我国无资料地区水文预报研究进展

李治军，王华凡，侯 岳，黄佳俊

(1.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080;2.黑龙江大学 寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080)

水文学是人类认识地球水资源时空分布规律的重要学科，广泛应用于水资源开发、利用、调配和管理等实际生活中[1]。产汇流理论作为水文学的核心组成部分，研究历史悠久，涵盖较广，涉及物理学、大气学和环境学等多种学科，相关理论方法在水文预报、洪水灾害预警和无资料地区产汇流规律研究等生产生活实践中起到了举足轻重的作用[2]。我国水资源短缺现象严重，南北方水资源量差距较大，旱涝灾害频发，水文气象观测站点量少且分布不均。据相关统计数据，2020年我国各种自然灾害共造成1.38亿人次受灾，0.199 577×109hm2农作物受灾，直接经济损失近3 701.5亿元，其中干旱和洪涝水文地质灾害影响显著[3]。水文预报科学研究不仅对有资料地区的防洪防灾具有重大意义，对无资料地区的泥石流灾害防范、洪水预警和人民财产安全保护等也具有较大的现实需求。本文以国际水文科学协会(IAHS)提出的无资料流域水文预报(PUB)计划为切入点，通过对大量相关文献的阅读分析，基于文献计量学[4]和可视化分析法[5]，概述国内学者针对无资料地区开展的水文预报研究现状，总结无资料地区水文预报的主要方法，并对未来的发展趋势做出展望，相关内容对于同领域的学者开展科学研究，具有一定的借鉴意义。

1 无资料流域水文预报计划研究现状

2003年7月，国际水文科学协会首次正式提出了无资料流域水文预报计划，简称PUB(Prediction in Ungauged Basins)。PUB计划主要包括水文预测和水文预报两个方面，前者关注水文随机事件的发生概率，后者则关注水文事件在未来某一时间点发生的状态，该计划立足于采用数值分析和地理信息科学技术等各种方法减少水文不确定性，在已有的水文产汇流模型基础上，加强对水文过程的基本原理认识，通过有资料地区的参数与无资料地区水文基础资料的参证融合，从而发展适合无资料地区水文预报模拟的新模型，达到有资料地区水文预报的经验做法和数据资料在PUB计划的实施下向无资料或缺资料地区拓展，PUB计划方法论见图1[6-8]。

图1 PUB方法论

在PUB计划提出一年后，2004年6月，中国PUB计划科学委员会在北京成立，其工作核心内容之一就是针对洪水预报中的不确定性问题，利用相关技术手段提高洪水预报的预见期和准确性，为无资料或缺资料地区的水文预报提供理论指导[9]。

本文利用CNKI网页附带的文献可视化分析选用“无资料地区”“水文模拟”“设计暴雨”和“洪水预报”关键词，进行高级检索，共得2110篇相关文献资料，由研究论文发表量数据，见图2，在PUB计划正式提出之后，相关主题发表数量大体呈现递增趋势，并长期维持在每年百篇发表量的水平，2016年达到了年发表量的最大值140篇。由相关研究机构统计数据，河海大学、武汉大学和大连理工大学在无资料地区水文预报研究中比较活跃，文献发表量较多，相关著名学者也大多出自这三所大学[10-11]。

图2 无资料地区水文预报研究论文发表量

2 无资料地区水文预报主要方法

无资料流域水文预报以径流量预测为核心，通过流量资料或雨量资料两种途径进行推求[12]，由此衍生的计算方法颇多，常用的有水文相似分析[13]、地貌参数[14]、经验公式[15]、流量历时曲线[16]、单位线模型[17]和设计暴雨洪水计算[18]等方法，本文将用于无资料或缺资料地区水文预报的常用方法总结归纳为参证法、推理公式法和水文模型法等具有代表性的三种方法，下面就具有代表性的三种方法，做简要介绍并结合前人应用实例进行概括总结。

2.1 参证法

在地质构造、下垫面条件和水文气候相似的地区，河流水系具有相似的产汇流机制，可利用相似流域或者上下游水文信息，达到无资料地区径流量模拟的目的[19]。参证法正是结合了与无资料地区流域特性相似的河流水系的各类水文参数，运用水文比拟、参数移植和区域回归等方法，进行无资料流域径流量的参证模拟。

水文比拟法利用参考水文站点的流域特征值参数进行设计流域的径流量计算，结合参考流域的平均年径流量等参数，采用式(1)、式(2)和式(3)进行计算[20]。

(1)

K1=A/Ac

(2)

(3)

水文比拟法要求参考流域的水文观测数据具有可靠性、代表性和一致性，要求参考水文站点统计的水文信息不能存在错误，水文数据资料与相应的水文影响因素一致，选用的数据要求具有丰、平、枯交替组合，对于参证站点的数据要求较高，站点选取难度较大。学者们常采用流域面积比拟、临近地区降雨量插值和径流量比拟等方式，利用数值分析，对不同频率特征情况下的无资料地区径流量资料进行推算，对于计算精度要求不高，偏远跨界地区，引水工程来水量分析具有较好的应用效果[21-22]。

区域回归法和参数移植法在建立有资料地区和无资料地区流域下垫面特征值关系后，借助有资料地区的水文信息，利用水文模型推求出无资料地区流域下垫面特征值，从而实现无资料地区水文预报模拟，两种方法具有一定的相似之处，在此一并介绍。区域回归法常以参考流域的下垫面特征参数为自变量，建立年平均径流量与其影响因素的回归方程。多元回归法常采用式(4)和式(5)进行径流量计算。

(4)

(5)

常用最小二乘法确定回归方程的系数，利用F检验法对回归效果进行评价。武汉大学周芬等[23]结合数理统计学中的模糊聚类分析确定相似水文子区域，充分考虑了水文不确定性，利用线性矩法进行一致性和均匀性审查，以洪峰流量和流域特征变量建立的回归方程在实际应用中取得了很好的效果，做法独特，值得学习推广。由于可选取的回归参数众多，选取方法不一，在应用过程中应充分考虑水文不确定性，避免出现异参同效和参数间不独立等情况，此外，部分水文参数难以与特征值之间建立良好的相关关系，也会给模拟效果带来一定的影响[24]。

参数移植法将有资料地区的水文信息在通过空间距离临近检验和移植属性相似验证后，将参数移植到无资料地区，结合相应的水文模型，进行无资料地区的径流量模拟[25]。空间距离临近常要求参证流域与无资料流域处于同一地区，具有相似的土壤性质和气候条件，处于上下游或者位置临近[26]。移植属性相似要求参证流域与无资料流域具有相似的地形、气候、土壤和植被等物理属性，具有相似的降雨产汇流机制，通过选取气候特征、地形特征、植被特征和土壤特征中的相关指标[27]。在完成相关检验和验证之后，即可借助水文模型进行无资料地区径流量模拟。许多学者在进行有资料流域的参数移植之前，常采用聚类分析或主成分分析法对相关属性特征值进行优选，以提高计算精度[28-29]。随着地理信息科学技术的发展，卫星数字高程数据的推广应用，参数移植法、数字高程模型(DEM)和水文模型的耦合应用愈发广泛，相关经验做法模拟精度高，与实际流域贴切度高，具有广泛的研究前景[30]。

2.2 推理公式法

无水文资料的流域大多是小流域，面积一般不超过50 km2，降雨面比较均匀，植被覆盖比较单一，流域水文特征变化较小，水文领域专家学者常结合雨量资料，利用地区经验公式法和降雨径流系数法进行研究区的洪水预报，地区水利部门和水利科学研究院所通常会编制适用于当地的暴雨洪水分析手册，并加以推广利用。地区经验公式常结合邻近流域实测资料，建立洪峰流量与流域特征和降雨特性之间的方程式关系，该法简便实用，地域性较强，但经验公式通常是根据单一下垫面情况分区域建立的，对于地形地貌变化较快的流域并不实用，不适合外延推广。此外，随着人类活动对流域水文生态影响的程度不断加大，地区气候和土壤植被分布的变化，许多经验公式也不再适用而面临淘汰。降雨径流系数是单位时段内径流量与降雨量的比值，表示某时段内有多少降水量形成了径流，综合反映了流域自然地理条件对于径流形成的影响，通过降雨量空间插值或降雨量移植等方法，结合地区径流系数即可推求出径流量。各类推理公式在实际确定过程中，工作量大，要求研究者具备扎实的专业基础，对研究区域的水文、气候和地形地质情况具有一定的了解，且相关经验公式很难随着流域下垫面变化得到进一步利用。国内学者在应用推理公式时，常结合地区设计暴雨洪水计算手册，利用流域汇流历时和土壤地质条件等特征参数进行无资料地区径流量推求[31-32]。Gao Yuan等[33]在明确气候变异和土壤储水能力分布对平均年径流量的影响程度的情况下，利用基础的水量平衡方程，基于分布函数，建立了一个可估计平均年径流经验公式，可进一步用于流域径流量的预测计算，做法独特，别具一格。

2.3 水文模型法

流域水文模型是对自然界复杂水文现象的一种抽象概化，是研究产汇流理论的重要手段，通过结构与参数的耦合，从而实现对降雨径流的模拟，现阶段，能够充分考虑流域下垫面差异变化的分布式水文模型已成为研究热点，并广泛应用于无资料地区的水文预报[34]。由于无资料地区缺乏历史观测数据，在水文模型应用过程中，模型参数率定对于预报效果至为关键。经过专家学者长期的模拟研究，形成了运用参数移植法或者各种模型耦合水文模型进行无资料地区水文预报研究的方法。参数移植法的相关理论前文已做叙述，在此不过多介绍，值得一提的是，随着社会经济的发展，人们对生态环境的影响力度愈发加大，流域下垫面条件变化剧烈，水文系列资料的一致性和代表性遭到破坏，参数移植结合水文模型的方法，在许多地区已无法适用。20世纪90年代之后，随着计算机技术的快速发展，水文模拟软件用户界面的开放设计化，气象卫星数据和空间遥感数据的推广应用，基于DEM的分布式水文模型在无资料地区水文预报研究中广为应用。DEM能够利用空间坐标对一定区域范围内的地貌形态进行描述，对流域地形地貌进行划分，体现流域下垫面的空间差异性，更加真切地对降雨产汇流机制进行模拟，有效地提高了水文预报精度[35]。此外，地貌瞬时单位线等各类汇流曲线模型与水文模型的耦合，进一步提高了汇流计算的精度，具有较强物理概念基础的改进的新安江模型和SWAT水文模型在无资料地区的水文预报中也得到了成功的应用[36-37]。水文模型的成熟发展也促使其在进行无资料地区水文预报的同时，与生态水文学、山洪泥石流灾害防治和地下水推算等方面的应用。2010年，甘衍军等基于ArcGIS软件，利用遥感信息技术推求研究区土地利用情况和土壤类型等水文参数，结合参数率定较少的SCS水文模型对无资料地区径流量进行模拟，计算方法先进，结果真实可靠[38]。在满足预报精度要求的前提下，无资料地区的水文预报常要求参数较少的水文模型，利用参数较多和结构复杂的水文模型常取得适得其反的效果。

3 发展趋势

随着工业化进程的不断加快，气候变化愈发剧烈，人类活动对环境破坏愈发严重，日益严重的干旱和洪涝等自然灾害危害着人类的生存安全，加强水资源管理和水文预报研究已刻不容缓[39]。未来，水文预报研究将朝着多学科交叉融合、多模型创新结合和多渠道拓展应用的方向发展，进一步减少无资料地区水文预报中的不确定性，以提高预报精度。

多学科交叉融合要求水文预报研究继续加强计算机、气象、物理和地质等学科的交流合作，加快学科理论的成果共享，加大研究力度，提高对水文现象和水文基本过程的认知，利用有限的水文资料提高洪水过程模拟精度，解决水文不确定性。

多模型创新使用要求水文预报利用先进的数字高程模型(DEM)、各类单位线模型、数值分析模型和分布式水文模型进行有机耦合，加强水文流域地形地貌特性研究，构建具有较强物理基础的数值分析模型，提高洪水计算结果可靠性。

多渠道拓展应用要求水文预报技术能够进行推广利用，在无资料地区山洪泥石流预警计算[40]、灾害预警雨量指标计算[41]、山洪灾害评价[42]、江河入海口划定[43]、地下水开采量推求[44]、江河泥沙估算[45]、水库防洪[46]和地区耕地历史经济价值评估[47]等现实应用需求中起到重要的作用。此外，随着我国对环境保护力度的加强，水文预报技术在生态水资源量保护方面也有较好的应用前景。

4 结 语

随着科学技术的发展，多种学科的不断交流融合，流域下垫面变化的加快，能够充分反映流域下垫面特征的分布式水文模型将会在无资料地区水文模拟计算中得到更加广泛的应用。随着PUB计划的总结深入，相关理论成果对缺少气象水文观测站点的发展中国家的水文预报研究具有较大的促进作用。此外，除了在理论方法上做出创新外，应积极推进水文气象站点的建设，加快填补无资料地区水文数据上的空白。