區劃方法在無資料地區水文預報中的應用研究

許妍 劉良玉 李志輝

摘要：當前無資料地區的水文預報方法已經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劃方法、推理公式法和單位線地區分析法等。本文主要針對區劃方法在無資料地區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，加深對各地區水文情況的了解。

關鍵詞：區劃方法;無資料地區;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，只有在掌握當地水文條件的基礎上，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據不能滿足水資源管理要求，部分地區缺乏水文數據資料，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水文預報中區劃方法應用的探討，確保各地區水資源的有效供應。

一、無資料地區水文研究現狀

當前無資料地區的水資源管理問題主要受到有關數據缺乏的影響，不能保證水資源管理科學性，并且數據獲取難度大，為水資源管理帶來一定挑戰。相關數據表明，近年來全球水文站點數據正不斷減少，并且受到人類活動和經濟發展的影響，一些地區的水文過程無法正常進行，導致已有水文數據和實際情況不符，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量還有所不足，且水文站點布局不科學，不能保證各個地區水資源的充分供應。因此，為了改變這一現狀，不斷豐富水文資料，有必要進行無資料地區的水文預報研究。

二、區劃分析方法

區劃方法是目前無資料地區的水文預報上較為常見的分析方法，能針對各地區水資源管理提供依據。水文區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，加強流域和對穩模型間的聯系，從而進行地區的水文模擬，完善已有水文資料。區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定的流域，可采用區劃分析方法。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據;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的水文數據信息[1]。一個地區的水文行為會影響地區流域的氣候條件和結構特征，要根據水文數據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、蒸發量等將發生改變。而回歸法是較為常用的一種區劃分析方法，利用降雨—徑流分析模型參數來和流域特征值建立回歸關系，進而對無資料地區的水文數據進行估計。另外，水文相似流域替代法是指根據與無資料地區水文情況類似地區的水文數據，在這些數據基礎上解決水文問題。下面將具體分析上述區劃分析方法。

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的，才可運用這一方法。有學者認為臨近流域區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，對不同區劃方法進行對比分析后，能為各地區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，發現上下游平均法要優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、降雨量和蒸發量等將對流域水文行為產生影響明顯，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流域相似性，確保數據傳遞的可靠性。水文相似流域替代主要是分析和無資料地區有著水文相似性的流域水文數據，通過數據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據支持。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的分析方法。有學者對萊茵河多個集水區利用多維標度法進行相似性分析，確定水文相似的流域，之后通過模型參數的傳遞進行無資料地區水文預報。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水文預報中常用的分析方法，估計得出無資料地區的徑流模型參數。回歸模型的表達式如下：

其中是指無資料地區水文模型參數;HR是指水文模型參數與流域特征的關系式;是指模型參數。具體來說，基于回歸法的區劃分析方法較多，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回歸方法時，要進行回歸模型和水文模型的校準，其中連續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。

三、各類區劃分析方法的對比分析

1.對比分析

不同區劃分析方法有著自身應用優勢和缺陷，本文具體分析了這些區劃方法的應用特點。其中臨近流域法具有操作方便的優勢，能在短時間內判斷流域水文數據，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，在流域水文數據分析上取得廣泛應用。主要是由于不同地區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據產生影響，并且這種方法缺乏科學依據。而采用回歸法時，由于水文模型和徑流模型參數的不確定性，并且模型參數與特征值間聯系不大，因此，在無資料地區水文問題處理上應用回歸法時，可能出現參數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驗和理論知識，合理選擇區劃分析方法，盡可能避免分析方法的不足，確保得到的水文數據能全面反映當地水文行為，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.區劃分析方法應用問題

盡管以水文相似性為基礎的區劃分析方法在國外無資料區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，需要規范使用行為來避免外界因素對分析結果的影響。首先，區劃分析方法沒有流域特征的選擇建立統一的規范標準，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，不同學者在水文相似性識別上有不同看法。再次，當前針對各個區劃分析方法的適用情況不明確，一些方面的規定需要相關工作者結合工作實踐經驗不斷完善，通過模型分析和流域水文行為分析，加大對區劃分析方法具體應用的了解。最后，由于區劃分析中的模型參數相對復雜，加大了參數研究工作量和復雜程度，因此關于模型參數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。需要將上述問題作為今后無資料地區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據信息體系。

3.區劃分析方法的適用條件

我國地域面積較大，不同地區的地理特征及氣候條件有所不同，因此，在進行無資料地區的水文預報工作時，關鍵在于結合地區實際情況選擇恰當的分析方法。從氣候條件來看，在熱帶地區或者溫帶地區的水文資料獲取上，應優先選擇臨近流域法和相似流域法，而高寒地區可選用回歸分析法。這一選擇依據為高寒地區的凍土、積雪等運動規律是不斷變化的。同時，在高寒地區無資料問題研究上，還可根據遙感資料掌握模型參數，建立相應的模型，之后進行參數傳遞。另外，國內通常使用MODIS參數和地面數據聯系起來，得出分析模型有關參數，例如積雪水當量和積雪閾值等。除了考慮氣候條件外，還要結合各地區資料條件選擇相應的區劃分析方法。

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劃法是解決水文預報問題的有效措施，根據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定的流域上[4]。對于一個地區來講，其中氣候數據和遙感數據獲取難度小，在掌握上述數據后，結合該地區已有的水文數據，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，該地區供有30條河流，大多數河流沒有相應的檢測數據，在分析這一地區的水文條件時，可采用水文相似區劃分析法和臨近流域替代方法，對多個子流域進行研究。首先根據河網密度、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，區劃方法在解決無資料地區的水文預報研究問題上有重要意義，通過加大對區劃方法實際應用的研究，進一步明確各類方法的適用范圍，為無資料地區水文問題處理提供依據。從國內外各地區的區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據不同，需要明確各類方法的使用范圍，真正做好無資料地區水資源管理工作。

參考文獻

[1]鄧元倩，李致家.區劃方法在缺資料地區水文模型參數識別的發展與展望[J].中國農村水利水電，2017（11）：31-34+40.

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

[3]戈曉斌.贛西地區水文巡測基地區劃[J].中國水運（下半月），2015，15（09）：225-227.

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