的出现具有偶发性，于是，在一定程度上又表现出随机性，也称偶然性。例如一条河流在不同年份的流量过程，虽然都有相似的丰枯交替变化现象，但不会完全相同。河流每年都有一个最大流量，其数值及出现时间各年不同。造成水文现象这种随机性的根本原因就是影响因素太多，尤其是气候因素是多变的。对于具有随机性特点的各种水文特征值（如年最大洪峰流量、年降雨量、年径流量等）主要应用数理统计和概率理论来研究它们的变化规律。

2.地区上的相似性与特殊性

（1）相似性。不同流域如果所处的地理位置（纬度或距海洋远近等）相近，那么气候条件也相似，则由这些相似条件产生的水文现象在某些方面具有一定的相似性。如湿润地区的河流，径流年内分配较均匀；而干旱地区的河流，径流的年内分配不均匀。

（2）特殊性。有些流域所处的地理位置和气候条件虽然相似，但流域的下垫面条件存在差异，水文变化规律在某些方面则表现出各自的特殊性，即水文现象的特殊性。例如，同一气候区，山区河流的洪水过程陡涨陡落，洪水历时较短。而平原河流的洪水过程涨落缓慢，洪水历时较长。植被好的流域洪水过程较平缓，年径流分配较均匀，河流泥沙较少；而植被较差的流域则相反。

另外，水文现象还存在地区性规律。某些水文现象受分区性的气候因素影响，如降水、蒸发、气温等，而这些气候因素是具有地区性规律的，所以某些水文现象也在一定程度上呈现出地区性规律。例如我国的多年平均降水量自东南沿海向西北内陆逐渐减少，从而使多年平均河川径流深也呈现出同样的地区性变化，它综合地反映了确定性规律和统计规律。

二、水文现象研究方法

根据水文现象的基本规律，其研究方法分为以下3种。

1.成因分析法

由于水文现象与其影响因素之间存在着成因上的确定性关系，通过对实测资料和实验资料加以研究，分析各种水文现象的发生和形成过程，揭示各物理环节之间的内在联系，就可以从水文过程形成的机理上建立某一水文现象与其影响因素之间确定性的定量关系，寻求各种水文现象的成因规律。这样，就可以根据过去和当前影响因素的状况，预测未来的水文现象。这种利用水文现象确定性规律来解决水文问题的方法，称为成因分析法，它在水文分析计算中得到广泛应用。

由于水文学原理的主要任务是阐明各水体的水文特征和水文现象的物理机制，所以一般均采用成因分析法。

2.统计分析法

根据水文现象的随机性，以概率理论为基础，运用频率计算方法，可以求得某水文要素的概率分布，从而得出工程规划设计所需要的水文特征值。利用两个或多个变量之间的统计关系（相关关系），进行相关分析，以展延水文系列使其更具有代表性。统计分析法还可用于水文现象之间、水文现象与影响因素之间的相关分析，据以建立经验相关关系，这在水文分析计算和水文预报中经常使用。

例如，根据暴雨洪水的成因规律进行洪水预报，尽管能取得较好的效果，但由于计算中忽略了一些次要的偶然因素的干扰，从而使预报成果表现出某种程度的随机误差。河流某断面每年出现最大洪峰流量的大小和它们出现的具体时间各不相同，也具有随机性，即未来的某一年份到底出现多大洪水是不确定的。但通过长期观测可以发现，特大洪水和特小洪水出现的机会很少，中等洪水出现的机会多，多年平均值则是一个趋于稳定的数值，洪水大小和出现机会形成一个确定的概率分布，这就是所说的随机性规律，因为要掌握这种规律，常常需要统计学的知识，由大量的资料分析出来，故又称统计规律。

3.地区综合法

地区综合法也称为地理综合法。根据气候要素和其他地理要素的地区性规律，可以按地区研究受其影响的某些水文特征值的地区变化规律。这些研究成果可以用等值线图或地区经验公式表示出来，如多年平均径流深等值线图、洪水地区经验公式等，称为地区综合法。利用这些等值线图或经验公式，可以求出资料短缺地区的水文特征值。例如，可用各测站的水文特征值，与所在流域的自然地理特征值（如流域面积、长度、河道平均坡度等）之间建立地区经验公式，以便推求无资料地区的相似流域的水文特征值。有时，如果甲、乙两流域的气候条件和自然地理条件都相似，则水文现象也相似，因此可将两地区的水文特征值相互移用，这种方法称为水文比拟法，实际上也属于地理综合法。

地理综合法特别适用于无资料或资料不完整流域的各种水文计算和水资源评价中。另外，在站网规划布设时，如果能充分考虑到水文现象的地区性规律及特点，则可以用最少的测站资料，去解决各种流域不同自然地理特点的水文计算问题。

以上三种研究方法，在实际工作中经常结合使用，相辅相成，互为补充，以期计算成果合理可靠。例如，水文预报主要应用成因分析法，但同时也应用统计相关分析法，而在区域预报中，还采用地理综合法。水文分析计算常以统计法为主，但成果的合理性、可靠性检查及在某些计算中又必须采用成因分析法和地理综合法。