李治軍，王華凡，侯 岳，黃佳俊

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080;2.黑龍江大學(xué) 寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080)

水文學(xué)是人類認(rèn)識(shí)地球水資源時(shí)空分布規(guī)律的重要學(xué)科，廣泛應(yīng)用于水資源開發(fā)、利用、調(diào)配和管理等實(shí)際生活中[1]。產(chǎn)匯流理論作為水文學(xué)的核心組成部分，研究歷史悠久，涵蓋較廣，涉及物理學(xué)、大氣學(xué)和環(huán)境學(xué)等多種學(xué)科，相關(guān)理論方法在水文預(yù)報(bào)、洪水災(zāi)害預(yù)警和無(wú)資料地區(qū)產(chǎn)匯流規(guī)律研究等生產(chǎn)生活實(shí)踐中起到了舉足輕重的作用[2]。我國(guó)水資源短缺現(xiàn)象嚴(yán)重，南北方水資源量差距較大，旱澇災(zāi)害頻發(fā)，水文氣象觀測(cè)站點(diǎn)量少且分布不均。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年我國(guó)各種自然災(zāi)害共造成1.38億人次受災(zāi)，0.199 577×109hm2農(nóng)作物受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失近3 701.5億元，其中干旱和洪澇水文地質(zhì)災(zāi)害影響顯著[3]。水文預(yù)報(bào)科學(xué)研究不僅對(duì)有資料地區(qū)的防洪防災(zāi)具有重大意義，對(duì)無(wú)資料地區(qū)的泥石流災(zāi)害防范、洪水預(yù)警和人民財(cái)產(chǎn)安全保護(hù)等也具有較大的現(xiàn)實(shí)需求。本文以國(guó)際水文科學(xué)協(xié)會(huì)(IAHS)提出的無(wú)資料流域水文預(yù)報(bào)(PUB)計(jì)劃為切入點(diǎn)，通過(guò)對(duì)大量相關(guān)文獻(xiàn)的閱讀分析，基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)[4]和可視化分析法[5]，概述國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)無(wú)資料地區(qū)開展的水文預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀，總結(jié)無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)的主要方法，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做出展望，相關(guān)內(nèi)容對(duì)于同領(lǐng)域的學(xué)者開展科學(xué)研究，具有一定的借鑒意義。

1 無(wú)資料流域水文預(yù)報(bào)計(jì)劃研究現(xiàn)狀

2003年7月，國(guó)際水文科學(xué)協(xié)會(huì)首次正式提出了無(wú)資料流域水文預(yù)報(bào)計(jì)劃，簡(jiǎn)稱PUB(Prediction in Ungauged Basins)。PUB計(jì)劃主要包括水文預(yù)測(cè)和水文預(yù)報(bào)兩個(gè)方面，前者關(guān)注水文隨機(jī)事件的發(fā)生概率，后者則關(guān)注水文事件在未來(lái)某一時(shí)間點(diǎn)發(fā)生的狀態(tài)，該計(jì)劃立足于采用數(shù)值分析和地理信息科學(xué)技術(shù)等各種方法減少水文不確定性，在已有的水文產(chǎn)匯流模型基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)水文過(guò)程的基本原理認(rèn)識(shí)，通過(guò)有資料地區(qū)的參數(shù)與無(wú)資料地區(qū)水文基礎(chǔ)資料的參證融合，從而發(fā)展適合無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)模擬的新模型，達(dá)到有資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)的經(jīng)驗(yàn)做法和數(shù)據(jù)資料在PUB計(jì)劃的實(shí)施下向無(wú)資料或缺資料地區(qū)拓展，PUB計(jì)劃方法論見(jiàn)圖1[6-8]。

圖1 PUB方法論

在PUB計(jì)劃提出一年后，2004年6月，中國(guó)PUB計(jì)劃科學(xué)委員會(huì)在北京成立，其工作核心內(nèi)容之一就是針對(duì)洪水預(yù)報(bào)中的不確定性問(wèn)題，利用相關(guān)技術(shù)手段提高洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期和準(zhǔn)確性，為無(wú)資料或缺資料地區(qū)的水文預(yù)報(bào)提供理論指導(dǎo)[9]。

本文利用CNKI網(wǎng)頁(yè)附帶的文獻(xiàn)可視化分析選用“無(wú)資料地區(qū)”“水文模擬”“設(shè)計(jì)暴雨”和“洪水預(yù)報(bào)”關(guān)鍵詞，進(jìn)行高級(jí)檢索，共得2110篇相關(guān)文獻(xiàn)資料，由研究論文發(fā)表量數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖2，在PUB計(jì)劃正式提出之后，相關(guān)主題發(fā)表數(shù)量大體呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，并長(zhǎng)期維持在每年百篇發(fā)表量的水平，2016年達(dá)到了年發(fā)表量的最大值140篇。由相關(guān)研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，河海大學(xué)、武漢大學(xué)和大連理工大學(xué)在無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)研究中比較活躍，文獻(xiàn)發(fā)表量較多，相關(guān)著名學(xué)者也大多出自這三所大學(xué)[10-11]。

圖2 無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)研究論文發(fā)表量

2 無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)主要方法

無(wú)資料流域水文預(yù)報(bào)以徑流量預(yù)測(cè)為核心，通過(guò)流量資料或雨量資料兩種途徑進(jìn)行推求[12]，由此衍生的計(jì)算方法頗多，常用的有水文相似分析[13]、地貌參數(shù)[14]、經(jīng)驗(yàn)公式[15]、流量歷時(shí)曲線[16]、單位線模型[17]和設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算[18]等方法，本文將用于無(wú)資料或缺資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)的常用方法總結(jié)歸納為參證法、推理公式法和水文模型法等具有代表性的三種方法，下面就具有代表性的三種方法，做簡(jiǎn)要介紹并結(jié)合前人應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行概括總結(jié)。

2.1 參證法

在地質(zhì)構(gòu)造、下墊面條件和水文氣候相似的地區(qū)，河流水系具有相似的產(chǎn)匯流機(jī)制，可利用相似流域或者上下游水文信息，達(dá)到無(wú)資料地區(qū)徑流量模擬的目的[19]。參證法正是結(jié)合了與無(wú)資料地區(qū)流域特性相似的河流水系的各類水文參數(shù)，運(yùn)用水文比擬、參數(shù)移植和區(qū)域回歸等方法，進(jìn)行無(wú)資料流域徑流量的參證模擬。

水文比擬法利用參考水文站點(diǎn)的流域特征值參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)流域的徑流量計(jì)算，結(jié)合參考流域的平均年徑流量等參數(shù)，采用式(1)、式(2)和式(3)進(jìn)行計(jì)算[20]。

(1)

K1=A/Ac

(2)

(3)

水文比擬法要求參考流域的水文觀測(cè)數(shù)據(jù)具有可靠性、代表性和一致性，要求參考水文站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的水文信息不能存在錯(cuò)誤，水文數(shù)據(jù)資料與相應(yīng)的水文影響因素一致，選用的數(shù)據(jù)要求具有豐、平、枯交替組合，對(duì)于參證站點(diǎn)的數(shù)據(jù)要求較高，站點(diǎn)選取難度較大。學(xué)者們常采用流域面積比擬、臨近地區(qū)降雨量插值和徑流量比擬等方式，利用數(shù)值分析，對(duì)不同頻率特征情況下的無(wú)資料地區(qū)徑流量資料進(jìn)行推算，對(duì)于計(jì)算精度要求不高，偏遠(yuǎn)跨界地區(qū)，引水工程來(lái)水量分析具有較好的應(yīng)用效果[21-22]。

區(qū)域回歸法和參數(shù)移植法在建立有資料地區(qū)和無(wú)資料地區(qū)流域下墊面特征值關(guān)系后，借助有資料地區(qū)的水文信息，利用水文模型推求出無(wú)資料地區(qū)流域下墊面特征值，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)模擬，兩種方法具有一定的相似之處，在此一并介紹。區(qū)域回歸法常以參考流域的下墊面特征參數(shù)為自變量，建立年平均徑流量與其影響因素的回歸方程。多元回歸法常采用式(4)和式(5)進(jìn)行徑流量計(jì)算。

(4)

(5)

常用最小二乘法確定回歸方程的系數(shù)，利用F檢驗(yàn)法對(duì)回歸效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。武漢大學(xué)周芬等[23]結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中的模糊聚類分析確定相似水文子區(qū)域，充分考慮了水文不確定性，利用線性矩法進(jìn)行一致性和均勻性審查，以洪峰流量和流域特征變量建立的回歸方程在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果，做法獨(dú)特，值得學(xué)習(xí)推廣。由于可選取的回歸參數(shù)眾多，選取方法不一，在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)充分考慮水文不確定性，避免出現(xiàn)異參同效和參數(shù)間不獨(dú)立等情況，此外，部分水文參數(shù)難以與特征值之間建立良好的相關(guān)關(guān)系，也會(huì)給模擬效果帶來(lái)一定的影響[24]。

參數(shù)移植法將有資料地區(qū)的水文信息在通過(guò)空間距離臨近檢驗(yàn)和移植屬性相似驗(yàn)證后，將參數(shù)移植到無(wú)資料地區(qū)，結(jié)合相應(yīng)的水文模型，進(jìn)行無(wú)資料地區(qū)的徑流量模擬[25]?？臻g距離臨近常要求參證流域與無(wú)資料流域處于同一地區(qū)，具有相似的土壤性質(zhì)和氣候條件，處于上下游或者位置臨近[26]。移植屬性相似要求參證流域與無(wú)資料流域具有相似的地形、氣候、土壤和植被等物理屬性，具有相似的降雨產(chǎn)匯流機(jī)制，通過(guò)選取氣候特征、地形特征、植被特征和土壤特征中的相關(guān)指標(biāo)[27]。在完成相關(guān)檢驗(yàn)和驗(yàn)證之后，即可借助水文模型進(jìn)行無(wú)資料地區(qū)徑流量模擬。許多學(xué)者在進(jìn)行有資料流域的參數(shù)移植之前，常采用聚類分析或主成分分析法對(duì)相關(guān)屬性特征值進(jìn)行優(yōu)選，以提高計(jì)算精度[28-29]。隨著地理信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星數(shù)字高程數(shù)據(jù)的推廣應(yīng)用，參數(shù)移植法、數(shù)字高程模型(DEM)和水文模型的耦合應(yīng)用愈發(fā)廣泛，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)做法模擬精度高，與實(shí)際流域貼切度高，具有廣泛的研究前景[30]。

2.2 推理公式法

無(wú)水文資料的流域大多是小流域，面積一般不超過(guò)50 km2，降雨面比較均勻，植被覆蓋比較單一，流域水文特征變化較小，水文領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者常結(jié)合雨量資料，利用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法和降雨徑流系數(shù)法進(jìn)行研究區(qū)的洪水預(yù)報(bào)，地區(qū)水利部門和水利科學(xué)研究院所通常會(huì)編制適用于當(dāng)?shù)氐谋┯旰樗治鍪謨?cè)，并加以推廣利用。地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式常結(jié)合鄰近流域?qū)崪y(cè)資料，建立洪峰流量與流域特征和降雨特性之間的方程式關(guān)系，該法簡(jiǎn)便實(shí)用，地域性較強(qiáng)，但經(jīng)驗(yàn)公式通常是根據(jù)單一下墊面情況分區(qū)域建立的，對(duì)于地形地貌變化較快的流域并不實(shí)用，不適合外延推廣。此外，隨著人類活動(dòng)對(duì)流域水文生態(tài)影響的程度不斷加大，地區(qū)氣候和土壤植被分布的變化，許多經(jīng)驗(yàn)公式也不再適用而面臨淘汰。降雨徑流系數(shù)是單位時(shí)段內(nèi)徑流量與降雨量的比值，表示某時(shí)段內(nèi)有多少降水量形成了徑流，綜合反映了流域自然地理?xiàng)l件對(duì)于徑流形成的影響，通過(guò)降雨量空間插值或降雨量移植等方法，結(jié)合地區(qū)徑流系數(shù)即可推求出徑流量。各類推理公式在實(shí)際確定過(guò)程中，工作量大，要求研究者具備扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)，對(duì)研究區(qū)域的水文、氣候和地形地質(zhì)情況具有一定的了解，且相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式很難隨著流域下墊面變化得到進(jìn)一步利用。國(guó)內(nèi)學(xué)者在應(yīng)用推理公式時(shí)，常結(jié)合地區(qū)設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)，利用流域匯流歷時(shí)和土壤地質(zhì)條件等特征參數(shù)進(jìn)行無(wú)資料地區(qū)徑流量推求[31-32]。Gao Yuan等[33]在明確氣候變異和土壤儲(chǔ)水能力分布對(duì)平均年徑流量的影響程度的情況下，利用基礎(chǔ)的水量平衡方程，基于分布函數(shù)，建立了一個(gè)可估計(jì)平均年徑流經(jīng)驗(yàn)公式，可進(jìn)一步用于流域徑流量的預(yù)測(cè)計(jì)算，做法獨(dú)特，別具一格。

2.3 水文模型法

流域水文模型是對(duì)自然界復(fù)雜水文現(xiàn)象的一種抽象概化，是研究產(chǎn)匯流理論的重要手段，通過(guò)結(jié)構(gòu)與參數(shù)的耦合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)降雨徑流的模擬，現(xiàn)階段，能夠充分考慮流域下墊面差異變化的分布式水文模型已成為研究熱點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于無(wú)資料地區(qū)的水文預(yù)報(bào)[34]。由于無(wú)資料地區(qū)缺乏歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，在水文模型應(yīng)用過(guò)程中，模型參數(shù)率定對(duì)于預(yù)報(bào)效果至為關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)專家學(xué)者長(zhǎng)期的模擬研究，形成了運(yùn)用參數(shù)移植法或者各種模型耦合水文模型進(jìn)行無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)研究的方法。參數(shù)移植法的相關(guān)理論前文已做敘述，在此不過(guò)多介紹，值得一提的是，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響力度愈發(fā)加大，流域下墊面條件變化劇烈，水文系列資料的一致性和代表性遭到破壞，參數(shù)移植結(jié)合水文模型的方法，在許多地區(qū)已無(wú)法適用。20世紀(jì)90年代之后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，水文模擬軟件用戶界面的開放設(shè)計(jì)化，氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)和空間遙感數(shù)據(jù)的推廣應(yīng)用，基于DEM的分布式水文模型在無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)研究中廣為應(yīng)用。DEM能夠利用空間坐標(biāo)對(duì)一定區(qū)域范圍內(nèi)的地貌形態(tài)進(jìn)行描述，對(duì)流域地形地貌進(jìn)行劃分，體現(xiàn)流域下墊面的空間差異性，更加真切地對(duì)降雨產(chǎn)匯流機(jī)制進(jìn)行模擬，有效地提高了水文預(yù)報(bào)精度[35]。此外，地貌瞬時(shí)單位線等各類匯流曲線模型與水文模型的耦合，進(jìn)一步提高了匯流計(jì)算的精度，具有較強(qiáng)物理概念基礎(chǔ)的改進(jìn)的新安江模型和SWAT水文模型在無(wú)資料地區(qū)的水文預(yù)報(bào)中也得到了成功的應(yīng)用[36-37]。水文模型的成熟發(fā)展也促使其在進(jìn)行無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)的同時(shí)，與生態(tài)水文學(xué)、山洪泥石流災(zāi)害防治和地下水推算等方面的應(yīng)用。2010年，甘衍軍等基于ArcGIS軟件，利用遙感信息技術(shù)推求研究區(qū)土地利用情況和土壤類型等水文參數(shù)，結(jié)合參數(shù)率定較少的SCS水文模型對(duì)無(wú)資料地區(qū)徑流量進(jìn)行模擬，計(jì)算方法先進(jìn)，結(jié)果真實(shí)可靠[38]。在滿足預(yù)報(bào)精度要求的前提下，無(wú)資料地區(qū)的水文預(yù)報(bào)常要求參數(shù)較少的水文模型，利用參數(shù)較多和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的水文模型常取得適得其反的效果。

3 發(fā)展趨勢(shì)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，氣候變化愈發(fā)劇烈，人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境破壞愈發(fā)嚴(yán)重，日益嚴(yán)重的干旱和洪澇等自然災(zāi)害危害著人類的生存安全，加強(qiáng)水資源管理和水文預(yù)報(bào)研究已刻不容緩[39]。未來(lái)，水文預(yù)報(bào)研究將朝著多學(xué)科交叉融合、多模型創(chuàng)新結(jié)合和多渠道拓展應(yīng)用的方向發(fā)展，進(jìn)一步減少無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)中的不確定性，以提高預(yù)報(bào)精度。

多學(xué)科交叉融合要求水文預(yù)報(bào)研究繼續(xù)加強(qiáng)計(jì)算機(jī)、氣象、物理和地質(zhì)等學(xué)科的交流合作，加快學(xué)科理論的成果共享，加大研究力度，提高對(duì)水文現(xiàn)象和水文基本過(guò)程的認(rèn)知，利用有限的水文資料提高洪水過(guò)程模擬精度，解決水文不確定性。

多模型創(chuàng)新使用要求水文預(yù)報(bào)利用先進(jìn)的數(shù)字高程模型(DEM)、各類單位線模型、數(shù)值分析模型和分布式水文模型進(jìn)行有機(jī)耦合，加強(qiáng)水文流域地形地貌特性研究，構(gòu)建具有較強(qiáng)物理基礎(chǔ)的數(shù)值分析模型，提高洪水計(jì)算結(jié)果可靠性。

多渠道拓展應(yīng)用要求水文預(yù)報(bào)技術(shù)能夠進(jìn)行推廣利用，在無(wú)資料地區(qū)山洪泥石流預(yù)警計(jì)算[40]、災(zāi)害預(yù)警雨量指標(biāo)計(jì)算[41]、山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)[42]、江河入?？趧澏╗43]、地下水開采量推求[44]、江河泥沙估算[45]、水庫(kù)防洪[46]和地區(qū)耕地歷史經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估[47]等現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需求中起到重要的作用。此外，隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)力度的加強(qiáng)，水文預(yù)報(bào)技術(shù)在生態(tài)水資源量保護(hù)方面也有較好的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多種學(xué)科的不斷交流融合，流域下墊面變化的加快，能夠充分反映流域下墊面特征的分布式水文模型將會(huì)在無(wú)資料地區(qū)水文模擬計(jì)算中得到更加廣泛的應(yīng)用。隨著PUB計(jì)劃的總結(jié)深入，相關(guān)理論成果對(duì)缺少氣象水文觀測(cè)站點(diǎn)的發(fā)展中國(guó)家的水文預(yù)報(bào)研究具有較大的促進(jìn)作用。此外，除了在理論方法上做出創(chuàng)新外，應(yīng)積極推進(jìn)水文氣象站點(diǎn)的建設(shè)，加快填補(bǔ)無(wú)資料地區(qū)水文數(shù)據(jù)上的空白。