区划方法在无资料地区水文预报中的应用研究

许妍 刘良玉 李志辉

摘要：当前无资料地区的水文预报方法已经成为水文界重要研究内容之一，常见的水文预报方法包括区划方法、推理公式法和单位线地区分析法等。本文主要针对区划方法在无资料地区水文预报问题上的应用进行研究，具体分析了多种研究方法，并对这些方法进行对比分析，旨在为我国无资料地区水文工作的开展提供借鉴，促进我国整个水文研究水平的提高，加深对各地区水文情况的了解。

关键词：区划方法;无资料地区;水文预报

前言

水资源问题始终是我国重点关注问题，一些地区常见的缺水类型包括资源型缺水、管理型缺水等，只有在掌握当地水文条件的基础上，才能保证水资源管理工作的科学开展。但是当前已有的水资源数据不能满足水资源管理要求，部分地区缺乏水文数据资料，不利于水资源管理工作的展开。因此，有必要加大对无资料地区水文预报中区划方法应用的探讨，确保各地区水资源的有效供应。

一、无资料地区水文研究现状

当前无资料地区的水资源管理问题主要受到有关数据缺乏的影响，不能保证水资源管理科学性，并且数据获取难度大，为水资源管理带来一定挑战。相关数据表明，近年来全球水文站点数据正不断减少，并且受到人类活动和经济发展的影响，一些地区的水文过程无法正常进行，导致已有水文数据和实际情况不符，不能为今后水资源管理的开展提供参考。尽管我国大型水文站点有3400多个，但我国国土面积大，相对来讲水文站点数量还有所不足，且水文站点布局不科学，不能保证各个地区水资源的充分供应。因此，为了改变这一现状，不断丰富水文资料，有必要进行无资料地区的水文预报研究。

二、區划分析方法

区划方法是目前无资料地区的水文预报上较为常见的分析方法，能针对各地区水资源管理提供依据。水文区划是指利用遥感技术和水文模型等方法，找到流域之间的水文相似性，加强流域和对稳模型间的联系，从而进行地区的水文模拟，完善已有水文资料。区划方法包括水文相似流域替代、临近流域替代和回归法等方法。在解决水文相似问题时，要考虑各流域间的空间距离，对于水文行为在不同空间保持稳定的流域，可采用区划分析方法。临近流域替代方法又分为插值法和临近法，其中临近法直接应用附近流域的水文数据;插值法是指针对附近的多个流域做线性插值，分析得到无资料地区的水文数据信息[1]。一个地区的水文行为会影响地区流域的气候条件和结构特征，要根据水文数据进行流域水资源管理。例如，随着流域水文行为的变化，这一流域的降雨量、景观、蒸发量等将发生改变。而回归法是较为常用的一种区划分析方法，利用降雨—径流分析模型参数来和流域特征值建立回归关系，进而对无资料地区的水文数据进行估计。另外，水文相似流域替代法是指根据与无资料地区水文情况类似地区的水文数据，在这些数据基础上解决水文问题。下面将具体分析上述区划分析方法。

1.临近流域替代法

通过以上阐述可知，空间是表明水文相似的直接特征，通常来讲，需要保证水文行为在流域空间上的变化是平稳的，才可运用这一方法。有学者认为临近流域区划分析法的应用原理为：气候条件对水文行为有明显影响，并且空间上流域变化是逐渐完成的，可根据有关公式得出不同流域的空间距离。临近流域法又分成插值法和空间临近法，对不同区划方法进行对比分析后，能为各地区水文预报提供有效方法。例如，在对比全局平均法和代理流域法后，可观察到两种方法应用效果相似。另外，对奥地利多个流域进行研究时，发现上下游平均法要优于空间临近法的应用。

2.水文相似流域替代法

对于某个流域来讲，它的景观、地形、降雨量和蒸发量等将对流域水文行为产生影响明显，当这些特征相似时，说明不同流域的水文行为较为相似，这时可以说不同流域有着水文相似性[2]。在判断流域相似性时，结构特征相较于气候特征更能准确表现流域相似性，确保数据传递的可靠性。水文相似流域替代主要是分析和无资料地区有着水文相似性的流域水文数据，通过数据外推解决水文预报问题。这一方法在水文预报上有较好运用，能为水资源管理提供有效数据支持。实际运用水文相似法时，要对比分析各流域的多个特征值，得到最为相似的流域。主成分分析、聚类、多维标度法是较为常见的多指标相似性识别方法，可结合实际情况选择适当的分析方法。有学者对莱茵河多个集水区利用多维标度法进行相似性分析，确定水文相似的流域，之后通过模型参数的传递进行无资料地区水文预报。另外，Onema采用聚类分析和主成分分析法，对尼罗河多个流域进行划分，能为水文预报问题的解决提供有效手段。

3.回归法

这一方法是无资料地区水文预报中常用的分析方法，估计得出无资料地区的径流模型参数。回归模型的表达式如下：

其中是指无资料地区水文模型参数;HR是指水文模型参数与流域特征的关系式;是指模型参数。具体来说，基于回归法的区划分析方法较多，包括加权回归、逐步回归、一步回归、非线性回归和多元线性回归等，可通过明确模型参数及建立回归方程。为了保证模型分析准确性，在运用一步回归和连续回归方法时，要进行回归模型和水文模型的校准，其中连续回归不能同时校准以上两个模型，需要按照特定顺序依次校准模型参数。

三、各类区划分析方法的对比分析

1.对比分析

不同区划分析方法有着自身应用优势和缺陷，本文具体分析了这些区划方法的应用特点。其中临近流域法具有操作方便的优势，能在短时间内判断流域水文数据，简化了计算步骤。但是临近流域法还存在一定不足，该方法实际使用时有较大不确定性，降低了分析结果准确性。从学者对英国某些流域的研究可知，将临近流域法运用到流域水文预报中，由于各流域之间的气候特征和水文特征较为相似，为这一方法的使用带来较大限制。例如，在两个流域之间的地形、降水量、气候变化等情況变化不明显的情况下，还要求该流域有临近流域，应用过程相对复杂。相对来讲，插值法在无资料地区水文预报上的适用性较强，对不同流域之间的气候和地形要求较低，在流域水文数据分析上取得广泛应用。主要是由于不同地区的平均极大程度上限制临近法的随机性，需要进行多元特征值分析来掌握水文条件相似的流域。但是插值法同样存在应用局限性，待分析流域和临近流域之间的差异将对水文数据产生影响，并且这种方法缺乏科学依据。而采用回归法时，由于水文模型和径流模型参数的不确定性，并且模型参数与特征值间联系不大，因此，在无资料地区水文问题处理上应用回归法时，可能出现参数不能全部建立在方程中的问题。实际使用时，还要工作人员结合自身经验和理论知识，合理选择区划分析方法，尽可能避免分析方法的不足，确保得到的水文数据能全面反映当地水文行为，以便为今后的水资源管理、水文站点建设等工作的开展奠定基础。

2.区划分析方法应用问题

尽管以水文相似性为基础的区划分析方法在国外无资料区域的水文问题处理上较为常用，但实际使用时还受到一些因素影响，需要规范使用行为来避免外界因素对分析结果的影响。首先，区划分析方法没有流域特征的选择建立统一的规范标准，导致实际选择临近流域时，受到工作人员主观因素影响较大，可能造成分析结果有一定误差[3]。其次，多种区划分析方法都是以水文相似性为基础的，而关于流域特征相似还没有给出科学的辨别依据，不同学者在水文相似性识别上有不同看法。再次，当前针对各个区划分析方法的适用情况不明确，一些方面的规定需要相关工作者结合工作实践经验不断完善，通过模型分析和流域水文行为分析，加大对区划分析方法具体应用的了解。最后，由于区划分析中的模型参数相对复杂，加大了参数研究工作量和复杂程度，因此关于模型参数传递的研究还比较缺乏，不能为相关工作的展开提供理论依据。需要将上述问题作为今后无资料地区水文问题分析中主要考虑的内容，以便保障研究工作顺利开展，进一步完善我国水文数据信息体系。

3.区划分析方法的适用条件

我国地域面积较大，不同地区的地理特征及气候条件有所不同，因此，在进行无资料地区的水文预报工作时，关键在于结合地区实际情况选择恰当的分析方法。从气候条件来看，在热带地区或者温带地区的水文资料获取上，应优先选择临近流域法和相似流域法，而高寒地区可选用回归分析法。这一选择依据为高寒地区的冻土、积雪等运动规律是不断变化的。同时，在高寒地区无资料问题研究上，还可根据遥感资料掌握模型参数，建立相应的模型，之后进行参数传递。另外，国内通常使用MODIS参数和地面数据联系起来，得出分析模型有关参数，例如积雪水当量和积雪阈值等。除了考虑气候条件外，还要结合各地区资料条件选择相应的区划分析方法。

通常来讲，当流域的水文资料较匮乏时，利用空间距离基础上的区划法是解决水文预报问题的有效措施，根据空间位置确定水文相似流域，对资料条件要求较小，但是只能运用在气候和地形条件相对稳定的流域上[4]。对于一个地区来讲，其中气候数据和遥感数据获取难度小，在掌握上述数据后，结合该地区已有的水文数据，可选择基于水文相似性的流域替代法，对临近流域的空间位置要求不大，可同时解决多个水文相似性地区的水文预报问题，对流域研究有效展开有重要意义。以云南省滇池流域为例，该地区供有30条河流，大多数河流没有相应的检测数据，在分析这一地区的水文条件时，可采用水文相似区划分析法和临近流域替代方法，对多个子流域进行研究。首先根据河网密度、流域宽度、流域长度和土地利用类型等特征，确定相似流域。之后建立模拟模型，如果模拟情况较好，则可采用流域替代法，能很好解决无资料问题。

结论

综上所述，区划方法在解决无资料地区的水文预报研究问题上有重要意义，通过加大对区划方法实际应用的研究，进一步明确各类方法的适用范围，为无资料地区水文问题处理提供依据。从国内外各地区的区划方法应用实际来看，空间临近及插值法应用较为常见，考虑到不同方法需要的数据不同，需要明确各类方法的使用范围，真正做好无资料地区水资源管理工作。

参考文献

[1]邓元倩，李致家.区划方法在缺资料地区水文模型参数识别的发展与展望[J].中国农村水利水电，2017（11）：31-34+40.

[2]李洋，戴长雷.阿拉斯加育空地区水文地理区划分析[J].黑龙江水利，2017，3（10）：33-37.

[3]戈晓斌.赣西地区水文巡测基地区划[J].中国水运（下半月），2015，15（09）：225-227.

[4]王心宇，郭怀成.区划方法在无资料地区水文预报中的应用研究[J].水文，2014，34（04）：21-27.