無(wú)資料地區(qū)水文分析與計(jì)算研究

李蘭蘭

（新鄉(xiāng)水文水資源勘測(cè)局，河南新鄉(xiāng) 453000）

無(wú)資料地區(qū)水文分析與計(jì)算研究

李蘭蘭

（新鄉(xiāng)水文水資源勘測(cè)局，河南新鄉(xiāng) 453000）

結(jié)合以往我國(guó)在設(shè)計(jì)洪水計(jì)算和流域洪水預(yù)報(bào)中對(duì)于無(wú)資源區(qū)相關(guān)研究得到的成果，借助遙感技術(shù)和計(jì)算機(jī)方法，于水文數(shù)值模仿上找出無(wú)資料區(qū)水文預(yù)報(bào)的新方法。一定要從實(shí)測(cè)資料流域開(kāi)始，去掉一部分站點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，主要靠檢驗(yàn)局部參數(shù)來(lái)構(gòu)建水文模型的適用性與精度，并對(duì)無(wú)資源區(qū)的計(jì)算方法進(jìn)行分析。

無(wú)資料地區(qū)；水文研究；計(jì)算方法

1 無(wú)資源區(qū)水文研究的重要性

目前，很多國(guó)家都有一個(gè)共同的問(wèn)題，那就是水資源的貧缺。另外，在水資源管理與配置上不夠科學(xué)，有著很多主觀行為，導(dǎo)致水資源遭到大量浪費(fèi)，進(jìn)而造成水資源壓力越來(lái)越大。要想改變水資源貧缺的狀況，通常從開(kāi)源、節(jié)流兩方面著手來(lái)解決。所謂開(kāi)源，是解決水資源短缺的主要途徑。對(duì)于水資源管理，科學(xué)的“節(jié)流”管理是最重要的手段。但現(xiàn)在，區(qū)域水資源短缺不僅是一個(gè)水資源短缺的數(shù)量問(wèn)題，而是資源管理復(fù)合型缺水與管理型缺水。對(duì)水資源做到科學(xué)合理的管理，需要在對(duì)區(qū)域水資源實(shí)際情況充分了解的前提下，熟悉水資源的變動(dòng)規(guī)律。現(xiàn)在很多國(guó)家與地區(qū)水文站的實(shí)際分布情況與其數(shù)據(jù)掌握和信息不能夠達(dá)到相應(yīng)的精度標(biāo)準(zhǔn)來(lái)構(gòu)建水文模型，或者因?yàn)槭艿礁黝?lèi)自然因素和人為因素的局限，甚至導(dǎo)致連基本的水文資料都沒(méi)有，也就更難以掌握該流域的水資源現(xiàn)狀，這給科學(xué)管理水資源帶來(lái)了很大的不便。

全世界的水文氣象站基本都分布于歐美等少數(shù)的發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)達(dá)地區(qū)，而在中國(guó)只布建了很少的水文站與氣象站。依照世界氣象組織的相關(guān)信息可以看出，現(xiàn)在全世界所有水文站的面積為150～1萬(wàn)km2，但是參照最新信息，特別是最近幾十年，全球的水文站數(shù)量在快速縮減，比如前蘇聯(lián)及發(fā)展中國(guó)家就縮減了40%左右。因此，需要水文學(xué)家務(wù)必要對(duì)無(wú)資料地方開(kāi)展水文模型的研究，以滿足水資源管理的需要。

2 無(wú)資源地區(qū)水文研究計(jì)算方法

我國(guó)是全球最大的發(fā)展中國(guó)家，現(xiàn)有3 400個(gè)水文站點(diǎn)。但我國(guó)面積遼闊，造成水文站點(diǎn)數(shù)量明顯不足，有些站點(diǎn)的分布也不恰當(dāng)，在發(fā)達(dá)地區(qū)與人口稠密處較多，而人煙稀少、交通不便的地區(qū)，站點(diǎn)相對(duì)很少。以至于在水文站較少的區(qū)域不能很好地掌握降水分布狀況，不能構(gòu)建準(zhǔn)確的水文模型對(duì)這些區(qū)域流量的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)?；谶@些原因，我國(guó)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)水文模擬的重視。20世紀(jì)80年代，為了處理我國(guó)無(wú)資源流域洪水預(yù)報(bào)狀況，針對(duì)我國(guó)各省自治區(qū)等進(jìn)行水文探索工作，針對(duì)1 500多個(gè)流域分析了2萬(wàn)多次暴雨洪水預(yù)報(bào)，最終獲得不少有效成果?，F(xiàn)

對(duì)具體的無(wú)資料地區(qū)的水文計(jì)算方法進(jìn)行分析。

2.1 關(guān)于相關(guān)分析方法

依照水文現(xiàn)象間的相互關(guān)系，應(yīng)用觀測(cè)較長(zhǎng)的水文數(shù)據(jù)，以達(dá)到對(duì)觀測(cè)系列短的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行延長(zhǎng)，就如依照徑流與降雨的關(guān)系，經(jīng)過(guò)對(duì)系列較長(zhǎng)的降雨參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)，來(lái)做到對(duì)徑流量資料的延長(zhǎng)，之后根據(jù)有資料地區(qū)的水文計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算［1］。

2.2 關(guān)于等值線圖方法

各類(lèi)水文的等值線圖呈現(xiàn)的是此地區(qū)水文統(tǒng)計(jì)參數(shù)和水文特征的分布規(guī)律，通常會(huì)先依照歷史觀測(cè)較長(zhǎng)的觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，來(lái)制出相應(yīng)的水文等值線圖，之后經(jīng)過(guò)內(nèi)插，最終得到此區(qū)域的水文設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.3 關(guān)于經(jīng)驗(yàn)公式方法

首先要構(gòu)建出將要計(jì)算的水文特征數(shù)值與其他的水文特征數(shù)值、相關(guān)的地理參數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，來(lái)對(duì)工程設(shè)計(jì)所需的有關(guān)水文特征數(shù)值的設(shè)計(jì)進(jìn)行推求。

2.4 關(guān)于水文比擬方法

指的是在此流域的水文氣象條件與下墊面狀況基本一致的基礎(chǔ)上，將流域的統(tǒng)計(jì)參數(shù)、水文特征數(shù)值及典型時(shí)空分布直接運(yùn)用在無(wú)資料區(qū)域流域中，作為其設(shè)計(jì)根據(jù)。

2.5 關(guān)于水文調(diào)查方法

比如對(duì)無(wú)資料區(qū)域歷史暴雨洪水狀況進(jìn)行調(diào)查，作為設(shè)計(jì)參照等，由于水文資料條件間沒(méi)有一定界限，對(duì)于頻率分析的標(biāo)準(zhǔn)目前長(zhǎng)度還不夠，因而即便有長(zhǎng)時(shí)間實(shí)測(cè)水文資料，也要進(jìn)行全面綜合性考慮，才能得出有效的結(jié)果。

3 分析無(wú)資料流域水文

當(dāng)前地球科學(xué)研究的信息主要來(lái)源于遙感信息，現(xiàn)在水文學(xué)對(duì)無(wú)資料區(qū)域進(jìn)行水文預(yù)報(bào)研究就要合理應(yīng)用遙感手段和計(jì)算機(jī)技術(shù)，來(lái)顯露時(shí)空分布特性和地表信息流的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)模擬流域水文性狀的數(shù)值。

3.1 基礎(chǔ)思路

當(dāng)前有很多流域水文數(shù)值模型，如時(shí)間較早的陜北模型和新安江模型，當(dāng)前的SHE模型等。這些模型應(yīng)用的關(guān)鍵是對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)選，來(lái)判斷哪種數(shù)值模型在無(wú)資料地區(qū)最適合。首先要從資料充足的流域進(jìn)行研究，這些流域要有足夠的空間站點(diǎn)分布和充分資料，而且站點(diǎn)的布置要合理，可以精確地顯示流域水文的空間變化，資料有較長(zhǎng)的時(shí)間序列，可以展示出水文過(guò)程對(duì)于流域下墊面變化的反應(yīng)。在研究時(shí)，先隱藏站點(diǎn)的大部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選用數(shù)學(xué)模型依照少數(shù)站點(diǎn)的資料對(duì)隱藏站點(diǎn)的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，找出與實(shí)測(cè)值相差最少的模型作為能運(yùn)用到與模擬流域性質(zhì)一樣的區(qū)域的模型。

3.2 分布式水文模型

研究流域分布式水文模型是當(dāng)代流域水水文學(xué)的重點(diǎn)，其能夠與地球現(xiàn)有各個(gè)流域的遙感信息相互配合，模擬出準(zhǔn)確的所有單元格內(nèi)的水文進(jìn)程，而后通過(guò)單元格之間的水力關(guān)系最終做到模擬全部流域的參數(shù)。因而，這是開(kāi)展無(wú)資料流域水文分析的最有效方法。而分布式水文模型具體講的是依照流域表層分布的水文參數(shù)與變量將水文時(shí)空變化特點(diǎn)，用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行闡述，其構(gòu)建于GIS/RS前提之下，首先根據(jù)GIS/DTM建立了更先進(jìn)的流域水系模型，使流域模型與匯流模型有效結(jié)合在一起。分布式水文模型是運(yùn)用物理上的原理，而不是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒y(tǒng)計(jì)模型，可以對(duì)流域中水文循環(huán)變化過(guò)程進(jìn)行描述，確保其精準(zhǔn)度。另外，其構(gòu)建在DEM前提之下，對(duì)于沒(méi)有水文測(cè)站資料的區(qū)域來(lái)講是最合適的方法。

3.3 空間插值

研究無(wú)資料區(qū)域不能少了空間插值，其針對(duì)觀測(cè)臺(tái)站較少同時(shí)站點(diǎn)分布又不合理的區(qū)域有著很重要的作用?？臻g插值方法包括幾何方法、統(tǒng)計(jì)方法、空間統(tǒng)計(jì)方法、函數(shù)方法與隨機(jī)生成等，但現(xiàn)在還未有最適當(dāng)?shù)目臻g內(nèi)插方法。因而，務(wù)必要依照數(shù)據(jù)的內(nèi)在性質(zhì)，依照研究數(shù)據(jù)的空間，再經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)與比較，來(lái)選擇一個(gè)于數(shù)據(jù)空間分布上最恰當(dāng)?shù)膬?nèi)插方式，而內(nèi)插的結(jié)果一定要做到細(xì)致檢測(cè)，在空間插值方法的分析上一定要讓其具有優(yōu)良的接口，而且要與GIS平臺(tái)相互融合。

3.4 四維同化

四維同化也被稱(chēng)為數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，指的是在對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)空分布的前提下，于數(shù)值模型的動(dòng)態(tài)過(guò)程內(nèi)結(jié)合新型數(shù)據(jù)的方法。其概念、方法與理論來(lái)自海洋科學(xué)和大氣，在數(shù)學(xué)上通常借用估計(jì)理論、優(yōu)化方法、控制論和誤差估計(jì)理論，現(xiàn)在數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成熟。研究陸面與水文數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的要比研究海洋科學(xué)和大氣中的數(shù)據(jù)同化晚一些，其是在20世紀(jì)90年代才開(kāi)始研究的，運(yùn)用“離線”陸面模型同化的微波遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)漸漸成為陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的主要特征，陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)彰顯了觀測(cè)與模型的集成。所以，對(duì)陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)進(jìn)行研究，對(duì)研究觀測(cè)較少同時(shí)流域相對(duì)復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行水文分析是很有必要的。構(gòu)建陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，從理論上講，能夠?qū)﹃懨孢^(guò)程模型、土壤水分、模型和觀測(cè)誤差估計(jì)、水文模型及積雪中微波遙感觀測(cè)等相關(guān)的生態(tài)科學(xué)和環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行探討，能夠給無(wú)資料流域水循環(huán)研究供應(yīng)更高的分辨率，而且可以收集物理與時(shí)空相似的土壤水分、溫度及積雪等信息。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)無(wú)資料地區(qū)的水文研究，要與傳統(tǒng)水文學(xué)相結(jié)合，同時(shí)采用現(xiàn)在新型水文學(xué)的方法與理論，以做到解決傳統(tǒng)水文學(xué)的難題，確保無(wú)資料地區(qū)的水文資料更加準(zhǔn)確。

［1］徐沖.有關(guān)地表徑流過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬［J］.水力電力發(fā)展，2013（7）：35-36.

Hydrological Analysis and Calculation Research of Un-Gauged Basins

Li Lanlan
（Xinxiang Hydrology and Water Resources Survey Bureau，Xinxiang Henan 453000）

In combination with the results obtained from the previous studies on the design flood calculation and river basin flood forecasting,using remote sensing technology and computer method,a new method for hydrologic predic?tion in the un-gauged basins of hydrological numerical simulationwas was found out.We must be sure to start from the measured data,remove a part of the site's measured data,the applicability and accuracy of the hydrological model were constructed by checking the local parameters,and the calculation method of un-gauged basins was analyzed.

un-gauged basins；hydrological research；calculation method

P333

A

1003-5168（2016）10-0059-02

2016-09-20

李蘭蘭（1986-），女，本科，助理工程師，研究方向：水文水資源。