許妍 劉良玉 李志輝

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

關鍵詞：區(qū)劃方法;無資料地區(qū);水文預報

前言

水資源問題始終是我國重點關注問題，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?shù)厮臈l件的基礎上，才能保證水資源管理工作的科學開展。但是當前已有的水資源數(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，有必要加大對無資料地區(qū)水文預報中區(qū)劃方法應用的探討，確保各地區(qū)水資源的有效供應。

一、無資料地區(qū)水文研究現(xiàn)狀

當前無資料地區(qū)的水資源管理問題主要受到有關數(shù)據(jù)缺乏的影響，不能保證水資源管理科學性，并且數(shù)據(jù)獲取難度大，為水資源管理帶來一定挑戰(zhàn)。相關數(shù)據(jù)表明，近年來全球水文站點數(shù)據(jù)正不斷減少，并且受到人類活動和經(jīng)濟發(fā)展的影響，一些地區(qū)的水文過程無法正常進行，導致已有水文數(shù)據(jù)和實際情況不符，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有3400多個，但我國國土面積大，相對來講水文站點數(shù)量還有所不足，且水文站點布局不科學，不能保證各個地區(qū)水資源的充分供應。因此，為了改變這一現(xiàn)狀，不斷豐富水文資料，有必要進行無資料地區(qū)的水文預報研究。

二、區(qū)劃分析方法

區(qū)劃方法是目前無資料地區(qū)的水文預報上較為常見的分析方法，能針對各地區(qū)水資源管理提供依據(jù)。水文區(qū)劃是指利用遙感技術和水文模型等方法，找到流域之間的水文相似性，加強流域和對穩(wěn)模型間的聯(lián)系，從而進行地區(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，要考慮各流域間的空間距離，對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，其中臨近法直接應用附近流域的水文數(shù)據(jù);插值法是指針對附近的多個流域做線性插值，分析得到無資料地區(qū)的水文數(shù)據(jù)信息[1]。一個地區(qū)的水文行為會影響地區(qū)流域的氣候條件和結構特征，要根據(jù)水文數(shù)據(jù)進行流域水資源管理。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系，進而對無資料地區(qū)的水文數(shù)據(jù)進行估計。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，才可運用這一方法。有學者認為臨近流域區(qū)劃分析法的應用原理為：氣候條件對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，對不同區(qū)劃方法進行對比分析后，能為各地區(qū)水文預報提供有效方法。例如，在對比全局平均法和代理流域法后，可觀察到兩種方法應用效果相似。另外，對奧地利多個流域進行研究時，發(fā)現(xiàn)上下游平均法要優(yōu)于空間臨近法的應用。

2.水文相似流域替代法

對于某個流域來講，它的景觀、地形、降雨量和蒸發(fā)量等將對流域水文行為產(chǎn)生影響明顯，當這些特征相似時，說明不同流域的水文行為較為相似，這時可以說不同流域有著水文相似性[2]。在判斷流域相似性時，結構特征相較于氣候特征更能準確表現(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)外推解決水文預報問題。這一方法在水文預報上有較好運用，能為水資源管理提供有效數(shù)據(jù)支持。實際運用水文相似法時，要對比分析各流域的多個特征值，得到最為相似的流域。主成分分析、聚類、多維標度法是較為常見的多指標相似性識別方法，可結合實際情況選擇適當?shù)姆治龇椒āＳ袑W者對萊茵河多個集水區(qū)利用多維標度法進行相似性分析，確定水文相似的流域，之后通過模型參數(shù)的傳遞進行無資料地區(qū)水文預報。另外，Onema采用聚類分析和主成分分析法，對尼羅河多個流域進行劃分，能為水文預報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)水文預報中常用的分析方法，估計得出無資料地區(qū)的徑流模型參數(shù)?；貧w模型的表達式如下：

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確性，在運用一步回歸和連續(xù)回歸方法時，要進行回歸模型和水文模型的校準，其中連續(xù)回歸不能同時校準以上兩個模型，需要按照特定順序依次校準模型參數(shù)。

三、各類區(qū)劃分析方法的對比分析

1.對比分析

不同區(qū)劃分析方法有著自身應用優(yōu)勢和缺陷，本文具體分析了這些區(qū)劃方法的應用特點。其中臨近流域法具有操作方便的優(yōu)勢，能在短時間內判斷流域水文數(shù)據(jù)，簡化了計算步驟。但是臨近流域法還存在一定不足，該方法實際使用時有較大不確定性，降低了分析結果準確性。從學者對英國某些流域的研究可知，將臨近流域法運用到流域水文預報中，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，應用過程相對復雜。相對來講，插值法在無資料地區(qū)水文預報上的適用性較強，對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性，需要進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用局限性，待分析流域和臨近流域之間的差異將對水文數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，并且這種方法缺乏科學依據(jù)。而采用回歸法時，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)水文問題處理上應用回歸法時，可能出現(xiàn)參數(shù)不能全部建立在方程中的問題。實際使用時，還要工作人員結合自身經(jīng)驗和理論知識，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?shù)厮男袨?，以便為今后的水資源管理、水文站點建設等工作的開展奠定基礎。

2.區(qū)劃分析方法應用問題

盡管以水文相似性為基礎的區(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，但實際使用時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分析結果的影響。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)范標準，導致實際選擇臨近流域時，受到工作人員主觀因素影響較大，可能造成分析結果有一定誤差[3]。其次，多種區(qū)劃分析方法都是以水文相似性為基礎的，而關于流域特征相似還沒有給出科學的辨別依據(jù)，不同學者在水文相似性識別上有不同看法。再次，當前針對各個區(qū)劃分析方法的適用情況不明確，一些方面的規(guī)定需要相關工作者結合工作實踐經(jīng)驗不斷完善，通過模型分析和流域水文行為分析，加大對區(qū)劃分析方法具體應用的了解。最后，由于區(qū)劃分析中的模型參數(shù)相對復雜，加大了參數(shù)研究工作量和復雜程度，因此關于模型參數(shù)傳遞的研究還比較缺乏，不能為相關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容，以便保障研究工作順利開展，進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，在進行無資料地區(qū)的水文預報工作時，關鍵在于結合地區(qū)實際情況選擇恰當?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、積雪等運動規(guī)律是不斷變化的。同時，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)，建立相應的模型，之后進行參數(shù)傳遞。另外，國內通常使用MODIS參數(shù)和地面數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，得出分析模型有關參數(shù)，例如積雪水當量和積雪閾值等。除了考慮氣候條件外，還要結合各地區(qū)資料條件選擇相應的區(qū)劃分析方法。

通常來講，當流域的水文資料較匱乏時，利用空間距離基礎上的區(qū)劃法是解決水文預報問題的有效措施，根據(jù)空間位置確定水文相似流域，對資料條件要求較小，但是只能運用在氣候和地形條件相對穩(wěn)定的流域上[4]。對于一個地區(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，對臨近流域的空間位置要求不大，可同時解決多個水文相似性地區(qū)的水文預報問題，對流域研究有效展開有重要意義。以云南省滇池流域為例，該地區(qū)供有30條河流，大多數(shù)河流沒有相應的檢測數(shù)據(jù)，在分析這一地區(qū)的水文條件時，可采用水文相似區(qū)劃分析法和臨近流域替代方法，對多個子流域進行研究。首先根據(jù)河網(wǎng)密度、流域寬度、流域長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。

結論

綜上所述，區(qū)劃方法在解決無資料地區(qū)的水文預報研究問題上有重要意義，通過加大對區(qū)劃方法實際應用的研究，進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)。從國內外各地區(qū)的區(qū)劃方法應用實際來看，空間臨近及插值法應用較為常見，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。

參考文獻

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[2]李洋，戴長雷.阿拉斯加育空地區(qū)水文地理區(qū)劃分析[J].黑龍江水利，2017，3（10）：33-37.

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[4]王心宇，郭懷成.區(qū)劃方法在無資料地區(qū)水文預報中的應用研究[J].水文，2014，34（04）：21-27.