第一章 绪论

第一节 随机水文学

水文现象随时间变化的过程称为水文过程或水文序列。水文现象是一种自然现象，既有确定性变化规律，又有随机性变化规律。这些确定性和随机性变化规律通过水文过程可以直接或间接地展示出来。水文过程的确定性变化规律突出表现在过程中有年、日等周期变化。如日、旬、月径流过程，明显存在以年为周期的变化（图1-1）；逐时气温及蒸发量过程存在以日为周期的变化。这是由于影响水文过程的气候因素存在以年为周期的变化和某些气象因素存在以日为周期的变化之故。水文过程受确定性因素的影响，还表现出随时间的增长，过程出现逐渐上升或下降的趋势或跳跃的变化等现象。如图1-2所示，岷江高场站年平均流量呈现局部增加和降低趋势现象，这可能是由于气候波动和人类活动影响造成的。

图1-1 金沙江屏山站月平均流量过程

图1-2 岷江高场站年平均流量过程

从图1-1、图1-2同时可以看出，水文过程还表现出随机性变化特征，每一年的月平均流量过程不相同，形状和数量相差较大；水文过程内前后数值之间似乎变化无序，时大时小，但它们之间存在相依（相关）关系，如2月平均流量与1月平均流量有关，后1年径流量与前1年径流量相依，如岷江紫坪铺站相邻年年平均流量之间的相关系数达0.44。随机性变化特征是水文过程形成和演变中的众多影响因素所致。所有这些影响的无限复杂性和多样性，致使水文过程的变化不断发生着各种各样的情形，表现出随机性变化特征。

水文过程既然表现出随机变化特征，因此，它是一个随机过程，又称为随机水文过程。纯粹确定性水文过程是不存在的。如何通过水文过程来研究水文现象的随机变化特征呢？传统水文学不能回答这个问题。

将随机过程理论和时间序列分析技术引入水文学领域，广泛开展水文过程随机变化特性研究并不断把科学成果用于水文水资源的实际问题，结果逐渐形成了一门重要的学科——随机水文学。随机水文学是以水文过程为研究对象、以随机过程理论和时间序列分析技术为手段的一门学科。水文过程是随机过程，因此应用随机过程的理论和方法研究水文过程是有客观依据的。一个水文过程是依发生的时间先后次序排列的，因此在随机水文学中，水文变量的时间顺序极为重要。

随机水文学填补了确定性水文学（研究确定性过程）和概率性水文学（研究纯随机过程即概率过程）之间的缺口。在确定性水文学中，认为水文现象随时间的变化可由其他变量完全加以说明；在概率性水文学中，问题不牵涉到时间，而只涉及某一事件的概率。随机水文学的研究对象是与时间紧密有关的随机现象，即随机水文过程。描述水文过程的数学模型，称为随机水文模型或随机模型。作为两种极端情况的确定性过程和概率过程，在随机水文学中一般不作专门探讨。

随机水文学的基本任务是在全面随机分析的基础上对随机水文过程建立起反映水文现象主要变化特性的随机模型；根据建立的模型，既可随机模拟大量水文序列，也可作统计预测，以满足水利水电工程规划、设计、运行及水文水资源水环境各种分析、计算和研究的需要。本书重点讲述如何依据观测到的水文序列建立随机模型，如何由随机模型模拟大量序列，如何将模拟序列应用于工程的规划、设计、运行及水文水资源特性分析等。具体而言，就是对水文过程建立合适的随机模型，一方面模拟出水文序列（例如年、月、日径流序列，洪水序列等），依据这些模拟序列并结合工程特性和要求进行水利计算（径流调节、洪水调节、水能计算等），最后计算出指定频率下的各种水利、水能特征值，如保证出力、年电能、水库供水流量、水库坝前洪水位等，供全面分析之用；另一方面依据模型对水文现象进行统计预测，预估未来可能的变化情势。

由此可见，随机水文学的主要任务和水文计算的任务在很大程度上是一样的，但它们之间也有明显的差异。为了加深对随机水文学的理解，下面介绍随机模拟法。