區(qū)劃方法在無資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究

許妍 劉良玉 李志輝

摘要：當(dāng)前無資料地區(qū)的水文預(yù)報(bào)方法已經(jīng)成為水文界重要研究內(nèi)容之一，常見的水文預(yù)報(bào)方法包括區(qū)劃方法、推理公式法和單位線地區(qū)分析法等。本文主要針對(duì)區(qū)劃方法在無資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)問題上的應(yīng)用進(jìn)行研究，具體分析了多種研究方法，并對(duì)這些方法進(jìn)行對(duì)比分析，旨在為我國無資料地區(qū)水文工作的開展提供借鑒，促進(jìn)我國整個(gè)水文研究水平的提高，加深對(duì)各地區(qū)水文情況的了解。

關(guān)鍵詞：區(qū)劃方法;無資料地區(qū);水文預(yù)報(bào)

前言

水資源問題始終是我國重點(diǎn)關(guān)注問題，一些地區(qū)常見的缺水類型包括資源型缺水、管理型缺水等，只有在掌握當(dāng)?shù)厮臈l件的基礎(chǔ)上，才能保證水資源管理工作的科學(xué)開展。但是當(dāng)前已有的水資源數(shù)據(jù)不能滿足水資源管理要求，部分地區(qū)缺乏水文數(shù)據(jù)資料，不利于水資源管理工作的展開。因此，有必要加大對(duì)無資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)中區(qū)劃方法應(yīng)用的探討，確保各地區(qū)水資源的有效供應(yīng)。

一、無資料地區(qū)水文研究現(xiàn)狀

當(dāng)前無資料地區(qū)的水資源管理問題主要受到有關(guān)數(shù)據(jù)缺乏的影響，不能保證水資源管理科學(xué)性，并且數(shù)據(jù)獲取難度大，為水資源管理帶來一定挑戰(zhàn)。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，近年來全球水文站點(diǎn)數(shù)據(jù)正不斷減少，并且受到人類活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，一些地區(qū)的水文過程無法正常進(jìn)行，導(dǎo)致已有水文數(shù)據(jù)和實(shí)際情況不符，不能為今后水資源管理的開展提供參考。盡管我國大型水文站點(diǎn)有3400多個(gè)，但我國國土面積大，相對(duì)來講水文站點(diǎn)數(shù)量還有所不足，且水文站點(diǎn)布局不科學(xué)，不能保證各個(gè)地區(qū)水資源的充分供應(yīng)。因此，為了改變這一現(xiàn)狀，不斷豐富水文資料，有必要進(jìn)行無資料地區(qū)的水文預(yù)報(bào)研究。

二、區(qū)劃分析方法

區(qū)劃方法是目前無資料地區(qū)的水文預(yù)報(bào)上較為常見的分析方法，能針對(duì)各地區(qū)水資源管理提供依據(jù)。水文區(qū)劃是指利用遙感技術(shù)和水文模型等方法，找到流域之間的水文相似性，加強(qiáng)流域和對(duì)穩(wěn)模型間的聯(lián)系，從而進(jìn)行地區(qū)的水文模擬，完善已有水文資料。區(qū)劃方法包括水文相似流域替代、臨近流域替代和回歸法等方法。在解決水文相似問題時(shí)，要考慮各流域間的空間距離，對(duì)于水文行為在不同空間保持穩(wěn)定的流域，可采用區(qū)劃分析方法。臨近流域替代方法又分為插值法和臨近法，其中臨近法直接應(yīng)用附近流域的水文數(shù)據(jù);插值法是指針對(duì)附近的多個(gè)流域做線性插值，分析得到無資料地區(qū)的水文數(shù)據(jù)信息[1]。一個(gè)地區(qū)的水文行為會(huì)影響地區(qū)流域的氣候條件和結(jié)構(gòu)特征，要根據(jù)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行流域水資源管理。例如，隨著流域水文行為的變化，這一流域的降雨量、景觀、蒸發(fā)量等將發(fā)生改變。而回歸法是較為常用的一種區(qū)劃分析方法，利用降雨—徑流分析模型參數(shù)來和流域特征值建立回歸關(guān)系，進(jìn)而對(duì)無資料地區(qū)的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)。另外，水文相似流域替代法是指根據(jù)與無資料地區(qū)水文情況類似地區(qū)的水文數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上解決水文問題。下面將具體分析上述區(qū)劃分析方法。

1.臨近流域替代法

通過以上闡述可知，空間是表明水文相似的直接特征，通常來講，需要保證水文行為在流域空間上的變化是平穩(wěn)的，才可運(yùn)用這一方法。有學(xué)者認(rèn)為臨近流域區(qū)劃分析法的應(yīng)用原理為：氣候條件對(duì)水文行為有明顯影響，并且空間上流域變化是逐漸完成的，可根據(jù)有關(guān)公式得出不同流域的空間距離。臨近流域法又分成插值法和空間臨近法，對(duì)不同區(qū)劃方法進(jìn)行對(duì)比分析后，能為各地區(qū)水文預(yù)報(bào)提供有效方法。例如，在對(duì)比全局平均法和代理流域法后，可觀察到兩種方法應(yīng)用效果相似。另外，對(duì)奧地利多個(gè)流域進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)上下游平均法要優(yōu)于空間臨近法的應(yīng)用。

2.水文相似流域替代法

對(duì)于某個(gè)流域來講，它的景觀、地形、降雨量和蒸發(fā)量等將對(duì)流域水文行為產(chǎn)生影響明顯，當(dāng)這些特征相似時(shí)，說明不同流域的水文行為較為相似，這時(shí)可以說不同流域有著水文相似性[2]。在判斷流域相似性時(shí)，結(jié)構(gòu)特征相較于氣候特征更能準(zhǔn)確表現(xiàn)流域相似性，確保數(shù)據(jù)傳遞的可靠性。水文相似流域替代主要是分析和無資料地區(qū)有著水文相似性的流域水文數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)外推解決水文預(yù)報(bào)問題。這一方法在水文預(yù)報(bào)上有較好運(yùn)用，能為水資源管理提供有效數(shù)據(jù)支持。實(shí)際運(yùn)用水文相似法時(shí)，要對(duì)比分析各流域的多個(gè)特征值，得到最為相似的流域。主成分分析、聚類、多維標(biāo)度法是較為常見的多指標(biāo)相似性識(shí)別方法，可結(jié)合實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)姆治龇椒?。有學(xué)者對(duì)萊茵河多個(gè)集水區(qū)利用多維標(biāo)度法進(jìn)行相似性分析，確定水文相似的流域，之后通過模型參數(shù)的傳遞進(jìn)行無資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)。另外，Onema采用聚類分析和主成分分析法，對(duì)尼羅河多個(gè)流域進(jìn)行劃分，能為水文預(yù)報(bào)問題的解決提供有效手段。

3.回歸法

這一方法是無資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)中常用的分析方法，估計(jì)得出無資料地區(qū)的徑流模型參數(shù)。回歸模型的表達(dá)式如下：

其中是指無資料地區(qū)水文模型參數(shù);HR是指水文模型參數(shù)與流域特征的關(guān)系式;是指模型參數(shù)。具體來說，基于回歸法的區(qū)劃分析方法較多，包括加權(quán)回歸、逐步回歸、一步回歸、非線性回歸和多元線性回歸等，可通過明確模型參數(shù)及建立回歸方程。為了保證模型分析準(zhǔn)確性，在運(yùn)用一步回歸和連續(xù)回歸方法時(shí)，要進(jìn)行回歸模型和水文模型的校準(zhǔn)，其中連續(xù)回歸不能同時(shí)校準(zhǔn)以上兩個(gè)模型，需要按照特定順序依次校準(zhǔn)模型參數(shù)。

三、各類區(qū)劃分析方法的對(duì)比分析

1.對(duì)比分析

不同區(qū)劃分析方法有著自身應(yīng)用優(yōu)勢和缺陷，本文具體分析了這些區(qū)劃方法的應(yīng)用特點(diǎn)。其中臨近流域法具有操作方便的優(yōu)勢，能在短時(shí)間內(nèi)判斷流域水文數(shù)據(jù)，簡化了計(jì)算步驟。但是臨近流域法還存在一定不足，該方法實(shí)際使用時(shí)有較大不確定性，降低了分析結(jié)果準(zhǔn)確性。從學(xué)者對(duì)英國某些流域的研究可知，將臨近流域法運(yùn)用到流域水文預(yù)報(bào)中，由于各流域之間的氣候特征和水文特征較為相似，為這一方法的使用帶來較大限制。例如，在兩個(gè)流域之間的地形、降水量、氣候變化等情況變化不明顯的情況下，還要求該流域有臨近流域，應(yīng)用過程相對(duì)復(fù)雜。相對(duì)來講，插值法在無資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)上的適用性較強(qiáng)，對(duì)不同流域之間的氣候和地形要求較低，在流域水文數(shù)據(jù)分析上取得廣泛應(yīng)用。主要是由于不同地區(qū)的平均極大程度上限制臨近法的隨機(jī)性，需要進(jìn)行多元特征值分析來掌握水文條件相似的流域。但是插值法同樣存在應(yīng)用局限性，待分析流域和臨近流域之間的差異將對(duì)水文數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，并且這種方法缺乏科學(xué)依據(jù)。而采用回歸法時(shí)，由于水文模型和徑流模型參數(shù)的不確定性，并且模型參數(shù)與特征值間聯(lián)系不大，因此，在無資料地區(qū)水文問題處理上應(yīng)用回歸法時(shí)，可能出現(xiàn)參數(shù)不能全部建立在方程中的問題。實(shí)際使用時(shí)，還要工作人員結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)，合理選擇區(qū)劃分析方法，盡可能避免分析方法的不足，確保得到的水文數(shù)據(jù)能全面反映當(dāng)?shù)厮男袨?，以便為今后的水資源管理、水文站點(diǎn)建設(shè)等工作的開展奠定基礎(chǔ)。

2.區(qū)劃分析方法應(yīng)用問題

盡管以水文相似性為基礎(chǔ)的區(qū)劃分析方法在國外無資料區(qū)域的水文問題處理上較為常用，但實(shí)際使用時(shí)還受到一些因素影響，需要規(guī)范使用行為來避免外界因素對(duì)分析結(jié)果的影響。首先，區(qū)劃分析方法沒有流域特征的選擇建立統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致實(shí)際選擇臨近流域時(shí)，受到工作人員主觀因素影響較大，可能造成分析結(jié)果有一定誤差[3]。其次，多種區(qū)劃分析方法都是以水文相似性為基礎(chǔ)的，而關(guān)于流域特征相似還沒有給出科學(xué)的辨別依據(jù)，不同學(xué)者在水文相似性識(shí)別上有不同看法。再次，當(dāng)前針對(duì)各個(gè)區(qū)劃分析方法的適用情況不明確，一些方面的規(guī)定需要相關(guān)工作者結(jié)合工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不斷完善，通過模型分析和流域水文行為分析，加大對(duì)區(qū)劃分析方法具體應(yīng)用的了解。最后，由于區(qū)劃分析中的模型參數(shù)相對(duì)復(fù)雜，加大了參數(shù)研究工作量和復(fù)雜程度，因此關(guān)于模型參數(shù)傳遞的研究還比較缺乏，不能為相關(guān)工作的展開提供理論依據(jù)。需要將上述問題作為今后無資料地區(qū)水文問題分析中主要考慮的內(nèi)容，以便保障研究工作順利開展，進(jìn)一步完善我國水文數(shù)據(jù)信息體系。

3.區(qū)劃分析方法的適用條件

我國地域面積較大，不同地區(qū)的地理特征及氣候條件有所不同，因此，在進(jìn)行無資料地區(qū)的水文預(yù)報(bào)工作時(shí)，關(guān)鍵在于結(jié)合地區(qū)實(shí)際情況選擇恰當(dāng)?shù)姆治龇椒?。從氣候條件來看，在熱帶地區(qū)或者溫帶地區(qū)的水文資料獲取上，應(yīng)優(yōu)先選擇臨近流域法和相似流域法，而高寒地區(qū)可選用回歸分析法。這一選擇依據(jù)為高寒地區(qū)的凍土、積雪等運(yùn)動(dòng)規(guī)律是不斷變化的。同時(shí)，在高寒地區(qū)無資料問題研究上，還可根據(jù)遙感資料掌握模型參數(shù)，建立相應(yīng)的模型，之后進(jìn)行參數(shù)傳遞。另外，國內(nèi)通常使用MODIS參數(shù)和地面數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，得出分析模型有關(guān)參數(shù)，例如積雪水當(dāng)量和積雪閾值等。除了考慮氣候條件外，還要結(jié)合各地區(qū)資料條件選擇相應(yīng)的區(qū)劃分析方法。

通常來講，當(dāng)流域的水文資料較匱乏時(shí)，利用空間距離基礎(chǔ)上的區(qū)劃法是解決水文預(yù)報(bào)問題的有效措施，根據(jù)空間位置確定水文相似流域，對(duì)資料條件要求較小，但是只能運(yùn)用在氣候和地形條件相對(duì)穩(wěn)定的流域上[4]。對(duì)于一個(gè)地區(qū)來講，其中氣候數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)獲取難度小，在掌握上述數(shù)據(jù)后，結(jié)合該地區(qū)已有的水文數(shù)據(jù)，可選擇基于水文相似性的流域替代法，對(duì)臨近流域的空間位置要求不大，可同時(shí)解決多個(gè)水文相似性地區(qū)的水文預(yù)報(bào)問題，對(duì)流域研究有效展開有重要意義。以云南省滇池流域?yàn)槔?，該地區(qū)供有30條河流，大多數(shù)河流沒有相應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)，在分析這一地區(qū)的水文條件時(shí)，可采用水文相似區(qū)劃分析法和臨近流域替代方法，對(duì)多個(gè)子流域進(jìn)行研究。首先根據(jù)河網(wǎng)密度、流域?qū)挾取⒘饔蜷L度和土地利用類型等特征，確定相似流域。之后建立模擬模型，如果模擬情況較好，則可采用流域替代法，能很好解決無資料問題。

結(jié)論

綜上所述，區(qū)劃方法在解決無資料地區(qū)的水文預(yù)報(bào)研究問題上有重要意義，通過加大對(duì)區(qū)劃方法實(shí)際應(yīng)用的研究，進(jìn)一步明確各類方法的適用范圍，為無資料地區(qū)水文問題處理提供依據(jù)。從國內(nèi)外各地區(qū)的區(qū)劃方法應(yīng)用實(shí)際來看，空間臨近及插值法應(yīng)用較為常見，考慮到不同方法需要的數(shù)據(jù)不同，需要明確各類方法的使用范圍，真正做好無資料地區(qū)水資源管理工作。

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