1.2　水灾害的基本状况及特点

1.2.1　水灾害的基本概念

水灾害是因为水的诱因而导致对人类生命财产造成危害的灾害。水灾有两层含义，一层是“水”，另一层是“灾”［12］。“水”的含义就是指自然界的物质部分，包括以降雨、融雪、洪水等方式运动的自然事件；“灾”的含义则指水对其影响范围内的人类社会造成的损害，即为“灾害”。显然，水灾害与人类社会的发展密切相关。事实上，引发灾害的各种水文现象，如暴雨、洪水、水土流失等是人类出现以前早已存在的自然现象。人类为了保护自己，初始时是顺应自然，避开洪、涝、旱的威胁而迁居，继而采取各种措施防御水灾害对人们的侵袭。在长期与水旱灾害斗争的历史过程中，社会经济不断发展，同时也发展了各种防御、减轻和适应水旱现象的对策和措施。

水灾害的具体表现形式主要包括洪灾、涝灾、干旱等。中外文献对于“洪”和“涝”很少有严格的定义。早期对于洪涝是不分的，及至后来修筑了堤防、圩垸等防洪工程，天然的来水受到人为的分割，河道泄流条件发生改变，逐步有了洪涝之分。一般认为河流漫溢或堤防溃决造成的灾害为洪灾；当降雨过多，不能排除的积水灾害为涝灾。由于“内水”和“外水”是相对的，因此很难严格区分，在世界其他国家，不论“内水”和“外水”都称为洪水。洪水和内涝在水文特性上有区别，洪水来势凶猛；雨涝一般来势较缓，强度较弱。二者造成的灾害特点也不相同，洪水破坏性强，可以破坏各种基础设施，会对工农业生产造成毁灭性破坏，而涝灾的破坏性相对较弱。此外，防洪治涝的对策措施也有很大不同，防洪工程措施主要是水库、堤防和蓄滞洪区等，而除涝则主要通过沟渠、泵站、水闸等排除积水［10］。

洪水、干旱、内涝等对人类社会造成危害的程度与区域人口、工农业布局和经济发展水平密切相关。如果洪泛区是没有人类生产生活的荒地，那么即使发生较大的洪水，也不至于对人造成很大危害。相反，如果洪水影响范围内会对人类生产生活造成危害，就对防洪提出了要求。干旱也是如此，气象条件是形成干旱的重要自然因素，但干旱的气象条件不一定形成旱灾。同理，涝灾害能否形成，除了降雨地形等自然因素外，还与当地的除涝能力和外部洪水情势有关。

总体而言，各种水旱灾害的形成非常复杂，有自然的、也有社会的。各种致灾因子具有明显的随机性和不确定性。因此，各种防洪、除涝、抗旱等工程和非工程措施的出台，首先要做的就是对各种灾害及其危害的统计资料进行分析，研究灾害发生的强度和频度。根据概率论和统计学的基本原理和方法，评估各种量级的灾害发生的风险，为制定科学有效的防灾减灾、兴利避害的措施提供依据。

1.2.2　水灾害的基本特征

由于形成水灾害的因素复杂多样，水灾害的表现形式也多种多样。各种形式的灾害相互联系、相互伴生、互相演变，构成了一个结构复杂、层次众多而且规模庞大的系统，具有致灾因子多样性、随机不确定性、复杂性和交叉性等特征。科学地分析水灾害这些基本特征是采取有效防治措施的基础。

1.致灾因子多样性

水灾害是由各种性质不同的自然现象引起，如暴雨、洪水、干旱、台风、暴潮、融雪、地震等各种自然现象，都可能引发各种规模不等、形式多样的水灾害。灾害的发生往往是多种致灾因子共同作用的结果。

致灾因子多样性的特点要求在评估和预测灾害风险和危害时，必须区分矛盾的主要方面，同时要考虑致灾因子的对灾害的综合影响。

2.随机性和可预测性

水灾害的随机性源自致灾因子和灾害的多样性、差异性。由于致灾因子、水文气象状况、地形地貌的随机性，导致水灾害的随机性。其随机性体现在灾害区域、灾害规模、灾害时程的随机性。可预测性是指灾害发生、发展、危害等，是具有一定规律性的，是可以预测的。

随机性和可预测性的意义在于可以利用描述变量随机性特点的数学工具预测水灾害。

3.复杂性和交叉性

水灾害是开放的组织系统［13］。系统内部之间以及系统与外部之间不断进行着物质、能量和信息的交换，系统状态可以由一种无序结构突变到另一种有序结构，水灾害的群发就是证明［13］。由于自然生态环境的复杂性，各种自然灾害往往相伴而生，形成灾害链。比如暴雨作为一种常见的水灾害，可能会触发滑坡、泥石流等灾害，形成暴雨→洪水→滑坡→泥石流等多灾并发的灾害链。而地震可能会诱发海啸和洪涝灾害。

灾害的复杂性和交叉性特点要求灾害的预测和评估必须考虑灾害之间以及致灾变量之间的相依关系和相关性。

4.区域性和阶段性［13］

水灾害的区域性，一是表现在经济发达地区，水灾害发生的频率增多，如超强度开发水资源加重了干旱和水污染等；二是社会经济发达，人类活动对自然环境的改造及对水灾害的干预程度较高；三是经济发达地区人口集中、产业密集，故水灾害承受面广，受灾机会多，经济损失大。水灾害的阶段性主要体现在随着社会经济发展的不同阶段，水灾害的破坏作用和成灾方式也呈现不同的变化阶段。

区域性和阶段性的特点要求各种水利工程必须符合区域的实际情况，针对不同时期的社会发展需求满足不同的需要。

1.2.3　水灾害防治中的多变量概率问题

为了减灾防灾、兴水利避水害，人们采用了各种工程措施，包括堤防、水库、大坝、沟渠、泵站、水闸、水电站等，以满足防洪、排涝、抗旱、发电、给水、灌溉的需求，并出台了各种法律法规对工程进行规划和管理。而对各种不同频率的致灾随机水文事件进行科学的评估和预测，是保证各种工程和非工程措施科学性的基础。由于水灾害和致灾水文因子的多样性、随机性、关联性的特点，对灾害和随机水文事件风险概率的统计和预测，从数学上讲属于多变量联合概率分布问题。

水文频率分析是水利工程规划、设计、管理的重要基础。随机水文事件通常具有多方面的特征属性，为了全面了解其统计规律，需要从多个角度进行定义和描述。由于资料和有效数学工具的缺乏，实际中往往只挑选某个最重要的特征属性来代表水文事件，进行单变量的频率分析。比如，洪水作为研究最广泛的水文极值事件，其特征属性包括洪峰流量、洪水总量、峰现时间、洪水历时等，而在大多数的洪水频率分析中，往往只是采用单变量极值分布（如皮尔逊Ⅲ型）对洪峰流量进行频率分析，这种单变量的洪水频率分析忽略了洪水总量、峰现时间、洪水历时等诸多因素对洪灾的作用，以及各种特征属性之间的相关关系，其对洪水特征的描述是不全面的；同样的，对于设计暴雨而言，单变量的频率分析亦不能描述暴雨强度、雨量、降雨历时等因素之间的联合分布关系。显然，对于具有多种特征属性的水文极值事件，传统的单变量分析方法难以描述各特征属性统计规律和相互之间的相关关系，需要采用多变量联合概率分析方法。

多变量联合概率分布问题在水科学领域广泛存在。比如，我国的许多沿江平原地区和三角洲河网地区大多地势低平，暴雨涝水能否顺利排除不仅取决于设计暴雨标准，还受到外江水位的极大制约，设计暴雨和外江水位的遭遇问题，本质上就是一个两变量联合分布问题；跨流域水资源调配规划时，常需要分析不同水文区降雨和径流的丰枯遭遇情况［14］；拟定设计洪水的地区组成时，往往需要考虑不同区间的来水遭遇［15-16］；沿海地区城市防洪规划需要考虑风暴潮、上游洪水、区间暴雨等水文事件的遭遇概率［17］；旱灾的发生是区域降雨和地表径流同时减少的结果；海洋平台工程失效破坏是风、浪、流等多种环境荷载共同作用的结果［18］，需要采用多变量概率分析方法描述多种荷载的联合分布。上述这些问题从本质上讲都属于多变量联合概率分布问题。

多变量联合分布函数是研究两种或两种以上随机变量联合影响下的某种自然现象概率分布的有效数学工具。多变量联合分布概率可采用式（1.1）表示［18-19］：

式中：F（x1，x2，…，xn）为多因素共同作用的联合概率；x1，x2，…，xn为随机变量；f（x1，x2，…，xn）为多变量概率密度函数。

对于式（1.1）所示的多变量联合分布函数，只有在各变量均属正态分布时，其联合分布函数才会有解析表达式。对于非正态、相关的多维随机变量，因其复杂性而成为理论研究和生产应用中的难点。