基于层次分析法的河南省流域水文相似性研究

程艳涛　刘大川　罗清元

摘 要： 本文根据河南省内河流现状和特点，并以淮河流域的沱浍河、涡河流域为典型河流，选取河流流域的水文相似性指标，同时利用改进的层次分析法，建立了河南省河流流域相似性指标体系，进行了流域水文相似性分析计算，为河南省半干旱季节性河流的水文分析计算提供科学依据和理论支持。

关键词： 水文;河流;相似性;层次分析

【中图分类号】S157 【文献标识码】A 【文章编号】1674-3733（2020）09-0292-02

1 河南省流域概要

我省地跨淮河、长江、黄河、海河四大流域，流域面积分别占全省总面积的52.87%、16.29%、21.68%、9.16%。大部分河流发源于境内西部、西北部和东南部的山区。

全省的河川径流主要由降水形成，径流总量304亿m3，平均径流深183.6mm。我省位于中原，处于自然气候和地理形势的两个“过渡”地带，由于降水时空分布不均，河川径流不仅年内集中，而且年际变化也大，丰枯交替变化频繁且不规律。豫南、豫西山区径流量较为丰沛，豫北、豫东平原区较为匮乏;全年地表径流量主要集中在汛期，约占全年的60%～70%。

我省集水面积在100km2以上的河道共计493条，其中：流域面积3000km2以上的河流有24条;流域面积200～3000km2的河流有243条;流域面积100～200km2的河流有233条。中小河流（流域面积小于3000km2的河流）总集水面积为10.3万km2，多数处于山区与流域上游，河流比降大，具有河短坡陡、水急、落差大的特征。又具有很强的区域性，一般山丘区较多，平原区较少。

但在针对一些集水面积相对较小河流的水文分析计算中，经常遇到设计流域上缺乏实测水文资料、水文资料序列太短无法展延或者完全没有的情况。因此，本文采用水文比拟法或相关分析法，将气候与地理条件相似的参证流域的水文资料移置到设计流域，以解决流域无资料的困难;或与具有短期资料的设计流域建立相关关系，达到展延水文资料的目的。

2 基于层次分析法的流域水文相似性分析

目前国内外许多水文学家认为，两个流域若具备以下条件之一，就认为是水文相似流域。第1种条件是具有相同的无量纲洪水频率分布曲线;第2种条件是在相同的动力条件下，对单位降雨具有相同的径流响应函数（如地貌单位线相似即认为流域水文相似）。根据流域水文相似的条件，得到水文相似性的研究原则。

2.1 水文相似性研究原则

（1）综合分析原则

在进行水文相似性研究时，广泛分析各种动态的水文要素：包括河水补给类型、水量平衡要素、径流的年内分配、河流水情以及冰情等;分析变化相对缓慢的因素：如水体类型、水网密度、河谷形态等;分析自然地理条件、气候和地形，它们是影响水文区域差异的基本因素。

（2）相似性与差异性原则

以一种或几种水文特征值为指标，把相似的因素连接起来，而把相异因素分开。相似性不仅表现在各种水文特性方面，还表现在自然地理方面。相似性只能是大体上表现出来，因为在相当范围的流域内，各部分的自然条件不可能完全一样，因而研究区域内部的水文情况仍然有一定的差異。这些差异就是进一步研究低一级水文相似程度的依据。由此可见，水文区域从高级单位到低级单位，其内部的水文相似性是逐级增大的，低级单位一方面具有高级单位的一般特点，另一方面又表现出局部差异。

（3）成因分析原则

同一水文现象在不同的自然条件下可能是由不同原因引起的，不能只求表面现象上的水文相似，而应该分析这些水文现象的成因，同一个水文区域内的水文现象在成因上应具有对一相似度取值范围。

2.2 基于层次分析法的河南省流域水文相似性分析模型

（1）构造流域水文相似度层次模型

建立层次模型，将流域水文相似度划分成地形要素、植被指数、干旱指数和气候因素等组成指标，由于水文相似的复杂性，将其地形要素和气候因素指标继续向下划分，地形要素分为山地、丘陵和平原，气候因素分为日照时间、气温和风速。将这些指标按支配关系分组形成递阶层次结构，划分为A层、B层和C层等三层次（如图1所示）。

3 河南省流域水文相似性分析计算

将无水文资料的河流与其附近的典型河流进行流域水文相似性计算。流域水文相似性大的河流直接采用典型河流的水文数据或者根据流域水文相似度进行参数调整，便于对无资料或缺少资料的地区的水文计算;对于流域相似性小、有水文资料的河流则采用根据水文资料，还原其河流天然径流量，得出其径流代表站多年平均天然径流量月分配表和流域年径流量，从而推算出河流的年天然径流量。

本文以涡河、沱浍河为典型基准河流，选取了一些大小河流进行河南省流域水文相似性示例计算。计算结果如下（表1）：

由以上计算结果，可以得出与典型河流涡河基本相似的河流有淮河、洪河、沙颍河、泉河、惠济河、沙河、丹江、唐河、卫河、贾鲁河、双洎河;较相似的河流有白河、潢河;一般相似的河流有黄河;不相似的河流有卫河。与典型河流沱浍河基本相似的河流有淮河、洪河、沙颍河、泉河、沙河、丹江、唐河、潢河、贾鲁河、双洎河、惠济河;一般相似的河流有白河、卫河、黄河。

4 结论

本文研究方法不但适用于有水文资料的流域，也适用于无资料或者缺少资料的流域地区，解决了无资料地区水文计算的困难。为洪水预警预报、水资源量计算提供了科学依据，在促进水资源的充分合理利用，带动周边地区的经济发展方面有积极的意义;有利于防汛抗旱、生态环境和水资源管理，对推进水生态建设、水灾害防御、水环境改善具有促进作用，顺应了建设节约型社会的需求。本研究虽然取得了一定的成果，但是由于资料的不完整、时间的局限，还存在一些有待解决的问题，具有更深一步研究的意义。

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