基于層次分析法的河南省流域水文相似性研究

程艷濤　劉大川　羅清元

摘 要： 本文根據河南省內河流現狀和特點，并以淮河流域的沱澮河、渦河流域為典型河流，選取河流流域的水文相似性指標，同時利用改進的層次分析法，建立了河南省河流流域相似性指標體系，進行了流域水文相似性分析計算，為河南省半干旱季節性河流的水文分析計算提供科學依據和理論支持。

關鍵詞： 水文;河流;相似性;層次分析

【中圖分類號】S157 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-3733（2020）09-0292-02

1 河南省流域概要

我省地跨淮河、長江、黃河、海河四大流域，流域面積分別占全省總面積的52.87%、16.29%、21.68%、9.16%。大部分河流發源于境內西部、西北部和東南部的山區。

全省的河川徑流主要由降水形成，徑流總量304億m3，平均徑流深183.6mm。我省位于中原，處于自然氣候和地理形勢的兩個“過渡”地帶，由于降水時空分布不均，河川徑流不僅年內集中，而且年際變化也大，豐枯交替變化頻繁且不規律。豫南、豫西山區徑流量較為豐沛，豫北、豫東平原區較為匱乏;全年地表徑流量主要集中在汛期，約占全年的60%～70%。

我省集水面積在100km2以上的河道共計493條，其中：流域面積3000km2以上的河流有24條;流域面積200～3000km2的河流有243條;流域面積100～200km2的河流有233條。中小河流（流域面積小于3000km2的河流）總集水面積為10.3萬km2，多數處于山區與流域上游，河流比降大，具有河短坡陡、水急、落差大的特征。又具有很強的區域性，一般山丘區較多，平原區較少。

但在針對一些集水面積相對較小河流的水文分析計算中，經常遇到設計流域上缺乏實測水文資料、水文資料序列太短無法展延或者完全沒有的情況。因此，本文采用水文比擬法或相關分析法，將氣候與地理條件相似的參證流域的水文資料移置到設計流域，以解決流域無資料的困難;或與具有短期資料的設計流域建立相關關系，達到展延水文資料的目的。

2 基于層次分析法的流域水文相似性分析

目前國內外許多水文學家認為，兩個流域若具備以下條件之一，就認為是水文相似流域。第1種條件是具有相同的無量綱洪水頻率分布曲線;第2種條件是在相同的動力條件下，對單位降雨具有相同的徑流響應函數（如地貌單位線相似即認為流域水文相似）。根據流域水文相似的條件，得到水文相似性的研究原則。

2.1 水文相似性研究原則

（1）綜合分析原則

在進行水文相似性研究時，廣泛分析各種動態的水文要素：包括河水補給類型、水量平衡要素、徑流的年內分配、河流水情以及冰情等;分析變化相對緩慢的因素：如水體類型、水網密度、河谷形態等;分析自然地理條件、氣候和地形，它們是影響水文區域差異的基本因素。

（2）相似性與差異性原則

以一種或幾種水文特征值為指標，把相似的因素連接起來，而把相異因素分開。相似性不僅表現在各種水文特性方面，還表現在自然地理方面。相似性只能是大體上表現出來，因為在相當范圍的流域內，各部分的自然條件不可能完全一樣，因而研究區域內部的水文情況仍然有一定的差異。這些差異就是進一步研究低一級水文相似程度的依據。由此可見，水文區域從高級單位到低級單位，其內部的水文相似性是逐級增大的，低級單位一方面具有高級單位的一般特點，另一方面又表現出局部差異。

（3）成因分析原則

同一水文現象在不同的自然條件下可能是由不同原因引起的，不能只求表面現象上的水文相似，而應該分析這些水文現象的成因，同一個水文區域內的水文現象在成因上應具有對一相似度取值范圍。

2.2 基于層次分析法的河南省流域水文相似性分析模型

（1）構造流域水文相似度層次模型

建立層次模型，將流域水文相似度劃分成地形要素、植被指數、干旱指數和氣候因素等組成指標，由于水文相似的復雜性，將其地形要素和氣候因素指標繼續向下劃分，地形要素分為山地、丘陵和平原，氣候因素分為日照時間、氣溫和風速。將這些指標按支配關系分組形成遞階層次結構，劃分為A層、B層和C層等三層次（如圖1所示）。

3 河南省流域水文相似性分析計算

將無水文資料的河流與其附近的典型河流進行流域水文相似性計算。流域水文相似性大的河流直接采用典型河流的水文數據或者根據流域水文相似度進行參數調整，便于對無資料或缺少資料的地區的水文計算;對于流域相似性小、有水文資料的河流則采用根據水文資料，還原其河流天然徑流量，得出其徑流代表站多年平均天然徑流量月分配表和流域年徑流量，從而推算出河流的年天然徑流量。

本文以渦河、沱澮河為典型基準河流，選取了一些大小河流進行河南省流域水文相似性示例計算。計算結果如下（表1）：

由以上計算結果，可以得出與典型河流渦河基本相似的河流有淮河、洪河、沙潁河、泉河、惠濟河、沙河、丹江、唐河、衛河、賈魯河、雙洎河;較相似的河流有白河、潢河;一般相似的河流有黃河;不相似的河流有衛河。與典型河流沱澮河基本相似的河流有淮河、洪河、沙潁河、泉河、沙河、丹江、唐河、潢河、賈魯河、雙洎河、惠濟河;一般相似的河流有白河、衛河、黃河。

4 結論

本文研究方法不但適用于有水文資料的流域，也適用于無資料或者缺少資料的流域地區，解決了無資料地區水文計算的困難。為洪水預警預報、水資源量計算提供了科學依據，在促進水資源的充分合理利用，帶動周邊地區的經濟發展方面有積極的意義;有利于防汛抗旱、生態環境和水資源管理，對推進水生態建設、水災害防御、水環境改善具有促進作用，順應了建設節約型社會的需求。本研究雖然取得了一定的成果，但是由于資料的不完整、時間的局限，還存在一些有待解決的問題，具有更深一步研究的意義。

參考文獻

[1] 田文文.河南省航道可供水量分析計算研究[D].鄭州：鄭州大學，2009.

[2] 陳守煜.相似流域選擇的模糊集模型與方法[J].水科學進展，1993，4（4）：288～291.

[3] 肖益民，梅匯海.相似流域選擇的灰關聯方法[J].武漢水利電力大學學報，1998，31（1）：10～14.

[4] 梅匯海，肖益民.相似流域選擇的模糊灰色方法[J].武漢水利電力大學學報，2000，33（1）：66～69.

[5] 張欣莉，丁晶，王順久.投影尋蹤分類模型評定相似流域[J].水科學進展，2001，12（3）：356～359.

[6] 李亞偉，陳守煜，聶相田.基于PCA和聚類分析的相似流域選擇方法[J].東北水利水電，2004，22（7）：59～63.

[7] 鄧紅霞，李存軍，張少文，張學成，丁晶.基于集對分析的相似流域選擇方法[J].人民黃河，2006，28（7）：2～4.

[8] 朱勇，宋萌勃，雷紅富，李晶，謝平.相似流域選擇的隨機分析方法[J].中國農村水利水電，2007，（3）：4～9.