生態(tài)水文區(qū)劃研究進(jìn)展

白夢(mèng)婷，李發(fā)文，楊鎖林，白銳崢

（1. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072； 2. 太原市水資源管理保護(hù)中心，山西 太原 030002；3. 山西省農(nóng)業(yè)生態(tài)保護(hù)與資源區(qū)劃中心，山西 太原 030002）

0 引 言

隨著全球氣候的變化以及人類活動(dòng)的影響，流（區(qū)）域生態(tài)過(guò)程發(fā)生了顯著的變化，水文情勢(shì)也因此出現(xiàn)了新的格局，隨之帶來(lái)的是一系列生態(tài)環(huán)境及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展問題［1］，其中淡水資源短缺是最重要的問題之一。在此背景下，生態(tài)水文學(xué)作為一門水資源管理的科學(xué)，在20 世紀(jì)90 年代由INGRAM 首次提出［2］，1992 年在都柏林國(guó)際水環(huán)境大會(huì)上正式明確了生態(tài)水文學(xué)（Eco-hydrology）概念［3，4］。目前，生態(tài)水文學(xué)主要研究生態(tài)過(guò)程與水文過(guò)程的耦合機(jī)制與發(fā)展規(guī)律，其已成為生態(tài)學(xué)和水文學(xué)研究的熱點(diǎn)問題之一［5］。

近年來(lái)，水資源短缺、水資源時(shí)空分布不均、水資源浪費(fèi)、水污染等問題突出，掌握時(shí)空變化下水資源分布規(guī)律、制定適合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)保護(hù)策略［6］，確立基于水資源承載力條件下的流域管控模式及水資源開發(fā)戰(zhàn)略，已成為當(dāng)前水資源合理配置的緊迫需求。要實(shí)現(xiàn)以上需求和目標(biāo)，生態(tài)水文區(qū)劃是基礎(chǔ)，生態(tài)水文區(qū)劃目標(biāo)是為不同生態(tài)系統(tǒng)和不同水文特征條件下的分析和評(píng)價(jià)提供最小的管理單元［7］，只有對(duì)流（區(qū)）域進(jìn)行生態(tài)水文區(qū)劃進(jìn)而制定水資源管控模式，才能符合“適宜性管理”的理念［8］，即個(gè)性化管理。

研究從生態(tài)水文區(qū)劃發(fā)展歷程、生態(tài)水文區(qū)劃指標(biāo)體系構(gòu)建、生態(tài)水文區(qū)劃劃分方法等方面總結(jié)其相關(guān)進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)生態(tài)水文區(qū)劃的發(fā)展動(dòng)態(tài)做出展望，以期為制定基于生態(tài)水文區(qū)劃的水資源管控模式提供思路和參考。

1 生態(tài)水文區(qū)劃發(fā)展進(jìn)程

生態(tài)水文分區(qū)劃定亦稱作生態(tài)水文區(qū)劃，是指對(duì)特定流（區(qū)）域某一種或多種生態(tài)系統(tǒng)水文特征進(jìn)行分類與整合。生態(tài)水文區(qū)劃概念是由生態(tài)區(qū)劃與水文區(qū)劃演進(jìn)而來(lái)的。

圖1 生態(tài)水文區(qū)劃演進(jìn)研究歷程表Fig.1 Research history of ecohydrological regionalization evolution

1.1 生態(tài)區(qū)劃發(fā)展歷程

生態(tài)區(qū)劃是為獲得植被的分布規(guī)律及特征而對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)劃。生態(tài)區(qū)劃可為確定生態(tài)環(huán)境管理目標(biāo)，進(jìn)一步開展生物多樣性保護(hù)工作打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)［9］。生態(tài)區(qū)劃常選用地形、地貌、土壤、氣候等生態(tài)因子作為指標(biāo)項(xiàng)，利用地理信息技術(shù)（Geographic Information System，簡(jiǎn)稱GIS）、聚類法、主成分分析法等多種方法劃分等級(jí)。

從19 世紀(jì)初到20 世紀(jì)70 年代，自然區(qū)劃分級(jí)理念［10］—自然地帶學(xué)說(shuō)［11］—?dú)夂蛑脖环诸愃枷耄?2］—不同生態(tài)系統(tǒng)的劃定方案［13］等研究的興起，逐步衍生出了生態(tài)區(qū)劃的概念［14］。直到1972 年，生態(tài)學(xué)家BAILEY［15］首次提出了美國(guó)四級(jí)體系的生態(tài)區(qū)劃方案，自此生態(tài)區(qū)劃理論走向成熟。20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，以國(guó)家為尺度的區(qū)劃研究成果顯著，但以全球尺度的區(qū)劃并不多見，這可能是由于數(shù)據(jù)資料的匱乏導(dǎo)致的。BAILEY［16］在研究美國(guó)和北美生態(tài)區(qū)域的基礎(chǔ)上編制了全球陸地生態(tài)區(qū)劃圖，WIKEN［17］完善了加拿大全國(guó)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)區(qū)劃方案，且完成了陸地和海洋不同生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)區(qū)劃。21世紀(jì)以來(lái)，由于矢量文件及遙感數(shù)據(jù)等資料的完備，全球尺度的區(qū)劃研究也逐漸涌現(xiàn)。OLSON［18］在BAILEY 的研究基礎(chǔ)上，集成了諸多學(xué)者對(duì)區(qū)劃方案的研究，最終再次制定了全球陸地生態(tài)區(qū)劃方案。SPALDING［19］及ABELL［20］分別對(duì)全球尺度下的海洋生態(tài)系統(tǒng)及淡水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了區(qū)劃，為生物多樣性保護(hù)提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)，此后生態(tài)學(xué)學(xué)者在生物多樣性保護(hù)研究方面略有成效［21，22］。

國(guó)內(nèi)對(duì)生態(tài)區(qū)劃研究相對(duì)較晚，早期多側(cè)重于自然狀態(tài)下定性的生態(tài)區(qū)劃，但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的干預(yù)作用增強(qiáng)，20 世紀(jì)80 年代初開始國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出人類活動(dòng)強(qiáng)烈干擾下生態(tài)區(qū)劃的研究熱潮，很大程度推動(dòng)了生態(tài)區(qū)劃研究進(jìn)程。2001 年，傅伯杰［23］將我國(guó)西部劃分為7 個(gè)一級(jí)區(qū)和22個(gè)二級(jí)區(qū)，并在區(qū)劃過(guò)程中將人類活動(dòng)較為強(qiáng)烈的地域單獨(dú)劃分出來(lái)，如農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的劃分；2012年，謝高地［24］采用定量方法即空間疊置及模糊聚類法將全國(guó)分為4 個(gè)生態(tài)大區(qū)，11個(gè)生態(tài)地區(qū)和63個(gè)生態(tài)區(qū)，該研究也首次保證了縣域邊界的完整性，可為各地開展生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)提供強(qiáng)有力的理論支撐；2013 年，傅伯杰［25］進(jìn)一步擴(kuò)大尺度，考慮生態(tài)敏感性和人類活動(dòng)等要素研究全國(guó)尺度下的生態(tài)區(qū)劃。除了因生態(tài)地理格局不同而進(jìn)行的生態(tài)劃分之外，國(guó)內(nèi)學(xué)者也重視根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的特征和類型不同進(jìn)行區(qū)劃研究。2001年，李森［26］對(duì)青藏高原土地沙漠化進(jìn)行生態(tài)區(qū)劃；2005 年，倪?。?7］對(duì)西北干旱區(qū)進(jìn)行生態(tài)區(qū)劃；2008 年，徐文鐸［28］對(duì)東北植被區(qū)進(jìn)行生態(tài)區(qū)劃；2013年，申元村［29］對(duì)沙漠戈壁區(qū)進(jìn)行生態(tài)區(qū)劃，土地沙漠化等現(xiàn)象本身就是人類過(guò)度利用土地，以及水資源-生態(tài)環(huán)境之間不協(xié)調(diào)的產(chǎn)物，揭示地域差異的內(nèi)在不同，進(jìn)行區(qū)域的劃分，有利于相關(guān)部門達(dá)成管理目標(biāo)［30］。目前，生態(tài)區(qū)劃研究的發(fā)展不僅僅是生態(tài)地理及特征的區(qū)劃，更側(cè)重于生態(tài)功能區(qū)劃［31］，生態(tài)功能區(qū)劃多關(guān)注于人與自然協(xié)同發(fā)展，以及區(qū)劃結(jié)果對(duì)區(qū)域的指引意義。

1.2 水文區(qū)劃發(fā)展歷程

水文區(qū)劃是為了解水文特征的規(guī)律而對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行區(qū)劃。水文區(qū)劃可為水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的布置、水資源管理及配置提供數(shù)據(jù)支撐。水文區(qū)劃主要針對(duì)降水量、徑流量、蒸發(fā)量等水文因子作為指標(biāo)項(xiàng)，利用聚類、模糊聚類、流域水文模型等進(jìn)行水文區(qū)劃。

水文區(qū)劃的研究側(cè)重于區(qū)劃方法的研究及改進(jìn)。國(guó)外水文區(qū)劃的研究最早開始于1981年，MOSLEY［32］利用聚類法對(duì)新西蘭洪水水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明水文區(qū)劃不適用于較小復(fù)雜的區(qū)域，如新西蘭，而更適用于水文要素在空間上具有相對(duì)均一性的大區(qū)域，例如美國(guó)中西部和非洲。1982 年，TASKER［33］將聚類分析方法成功應(yīng)用到水文區(qū)劃的研究中。1990 年，NATHAN［34］使用多元回歸將聚類分析法進(jìn)行改進(jìn)，選擇和加權(quán)最合適的變量，然后使用聚類分析得出初步分組，最后使用多維繪圖技術(shù)和最小化初步分組進(jìn)行異質(zhì)性水文分類。以上水文區(qū)劃的方法聚焦于傳統(tǒng)聚類法，隨著人類認(rèn)知水文循環(huán)過(guò)程的提高以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬及新型聚類算法逐漸興起。2000 年，CHIANG［35］首次采用時(shí)間序列模型構(gòu)建了16 個(gè)水文參數(shù)，通過(guò)聚類算法將阿拉巴馬州、喬治亞州和密西西比州劃分為6 個(gè)水文區(qū)劃。2005 年，RAO［36，37］研究了混合聚類算法以及模糊聚類算法在水文區(qū)劃中的有效性。2011年，OLDEN［38］總結(jié)了水文區(qū)劃研究的框架以及常用方法。

我國(guó)學(xué)者對(duì)水文區(qū)劃的研究較早。1954年，羅開富［39］教授首次擬定了中國(guó)水文區(qū)劃草案，將中國(guó)分為三級(jí)九區(qū)，雖然區(qū)劃分級(jí)較粗糙，但確是一個(gè)良好的開端。1956 年，中國(guó)科學(xué)院地理研究所以徑流深、河水季節(jié)變化、水利條件為指標(biāo)，進(jìn)一步細(xì)化了區(qū)劃分級(jí)，將全國(guó)分為13 個(gè)水文區(qū)，46 個(gè)水文地帶和89個(gè)水文省，基本上全面地反映了全國(guó)水文區(qū)域的面貌和特征，在水文區(qū)劃工作領(lǐng)域是一個(gè)標(biāo)志性的研究成果。由于測(cè)站布設(shè)的不完善且數(shù)據(jù)序列較短、野外監(jiān)測(cè)資料的稀缺等均導(dǎo)致國(guó)內(nèi)早期的水文區(qū)劃研究較粗糙。到20 世紀(jì)80 年代，胡鳳彬［40］等在福建、浙江、江西、湖南四省范圍內(nèi)111 個(gè)區(qū)域進(jìn)行了日流量過(guò)程的模擬，并通過(guò)模擬參數(shù)與地形地貌、植被等因子的單向性關(guān)系進(jìn)行綜合水文區(qū)劃。自此，流域水文模型參數(shù)法逐漸進(jìn)入大眾視野，但國(guó)內(nèi)鮮少用此方法進(jìn)行水文區(qū)劃，主要是因?yàn)檎{(diào)試模型較復(fù)雜，且精度不好把控。到20 世紀(jì)90 年代，隨著測(cè)站數(shù)量增多，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)充足，基礎(chǔ)資料的獲取逐漸變得容易，水文區(qū)劃的精度也越來(lái)越高。1995 年，熊怡［41］利用徑流量、氣候帶等指標(biāo)在全國(guó)尺度開展水文區(qū)劃研究，依據(jù)我國(guó)的地域差異和水情差異劃分了11 個(gè)一級(jí)區(qū)、56 個(gè)二級(jí)區(qū)。近年來(lái)，一些新的區(qū)劃方法被引進(jìn)到水文區(qū)劃中，如混合聚類、模糊聚類等方法引入到水文區(qū)劃，取得了較好的成果［36，37，42］。

1.3 生態(tài)水文區(qū)劃發(fā)展歷程

國(guó)內(nèi)外生態(tài)領(lǐng)域研究者主要進(jìn)行生態(tài)區(qū)劃，水文研究者主要進(jìn)行水文區(qū)劃，面向生態(tài)的水文區(qū)劃屬跨學(xué)科跨領(lǐng)域的研究。生態(tài)水文區(qū)劃是在考慮生態(tài)過(guò)程與水文過(guò)程互饋效應(yīng)的基礎(chǔ)上，為揭示生態(tài)水文現(xiàn)象地域性規(guī)律進(jìn)行的區(qū)劃。以區(qū)劃為基礎(chǔ)，制定基于水資源承載力條件下的流域管控模式及水資源開發(fā)戰(zhàn)略是區(qū)劃的最終目標(biāo)。生態(tài)水文區(qū)劃是在生態(tài)區(qū)劃與水文區(qū)劃研究的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，故研究時(shí)間較晚、研究方法較新，但研究成果較少。

國(guó)外學(xué)者多集中于生態(tài)區(qū)劃、水文區(qū)劃、農(nóng)業(yè)區(qū)劃、地理景觀區(qū)劃等其他區(qū)劃的獨(dú)立研究，對(duì)于生態(tài)水文區(qū)劃的研究較少。國(guó)內(nèi)直到2005 年，生態(tài)水文區(qū)劃才進(jìn)入學(xué)者們的研究范疇。尹民［43］率先界定了河流生態(tài)水文區(qū)劃的內(nèi)涵，開啟了生態(tài)水文區(qū)劃的研究，隨后諸多學(xué)者也逐漸開展生態(tài)水文區(qū)劃研究［41-70］，而近年來(lái)，大尺度的生態(tài)水文區(qū)劃研究成為研究熱點(diǎn)，如張洪波［56］在黃河流域開展生態(tài)水文區(qū)劃工作，魏兆珍［73］對(duì)海河流域進(jìn)行生態(tài)水文區(qū)劃，劉延國(guó)［50］在青藏高原進(jìn)行生態(tài)水文區(qū)劃等。

2 生態(tài)水文區(qū)劃研究方法

生態(tài)水文區(qū)劃的目標(biāo)主要是根據(jù)不同指標(biāo)進(jìn)行區(qū)域生態(tài)水文界限的確定。其研究流程是：確定研究尺度（框定范圍）→構(gòu)建生態(tài)水文指標(biāo)體系（基礎(chǔ)與理論基礎(chǔ)）→選擇適合的區(qū)劃方法（核心與重點(diǎn)）→對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行區(qū)劃（目標(biāo)與任務(wù)）。

2.1 研究尺度的確定

進(jìn)行生態(tài)水文分區(qū)劃定，首先要明確研究尺度，研究尺度包括時(shí)間尺度和空間尺度［44，45］。目前關(guān)于生態(tài)水文區(qū)劃的空間尺度多集中于全球、流域或區(qū)域等大尺度上的過(guò)程研究，時(shí)間尺度主要以年際時(shí)間序列或多年平均序列等長(zhǎng)序列固定時(shí)間段為主。

李相南［46］空間上對(duì)全球尺度進(jìn)行了分析，時(shí)間上利用1960-2017 年年際氣象、生態(tài)、水文數(shù)據(jù)，構(gòu)建了考慮人類水資源開發(fā)利用的全球氣候-生態(tài)-水文區(qū)劃。何旭亞［47］空間上以橫斷山山區(qū)為研究對(duì)象，時(shí)間上開展了1970、1980、1990、1995、2010、2015、2018 年共7 期的基于生態(tài)-氣象-水文區(qū)劃的研究。李淑霞［48］空間上以寧夏回族自治區(qū)為研究對(duì)象，時(shí)間上利用生態(tài)系統(tǒng)、水文水資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件多年平均數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將寧夏劃分為4 個(gè)區(qū)域，并對(duì)各區(qū)域水資源開發(fā)利用提出思路和建議。

截止目前，較小尺度的生態(tài)水文區(qū)劃研究并不多，這是因?yàn)閰^(qū)域較小時(shí)，水文、生態(tài)相似性比較單一，并不會(huì)產(chǎn)生異質(zhì)化現(xiàn)象，但從區(qū)域管理角度出發(fā)，大尺度的研究無(wú)法匹配具體的管理目標(biāo)，故缺少生態(tài)水文區(qū)劃為水循環(huán)及生態(tài)保護(hù)提出實(shí)際管控策略的應(yīng)用；在時(shí)間尺度上，以年際時(shí)間序列或多年平均時(shí)間序列等連續(xù)固定時(shí)間段的研究較多，并沒有考慮時(shí)間動(dòng)態(tài)變化影響下的生態(tài)水文類型區(qū)劃的不同。

2.2 指標(biāo)體系的構(gòu)建

如何能從現(xiàn)有資料入手，經(jīng)過(guò)疊加、計(jì)算、模擬等方法獲取生態(tài)水文情勢(shì)，進(jìn)一步根據(jù)生態(tài)水文特征對(duì)區(qū)域進(jìn)行劃分是目前研究的重點(diǎn)。為了使生態(tài)水文區(qū)劃更加科學(xué)合理，需要選取較為獨(dú)立且敏感的指標(biāo)［49］，以期充分反映區(qū)域的生態(tài)環(huán)境情勢(shì)、氣象條件以及水文特征。選取合適的指標(biāo)即構(gòu)建生態(tài)水文指標(biāo)體系將是研究生態(tài)水文變化及區(qū)劃的基礎(chǔ)與理論依據(jù)。不同學(xué)者根據(jù)區(qū)域的獨(dú)特性選取不同的指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)水文綜合指標(biāo)體系。

流域生態(tài)水文指標(biāo)體系的選取要強(qiáng)調(diào)其表征與評(píng)價(jià)功能，需遵循“易代全”原則：

（1）指標(biāo)的易獲取性：在選取指標(biāo)時(shí)，應(yīng)主要考慮指標(biāo)獲取的難易程度，盡量選取難度低的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。尹民［33］、楊愛民［42］選取降水量、徑流量、徑流系數(shù)等多個(gè)生態(tài)水文因子構(gòu)建生態(tài)水文指標(biāo)體系，以上指標(biāo)均可由全國(guó)水資源綜合規(guī)劃統(tǒng)計(jì)資料及全國(guó)土地利用圖直接獲取或經(jīng)簡(jiǎn)單處理得到。

（2）指標(biāo)的代表性：即應(yīng)抓住表征流域生態(tài)水文情勢(shì)主要矛盾的主導(dǎo)因素，能夠準(zhǔn)確反映特定流域特定尺度條件下生態(tài)水文特征。劉延國(guó)［50］針對(duì)山地災(zāi)害嚴(yán)重的青藏高原東緣地形急變帶選取高程、坡度等指標(biāo)，蔡燕［51］針對(duì)黃河流域水資源匱乏及生態(tài)環(huán)境污染問題，選取土壤侵蝕模數(shù)、植被覆蓋度等指標(biāo)構(gòu)建指標(biāo)體系。

（3）指標(biāo)的全面性：選取指標(biāo)時(shí)要全面，既要考慮生態(tài)現(xiàn)狀和水文情勢(shì)，亦要考慮空間特性（地形、氣候等）及人類干擾因素。楊愛民［42］、王韶偉［52］等選取生態(tài)環(huán)境、水文條件、人類活動(dòng)等不同維度指標(biāo)全面構(gòu)建生態(tài)水文指標(biāo)體系。

在構(gòu)建指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，還必須對(duì)指標(biāo)的重要性進(jìn)行賦權(quán)，即對(duì)各指標(biāo)在整個(gè)體系運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的影響力大小進(jìn)行評(píng)價(jià)。指標(biāo)的權(quán)重確定方法主要包括主觀法和客觀法。

主觀賦值法指的是對(duì)所選指標(biāo)進(jìn)行定性分析，邀請(qǐng)行業(yè)知名專家進(jìn)行探討，構(gòu)建成對(duì)判斷矩陣，并計(jì)算其最大特征值，最主要的方法是層次分析法（The Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP）。孫艷［53］邀請(qǐng)相關(guān)專家討論并利用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，最終對(duì)南水北調(diào)東線一期工程受水市縣劃分為5個(gè)區(qū)劃，區(qū)劃結(jié)果將為農(nóng)業(yè)水資源和節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供個(gè)性化策略。

客觀賦值法指的是將所選指標(biāo)進(jìn)行定量分析計(jì)算，主要包括主成分分析［34，54，55］、相關(guān)分析［56］和熵值法［6，57］。NATHAN［34］、DAVID［54］、林蔚［55］利用主成分分析法對(duì)所選指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行賦值；張洪波［56］采用PEARSON 相關(guān)分析法對(duì)黃河流域生態(tài)水文指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，并構(gòu)建了黃河生態(tài)水文指標(biāo)體系；AGARWAL［57］利用基于小波的多尺度熵確定指標(biāo)權(quán)重；尹曄［6］通過(guò)計(jì)算指標(biāo)的熵值、熵權(quán)確定權(quán)重。

目前生態(tài)水文指標(biāo)體系構(gòu)建尚未形成統(tǒng)一的研究方法，且受主觀因素影響較大，經(jīng)驗(yàn)選取較多，隨意性較強(qiáng)；指標(biāo)的選取并不是越多越好，亦不是越少越好，需要制定一定的原則，有選擇地選取具有代表性、易獲取的指標(biāo)，舍棄一些與生態(tài)水文研究不相關(guān)的邊緣指標(biāo)。

2.3 區(qū)劃方法的選擇

構(gòu)建生態(tài)水文區(qū)劃指標(biāo)體系及對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)之后，即可進(jìn)行區(qū)劃計(jì)算。區(qū)劃方法要根據(jù)一定的途徑或通道實(shí)現(xiàn)，這種途徑可分為“自上而下”和“自下而上”［58］?！白陨隙隆钡耐ǖ乐饕嫦驀?guó)家尺度前三級(jí)單位（大區(qū)、地區(qū)和區(qū)），精準(zhǔn)度較高，但越往細(xì)劃分，指標(biāo)越難選擇，界限越模糊，且無(wú)法考慮人類活動(dòng)的影響，故該種通道不適合流域尺度的劃分；“自下而上”的通道是對(duì)某流（區(qū)）域生態(tài)水文指標(biāo)相似性進(jìn)行合并，逐級(jí)往上得到區(qū)劃單元，但該種通道工作量較大且只能在已有土地類型圖資料的流（區(qū)）域進(jìn)行。

流域生態(tài)水文區(qū)劃方法從宏觀角度可分為定性方法與定量方法［59，60］。定性方法即邀請(qǐng)行業(yè)知名專家進(jìn)行研討商議，最終確定區(qū)劃結(jié)果，該種方法受主觀認(rèn)知影響較大，隨之帶來(lái)較大的主觀性和隨意性，故現(xiàn)作為輔助區(qū)劃方法；定量方法即在一定的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法下進(jìn)行區(qū)劃，主要包括疊置分析法、傳統(tǒng)聚類分析法及“新”聚類法等。

（1）疊置分析法。疊置分析法又叫專題圖疊加法，是以生態(tài)水文學(xué)原理為基礎(chǔ)，以陸地系統(tǒng)科學(xué)方法為依托，利用地理信息系統(tǒng)的分析功能，進(jìn)行數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單疊加和處理。

尹民［43］采用自上而下逐級(jí)劃分的研究思路，利用GIS 的疊置分析功能，在以全國(guó)水資源區(qū)劃基礎(chǔ)上疊加地貌區(qū)劃圖、干燥度圖和徑流帶分布圖作為二級(jí)區(qū)劃，同樣以相同的方法在二級(jí)區(qū)的結(jié)果上疊加全國(guó)水資源三級(jí)區(qū)劃圖、水系與水庫(kù)節(jié)點(diǎn)分布圖以及湖泊濕地分布圖作為三級(jí)區(qū)劃。DAVID［54］利用地理信息系統(tǒng)GIS 對(duì)美國(guó)的水文景觀區(qū)劃分為20 個(gè)不連續(xù)的區(qū)域。倪健［27］以專家經(jīng)驗(yàn)判斷及地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，將西北干旱區(qū)劃分為3 個(gè)生態(tài)域、23 個(gè)生態(tài)區(qū)和80 個(gè)生態(tài)小區(qū)。NABATI［61］利用模糊邏輯和地理信息系統(tǒng)原理，首次提出抗性品種，以春、秋作物的形式確定伊朗西部鷹嘴豆的最佳種植生態(tài)區(qū)劃。

以上專題圖疊加方法在研究與實(shí)踐應(yīng)用中較為普遍，且常用于大尺度的生態(tài)水文區(qū)劃，中小尺度并不適用，這是因?yàn)椋豪茂B置法對(duì)中小尺度生態(tài)水文進(jìn)行區(qū)劃，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生更多的區(qū)劃指標(biāo)，分析時(shí)容易出現(xiàn)無(wú)法合并的碎斑塊，如若留下不理會(huì)，則會(huì)增加區(qū)劃的種類，組內(nèi)樣本個(gè)數(shù)較少，不具有代表性；如若去除，該碎塊處如何處理需考慮，徒增工作量，且會(huì)失去區(qū)劃的原有意義。

（2）傳統(tǒng)聚類分析法。聚類分析法是研究多個(gè)隨機(jī)變量之間相關(guān)依賴關(guān)系以及內(nèi)在統(tǒng)計(jì)規(guī)律的方法，它將大量相似樣本劃分為一個(gè)類別，即遵照“物以類聚，人以群分”的主旨思想。傳統(tǒng)聚類分析法主要指的是K 均值算法（K-means clustering algorithm，簡(jiǎn)稱K-means）。K-means 聚類法是對(duì)樣本進(jìn)行不斷迭代并調(diào)整質(zhì)心，以達(dá)到各點(diǎn)到質(zhì)心距離平方和最小的分類方案。目前，傳統(tǒng)利用聚類分析法是生態(tài)水文區(qū)劃較為常用的方法之一。

林蔚［55］利用K-means聚類方法，設(shè)定聚類數(shù)為5，對(duì)我國(guó)汀江上游流域生態(tài)水文空間差異性進(jìn)行研究，經(jīng)過(guò)16 次迭代分析，最終劃分為汀江干流下游多水區(qū)、汀江干流上游平水區(qū)、七里河少水區(qū)、鐵長(zhǎng)河和鄭坊河上游多水區(qū)以及七里河和鄭坊河下游平水區(qū)。姬海娟［62］利用K-means 聚類方法，設(shè)定聚類數(shù)為5，將我國(guó)青藏高原雅魯藏布江流域劃分為高寒荒漠區(qū)、高原溫帶河谷區(qū)、高原峽谷稀林區(qū)、高原冰川雨雪區(qū)和，亞熱帶山地多雨區(qū)，以達(dá)到有資料地區(qū)向無(wú)資料地區(qū)水文資料移用的目標(biāo)。張璐［63］利用系統(tǒng)聚類法，設(shè)定聚類數(shù)為5，對(duì)南水北調(diào)中線一期工程受水區(qū)進(jìn)行了生態(tài)水文區(qū)劃，最終將其劃分為豫平原少水極強(qiáng)度活動(dòng)生態(tài)水文區(qū)、豫北冀平原缺水極強(qiáng)度活動(dòng)生態(tài)水文區(qū)、滄州地區(qū)極缺水極強(qiáng)度活動(dòng)生態(tài)水文區(qū)、北京缺水強(qiáng)度活動(dòng)生態(tài)水文區(qū)以及天津極強(qiáng)度活動(dòng)生態(tài)水文區(qū)。

傳統(tǒng)聚類法雖能保證算法的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確率，以實(shí)現(xiàn)流域或區(qū)域區(qū)劃，但仍存在以下問題：①傳統(tǒng)聚類法受異常值及噪音值影響較大，并不能準(zhǔn)確識(shí)別出異常值，常導(dǎo)致區(qū)劃的相似性較差；②傳統(tǒng)聚類法通常適合于分類數(shù)目已知的聚類，對(duì)于無(wú)法提前設(shè)定分類數(shù)目的聚類，無(wú)法使用該方法，故較為死板，又稱作“硬聚類”；③根據(jù)傳統(tǒng)聚類“歐氏距離”的理解，傳統(tǒng)聚類只對(duì)簡(jiǎn)單的、分離性能好的且圓形分布的數(shù)據(jù)有比較好的結(jié)果。

（3）“新”聚類法。“新”聚類法指的是任何基于“聚類”法的改進(jìn)方法。例如基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聚類、基于模糊算法的聚類等。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks，簡(jiǎn)稱ANNs）是通過(guò)模擬人的大腦，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)處理。目前，ANNs技術(shù)已廣泛應(yīng)用于聚類算法中。例如王韶偉［52］分別用系統(tǒng)聚類法與自組織特征映射人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Self-Organizing Feature Map，簡(jiǎn)稱SOFM）聚類法對(duì)福建省泉州市進(jìn)行區(qū)劃，通過(guò)分析比較，SOFM 網(wǎng)絡(luò)聚類法更能反映人類影響下各地域生態(tài)水文特征。

模糊聚類法是將模糊數(shù)學(xué)理論運(yùn)用到聚類分析法中，是傳統(tǒng)聚類法的一種改進(jìn)方法，即用模糊數(shù)學(xué)的方法確定樣本之間的定量關(guān)系，模糊聚類法更加靈活，能夠更好更精準(zhǔn)地聚類，又稱“軟聚類”。丁亞明［64］利用改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊聚類算法基于主成分分析結(jié)果，對(duì)淮河流域124716 個(gè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，該種方法在一定程度上解決了模糊C-均值聚類算法的局部收斂問題，能夠提高時(shí)間效率和求解精度。楊愛民［42］采用ISODATA（Interative Self Organizing Date Analysis Technique A）模糊聚類分析法進(jìn)行運(yùn)算，將全國(guó)劃分為3個(gè)生態(tài)水文大區(qū)，36個(gè)生態(tài)水文區(qū)。

“新”聚類法已逐漸進(jìn)入生態(tài)水文學(xué)者研究領(lǐng)域，目前該方法在水文區(qū)劃及其他學(xué)科中應(yīng)用較廣泛，但在生態(tài)水文學(xué)的研究并不多。筆者認(rèn)為出現(xiàn)這種狀況的原因是水文區(qū)劃概念已存在較長(zhǎng)時(shí)間，但生態(tài)水文研究是近來(lái)興起的課題，尤其面向生態(tài)的水文區(qū)劃亦就是近10年以來(lái)才成為熱門的研究方向。

3 生態(tài)水文區(qū)劃研究難點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)

3.1 研究難點(diǎn)

（1）如何構(gòu)建合理的指標(biāo)體系。生態(tài)水文區(qū)劃研究的基礎(chǔ)與理論依據(jù)是指標(biāo)的選取，指標(biāo)選取的是否合理，對(duì)于后續(xù)的生態(tài)水文區(qū)劃工作具有重要的意義，因此指標(biāo)體系的確立必須依靠一定的理論基礎(chǔ)及計(jì)算方法。但目前指標(biāo)的選擇及權(quán)重的賦值較隨意，且與研究者的科研經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，主觀性較強(qiáng)，定量篩選研究的精度還有待提高。

（2）如何擴(kuò)大研究范圍。目前生態(tài)水文區(qū)劃研究主要集中于大中尺度或經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，這是因?yàn)榇笾谐叨然蚪?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)水文站網(wǎng)密度較大，水文資料較豐富，可通過(guò)水文站直接獲取到水文數(shù)據(jù)，但小尺度或山區(qū)河流、無(wú)資料地區(qū)，由于缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，生態(tài)水文區(qū)劃研究幾乎為空白。

（3）如何提高生態(tài)水文區(qū)劃精度。目前生態(tài)水文區(qū)劃雖大多采用定性分析與定量分析結(jié)合的方法，但仍舊面臨提高定量分析精度的問題。例如基于地理信息系統(tǒng)GIS 進(jìn)行疊置分析時(shí)，會(huì)出現(xiàn)無(wú)法聚類的碎斑塊；基于傳統(tǒng)或K-means 聚類法進(jìn)行分析時(shí)，適合于分類數(shù)目已知的聚類，對(duì)于無(wú)法提前設(shè)定分類數(shù)目的聚類，無(wú)法使用該方法等問題。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)生態(tài)水文區(qū)劃研究的復(fù)雜性、區(qū)域性及交叉性，未來(lái)研究方法及思路呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)：

（1）定性與定量結(jié)合篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)。在對(duì)生態(tài)水文相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行定性初篩后，還是會(huì)存在指標(biāo)多、范圍大、維度高等問題，因此需要引入定量方法進(jìn)行降維處理，例如主成分分析法、因子分析法等，即找出可用少數(shù)代表多數(shù)的指標(biāo)，亦可用少數(shù)的指標(biāo)高度概況多數(shù)指標(biāo)，且彼此間互不相關(guān)。除此之外，利用組合權(quán)重法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，綜合考慮了指標(biāo)本身重要程度及客觀事物之間的關(guān)系，組合權(quán)重法在水質(zhì)評(píng)價(jià)［65，66］及水資源承載力評(píng)價(jià)［67，68］等方面都得到了廣泛應(yīng)用，有效提高了評(píng)價(jià)的科學(xué)性，在未來(lái)生態(tài)水文區(qū)劃的研究中也可引進(jìn)此方法。主客觀組合賦權(quán)法將是未來(lái)構(gòu)建生態(tài)水文指標(biāo)體系的主要發(fā)展目標(biāo)。

（2）多源數(shù)據(jù)融合。許多區(qū)域水文測(cè)站并不完善，某些地區(qū)也因?yàn)橄聣|面和氣候條件的變化導(dǎo)致過(guò)去的水文資料不再適用。利用水文相似法將有資料地區(qū)數(shù)據(jù)移植到缺乏資料地區(qū)［69］，或可考慮利用遙感衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)與相近站點(diǎn)雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比率定，從而通過(guò)數(shù)據(jù)訂正等多種優(yōu)化方法融合多源數(shù)據(jù)。多源數(shù)據(jù)融合將是解決無(wú)資料地區(qū)水文數(shù)據(jù)獲取的重要研究方向。

（3）優(yōu)化區(qū)劃方法。隨著人們對(duì)生態(tài)-水文相互作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)逐步擴(kuò)大和加深，一些計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)者也進(jìn)入生態(tài)水文區(qū)劃研究圈，通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)聚類，很大程度上提高了聚類的靈活性及精準(zhǔn)度。在未來(lái)研究中可優(yōu)化常用的K-means算法，例如高斯混合模型聚類可對(duì)不同分布的數(shù)據(jù)擬合更加準(zhǔn)確、密度聚類可充分識(shí)別出數(shù)據(jù)的異常值、狄利克雷過(guò)程混合模型可無(wú)需在聚類前確定區(qū)劃類別數(shù)量等。除此之外，Li［70］采用隨機(jī)向量對(duì)無(wú)資料地區(qū)開展水文區(qū)劃工作、胡秀［71］以紅姜花為例，采用MaxEnt模型對(duì)近自然林模式栽培的野生植物進(jìn)行引種區(qū)劃等，這些區(qū)劃的 “新”方法都將是未來(lái)生態(tài)水文區(qū)劃工作的研究重點(diǎn)。

（4）目前，水文水資源區(qū)劃主要做固定時(shí)間段的研究，而生態(tài)系統(tǒng)較敏感，容易受周圍環(huán)境的影響，例如氣候變化、土地利用、植被覆蓋等，當(dāng)這些環(huán)境因子隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)也會(huì)隨之發(fā)生改變，生態(tài)水文區(qū)劃中需考慮這種變化帶來(lái)的影響。例如2014 年，魏兆珍［72］以海河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)水文類型區(qū)劃中充分考慮了土地利用的變化。故未來(lái)的研究可按照一定的分期進(jìn)行生態(tài)水文區(qū)劃動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)或預(yù)測(cè)區(qū)域未來(lái)生態(tài)水文區(qū)劃的趨勢(shì)，為分階段制定水資源管理制度或流域水資源管控模式提供更合理的、科學(xué)的依據(jù)。

4 結(jié) 論

生態(tài)過(guò)程與水文過(guò)程互饋互利，相伴而生，兩者之間的關(guān)系和影響錯(cuò)綜復(fù)雜。面向生態(tài)的水文區(qū)劃研究可為管理者制定流域管控模式及水資源開發(fā)戰(zhàn)略提供有利抓手，為決策者制定生態(tài)保護(hù)政策提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

目前國(guó)外的研究主要集中于生態(tài)區(qū)劃或水文區(qū)劃的單獨(dú)研究，考慮生態(tài)與水文耦合關(guān)系的區(qū)劃研究較缺乏。而國(guó)內(nèi)生態(tài)水文區(qū)劃的研究雖然已開展，但都集中于主成分分析及聚類法等傳統(tǒng)方法、固定時(shí)間段的分析以及大中空間尺度的研究等。優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、融合多源數(shù)據(jù)、提升區(qū)劃方法精度以及監(jiān)測(cè)區(qū)劃動(dòng)態(tài)變化將是未來(lái)重要的研究方向。