基于主成分聚類分析的青海省水文分區研究

張國棟 樊東方 李其江

摘要：青海省地處我國青藏高原、黃土高原和內蒙古高原的交匯區，地質條件、地形地貌及水文條件復雜。根據青海省自然地理特征及氣候特征的空間分布，在主成分聚類分析方法的基礎上，通過水文分區合理性分析，采用GIS綜合青海省的自然地理特征進行水文分區，將青海省劃分為4個一級分區、8個二級分區和20個三級分區，并參照每個分區的典型特征給分區命名，對每個分區的重要水文特性進行了描述。

關鍵詞：自然地理;主成分聚類分析法;水文分區;青海省

中圖分類號：P333 文獻標志碼：A

水文分區是通過綜合考察區域的水文特征和氣候、地貌地質、植被覆蓋等自然地理條件而劃分的水文地理區域，其使得同一分區內下墊面和氣候條件相似性最大且差異性最小，分區間下墊面和氣候條件相似性最小且差異性最大[1]，目的在于從空間上揭示水文特性的相似與差異[2]，提高對水文地理的綜合認知水平，指導區域代表水文站的布設[3]。常用的水文分區方法有地理水文分區法、等值線圖法、地貌單位線法、流域水文模型參數法及聚類分析法等[4]。傳統的地理水文分區法從地形地貌、地質巖土、植被覆蓋和景觀等自然地理角度[5]進行分析，但對水文特性的差異性與相似性、個性與共性考慮較少，并不等同于用水文資料做出的分區。其他方法在分區時以水量平衡條件大致相同為原則，再參照下墊面因素的相似性劃分子區，只能做出單因子分區，一方面在分區時加入了水文分區者個人的經驗判斷，同時在分區過程中利用流域內水文站點的觀測資料進行人工選樣，難以保證水文站點密度滿足分區要求[6];另一方面，面對眾多的單因子分區，進一步全面、綜合考慮比較困難，但此類分區可以按一定的精度進行水文因子的地理內插，解決水文資料的移用問題。而水文站網規劃和水文綜合分析所需要的，是把各單因子分區的類似性進行歸納后做出能夠體現全部或大部分水文因子綜合效應、概括共同規律的水文分區[7]。

為把諸多水文因子所表現的“集體效應”用計量手段有效地提取出來，20世紀80年代，黃委水文局龔慶勝等[8]參照數據處理的聚類分析原理，提出了“水文分區的主成分分析法”，基本思路：在考察區域地圖上，均勻適量地選擇一批地理坐標點作為樣點，編號并記下經緯度;選擇與分區目標有成因聯系的水文因子，繪制單項因子等值線圖或地理分區圖，內插出每個樣點相應的水文因子特征值，組成原始因子資料矩陣，經過數據處理與線性正交變換，使原來具有一定相關關系的原始因子變成相互獨立、不再含有重疊信息的新變量——主成分，在繪制的主成分聚類圖上將聚合在一起的同類樣點所代表的空間范圍在地圖上圈繪出來，構成水文分區圖[9]。

水文分區對于研究流域水文特性的空間分布規律、水文資料的移用及水文站網的規劃調整都有著重要的意義[7]。本文以青海省為研究對象，根據青海省自然地理特征及氣候特征的空間分布，采用GIS及主成分聚類分析法，在對水文分區的合理性進行論證的基礎上，通過調整原始因子、修正錯誤，對青海省進行水文分區，參照每個分區的典型特征給分區命名，并對每個分區的重要水文特性進行描述。

1 研究區概況、數據來源及研究方法

1.1 研究區概況

青海省地處我國青藏高原、黃土高原和內蒙古高原的交匯區，地質構造和地質活動頗為復雜，地勢差異特大，地貌類型多樣。地表質地類型有裸露的巖石、戈壁沙地、冰磧洪積物、水積湖積物、沉積黃土、沼澤、濕地、淤泥等。植被從草甸草、草原草、灌叢、農作物到喬木林都有分布。氣候表現為高海拔地區空氣稀薄、日照時間長，低海拔地區氣溫偏低但季節尚分明。水量賦存狀態有河流、水庫、湖泊、冰川、沼澤、濕地等。

1.2 基礎數據及選取

選用青海省內51處水文站的年降水量、年徑流深、年水面蒸發量、干旱指數、懸移質輸沙模數、年均氣溫共6項水文因子作為基礎數據。在因子確定后，通過對歷史實測資料的檢驗和分析，分別繪制各因子等值線圖或分區圖。本次水文分區在工作底圖上基本按照等距方格網方式選擇180個樣點，其中：柴達木盆地，54個樣點;羌塘高原內陸區，7個樣點;金沙江石鼓以上，22個樣點;金沙江石鼓以下，2個樣點;瀾滄江，8個樣點;河西內陸河，10個樣點;黃河龍羊峽以上，23個樣點;黃河龍羊峽至蘭州，36個樣點;青海湖、哈拉湖流域，14個樣點;泯沱江，4個樣點。

1.3 研究方法

在選擇確定水文分區影響因子的基礎上，利用GIS及主成分聚類分析法，以網格為單元，結合自然地理特征調整因子，得出青海省水文類型分區圖。具體步驟：

（1）選擇水文因子，即年降水量、年徑流深、年水面蒸發量、干旱指數、懸移質輸沙模數、年均氣溫6項水文因子。

（2）選擇樣點。在繪制的水文因子等值線及分區圖上，均勻選擇地理坐標作為樣點并進行標記，確定經緯度。

（3）內插確定各樣點的水文因子，組成原始資料矩陣。

（4）利用主成分聚類分析方法對所有網格進行分組，每一組子網格初步確定為一類水文類型分區，初步構成水文分區圖。

（5）在對水文分區合理性進行論證的基礎上，采用GIS技術，結合自然地理特征調整原始因子，修正錯誤，使分區特征與實際情況一致，得出水文分區圖。參照每個分區的典型特征進行命名，并定性和定量描述其水文特征。

2 水文分區分析

2.1 水文因子空間變化分析

從總體趨勢看，降水量、徑流深二者的等值線圖具有極強的相似性。祁連及青南地區是青海省降水量及徑流深的高值區，年降水量為500～700mm，年徑流深為200～400mm;柴達木盆地是全省的低值區，年降水量小于50mm，年徑流深小于5mm。柴達木盆地中心為全省最干旱的地區，年水面蒸發量高達2000mm，干旱指數超過50;祁連山、青南地區則為低值區，年水面蒸發量為650～900mm，干旱指數小于2.0。全省氣溫的高值區及次高值區分別為河湟谷地及柴達木盆地，年均氣溫分別為8、4℃;全省低溫區位于長江、黃河源頭區及祁連山一帶，年均氣溫低于-4℃。河湟地區（湟水西寧以下、黃河龍羊峽以下）懸移質輸沙模數為300～3000t/（km²a），省內其余地區大都在300t/（km²2）以下。

2.2 主成分聚類分析

對180個樣點的年降水量、年徑流深、年水面蒸發量、干旱指數、懸移質輸沙模數、年均氣溫的資料進行計算，得到的主成分特征值及特征向量見表1。由表1可見，前兩個主成分的累計貢獻率為82.97%，第一個主成分的貢獻率為65.44%;第一主成分中反映水分因素的降水量、徑流深、蒸發量及干旱指數的特征向量均較大，降水量、徑流深、輸沙模數的特征向量均為負值，蒸發量、干旱指數、氣溫的特征向量均為正值。第二主成分中，輸沙模數的特征向量達0.7905，遠大于其他因子的。

以經線性正交變換而成的新組合變量G₀代表水分條件從濕潤向干旱變化，G₁代表輸沙模數從弱到強變化。以G₀作為橫軸（稱水分軸）、G₁作為縱軸（稱侵蝕強度軸）建立直角坐標系，將計算的（G₀，G₁）數據點繪在主成分聚類圖中，對上述6項水文因子進行不同組合，總體表現為水分條件是最顯著的主成分，其貢獻率均超過65%;侵蝕強度在第二主成分中最顯著，它對應的特征向量約為0.8。主成分聚類圖中從左到右可分為4個大區（一級區），即半濕潤區、半干旱區、干旱區、極干旱區。根據其計算值并考慮自然地理地貌情況，在地圖上劃分二級分區（見表2和圖1）。反映水分條件的地理樣點從左到右可分為4個大區，即半濕潤區、半干旱區、干旱區、極干旱區，但反映侵蝕強度的地理樣點主要集中在低值區。聚類區與映射分區中主要分類為柴達木盆地極干旱區，柴達木盆地邊緣、茶卡、沙珠玉干旱區，長江、黃河源頭半干旱區，黃河丘陵半干旱區，河湟谷地強侵蝕半干旱區，青海湖、哈拉湖半干旱區，祁連山半濕潤區和青南半濕潤區共8個區，其中：柴達木盆地極干旱區包含了32個樣點，柴達木盆地邊緣、茶卡、沙珠玉干旱區包含了25個樣點，長江、黃河源頭半干旱區包含了29個樣點，黃河丘陵半干旱區包含了13個樣點，河湟谷地強侵蝕半干旱區包含了21個樣點，青海湖、哈拉湖半干旱區包含了16個樣點，祁連半濕潤區包含了16個樣點，青南半濕潤區包含了28個樣點。

2.3 與自然地理法結合的水文分區成果

分區過程中把主成分聚類圖的分區作為背景基礎（第一級），主要反映氣候干濕程度;把大地貌單元作為第二級，主要反映自然地理概況;把較直接影響水文現象和過程的地形、地表質地、植被分布等有關下墊面要素作為第三級，并考慮水系的完整性和水文站網規劃的可操作性。本次水文分區擬分3級，一級分區用代碼Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表極干旱區、干旱區、半干旱區、半濕潤區。

極干旱區的二級分區即柴達木盆地極干旱區，用角標1作為代碼（其三級分區代碼為-1、-2）。干旱區的二級分區即柴達木盆地邊緣、茶卡、沙珠玉干旱區，用角標1作為代碼（其三級分區代碼為-1、-2、-3）。半干旱區的二級分區有：長江、黃河源頭半干旱區，用角標1作為代碼（其三級分區代碼為-1、-2，-3）;黃河丘陵半干旱區，用角標2作為代碼（其三級分區代碼為-1、-2）;河湟谷地半干旱區，用角標3作為代碼（其三級分區代碼為-1、-2、-3、-4）;青海湖、哈拉湖半干旱區，用角標4作為代碼（其三級分區代碼為-1、-2）。半濕潤區的二級分區有：青南半濕潤區，用角標1作為代碼（其三級分區代碼為-1、-2）;祁連山半濕潤區，用角標2作為代碼（其三級分區代碼為-1、-2）。結合省內自然地理特征的綜合水文分區見表2和圖2。

2.4 水文分區特征

各分區的水文特征及其在青海省的空間分布規律如下：

（1）極干旱區（Ⅰ）。極干旱區內年降水量大都小于100mm（個別區域達到160mm），大都為非產流區，蒸發能力為1350～2000mm，干旱指數大于8.8，且大部分大于50。阿爾金山東麓剝蝕山地極干旱區（I_1-1）和柴達木盆地潴水濕地極干旱區（I_1-2）為其三級分區。I_1-1分區地勢為波狀平緩山丘，降水量極小，蒸發能力特強，氣候極干燥，為低溫地區，但年、日溫差極大，地表風化特發育，剝蝕作用強烈，山丘頂部多巖體裸露，山坡多覆蓋巖屑、礫石、卵石，幾無植被生存，形成典型的高山荒漠戈壁自然景觀。I_1-2分區地勢總體廣平，河、湖、草灘、鹽堿地、沙丘沙地及戈壁交錯分布，氣候極干旱，降雨量極小，區內自產徑流貧乏，分布有達布遜湖、北霍布遜湖、托索湖、鹽湖等眾多湖泊和面積大小不同的沼澤濕地。

（2）干旱區（Ⅱ）。干旱區內年降水量為160～280mm，年徑流深為5～110mm，年水面蒸發量為1000～1400mm，干旱指數為4.1～8.5。該區域內包含祁連山柴達木盆地過渡地帶山丘干旱區（Ⅱ_1-1）、昆侖山柴達木盆地過渡地帶丘源干旱區（Ⅱ_1-2）和沙珠玉河流域干旱區（Ⅱ_1-3）。

Ⅱ_1-1分區主要分布有土爾根達坂山、柴達木山、宗務隆山等山脈，海拔從4500m左右過渡到2500m左右，部分高海拔山峰上發育有現代冰川，地勢從山區到盆地邊緣逐步平緩，為較大河流的中游區段。氣候干旱、降雨稀少，除河谷地帶植被尚好外，絕大部分區域是荒蕪裸地。區內自產徑流有限，但由山區產生通過本區進入柴達木盆地的徑流量不小。

Ⅱ_1-2分區處于昆侖山北坡向柴達木盆地的過渡地帶，昆侖山北坡較陡峭，與柴達木盆地之間高差為1 500-2 500m，源自北坡的諸多河流注入柴達木盆地。該區域水系較發達，過境水流較豐富，人口較密集，經濟發展較好。區域內總體屬山麓沖洪積傾斜平原、丘源，可稱為柴達木盆地的南盆緣，也形成有不少河川盆地及多個自然地貌單元。

Ⅱ_1-3分區主要處于茶卡一共和盆地，區內地形多為大小不一的階地臺地及寬谷，臺地至溝谷底高差為20～40m，流水侵蝕作用強烈，溝壑縱橫，地形破碎，海拔2990～3200m。該區地表覆蓋較厚沙層，植被較差，水文特征為氣候干旱、降水稀少，區內自產徑流較少，徑流以地下水補給為主，出山口后轉為潛流，在盆地低處溢出，眾泉水匯流成河或湖泊。

（3）半干旱區（Ⅲ）。半干旱區年降水量為240～650mm，年徑流深為40～190mm，年水面蒸發量為700～1200mm，干旱指數為1.4～4.0。該區域內包含可可西里高原草甸潴水濕地半干旱區（Ⅲ_1-1）、長江源頭高山凍融半干旱區（Ⅲ_1-2）、黃河源頭山丘凍融半干旱區（Ⅲ_1-3）、共和一興海荒漠草原風力侵蝕半干旱區（Ⅲ_2-1）、黃河峽谷段山地丘陵水力侵蝕半干旱區（Ⅲ_2-2）、湟水谷地川水帶強侵蝕半干旱區（Ⅲ_3-1）、湟水谷地淺山帶強侵蝕半干旱區（Ⅲ_3-2）、涅水谷地腦山帶強侵蝕半干旱區（Ⅲ_3-3）、黃河干流黃土丘陵半干旱區（Ⅲ_3-4）、哈拉湖高山湖盆凍融侵蝕半干旱區（Ⅲ_4-1）和青海湖山丘湖盆水力侵蝕半干旱區（Ⅲ_4-2）。

Ⅲ_1-1分區位于青海省西南部，處于昆侖山以南、烏蘭烏拉山以北，東起青藏公路，西迄省界，為青藏高原腹地，平均海拔在4600m以上，東部為以楚瑪爾河為主的長江北源水系，西部和北部是分布著眾多湖泊的內流水系。地貌多為較小起伏的高海拔丘陵、臺地和平原。受凍融作用影響深刻，植被主要為耐高寒的草甸草被。該區氣溫較低，以雪為主的固體降水占比較大，水面蒸發不甚強烈，融雪徑流較發育，徑流多匯聚成湖或沼澤濕地。

Ⅲ_1-2分區位于青海省西南部，北鄰昆侖山脈、南界為唐古拉山、西依可可西里山，海拔多在5000m左右。該區主要分布有高山荒漠土、高山草甸土、高山草原土、沼澤土等，具有特殊的高原自然地理環境。區內地表水以河流、湖泊、沼澤和冰川形式存在，儲量較豐，地下水屬山丘區地下水，主要為基巖裂隙水。

Ⅲ_1-3分區內黃河源頭湖泊較多（約5300多個），擁有全國海拔最高的淡水湖——扎陵湖和鄂陵湖。該區地形為丘陵和盆地，植被為低草牧草，區域內擁有廣大的水域濕地，在強烈蒸發作用下，成為當地水汽的重要來源，對內陸循環和當地氣候產生較大的影響。主要水文地理特征為地勢高，氣候干旱，空氣稀薄，冰水凍融交替，有較多的潴水沼澤濕地，水汽交換較強烈。

Ⅲ_2-1分區即共和一興海一帶地勢較平緩、沙層覆蓋較深厚、地表多為流動沙丘和平坦的積沙沙地，自然地理景觀為荒漠草原，風力侵蝕比較強，具有較獨特的水文地理特征。

Ⅲ_2-2分區為從瑪曲到循化的黃河峽谷段，區域內為一系列走向北西或近乎東西向的大山，河谷忽寬忽窄，出現川峽相間的河谷形態。該區海拔不高，山體陡峭、峽谷下切很深，基巖多有裸露，山地丘陵部分坡地臺源地有薄層黃土覆蓋，水力侵蝕比較強烈。該區段是黃河水力開發的主要區域，已經建成十數座水電站和水庫，對河川徑流有較大影響。

Ⅲ_3-1分區主要為涅水流域黃土低山丘陵之間的河谷平川，海拔1565～2200m。該地區黃土深厚、坡度較陡、降雨較多，溝谷侵蝕發育，是青海省人居密度最大的地帶，基礎設施和工業最為集中。

Ⅲ_3-2分區基本環繞Ⅲ_3-1分區向上延續到山峁邊緣，海拔2200～2800m，相對高差300～600m，黃土沉積較厚，降雨較多較強，溝谷極為發育，溝道短、坡度大，是青海省現代水力侵蝕作用最強烈的地段，植被稀疏，水土流失嚴重。該地區人居較密，社會經濟基礎薄弱。

Ⅲ_3-3分區處于湟水谷地的較高地帶，海拔2800～3200m，地貌屬黃土高原低山梁峁丘陵，地勢平緩，多為寬淺溝谷所分割的梁狀丘、圓頂峁，零星分布有高源，地形景觀形體渾圓，波狀起伏，梁、峁、源坡角約為5°，上覆黃土，植被較好，局部山坡生長次生林，放牧草場占很大的比重。該區地廣人稀，降水較多，是湟水許多支流的發源地和主要產流區，水力侵蝕比較嚴重。

Ⅲ_3-4分區主要指貴德—循化一帶的黃河區段，河谷雖然有較深的切割，但黃土高原地貌類型也很明顯，有起伏平緩的丘陵、開闊廣平的河谷盆地及零星的高源臺地，黃土覆蓋厚薄不一，降雨較多，植被良好，人居不少，農牧業較發達。

Ⅲ_4-1分區處于祁連山系中段，主要分布有走廊南山、托勒山、托勒南山、疏勒南山等高山和哈拉湖盆地。其中：疏勒南山由數個相對高差不大的主峰聚集組成塊狀山體，海拔4500～5000m，是祁連山系的最高峰（主峰崗則吾結峰海拔5826.8m），該山也是祁連山系中現代冰川最為發育的一條山脈。

Ⅲ_4-2分區屬于雨源水文區，但青海湖是咸水湖。青海湖東側的日月山是一條北西向的斷塊山，海拔4000m左右，為我國季風區與非季風區、外流流域與內流區域的分界線，是傳統觀念上黃土高原的最西緣、青海省內農業區與牧業區的分界線，也是我國非常重要的一條自然地理分界線。布哈河流域是祁連山系向青海湖高原盆地的過渡地帶，上游呈現高山景觀，中下游則為山丘地貌。青海湖盆地山湖之間是向湖區傾斜的流水坡積平原，盡顯廣柔的草原風光。

（4）半濕潤區（Ⅳ）。青南半濕潤區年降水量為400～780mm，年徑流深為150～400mm，年蒸發能力為700～890mm，干旱指數為0.9～1.8，輸沙模數為40～200t/（km²a），年均氣溫為-4～4℃。包括青南高山草原凍融侵蝕半濕潤區（Ⅳ_1-1）、青南高山林地水力侵蝕半濕潤區（Ⅳ_1-2）、祁連山北部凍融侵蝕半濕潤區（Ⅳ_2-1）和大通河流域高山盆地水力侵蝕半濕潤區（Ⅳ_2-2）。

Ⅳ_1-1分區為明顯的凍融侵蝕區，總體地勢高，但地形較平緩，間有高山峽谷，植被覆蓋以草甸草、灌木叢等低等植物居多，大部分地區是寬廣平坦的草灘、草甸，牧草生長良好。降水較多，降水量略小于蒸發量，呈半濕潤氣候特征;坡地平地蓄水能力強，多沼澤濕地。

Ⅳ_1-2分區位于Ⅳ_1-1分區南部，海拔較Ⅳ_1-1區較低，但地形坡度較陡，降雨量大，降水與蒸發量大致持平，氣溫等條件適合生長高大的喬木，是重要的林區，農業也較發達。該區的水文特征是產水多外流也多，儲水能力不如Ⅳ_1-1區強。

Ⅳ_2-1分區多高山峻嶺，平均海拔4800m，許多山峰常年積雪或為冰川覆蓋，盡顯半濕潤狀況，氣候高寒，為明顯的凍融侵蝕區。

Ⅳ_2-2分區的地勢特征為大通河干流河道被兩側高山夾持，西北高、東南低，海拔為1650～4700m。流域水系呈羽毛狀，干流河道峽谷與盆地相間分布，峽谷深窄，水勢湍急、下切力強，水流落差大，水能資源豐富。盆地為開闊的草原，也有農耕開發，但生態環境脆弱。青石嘴以上為上游，主要特征是遍布高山草原，間有林區，氣候寒冷濕潤;青石嘴以下為中下游，適宜森林和農作物生長。該區降水量較大，為明顯的水力侵蝕區。

水文分區是對水文氣候和水文地理的綜合，也體現水文觀測和自然地理考察等方面的工作成就和認知水平。從分區成果看，高原、高山、沙漠、戈壁等高寒缺氧、人煙稀少的地區分區較粗，河湟地帶的黃土高原分區較細，這與青海省的客觀情況和水文發展的水平及需求是一致的。

3 結語

青海省深居內陸，從海洋遠距離輸運來的水汽有限，水文大循環發展輪次較少，但本地的蒸發聚集產生局地降水的隨機性很強，水文小循環較活躍。地理外營力的風力、水力、凍融及重力坍塌都有活動區域和表現場合。地形地貌復雜，且水體存儲狀態多種多樣。青海省的人居主要偏于河涅地帶的黃土高原，人們對這里的開發利用程度較高，認識也較深刻;廣大的高原、高山、沙漠和戈壁高寒缺氧，人煙稀少，人們對其認識相當有限。

本次水文分區將水文定量參數統計的主成分分析方法與自然地理景觀特征結合起來，從分區成果看，高原、高山、沙漠、戈壁等高寒缺氧、人煙稀少的地區分區較粗，河湟地帶的黃土高原分區較細，這與青海省的客觀情況和水文發展的需求是一致的。通過水文分區也發現一些水文現象（概念）的描述存在矛盾或不適合的地方，比如從蒸發能力和降水的對比考察氣候干濕的總表現，柴達木盆地腹地為“極干旱”區，但又匯集貯存著較豐富的水資源，遍布胡泊、沼澤和濕地，似為“重度澇”區，有悖于干旱的常識概念。諸如此類的疑問有待探討。

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